ionosfæren – Store norske leksikon

Ionosfæren er ein del av atmosfæren som er kjenneteikna av å vere elektrisk leiande. Gassen i ionosfæren er ionisert – det vil seie at han inneheld frie elektron og ion (plasma). Ionosfæren er om lag 60 til 500 km over jordoverflata. Ionosfæren påverkar radiobølgjer og er viktig for radiokommunikasjon. Han er òg viktig fordi han fangar inn og stoppar stråling frå verdsrommet.

Faktaboks

Uttale: ionosfˈære

Dei elektrisk ladde partiklane utgjer berre ein liten del av alle gassmolekyl. Den maksimale tettleiken av elektron finst mellom 250 og 300 kilometers høgd, men sjølv der er det omtrent ein million nøytrale gasspartiklar for kvart elektron. Likevel gir desse elektrona atmosfæregassen heilt andre eigenskapar enn ein ikkje-ionisert gass.

Avgrensing

Øvre og nedre avgrensing av ionosfæren er ikkje skarpt definert. Den nedre grensa er sett der gassen er tilstrekkeleg ionisert til å påverke utbreiinga av radiobølgjer. Overgangen til eksosfæren på oversida skjer der tettleiken av partiklar er så låg at kollisjon mellom partiklar får mindre å seie for rørsla av partiklane enn påverknaden frå jordmagnetismen.

Inndeling

Tradisjonelt, og hovudsakleg av historiske grunnar, blir ionosfæren delt opp i tre område eller lag: D-, E- og F-laget.

D-laget

Den lågaste delen av ionosfæren, D-laget, strekkjer seg frå 60 til 90 km. Elektrontettleiken er forholdsvis låg, ein typisk verdi er ein milliard (10⁹) elektron per m³, og tettleiken aukar jamt med høgda utan noko markert maksimum. Karakteristisk for D-området er også at det inneheld store, tunge og komplekse ion, både negativt og positivt ladde. Berre radiobølgjer med låg frekvens (lange bølgjelengder) blir reflekterte i dette laget. Bølgjer med høgare frekvens kan dempast mykje når dei passerer D-laget. D-laget forsvinn nesten heilt om natta.

E-laget

E-laget, som ligg mellom 90 og 150 km, er den delen av ionosfæren som blei oppdaga først. Det blei tidlegare ofte omtalt som Heaviside-laget. Under rolege forhold har E-laget eit maksimum i elektrontettleiken omkring 120 km, der den typiske tettleiken er omtrent hundre milliardar (10¹¹) elektron per m³, men det er store variasjonar. Forstyrringar kan også gi lokale tettleiksmaksimum. I E-laget finst den høgaste elektriske leiingsevna (konduktansen) i ionosfæren. Dette gir grunnlag for sterke elektriske straumar, elektrojet-straumar, spesielt i nordlysovalen, men også over ekvator, sjølv om straumane er svakare der.

F-laget

F-laget, over 150 km, består gjerne av to lagstrukturar, F₁- og F₂-laget. Men F₁-laget forsvinn om natta. F-laget er den delen av ionosfæren som har mest å seie for radiokommunikasjon. Dei fleste kortbølgjesamband over lange avstandar baserer seg på refleksjon av radiobølgjene i dette laget. Den høgaste elektrontettleiken i ionosfæren finn ein her, i ei høgd på mellom 250 og 300 km. Tettleiken her er omtrent tusen milliardar (10¹²) elektron per m³.

Historie

Allereie på 1800-talet hadde forskarar hevda at variasjonar i magnetfeltet til Jorda var eit resultat av elektriske straumar i atmosfæren (Carl Friedrich Gauss, 1839; B. Stewart, 1882). Dette fenomenet inngjekk òg i Kristian Birkeland sin teori om danning av nordlys og magnetiske stormar (1896). Oppdaginga av radiobølgjer og utviklinga av radioen gav likevel eit verktøy til å studere dei elektriske eigenskapane til atmosfæren. I 1902 kunne Oliver Heaviside og Arthur Edward Kennelly teoretisk forklare langdistanse-radiokommunikasjon ved at bølgjene blei reflekterte frå elektriske lag i atmosfæren. Den første eksperimentelle stadfestinga på at slike lag verkeleg eksisterte, kom først i 1925, då engelskmannen E. V. Appelton viste at kortbølgje-radiosignal kan bli mottekne etter at dei har blitt reflekterte frå elektriske lag i atmosfæren.

