ionosfääri


ionosfääri

Selite Maapallon magneettikentällä on myös osuutensa ilmakehän tapahtumiin. Alimmat kerrokset koostuvat sähköisesti neutraaleista molekyyleistä, joihin magneettikenttä ei juuri pysty vaikuttamaan; niitä hallitsevat Maan vetovoima, kaasun dynamiikka sekä säteilyn ja aineen väliset vuorovaikutukset. Ylemmäs mentäessä atomit alkavat ionisoitua eli hajoavat ytimiksi ja elektroneiksi. Tämä varattujen hiukkasten muodostama kaasu eli plasma on sähköäjohtavaa, ja magneettikenttä vaikuttaa siihen tehokkaasti.

Alin magneettikentän hallitsema osa on ionosfääri, joka sijaitsee termosfäärin alaosassa. Ionosfäärissä Auringon säteily hajottaa riittävästi atomeja ioneiksi, jotta ne voivat merkittävästi vaikuttaa radioaaltoihin. Matalilla radoilla kiertävät satelliitit liikkuvat juuri ionosfäärissä. Niiden ansiosta ionosfäärin tutkimus on viimeisinä vuosikymmeninä edistynyt huomattavasti.

Joulukuussa 1901 Guglielmo Marconi (1874-1937) onnistui lähettämään sähkötystä yli 3000 kilometrin matkan Cornwallista Newfoundlandiin. Tämän piti olla mahdotonta, koska radioaallot etenevät suoraviivaisesti, eivätkä voi taipua näin paljon horisontin taakse. Seuraavana vuonna Edisonin apulaisena työskennellyt Arthur Kennelly (1861-1939) ja hänestä riippumatta englantilainen insinööri Oliver Heaviside (1850-1925) antoivat ilmiölle selityksen: ilmakehässä on sähköäjohtava kerros, joka heijastaa radioaallot takaisin maanpintaa kohti. Aallot voivat myös heijastua merestä. Heijastumalla useita kertoja sopivan ilmakehän kerroksen ja meren välillä radiolähetys voi edetä vaikka maapallon toiselle puolelle.

Ionosfäärin heijastava vaikutus aiheutuu elektroneista. Jos elektroneja on harvassa, lyhytaaltoinen säteily pääsee etenemään niiden välitse suhteellisen vapaasti. Jos säteily on riittävän pitkäaaltoista, se ei näe elektronien välissä olevia aukkoja, vaan heijastuu. Kyseessä on oleellisesti sama syy, miksi radioteleskooppien antenneissa voidaan heijastavana aineena käyttää harvaa verkkoa, jos havaitaan pitkiä aallonpituuksia.

Ionosfäärin elektronitiheydestä siis riippuu, mitä aallonpituuksia se heijastaa. Elektronien määrä taas riippuu ionisoivan ultraviolettisäteilyn määrästä, ja kasvaa ylöspäin mentäessä.

Historiallisista syistä käyttöön on jäänyt tapa nimetä ionosfäärin kerroksia lähinnä niiden aiheuttamien vaikutusten perusteella. Alin kerros on nimeltään D-kerros, ja se sijaitsee noin 90 kilometrin korkeudella. Sen yläpuolella 90-140 kilometrin korkeudella on E-kerros, ja 140 kilometrin yläpuolella F-kerros. F-kerros jaetaan vielä alempaan F₁-kerrokseen ja 250 kilometrin korkeudelta alkavaan F₂-kerrokseen, jossa ionisaatio on kaikkein voimakkainta. Korkeudet ovat vain likimääräisiä. Lisäksi kerroksien ominaisuuksissa esiintyy vuorokauden- ja vuodenajoista riippuvaa vaihtelua.

Keskipäivällä Auringon säteily on voimakkainta ja ionisoiva ultraviolettisäteily pääsee tunkeutumaan syvälle ilmakehään. Ionosfääri on silloin voimakkaimmillaan ja samalla sen kerrokset ovat alimmillaan. Illalla ja aamulla säteily on heikompaa, eikä pääse yhtä syvälle, joten ionosfäärin kerrokset heikkenevät ja kohoavat ylemmäksi. Yöllä ionisoivaa säteilyä ei juuri ole, ja alimmat kerrokset voivat kadota kokonaan. Vain F 2-kerros sisältää merkittävän määrän elektroneja läpi vuorokauden. </aub>

Radioaaltojen heijastumisen kannalta tärkein on juuri F₂-kerros. Alemmat kerrokset aiheuttavat lähinnä häiriöitä. Koska nämä kerrokset heikkenevät tai katoavat kokonaan yöllä, kuuluvuus on parasta yöaikaan. Siksi voimme Suomessa kuunnella öisin keskipitkän alueen radio-ohjelmia eri puolilta Eurooppaa. Päivisin kuuluvuus on paljon heikompaa.

FM- ja televisiolähetyksissä käytetään niin lyhyitä aallonpituuksia, ettei ionosfäärin elektronitiheys riitä heijastamaan niitä. Siksi niiden kantama rajoittuukin suunnilleen näköetäisyydelle. Todellisuudessa tilanne on hieman mutkikkaampi, mutta sen käsittely veisi meidät liian kauas varsinaisesta aiheesta.

Tärkeimpiä ionosfäärin ioneja ovat O⁺₂, O⁺, N⁺₂ ja NO⁺. Ionisaatiossa vapautuva elektroni voi osua O⁺₂-ioniin ja hajottaa sen kahdeksi neutraaliksi happiatomiksi. Se voi myös kohdata typpioksidi-ionin ja hajottaa sen neutraaliksi typpi- ja happiatomiksi.

Jos elektroni liikkuu nopeasti, sillä voi olla enemmän energiaa kuin tarvitaan molekyylin hajottamiseen. Ylimääräinen energia voi virittää vapautuvat atomit korkeampiin energiatiloihin. Kun tämä viritys sitten laukeaa, atomi säteilee fotonin. Näin syntyvät fotonit havaitaan himmeänä valona, jota kutsutaan ilmahehkuksi.

Ionosfäärissä syntyy toinenkin merkittävä valoilmiö: revontulet. Ne aiheutuvat ilmakehään osuvista varatuista hiukkasista, lähinnä elektroneista ja protoneista.

Erikieliset vastineet

ionosphere

englanti (English)

Käytetyt lähteet

Zubenelgenubi

Alaviitteet

Lähdeviittaus tähän sivuun:
Tieteen termipankki 15.11.2024: Tähtitiede:ionosfääri. (Tarkka osoite: https://tieteentermipankki.fi/wiki/Tähtitiede:ionosfääri.)

Siirry tarkastelemaan sivun muokkaushistoriaa →