Skip to main content

Ionosfeer, de bovenste atmosferische laag, wat is het?

Op welke hoogte vind je de ionosfeer?

De ionosfeer vormt de bovenste laag van de atmosfeer van de Aarde. Ze wordt door ultraviolette zonnestraling geïoniseerd. Deze ionisatie kan op grote hoogte aanhouden: de ionosfeer strekt zich uit van ongeveer 80 km hoogte tot meer dan 1.000 km.

Vanaf ongeveer 50 km hoogte boven het aardoppervlak beginnen elektronen en ionen een belangrijke rol te spelen in het gedrag van de bovenste regio van de atmosfeer. Op de hoogte waar de grootste elektronendichtheid te vinden is (106 elektronen/cm³ op 250 km) wordt ongeveer 1 op 1000 luchtdeeltjes geïoniseerd.

Ondanks de lage dichtheidsverhouding tussen geladen en neutrale deeltjes stelt de ionosfeer haar eigen omgeving op door een elektrisch veld te initiëren dat geladen deeltjes van tegengestelde ladingen samenbindt. Het aardmagnetisch veld heeft ook een invloed op de geladen deeltjes van de ionosfeer. Hierdoor verschilt hun aeronomisch gedrag sterk van dat van neutrale deeltjes.

Voorbij een hoogte tussen 2000 en 3000 km is de frequentie van botsingen tussen geladen deeltjes in de ionosfeer zo laag dat deze deeltjes grote afstanden kunnen afleggen zonder verdere botsingen te ondergaan. De bewegingen van de deeltjes worden dan uitsluitend bepaald door de zwaartekracht- en magneetvelden van de aarde en door de aanwezigheid van elektrische velden.

Energie-overdracht van magnetosfeer naar ionosfeer

De ionosfeer en de magnetosfeer worden verbonden door magnetische krachtlijnen. Dat zijn nagenoeg perfecte geleiders van elektriciteit.

Daardoor wordt elektromagnetische energie van de magnetosfeer vervoerd naar de ionosfeer via elektrische stromen, ook wel stromen van Birkeland genoemd.

Het poollicht is de meest spectaculaire manifestatie van die energie-overdracht.

Bronnen voor de ionosfeer

De atmosfeer wordt voortdurend blootgesteld aan ultraviolette straling, röntgenstralen, zonnedeeltjes en kosmische straling. Het resultaat is ionisatie.

  • Ultraviolette zonnestraling is de belangrijkste bron voor deze omgeving die de atomen en moleculen in de bovenste aardatmosfeer (50-1000 km hoogte) ioniseert. Dit proces wordt "foto-ionisatie" genoemd.
     
  • X- en gamma-straling worden geproduceerd wanneer de Zon actief is, bijvoorbeeld wanneer zonnevlammen plaatsvinden. Slechts acht minuten later bereiken ze de Aarde en veroorzaken een toename in de dichtheid van de ionosfeer aan de kant van de Aarde die naar de Zon gericht is.
     
  • Protonen en elektronen met hoge snelheden, ten gevolge van zonneactiviteit, die uren tot dagen later de Aarde bereiken, komen in de ionosfeer terecht in de polaire gebieden, en veroorzaken grote toenames van de dichtheid van de ionosfeer op lage hoogten.
     
  • Deeltjes van de zonnewind en kosmische straling kunnen ook de bovenste atmosfeer van de Aarde ioniseren.

Drie regio's in de ionosfeer (dichtheid en hoogte)

De ionosfeer wordt meestal horizontaal opgedeeld in drie lagen, D, E en F, waarin de ionisatie toeneemt met de hoogte.

Deze lagen komen voort uit het verschil in het binnendringen in de atmosfeer van de zonnestralen volgens hun energie.

D-laag tussen 50 en 90 km vooral polyatomische gehydrateerde ionen 102 tot 104 ionen/cm³
E-laag tussen 90 en 150 km ionen NO+, O2+, en metaalionen 103 tot 105 ionen/cm³
F-laag van 150 tot bijna 1.000 kilometer gaat op in de magnetosfeer 105 tot 106 ionen/cm³

 

Geschiedenis, de ontdekking van de ionosfeer

In 1901 legde Giglielmo Marconi een transatlantische radioverbinding aan. Maar elektromagnetische golven verspreiden zich alleen in een rechte lijn, althans in een homogeen medium.

Om te verklaren hoe Marconi's radiotelegrafische signalen de rondheid van de aarde konden omzeilen, stelde Heaviside in Engeland en Kennelly in Amerika zich al in 1902 voor dat er reflecterende lagen waren voor radiogolven op zeer grote hoogte: de Kennelly-Heaviside lagen.

In 1925 demonstreerde de Engelse natuurkundige Appleton door middel van experimenten de aanwezigheid van deze lagen die Heaviside en Kennelly zich hadden voorgesteld. Kort na Appleton hebben de Amerikaanse fysici Breit en Tuve de hoogte van de ionosferische lagen gemeten met behulp van een radiopulszender.

Pas in 1929 verving het woord ionosfeer uiteindelijk de ‘Appleton-laag’.

Poollicht, Lofoten, Noorwegen. Credits: Jeroen van Gent
De verschillende lagen van de ionosfeer als functie van de hoogte. Met dank aan: Navy.
Guglielmo Marconi bevestigde het bestaan van de ionosfeer van de Aarde in 1901 toen hij de eerste transatlantische radiocommunicatie realiseerde.