الغلاف الأيوني

الأيونوسفير ( بالإنجليزية : Ionosphere ) هو الجزء المتأين ^{من الغلاف الجوي العلوي للأرض، ويمتد من حوالي 48 كيلومترًا (30 ميلًا) إلى 965 كيلومترًا (600 ميل) فوق مستوى سطح البحر، [3}^] وهي منطقة تشمل الثيرموسفير وأجزاء من الميزوسفير والإكسوسفير . ^يتأين الأيونوسفير بفعل الإشعاع الشمسي ، ويلعب دورًا ^هامًا^في^{الكهرباء} الجوية ، ويُشكّل الحافة الداخلية للغلاف المغناطيسي . [ 4 ] وله أهمية عملية ، إذ ^يؤثر^،^من بين وظائف أخرى، على انتشار الموجات الراديوية إلى أماكن بعيدة على الأرض . ^[⁵^] كما يؤثر المرور عبر هذه الطبقة على ^إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ^،^إذ يُغيّر مساراتها ويؤخر وصولها. ^[⁶^]

تاريخ الاكتشاف

في وقت مبكر من عام 1839، افترض عالم الرياضيات والفيزياء الألماني كارل فريدريش غاوس أن منطقة موصلة كهربائيًا في الغلاف الجوي قد تفسر التغيرات الملحوظة في المجال المغناطيسي للأرض. ^{[ 7 ]} بعد ستين عامًا، في 12 ديسمبر 1901، استقبل غولييلمو ماركوني أول إشارة راديوية عبر المحيط الأطلسي في سانت جونز، نيوفاوندلاند (الواقعة الآن في كندا )، باستخدام هوائي معلق على طائرة ورقية بطول 152.4 مترًا (500 قدم) . ^[⁸^] استخدمت محطة الإرسال في بولدو ، كورنوال، جهاز إرسال شرارة لإنتاج إشارة بتردد يبلغ حوالي 500 كيلوهرتز وقوة تفوق أي إشارة راديوية سابقة بمئة ضعف. كانت الرسالة المستلمة عبارة عن ثلاث نقاط، وهي شفرة مورس للحرف S. للوصول إلى نيوفاوندلاند، كان على الإشارة أن ترتد عن طبقة الأيونوسفير مرتين. إلا أن الدكتور جاك بيلروز قد طعن في هذا، استنادًا إلى دراسات نظرية وتجريبية. ^[⁹^] ومع ذلك، فقد حقق ماركوني اتصالات لاسلكية عبر المحيط الأطلسي في غلاس باي، نوفا سكوتيا ، بعد عام واحد. ^[¹⁰^]

في عام ١٩٠٢، اقترح أوليفر هيفسايد وجود طبقة كينلي-هيفسايد في الغلاف الأيوني، والتي سُميت باسمه. ^{[ ١١ ]} تضمن اقتراح هيفسايد وسائل لنقل الإشارات اللاسلكية حول انحناء الأرض. وفي العام نفسه، اكتشف آرثر إدوين كينلي بعض الخصائص الكهرومغناطيسية الراديوية للغلاف الأيوني. ^{[ ١٢ ]}

في عام 1912، فرض الكونغرس الأمريكي قانون الراديو لعام 1912 على هواة الراديو ، وقيد عملياتهم بترددات تزيد عن 1.5 ميجاهرتز (طول موجي 200 متر أو أقل). كانت الحكومة تعتقد أن هذه الترددات غير مجدية. أدى ذلك إلى اكتشاف انتشار موجات الراديو عالية التردد عبر طبقة الأيونوسفير في عام 1923. ^{[ 13 ]}

في عام 1925، أظهرت الملاحظات التي أجراها الدكتور ألفريد ن. جولدسميث وفريقه خلال كسوف الشمس في نيويورك تأثير ضوء الشمس على انتشار الموجات الراديوية، وكشفت أن الموجات القصيرة أصبحت ضعيفة أو غير مسموعة بينما استقرت الموجات الطويلة أثناء الكسوف، مما ساهم في فهم دور طبقة الأيونوسفير في الإرسال الراديوي. ^[¹⁴^]

في عام 1926، قدم الفيزيائي الاسكتلندي روبرت واتسون وات مصطلح الغلاف الأيوني في رسالة نُشرت فقط في عام 1969 في مجلة Nature : ^{[ 15 ]}

لقد شهدنا في السنوات الأخيرة اعتماداً عالمياً لمصطلح "الستراتوسفير" ... والمصطلح المصاحب له "التروبوسفير" ... ويبدو مصطلح "الأيونوسفير"، للمنطقة التي تتميز بتأين واسع النطاق مع مسارات حرة متوسطة كبيرة، مناسباً كإضافة إلى هذه السلسلة.

في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين، قدمت عمليات الإرسال التجريبية لراديو لوكسمبورغ عن غير قصد دليلاً على أول تعديل راديوي للغلاف الأيوني؛ أجرى مشروع HAARP سلسلة من التجارب في عام 2017 باستخدام تأثير لوكسمبورغ الذي يحمل الاسم نفسه . ^{[ 16 ]}

حصل إدوارد ف. أبلتون على جائزة نوبل عام 1947 لتأكيده وجود طبقة الأيونوسفير عام 1927. وكان لويد بيركنر أول من قاس ارتفاع وكثافة طبقة الأيونوسفير، مما أتاح وضع أول نظرية شاملة لانتشار الموجات الراديوية القصيرة. وبحث موريس ف. ويلكس وج. أ. راتكليف موضوع انتشار الموجات الراديوية الطويلة جدًا في طبقة الأيونوسفير. كما طور فيتالي جينزبورغ نظرية انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في البلازما، مثل بلازما طبقة الأيونوسفير.

في عام 1962، أُطلق القمر الصناعي الكندي ألوات 1 لدراسة طبقة الأيونوسفير. وتبع نجاحه إطلاق ألوات 2 في عام 1965، وقمرَي ISIS الصناعيين في عامي 1969 و1971، بالإضافة إلى AEROS-A و-B في عامي 1972 و1975، وكلها لقياس طبقة الأيونوسفير.

