Ionosfera

Ionosfera Lurraren inguruan elektrikoki kargatuta dauden atomo eta molekulen geruza bat da, 50 kilometro inguruko garaieratik 1.000 kilometro baino gehiagora hedatzen dena. Bere sorrera eguzkitik datorren erradiazio ultramoreari zor zaio gehien bat.

Lurreko atmosferaren beheko partean troposfera lurrazaletik gutxi gorabehera 10 bat kilometroko altueraraino hedatzen da. 10 kilometrotik gora estratosfera dago eta, ondoren, mesosfera. Estratosferan Eguzkiaren erradiazioak ozono geruza sortzen du. 80 kilometro baino gehiagoko garaieran, termosferan, atmosfera hain mehea da ezen elektroi askeak egon daitezkeela denbora-tarte laburrez, ioi positibo batek harrapatzen dituen arte. Elektroi aske hauek kopurua nahikoa da irrati-uhinen hedapena ahalbidetzeko. Atmosferaren zati hau ionizatuta dago eta ionosfera izenarekin ezagutzen den plasma bat osatzen du. Plasman elektroi aske negatiboak eta ioi positiboak elkar erakartzen dira indar elektromagnetikoaren ondorioz, baina energia gehiegi daukate molekula neutro bat osatuz elkarrekin irauteko.

Eguzki erradiazioaren izpi ultramoreak (UV), X-izpiak eta uhin-luzera motzagoak ionizatzaileak dira, frekuentzia honetako fotoiek nahikoa energia dutelako gas atomo edo molekula neutral bateko elektroi bat bereizteko. Prozesu honetan elektroi arin horrek abiadura handia jasotzen du eta, beraz, bere teneperatura asko igotzen da (milaka Kelvin) neutralen eta ioiekin alderatuta. Ionizazio honen alderantzizko prozesua errekonbinazioa da, non ioi positibo batek elektroi aske bat "kapturatzen" duen. Errekonbinazioa espontaneoa da, eta sortzen den energiaren ondorioz fotoi bat emititzen da. Gas dentsitatea handitzen denez altitude txikiagoetan, errekonbinazio prozesuak jarraitzen du, gas molekula eta ioiak elkarrengandik gertu egon arte. Bi prozesu hauen arteko balantzeak determinatzen du ioniazio kopurua.

Ionizazioa Eguzkiaren eta bere jardueraren mendekoa da. Ionosferako ionizazio-maila asko aldatzen da eguzkitik jasotako erradiazio-kantitatearen arabera. Beraz efektua aldakorra da egunean zehar (eguneko orduaren arabera) eta urtaroaren arabera. Hemisferio batean negua denean Eguzkitik erlatiboki aldentzen da eta, beraz, erradiazio gutxiago jasotzen du. Eguzkiaren aktibatea eguzki-orban zikloen arabera aldatzen da. Eguzki-orban asko daudenean erradiazioa ere handitzen da. Jasotako erradiazioa ere aldatzen da kokapen geografikoaren arabera (polarra, auroren zona, latitude ertainak edo ekuatorea). Ionosfera bera aldarazten duten mekanismoak ere badaude, ionizazioa handituz. Eguzki eztandak ere badaude, eguzki-haizeak garraiatzen dituen partikulekin eta geomagnetismoarekin lekarrekintza egiten dutenak.

 

Gauez F geruza da ionizazio nahikoa duen geruza bakarra, E eta D geruzetan ionizazioa oso txikia den bitartean. Egunean zehar D eta E geruzak askoz gehiago ionizatzen dira, F geruzak egiten duen bezala. Azken honetan ionizazio arinagoa duen geruza gehigarri bat garatzen da, F₁ geruza gisa ezagutzen dena. F₂ geruza egunez eta gauez mantentzen da eta hau da irrati uhinen errefrakzioaren arduradun nagusia.

D geruza da lurrazaletik gertuen dagoen geruza, 60 kilometrotik 90 kilometrora artean. Ionizazioa hemen Lyman serieen ondorioa da, alfa hidrogeno erradiazioa 121,5 nanometroko uhin-luzerarekin, oxido nitrosoa (NO) ionizatzen. Gainera eguzki-aktibitatea altuak X-uhinak sor ditzake (nanometro bat baino gutxiagoko uhin-luzerarekin) N₂ eta O₂ ionizatuz. Errekonbinazio kopurua handia da D geruzatan, eta beraz aire molekula neutral gehiago daude ioiak baino. Frekuentzia ertain eta frekuentzia altuko irrati uhinak nahikoa gutxitzen dira D geruzan, irrati uhinek elektroiak mugiarazten baitituzte, eta hauek molekula neutralekin talka egiten dutelako, euren energia galduz. Frekuentzia txikiagoek elektroiak urrunago mugitzen dituzte, kolisio aukera handiago batekin. hau da ionosferaren absortzioaren arrazoi nagusia, batez ere 10 MHz eta azpitik, absortzio gutxiagorekin frekuentzia handitzen den heinean. Efektu honen eraginik handiena eguerdian ematen da, eta gauean asko jaisten da, D geruzaren lodiera asko txikitzen delako; izpi kosmikoek eragiten dute D geruza gauez ere mantentzea. D geruzaren eraginik ezagunena AM irrati emisio urrunen eguneko galera izaten da.

