Ionosfera

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La ionosfera o ionósfera es la parte ionizada de la atmósfera superior de la Tierra, desde aproximadamente 48 km (30 mi) hasta 965 km (600 mi) de altitud, una región que incluye la termosfera y partes de la mesosfera y la exosfera. La ionosfera es ionizada por la radiación solar. Desempeña un papel importante en la electricidad atmosférica y forma el borde interior de la magnetosfera. Tiene importancia práctica porque, entre otras funciones, influye en la propagación de radio a lugares distantes de la Tierra.

Historia del descubrimiento

Ya en 1839, el matemático y físico alemán Carl Friedrich Gauss postuló que una región de la atmósfera eléctricamente conductora podría explicar las variaciones observadas del campo magnético de la Tierra. Sesenta años después, Guglielmo Marconi recibió la primera señal de radio transatlántica el 12 de diciembre de 1901 en St. John's, Terranova (ahora en Canadá) utilizando una antena de 152,4 m (500 pies) apoyada en una cometa para la recepción. La estación transmisora ​​en Poldhu, Cornualles, usó un transmisor de chispa para producir una señal con una frecuencia de aproximadamente 500 kHz y una potencia 100 veces mayor que cualquier señal de radio producida anteriormente. El mensaje recibido fue de tres dits, el código Morse de la letra S. Para llegar a Terranova, la señal tendría que rebotar dos veces en la ionosfera. Sin embargo, el Dr. Jack Belrose ha cuestionado esto basándose en trabajos teóricos y experimentales. Sin embargo, Marconi logró comunicaciones inalámbricas transatlánticas en Glace Bay, Nueva Escocia, un año después.

En 1902, Oliver Heaviside propuso la existencia de la capa Kennelly-Heaviside de la ionosfera que lleva su nombre. La propuesta de Heaviside incluía medios por los cuales las señales de radio se transmiten alrededor de la curvatura de la Tierra. La propuesta de Heaviside, junto con la ley de radiación de cuerpo negro de Planck, puede haber obstaculizado el crecimiento de la radioastronomía para la detección de ondas electromagnéticas de cuerpos celestes hasta 1932 (y el desarrollo de transceptores de radio de alta frecuencia). También en 1902, Arthur Edwin Kennelly descubrió algunas de las propiedades radioeléctricas de la ionosfera.

En 1912, el Congreso de los EE. UU. impuso la Ley de Radio de 1912 a los radioaficionados, limitando sus operaciones a frecuencias superiores a 1,5 MHz (longitud de onda de 200 metros o menos). El gobierno pensó que esas frecuencias eran inútiles. Esto condujo al descubrimiento de la propagación de radio HF a través de la ionosfera en 1923.

En 1926, el físico escocés Robert Watson-Watt introdujo el término ionosfera en una carta publicada recién en 1969 en Nature:

En años bastante recientes hemos visto la adopción universal del término 'estratosfera'... y... el término complementario 'troposfera'... El término 'ionosfera', para la región en la que la principal característica es la ionización a gran escala con considerable caminos libres medios, parece apropiado como una adición a esta serie.

A principios de la década de 1930, las transmisiones de prueba de Radio Luxemburgo sin darse cuenta proporcionaron evidencia de la primera modificación de radio de la ionosfera; HAARP realizó una serie de experimentos en 2017 utilizando el efecto de Luxemburgo del mismo nombre.

Edward V. Appleton recibió el Premio Nobel en 1947 por su confirmación en 1927 de la existencia de la ionosfera. Lloyd Berkner midió por primera vez la altura y la densidad de la ionosfera. Esto permitió la primera teoría completa de la propagación de radio de onda corta. Maurice V. Wilkes y JA Ratcliffe investigaron el tema de la propagación de radio de ondas de radio muy largas en la ionosfera. Vitaly Ginzburg ha desarrollado una teoría de la propagación de ondas electromagnéticas en plasmas como la ionosfera.

En 1962, se lanzó el satélite canadiense Alouette 1 para estudiar la ionosfera. Tras su éxito fueron Alouette 2 en 1965 y los dos satélites ISIS en 1969 y 1971, más AEROS-A y -B en 1972 y 1975, todos para medir la ionosfera.

