IONOSPHÈRE

L' atmosphère est ionisée sur toute la surface du globe à partir d'une altitude d'environ 60 km, au-dessous de laquelle l'ionisation est négligeable ; cette région de l'atmosphère est appelée ionosphère. Vers les altitudes supérieures, l'ionisation s'étend jusqu'à la magnétopause, limite de la zone d'influence du champ magnétique terrestre. Cependant, il est admis que le terme ionosphère recouvre uniquement la zone inférieure, limitée à une altitude d'environ 1 000 km, zone où la densité des particules ionisées est la plus élevée. Au-delà, le milieu est essentiellement contrôlé par le champ magnétique et on lui réserve le nom de «   magnétosphère ».

L'origine des électrons et des ions libres constituant l'ionosphère réside principalement dans l'interaction entre le flux de rayonnement photonique solaire et les molécules de l'atmosphère neutre : un photon d'énergie supérieure au seuil d'ionisation de la molécule peut arracher un électron à cette molécule, créant ainsi un ion positif. De l'équilibre entre ce processus de création et les processus de perte et de transport résulte la formation de couches ionisées, bien connues maintenant dans leurs grandes lignes, mais à propos desquelles subsistent encore de nombreux points à élucider.

L'existence d'une ionosphère n'est pas spécifique à la Terre. Toute planète et tout satellite du système solaire possédant une atmosphère possèdent aussi une ionosphère. Même Mercure, dont l'atmosphère est très ténue, en est pourvu.

Théories de la formation de l'ionosphère

Si Balfour Stewart, dès 1882, prévoyait l'existence d'une couche conductrice dans la haute atmosphère pour expliquer la variation diurne du champ magnétique terrestre observée au sol, il fallut attendre encore vingt ans pour que Arthur Kennelly et Oliver Heaviside reprennent cette idée en vue d'interpréter la première liaison hertzienne entre l'Europe et l'Amérique effectuée par Guglielmo Marconi : cette couche conductrice joue le rôle de réflecteur pour les ondes radioélectriques et permet la transmission sur de grandes distances malgré la courbure de la Terre.

La théorie de la propagation des ondes radioélectriques dans un milieu ionisé (plasma) ne fut développée que beaucoup plus tard par Edward Appleton et Douglas Hartree (1931), confirmant l'interprétation de Kennelly et Heaviside.

À la même époque, Sidney Chapman proposa une théorie qui, bien que très simplificatrice dans ses hypothèses, permet de comprendre le mécanisme de la formation des couches ionisées. Le taux de production de l'ionisation est proportionnel d'une part à l'intensité du rayonnement, d'autre part à la concentration en particules neutres susceptibles d'absorber ce rayonnement. Ces deux facteurs varient en sens inverse avec l'altitude ; plus le rayonnement solaire pénètre dans l'atmosphère, plus il est absorbé ; son intensité croît en même temps que l'altitude, tandis que la densité atmosphérique diminue très rapidement quand l'altitude augmente. Il en résulte un maximum du taux de production de l'ionisation situé à une altitude intermédiaire. Sa position dépend de l'angle zénithal du Soleil. Chapman détermine ensuite la forme de la couche ionisée en égalant cette fonction de production à une fonction de perte dont l'expression dépend du mécanisme de disparition de l'ionisation considéré : recombinaison des électrons avec les ions positifs pour donner une particule neutre ou attachement des électrons sur une particule neutre pour donner un ion négatif. Il obtient ainsi différents types de couches, appelés respectivement α-Chapman et β-Chapman, dont on trouve des exemples dans l'ionosphère réelle.

Une modélisation[...]