Ionosférická observatoř v Průhonicích

1) Fyzika ionosféry

Co je to ionosféra?

Ionosféra je ionizovaná část atmosféry významně ovlivňující šíření elektromagnetických signálů. Elektromagnetické signály mohou být odráženy, tlumeny, či může být zakřivována jejich dráha. G. Marconi experimentálně dokázal přítomnost atmosférické odrazivé vrstvy, když v roce 1901 v Kanadě zachytil signál vyslaný z Cornwallu přes Atlantický oceán.

Ionosféra se nachází ve výškách zhruba nad 60 km, v oblastech mezosféry a termosféry . V důsledku ionizace neutrálního plynu slunečním zářením je prostředí elektricky vodivé. Protože ionizovaný plyn v této oblasti splňuje definici plazmatu, tak o něm také mluvíme jako o plazmatu.

Sluneční záření je při svém průchodu atmosférou filtrováno (některé části spektra jsou částečně nebo úplně pohlceny atmosférickými plyny), s výškou se mění i chemické složení plynů. Proto dochází k vytvoření několika ionosférických vrstev, směrem od země jsou to vrstvy D, E, F1 a F2. Pouze vrstva F2 (a k velké radosti radioamatérů i občasná tzv. E_s vrstva, sporadická vrstva E) přetrvává i v noci, zatímco ostatní vrstvy kvůli rychlé rekombinaci v průběhu několika sekund až minut po západu slunce zanikají.

Proč studujeme ionosféru?

V ionosféře dochází k nádhernému úkazu, polární záři. To však není jediný důvod, proč studovat procesy, ke kterým v ionosféře dochází. Předpověď stavu ionosféry je důležitá zejména pro telekomunikace: pro radiové vysílání, pro komunikaci s družicemi na oběžné dráze či pro globální navigační systémy (např. GPS nebo evropský projekt Galileo). Poruchy v ionosféře se mohou projevit ve snížení spolehlivosti navigačních systémů či ve zhoršení komunikace s družicemi na oběžné dráze. Snahou proto je porozumět chování ionosféry a zdokonalovat ionosférické předpovědní modely.

Jak se dají měřit procesy v ionosféře?

Nejdůležitější informací o stavu ionosféry je elektronová koncentrace v dané výšce. Ta se zjišťuje pomocí ionosond. Ionosonda funguje na stejném principu jako radar. Z pozemní vysílací antény se vyšle směrem vzhůru krátký pulz a měří se doba návratu do přijímací antény či antén. Elektromagnetická vlna se v ionosféře odrazí právě ve výšce, kde se její frekvence rovná plazmové frekvenci. Vlny s vyšší frekvencí prostředím plazmatu procházejí. Z časového zpoždění návratu odražené vlny lze spočítat výšku odrazu. Maximální frekvence signálu, který se ještě od dané vrstvy odrazí, se nazývá kritická frekvence, signály s vyšší frekvencí vrstvou procházejí. Graf, na kterém je zakreslena koncentrace elektronů v závislosti na výšce, se nazývá ionogram. Takovéto měření se provádí v České republice v observatoři Průhonice pomocí digitální ionosondy DPS-4. Tato stanice je součástí celosvětové měřící sítě.

2) Globální změny v horní atmosféře a ionosféře

Vliv skleníkových plynů

Zatímco v dolní atmosféře způsobuje rostoucí koncentrace skleníkových plynů, zvláště CO₂, ohřev, v horní atmosféře (ve výškách nad 50 km) vede naopak k ochlazení. Ohřev je způsoben tím, že pronikající viditelné a další světelné záření je atmosférou a zemským povrchem ze značné části absorbováno, tím se jejich částice ohřejí a pak zase vyzáří zpět část přebytečné energie, ale už ve formě infračerveného záření. To je z velké části zachyceno dostatečně tlustou vrstvou CO₂. Se vzrůstající výškou atmosféra řídne, v 50 km je zhruba 1000x řidší než u povrchu a tento pokles s výškou pokračuje. Koncentrace CO₂ je ve vyšších oblastech tak nízká, že molekuly CO₂ již téměř žádné zdola přicházející infračervené záření nezachytí a to uniká do vesmíru. Navíc pak převládá druhá vlastnost CO₂, které rovněž intenzivně vyzařuje v infračervené oblasti (v pásmu okolo 15 µm ale i jinde), tím v atmosféře ubývá energie a atmosféra se ochlazuje. Toto ochlazování atmosféry vede k jejímu smršťování (čili na pevných výškách klesá hustota, což například ovlivňuje orbitální dobu života družic) a ochlazováním se mění poměr složek atmosféry, což pak vede ke změnám v ionosféře. Pod cca 120 km dlouhodobé změny přispívají poněkud i na rušení ozónové vrstvy, v horní ionosféře naopak k dlouhodobým změnám geomagnetické aktivity. Mezinárodnímu kolektivu pod naším vedením se podařilo vytvořit první empirický model tohoto jevu.

Další vlivy

Na atmosféru včetně ionosféry působí též dlouhodobé změny sluneční a geomagnetické aktivity. Podařilo se nám prokázat, že role těchto změn v pozorovaných dlouhodobých trendech slábla od počátku 20. století směrem k jeho konci ve prospěch antropogenních vlivů, tj. hlavně skleníkového efektu.

3) Dlouhodobé trendy v ozónových laminách

Měřené výškové profily ozónu nejsou tak hladké jako profily v učebnicích, objevují se na nich úzké vrstvy výrazně zvýšené nebo snížené koncentrace ozónu, zvané laminy (kladné nebo záporné). Nalezli jsme silný pokles celkového obsahu ozónu v kladných laminách, za období 1970-1995 pokles o 50% na všech stanicích mezi 35-75os.š., ale od roku 1995 se tento pokles změnil na vzestup (podobně ale s daleko menší amplitudou se chová i celková koncentrace ozónu ve středních šířkách severní polokoule). Hlavní příčinou této změny je změna v trendu v dynamice stratosféry resp. v chování polárního víru, jistou nevelkou roli asi hraje i dopad Montrealského protokolu zakazujícího ozón poškozující látky. Na jižní polokouli je lamin daleko méně a nevykazují výrazný trend – vše díky jinému charakteru větrů ve stratosféře oproti severní polokouli.

Ozón a geomagnetické bouře

Na celkovou koncentraci ozónu působí i geomagnetické bouře, ale jak jsme ukázali, v našich šířkách mají podstatný efekt jen v zimě, jen pro silné geomagnetické bouře, jen při vysoké sluneční aktivitě a jen při východní fázi kvazi-dvouleté oscilace ve stratosféře (ta ovlivňuje celkový stav cirkulace ve stratosféře).