الغلاف الأَيوني Ionosphere جزء من الغلاف الجوي للأرض فيه الكثير من الأيونات (ذرات أومجموعات ذرية مشحونة كهربائيًا) والإلكترونات الحرة. تتولد هذه الأَيونات من الإشعاعات الكونية وإشعاعات الشمس. ويمتد الغلاف الأيوني خلال طبقات الجوالمعروفة بالغلاف الأوسط والغلاف الحراري.

التاريخ

الغلاف الأيوني يبدأ فوق جميع مكان، اعتباراً من ازدياد 60 كيلومتراً ويمتد شاقولياً إلى 1000 كيلومتر تقريباً، حيث يلتحم بالغلاف المغنطيسي. أما وجود هذا الغلاف ـ الذي طرح بلفور ستيوارت Balfour Stewart فكرته عام 1883ـ فقد تأكد بصورة غير مباشرة مع حدوث أول إرسال برقي راديوي بعيد المسافة بين أوروبا وأمريكا، حيث نجح فيه ماركوني G.Marconi عام 1901، وكان جميع من هيفيسايد Heaviside في إنكلترا وكينيلي Kennelly في الولايات المتحدة قد افترض بصورة مستقلة تفسيراً لذلك بأن الموجات الهرتزية استطاعت اتّباع انحناء سطح الأرض بفضل الانعكاسات التي عانتها في العلاء على سطوح ناقلة عالية، وإلا كانت هذه الموجات تلاشت في نصف الفضاء الكائن فوق محطة الإرسال، وذلك لوكان انتشارها يتم وفق خطوط مستقيمة. وانتشر مفهوم «طبقة كينيلي ـ هيفيسايد»، غير حتى تأكيده انتظر نتائج آبلتون Appleton التي اتىت عام 1925 من مشاهدة عقد وبطون الاستقبال، التي أكدتها بعد قليل نتائج برايت وتيوف Breit/Tuve. وبعد حتى أثبتت التجارب وجود مجموعة من الطبقات تتدخل في هذه العملية، تبنّت المنظمات الدولية مصطلح الغلاف الأيوني (أيونوسفير)، الذي اقترحه السير روبرت أ. واطسن ـ واط Robert A.Watson-Watt، لكي يشير على مجمل المنطقة التي تشغلها هذه الطبقات.

الهجريب

ويتألف الغلاف الأيوني من عدة مناطق مُؤَيَّنة. وأسفلها طبقة تُسمى منطقة دي، وتبدأ على ازدياد ما بين 55 و89كم. أما منطقة آي فترتفع إلى ما بين 89 و145كم. وتبدأ منطقة إف من ازدياد 145كم وتمتد ارتفاعًا إلى نحو305كم. ويختلف ازدياد هذه المناطق وتأَيُّنها بين النهار والليل مع تغيُّرات الإشعاع الشمسي. فمثلاً، تكاد تختفي منطقة دي في الليل. وترتفع المناطق الأخرى وتصبح في الليل أقل تأينًا بسبب عدم وصول إشعاع شمسي إلى الجو.

من المعروف ان الكرة الأرضية مغلفة بالپلازما الواقعة في اعلى الغلاف الجوي، وتشكل الجزء الداخلي للغلاف المغناطيسي للأرض. إذا حالة الپلازما تحدد سلوك الأحزمة الشعاعية في الغلاف المغناطيسي للأرض، المشبع بالجسيمات المشحونة الخطرة جدا على حياة رواد الفضاء والأجهزة الفضائية. لقد اكتشف فهماء الفلك بعد تحليلهم المعلومات التي أوفدها القمر الصناعي كلوستر الذي أطلقته وكالة الفضاء الاوروپية، وجود حركة دائمة للجسيمات في الغلاف المغناطيسي للكرة الأرضية، التي تحمل المواد من القسم الداخلي للغلاف المغناطيسي إلى الخارج. ويقول يانوس داندوراس، الباحث في معهد بحوث الفيزياء الفلكية بمدينة تولوز في فرنسا، "إن فهم مصادر تجدد مواد الغلاف البلازمي وآلية فقدانها، وكذلك علاقة هذه العمليات بالنشاط المغناطيسي للارض، أمر مهم لتفسير آلية بعض الظواهر الطبيعية في المناخ الفضائي". واكتشف الباحث داندوراس بعد تحليل المعلومات التي أوفدتها أربعة اقمار اصطناعية من نوع كلوستر التي أطلقتها وكالة الفضاء الاوروبية، بان سرعة الحركة الثابتة للجسيمات في الغلاف الپلازمي تزيد عن 1.3 حدث/ثانية. وباعتقاده، إذا "الريح" البلازمية تحمل الى القسم الخارجي من الغلاف المغناطيسي ما يقارب كيلوغرام واحد من البلازما جميع ثانية. كما ان حركة الجسيمات لوحظت حتى عندما لم يكن المجال المغناطيسي للارض منحرفا بسبب الرياح الشمسية. لقد تحدث الفهماء عن هذه الظاهرة قبل 20 سنة، إلا أنهم تمكنوا من مشاهدتها للمرة الاولى فقط. ويعتقد فهماء الفلك بأنها متأتية عن اختلال في توازن قوى مختلفة، تؤثر في حركة البلازما. كما ان حركة الجسيمات يمكن ان تكون موجودة في الكواكب الاخرى، حيث أنها تنقل المواد من الجوالى الفضاء مما تسبب في انعدام وجود الحياة عليها.

