Ионизованный слой планетарной атмосферы, где свободные электроны и ионы с низкой энергией находятся под непосредственным влиянием гравитационного и магнитного полей планеты.

Ионосфера Земли лежит на высотах от 50 до 600 км, хотя ее толщина существенно меняется в зависимости от времени суток, сезона и уровня солнечной активности. Благодаря ионосфере становится возможной радиосвязь между разными точками на Земле. Ионосфера возникает в результате воздействия ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N² и кислорода О²) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно увеличивается с удалением от Земли. Различают четыре слоя с разными характеристиками, которые в порядке увеличения высоты называют слоями D, E, F1 и F2 и различают в зависимости от плотности заряженных частиц N. Слой D, расположенный на высоте 50 - 90 км, имеет низкую электронную плотность. Основную часть ионосферы составляют слои E и F1 (90 - 230 км).



Слой D

В области D (60—90 км) концентрация заряженных частиц составляет N_max~ 10²—10³ см⁻³ — это область слабой ионизации. Основной вклад в ионизацию этой области вносит рентгеновское излучение Солнца. Также небольшую роль играют дополнительные слабые источники ионизации: метеориты, сгорающие на высотах 60—100 км, космические лучи, а также энергичные частицы магнитосферы (заносимые в этот слой во время магнитных бурь).

Слой D также характеризуется резким снижением степени ионизации в ночное время суток.

Слой Е

Область Е (90—120 км) характеризуется плотностями плазмы до N_max~ 10⁵ см⁻³. В этом слое наблюдается рост концентрации электронов в дневное время, поскольку основным источником ионизации является солнечное коротковолновое излучение, к тому же рекомбинация ионов в этом слое идёт очень быстро и ночью плотность ионов может упасть до 10³ см−3. Этому процессу противодействует диффузия зарядов из области F, находящейся выше, где концентрация ионов относительно велика, и ночные источники ионизации (геокороное излучение Солнца, метеоры, космические лучи и др.).

Спорадически на высотах 100—110 км возникает слой ES, очень тонкий (0,5—1 км), но плотный. Особенностью этого подслоя является высокая концентрации электронов (n_e ~ 10⁵ см⁻³), которые оказывают значительное влияние на распространение средних и даже коротких радиоволн, отражающихся от этой области ионосферы.

Слой E в силу относительно высокой концентрации свободных носителей тока играет важную роль в распространении средних и коротких волн.

Слой F

Областью F называют теперь всю ионосферу выше 130—140 км. Максимум ионобразования достигается на высотах 150—200 км. Однако вследствие диффузии и относительно долгой длительности жизни ионов образовавшаяся плазма распространяются вверх и вниз от области максимума. Из-за этого максимальная концентрация электронов и ионов в области F находится на высотах 250—400 км.

В дневное время также наблюдается образование «ступеньки» в распределении электронной концентрации, вызванной мощным солнечным ультрафиолетовым излучением. Область этой ступеньки называют областью F1 (150—200 км). Она заметно влияет на распространение коротких радиоволн.

Выше лежащую часть cлоя F называют слоем F2. Здесь плотность заряженных частиц достигает своего максимума — N ~ 10⁵—10⁶ см⁻³. На больших высотах преобладают более лёгкие ионы кислорода (до высот 400—1000 км), а ещё выше — ионы водорода (протоны) и в небольших количествах — ионы гелия.



Моделирование ионосферы. Модель ионосферы представляет собой распределение значений характеристик плазмы в виде функции географического положения, высоты, дня года, а так же солнечной и геомагнитной активности. Для задач геофизики, состояние ионосферной плазмы может быть описано четырьмя основными параметрами: электронной плотностью, электронной и ионной температурами и, в силу наличия нескольких типов ионов, ионным составом. Распространение радиоволн, например, зависит исключительно от распределения электронной концентрации.

Обычно модель ионосферы — это компьютерная программа. Она может быть основана на физических законах, определяющих распределение характеристик плазмы в пространстве (учитывающих взаимодействие ионов и электронов с солнечным излучением, нейтральной атмосферой и магнитным полем Земли). Также, она может представлять собой статистическое усреднение большого количества экспериментальной информации. Одной из наиболее часто используемых моделей является модель International Reference Ionosphere (IRI), построенная на статистической обработке большого количества измерений и способная рассчитывать четыре основных характеристики ионосферы, указанные выше. Проект по созданию и усовершенствованию модели IRI является международным и спонсируется такими организациями, как COSPAR и URSI. Основными источниками данных для модели IRI являются глобальная сеть ионозондов, мощные радары некогерентного рассеяния (находятся на Джикамарке, Арэсибо, Майлстоун Хилл, Малверн и Сан-Сантине), а так же спутниковые зонда ISIS и Alouette и точечные измерения с нескольких спутников и ракет. Модель IRI обновляется ежегодно, с появлением новых экспериментальных данных. Эта модель также была в 2009 году принята Международной Организацией по Стандартизации (ISO) за международный стандарт TS16457.

