ιονόσφαιρα

Το ιονισμένο τμήμα της ανώτερης ατμόσφαιρας που ξεκινά περίπου από τα 50 χλμ. (το πάνω άκρο της κρατόσφαιρας) και φτάνει σε απόσταση μεγαλύτερη από 1.000 χλμ. Η ι. αποτελείται από αραιό, ελαφρώς ιονισμένο πλάσμα που βρίσκεται μέσα στο μαγνητικό πεδίο της Γης και έχει, εξαιτίας της ηλεκτρικής του αγωγιμότητας, ειδικές ιδιότητες που καθορίζουν τη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και άλλων διαταραχών. Υπάρχουν πολλοί τρόποι με τους οποίους μπορεί να γίνει ιονισμός στην ανώτερη ατμόσφαιρα, αλλά ο σπουδαιότερος είναι ο φωτοϊονισμός, δηλαδή η απόσπαση ενός ή περισσότερων ηλεκτρονίων από ένα άτομο ή μόριο αερίου με την επίδραση της μικρού μήκους κύματος υπεριώδους ακτινοβολίας του Ηλίου. Ιονισμό επίσης μπορεί να προκαλέσει και η σωματιδιακή ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον Ήλιο ή άλλα σημεία του Διαστήματος και μπαίνει στην ατμόσφαιρα, με τη διαφορά ότι τα σωματίδια της ακτινοβολίας (άτομα, ηλεκτρόνια, ιόντα, σωματίδια κοσμικής σκόνης) δεν καταστρέφονται κατά τη σύγκρουση με άτομα ή μόρια της ατμόσφαιρας όπως γίνεται με το κβάντο φωτός στον φωτοϊονισμό. Ιονισμός μπορεί ακόμα να συμβεί όταν άτομα οξυγόνου Ο που προέρχονται από τη διάσπαση του μοριακού οξυγόνου συνυπάρχουν μαζί με αρνητικά ιόντα οξυγόνου, επειδή ελευθερώνονται ηλεκτρόνια e- : Ο^- + Ο → Ο₂ + e^-. Ηλεκτρόνια μπορούν να αποσπαστούν από τα αρνητικά ιόντα και με την υπεριώδη ακτινοβολία όχι μικρού μήκους κύματος, γιατί στην περίπτωση αυτή δεν απαιτείται μεγάλη ενέργεια. Στον ιονισμό της ατμόσφαιρας συντελούν επίσης η κοσμική ακτινοβολία (ιδιαίτερα τα βαριά σωμάτιά της) και οι μετεωρίτες (με τα μόρια που προέρχονται από αυτούς όταν εξαερώνονται). Τα ηλεκτρόνια που δημιουργούνται με όλες αυτές τις διαδικασίες δεν έχουν μεγάλη ζωή, και ιδιαίτερα όταν η περιοχή όπου βρίσκονται έχει πολύ μικρή πυκνότητα. Οι διαδικασίες με τις οποίες εξαφανίζονται τα ηλεκτρόνια είναι η ανασύνδεση και η συγκόλληση. Στην πρώτη ένα θετικό ιόν X⁺ και ένα ηλεκτρόνιο συνδέονται και σχηματίζουν ένα ουδέτερο άτομο ή μόριο (X⁺ + e^-→ Χ). Στην ι. πολλές φορές υπάρχει ένας ειδικός τρόπος ανασύνδεσης που λέγεται διαχωριστική ανασύνδεση και κατά την οποία ένα ιονισμένο θετικά μόριο Χ²⁺ συνδέεται με ένα ηλεκτρόνιο, οπότε η ενέργεια που εκλύεται μπορεί να διασπάσει το μόριο στα άτομα που το συνιστούν: Χ²⁺ + e^-→ Χ* + X* (το Χ* δείχνει ότι το άτομο X σχηματίστηκε σε κατάσταση διέγερσης). Κατά τη συγκόλληση, ένα ηλεκτρόνιο συνδέεται με ένα ουδέτερο άτομο ή μόριο και σχηματίζεται ένα αρνητικό ιόν: Χ + e^-→ Χ^-. Ο ρυθμός με τον οποίο γίνονται οι διαδικασίες συγκόλλησης εξαρτάται από την πυκνότητα των ηλεκτρονίων και των ουδέτερων σωματίων. Θα είναι επομένως πιο έντονες σε σχέση με τον ανασυνδυασμό όταν η πυκνότητα του αέρα, άρα και των ουδέτέρων σωματίων, είναι σχετικά μεγάλη και των ηλεκτρονίων μέτρια χαμηλή. Επειδή στις κατώτερες περιοχές της ατμόσφαιρας η πυκνότητα του αέρα είναι σχετικά μεγάλη και το μεγαλύτερο μέρος της υπεριώδους ακτινοβολίας απορροφάται στις διάφορες φωτοχημικές δράσεις και τους φωτοϊονισμούς στην ανώτερη ατμόσφαιρα, o αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων και ιόντων είναι μικρός έως το ύψος των 50 χλμ. και γι’ αυτό δεν έχει επίδραση ουσιαστικά στη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Η ι. μπορεί να διαιρεθεί σε τρία διακριτά στρώματα ή περιοχές. Το πάχος αυτών των περιοχών μπορεί να μεταβληθεί από τη μέρα στη νύχτα και παρουσιάζει επίσης μεταβολές ανάλογα με την εποχή και το γεωγραφικό πλάτος. Η κατώτερη περιοχή της ι. είναι