في 26 يوليو 1963، أُطلق أول قمر صناعي عامل متزامن مع الأرض، وهو سينكوم 2. ^{[ 17 ]} وقد مكّنت أجهزة الإرسال اللاسلكية الموجودة على متن هذا القمر الصناعي (والأقمار اللاحقة له) - ولأول مرة - من قياس تغير محتوى الإلكترونات الكلي (TEC) على طول حزمة راديوية من المدار الثابت بالنسبة للأرض إلى جهاز استقبال أرضي. (يقيس دوران مستوى الاستقطاب محتوى الإلكترونات الكلي مباشرةً على طول المسار). ومنذ عام 1969، استخدمت الجيوفيزيائية الأسترالية إليزابيث إسيكس-كوهين هذه التقنية لرصد الغلاف الجوي فوق أستراليا والقارة القطبية الجنوبية. ^{[ 18 ]}

الجيوفيزياء

الغلاف الأيوني هو غلاف من الإلكترونات والذرات والجزيئات المشحونة كهربائياً يحيط بالأرض، ^[¹⁹^] ويمتد من ارتفاع حوالي 50 كيلومتراً (30 ميلاً) إلى أكثر من 1000 كيلومتر (600 ميل) . ويعود وجوده بشكل أساسي إلى الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس . ^[²⁰^]^[²¹^]

اقترح هيفسايد وكينلي انعكاس الغلاف الجوي كنموذج لانتشار الموجات الراديوية بعيدة المدى، حيث تعمل الأرض الموصلة كهربائيًا وطبقة علوية من الغلاف الجوي كدليل موجي. استخدم هيفسايد معادلات التلغراف الخاصة به ، وموصلية مياه البحر، ليقترح: "قد توجد طبقة موصلة بدرجة كافية في الهواء العلوي. عندها سيكون التوجيه بواسطة البحر من جهة والطبقة العلوية من جهة أخرى". اقترح كينلي سببًا فيزيائيًا، حيث حسب أن موصلية الهواء على ارتفاع 80 كيلومترًا تبلغ 20 ضعف موصلية مياه البحر. هذا يعني أن الإشارات الراديوية تنتشر كموجات أسطوانية، وأن تباعد الطاقة الأبطأ يعني إمكانية رصدها على مسافات طويلة. في عام 1919، استخدم جي إن واتسون الأرض ككرة موصلة، وطبقة عاكسة كروية متحدة المركز مع الأرض، لإعادة إنتاج صيغة أوستن -كوهين رياضيًا وتجارب أخرى لانتشار الموجات بعيدة المدى. في عام 1924، نشر جوزيف لارمور نظرية الانكسار الأيوني، موضحًا كميًا كيف يؤدي الهواء المتأين إلى انحناء اتجاه انتشار الموجات الراديوية. ^{[ 22 ]}

بين عامي 1923 و1925، أجرى كلٌّ من أبلتون، ومايلز بارنيت ، وريجينالد سميث-روز ، وآر إتش بارفيلد تجاربَ رصدٍ لاسلكيٍّ بحثًا عن الموجات السماوية . وقد حدّدوا ارتفاع طبقة كينلي-هيفسايد المتأينة، أو ما يُعرف بـ"الطبقة E" للكهرباء، في الغلاف الجوي العلويّ، حيث تراوح بين 80 و90 كيلومترًا. قام أبلتون وبارنيت بتغيير تردد الموجات المرسلة، وقاسوا التلاشي الناتج عن التداخل مع الموجات الأرضية. ولاحظوا ضعف الموجات السماوية نهارًا، عندما تُؤدّي أشعة الشمس القوية إلى زيادة سُمك الطبقة المتأينة وقربها من سطح الأرض. كما سادت الموجات السماوية عند مسافات الإرسال والاستقبال الطويلة، ولكنها تراكبت مع الموجات الأرضية عند المسافات الأقصر. ولم تتلاشَ الموجات السماوية بنفس سرعة تضاؤل الموجات الأرضية. وقام سميث-روز وبارفيلد بقياس استقطاب الموجات السماوية، وزوايا سقوطها، وارتفاع انحرافاتها. ^{[ 22 ]}^{: 203-214، 239}

في عام ١٩٢٥، استخدم غريغوري بريت وميرل توف تقنية النبض الصدوي، وهي عبارة عن نبضات حادة متكررة دوريًا، لقياس ارتفاع طبقة الأيونوسفير. مع ذلك، تراوحت قياساتهما بين ٨٨ و٢١١ كيلومترًا، وتغيرت بتغير الطول الموجي، مما يشير إلى أن طبقة الأيونوسفير لم تكن سطحًا عاكسًا حادًا، بل كانت تتصرف وفقًا لنظرية لارمور لانكسار الأيونات. في عام ١٩٢٧، أثبتت تجارب أبلتون لتغيير التردد وجود "طبقة F" أعلى، مما يشير إلى أن قياسات بريت وتوف تتوافق مع قاع طبقة E وقمة طبقة F. ولأن كثافة الإلكترونات في طبقة E كانت أقل من طبقة F، فقد انكسرت الموجات الأطول فيها بشكل أكبر. ثم اقترح أبلتون أن الأطوال الموجية الأطول يمكنها قياس طبقة E، بينما الأطوال الموجية الأقصر يمكنها قياس طبقة F. كما أظهر أبلتون أن الإشعاع الشمسي يُولّد أكبر عدد من الأيونات وقت الظهيرة، مما يدفع طبقة F إلى الأسفل، بينما يؤدي انخفاض توليد الأيونات عند منتصف الليل إلى رفعها. ^{[ 22 ]}^{: 215-216، 229، 239-241}

