Présentation de la méthode de prévisions ionosphériques

PREVISION IONOSPHERIQUE

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Une liaison utilisant la voie ionosphérique ne peut être exploitée que dans une certaine bande de fréquence. Il existe une limite supérieure de fréquence, imposée par la réfraction ionosphérique, au-dessus de laquelle la liaison n’est plus possible. Cette limite supérieure a été dénommée MUF (‘Maximal Usable Frequency’). De même, la nécessité de disposer d’un champ suffisant à la réception ou un affaiblissement maximum tolérable fixe une fréquence limite inférieure dénommée LUF (‘Lowest Usable Frequency’). Entre ces deux bornes, les fréquences intermédiaires permettent d’établir la liaison radioélectrique.

La méthode de prévision à long terme est fondée sur une combinaison de relations empiriques déduites de mesures expérimentales ou de développements théoriques. Le principe du calcul est d’ajuster un certain nombre de trajets possibles en fonction des conditions d’ionisation. Ces dernières sont valables pour un mois donné et tabulées par un indice d’activité solaire.

Le nombre de taches solaires permet de caractériser le niveau de l’activité solaire. La valeur mensuelle R_m est la médiane calculée par l’observatoire de Bruxelles, à partir de l’ensemble des valeurs journalières observées. Ce nombre fluctue considérablement d’un mois sur l’autre, aussi est-il calculé une moyenne glissante sur plusieurs mois. Deux indices sont disponibles régulièrement :

Cet indice est celui utilisé pour le paramétrage du logiciel de prévisions ionosphériques (cf. 'IR₅ du CNET'). La variation de cet indice définit les caractéristiques du cycle solaire (dates du minimum et du maximum, valeur du maximum, longueur du cycle). Le graphe du cycle le plus élevé (19^ème) et le plus faible (6^ème) ainsi que l’amorce du 23^ème cycle en cours sont reportés sur la figure 2.

L’ionosphère est la région ionisée de la haute atmosphère qui s’étend de 50 à 2000 km environ au dessus de la surface de la Terre. La principale source de cette ionisation est le rayonnement ultraviolet et X en provenance du Soleil. Le rayonnement corpusculaire intervient plus ponctuellement et plus localement dans la production d’électrons. Les processus d’ionisation sont contrebalancés par des processus de pertes électronique à travers la recombinaison ou l’attachement à des molécules neutres, ainsi que des mouvements horizontaux et verticaux de cette ionisation. La concentration électronique résulte d’un équilibre entre ces processus. Elle se présente sous forme de régions stratifiées verticalement , encore appelées couches ionosphériques, que l’on désigne par les lettres D, E et F par ordre croissant d’altitude (Figure 1).

Lorsqu’une onde radioélectrique est émise vers l’ionosphère, elle se propage de façon rectiligne dans l’atmosphère neutre et commence à s’incurver au fur et à mesure qu’elle pénètre le milieu ionisé sous l’action de la réfraction. Il y a réflexion à l’altitude où la fréquence plasma du milieu est égale à la fréquence verticale équivalente de l’onde et le rayon retourne vers le sol. On obtient donc une liaison entre 2 points séparés de la distance de saut. Le mécanisme peut se répéter sous la forme de n bonds, avec n variant entre 1 et 7 dans notre modélisation. Si la densité du milieu ionosphérique est trop faible, le rayon traverse l’ionosphère et se perd dans l’espace. La réflexion des rayons peut être modélisée sous forme de triangles isocèles où la hauteur de réflexion est la hauteur virtuelle et non plus sa hauteur réelle. La réflexion peut se produire sur l’une des deux couches E et F2 du profil d’ionisation. Des combinaisons intermédiaires encore appelés modes mixtes peuvent intervenir. La figure 3 schématise les différentes options possibles.

Il est défini 23 modes de propagation possibles, chacun d’eux ayant ses limites de validité en distance (figure 4), ce qui permet de gagner en rapidité dans l’exploration des chemins possibles sur une liaison donnée.

La limite supérieure des fréquences propagées sur un chemin donné est égale au produit de la fréquence critique de la couche considérée par un facteur géométrique fonction uniquement de la longueur du bond. La MUF de référence est la fréquence la plus élevée sur les différents trajets retenus permettant la réflexion.

L'ionosphere est la région ionisée de la haute atmosphère terrestre. Cette ionisation provient de l'action du vent solaire sur les atomes présents à ces altitudes. Ces ions sont responsables de la réflexion ou de la courbure des ondes radio, généralement entre deux fréquences critiques qui changent en fonction de degré d'ionisation. Ainsi les fréquences comprises entre la LUF (Lower Usable Fréquency) et la MUF (Maximum Usable Frequency) ont toutes les chances d'être portées sur de longues distances. Les prévisions des LUF/MUF en fonction du calendrier et des régions sont évidement appréciées des DXeurs ou professionnels de la Radio.

