یون‌سپهر یا یونوسفر چیست و کجاست و چه ویژگی‌هایی دارد؟
یون‌سپهر یا یونوسفر چیست و کجاست؟
یون‌سپهر یا یونوسفر (Ionosphere) لایه منفردی نیست، بلکه مجموعه‌ای از چند منطقه در اتمسفر زمین است که در آن مناطق، اتم‌ها و همچنین مولکول‌های دارای بار الکتریکی (یا اصطلاحا یونیزه شده) نسبتا فراوانند. پرتوهای شدید ایکس و فرابنفش خورشید، پیوسته با مولکول‌ها و اتم‌های گازی در اتمسفر فوقانی زمین برخورد می‌کنند. در اثر این برخوردها برخی الکترون‌ها از اتم‌های‌شان جدا می‌شوند که نتیجتا الکترون‌های آزاد و یون‌هایی با بار الکتریکی ایجاد می‌شوند (به اتم‌های باردار، از جمله آنهایی که الکترون از دست داده‌اند، یون می‌گویند). درنتیجه این فرآیند، هوا از حالت گاز به حالت پلاسما تغییر می‌یابد (به گاز یونیزه شده، پلاسما می‌گویند). یون‌ها (دارای بار الکتریکی مثبت) و نیز الکترون‌های آزاد (دارای بار الکتریکی منفی) متحرک هستند و رفتاری متفاوت از رفتار اتم‌ها و مولکول‌های خنثی (بدون بار الکتریکی) از خود بروز می‌دهند؛ برای مثال سبب می‌شوند تا هوا (که اینک از گاز به پلاسما تغییر حالت داده است) به رسانای الکتریکی قدرتمندی تبدیل شود. مناطقی که تجمع یون‌ها و الکترون‌های آزاد در آن‌ها بیشتر است در ارتفاعات متفاوتی از سطح زمین ایجاد می‌شوند، اما همه آن‌ها را در کنار هم یونوسفر می‌نامند. در ادامه با جزییات بیشتری توضیح داده خواهدشد که یون‌سپهر یا یونوسفر چیست و کجاست و چه ویژگی‌هایی دارد.
مطلب مرتبط: پلاسما چیست و با گاز چه تفاوتی دارد – نجوم و فیزیک
تعداد نواحی یونوسفر در اتمسفر زمین
اتمسفر زمین سه ناحیه یونوسفر اصلی دارد که آن‌ها را لایه D، لایه E و لایه F می‌نامند. این سه منطقه مرزهای دقیقی ندارند و ارتفاع‌شان نیز طی روز و از فصلی به فصل دیگر تغییر می‌کند. منطقه D کم‌ارتفاع‌ترین یونوسفر است که از ۶۰ یا ۷۰ کیلومتری از سطح زمین شروع می‌شود و تا ارتفاع ۹۰ کیلومتری امتداد می‌یابد. یونوسفر بعدی منطقه E است که از ارتفاع حدودا ۹۰ یا ۱۰۰ کیلومتری از سطح زمین آغاز می‌شود و تا ارتفاع ۱۲۰ یا ۱۵۰ کیلومتری ادامه می‌یابد. مرتفع‌ترین یونوسفر نیز منطقه F است که از حدود ۱۵۰ کیلومتری از سطح زمین آغاز می‌شود و گاهی تا ارتفاع ۵۰۰ کیلومتری نیز ادامه می‌یابد (تصویر ۱).
با این‌که هر یک از مناطق سه‌گانه یونوسفر ارتفاع متفاوتی دارند اما برخلاف لایه‌هایی همچون تروپوسفر و استراتوسفر، جدا از هم نیستند. بلکه این نواحی یونیزه شده از طریق لایه‌های مختلف جو زمین با هم پیوند دارند. یونوسفر منطقه D معمولا در بخش بالایی مزوسفر تشکیل می‌شود. یونوسفر منطقه E معمولا در بخش‌های پایین‌تر ترموسفر شکل می‌گیرد و یونوسفر منطقه F نیز در بخش بالاتر ترموسفر ظاهر می‌شود.
تصویر ۱. یون‌سپهر یا یونوسفر زمین، لایه D، لایه E و لایه F
مطلب مرتبط: لایه‌های مختلف جو زمین
ویژگی‌های یون‌سپهر یا یونوسفر چیست: یونوسفر بسته به عوامل مختلف تغییر می‌یابد
ارتفاع، ذرات یونیزه شده و حتی بود و نبود مناطق یونوسفر بسته به زمان تغییر می‌کند. برخی از این عوامل در ادامه توضیح داده می‌شود.