الطبقة السفلى من الغلاف الجوي للأرض هي طبقة التروبوسفير ، حيث تنخفض درجة الحرارة بمعدل 10 درجات كلفن لكل كيلومتر . تمتد هذه الطبقة من سطح الأرض إلى ارتفاع يتراوح بين 10 و 12 كيلومترًا عند التروبوبوز . وفوقها طبقة الستراتوسفير، حيث ترتفع درجة الحرارة مع الارتفاع حتى تصل إلى ذروتها عند ارتفاع 50 كيلومترًا نتيجة امتصاص الأشعة فوق البنفسجية في طبقة الأوزون ، وتُعرف هذه الطبقة بالستراتوبوز . تنخفض درجة الحرارة في طبقة الميزوسفير حتى تصل إلى أدنى مستوى لها عند حوالي 180 كلفن عند ارتفاع يتراوح بين 80 و 85 كيلومترًا ، وتُعرف هذه الطبقة بالميزوبوز . في طبقة الثيرموسفير ، يكون تدرج درجة الحرارة موجبًا حتى يصل إلى قيمة ثابتة تبلغ حوالي 1000 كلفن. عند ارتفاع 100 كيلومتر، تقع طبقة التوربوبوز، وفوقها تنفصل الغازات عن طريق الانتشار الغازي إلى طبقتي الهيليوفير والبروتونوسفير . فوق ارتفاع 600 كيلومتر ، في طبقة الإكسوسفير ، تستطيع الذرات الإفلات من جاذبية الأرض. الغلاف الأيوني هو المنطقة المتأينة من الغلاف الجوي، وهو مهم لانتشار الموجات الراديوية ، والغلاف المغناطيسي هو المكان الذي يتحكم فيه المجال المغناطيسي الأرضي في حركة الجسيمات. ^[²³^]

يتساوى تركيز الأكسجين الجزيئي والذري عند ارتفاع 125 كم. وفوق هذا الارتفاع، يزداد تركيز الأكسجين الذري بشكل ملحوظ نتيجة لتفكك الأكسجين الجزيئي بفعل الأشعة فوق البنفسجية التي تتراوح أطوال موجاتها بين 102.7 نانومتر و175.9 نانومتر . ويعود تأين النيتروجين ₍ N₂ ) والأكسجين (O₂ ) والأكسجين ( _O ) في تكوين طبقة الأيونوسفير إلى الأشعة فوق البنفسجية الشديدة التي تتراوح أطوال موجاتها بين 17 نانومتر و175 نانومتر، وإلى أشعة إكس الشمسية التي تتراوح أطوال موجاتها بين 0.1 نانومتر و17 نانومتر . ويحدث كل من إعادة التركيب الإشعاعي وإعادة التركيب التفككي مع امتصاص الإلكترون. وتؤدي العملية الجزيئية الأخيرة إلى فقدان أسرع للإلكترونات والأيونات بمقدار ^{10⁵ مرة .}^[²³^]^:^12-14

بحسب هانسكر وهارجريفز، "تعتمد القيم القصوى لطبقات E وF1 وF2 على عدد البقع الشمسية ، R. كما يؤثر النشاط الشمسي المتغير على مدى 11 عامًا تقريبًا ، والمقاس بعدد البقع الشمسية المرئية على القرص، ومعدل حدوث التوهجات ، أو شدة تدفق موجات الراديو بطول 10 سم ، على طبقة الأيونوسفير بسبب التغيرات في شدة الإشعاعات المؤينة في نطاقي الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية القصوى ." وتُظهر طبقة F2 أيضًا شذوذات ناتجة عن التغيرات اليومية والموسمية. بالإضافة إلى ذلك، لا تختفي طبقة F2 في خطوط العرض المتوسطة ليلًا. ^{[ 23 ]}^{: 39-45}

اقترح سيدني تشابمان تسمية المنطقة الواقعة أسفل طبقة الأيونوسفير بالغلاف الجوي المحايد ^{[ 24 ]} ( الغلاف الجوي المحايد ). ^{[ 25 ]}^{[ 26 ]}

تستخدم الترددات بين 30 ميجاهرتز و10 جيجاهرتز الانتشار عبر خط البصر ، مع إمكانية استخدام تشتت الأيونات للترددات من 30 إلى 150 ميجاهرتز، والتشتت التروبوسفيري من 200 ميجاهرتز إلى 19 جيجاهرتز، وتشتت النيازك من حوالي 40 إلى 150 ميجاهرتز. تنتشر الترددات بين 2 و30 ميجاهرتز عبر الموجات السماوية ليلاً ونهاراً. أما الترددات بين حوالي 300 كيلوهرتز و3 ميجاهرتز فتنتشر كموجات أرضية ليلاً ونهاراً، وتُعزز كموجات سماوية ليلاً. ^{[ 23 ]}^{: 429-430، 439، 529-530، 568}

طبقات التأين

في الليل، تُعدّ طبقة F الطبقة الوحيدة ذات التأين الملحوظ، بينما يكون التأين في طبقتي E وD منخفضًا للغاية. خلال النهار، تزداد كثافة تأين طبقتي D وE، وكذلك طبقة F، التي تتطور فيها منطقة تأين إضافية أضعف تُعرف بطبقة F1 _. أما طبقة F2 _فتستمر ليلًا ونهارًا، وهي المنطقة الرئيسية المسؤولة عن انكسار وانعكاس الموجات الراديوية. ^{[ 27 ]}^{[ 28 ]}

تتميز الأيونات الجزيئية بمعدل إعادة تركيب أعلى بألف مرة (إعادة تركيب تفكيكي) مقارنةً بالأيونات الذرية (إعادة تركيب إشعاعي)، مما يقلل تركيزها ليلاً. وتزداد كثافة البلازما على ارتفاعات منخفضة في طبقات حادة عند ترسب أيونات الحديد (Fe ⁺⁾ والمغنيسيوم (Mg ^{+) بواسطة النيازك.}^{[ 29 ]} وتزداد كثافة الأيونات والإلكترونات بشكل ملحوظ فوق 100 كيلومتر نتيجةً لانخفاض اختلاط الغلاف الجوي وانخفاض معدلات إعادة التركيب. ^{[ 30 ]}