El 26 de julio de 1963 se lanzó el primer satélite geosíncrono operativo Syncom 2. Las radiobalizas a bordo de este satélite (y sus sucesores) permitieron, por primera vez, medir la variación del contenido total de electrones (TEC) a lo largo de un haz de radio desde la órbita geoestacionaria hasta un receptor terrestre. (La rotación del plano de polarización mide directamente la TEC a lo largo del camino). La geofísica australiana Elizabeth Essex-Cohen desde 1969 en adelante estaba usando esta técnica para monitorear la atmósfera sobre Australia y la Antártida.

Geofísica

La ionosfera es una capa de electrones y átomos y moléculas cargados eléctricamente que rodea la Tierra y se extiende desde una altura de unos 50 km (30 mi) hasta más de 1000 km (600 mi). Existe principalmente debido a la radiación ultravioleta del sol.

La troposfera, la parte más baja de la atmósfera terrestre, se extiende desde la superficie hasta unos 10 km (6 millas). Por encima de eso está la estratosfera, seguida por la mesosfera. En la estratosfera, la radiación solar entrante crea la capa de ozono. A alturas superiores a los 80 km (50 mi), en la termosfera, la atmósfera es tan delgada que pueden existir electrones libres durante cortos períodos de tiempo antes de que sean capturados por un ion positivo cercano. El número de estos electrones libres es suficiente para afectar la propagación de radio. Esta porción de la atmósfera está parcialmente ionizada y contiene un plasma que se denomina ionosfera.

Los rayos ultravioleta (UV), los rayos X y las longitudes de onda más cortas de la radiación solar son ionizantes,ya que los fotones a estas frecuencias contienen suficiente energía para desalojar un electrón de un átomo o molécula de gas neutro al absorberse. En este proceso el electrón de la luz adquiere una gran velocidad de forma que la temperatura del gas electrónico creado es muy superior (del orden de los mil K) a la de los iones y neutros. El proceso inverso a la ionización es la recombinación, en la que un electrón libre es "capturado" por un ion positivo. La recombinación ocurre espontáneamente y provoca la emisión de un fotón que se lleva la energía producida por la recombinación. A medida que aumenta la densidad del gas a altitudes más bajas, prevalece el proceso de recombinación, ya que las moléculas de gas y los iones están más juntos. El equilibrio entre estos dos procesos determina la cantidad de ionización presente.

La ionización depende principalmente del Sol y de su actividad. La cantidad de ionización en la ionosfera varía mucho con la cantidad de radiación recibida del Sol. Por lo tanto, hay un efecto diurno (hora del día) y un efecto estacional. El hemisferio local de invierno está alejado del Sol, por lo que recibe menos radiación solar. La actividad del Sol se modula siguiendo el ciclo solar, ocurriendo más radiación con más manchas solares, con una periodicidad de alrededor de 11 años. La radiación recibida también varía según la ubicación geográfica (zonas polares, aurorales, latitudes medias y regiones ecuatoriales). También existen mecanismos que perturban la ionosfera y disminuyen la ionización.

Sydney Chapman propuso que la región debajo de la ionosfera se llamara neutrosfera (la atmósfera neutral).

Capas de ionización

Por la noche, la capa F es la única capa de ionización significativa presente, mientras que la ionización en las capas E y D es extremadamente baja. Durante el día, las capas D y E se ionizan mucho más, al igual que la capa F, que desarrolla una región adicional más débil de ionización conocida como capa F1. La capa F 2 persiste de día y de noche y es la principal región responsable de la refracción y reflexión de las ondas de radio.

Capa D

La capa D es la capa más interna, de 48 km (30 millas) a 90 km (56 millas) sobre la superficie de la Tierra. La ionización aquí se debe a la radiación de hidrógeno alfa de la serie Lyman a una longitud de onda de 121,6 nanómetros (nm) de óxido nítrico ionizante (NO). Además, la alta actividad solar puede generar rayos X duros (longitud de onda < 1 nm) que ionizan el N 2 y el O 2. Las tasas de recombinación son altas en la capa D, por lo que hay muchas más moléculas de aire neutral que iones.

Las ondas de radio de frecuencia media (MF) y baja alta frecuencia (HF) se atenúan significativamente dentro de la capa D, ya que las ondas de radio que pasan hacen que los electrones se muevan, que luego chocan con las moléculas neutras, cediendo su energía. Las frecuencias más bajas experimentan una mayor absorción porque mueven los electrones más lejos, lo que genera una mayor probabilidad de colisiones. Esta es la razón principal de la absorción de ondas de radio HF, particularmente a 10 MHz e inferiores, con una absorción progresivamente menor a frecuencias más altas. Este efecto alcanza su punto máximo alrededor del mediodía y se reduce por la noche debido a una disminución en el espesor de la capa D; solo queda una pequeña parte debido a los rayos cósmicos. Un ejemplo común de la capa D en acción es la desaparición de estaciones de banda de transmisión de AM distantes durante el día.

