IONOSPHÈRE

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Moyens expérimentaux

Les méthodes radioélectriques qui ont été déterminantes dans la « découverte » de l'ionosphère continuent à jouer un rôle fondamental dans l'étude de la répartition de l'ionisation, de ses variations et de ses anomalies. Leur principe est le suivant : des caractéristiques d'une onde qui s'est propagée dans le milieu et y a subi des modifications, on déduit les propriétés du plasma ionosphérique. D'autres techniques plus directes existent également ; ce sont, en particulier, les mesures effectuées à l'aide de sondes embarquées à bord d'engins spatiaux (fusées, satellites terrestres et sondes planétaires). Sans vouloir faire un tableau exhaustif de toutes les méthodes, il est utile d'en citer quelques-unes.

Les ionosondes

Un signal radioélectrique de fréquence f émis verticalement à partir du sol peut pénétrer dans l'ionosphère. À cause du champ magnétique terrestre qui rend le milieu ionisé anisotrope, le signal se décompose en deux modes appelés ordinaire et extraordinaire. Chacun de ces modes peut se propager jusqu'à une certaine altitude au-delà de laquelle, la concentration électronique augmentant avec l'altitude, la propagation devient impossible et où il y a réflexion de l'onde. Le niveau de réflexion est celui où l'indice de réfraction du milieu est nul. La théorie d'Appleton et Hartree montre que, pour chacun des modes, l'indice de réfraction dépend de la densité des électrons libres. Pour le mode ordinaire, la réflexion a lieu lorsque la fréquence de l'onde est égale à la « fréquence de plasma », dont le carré est proportionnel à la densité électronique. Pour le mode extraordinaire, la réflexion a lieu lorsque la fréquence de l'onde est égale à une fonction de la fréquence de plasma et de la fréquence de giration des électrons dans le champ magnétique terrestre.

Si l'émetteur envoie des impulsions brèves, il est possible de déterminer le délai séparant l'émission de l'impulsion de la réception de l'écho réfléchi par l'ionosphère, cela pour chacun des deux modes. Ce délai dépend non seulement de la fréquence, mais aussi des caractéristiques des couches ionosphériques traversées, en particulier de la distribution verticale de l'ionisation. Par un balayage en fréquence, on obtient ainsi deux courbes représentant le délai de propagation t de chacun des modes en fonction de la fréquence. C'est un ionogramme. Pratiquement, l'axe des ordonnées est gradué non en temps, mais en hauteur virtuelle h′, égale à l'altitude à laquelle se serait réfléchie une onde se propageant à la vitesse c de la lumière dans le vide : h′ = ct/2 ; la hauteur virtuelle est donc toujours supérieure à la hauteur réelle de réflexion d'une onde de même fréquence. La gamme des fréquences utilisées va de quelques centaines de kilohertz à environ 20 mégahertz. Des méthodes de calcul numérique permettent de restituer, à partir d'un ionogramme, la distribution réelle de l'ionisation.

Cette technique ne permet d'obtenir des informations que dans les régions où la densité électronique croît en fonction de l'altitude. En effet, quand la densité décroît, les ondes se sont déjà réfléchies à une altitude inférieure. En particulier, il est impossible, à partir du sol, d'étudier la répartition de l'ionisation au-delà du maximum de la couche F. On utilise alors des satellites sondeurs qui explorent l'ionosphère de la même façon mais en contrebas.

La diffusion Thomson

Une onde électromagnétique de haute fréquence (supérieure aux fréquences pouvant être réfléchies par l'ionosphère) se propageant dans un milieu ionisé subit une diffusion par les fluctuations de la densité électronique. Le spectre de fréquence de l'onde diffusée est centré sur la fréquence de l'onde incidente. Il dépend de la densité électronique, de la composition ionique, des températures électronique et ionique, des fréquences de collisions entre différents types de particules, de la vitesse d'ensemble du plasma. Tous ces paramètres peuvent être déterminés par un traitement approprié des spectres obtenus. C'est pour cette raison, la mesure simultanée d'un grand nombre de paramètres ionosphériques, que la diffusion Thomson, ou diffusion incohérente, est devenue un des moyens les plus puissants d'étude de l'ionosphère.

Spectre de diffusion de Thomson

Dessin : Spectre de diffusion de Thomson

Spectre de diffusion de Thomson par l'ionosphère. La largeur du spectre est de quelques dizaines de kilohertz autour de la fréquence d'émission, que l'on choisit suffisamment élevée (entre 5. 107 et 109 Hz) pour que les ondes ne soient pas réfléchies par l'ionosphère. La hauteur des... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Spectre de diffusion de Thomson

Dessin : Spectre de diffusion de Thomson

Spectre de diffusion de Thomson par l'ionosphère. La largeur du spectre est de quelques dizaines de kilohertz autour de la fréquence d'émission, que l'on choisit suffisamment élevée (entre 5. 107 et 109 Hz) pour que les ondes ne soient pas réfléchies par l'ionosphère. La hauteur des... 

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La puissance diffusée n'est qu'une infime fraction de la puissance émise. C'est ce qui explique l'importance des moyens à mettre en œuvre pour réaliser un sondeur à diffusion. À titre [...]

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Pour citer l’article

Jean-Claude CERISIER, « IONOSPHÈRE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 juillet 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/ionosphere/