η περιοχή D που βρίσκεται σε ύψη μεταξύ 50-90 χλμ. περίπου. Ο βαθμός ιονισμού, δηλαδή ο αριθμός ελεύθερων ηλεκτρονίων ανά κυβικό εκατοστό, είναι σχετικά μικρός (1-3.10³ ηλ./cm³) και ο αριθμός των συγκρούσεων ηλεκτρονίων φτάνει περίπου σε 107 ανά δευτερόλεπτο. Γι’ αυτούς τους λόγους στην περιοχή αυτή μπορούν να ανακλαστούν μόνο τα μεγάλου μήκους κύματος ραδιοκύματα. Πάνω από την περιοχή βρίσκεται η περιοχή Ε και σε ύψη που κυμαίνονται από 90-150 χλμ. περίπου. Ο μέγιστος βαθμός ιονισμού σε αυτή την περιοχή είναι την ημέρα 1-2.10⁵ ηλ./cm³, ενώ τη νύχτα πέφτει στα 5.10³ ηλ./cm³ και η συχνότητα των συγκρούσεων φτάνει σε 2.10⁵/sec. Στην περιοχή αυτή ανακλώνται τα μέσης συχνότητας ραδιοκύματα. Σε ύψη που κυμαίνονται από 180 έως 1.000 χλμ. βρίσκεται η περιοχή F, που διαιρείται κατά την ημέρα και ιδιαίτερα το καλοκαίρι σε δύο περιοχές, την F1 και την F2. O μέγιστος βαθμός ιονισμού της περιοχής F είναι της τάξης των 2.10⁶ ηλ./cm³ (την ημέρα μπορεί να φτάσει και τα 5.10⁶ ηλ./cm³) και ο αριθμός των συγκρούσεων των ηλεκτρονίων είναι πολύ μεγαλύτερος απ’ ό,τι στην περιοχή F. Η περιοχή F, εξαιτίας του μεγάλου βαθμού ιονισμού της και του μεγάλου ύψους στο οποίο βρίσκεται, έχει πολύ μεγάλη σημασία για τη μετάδοση των ραδιοκυμάτων μικρού μήκους σε μεγάλες αποστάσεις. Εκτός από τις τρεις αυτές περιοχές δημιουργούνται μερικές φορές πρόσθετες περιοχές που διαρκούν συνήθως μόνο λίγες ώρες. Οι περιοχές αυτές λέγονται σποραδικές περιοχές και η σπουδαιότερη είναι η σποραδική περιοχή Εs που έχει βαθμό ιονισμού της τάξης των 1.10⁶ ηλ./cm³ και παρατηρείται στα ίδια ύψη με την Ε. Επίσης μόνο τις χειμερινές νύχτες παρατηρείται και το σποραδικό Fs. Απ’ ό,τι έχουν δείξει οι νεότερες παρατηρήσεις ολόκληρη η ι. είναι εξαιρετικά ασταθής και ανομοιόμορφη. Εκτός από τις συνηθισμένες διαταράξεις η ι. παρουσιάζει μερικές φορές πολύ μεγάλες διαταραχές, οι οποίες διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: τις ιονοσφαιρικές καταιγίδες και τις αιφνίδιες ιονοσφαιρικές διαταραχές (SID)· κατά τις πρώτες, που εκδηλώνονται με ιδιαίτερα μεγάλη ένταση στις πολικές περιοχές και διαρκούν συνήθως μερικές μέρες, η ι. γίνεται ασταθής, διαταράσσονται οι ραδιοτηλεπικοινωνίες και ο βαθμός ιονισμού των περιοχών Ε και F αυξάνεται απότομα. Οι διαταραχές αυτές οφείλονται στον ιονισμό που προκαλεί σωματιακή ακτινοβολία που προέρχεται από τον Ήλιο καθώς μπαίνει στην ατμόσφαιρα. Κατά τις διαταραχές SID που εκδηλώνονται στη φωτιζόμενη πλευρά της Γης από τον Ήλιο παρατηρείται ξαφνική αύξηση της απορρόφησης των ραδιοκυμάτων μικρού μήκους, με αποτέλεσμα πολλές φορές να σταματούν τελείως οι ραδιοτηλεπικοινωνίες με αυτά τα κύματα. Οι διαταραχές SID οφείλονται σε ισχυρή ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος που εκπέμπεται από τον Ήλιο κατά τη διάρκεια ηλιακών εκλάμψεων. H μελέτη της ι. γίνεται με βάση τις μετρήσεις από πυραύλους, τεχνητούς δορυφόρους και το πυκνό δίκτυο επίγειων σταθμών και διακρίνονται σε αυτή δύο κατευθύνσεις: α) η μελέτη της επίδρασης της ι. πάνω στα ραδιοκύματα και β) η μελέτη των φυσικοχημικών δράσεων της ι. που έχει δημιουργήσει έναν νέο επιστημονικό κλάδο, την αερονομία. Η μελέτη της ιονόσφαιρας γίνεται με βάση τις μετρήσεις από πυραύλους, δορυφόρους και δίκτυο επίγειων σταθμών (φωτ. ΑΠΕ).

* * *

ἡ (μετεωρ.)

το σύνολο τών περιοχών τής γήινης ατμόσφαιρας οι οποίες παρουσιάζουν υψηλή περιεκτικότητα σε ιόντα και σε ελεύθερα ηλεκτρόνια.

[ΕΤΥΜΟΛ. Ιονόσφαιρα αντί τού ορθ. ιοντόσφαιρα. Αντιδάνεια λ., πρβλ. γαλλ. ionosphere < iono- (πρβλ. ἰόν) + -sphere (πρβλ. σφαίρα)].