Ionosfääri

Ionosfääri eli ionikehä on ilmakehän ylin osa, jossa merkittävä osuus (noin 0,1–1%) kaasusta on ionisoitunut.

Ionisoituneessa kaasussa eli plasmassa kaasumolekyylien uloimmat elektronit ovat irronneet Auringon röntgen- ja ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta sekä magnetosfääristä tulevien nopeiden hiukkasten törmäyksistä. Vapaiden elektronien ja positiivisesti varautuneiden ionien ansiosta plasma on hyvä sähkönjohde, joten se vuorovaikuttaa voimakkaasti sähkö- ja magneettikenttien kanssa. Niinpä ionosfäärillä onkin merkittävä rooli esimerkiksi HF-alueen (alle 30 MHZ) radioliikenteessä, GPS-paikannuksen virheissä sekä tietenkin revontulien synnyssä ja niihin liittyvissä magneettisissa häiriöissä.

Maapallolla ionosfääri alkaa noin 70–80 kilometrin korkeudelta ja yltää tuhansien kilometrien etäisyydelle, missä se kaasun tiheyden pienentyessä sulautuu magneettikehään ilman selkeää ylärajaa. Revontulien, radioliikenteen ja magneettisten häiriöiden kannalta kiinnostavin alue sijaitsee 100–400 kilometrin korkeudella, missä plasman tiheys on suurimmillaan. 

ilmakehän rakennekaavakuva

Maan lähiavaruuden tutkimuksessa ionosfäärillä on keskeinen merkitys, sillä se on Maan magneettikentän välityksellä kytkeytynyt magneettikehään ja sitä kautta aurinkotuuleen. Avaruustutkimuksen mittakaavassa ionosfääri on riittävän pieni ja riittävän lähellä, jotta sitä voidaan tutkia yksityiskohtaisesti maanpinnalta käsin. Magneettisen kytkennän avulla ionosfääristä tehtyjä mittauksia on mahdollista käyttää koko Maan lähiavaruuden tutkimukseen ja reaaliaikaiseen seurantaan.

Ionosfäärin ilmiöistä revontulet ovat varmasti tunnetuin. Revontulivalo syntyy, kun magneettikehästä suurella nopeudella syöksyvät hiukkaset (pääasiassa elektronit) törmäävät yläilmakehän kaasuatomeihin ja molekyyleihin virittäen ja ionisoiden niitä. Esimerkiksi loisteputkien valo syntyy samalla periaatteella. Revontuliin liittyy myös suuria sähkövirtoja ionosfäärissä. Nämä virrat saavat aikaan magneettisia häiriöitä maanpinnalla, kuten ruotsalainen tähtitieteilijä Anders Celsius huomasi jo 1730-luvulla. Magneettisten häiriöiden ikävämpi puoli on se, että ne saavat aikaan sähkövirtoja, niin kutsuttuja geomagneettisesti indusoituneita virtoja (GIC), suurissa johdinrakennelmissa kuten sähköverkoissa, maakaasuputkissa tai rautateissä. Joskus harvoin nämä indusoituneet virrat aiheuttavat vakavia toimintahäiriöitä, esimerkiksi sähkökatkoja.

Ionosfääri "löydettiin" 1920-luvulla, kun radiolähetysten havaittiin heijastuvan noin 100 kilometrin korkeudelta takaisin maanpinnalle.  Jo tätä ennen yläilmakehän sähköä johtavaa kerrosta oli tarjottu selitykseksi Atlantin ylittävän radioliikenteen toiminnalle, sillä ilman ionosfääriä radioaallot häviäisivät avaruuteen eikä radio kuuluisi horisontin taakse. Vielä nykyäänkin HF-alueen radioita käytetään esimerkiksi lentokoneissa varajärjestelminä, joten mannertenvälisillä reittejä suunniteltaessa on varauduttava ionosfäärin häiriöisyyteen. Ionosfäärin tila vaikuttaa myös satelliittipaikannuksen tarkkuuteen, sillä paikannus perustuu satelliiteista lähetettäviin radiosignaaleihin, jotka kulkevat ionosfäärin plasman läpi. Normaalioloissa ionosfääri vaikuttaa paikannuksen tarkkuuteen vain muutamia metrejä, mutta kaikkein pahimpien häiriöiden aikana GPS-signaali saattaa vääristyä niin paljon, ettei vastaanotin kykene "lukittumaan" signaaliin eikä paikannus toimi lainkaan.

Ionosfäärin sähkökenttiä ja -virtoja voidaan havaita maanpinnalta käsin magnetometrien ja tutkien avulla. Magnetometrien rekisteröimät nopeat (minuuteista muutamiin päiviin) vaihtelut maapallon magneettikentässä kertovat ionosfäärissä kulkevista sähkövirroista ja niiden muutoksista. Tutkien avulla voidaan puolestaan mitata plasman tiheyttä ja liikettä sähkökenttien vaikutuksesta. Myös revontulikameroita käytetään havaitsemaan ionosfääriä ja sen kytkentää magneettikehään. Satelliiteilla ja luotausraketeilla tehtävät mittaukset puolestaan antavat yksityiskohtaista tietoa plasman koostumuksesta, lämpötilasta ja virtauksesta, mutta valitettavasti näitä paikan päällä tehtyjä mittauksia on varsin rajoittuneesti saatavilla. Eri keinoin tehtyjä mittauksia yhdistämällä saadaan kattava kuva ionosfäärin tapahtumista ja sitä kautta koko Maan lähiavaruudesta.
 

revontulia avaruudesta

Revontulia ionosfäärissä avaruussukkulasta kuvattuna. Kuva: NASA.