يتكوّن الغلاف الجوي للأرض من مجموعة مناطق، تحوي عددًا كبيرًا نسبيًا من الذرات و الأيونات والجزيئات المشحونة كهربائيًا، تسمى هذه المناطق مجتمعةً (المتكوّر المتأين أو الأيونوسفير – Ionosphere). تصطدم الأشعّة السينية عاليةُ الطاقة، والأشعّة فوقَ البنفسجية – القادمتان من الشمس على هيئة ضوء – بذرّات وجزيئات الغاز المتواجدة في الغلاف الجوي العلوي للأرض، وبشكل مستمرّ.
تُحرّر بعض هذه الاصطدامات إلكتروناتٍ من الذرات والجزيئات، وتخلق أيوناتٍ مشحونةً كهربائيًا (ذرات أو جزيئات بها إلكترونات مفقودة) وإلكترونات حرّة. تتصرّف الأيونات والإلكترونات المشحونة كهربائيًا بشكل مختلف عن الذرّات والجزيئات الطبيعية المتعادلة كهربائيًا.
تتواجد المناطق ذات التركيز العالي من الأيونات والإلكترونات الحرة على ارتفاعات مختلفة عديدة، وتُعرف – بصفتها مجموعة – بالأيونوسفير، أو المتكوّر المتأيّن.
توجد ثلاثُ مناطقَ رئيسية من الأيونوسفير، تسمى: الطبقة (D)، والطبقة (E)، والطبقة (F). ليس لتلك المناطق حدود واضحة؛ لاختلاف الارتفاعات التي تحدث فيها خلال اليوم الواحد، أو من موسم إلى آخر. تعتبر (D) الطبقة الدنيا، وتبدأ من حوالي 60 أو 70 كم، (37 أو 43 ميلًا) فوق سطح الأرض، وتمتدّ لأعلى إلى حوالي 90 كم (56 ميلًا).
مناطق (طبقات) المتكور المتأين، تبيّن الطبقات D و E و F.
تعلوها المنطقة (E)، حيث تبدأ من حوالي 90 أو 100 كم (56 أو 62 ميلًا)، وتمتد إلى 120 أو 150 كم (75 أو 93 ميلًا). أما المنطقة (F)، فتبدأ من حوالي 150 كم (93 ميل)، وتمتد لأعلى، ليصل ارتفاعها أحيانًا إلى 500 كم (311 ميل) فوق سطح كوكبنا. لا تُعتبر مناطق الأيونوسفير طبقاتٍ منفصلة، مثل طبقتي التروبوسفير والستراتوسفير، لكنها تعدّ مناطق متأيّنة مُضمّنة في طبقات الغلاف الجوي.
أين تتشكل ؟
تتشكل المنطقة (D) عادةً في الجزء العلوي من الميزوسفير، بينما تظهر المنطقة (E) عادةً في الجزء السفلي من الثرموسفير، أما المنطقة (F) في الأجزاء العليا من الثرموسفير. وتطرأ على جزيئات الذرّات المتأيّنة، وتواجدها في المناطق المختلفة من الأيونوسفير، اختلافاتٌ بمرور الزمن.
تختلف مناطق الأيونوسفير في النهار عنها في الليل، فخلال النهار، توفّر الأشعّة السينية – وهي أشعّة فوق بنفسجية مُنبعثة من الشمس – الطاقة اللازمة، التي تُحرّر الإلكترونات من الذرّات والجزيئات، وتُنتج إمدادًا مستمرًا من الأيونات والإلكترونات الحرّة.
في الوقت نفسه، تصطدم بعض الأيونات والإلكترونات، وتَجتمع مرّة أخرى لتشكّل ذرّات وجزيئات طبيعية متعادلة كهربائياً، فخلال النهار، ينشأ عدد أكبر من الأيونات عن التي تُدمر، وبالتالي يزداد عدد الأيونات في المناطق الثلاث. أما في الليل، فتتم عملية إعادة التركيب في غياب أشعة الشمس، وينخفض عدد الأيونات.
يحدث ذلك على مدار معظم الليالي، لتَختفي المنطقة (D) تمامًا، وتَضعُف المنطقة (E)؛ نظرًا لانخفاض عدد الأيونات في تلك الطبقة، ليُعاد في الصباح تعبئة المناطق (D) و(E) بالأيونات؛ بسبب عودة الأشعة الشمسية والأشعة فوق البنفسجية. خلال الليل تصل المنطقة (F) إلى أعلى ارتفاعٍ لها، ولكنّها تنقسم عمومًا إلى طبقتين: عُليا (F2) وسفلى (F1) خلال النهار.