Durante los eventos de protones solares, la ionización puede alcanzar niveles inusualmente altos en la región D en latitudes altas y polares. Estos eventos muy raros se conocen como eventos de absorción de casquete polar (o PCA), porque el aumento de la ionización mejora significativamente la absorción de las señales de radio que pasan a través de la región. De hecho, los niveles de absorción pueden aumentar muchas decenas de dB durante eventos intensos, lo que es suficiente para absorber la mayoría (si no todas) las transmisiones de señales de radio HF transpolares. Dichos eventos suelen durar menos de 24 a 48 horas.

Capa E

La capa E es la capa intermedia, de 90 km (60 millas) a 150 km (90 millas) sobre la superficie de la Tierra. La ionización se debe a la ionización del oxígeno molecular (O 2) por rayos X suaves (1–10 nm) y radiación solar ultravioleta lejana (UV). Normalmente, en incidencia oblicua, esta capa solo puede reflejar ondas de radio con frecuencias inferiores a unos 10 MHz y puede contribuir un poco a la absorción en frecuencias superiores. Sin embargo, durante intensos eventos E esporádicos, el E sLa capa puede reflejar frecuencias de hasta 50 MHz y superiores. La estructura vertical de la capa E está determinada principalmente por los efectos competitivos de ionización y recombinación. Por la noche, la capa E se debilita porque la fuente principal de ionización ya no está presente. Después de la puesta del sol, un aumento en la altura del máximo de la capa E aumenta el rango al que pueden viajar las ondas de radio por reflexión desde la capa.

Esta región también se conoce como la capa de Kennelly-Heaviside o simplemente la capa de Heaviside. Su existencia fue predicha en 1902 de forma independiente y casi simultánea por el ingeniero eléctrico estadounidense Arthur Edwin Kennelly (1861-1939) y el físico británico Oliver Heaviside (1850-1925). En 1924 su existencia fue detectada por Edward V. Appleton y Miles Barnett.

Capa E _

La E(capa E esporádica) se caracteriza por nubes pequeñas y delgadas de ionización intensa, que pueden soportar la reflexión de ondas de radio, frecuentemente hasta 50 MHz y rara vez hasta 450 MHz. Los eventos esporádicos-E pueden durar desde unos pocos minutos hasta muchas horas. La propagación E esporádica hace que la operación de VHF por parte de los radioaficionados sea muy emocionante cuando las rutas de propagación de larga distancia que generalmente son inalcanzables se "abren" a la comunicación bidireccional. Existen múltiples causas de la E esporádica que aún están siendo investigadas por los investigadores. Esta propagación ocurre todos los días durante junio y julio en las latitudes medias del hemisferio norte, cuando a menudo se alcanzan altos niveles de señal. Las distancias de salto son generalmente de alrededor de 1.640 km (1.020 mi). Las distancias para la propagación de un salto pueden oscilar entre 900 km (560 mi) y 2500 km (1600 mi). Propagación multisalto en 3500 km (2,

Capa F

La capa o región F, también conocida como capa Appleton-Barnett, se extiende desde unos 150 km (90 millas) hasta más de 500 km (300 millas) sobre la superficie de la Tierra. Es la capa con la mayor densidad de electrones, lo que implica que las señales que penetran en esta capa escaparán al espacio. La producción de electrones está dominada por la radiación ultravioleta extrema (UV, 10–100 nm) que ioniza el oxígeno atómico. La capa F consta de una capa (F 2) por la noche, pero durante el día, a menudo se forma un pico secundario (etiquetado como F 1) en el perfil de densidad de electrones. Debido a que la capa F 2 permanece durante el día y la noche, es responsable de la mayor parte de la propagación de ondas de radio y las comunicaciones de radio de alta frecuencia (HF u onda corta) a larga distancia.

Por encima de la capa F, el número de iones de oxígeno disminuye y los iones más ligeros, como el hidrógeno y el helio, se vuelven dominantes. Esta región por encima del pico de la capa F y por debajo de la plasmasfera se denomina ionosfera superior.