Couche D: La couche D est la partie la plus basse de l'ionosphère située à une altitude de 50-95 Km. Très peu ionisée cette couche a un effet néfaste sur les ondes radio car elle provoque l'atténuation des ondes décamétriques et surtout en dessous de 7 MHz. L'ionisation de cette couche apparait peu de temps après le lever du soleil, atteint son plus haut niveau au midi solaire et disparait peu de temps après le coucher. Elle est responsable de l'absorption complète des bandes 80 et 160 m pendant la période diurne.

Couche E: Juste au-dessus de la couche D elle se situe à 90-130km. Cette couche ne peut renvoyer que les ondes de fréquence inférieure à 5MHz. Son effet au dessus de 5Mhz a un effet négatif du à la réflexion partielle de ces fréquences. La couche E se développe peu de temps après le lever du soleil et disparait quelques heures après le coucher.. L'ionisation qui dépend également de la position du soleil, atteint son maximum autour de midi solaire. La densité maximale à midi est de 10 à 25.10^{^10} el/m³. Des variations ponctuelles et irrégulières de cette couche apparaissent de taille et densité très variables prenant le nom de E sporadiques.

Couche Es: ou E sporadique. Ses caractéristiques sont très différentes de la couche E et son altitude peut varier entre 80 et 120 Km. Elle est capable de très bonnes réflections dans la bande VHF (30-300 MHz) et même dans la partie basse des UHF (300-3000 MHz). On se pose encore beaucoup de questions quant à l'origine de ces bulles d'ionisation, mais il est certain que c'est plus particulièrement pendant les mois d'été, avec un pic dans les premiers jours d'été et quelques brèves apparitions vers le solstice d'hiver. De plus elle peut apparaître à n'importe quel moment de la journée avec une préférence pour la fin de matinée et le début de soirée. La couche E sporadique peut engendrer des sauts de 400 km à 2000 km avec des QSA étonnants. La superposition des images de différents émetteurs de télévision est le signe de la présence active de cette couche.

La région F se situe au dessus de 130 km. Elle peut se subdiviser en deux couches appelées F1 et F2. La couche F1, située entre 130 et 210 km d’altitude, présente une ionisation diurne liée à la position du Soleil. La couche F2 est la plus externe et la plus ionisée de l’ionosphère avec une densité comprise entre 10 et 400.10¹⁰el/m³. La densité est croissante jusqu'à une certaine altitude appelée hauteur du maximum d’ionisation, située vers 300 km de jour et 450 km la nuit. Au delà de cette limite, la densité décroît d’une façon régulière. La variation diurne du maximum de densité est plus irrégulière que pour les autres régions du fait des interactions avec le milieu extérieur (la magnétosphère).

Couche F: Partie la plus haute de la ionosphère la couche F apparait quelques heures après le coucher du soleil quand les couches F1 et F2 fusionnentThe F-layer appears a few hours after sunset, when the F1- and F2-layers merge. The F-layer is located between 250km and 500km in altitude. Even well into the night, this layer may reflect radio waves up to 20 MHZ, and occasionally even up to 25 MHZ. Ions in the lower part of the F-layer are mainly NO+ and are predominantly O+ in the upper part.

F1-layer: The F1-layer is located between 130km and 210km in altitude and it occurs during daylight hours. Just before sunrise, the sun begins to shine on the upper part of the atmosphere containing the F-layer. Due to an unclear physical mechanism, the sunlight causes this F-layer to split into two distinct layers called the F1- and F2-layers. The maximum ionization of the F1-layer is reached at midday; this layer merges with the F2-layer a few hours after sunset to reform the F-layer. Finally, this layer reflects radio waves only up to about 10MHz.

F2-layer: This important layer of the ionosphere is the upper most part of the earth's atmosphere and it is located between 210km and 450km in altitude with occasional altitudes extending beyond 600km. At the higher latitudes north or south of the equator, this layer is located at lower altitudes. Near the equator, this layer can be located at twice the altitude as compared to the higher latitudes. About an hour before sunrise, this layer starts to develop as the F-layer begins to split (see F1-layer above). The maximum ionization of the F2-layer is usually reached one hour after sunrise and it typically remains at this level until shortly after sunset. However, this layer shows great variability with peaks in the maximum ionization occurring at any time during the day, displaying its sensitivity to rapidly changing solar activity and major solar events. In contrast to all other layers of the ionosphere, the maximum ionization of the F2-layer usually peaks during the winter months. Most importantly, this layer can reflect radio waves up to 50MHz during a sunspot maximum and maximum usable frequencies (MUF) can extend beyond 70MHz on rare occasions.

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