قبل أن يصبح الاتّصال عبر الأقمار الصناعية أمرًا شائعًا، استخدم مشغلو أنظمة الاتصالات الراديويّة الأيونوسفير غالبًا لتوسيع نطاق إرسالهم، تنتقل الموجات الراديوية عمومًا في خطوط مستقيمة، لذا، ما لم تكن أبراج الإرسال طويلة بما يكفي لتتمكن من «رؤية» قمم أبراج الاستقبال، فإن انحناء الأرض يحد من نطاق الإرسال اللاسلكي إلى المحطات التي لا تتجاوز الأفق، بالرغم من ذلك، هناك بعض التردّدات في الموجات الراديوية ترتدّ أو تنعكس على الجزيئات المشحونة كهربائيًا في طبقات معيّنة من الأيونوسفير.
فاستغلت الاتصالات الراديوية، قبل استخدام الأقمار الصناعية، هذه الظاهرة في كثير من الأحيان، بجعلِ الموجات الراديوية ترتدّ في “السماء” لتوسيع نطاق الإرسال. ولكن كي يُستفاد بشكلٍ فعّال من هذه الانعكاسات، التي تشبه المرآة في الموجات الراديوية، كان على مُشغّلي الراديو أن يأخذوا في الحسبان التغيُّرات المستمرّة في الأيونوسفير، وخاصّة التفاوتات في تغييرأو اختفاء الطبقات بين النهار والليل.
يمكن لمناطق الأيونوسفير أن تمتصّ الإشارات الراديوية وتُضعِفها، أو يمكن أن تَحرِفها، وكذلك تُعكس الإشارات (كما تم شرحهُ أعلاه)، وتعتمد هذه الخاصية على كلّ من تردد الموجة الراديوية، وخصائص منطقة الأيونوسفير المعنية.
وبما أن الأقمار الصناعية الخاصّة بنظام تحديد المواقع (GPS) تستخدم الإشارات الراديوية لتحديد المواقع، فقد تَقل دقّة النظام بشكل كبير عند انحناء الإشارة المُرسلة خلال عبورها مناطق الأيونوسفير. فبعض الاتصالات الراديوية يمكن أن تتَبدّد إذا تمكّنت طبقة الأيونوسفير من امتصاص جميع الترددات المُستَخدمة، ما يؤدي إلى ضعفٍ في الإشارة، أو حتى خسارةٍ تامّة للاتّصال.
ويستمر العلماء بحساب وإنتاج نماذج حاسوبية للتغيُّرات الحاصلة في الأيونوسفير، كي يتمكّن الأشخاص المسؤولون عن الاتصالات الراديوية من توقّع الاضطرابات التي يمكن أن تحدث.
إضافةً إلى التقلُّبات اليومية، هناك أيضًا اختلافاتٌ بعيدة المدى، واختلافات موسمية في مناطق الأيونوسفير المعقّدة، فقد تختلف درجات الحرارة في خطوط العرض المختلفة (بعضها قد يكون دافئاً والبعض الآخر باردًا) خلال الموسم الواحد؛ لاختلاف شدّة أشعّة الشمس من مكان إلى آخر، كما يتغير الأيونوسفير موسميًا مع التغيير الحاصل في نقاط التركيز الأشعة (السينيّة X-Ray) والأشعة فوق البنفسجية، التي بدورها تغُير تشكيل الأيونات حول الأرض.
كما تلعب التغيرات الموسمية في كيمياء الأيونوسفير دوراً في التأثير على معدل (أحداث إعادة التركيب-recombination events) التي تُزيل الأيونات من الجو.
فعلى المدى الطويل، تؤثّر دورة البقع الشمسية (التي تبلغ 11 عامًا) تأثيرًا قويًا على الأجزاء العُليا للغلاف الجوي، بما في ذلك الأيونوسفير، فيتغير التفاوت في سطوع الشمس في الأطوال الموجية للضوء المرئي الذي يمكننا رؤيته، بأقل من 0.1٪ بين النقطة العليا والنقطة المنخفضة لدورة البقع الشمسية، ومع ذلك، تختلف الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية القادمتان من الشمس بشكل أكبر خلال الدورة الشمسية الواحدة، وتعتمد على 10 عوامل أو أكثر.
ونظرًا لأن الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية تتحكم في معدل تكوين الأيونات التي تكُون الأيونوسفير، فإن الاختلافات الكبيرة في هذه الأنواع من الإشعاعات تؤدي إلى تغيّرات كبيرة في كثافة الأيونات في مناطق الأيونوسفير، كما أن العواصف المغناطيسية الكبيرة الناتجة عن التوهّجات الشمسية والانبعاثات الكُتلية الاكليليّة من الشمس يمكن أن تُسبب اضطرابات شديدة مؤقتة في الأيونوسفير.
مقالات ذات صلة:
التجارب التي أجرتها الصين وروسيا لتعديل الغلاف الجوي!
ترجمة: أزهر البكري
تدقيق: عبد الرحمن عبد