De 1972 a 1975, la NASA lanzó los satélites EROS y EROS B para estudiar la región F.

Modelo ionosferico

Un modelo ionosférico es una descripción matemática de la ionosfera en función de la ubicación, la altitud, el día del año, la fase del ciclo de las manchas solares y la actividad geomagnética. Geofísicamente, el estado del plasma ionosférico se puede describir mediante cuatro parámetros: densidad de electrones, temperatura de electrones e iones y, dado que hay varias especies de iones presentes, composición iónica. La propagación de radio depende únicamente de la densidad de electrones.

Los modelos generalmente se expresan como programas de computadora. El modelo puede basarse en la física básica de las interacciones de los iones y electrones con la atmósfera neutra y la luz solar, o puede ser una descripción estadística basada en un gran número de observaciones o una combinación de física y observaciones. Uno de los modelos más utilizados es la Ionosfera de Referencia Internacional (IRI), que se basa en datos y especifica los cuatro parámetros que acabamos de mencionar. El IRI es un proyecto internacional patrocinado por el Comité de Investigación Espacial (COSPAR) y la Unión Internacional de Radiociencia (URSI).Las principales fuentes de datos son la red mundial de ionosondas, los potentes radares de dispersión incoherente (Jicamarca, Arecibo, Millstone Hill, Malvern, St Santin), las sondas superiores ISIS y Alouette, y los instrumentos in situ en varios satélites y cohetes. El IRI se actualiza anualmente. IRI es más preciso al describir la variación de la densidad de electrones desde el fondo de la ionosfera hasta la altitud de máxima densidad que al describir el contenido total de electrones (TEC). Desde 1999 este modelo es "Estándar Internacional" para la ionosfera terrestre (estándar TS16457).

Anomalías persistentes al modelo idealizado

Los ionogramas permiten deducir, mediante cálculo, la forma real de las distintas capas. La estructura no homogénea del plasma de electrones/iones produce rastros de eco ásperos, que se ven predominantemente de noche y en latitudes más altas, y durante condiciones perturbadas.

Anomalía de invierno

En latitudes medias, la producción diurna de iones de la capa F 2 es mayor en verano, como se esperaba, ya que el Sol brilla más directamente sobre la Tierra. Sin embargo, hay cambios estacionales en la proporción molecular a atómica de la atmósfera neutra que hacen que la tasa de pérdida de iones en el verano sea aún mayor. El resultado es que el aumento de la pérdida durante el verano supera al aumento de la producción durante el verano, y la ionización total de F 2 es en realidad menor en los meses locales de verano. Este efecto se conoce como la anomalía de invierno. La anomalía siempre está presente en el hemisferio norte, pero generalmente está ausente en el hemisferio sur durante los períodos de baja actividad solar.

Anomalía ecuatorial

Dentro de aproximadamente ± 20 grados del ecuador magnético, se encuentra la anomalía ecuatorial. Es la ocurrencia de un valle en la ionización en la capa F 2 en el ecuador y las crestas a unos 17 grados de latitud magnética. Las líneas del campo magnético de la Tierra son horizontales en el ecuador magnético. El calentamiento solar y las oscilaciones de las mareas en la ionosfera inferior mueven el plasma hacia arriba ya través de las líneas del campo magnético. Esto establece una lámina de corriente eléctrica en la región E que, con el campo magnético horizontal, fuerza la ionización hacia la capa F, concentrándose a ± 20 grados del ecuador magnético. Este fenómeno se conoce como la fuente ecuatorial.

Electrochorro ecuatorial

El viento mundial impulsado por el sol da como resultado el llamado sistema de corriente Sq (silencioso solar) en la región E de la ionosfera de la Tierra (región del dínamo ionosférico) (100–130 km (60–80 mi) de altitud). El resultado de esta corriente es un campo electrostático dirigido de oeste a este (amanecer-anochecer) en el lado ecuatorial diurno de la ionosfera. En el ecuador de buzamiento magnético, donde el campo geomagnético es horizontal, este campo eléctrico da como resultado un flujo de corriente mejorado hacia el este dentro de ± 3 grados del ecuador magnético, conocido como electrochorro ecuatorial.