التشكل

عرض س. تشابمان Chapman نحوعام 1931 نظرية تبسيطية في فرضياتها تتيح فهم الآلية التي يتم بها تشكل الطبقات الأيونية. وبموجب هذه النظرية يتناسب حدوث التأين مع شدة الإشعاع الشمسي من جهة ومع كثافة الجسيمات المعتدلة القادرة على امتصاص هذا الإشعاع. وهذان العاملان يتغيران مع الارتفاع في اتجاه متعاكس، إذ يزداد امتصاص الجوالأرضي للإشعاع الشمسي مع زيادة اختراق الأخير للجو، لذلك تزداد شدة الإشعاع مع الارتفاع، بينما تتناقص الكتلة الحجمية للجوتناقصاً شديداً مع الارتفاع الشكل (1)، فتحدث قيمة عظمى للتأيين عند ازدياد متوسط، يتوقف موضعه على الزاوية السمتية للشمس. غير حتى التأين يعروه فقدان بسبب اتحاد إلكترونات حرّة بأيونات موجبة لتعطي جسيمات معتدلة، وكذلك بعمل ارتباط الإلكترونات الحرّة بجسيم معتدل لتعطي أيونات سالبة، ويتحدد شكل الطبقة المتأينة بتساوي حدوث التأين وفقدانه. ولا تكتمل هذه النظرية إلا بفهم العوامل الفاعلة في الإنتاج والفقدان، والتي منها التوزع الطيفي للإشعاع الشمسي (المؤلف من طيف متصل تتخلَّله خطوط امتصاص). ولا تحمل ما يكفي من الطاقة لتحرير الإلكترونات والتسبب في التأيين إلا الإشعاعات التي تكون أطوال موجاتها أقصر من الطيف المرئي، وتقع في منطقة الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية.

تحديد تكوّن الغلاف الأيوني تجريبياً

استخدمت طرائق عديدة، منها طريقة برايت وتيوف التي تعدّ أساسية، وفيها تتم عمليات سبر شاقولية (رأسية)، الشكل (2)، تجري يومياً من أغلب المحطات الأيونوسفيرية، جميع ربع ساعة مثلاً لتحسين استخدام الاتصالات. لجأ هذان العالمان إلى تقنية كانت حديثة في حينها، هي إصدار قطار من النبضات في الاتجاه الشاقولي تكون قصيرة الأمد (نحو1/10000 من الثانية مؤلفة من موجة حاملة ترددها مناسب (من 0.5 إلى 10ميغا هرتز). وعند استقبال صدى هذا القطار النبضي في جوار محطة الإرسال ـ إذا كان قد انعكس حقاً على طبقة متأينة ـ يمكن حساب «الارتفاع التقديري» (أوالظاهري) لمكان هذا الانعكاس، وذلك عن طريق قياس مدة المسير ذهاباً وإياباً. يختلف هذا الارتفاع التقديري عن الارتفاع الحقيقي، لأنه يفترض حتى الانتشار يحدث بسرعة الضوء في الخلاء، في حين حتى هذه السرعة أقل من ذلك، وهي غير معروفة تماماً في مسيرات تحدث داخل الغلاف الأيوني، كما حتى شروط الانعكاس ذاتها ليست شروط «الانعكاس المعدني» بل هي شروط التآثر، أي التفاعل المتبادل بين الحقل الكهربائي للموجة الصاعدة و«الإلكترونات الحرّة» الناتجة من تأيّن الطبقة المعتبرة. أما «الأيونات» ـ الموجبة في غالبيتها ـ فهي لا تتدخل مباشرة في هذه الآلية، نظراً لثقلها والأيونات الأساسية منها، وهي:

H⁺ , He⁺ , N₂⁺ , O⁺ , O⁺₂،

ولاقد يكون النوعان الأخيران منها إلا في الطبقات الأكثر ارتفاعاً، ولكنها تؤدي باللقاء أثراً رئيساً في العمليات الكيميائية الضوئية التي تقود إلى تكوين الطبقات، وفي الظواهر الضوئية المرتبطة بالشفق القطبي.