تغییرات یونوسفر در شبانه‌روز
وضعیت یونوسفر در روز بسیار متفاوت از وضعیت آن در شب است. طی روز انرژی مستمر حاصل از پرتوهای ایکس و فرابنفش خورشید الکترون‌ها را از اتم‌ها و مولکول‌ها جدا می‌کنند. نتیجتا انبوهی از یون‌ها و الکترون‌های آزاد ایجاد می‌شوند. هم‌زمان برخی از یون‌ها و الکترون‌ها با هم برخورد می‌کنند و مجددا با هم ترکیب می‌شوند و به‌شکل اولیه‌شان باز می‌گردند.
اما شب‌ها در نبود نور خورشید، بازترکیب الکترون‌ها با اتم‌های‌شان شدت می‌گیرد و درنتیجه تعداد یون‌ها کاهش می‌یابد. لذا اکثر شب‌ها منطقه D کاملا ناپدید می‌شود و منطقه E نیز به‌سبب کاهش تعداد یون‌ها تضعیف می‌شود. هر روز صبح وقتی آفتاب به آن بخش از اتمسفر می‌تابد، پرتوهای ایکس و فرابنفش باز کارشان را آغاز می‌کنند. لذا تعداد یون‌ها در منطقه D و منطقه E مجددا افزایش می‌یابد. منطقه F که مرتفع‌ترین یونوسفر محسوب می‌شود طی شب نیز همچنان پابرجاست. اما طی روز عموما به دو ناحیه تقسیم می‌شود که یکی را ناحیه F فوقانی یا F2 و دیگری را ناحیه F پایینی یا F1 می‌نامیم.
تغییرات فصلی یونوسفر
علاوه بر تغییرات روزانه یونوسفر، این مناطق پیچیده جوی تغییرات فصلی و بلندمدت نیز دارند. با انحراف محور عمودی زمین شدت نور آفتاب در مناطق مختلف زمین از فصلی به فصل دیگر تغییر می‌کند. و لذا عر‌ض‌های جغرافیایی مختلف زمین گاهی گرم و گاهی خنک می‌شوند. همچنین با تغییر محل حداکثر تابش پرتوهای ایکس و فرابنفش خورشید در زمین، یونوسفر فصل به فصل تغییر می‌کند. و این، میزان تشکیل یون‌ها و حرکت آن‌ها در نواحی مختلف زمین را تغییر می‌دهد. تغییرات فصلی در ترکیب شیمیایی اتمسفر نیز در این خصوص موثر است. و نرخ بازترکیب الکترون‌ها با اتم‌ها را که به کاهش یون‌ها در اتمسفر منجر می‌شود تغییر می‌دهد.
در بلندمدت، چرخه بروز لکه خورشیدی که هر ۱۱ سال یک‌بار تکرار می‌شود، بر وضعیت لایه‌های بالایی اتمسفر و از جمله یونوسفر بسیار موثر است. درخشش خورشید در طول‌موج‌های نور مرئی کمتر از ۰.۱ درصد بین حد بالا و حد پایین چرخه بروز لکه خورشیدی تغییر می‌کند. اما خروجی پرتوهای ایکس و فرابنفش خورشید، توان عملیاتی (throughput) بسیار بیشتری از چرخه خورشیدی را تغییر می‌دهد که از ۰.۱ تا بیشتر متغیر است. پرتوهای ایکس و فرابنفش در میزان تولید یون‌های تشکیل‌دهنده یونوسفر نقش کلیدی دارند. لذا تغییرات گسترده این نوع پرتوتابی‌ها در افزایش یا کاهش چگالی یون‌ها در منطقه‌های یونوسفر نیز بسیار موثر است. همچنین توفان‌های ژئومغناطیسی بزرگ که در اثر شراره‌های خورشیدی و خروج جرم از تاج خورشیدی (coronal mass ejection) شکل می‌گیرند می‌توانند تغییرات موقتی شدیدی در یونوسفر پدید آورند.
شفق قطبی در یونوسفر
بالاتر از جو زمین، یک حباب مغناطیسی موسوم به مغناطیس‌سپهر یا مگنتوسفر (magnetosphere) زمین را احاطه کرده است. بیشتر ذرات حاضر در مگنتوسفر، پلاسمای یونیزه شده هستند. میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی اغلب جریانی از ذرات پلاسمای باردار ایجاد می‌کنند. شفق قطبی (تصویر ابتدای مطلب) در اثر برخورد ذرات پرانرژی پلاسما با ذرات گاز در یونوسفر زمین پدید می‌آید. گاهی پلاسما در مگنتوسفر زمین در راستای میدان مغناطیسی زمین و به‌سمت نواحی قطبی جریان می‌یابد. نتیجتا نوری رنگین در آسمان ایجاد می‌شود که به آن شفق قطبی یا نورهای جنوبی و شمالی می‌گویند.