Perturbaciones ionosféricas efímeras

Rayos X: perturbaciones ionosféricas repentinas (SID)

Cuando el Sol está activo, pueden ocurrir fuertes erupciones solares que golpean el lado iluminado de la Tierra con rayos X duros. Los rayos X penetran en la región D y liberan electrones que aumentan rápidamente la absorción, provocando un apagón de radio de alta frecuencia (3–30 MHz) que puede persistir durante muchas horas después de fuertes erupciones. Durante este tiempo, las señales de muy baja frecuencia (3–30 kHz) serán reflejadas por la capa D en lugar de la capa E, donde el aumento de la densidad atmosférica generalmente aumentará la absorción de la onda y, por lo tanto, la amortiguará. Tan pronto como terminan los rayos X, la perturbación ionosférica repentina (SID) o el apagón de radio disminuye constantemente a medida que los electrones en la región D se recombinan rápidamente y la propagación regresa gradualmente a las condiciones previas a la llamarada durante minutos u horas, dependiendo de la radiación solar. intensidad y frecuencia de las llamaradas.

Protones: absorción del casquete polar (PCA)

Asociado con las erupciones solares hay una liberación de protones de alta energía. Estas partículas pueden golpear la Tierra dentro de los 15 minutos a 2 horas posteriores a la erupción solar. Los protones giran en espiral alrededor y descienden por las líneas del campo magnético de la Tierra y penetran en la atmósfera cerca de los polos magnéticos aumentando la ionización de las capas D y E. Los PCA suelen durar entre una hora y varios días, con un promedio de alrededor de 24 a 36 horas. Las eyecciones de masa coronal también pueden liberar protones energéticos que mejoran la absorción de la región D en las regiones polares.

Tormentas geomagnéticas

Una tormenta geomagnética es una perturbación temporal, a veces intensa, de la magnetosfera de la Tierra.

Relámpago

Los rayos pueden causar perturbaciones ionosféricas en la región D de una de dos maneras. La primera es a través de ondas de radio VLF (muy baja frecuencia) lanzadas a la magnetosfera. Estas ondas de modo "silbato" pueden interactuar con las partículas del cinturón de radiación y hacer que se precipiten en la ionosfera, agregando ionización a la región D. Estas perturbaciones se denominan eventos de "precipitación de electrones inducida por rayos" (LEP).

También puede ocurrir una ionización adicional por calentamiento/ionización directos como resultado de grandes movimientos de carga en los rayos. Estos eventos se denominan temprano/rápido.

En 1925, CTR Wilson propuso un mecanismo por el cual la descarga eléctrica de las tormentas eléctricas podría propagarse hacia arriba desde las nubes hasta la ionosfera. Casi al mismo tiempo, Robert Watson-Watt, que trabajaba en la Estación de Investigación de Radio en Slough, Reino Unido, sugirió que la capa E esporádica ionosférica (E s) parecía aumentar como resultado de los rayos, pero que se necesitaba más trabajo. En 2005, C. Davis y C. Johnson, que trabajaban en el Laboratorio Rutherford Appleton en Oxfordshire, Reino Unido, demostraron que la capa E s se mejoró como resultado de la actividad de los rayos. Su investigación posterior se ha centrado en el mecanismo por el cual puede ocurrir este proceso.

Aplicaciones

Comunicación por radio

Debido a la capacidad de los gases atmosféricos ionizados para refractar las ondas de radio de alta frecuencia (HF u onda corta), la ionosfera puede reflejar las ondas de radio dirigidas hacia el cielo de regreso a la Tierra. Las ondas de radio dirigidas en ángulo hacia el cielo pueden regresar a la Tierra más allá del horizonte. Esta técnica, llamada propagación "skip" o "skywave", se ha utilizado desde la década de 1920 para comunicarse a distancias internacionales o intercontinentales. Las ondas de radio que regresan pueden reflejarse en la superficie de la Tierra hacia el cielo nuevamente, lo que permite alcanzar mayores rangos con múltiples saltos. Este método de comunicación es variable y poco confiable, con recepción en un camino dado dependiendo de la hora del día o de la noche, las estaciones, el clima y el ciclo de manchas solares de 11 años. Durante la primera mitad del siglo XX fue ampliamente utilizado para el servicio transoceánico de telefonía y telégrafo, y para comunicaciones comerciales y diplomáticas. Debido a su relativa falta de confiabilidad, la comunicación por radio de onda corta ha sido abandonada en su mayoría por la industria de las telecomunicaciones, aunque sigue siendo importante para la comunicación en latitudes altas donde la comunicación por radio satelital no es posible. Algunas estaciones de radiodifusión y servicios automatizados todavía usan frecuencias de radio de onda corta, al igual que los radioaficionados para contactos recreativos privados. aunque sigue siendo importante para la comunicación en latitudes altas donde la comunicación por radio basada en satélites no es posible. Algunas estaciones de radiodifusión y servicios automatizados todavía usan frecuencias de radio de onda corta, al igual que los radioaficionados para contactos recreativos privados. aunque sigue siendo importante para la comunicación en latitudes altas donde la comunicación por radio basada en satélites no es posible. Algunas estaciones de radiodifusión y servicios automatizados todavía usan frecuencias de radio de onda corta, al igual que los radioaficionados para contactos recreativos privados.