تتصرف مجموعة الإلكترونات على أنها وسط ضوئي تعطى قرينة انكساره بالعلاقة:

المكتوبة في جملة الواحدات الدولية M.K.S.A المنطقة، حيث ε0 هي ثابتة سماحية الخلاء، وN هي الكثافة الحجمية للإلكترونات الحرّة، وe وm هما على الترتيب شحنة الإلكترون وكتلته، وω هونبض الموجة الحاملة. وفي هذه الظروف تنعكس الموجة الصاعدة، نحوالأسفل، عندما تنعدم القرينة n، إلى غير ذلك تتحدد قيمة N بدلالة تردد الموجة المرسلة والارتفاع التقديري اللقاء. وعند تطبيق هذا القياس على مرسل مجهز بماسح ترددي آلي، يصبح فيه النبض ω وسيط استكشاف، يتم الحصول على مخطط أيوني يبين بوضوح سبراً بعد سبر (في جميع دورة مسح) مختلف الطبقات التي تكوّن الغلاف الأيوني في تلك اللحظة. يُشار إلى أنه في جميع مرة تصل فيها الكثافة N، بعمل التزايد التدريجي للنبض ω، إلى قيمة تتجاوز قيمة الهجريز الأعظم الموجود في الطبقة المعنية،؛ فإن الموجة تجتاز هذه الطبقة لتمضى وتنعكس على طبقة أعلى، إذا كان يوجد فيها كثافة N كافية. ويسمى التردد الذي تتوقف عنده موجة معينة عن الانعكاس «التردد الحرج». وبدءاً من تردد معين كافٍ (يراوح بينعشرة و20 ميغا هرتز حسب الحالة) تصبح جميع منطقة الغلاف الأيوني نفوذة، وتعبر الموجة طبقاتها جميعاً.

يشار أيضاً إلى عمليات استكشاف تجري في الواقع، أو«في الأعلى» تحمل فيها المسابر في صواريخ أوسواتل، لأن طريقة إرسال الإشارات من سطح الأرض للحصول على معلومات لا تصلح إلا في المناطق التي تتزايد فيها الكثافة الإلكترونية مع الارتفاع، فالإشارة في المناطق التي تتناقص كثافتها مع الارتفاع؛ تكون قد انعكست على الطبقات السفلى ولا تصل إلى الأعلى، لذلك تحمل المسابر في الصواريخ والسواتل وعندئذ ترسل الإشارة من الساتل نحوالأسفل، لتنعكس نحوالأعلى على الطبقات التي تتزايد كثافتها مع نقصان الارتفاع، فتصبح شبيهة بالطريقة الأولى ولكنها معكوسة. غير حتى استخدام المسابر المحمولة في المركبات الفضائية لإجراء القياسات في المسقط، يعاني الاضطرابات التي تسببها المركبة في الوسط المقيس، والتي تنتج من وجود المركبة المعدنية ذاتها التي تحاط بغمد من الأيونات، أومن تلوث الوسط بالغازات المتبقية الناتجة من الاحتراق في الصاروخ.

طبقات الغلاف الأيوني في حالة استقرارها الوسطية

تتألف منطقة الغلاف الأيوني في حالتها المستقرة نسبياً بصورة وسطية من الطبقات الآتية، الشكل (3).

