Fyzika ionosféry

Co je to ionosféra?

Ionosféra je ionizovaná část atmosféry významně ovlivňující šíření elektromagnetických signálů. Elektromagnetické signály mohou být odráženy, tlumeny, či může být zakřivována jejich dráha. G. Marconi experimentálně dokázal přítomnost atmosférické odrazivé vrstvy, když v roce 1901 v Kanadě zachytil signál vyslaný z Cornwallu přes Atlantický oceán.

Ionosféra se nachází ve výškách zhruba nad 60 km, v oblastech mezosféry (najetím myši na toto slovo získáte další informace) a termosféry . V důsledku ionizace neutrálního plynu slunečním zářením je prostředí elektricky vodivé. Protože ionizovaný plyn v této oblasti splňuje definici plazmatu, tak o něm také mluvíme jako o plazmatu.

Sluneční záření je při svém průchodu atmosférou filtrováno (některé části spektra jsou částečně nebo úplně pohlceny atmosférickými plyny), s výškou se mění i chemické složení plynů. Proto dochází k vytvoření několika ionosférických vrstev, směrem od země jsou to vrstvy D, E, F1 a F2. Pouze vrstva F2 (a k velké radosti radioamatérů i občasná tzv. Es vrstva, sporadická vrstva E) přetrvává i v noci, zatímco ostatní vrstvy kvůli rychlé rekombinaci v průběhu několika sekund až minut po západu slunce zanikají.

Proč studujeme ionosféru?

V ionosféře dochází k nádhernému úkazu, polární záři. To však není jediný důvod, proč studovat procesy, ke kterým v ionosféře dochází. Předpověď stavu ionosféry je důležitá zejména pro telekomunikace: pro radiové vysílání, pro komunikaci s družicemi na oběžné dráze či pro globální navigační systémy (např. GPS nebo evropský projekt Galileo). Poruchy v ionosféře se mohou projevit ve snížení spolehlivosti navigačních systémů či ve zhoršení komunikace s družicemi na oběžné dráze. Snahou proto je porozumět chování ionosféry a zdokonalovat ionosférické předpovědní modely.

Jak se dají měřit procesy v ionosféře?

Nejdůležitější informací o stavu ionosféry je elektronová koncentrace v dané výšce. Ta se zjišťuje pomocí ionosond. Ionosonda funguje na stejném principu jako radar. Z pozemní vysílací antény se vyšle směrem vzhůru krátký pulz a měří se doba návratu do přijímací antény či antén. Elektromagnetická vlna se v ionosféře odrazí právě ve výšce, kde se její frekvence rovná plazmové frekvenci . Vlny s vyšší frekvencí prostředím plazmatu procházejí. Z časového zpoždění návratu odražené vlny lze spočítat výšku odrazu. Maximální frekvence signálu, který se ještě od dané vrstvy odrazí, se nazývá kritická frekvence, signály s vyšší frekvencí vrstvou procházejí. Graf, na kterém je zakreslena koncentrace elektronů v závislosti na výšce, se nazývá ionogram. Takovéto měření se provádí v České republice v observatoři Průhonice pomocí digitální ionosondy DPS-4D. Tato stanice je součástí celosvětové ionosférické měřící sítě. Na jednotlivých odkazech, tedy i na stránce digisondy Průhonice je možné nalést jednak aktuální i starší ionogramy, výsledky driftových měření v podobě Skymap (změny frekvence odraženého signálu v důsledku Dopplerova jevu, rychlosti plazmatu v jednotlivých složkách a další informace.

Ústav fyziky atmosféry, Oddělení aeronomie, 2012