ionosféra

ionosféra [jo-; gr.] — elektricky vodivá vrstva atmosféry Zeme vo výške \(60-550\,\mathrm{km}\) obsahujúca kladné ióny a voľné elektróny vytvorené z molekúl a atómov atmosférických plynov ionizačným účinkom röntgenového a ultrafialového žiarenia Slnka (→ fotoionizácia); časť vysokej atmosféry Zeme, pri členení atmosféry podľa teploty zodpovedá približne vrstvám stratopauza, mezosféra a termosféra, na ktorú nadväzuje magnetosféra. Ionosféra je významná tým, že na svojej spodnej strane odráža rádiové vlny vysielané zo zemského povrchu späť na Zem, čo umožňuje rádiové vysielanie na dlhé vzdialenosti. Rôznym výškam nad povrchom Zeme zodpovedajú rôzne hraničné hodnoty frekvencie odrážaných vĺn; vertikálne vyslané rádiové vlny sa od vrstvy s koncentráciou elektrónov \(N\) (počet elektrónov v \(\mathrm{cm^{3}}\)) odrazia vtedy, ak je ich frekvencia \(f\) (v \(\mathrm{MHz}\)) menšia než hraničná frekvencia \(f_c = 0,009 \mathrm{N^{\frac{1}{2}}}\); pre vyššie frekvencie je vrstva v danej výške priepustná.

Ionosféra sa vertikálne delí na niekoľko vrstiev vyznačujúcich sa určitou koncentráciou elektrónov, ktoré sa však značne prelínajú (preto sa niekedy hovorí o oblastiach a nie o vrstvách) a ich vlastnosti a výška sa menia v závislosti od dennej doby a ročných období, stavu slnečnej aktivity i magnetického poľa Zeme. Skutočnú výšku danej ionosférickej vrstvy v ľubovoľnom čase možno zistiť pomocou odrazu rádiových vĺn rôznych frekvencií vysielaných špeciálnymi rádiovými vysielačmi kombinovanými s prijímačmi, tzv. ionosondami, ktoré automaticky generujú ionogramy (grafické záznamy signálu ionosondy).

Najnižšia je vrstva D (vo výške \(50-90\,\mathrm{km}\)), ktorá existuje iba pri osvetlení atmosféry Zeme Slnkom (t. j. počas dňa), závisí od slnečnej aktivity a vytvára sa ionizáciou oxidov dusíka ultrafialovým žiarením. Koncentrácia elektrónov je v nej nízka \((10^{2}-10^{3}/\mathrm{cm^{3}})\), odráža dlhšie rádiové vlny s hraničnou frekvenciou nižšou než \(0,1-0,7\,\mathrm{MHz}\), preto rozhlasové stanice vysielajúce vo frekvenčnom pásme AM \((535-1\, 605\,\mathrm{kHz})\) majú vo dne veľmi obmedzený dosah (v noci sa však značne zväčšuje), kým stanice vysielajúce v pásme FM \((88-108\,\mathrm{MHz})\) a televízny signál ňou prechádzajú bez obmedzenia. V noci, keď vrstva D zaniká, sa od ionosféry veľmi dobre odrážajú a šíria na veľké vzdialenosti nízkofrekvenčné rádiové vlny používané rádioamatérmi.

Vo vrstve E (aj Kennellyho-Heavisidova vrstva), nachádzajúcej sa vo výške \(90-130\,\mathrm{km}\), prebieha ionizácia molek. kyslíka, základnými iónmi sú \(\mathrm{O}_{2}^{+}, \mathrm{O}^{+}\) a \(\mathrm{NO}^{+}\), koncentrácia elektrónov dosahuje \(10^{5}/\mathrm{cm^{3}}\), hraničná frekvencia odrážaných rádiových vĺn je okolo \(0,9\,\mathrm{MHz}\). Vrstva E sa vytvára cez deň; je s ňou spojený aj vznik polárnej žiary v okolí geomagnetických pólov Zeme. V tejto vrstve sa vo výške asi \(100\,\mathrm{km}\) niekedy (najmä v lete) vytvára aj tzv. sporadická vrstva E_s tvorená iónmi kovov pochádzajúcich z meteorov vstupujúcich do atmosféry Zeme, trvajúca niekoľko \(\mathrm{min}\) až \(\mathrm{h}\); obsahuje oblaky s vysokou koncentráciou elektrónov (využívajú ju najmä rádioamatéri na príležitostnú rádiokomunikáciu na frekvenciách \(25-225\,\mathrm{MHz}\) na vzdialenosti \(1\, 000-2\, 000\,\mathrm{km}\)).