Mecanismo de refracción

Cuando una onda de radio llega a la ionosfera, el campo eléctrico de la onda fuerza a los electrones de la ionosfera a oscilar a la misma frecuencia que la onda de radio. Parte de la energía de radiofrecuencia se entrega a esta oscilación resonante. Los electrones oscilantes se perderán por recombinación o volverán a irradiar la energía de la onda original. La refracción total puede ocurrir cuando la frecuencia de colisión de la ionosfera es menor que la frecuencia de radio y si la densidad de electrones en la ionosfera es lo suficientemente grande.

Se puede obtener una comprensión cualitativa de cómo se propaga una onda electromagnética a través de la ionosfera recordando la óptica geométrica. Dado que la ionosfera es un plasma, se puede demostrar que el índice de refracción es menor que la unidad. Por lo tanto, el "rayo" electromagnético se desvía alejándose de la normal y no hacia la normal, como se indicaría cuando el índice de refracción es mayor que la unidad. También se puede demostrar que el índice de refracción de un plasma y, por lo tanto, de la ionosfera, depende de la frecuencia, consulte Dispersión (óptica).

La frecuencia crítica es la frecuencia límite en o por debajo de la cual una onda de radio es reflejada por una capa ionosférica en incidencia vertical. Si la frecuencia transmitida es más alta que la frecuencia del plasma de la ionosfera, los electrones no pueden responder lo suficientemente rápido y no pueden volver a irradiar la señal. Se calcula como se muestra a continuación:f_{{{text{crítico}}}}=9times {sqrt {N}}

donde N = densidad de electrones por m y f crítica está en Hz.

La frecuencia máxima utilizable (MUF) se define como el límite de frecuencia superior que se puede utilizar para la transmisión entre dos puntos en un momento específico.f_{{text{muf}}}={frac {f_{{text{crítico}}}}{sin alpha }}

donde alfa= ángulo de llegada, el ángulo de la onda con respecto al horizonte, y sin es la función seno.

La frecuencia de corte es la frecuencia por debajo de la cual una onda de radio no logra penetrar una capa de la ionosfera en el ángulo de incidencia requerido para la transmisión entre dos puntos específicos por refracción de la capa.

Corrección ionosférica GPS/GNSS

Hay una serie de modelos que se utilizan para comprender los efectos de los sistemas satelitales de navegación global de la ionosfera. El modelo de Klobuchar se utiliza actualmente para compensar los efectos ionosféricos en el GPS. Este modelo fue desarrollado en el Laboratorio de Investigación Geofísica de la Fuerza Aérea de los EE. UU. alrededor de 1974 por John (Jack) Klobuchar. El sistema de navegación Galileo utiliza el modelo NeQuick.

Otras aplicaciones

Se está investigando la atadura electrodinámica de sistema abierto, que utiliza la ionosfera. El cable espacial utiliza contactores de plasma y la ionosfera como partes de un circuito para extraer energía del campo magnético de la Tierra por inducción electromagnética.

Mediciones

Visión de conjunto

Los científicos exploran la estructura de la ionosfera mediante una amplia variedad de métodos. Incluyen:

Una variedad de experimentos, como HAARP (Programa de investigación de auroras activas de alta frecuencia), involucran transmisores de radio de alta potencia para modificar las propiedades de la ionosfera. Estas investigaciones se centran en estudiar las propiedades y el comportamiento del plasma ionosférico, con especial énfasis en poder comprenderlo y utilizarlo para mejorar los sistemas de comunicaciones y vigilancia con fines tanto civiles como militares. HAARP se inició en 1993 como un experimento propuesto de veinte años y actualmente está activo cerca de Gakona, Alaska.