الطبقة D

الطبقة D هي الطبقة الداخلية، وتقع على ارتفاع يتراوح بين 60 و90 كيلومترًا (37 إلى 56 ميلًا) فوق سطح الأرض، بكثافة إلكترونية تتراوح بين ^10² و10⁴ ^{إلكترون} لكل سنتيمتر ^مكعب . يحدث التأين هنا نتيجةً لإشعاع ألفا الهيدروجين من سلسلة ليمان عند طول موجي 121.6 نانومتر ، والذي يؤين أكسيد النيتريك (NO). إضافةً إلى ذلك، يمكن للتوهجات الشمسية أن تولد أشعة سينية قوية (طول موجي أقل من 1 نانومتر ) تؤين النيتروجين (N₂) _{والأكسجين} (O₂ ₎ . ^[³¹^]^[²³^]^:^13،^31-36

تضعف موجات الراديو منخفضة التردد في طبقة D بمقدار التربيع العكسي للتردد، حيث تتسبب في اهتزاز الإلكترونات الحرة، مما يؤدي إلى تبديد طاقتها. وهذا يمنع إشارات الراديو منخفضة التردد من اختراق الغلاف الجوي العلوي، إلا عند اختفاء طبقة D كما هو الحال ليلاً. ويؤدي امتصاص الأيونوسفير إلى انخفاض فعالية الإشارات التي تقل تردداتها عن 50 ميجاهرتز خلال ذروة دورات البقع الشمسية ، نتيجةً لزيادة توليد الأشعة فوق البنفسجية ^{[ 32 ]} .

خلال أحداث البروتونات الشمسية ، قد يصل التأين إلى مستويات عالية بشكل غير معتاد في منطقة D فوق خطوط العرض العليا والقطبية. تُعرف هذه الأحداث النادرة جدًا باسم أحداث امتصاص القطب الشمالي (PCA)، لأن زيادة التأين تُعزز بشكل كبير امتصاص الإشارات الراديوية التي تمر عبر المنطقة. ^{[ 33 ]} يمكن أن تغطي حالات انقطاع الإشارة الراديوية القطبية منطقة واسعة، وعلى الرغم من أنها أقل تواترًا من أحداث الشفق القطبي، إلا أنها قد تستمر لأيام. ^{[ 23 ]}^{: 382-411}

الطبقة الإلكترونية

تكون كثافة الهواء أقل في الطبقتين E وF، مما يقلل من تصادمات الإلكترونات. ونتيجةً لذلك، عندما تنتشر الإشارات الراديوية صعودًا، فإنها تواجه كثافة إلكترونية متزايدة، مما يؤدي إلى انكسارها بعيدًا عن هذه الكثافة المتزايدة حتى تنحني عائدةً نحو الأرض، أي أنها تنعكس. ويحدد كل من زاوية السقوط والتردد مقدار الانكسار، حيث يقل الانكسار مع ازدياد التردد. قد تمر الإشارات الراديوية ذات الترددات العالية عبر الطبقة D، ولكنها تنعكس بواسطة الطبقة E، أو الطبقات F عند ترددات أعلى، مع العلم أنه قد يتم الوصول إلى تردد معين يسمح للإشارة بالمرور عبر جميع الطبقات إلى الفضاء الخارجي. ^{[ 32 ]}

الطبقة E هي الطبقة الوسطى، وتقع على ارتفاع يتراوح بين 105 و160 كيلومترًا (65 إلى 99 ميلًا) فوق سطح الأرض، وتتميز بكثافة إلكترونية تصل إلى عدة مرات 10⁵ ^{إلكترون} لكل سنتيمتر ^مكعب . ويحدث التأين نتيجةً لتأين جزيئات الأكسجين (O₂ ₎ بفعل الأشعة فوق البنفسجية الشمسية التي يتراوح طول موجتها بين 80 و103 نانومتر ، بالإضافة إلى إشعاع الأشعة السينية المنبعث من التوهجات الشمسية. ويحدث أدنى مستوى للتأين قبيل شروق الشمس مباشرةً، ثم يزداد ليصل إلى ذروته عند الظهيرة. ^[³⁰^]^[²³^]^:¹³

تُعرف هذه المنطقة أيضًا باسم طبقة كينلي-هيفسايد أو ببساطة طبقة هيفسايد. وقد تنبأ بوجودها في عام 1902 بشكل مستقل ومتزامن تقريبًا كل من المهندس الكهربائي الأمريكي آرثر إدوين كينلي (1861-1939) والفيزيائي البريطاني أوليفر هيفسايد (1850-1925). وفي عام 1924، تم اكتشاف وجودها بواسطة إدوارد ف. أبلتون ومايلز بارنيت .

الطبقة الإلكترونية

تتميز طبقة E (طبقة E المتقطعة) بكثافة إلكترونية أعلى من المعتاد في طبقة E، مما يسمح بانعكاس موجات الراديو حتى تردد 100 _{ميجاهرتز} . قد تستمر أحداث طبقة E المتقطعة من بضع دقائق إلى عدة ساعات، وقد يصل سمكها إلى كيلومترين وطولها إلى مئات الكيلومترات. وهي شائعة خلال النهار في المناطق الاستوائية ذات خطوط العرض المنخفضة. وتحدث في خطوط العرض المتوسطة بشكل متكرر خلال النهار في فصل الصيف، وقد تكون مرتبطة بحطام نيزكي يحتوي على أيونات معدنية. ^{[ 30 ]}^{[ 23 ]}^{: 12، 27-30}

يُضفي انتشار الموجات E المتقطع إثارةً كبيرةً على استخدام هواة الراديو على نطاق VHF، إذ تُفتح مسارات الانتشار البعيدة التي يصعب الوصول إليها عادةً أمام الاتصالات ثنائية الاتجاه. تبلغ مسافات القفزة الواحدة حوالي 1640 كيلومترًا (1020 ميلًا) . ويمكن أن تتراوح مسافات القفزة الواحدة بين 900 و2500 كيلومتر (560 إلى 1550 ميلًا) . كما يشيع انتشار الموجات المتعددة لمسافات تزيد عن 3500 كيلومتر (2200 ميل) ، وقد تصل أحيانًا إلى 15000 كيلومتر (9300 ميل) أو أكثر.

