In de nacht worden radiogolven door de ionosfeer als een bijna volmaakte spiegel gereflecteerd. Overdag treeidt er duidelijk absorptie op. De oorzaak hiervan is de aanwezigheid van een zwak geloniseerd gebied tussen 70 en 100 km hoogte, de D-laag.
Deze laag wordt vooral gevormd door ionisatie van stikstofoxyde door Lyman-straling (golflengte 112.6 nm) maar ook door ionisatie door röntgenstraling met golflengten korter dan 1 nm.
De ionisatiedichtheid neemt toe bij toenemende zonshoogte. Bij zonsondergang is de laag door snelle recombinatie van de ionen en de electronen vrijwel meteen verdwenen. Door de grote neutrale dichtheid van de atmosfeer in dit hoogtebereik hebben de vrije electronen die door de invallende radiogolf in trilling worden gebracht een grote kans binnen een trillingsperiode te botsen met neutrale atomen. De door de electronen uit de invallende golf opgenomen energie wordt daarbij omgezet in warmte en de radiogolf dus uit gedempt.
Deze absorptie zal toenemen naarmate de D-laag sterker ontwikkeld is. Hetgeen inhoudt dat de maxima in de absorptie liggen op het midden van de dag (de dagelijkse gang) in de zomermaanden (de seizoengang) maar ook gedurende het maximum van de zonneactiviteit, een cyclus met een gemiddelde periode van 11 jaar. Ook zal de absorptie toenemen bij lagere zendfrequenties, en wel omgekeerd evenredig met het kwadraat ervan.
Tijdens een zonne-eruptie is de intensiteit van de uitgezonden röntgenstraling en ultraviolette straling vele malen groter dan normaal, met bovendien een uitbreiding van het spectrum naar de veel hardere röntgenstraling. Het gevolg van zo'n eruptie is dat ook ionisatie plaats vindt op veel geringere hoogte, zelfs tot op 50 km. Zodat door de sterker ontwikkelde en veel dikkere D-laag op deze geringere hoogte de absorptie wordt versterkt. Dit effect kan zo sterk zijn dat alle radioverbindingen via de ionosfeer gedurende enige tijd volkomen onmogelijk worden.
Door met behulp van een zender met impulsmodulatie in combinatie met een lineaire ontvanger met geijkte verzwakkers de amplitude te meten van een aan een hogere ionosfeerlaag gereflecteerd signaal kan het gedrag van de D-laag onderzocht worden. Deze meting vindt dagelijks in De Bilt plaats op het midden van de dag met frequenties tussen 1.95 MHz en 3.2 MHz. Bovendien wordt het verloop van de absorptie bij 2.3 MHz tussen zonsopkomst en zonsondergang gemeten.
Het blijkt dat in de winter de absorptie zeer sterk varieert met perioden van enkele dagen. Zo sterk zelfs dat, ondanks de geringere zonshoogte, er dagen voorkomen met veel hogere absorptie dan in de zomer.
De oorzaken van deze winteranomalieën zijn nog niet volkomen bekend. Wel zijn duidelijke correlaties gevonden met temperatuur en windcirculaties in de hogere stratosfeer. Indien over een lange reeks van jaren de D-laag absorptie wordt uitgezet tegen de zonsactiviteit blijkt de duidelijke positieve correlatie tussen beide grootheden. Het lopende gemiddelde over een jaar van de absorptie volgt het zonnevlekkengetal, een maat voor de zonsactiviteit, weliswaar met een vetraging van ongeveer een jaar.
Bovendien blijkt dan de wisselende intensiteit van de winteranomalie van jaar tot jaar.
De zonnestraling bestaat niet alleen uit het zichtbare licht, maar omvat een breed spectrum dat zich aan de langgolvige zijde van het zichtbare licht uitstrekt via het infrarood (warmtestraling) tot in het gebied van de zeer korte radiogolven, en aan de andere zijde over het ultraviolet en het Gebied van de röntgenstraling. Ultraviolette en röntgenstraling zijn ioniserende stralen, ze ioniseren de aardse atmosfeer op grote hoogte, d.w.z. maken daar electronen vrij uit de atomen van de atmosferische gassen. De ioniserende straling wordt daarbij op deze grote hoogte geabsorbeerd en bereikt het aardoppervlak niet. Het gebied van de atmosfeer boven ongeveer 80 km hoogte is daardoor overdag geïoniseerd. Dit gebied noemt men de ionosfeer. In de ionosfeer onderscheidt men verschillende gebieden, of hoogten waarop de ionisatie een maximum bereikt. Het D-gebied (80-100 km), het E-gebied (100-140 km, met een maximum van ionisatie op 110 à 120 km) en het F-gebied, boven 150 km, waarin meerdere maxima boven elkaar kunnen voorkomen. De sterke ionisatie ligt gewoonlijk in het F-gebied, op 250 à 350 km hoogte.