کاربردهای یونوسفر
یونوسفر به‌سبب ویژگی‌های خود در حوزه ارتباطات کاربرد گسترده‌ای دارد. ضمنا همان‌طور که اشاره شد، وضعیت یونوسفر ثابت نیست و پیوسته تغییر می‌یابد. لذا باید مستمرا پایش شود تا در سامانه‌های ارتباطی اختلال ایجاد نشود. در ادامه، به برخی از کاربردهای یونوسفر اشاره می‌شود.
کاربرد یونوسفر در سامانه‌های ارتباطی
پیش از آن‌که ارتباطات ماهواره‌ای رایج شود، اپراتورهای سامانه‌های ارتباطی رادیویی اغلب برای افزایش برد سیگنال‌های‌شان از یونوسفر کمک می‌گرفتند. امواج رادیویی عموما در مسیر مستقیم پیش می‌روند، اما زمین کروی است. لذا در مسافتهای طولانی، برج فرستنده، برج گیرنده را نمی‌بیند. یعنی انحنای زمین، برد ارسال سیگنال‌های رادیویی به ایستگاه‌هایی که در راستای افق نیستند را محدود می‌کند. اما برخی فرکانس‌های امواج رادیویی پس از برخورد با ذرات با بار الکتریکی در لایه‌های یونوسفر منعکس می‌شوند. با استفاده از این ویژگی یونوسفر، فرستنده می‌تواند امواج رادیویی را با زاویه معینی به یونوسفر بتاباند تا یونوسفر آن امواج را به نقطه موردنظر در زمین منعکس کند. بدینگونه می‌توان برد سیگنال‌های رادیویی را افزایش داد. ارتباطات پیشا‌ماهواره‌ای اغلب از این پدیده بهره می‌بردند تا امواج رادیویی را از آسمان منعکس کنند و برد سیگنال‌ها را افزایش دهند.
در اینصورت، اپراتورهای رادیویی باید تغییرات پیوسته یونوسفر، و به‌ویژه جابه‌جایی یا ناپدید شدن لایه‌های یونوسفر در شب و روز را که پیش‌تر به آن اشاره شد، مدنظر می‌گرفتند تا بتوانند به‌طرز موثری از خاصیت انعکاسی و آینه‌مانند یونوسفر و بازتاباندن امواج رادیویی بهره ببرند. مناطق یونوسفر می‌توانند سیگنال‌های رادیویی را جذب، خم یا منعکس کنند. نتیجه به فرکانس سیگنال رادیویی و نیز به ویژگی‌های هر منطقه یونوسفر بستگی دارد.
کاربرد یونوسفر در سامانه‌های موقعیت‌یاب ماهواره‌ای (گلوناس، بایدو، جی‌پی‌اس و…)
ماهواره‌های سامانه موقعیت‌یاب ماهواره‌ای (مانند گلوناس، بایدو و جی‌پی‌اس) برای تعیین محل از سیگنال‌های رادیویی بهره می‌برند. اگر سیگنال‌ها با عبور از مناطق یونوسفر خم شوند، دقت جی‌پی‌اس و… می‌تواند بسیار کاهش یابد. و باز، اگر فرکانس مورداستفاده چنان باشد که منطقه یونوسفر آن را تماما جذب کند، سیگنالی در زمین دریافت نمی‌شود. لذا برخی ارتباطات رادیویی مختل می‌شوند، زیرا سیگنال تضعیف می‌شود یا کلا ارتباط قطع می‌شود. دانشمندان، با سنجش و تولید مستمر مدل‌های رایانه‌ای از یونوسفر به مسئولان ارتباطات رادیویی کمک می‌کنند تا میزان آسیب‌ها و خطاهای ارتباطی را ارزیابی کنند.
دیگر کاربردهای یونوسفر چیست
دانشمندان به طرق مختلف از امواج رادیویی بهره می‌گیرند تا یونوسفر نامرئی را رصد کنند. آنتن‌های رادیویی مختلف و سامانه‌های راداری در زمین و در ماهواره‌ها، برای پایش مستمر یونوسفر به کار می‌روند. آنتن‌های رادیویی، با شنود سیگنال‌های رادیویی تولید شده توسط خود یونوسفر و نیز سیگنال‌های سامانه‌های راداری منعکس شده از لایه‌های مختلف و همچنین فرستنده و گیرنده‌هایی که سیگنال‌ها را به یونوسفر شلیک می‌کنند، درمی‌یابند که چه میزان از آن سیگنال‌ها جذب یا منحرف می‌شوند.