الطبقة F

تشمل طبقة F الطبقة F1 الممتدة من 160 كم (99 ميلًا) إلى 180 كم (110 ميلًا) ، بكثافة إلكترونية تتراوح بين عدة مرات 10⁵ ^إلى 10⁶ ^{إلكترون} لكل سنتيمتر ^مكعب ، نتيجةً لتأين الأكسجين الذري بفعل الأشعة فوق البنفسجية الشديدة (20-900 نانومتر). تندمج طبقة F1 مع طبقة F2 ليلًا أو خلال أشهر الشتاء عند ذروة النشاط الشمسي. تمتد طبقة F2 من 200 كم (120 ميلًا) إلى أكثر من 800 كم (500 ميل) . تبلغ كثافة الإلكترونات ذروتها عند 300 كم خلال النهار، حيث تصل إلى عدة مرات 10⁶ ^{إلكترون} لكل سنتيمتر ^مكعب . فوق 700 كم، يهيمن الهيدروجين المتأين على الأكسجين المتأين. ^[³⁰^]^[²³^]^:¹⁴

أطلقت وكالة ناسا في الفترة من عام 1972 إلى عام 1975 قمري AEROS و AEROS B لدراسة المنطقة F. ^{[ 34 ]}

نموذج الغلاف الأيوني

يُعدّ نموذج الغلاف الأيوني وصفًا رياضيًا للغلاف الأيوني كدالة للموقع والارتفاع ويوم السنة ومرحلة دورة البقع الشمسية والنشاط المغناطيسي الأرضي. جيوفيزيائيًا، يمكن وصف حالة بلازما الغلاف الأيوني بأربعة معايير: كثافة الإلكترونات، ودرجة حرارة الإلكترونات والأيونات ، والتركيب الأيوني نظرًا لوجود أنواع متعددة من الأيونات . ويعتمد انتشار الموجات الراديوية بشكلٍ حصري على كثافة الإلكترونات.

تُصاغ النماذج عادةً باستخدام برامج الحاسوب. قد يستند النموذج إلى الفيزياء الأساسية لتفاعلات الأيونات والإلكترونات مع الغلاف الجوي المتعادل وضوء الشمس، أو قد يكون وصفًا إحصائيًا قائمًا على عدد كبير من الملاحظات، أو مزيجًا من الفيزياء والملاحظات. يُعدّ نموذج الغلاف الأيوني المرجعي الدولي (IRI) أحد أكثر النماذج استخدامًا ^{[ 35 ]} ، وهو نموذج يعتمد على البيانات ويحدد المعايير الأربعة المذكورة آنفًا. يُعتبر IRI مشروعًا دوليًا ترعاه لجنة أبحاث الفضاء (COSPAR) والاتحاد الدولي لعلوم الراديو (URSI) ^{[ 36 ]} . تشمل مصادر البيانات الرئيسية الشبكة العالمية لأجهزة قياس الأيونوسفير ، ورادارات التشتت غير المتماسك عالية الأداء (جيكاماركا، أريسيبو ، ميلستون هيل، مالفيرن، سانت سانتين)، وأجهزة قياس الغلاف الجوي السطحي ISIS وAlouette ، بالإضافة إلى أجهزة القياس الموجودة على متن العديد من الأقمار الصناعية والصواريخ. ويتم تحديث IRI سنويًا. يُعدّ نموذج IRI أكثر دقةً في وصف تغير كثافة الإلكترونات من أسفل طبقة الأيونوسفير إلى ارتفاع الكثافة القصوى مقارنةً بوصف إجمالي محتوى الإلكترونات (TEC). ومنذ عام 1999، يُعتبر هذا النموذج "معيارًا دوليًا" للأيونوسفير الأرضي (المعيار TS16457).

شذوذات مستمرة في النموذج المثالي

تسمح مخططات الأيونات باستنتاج الشكل الحقيقي للطبقات المختلفة عبر الحسابات. ينتج عن البنية غير المتجانسة لبلازما الإلكترونات / الأيونات آثار صدى خشنة، تُرى بشكل رئيسي في الليل وعند خطوط العرض العليا، وأثناء الظروف المضطربة.

شذوذ الشتاء

At mid-latitudes, the F₂ layer daytime ion production is higher in the summer, as expected, since the Sun shines more directly on the Earth. However, there are seasonal changes in the molecular-to-atomic ratio of the neutral atmosphere that cause the summer ion loss rate to be even higher. The result is that the increase in the summertime loss overwhelms the increase in summertime production, and total F₂ ionization is actually lower in the local summer months. This effect is known as the winter anomaly. The anomaly is always present in the northern hemisphere, but is usually absent in the southern hemisphere during periods of low solar activity.

Equatorial anomaly

Electric currents created in sunward ionosphere.

Within approximately ± 20 degrees of the magnetic equator, is the equatorial anomaly.^[37]^[38] It is the occurrence of a trough in the ionization in the F₂ layer at the equator and crests at about 17 degrees in magnetic latitude.^[37] The Earth's magnetic field lines are horizontal at the magnetic equator. Solar heating and tidal oscillations in the lower ionosphere move plasma up and across the magnetic field lines. This sets up a sheet of electric current in the E region which, with the horizontal magnetic field, forces ionization up into the F layer, concentrating at ± 20 degrees from the magnetic equator. This phenomenon is known as the equatorial fountain.^[39]

Equatorial electrojet

The worldwide solar-driven wind results in the so-called Sq (solar quiet) current system in the E region of the Earth's ionosphere (ionospheric dynamo region) (100–130 km (60–80 mi) altitude). Resulting from this current is an electrostatic field directed west–east (dawn–dusk) in the equatorial day side of the ionosphere. At the magnetic dip equator, where the geomagnetic field is horizontal, this electric field results in an enhanced eastward current flow within ± 3 degrees of the magnetic equator, known as the equatorial electrojet.^[39]

Ephemeral ionospheric perturbations

X-rays: sudden ionospheric disturbances (SID)

