La ionósfera o ionosfera es la parte de la atmósfera terrestre ionizada permanentemente debido a la fotoionización que provoca la radiación solar. Se sitúa entre la mesosfera y la exosfera, y en promedio se extiende aproximadamente entre los 80 km y los 400 km de altitud, aunque los límites inferior y superior varían según autores y se quedan en 80-90 km y 600-800 km respectivamente. Por otra parte, algunos consideran que la alta ionosfera constituye el límite inferior de la magnetosfera, solapándose ligeramente ambas capas (entre los 500 km y 600-800km). La ionosfera pertenece a la termosfera, por las elevadas temperaturas que se alcanzan en ella debido a que los gases están en general ionizados. Si el sol está activo, las temperaturas en la termosfera pueden llegar a 1500 °C; sin embargo, estas elevadas temperaturas no se corresponden con la sensación de calor que tendríamos en la troposfera porque en la termosfera la densidad es muchísimo más baja. Los gases aparecen ionizados porque esta capa absorbe las radiaciones solares de menor longitud de onda (rayos gamma y rayos X) que son altamente energéticos.
Entre las propiedades de la ionosfera, encontramos que esta capa contribuye esencialmente en la reflexión de las ondas de radio emitidas desde la superficie terrestre, lo que posibilita que estas puedan viajar grandes distancias sobre la Tierra gracias a las partículas de iones (cargadas de electricidad) presentes en esta capa. Además, en esta capa se desintegran la mayoría de meteoroides, a una altura entre 80 y 110 km, debido al rozamiento con el aire y dan lugar a meteoros o estrellas fugaces.
Pero las estrellas fugaces no son el único fenómeno luminoso que ocurre en esta capa. En las regiones polares las partículas cargadas portadas por el viento solar son atrapadas por el campo magnético terrestre incidiendo sobre la parte superior de la ionosfera y dando lugar a la formación de auroras.
Existe una diferencia entre los criterios seguidos para designar una capa como termosfera o ionosfera, por lo que se trata de dos entidades físicas a priori diferentes. Mientras que la designación de termosfera se basa simplemente en el perfil de temperaturas vertical, el criterio para designar la ionosfera hace referencia a la presencia destacable de iones y eso tiene relación con la energía solar que utilizan los escasos átomos de gases del aire para ionizarse: la ionización es el proceso que provoca que gran parte del aire se caliente. Sin embargo, los límites obtenidos con ambos criterios son muy difusos y además coinciden entre sí. De hecho, según algunos autores la ionosfera estaría contenida en la termosfera, mientras que según otros, sería al contrario y la termosfera se contendría en la ionosfera, y sin embargo los intervalos de ambas capas son aproximadamente coincidentes en todos los casos.
A pesar de ello, existe una pequeña diferencia entre el criterio de la ionización y el de la temperatura, y es que debido a la variación de la radiación solar entre el día y la noche, la ionización de las capas altas de la atmósfera cambian más bruscamente con el ciclo diario que el perfil de temperatura vertical, que se mantiene aproximadamente constante. Por ese motivo, los límites asociados a la ionosfera son todavía más variables que los de la termosfera. De hecho, el límite inferior de la ionosfera es muy variable: mientras que por la noche se encuentra en la capa E, a unos 110 km, durante el día aparece una capa D, alrededor de los 60 km. La explicación de este hecho es relativamente sencilla: la radiación ultravioleta es absorbida por los gases que forman el aire en las capas atmosféricas más elevadas durante la noche y también durante el día (en mayor proporción, obviamente) y transformada en iones, que son buenos conductores de la electricidad, lo mismo que vemos en un tubo de neón y en la producción de las auroras polares, las cuales se deben también a este proceso.
Dicho en otros términos: la radiación solar contiene longitudes de onda que van desde los rayos infrarrojos (los de mayor longitud de onda) hasta los ultravioleta (los de menor longitud de onda). El espectro visible solo va desde el rojo hasta el violeta. Los seres humanos tienen que protegerse tanto de la radiación infrarroja (cremas o filtros solares, que deben aplicarse independientemente de la temperatura como sucede en los lugares nevados, donde las quemaduras por el sol pueden ser muy graves) y también de los ultravioleta (rayos UVA) especialmente en los lentes de sol para protegernos los ojos. Pero la mayor parte de los rayos ultravioleta que nos llegan del sol son "filtrados" en las capas superiores de la atmósfera transformando los escasos átomos de gases atmosféricos en iones y esta ionización es la que calienta esa capa ionizada ya que dicha ionización corresponde a una verdadera excitación electrónica que causa el aumento del calor de la termosfera. Dicho calor, aunque puede ser muy elevado, carece de sentido por estar producido en un ambiente muy enrarecido de gases (se trata de un proceso similar al de los hornos de microondas, donde el calor producido se disipa con mayor rapidez que en un horno convencional al cesar la excitación producida eléctricamente en los alimentos).
Así pues, los rayos ultravioleta del espectro solar ionizan las capas altas de la atmósfera y, a su vez, la capa ionizada impide la propagación hacia la superficie terrestre de los nuevos rayos ultravioleta. Como resulta lógico, cuando mayor es la intensidad de la radiación solar (en horas del mediodía y algo después), la ionización profundiza más en la atmósfera (hasta más abajo).
En la ionosfera, los gases atmosféricos son tan tenues que es posible encontrar electrones libres y iones positivos. La ionosfera posee por lo tanto propiedades de un gas tenue y de un plasma. La masa total de la ionosfera es inferior a un 0,1 % de la masa de la atmósfera. Las cargas se separan por la acción de las radiaciones de alta energía provenientes del Sol. En las capas tenues de la ionosfera los tiempos de recombinación de los iones son superiores al periodo día noche por lo que la ionosfera retiene gran parte de sus propiedades incluso en las regiones no iluminadas del planeta. Dependiendo del grado de ionización de cada nivel de altura pueden encontrarse picos de ionización en capas denominadas "D," "E," "F1," y "F2". Dado que el grado de ionización es producido directamente por la acción solar una actividad anómala del Sol puede alterar las propiedades de la ionosfera y su capacidad de reflejar las ondas de radio terrestre alterando las comunicaciones en la Tierra. La estructura de la ionosfera viene marcada por el gradiente de la densidad electrónica.
Así tenemos las siguientes capas:
La ionosfera es un sistema dinámico, en constante cambio, gobernado por múltiples parámetros, de los cuales tienen una influencia destacable todas las variaciones que se producen en la atmósfera, como:
Un caso real de aplicación de estas medidas fue el terremoto de mayo de 1960 en Chile, donde se detectó en la ionosfera, con 6 días de antelación un aumento en la generación de Emisiones Electromagnéticas ( EMEs ).
El método más preciso actualmente para medir esas variaciones ionosféricas son los ionogramas.
Para tratar cada una de las peculiaridades que acontecen en la ionosfera, ésta se estructuró en una serie de regiones. La región que hay más allá de la ionosfera recibe el nombre de exosfera y se extiende hasta los 9.600 kilómetros, lo que constituye el límite exterior de la atmósfera.
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