Одним из эффективных методов моделирования ионосферы, является так называемая техника ассимиляции данных. Суть этой методики состоит в корректировке физической модели ионосферы с помощью оперативно получаемых экспериментальных данных. Обычная модель ионосферы, основанная на физике исследуемых процессов, не может охватить всего диапазона факторов, влияющих на состоянии плазмы. Это связано с тем, что некоторые необходимые для этого величины сложно измерить экспериментально (скорости ветра на высотах термосферы, прохождение сквозь атмосферу космических лучей и др.). Кроме того, даже влияние хорошо изученных факторов, таких, например, как солнечная активность, трудно предсказать.

В связи с этим, модель, способная обеспечить высокую точность описания распределения характеристик плазмы, должна в режиме реального времени усваивать экспериментальную информацию о состоянии ионосферы. Данные, которые могут быть использованы в такого рода подходе должны быть доступны и актуальны и, кроме всего прочего, оперативно обновляемы. Одним из важнейших источников данных, отвечающих такого рода требованиям, является сеть наземных приемников навигационного сигнала спутниковых систем навигации GPS и ГЛОНАСС. По данным о распространении спутникового навигационного сигнала можно вычислить полное содержание электронов вдоль его траектории. Эти данные доступны и обновляются в нескольких архивах, таких, как, например, архив SOPAC. На данный момент в мире существует несколько моделей ассимиляционного типа. Среди них — разработанная при финансировании Министерства Обороны США модель GAIM. В России разработки в данном направлении ведутся в ФГУБ «Центральная Аэрологическая Обсерватория».



История исследования. В 1901 году Гульельмо Маркони принял трансатлантический радиосигнал с помощью 152-метровой антенны на в городе Сент-Джонс острове Ньюфаундленд (сейчас является территорией Канады). Передающая станция в Корнуолл, Англия использовала очень мощный (в сто раз мощнее любого, существовавшего в то время) передатчик, испускавший радиоволны на частоте примерно 500 кГц. Сообщение, которое принял Маркони, состояло из трех точек: обозначение азбуки Морзе для английской буквы S. До того, как сигнал достиг Ньюфаундленда, он дважды отразился от ионосферы. Несмотря на все сомнения и кривотолки, которые вызвал эксперимент Маркони, он успешно повторил его год спустя, приняв сигнал в заливе Глэйс, Новая Шотландия, Канада.

Английский физик Оливер Хэвисайд предположил наличие ионизированного слоя в атмосфере в 1902 году. Его теория включала в себя возможность распространения радиосигнала вокруг Земли, несмотря на ее кривизну. Независимо от Хэвисайда эксперименты по дальнему приёму коротких волн через Атлантику между Европой и Америкой проводил американский инженер-электрик Артур Кеннели. Они предположили, что где-то вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный отражать радиоволны. Его назвали слоем Хэвисайда — Кеннели, а затем — ионосферой. Возможно, именно предположения Хэвисайда и Кеннели вкупе с законом излучения абсолютно черного тела, выведенного Максом Планком, способствовала бурному развитию радиоастрономии с 1932 года (а так же послужило отправной точкой при создании высокочастотных систем типа приемник — передатчик).

В 1926 году шотландский физик Роберт Уотсон-Ватт ввел термин ионосфера в письме, опубликованном только в 1969 году в журнале Nature:

В последнее время термины для описания слоев атмосферы, такие как ‘стратосфера’ и ‘тропосфера’ все прочнее входят в лексикон научного сообщества ... Термин ‘ионосфера’, относящийся к области атмосферы с высокой ионизацией и большими длинами свободных пробегов заряженных частиц, кажется, хорошо подходит в этот ряд.

В 1947 году Эдвард В. Эплтон был удостоен Нобелевской премии по физике за подтверждения существования ионосферы в 1927 году с формулировкой «За исследования физики верхних слоёв атмосферы, в особенности за открытие так называемого слоя Эплтона».

Лойд Беркнер был первым, кто впервые измерил высоту и плотность ионосферы, что несомненно поспособствовало теории распространения коротких радиоволн. Морис Уилкс и Джон Рэтклифф исследовали распространение очень длинных радиоволн в ионосфере. Виталий Гинзбург разработал теорию распространения электромагнитных волн в плазме в частности в ионосфере.

В 1962 году был запущен канадский спутник Alouette-1 для изучения ионосферы. После его успеха так же для измерения и исследования ионосферы были отправлены Alouette-2 в 1965 году и два спутника ISIS в 1969 и 1971 годах.