عندما تكون الشمس نشطة، قد تحدث توهجات شمسية قوية تصطدم بالجانب المضاء من الأرض بأشعة سينية عالية الطاقة. تخترق هذه الأشعة طبقة D، مطلقةً إلكترونات تزيد امتصاصها بسرعة، مما يُسبب انقطاعًا في موجات الراديو عالية التردد (3-30 ميجاهرتز) قد يستمر لساعات طويلة بعد التوهجات القوية. خلال هذه الفترة، تنعكس الإشارات منخفضة التردد جدًا (3-30 كيلوهرتز) بواسطة طبقة D بدلًا من طبقة E، حيث تزيد كثافة الغلاف الجوي عادةً من امتصاص الموجة وبالتالي تُضعفها. بمجرد انتهاء الأشعة السينية، يتلاشى الاضطراب الأيوني المفاجئ (SID) أو انقطاع موجات الراديو تدريجيًا مع إعادة اتحاد الإلكترونات في طبقة D بسرعة، ويعود الانتشار تدريجيًا إلى ظروف ما قبل التوهج خلال دقائق إلى ساعات، وذلك تبعًا لقوة التوهج الشمسي وتردده.

البروتونات: امتصاص القطب القطبي (PCA)

يصاحب التوهجات الشمسية إطلاق بروتونات عالية الطاقة. يمكن لهذه الجسيمات أن تصطدم بالأرض في غضون 15 دقيقة إلى ساعتين من بدء التوهج الشمسي. تدور البروتونات حلزونيًا حول خطوط المجال المغناطيسي للأرض وتخترق الغلاف الجوي بالقرب من القطبين المغناطيسيين، مما يزيد من تأين طبقتي D وE. تستمر هذه الظاهرة عادةً من ساعة إلى عدة أيام، بمتوسط يتراوح بين 24 و36 ساعة. كما يمكن أن تُطلق الانبعاثات الكتلية الإكليلية بروتونات عالية الطاقة تُعزز امتصاص طبقة D في المناطق القطبية.

العواصف

العواصف المغناطيسية الأرضية والعواصف الأيونوسفيرية هي اضطرابات مؤقتة وشديدة في الغلاف المغناطيسي والغلاف الأيوني للأرض .

خلال العواصف المغناطيسية الأرضية، تصبح طبقة F₂ غير مستقرة، وتتفتت، وقد تختفي تمامًا. وفي المناطق القطبية الشمالية والجنوبية للأرض، يمكن رؤية الشفق القطبي في سماء الليل.

البرق

يمكن أن يتسبب البرق في اضطرابات في طبقة الأيونوسفير، وتحديدًا في المنطقة D، بإحدى طريقتين. الأولى هي عبر موجات الراديو ذات التردد المنخفض جدًا (VLF) التي تنطلق إلى الغلاف المغناطيسي . تتفاعل هذه الموجات، المعروفة باسم موجات "الصفير"، مع جسيمات حزام الإشعاع، مما يؤدي إلى ترسبها على طبقة الأيونوسفير، وبالتالي زيادة تأين المنطقة D. تُعرف هذه الاضطرابات باسم " هطول الإلكترونات الناتج عن البرق " (LEP).

يمكن أن يحدث تأين إضافي أيضاً نتيجة التسخين/التأين المباشر الناجم عن حركات الشحنات الهائلة في ضربات البرق. وتُسمى هذه الأحداث بالأحداث المبكرة/السريعة.

في عام ١٩٢٥، اقترح سي تي آر ويلسون آليةً لانتقال التفريغ الكهربائي الناتج عن العواصف الرعدية صعودًا من السحب إلى طبقة الأيونوسفير. وفي الوقت نفسه تقريبًا، أشار روبرت واتسون-وات، العامل في محطة أبحاث الراديو في سلاو بالمملكة المتحدة، إلى أن طبقة E المتقطعة في الأيونوسفير (E _s ) تبدو مُعززةً نتيجةً للبرق، لكنه أكد على ضرورة إجراء المزيد من الدراسات. وفي عام ٢٠٠٥، أثبت سي ديفيس وسي جونسون، العاملان في مختبر رذرفورد أبليتون في أوكسفوردشاير بالمملكة المتحدة، أن طبقة E _s مُعززة بالفعل نتيجةً لنشاط البرق. وقد ركزت أبحاثهما اللاحقة على الآلية التي تحدث بها هذه العملية.

التطبيقات

الاتصالات اللاسلكية

بسبب قدرة الغازات الجوية المتأينة على انكسار موجات الراديو عالية التردد (HF، أو الموجات القصيرة )، تستطيع طبقة الأيونوسفير عكس موجات الراديو الموجهة نحو السماء عائدةً إلى الأرض. كما يمكن لموجات الراديو الموجهة بزاوية نحو السماء أن تعود إلى الأرض خلف الأفق. تُعرف هذه التقنية باسم "القفز" أو " انتشار الموجات السماوية "، وقد استُخدمت منذ عشرينيات القرن الماضي للتواصل على مسافات دولية أو عابرة للقارات. يمكن لموجات الراديو العائدة أن تنعكس عن سطح الأرض إلى السماء مرة أخرى، مما يسمح بتحقيق نطاقات أوسع عبر عدة قفزات . تتسم طريقة الاتصال هذه بالتقلب وعدم الموثوقية، إذ يعتمد استقبالها على مسار معين على وقت النهار أو الليل، والفصول، والطقس، ودورة البقع الشمسية التي تستغرق 11 عامًا . خلال النصف الأول من القرن العشرين، شاع استخدامها في خدمات الهاتف والتلغراف عبر المحيطات، وفي الاتصالات التجارية والدبلوماسية. نظراً لعدم موثوقيتها النسبية، تخلت صناعة الاتصالات عن الاتصالات اللاسلكية ذات الموجات القصيرة إلى حد كبير، مع أنها لا تزال مهمة للاتصالات في خطوط العرض العليا حيث قد لا يكون توفر الاتصالات اللاسلكية عبر الأقمار الصناعية كافياً. يُعدّ البث الإذاعي بالموجات القصيرة مفيداً لعبور الحدود الدولية وتغطية مساحات واسعة بتكلفة منخفضة. لا تزال الخدمات الآلية تستخدم ترددات الموجات القصيرة ، وكذلك هواة الراديو لإجراء اتصالات ترفيهية خاصة وللمساعدة في اتصالات الطوارئ أثناء الكوارث الطبيعية. تستخدم القوات المسلحة الموجات القصيرة لتكون مستقلة عن البنية التحتية المعرضة للخطر، بما في ذلك الأقمار الصناعية، كما أن زمن الاستجابة المنخفض للاتصالات ذات الموجات القصيرة يجعلها جذابة لتجار الأسهم، حيث تُعدّ أجزاء الثانية حاسمة. ^{[ 40 ]}