• الطبقة D هي الأكثر انخفاضاً (ما بين 60 و90كيلومتراً) والمدروسة أقل من غيرها من الطبقات، لأنها لاتكشف بالانعكاس، وكثافتها الإلكترونية ضعيفة؛ لأن الإشعاعات الشمسية المؤيّنة لاتصل إلى الارتفاعات المنخفضة، وهي بَعْدُ قادرة على تأيين O2 وN2، إنها تؤيّن NO فقط، ولكن التأين في هذه الطبقة يزداد بشدة مع النشاط الشمسي.
• الطبقة E هي التي يبلغ ارتفاعها بين 90 و150 كيلومتراً، وتبلغ الكثافة الإلكترونية فيها 105 إلكتروناً في جميع سنتمتر مكعب. ومكوّناتها المعتدلة هي O2 وO وN2 التي تتأين بالأشعة السينية (X) وبالأشعة فوق البنفسجية أكثر. وتتدخل هذه الطبقة بشكل أساسي في انتشار الموجات الطويلة.
• الطبقة F هي التي يبلغ ارتفاعها 150 كيلومتراً فأكثر، وتصل كثافتها الإلكترونية في حدها الأقصى إلى106إلكتروناً في جميع سنتمتر مكعب. وتنقسم هذه الطبقة إلى طبقتين متمايزتين، أولاهما F1 وهي السفلية (من 150 إلى 200 كيلومتر) وتظهر في النهار وحسب، والثانية F2 وهي العلوية (ما بعد 200كيلومتر) وهي أكثر تحسساً بالشعاعين الناتجين من الانكسار المضاعف، الشكل (4). أما فوق ازدياد الكثافة الإلكترونية القصوى في الطبقة F2 فإن التأيين يصبح مهملاً بسبب الهجريز الضعيف للجسيمات المعتدلة، فتتناقص هذه الكثافة بانتظام ويبقى الأيون O+ سائداً حتى الارتفاع 800 كيلومتر يليه الأيون He+ وأخيراً الأيون H+، أي حتى الأيونات الخفيفة تطفوفوق الأيونات الثقيلة.

التغيرات والاضطرابات

تتعقد هذه الحالة الاستقرارية المتوسطة، فتعاني من تغيرات منظورة متسقطة، إما مكانية جغرافية بعمل الحقل المغنطيسي الأرضي الشاقولي في القطب والأفقي في المناطق المعتدلة والاستوائية، وإما زمانية يومية وفصلية جميع إحدى عشرة سنة هي دورة النشاط الشمسي بعمل التآثر الشمسي الأرضي، كما تعاني تغيرات أخرى عارضة عشوائية غير متسقطة، لاتعهد أسبابها وآلياتها تماماً، تتمثل بعدم انتظام يصيب التأين جميع ربع ساعة أوجميع ساعة، مما يصيب حركة الاتصالات العالمية باضطرابات جسيمة، وتجتاز الغلاف الأيوني تيارات شديدة.

يُذكر أخيراً حتى الغلاف الأيوني معروف مع تطوراته فهم لا بأس بها، إلا حتى آليات تشكله وتغذيته تظل غير مؤكدة. ولكن من المتفق عليه حتى ينظر إلى الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية التي في الإشعاع الشمسي الأولي على أنها السبب الرئيسي لهذه التأينات، وتزداد هذه الإشعاعات كثيراً مع النشاط الشمسي كالكلف الشمسي والاندفاعات والفترات الأكثر نشاطاً في الدورة الشمسية.

الأهمية

ويجعل الغلاف الأَيوني الاتصالات الراديوية البعيدة المدى ممكنة لأنه يعكس إلى الأرض موجات راديومعَّينة على بُعد آلاف الأميال. وفي الليل، حين ترتفع مناطق الغلاف الأيوني، يمكن استقبال موجات الراديوعبر مسافات أبعد مما يحدث في أثناء النهار.

المصادر

الموسوعة المعهدية الكاملة

• Corum, J. F., and Corum, K. L., "A Physical Interpretation of the Colorado Springs Data". Proceedings of the Second International Tesla Symposium. Colorado Springs, Colorado, 1986.
• Davies, K., 1990. Peter Peregrinus Ltd, London. ISBN 0-86341-186-X Ionospheric Radio.
• Grotz, Toby, "The True Meaning of Wireless Transmission of power". Tesla : A Journal of Modern Science, 1997.
• Hargreaves, J. K., "The Upper Atmosphere and Solar-Terrestrial Relations". Cambridge University Press, 1992,
• Kelley, M. C, and Heelis, R. A., "The Earth's Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics". Academic Press, 1989.
• Leo F. McNamara. (1994) ISBN 0-89464-804-7 Radio Amateurs Guide to the Ionosphere.
• D. Bilitza, "International Reference Ionosphere 2000," Radio Science, 36, 2, pp 261-275, 2001.

انظر أيضاً

• جيوفيزياء
  • حزام إشعاع ڤان ألن
• راديو
  • Fading
  • Line-of-sight propagation
  • List of telecommunications transmission terms
  • Ionospheric absorption
• موضوعات متعلقة
  • Tether propulsion
  • Canadian Geospace Monitoring
  • Pioneer Venus project
  • Nozomi
  • New Horizons
  • Soft gamma repeater
  • TIMED (Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics)
  • International Geophysical Year
  • Upper Atmospheric Lightning
• قوائم
  • قائمة الموضوعات الفلكية
  • قائمة الموضوعات الإلكترونية

وصلات خارجية

مشاع الفهم فيه ميديا متعلقة بموضوع [[commons: Category:Ionosphere | Ionosphere ]].