Målemetodar og instrument

Radioteknikken har gitt grunnlag for å studere dei elektriske eigenskapane til atmosfæren i stor detalj. Bølgja som blir reflektert, ber med seg informasjon om elektrontettleiken i refleksjonshøgda, og forseinkinga i tid mellom når bølgja blir send ut og motteken, fortel kor høgt refleksjonslaget ligg. Jo høgare frekvens bølgja har, desto høgare elektrontettleik trengst det for at bølgja skal reflekterast. Dersom frekvensen er høg nok, blir ikkje bølgja reflektert, fordi elektrontettleiken ikkje er stor nok. Bølgja held i staden fram vidare ut i verdsrommet. Ein kan derfor ha radiokommunikasjon med satellittar dersom ein nyttar svært høgfrekvente bølgjer.

Radiometodar har vore svært viktige i utforskinga av ionosfæren. Det klassiske instrumentet er ionosonden, som består av ein sendar og ein mottakar der det blir sendt ut pulsar med stadig høgare frekvensar. Ved å studere det mottekne signalet kan ein lage ein høgdeprofil for elektrontettleiken, og ein kan òg hente ut informasjon om til dømes vindar i ionosfæren. Heilt fram til midten av 1950-åra var dette det viktigaste verktøyet ein hadde for å utforske ionosfæren. Etter den tid er instrumenterte rakettar og satellittar tekne i bruk, og ein har fått høve til å gjere direkte målingar i ionosfæren. Men framleis er fjernmåling med radiosystem eit viktig supplement.

Store radaranlegg med kraftige sendarar og stor datakraft for signalbehandling, mellom anna EISCAT i nordlege Skandinavia og på Svalbard, har gitt mykje ny kunnskap om ionosfæren.

Prosessar i ionosfæren

Produksjon

Den viktigaste kjelda til danning av frie elektron (ionisering) er ultrafiolett stråling (UV-stråling) og røntgenstråling. Når denne strålinga treffer atmosfæregassen, kan elektron frigjerast frå den nøytrale gassen og danne frie elektron og ion. Samansetjinga av gassen og bølgjelengda av strålinga bestemmer kva ion som blir danna. Ein viktig produksjonsprosess i D-laget er ionisasjon av nitrogenoksid, NO, ved UV-stråling. Røntgenstråling og høgenergetisk kosmisk stråling er òg viktig, spesielt under 70 km.

Ioneproduksjonen i E-laget kjem av røntgenstråling og ultrafiolett stråling som spaltar oksygen, O₂, og nitrogen, N₂, til ion og frie elektron. I høgda over 150 km, i F-laget, blir ionepar hovudsakleg produserte ved ionisasjon av N₂ og O ved ekstrem ultrafiolett stråling.

Produksjonen av ion blir halden i likevekt av ulike tapsprosessar, som er kjemiske reaksjonar mellom ulike ion, elektron og den nøytrale atmosfæregassen. Desse prosessane er spesielt kompliserte i D-laget på grunn av negative ion, og i F-laget der atomære ion kjem inn og gjer tapsprosessane meir uoversiktlege. Her er også transportprosessar viktige i omfordeling av ionisasjonen.

Variasjonar i ionisasjon

Sidan det er stråling frå Sola som gir ionisasjonen i den regulære ionosfæren, vil tettleiken av ion variere med breiddegrad, gjennom døgnet og året og med solaktiviteten, både irregulært og over den 11-årige solflekkperioden. Normalt er elektrontettleiken størst midt på dagen, om sumaren og ved solflekkmaksimum, men det finst unntak. Til dømes er F₂ -laget tettast om vinteren. I polare strøk, det vil seie nærmare polane enn ca. 65°, trengjer energirike elektron og proton frå magnetosfæren ned i atmosfæren og gir ekstra ionisasjon. Det kan bli danna irregulære ionosfærelag som kan vere svært kraftige, særleg i samband med nordlys.