آلية الانكسار

عندما تصل موجة راديوية إلى طبقة الأيونوسفير، يُجبر المجال الكهربائي فيها الإلكترونات على التذبذب بنفس تردد الموجة الراديوية. ويُفقد جزء من طاقة التردد الراديوي نتيجةً لهذا التذبذب الرنيني. بعد ذلك، إما أن تفقد الإلكترونات المتذبذبة طاقتها نتيجة إعادة التركيب، أو أن تُعيد إشعاع طاقة الموجة الأصلية. ويحدث الانكسار الكلي عندما يكون تردد تصادم الموجات في طبقة الأيونوسفير أقل من تردد الموجات الراديوية، وفي حال كانت كثافة الإلكترونات في طبقة الأيونوسفير عالية بما يكفي.

يمكن الحصول على فهم نوعي لكيفية انتشار الموجة الكهرومغناطيسية عبر طبقة الأيونوسفير من خلال استحضار مبادئ البصريات الهندسية . ولأن طبقة الأيونوسفير عبارة عن بلازما، فإنه يمكن إثبات أن معامل انكسارها أقل من واحد. وبالتالي، ينحرف "الشعاع" الكهرومغناطيسي بعيدًا عن العمود المقام بدلًا من انحرافه نحوه كما هو الحال عندما يكون معامل الانكسار أكبر من واحد. كما يمكن إثبات أن معامل انكسار البلازما، وبالتالي معامل انكسار طبقة الأيونوسفير، يعتمد على التردد، انظر التشتت (البصريات) . ^{[ 41 ]}

التردد الحرج هو التردد الأدنى الذي تنعكس عنده الموجة الراديوية من طبقة الأيونوسفير عند سقوطها عموديًا . إذا كان التردد المُرسَل أعلى من تردد بلازما الأيونوسفير، فلن تتمكن الإلكترونات من الاستجابة بالسرعة الكافية، ولن تستطيع إعادة بث الإشارة. ويُحسب كما هو موضح أدناه:

f_{\text{critical}}=9\times {\sqrt {N}}

حيث N = كثافة الإلكترون لكل متر ^مكعب و f _الحرجة بوحدة هرتز.

يُعرَّف الحد الأقصى للتردد القابل للاستخدام (MUF) بأنه الحد الأعلى للتردد الذي يمكن استخدامه للإرسال بين نقطتين في وقت محدد.

f_{\text{muf}}={\frac {f_{\text{critical}}}{\sin \alpha }}

أين $\alpha$ = زاوية الوصول ، زاوية الموجة بالنسبة للأفق ، و sin هي دالة الجيب .

تردد القطع هو التردد الذي تفشل عنده الموجة الراديوية في اختراق طبقة من الغلاف الأيوني عند زاوية السقوط المطلوبة للإرسال بين نقطتين محددتين عن طريق الانكسار من الطبقة.

تصحيح الغلاف الأيوني لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS/GNSS)

There are a number of models used to understand the effects of the ionosphere on global navigation satellite systems. The Klobuchar model is currently used to compensate for ionospheric effects in GPS. This model was developed at the US Air Force Geophysical Research Laboratory circa 1974 by John (Jack) Klobuchar.^[42] The Galileo navigation system uses the NeQuick model.^[43]GALILEO broadcasts 3 coefficients to compute the effective ionization level, which is then used by the NeQuick model to compute a range delay along the line-of-sight.^[44]

Other applications

The open system electrodynamic tether, which uses the ionosphere, is being researched. The space tether uses plasma contactors and the ionosphere as parts of a circuit to extract energy from the Earth's magnetic field by electromagnetic induction.

Measurements

Overview

Scientists explore the structure of the ionosphere by a wide variety of methods. They include:

passive observations of optical and radio emissions generated in the ionosphere
bouncing radio waves of different frequencies from it
incoherent scatter radars such as the EISCAT, Sondre Stromfjord, Millstone Hill, Arecibo, Advanced Modular Incoherent Scatter Radar (AMISR) and Jicamarca radars
coherent scatter radars such as the Super Dual Auroral Radar Network (SuperDARN) radars
special receivers to detect how the reflected waves have changed from the transmitted waves.

A variety of experiments, such as HAARP (High Frequency Active Auroral Research Program), involve high power radio transmitters to modify the properties of the ionosphere. These investigations focus on studying the properties and behavior of ionospheric plasma, with particular emphasis on being able to understand and use it to enhance communications and surveillance systems for both civilian and military purposes. HAARP was started in 1993 as a proposed twenty-year experiment, and is currently active near Gakona, Alaska.

The SuperDARN radar project researches the high- and mid-latitudes using coherent backscatter of radio waves in the 8 to 20 MHz range. Coherent backscatter is similar to Bragg scattering in crystals and involves the constructive interference of scattering from ionospheric density irregularities. The project involves more than 11 countries and multiple radars in both hemispheres.

يدرس العلماء أيضاً طبقة الأيونوسفير من خلال التغيرات التي تطرأ على الموجات الراديوية الصادرة من الأقمار الصناعية والنجوم التي تمر عبرها. وكان تلسكوب أريسيبو ، الموجود في بورتوريكو ، مصمماً في الأصل لدراسة طبقة الأيونوسفير للأرض.