El proyecto de radar SuperDARN investiga las latitudes altas y medias utilizando retrodispersión coherente de ondas de radio en el rango de 8 a 20 MHz. La retrodispersión coherente es similar a la dispersión de Bragg en los cristales e implica la interferencia constructiva de la dispersión de las irregularidades de la densidad ionosférica. El proyecto involucra a más de 11 países y múltiples radares en ambos hemisferios.

Los científicos también están examinando la ionosfera por los cambios en las ondas de radio, de los satélites y las estrellas, que pasan a través de ella. El Telescopio de Arecibo ubicado en Puerto Rico, originalmente estaba destinado a estudiar la ionosfera de la Tierra.

Ionogramas

Los ionogramas muestran las alturas virtuales y las frecuencias críticasde las capas ionosféricas y que son medidos por una ionosonda. Una ionosonda barre una gama de frecuencias, normalmente de 0,1 a 30 MHz, transmitiendo con incidencia vertical a la ionosfera. A medida que aumenta la frecuencia, cada onda se refracta menos por la ionización en la capa, por lo que cada onda penetra más antes de reflejarse. Eventualmente, se alcanza una frecuencia que permite que la onda penetre la capa sin ser reflejada. Para las ondas de modo ordinario, esto ocurre cuando la frecuencia transmitida apenas excede el pico de plasma, o frecuencia crítica, de la capa. Los trazados de los pulsos de radio de alta frecuencia reflejados se conocen como ionogramas. Las reglas de reducción se dan en: "URSI Handbook of Ionogram Interpretation and Reduction", editado por William Roy Piggott y Karl Rawer, Elsevier Amsterdam, 1961 (traducciones al chino, francés,

Radares de dispersión incoherentes

Los radares de dispersión incoherente operan por encima de las frecuencias críticas. Por lo tanto, la técnica permite sondear la ionosfera, a diferencia de las ionosondas, también por encima de los picos de densidad electrónica. Las fluctuaciones térmicas de la densidad de electrones que dispersan las señales transmitidas carecen de coherencia, lo que dio nombre a la técnica. Su espectro de potencia contiene información no solo sobre la densidad, sino también sobre las temperaturas de los iones y los electrones, las masas de los iones y las velocidades de deriva.

Ocultación de radio GNSS

La ocultación de radio es una técnica de detección remota en la que una señal GNSS raspa tangencialmente la Tierra, atraviesa la atmósfera y es recibida por un satélite de órbita terrestre baja (LEO). A medida que la señal atraviesa la atmósfera, se refracta, curva y retrasa. Un satélite LEO muestrea el contenido total de electrones y el ángulo de curvatura de muchas de estas rutas de señal mientras observa cómo el satélite GNSS se eleva o se oculta detrás de la Tierra. Usando una transformada de Abel inversa, se puede reconstruir un perfil radial de refractividad en ese punto tangente en la tierra.

Las principales misiones de ocultación de radio GNSS incluyen GRACE, CHAMP y COSMIC.

Índices de la ionosfera

En modelos empíricos de la ionosfera como Nequick, los siguientes índices se utilizan como indicadores indirectos del estado de la ionosfera.

Intensidad solar

F10.7 y R12 son dos índices comúnmente utilizados en el modelado ionosférico. Ambos son valiosos por sus largos registros históricos que cubren múltiples ciclos solares. F10.7 es una medida de la intensidad de las emisiones de radio solar a una frecuencia de 2800 MHz realizada con un radiotelescopio terrestre. R12 es un promedio de 12 meses del número diario de manchas solares. Se ha demostrado que ambos índices están correlacionados entre sí.

Sin embargo, ambos índices son solo indicadores indirectos de las emisiones de rayos X y ultravioleta solar, que son los principales responsables de causar la ionización en la atmósfera superior de la Tierra. Ahora tenemos datos de la nave espacial GOES que mide el flujo de rayos X de fondo del Sol, un parámetro más relacionado con los niveles de ionización en la ionosfera.

Perturbaciones geomagnéticas

Ionosferas de otros planetas y satélites naturales

Los objetos del Sistema Solar que tienen atmósferas apreciables (es decir, todos los planetas principales y muchos de los satélites naturales más grandes) generalmente producen ionosferas. Los planetas que se sabe que tienen ionosferas incluyen a Venus, Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno y Plutón.

La atmósfera de Titán incluye una ionosfera que va desde aproximadamente 880 km (550 millas) a 1300 km (810 millas) de altitud y contiene compuestos de carbono. También se han observado ionosferas en Io, Europa, Ganímedes y Tritón.