Eguzki protoi ebentoetan ionizazioa maila oso altuetara hel daiteke D geruzan latitude altuetan eta poloen inguruan. Ebento hauek oso arraroak izaten dira eta Geruza Polarraren Absortzio (ingelesez: Polar Cap Absorption, PCA) gisa ezagutzen dira, eskualde polarretan zehar igarotzen diren irrati seinaleen absortzioa asko handitzen delako. Berez absortzio maila hamarnaka dBtan handitu daiteke, eta hau nahkoa da HF irrati seinale tranpolarrak eteteko. Ebento horiek ez dute 48 ordu baino gehiagoko iraupena izaten.

E geruza erdiko geruza da. Lurrazaletik 90 eta 150 km arteko distantzian hedatzen da. Bertan ionizazioa X-izpien ondorioa da (1-10 nm artekoak) eta ultramore urrunen ondorioa. Eguzki erradiazioak hemen oxigeno molekurra ioniatzen du (O₂). Normalki, inzidentzia zeharra duenean, geruza honek 10 MHz baino txikiagoak diren irrati uhin frekuentziak baino ezin ditu isladatu, eta hortik gora dauden frekuentzien absortzioan eragin txikia izaten du. Hala ere E ebento esporadikoak ematen direnean E_s geruzak 50 MHz baino hadniagoak diren frekuentziak ere islatu ditzake. E geruzaren egitura betikala batez ere ionizazio eta errekonbinazioaren efektuen ondoorioz aldaktzen da. Gauean E geruza ahultzen da, bere ionizazioren jatorri nagusia ez dagoelako jada eragiten. Eguzkia sartu ondoren E geruzaren goiko muga hedatzen joaten da, eta horren ondorioz irrati uhinen islatze gaitasuna ere luzatzen da.

Eremu honei Kennelly–Heaviside geruza izena ere ematen zaio (batzuetan Heaviside geruza). Geruza hau hor egongo zela independienteki aurreikusi zuten 1902an Arthur Edwin Kenelly ingeniari elektrikoak eta Oliver Heaviside britainiar fisikariak. Hala ere 1924a arte ez zuten aurkitu Edward V. Appleton eta Miles Barnettek.

E_s geruza (S horrek esporadiko esan nahi du) ionizazio oso indartsua duen geruza oso txikia da. Irrati uhinen erreflexioa ematen da bertan, batzuetan 225 MHz artekoak. E-ebento esporadikoek minutu batzuk irauten dute, batzuetan ordu batzuk. E propagazio esporadikoaak VHF uhinekin lan egiten duten irrati-uhin afizionatuen oso gustoko izatne dira, propagazioa lehenago iristezinak ziren puntuetaraino iristen laguntzen dielako. E esporadikoa emateko arrazoiak asko izan daitezke, baina oraindik ikerlariek arrazoi horiek ikertzen darraite. Propagazioa ohikoagoa da udako hilabeteetan. Uhinen propagazio distantziak 1.640 kilometro ingurukoak izan daitezke, baina salto bakarreko hedapenak 900 kilometrotik 2.500 kilometrora arteko distantziak har ditzake. Bi saltoko errezepzioak 3.500 kilometroko distantzia har dezake.

F geruza edo eskualdea, Appleton-Barnett geruza gisa ere ezaguna, 150 kilometrotik 500 kilometrora artean hedatzen da. Ionosferaren punturik dentsoena da. Hemen sartzen diren seinaleak espazioan galduko dira. Altuera handietan oxigeno ioien kopurua asko gutxitzen da, eta ioi arinagoak dominante bilakatzen dira. Hidrogenoa eta helioa dira eremu honetan nagusi. Eguzki erradiaziotik datozen muturreko izpi ultramoreek (UV, 10-100 nm) oxigeno atomikoa ionizatzen dute. F geruza bakarra da gauean, baina egun argitan deformazio bat sortu ohi da, normalki F₁ izena ematen zaiona. F₂ geruza egunean eta gauean mantentzen da, eta hau da frekuentzia altuko irrati uhin gehienen propagazioaren erantzulea. Honi esker distantzia oso handiko irrati komunikazioak eman daitezke.

1972tik 1975ra NASAk AEROS eta AEROS B sateliteak jaurtiki zituen F eskualdea ikertzeko.^[2]