مخططات الأيونوغرام

الأيونوجرامات هي رسوم بيانية توضح الارتفاع الظاهري لانعكاس الترددات الراديوية مقابل التردد. يبث جهاز قياس الأيونوسفير نطاقًا تقريبيًا من الترددات، من 0.5 إلى 25 ميجاهرتز، على شكل نبضات أو موجة مستمرة (FM). تتضمن الإشارة المستقبلة زمن العبور، والتردد، والسعة، والطور، والاستقطاب، وانزياح دوبلر ، وشكل الطيف. كما يمكن استخلاص الارتفاع الحقيقي للطبقات وسرعة خط البصر من القياسات. ويمكن لمصفوفة من هوائيات الاستقبال توفير معلومات عن أي اضطرابات في طبقات الأيونوسفير. ^{[ 23 ]}^{: 181-187}

مع ازدياد التردد، يقل انكسار كل موجة بفعل التأين في الطبقة، وبالتالي تخترق كل موجة مسافة أبعد قبل أن تنعكس. وفي النهاية، يُبلغ تردد معين يسمح للموجة باختراق الطبقة دون أن تنعكس. بالنسبة للموجات العادية، يحدث هذا عندما يتجاوز التردد المنقول تردد ذروة البلازما، أو التردد الحرج، للطبقة. ترد قواعد المعالجة في: "دليل الاتحاد الدولي لعلم الأيونات لتفسير ومعالجة الأيونوجرام"، من تحرير ويليام روي بيجوت وكارل راور ، دار النشر إلسيفير أمستردام، 1961 (تتوفر ترجمات إلى الصينية والفرنسية واليابانية والروسية).

رادارات التشتت غير المتماسكة

تعمل رادارات التشتت غير المتماسك فوق الترددات الحرجة. ولذلك، تسمح هذه التقنية باستكشاف طبقة الأيونوسفير، على عكس أجهزة قياس الأيونوسفير، حتى فوق ذروة كثافة الإلكترونات. وتفتقر التقلبات الحرارية لكثافة الإلكترونات التي تُشتت الإشارات المرسلة إلى التماسك ، وهو ما أعطى التقنية اسمها. ويحتوي طيف قدرتها على معلومات ليس فقط عن الكثافة، بل أيضًا عن درجات حرارة الأيونات والإلكترونات، وكتل الأيونات، وسرعات الانجراف. كما يمكن لرادارات التشتت غير المتماسك قياس حركات الغلاف الجوي المحايد، مثل المد والجزر الجوي ، بعد وضع افتراضات حول تردد تصادم الأيونات مع الجزيئات المحايدة عبر منطقة دينامو الأيونوسفير . ^{[ 45 ]}

التغطية الراديوية لنظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية

الاحتجاب الراديوي هو تقنية استشعار عن بُعد، حيث يمرّ إشارة نظام الملاحة العالمي عبر الأقمار الصناعية (GNSS) بشكل مماس على سطح الأرض، مخترقةً الغلاف الجوي، ويستقبلها قمر صناعي في مدار أرضي منخفض (LEO). أثناء مرور الإشارة عبر الغلاف الجوي، تنكسر وتنحني وتتأخر. يقوم قمر LEO بأخذ عينات من إجمالي محتوى الإلكترونات وزاوية الانحناء للعديد من مسارات الإشارة هذه أثناء مراقبته لظهور قمر GNSS أو غروبه خلف الأرض. باستخدام تحويل أبيل العكسي ، يمكن إعادة بناء المقطع الشعاعي للانكسار عند نقطة التماس تلك على سطح الأرض.

تشمل مهام التغطية الراديوية الرئيسية لأنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية (GNSS) كلاً من GRACE و CHAMP و COSMIC .

مؤشرات الغلاف الأيوني

في النماذج التجريبية للغلاف الأيوني مثل Nequick، يتم استخدام المؤشرات التالية كمؤشرات غير مباشرة لحالة الغلاف الأيوني.

شدة الإشعاع الشمسي

يُعدّ كلٌّ من F10.7 وR12 مؤشرين شائعي الاستخدام في نمذجة الغلاف الأيوني. ويكمن جوهر كليهما في سجلاتهما التاريخية الطويلة التي تغطي دورات شمسية متعددة. يقيس F10.7 شدة الانبعاثات الراديوية الشمسية بتردد 2800 ميجاهرتز باستخدام تلسكوب راديوي أرضي . أما R12 فهو متوسط عدد البقع الشمسية اليومية على مدار 12 شهرًا . وقد أظهرت الدراسات وجود ترابط بين هذين المؤشرين.

مع ذلك، يُعدّ كلا المؤشرين مؤشرين غير مباشرين لانبعاثات الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية الشمسية، المسؤولة بشكل أساسي عن تأين الغلاف الجوي العلوي للأرض. لدينا الآن بيانات من المركبة الفضائية GOES تقيس تدفق الأشعة السينية الخلفية من الشمس، وهو مُعامل يرتبط ارتباطًا وثيقًا بمستويات التأين في طبقة الأيونوسفير.

الاضطرابات الجيومغناطيسية

يُعدّ كلٌّ من مؤشري A و K مقياسًا لسلوك المكوّن الأفقي للمجال المغناطيسي الأرضي . يستخدم مؤشر K مقياسًا شبه لوغاريتمي من 0 إلى 9 لقياس قوة المكوّن الأفقي للمجال المغناطيسي الأرضي. ويُقاس مؤشر K في مرصد بولدر المغناطيسي الأرضي .
تُقاس مستويات النشاط المغناطيسي الأرضي للأرض من خلال تذبذب مجالها المغناطيسي بوحدات النظام الدولي للوحدات (SI) المسماة تسلا (أو بوحدات غير النظام الدولي للوحدات، مثل غاوس، خاصةً في المراجع القديمة). ويتم قياس المجال المغناطيسي للأرض حول الكوكب بواسطة العديد من المراصد. تُعالج البيانات المُسترجعة وتُحوّل إلى مؤشرات قياس. وتُتاح القياسات اليومية للكوكب بأكمله من خلال تقدير مؤشر A _p ، والذي يُسمى مؤشر A الكوكبي (PAI).