De ionosfeer heeft de eigenschap radiogolven beneden een bepaalde grends-frequentie te reflecteren. De waarde van die grensfrequentie hangt af van de dichtheid van de ionisatie (hoe sterker de ionisatie, hoe hoger de grensfreqentie) en van de hoek waaronder de invallende radiogolven de ionosferische laag treffen. Bij loodrechte inval is de grendsfrequentie het laagst en hij wordt bij scheve inval groter. Radioverbinding tussen twee plaatsen op aarde via de ionosfeer is mogelijk aos de frequentie lager is dan de zgn. Maximum) U(able) F(requency), die bepaald wordt door de ionisatiedichtheid van de reflecterende laag, en de hoek waaronder de reflectie dan moet plaatsvinden. Die hoek hangt af van de afstand tussen beide plaatsen en de hoogte van de reflecterende laag. Via de F-laag zijn zo verbindingen tot over ca. 4000 km afstand mogelijk; via de E-laag tot over ca. 2000 km. Verbindingen over grotere afstanden zijn ook mogelijk, maar dan moet de golf weer aan het aardoppervlak gereflecteerd worden en nogmaals aan de ionosfeer.
Het lijkt vanzelfsprekend dat de toestand van de ionosfeer boven een bepaalde plaats afhangt van de zonshoogte daar. Hoe hoger de zon, hoe sterker de ionisatie. Dit gaat echter alleen op voor het D- en E- gebied. De sterkste ionisatie vindt men daar rond het middaguur. En 's nachts zijn deze gebieden op een kleine rest na ongeïoniseerd. Het F-gebied gedraagt. zich echter op een veel ingewikkelder manier. De grootste ionisatie wordt in de zomermaanden meestal eerst na het middaguur bereikt en in de loop van de nacht wordt de ionisatie wel minder, maar verdwijnt niet geheel. Ook is in de gematigde zone op winterdagen, ondanks de lagere zonnestand, de ionisatie rond de middag toch sterker dan in de zomer (winteranomalie van het F-gebied). Blijkbaar is in dit gebied de zonshoogte niet de bepalende factor.
Behalve van de zonshoogte hangt de ionisatie-dichtheid ook af van de zgn. zonneactiviteit. De zonnestraling heeft in het zichtbare licht een nagenoeg constante intensiteit. In het ultraviolette- en röntgengebied wisselt de intensiteit echter sterk. Behalve de bekende ongeveer 11-jarige cyclus zijn er schommelingen van korte duur (enkele dagen).
Het laagste gebied van de ionosfeer, het D-gebied, is slechts zwak geïoniseerd. Dit gebied absorbeert, verzwakt, radiogolven tijdens hun passage door dit gebied. De absorptie is sterker naarmate de frequentie lager is. Omdat de ionisatie in het D-gebied de zonshoogte volgt is deze absorptie het sterkst rond de middag en verdwijnt 's nachts vrijwel geheel. Overdag moet men dus voor radioverbindingen over grotere afstand hogere frequenties gebruiken om aan deze absorptie te ontkomen. Bij grotere zonneactiviteit worden zowel de absorptie van het D-gebied als de grendsfrequentie van het F-gebied groter. Daardoor verschuiven de bruikbare frequenties dan naar hogere waarden.
Tenslotte nog iets over ionosferische storingen. Zouden er geen storingen zijn, dan zou het gedrag van de ionosfeer voor alle plaatsen op aarde een tijd vooruit te voorspellen zijn. Het gaat dan in feite om het voorspellen van de zonneactivitei. De invloed van plaats, uur van de dag en seizoen zijn volledig bekend. Er zijn echter storingen. Die worden veroorzaakt door erupties (uitbarstingen) op de zon, zgn. zonnevlammen. Bij zo'n zonnevlam neemt gedurende enkele minuten de intensiteit van de straling in het röntgengebied sterk toe. De atmosfeer wordt dan geïoniseerd tot op lagere hoogte (tot soms 50 km), de D-laag wordt dus sterk uitgebreid en daarmee de absorptie. Deze kan zo sterk zijn dat gedurende bv. een uur er aan de dagzijde van de aarde in het geheel geen radioverkeer via de ionosfeer mogelijk is. De zon zendt dan ook corpusculaire straling uit, die de aarde pas na een of twee dagen bereikt en dan de absorptie in het D-gebied over de poolstreken en zelfs de gematigde zone kan doen toenemen. De ionisatie in het F-gebied wordt dan echter juist verzwakt. De M.U.F. wordt dus verlaagd en de absorptie verhoogd. Radioverbindingen via de poolgebieden en in de matigde zone hebben er dus van te lijden. Zonnevlammen zijn niet te voorspellen.