Vrstva F (aj Appletonova vrstva) obsahuje ionizovaný atómový kyslík. Člení sa na vrstvu F₁ (asi do výšky \(200\,\mathrm{km}\)) s hraničnou frekvenciou odrážaných vĺn nepresahujúcou \(5,5\,\mathrm{MHz}\), ktorá existuje cez deň; v noci a v zime sa nevytvára, vtedy splýva s vrstvou F₂ \((200-550\,\mathrm{km})\) s hraničnou frekvenciou odrážaných vĺn nepresahujúcou \(30\,\mathrm{MHz}\); koncentrácia i rozloženie elektricky nabitých častíc sa v nej prudko mení s krátkoperiodickými zmenami slnečnej aktivity; najvyššia koncentrácia elektrónov dosahuje \(10^{6}/\mathrm{cm^{3}}\). Vrstva F má rozhodujúci vplyv na šírenie rádiových vĺn.

Súčasne s fotoionizáciou prebiehajú v ionosfére aj procesy rekombinácie, t. j. spätná tvorba elektricky neutrálnych atómov, ktoré spôsobujú o. i. vymiznutie vrstiev D a E počas noci, a vo vrstvách s úplnou ionizáciou aj absorpcia krátkovlnného rádiového žiarenia (→ Dellingerov jav). Vlastnosti ionosféry, najmä koncentrácia elektrónov \(N\), veľmi citlivo reagujú na zmeny na Slnku, najmä na röntgenové vzplanutia, na vysokoenergetické protóny emitované zo Slnka počas slnečných erupcií (→ ionosférická porucha) a na náhle (→ ionosférická subbúrka) a pravidelné magnetosférické poruchy, ktoré majú \(27\)-dennú a \(11\)-ročnú periódu, čo sa prejavuje aj v periodicite vlastností ionosféry. Preto mnohé technologicky vyspelé krajiny kontinuálne sledujú stav ionosféry (napr. v USA služba IPS, Ionospheric Prediction Service).

Ionosféra umožňuje rádiokomunikáciu na dlhých, stredných i krátkych rádiových vlnách, pričom ich príjem na väčšie vzdialenosti (vyše \(300-500\,\mathrm{km}\)) je oveľa lepší v noci, keď vymiznú najspodnejšie vrstvy D a E (zrkadlová plocha ionosféry je až vo výške približne \(130\,\mathrm{km}\) – spodná hranica oblasti F); vtedy sa rádiovlny vysielané určitým vysielačom odrážajú na značne väčšie vzdialenosti, ako keď je ich trasa na Slnkom osvetlenej pologuli. Rádiové vlny s frekvenciami \(9\,\mathrm{MHz}\) až \(300\,\mathrm{GHz}\) môžu prenikať cez ionosféru do medziplanetárneho priestoru (komunikácia so satelitmi a s vesmírnymi stanicami).

Existenciu ionosféry predpokladal už okolo roku 1880 britský geofyzik Balfour Stewart ako možný zdroj denných variácií geomagnetického poľa. Prvý experimentálny dôkaz existencie ionosféry podal v roku 1909 Guglielmo Marconi, keď uskutočnil prvý prenos rádiových signálov ponad Atlantický oceán. Ďalšie výskumy urobili v rokoch 1910 – 26 Arthur Edwin Kennelly, Oliver Heaviside a Edward Victor Appleton, ktorí preukázali, že ionosféra má viacero vrstiev. Štúdiom ionosféry sa zaoberá aeronómia.