Under innstrøyming av høgenergetiske proton frå Sola, Solar Proton-hendingar, kan ein få svært kraftig ionisasjon i D-laget som varer i fleire dagar. Dette blir ofte kalla Polar Cap Absorption-hendingar, PCA, fordi ein under slike tilhøve kan få fullstendig blokkering av radiokommunikasjon ved høge breiddegradar.

Betydning og utforsking

Den største betydninga av ionosfæren har tradisjonelt vore at han reflekterer radiobølgjer, slik at det er mogleg å ha langdistanse-radiokommunikasjon. I dag, med kommunikasjonssatellittar som det viktigaste hjelpemiddelet i telekommunikasjon, er ikkje ionosfæren lenger eit nødvendig refleksjonsmedium. No blir ionosfæren i mange tilfelle heller oppfatta som eit forstyrrande element som ligg mellom bakkestasjonen og satellitten.

Ionosfæren påverkar radionavigasjonssystem, anten desse baserer seg på bølgjer som blir reflekterte frå ionosfæren, eller signal frå satellittar. Den største nytta av å utforske ionosfæren ligg dermed i å kunne forbetre radiokommunikasjonen ved å gi varsel om frekvensbruk og forstyrringar, og i å gjere navigasjonssystem meir nøyaktige.

Straumar i ionosfæren gir forstyrringar i magnetfeltet til Jorda. Dei same kreftene som driv ionosfærestraumane, vil òg gi straumar nede på bakken, der dei mellom anna kan gi alvorlege forstyrringar i kraftforsyningssystem og forårsake korrosjon i oljeleidningar. Ionosfæren, saman med den øvre atmosfæren, er òg viktig fordi han fangar inn og stoppar stråling frå verdsrommet.

I Noreg blir det drive ionosfæreforsking ved universiteta i Bergen, Oslo og Tromsø og ved Forsvarets forskingsinstitutt.

Les meir i Store norske leksikon

Kommentarar (2)

16. juli 2022 skreiv sven-inge johansen

Spørsmål til etterfølgende utsagn i tekst om Ionosfære; vil dette gjelder andre slags korrosjoner også, f.eks. av metaller, er dette alment kjente og beskrevne fenomen, evtl hvor kan jeg finne stoff om dette(?): "Strømmer i ionosfæren gir forstyrrelser i Jordens magnetfelt. De samme kreftene som driver ionosfærestrømmene, vil også gi strømmer nede på bakken hvor de blant annet kan gi alvorlige forstyrrelser i kraftforsyningssystemer og forårsake korrosjon i oljeledninger."

Mvh Sven-Inge Johansen

2. august 2022 skreiv Magnar Gullikstad Johnsen

Hei Sven-Inge, takk for spørsmålet!
Dette fenomenet opptrer der hvor det er lange ledere (hundrevis av km) av metall, slik som det landsdekkende strømnettet eller der hvor man har lange olje- eller gass-rørledninger. Magnetfeltvariasjonene skaper et elektrisk felt i bakken (størrelsesorden V/km) og dette gir opphav til elektriske strømmer i de ovennevnte lederne. En elektrisk strøm som går i en rørledning vil kunne øke korrosjonen på denne, dette var spesielt et problem på rørledningen som går fra nord til sør i Alaska. Problemet ble løst på 70-80-tallet, men regnes som et klassisk problem som det må tas høyde for når slike ledninger bygges. Mye av løsningen ligger i avstanden mellom jordingspunktene på ledningen.
Jeg vil si at denne problematikken er alment kjent i de berørte fagfeltene, men at det ikke regnes som noe større problem.
Håper dette var til hjelp.
Mvh.
Magnar G. Johnsen

Kommentarar til artikkelen blir synleg for alle. Ikkje skriv inn sensitive opplysningar, for eksempel helseopplysningar. Fagansvarleg eller redaktør svarar når dei kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logga inn for å kommentere.

Fagansvarleg for Kosmisk geofysikk

Magnar Gullikstad Johnsen

Forsker, UiT – Norges arktiske universitet