In de afdeling Geofysisch Onderzoek van het KNMI wordt sinds 1947 ionosfeer-onderzoek verricht. Momenteel wordt experimenteel onderzoek gedaan met drie instrumenten, t.w. een ionosonde, een ontvanger voor satellietsignalen en een absorptiemeter.
Met de ionosonde worde de ionosfeer 2 x per uur afgetast m.b.v. een pulszender met variërende frequentie tussen 1,0 en 22,6 MHz. In ongeveer 12 seconden wordt dan een soort profiel verkregen van de ionisatiedichtheid als functie van de hoogte. Ook wordt op het middaguur de absorptie van het D-gebied voor enkele frequenties gemeten. Verder wordt uit de signalen van overvliegende navigatiesatellieten het gedrag van de totale electronendichtheid bepaald.
De meetresultaten worden gebruikt om ionosfeer-modellen te toetsen en te verbeteren. Verder worden deze meetresultaten gebruikt om correcties van astronomische en geodetische waarnemingen te berekenen.
Verder verschijnen regelmatig artikelen over de ionosfeer in Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics en in Radio Science
| Aard van de verstoring | effect op de voortplanting van radiogolven | aanvang en duur | gemiddelde frequentie | mogelijke oorzaken | |
|---|---|---|---|---|---|
| zonnevlekken | |||||
| maximum | minimum | ||||
| 1. ALS DIREKT GEVOLG VAN DE ZONNEACTIVITEIT | |||||
| plotselinge ionosfeer verstoring | aan de dagzijde anomale VLF-reflektie, sterke absorptie, F-laag effekten | ongeveer gelijktijdig begin van alle effekten; duur ongeveer een half uur | 2/week | 2/jaar | zonnevlam: verhoogde röntgenstraling en EUV-flux |
| poolkap-absorptie | intense absorptie in magnetische poolgebieden, anomale VLF-reflektie | aanvang enkele uren na zonnevlam; duur van één tot meerdere dagen | 1/maand | 0 | protonen 1-100 MeV |
| magnetische storm | f-laag effekten: toename van foF2 gedurende de eerste dag, gevolgd door verlaagde foF2 met korresponderende verandering in MUF, sterke dagelijkse variaties | dagenlang | 26/jaar | 22/jaar | wisselwerking van laag-energetisch plasma met aardmagneetveld, inval van elektronen |
| absorptie in poollicht-zone | versterkte absorptie in gebieden van tweehonderd tot duizend kilometer langs de poollicht ovaal, mogelijke verhoging van MUF door optreden van sporadische E-laag | uren tot dagen | gewoonlijk aanwezig | inval van elektronen met energieën van enkele tientallen keV | |
| inval van relativistische elektronen | versterkte absorptie, anomale VLF-reflekties op hoge breedtes | één tot twee uren | variatie niet bekend, gewoonlijk in zekere mate aanwezig | inval van elektronen met energieën van enkele honderden keV | |
| 2. NIET DIREKT VEROORZAAKT DOOR DE ZONNEACTIVITEIT | |||||
| scintillaties | snelle intensiteitsvariaties, voornamelijk op hoge breedtes en in de equatoriale zone | 's nachts, met perioden van seconden tot minuten | meestal aanwezig | instabiliteiten in de ionosfeer | |
| lopende-ionosfeer verstoringen | verandering van foF2 met korresponderende verandering in MUF, soms periodiek | overdag, met perioden van twintig minuten tot enkele uren | gewoonlijk aanwezig | atmosfeergolven | |
| winter-anomalie | versterkte absorptie op gematigde breedtes | één tot enkele dagen | 20/jaar | 20/jaar | mogelijk meerdere oorzaken, zoals verandering in het circulatiepatroon in de hogere atmosfeer met als gevolg hogere concentraties spoorgassen (zoals NO) en hogere temperaturen, deeltjes-inval |
| stratosfeeropwarming | veranderingen in de absorptie, VLF-anomalieën | dagen of weken, in de nawinter | 2/jaar | 2/jaar | verandering in het globale circulatiepatroon in de hogere atmosfeer |
KNMI, februari 1986