بررسي تغييرات ميدانهاي الكترومغناطيس در برخورد و عبور از لايه يونسفر

بسياري از مردم پوشش اطراف زمين را تا آنجا كه جو ناميده ميشودبه مثابه پوششي تحت نام اقيانوس هوا مي شناسند كه زمين را در بر گرفته است و اين پوشش لايه هايي از گازها وبخار آب است . با اينكه از نگاه اوليه اين تصور شكل مي گيرد اما بايد بدانيم كه در اين نگرش ساده مواردي وجوددارد كه در بحثهاي عمومي كمتر بدان پرداخته مي شود.
بحثهائي كه تحت آن علم هواشناسي شكل مي گيرد و به راستي يكي از زيبا ترين وپيچيده ترين مكانيسم هاي طبيعي را مورد بررسي قرار ميدهد.
آنچه كه برروي اين كره خاكي حيات را مقدور ساخته است ارتباط بسيار منظم وتنگاتنگي ما بين اعضاي تشكيل دهنده اين پوشش با طبقات مختلف است.طبقاتي كه هر لايه آن وظيفه بسيار مهم وتعيين كننده اي در تشكيل و ادامه حيات داراست. به نحوي كه با حذف مجازي هر لايه ومحاسبات مربوط به آن دگرگوني ژرفي در ساير طبقات وبه تبع آن، تغيير كامل مكانيسم فعلي را سبب مي شود.در ديد اغلب افراد اهميت جو در لايه مجاور زمين است كه داراي اكسيژن كافي براي تنفس مي باشد.براي شكل گيري اين لايه كه موجودات در تماس مستقيم با آن مي باشندطبقات ديگر طبق چينش خاص خود با خصوصيات منحصر به فرد دخالت دارند كه در اين مشاركت با حذف هر كدام قطعا حيات به خطر جدي خواهد افتاد. گر چه جو به معناي واقعي يك سوسيال كامل است و هيچ جاي خالي در جو نمي توان يافت و كاملا فضا را به يك نسبت ويك شكل پوشش مي دهد اما در هر لايه تركيبات خاص از عناصر و ملوكولها با توجه به خصوصيات آن لايه قرار دارد.از ديدگاه مخابرات ماكروويو وابستگي ارسال تحت كانال هوا به پارامترهاي فيزيكي ،جاي پائي براي مطالعه وباز بيني دقيقي بر اين رويه ميطلبد. اهميت لايه هاي جو در مخابرات بدين سبب است كه محيط انتقال امواج الكترومغناطيس بوده و گاهي به عنوان Reflector مورد استفاده قرار ميگيرد ماهواره اي كه در مدار زمين قرار ميگيرد وتنها راه ارتباطي آن با زمين امواج راديوئي ميباشد، امواجي را دريافت ميدارد كه از اين لايه ها در شرايط مختلف جوي ودر زمانهاي مختلف فصلي وشبانه روزي عبور نموده است.دو مشخصه عمده امواج صرفنظر از نوع قطبي شدگي و اختلاف فاز ، دامنه موج و فركانس موج ميباشد.كه هرچه فركانس موج بالاتر رود نفوذ وانتشار آن در فاصله هاي بعيد بهتر صورت ميگيرد.اما اين دو كميت به چه نسبت وتا چه حدود افزايش يابند كه اولا اختلاف زيادي با سطح Optimize خود نداشته از طرف ديگر ارتباط به شكلي دائمي وجود داشته باشد.چرا كه طبق آنچه كه در ادامه توضيح داده خواهد شد جو تركيبي پيچيده از عوامل محدود كننده ميباشد كه بر اساس ماهيت فيزيكي منحصر به فرد خود در ارتباط با امواج راديوئي در طول شبانه روز رفتار متغييري از خود نشان ميدهد.

مختصري در خصوص اتمسفر زمين

فضاي بين اتمسفر زمين وسيارات منظومه شمسي خلا كامل نيست اگر چه چگالي مواد بين سيارات كم است اين فضا مقاديري گازهاي داغ وذرات گرد و غبار در بر دارد. مواد گازي موجود در اين نواحي را گاز بين سيارات مينامند زيرا اين گازها بين سيارات قرار دارند واغلب از پروتونها و الكترونها تشكيل شده اند و چگالي مولوكولي آن بسيار كم است.
مدار حركت زمين به دور خور شيد از فضاي بين سيارات ميگذرد وبه همين دليل با گازهاي بسيار رقيق بين سيارات ادغام مي شود.
جو از نظر عمودي ممكن است بنا به تركيبات ،عكس العملهاي شيميايي ، يونيزه شدن ، دما ، فشار وغيره برحسب ارتفاع طبقه بندي شود كه در اين بخش مختصري از خصوصيات اين طبقات شرح داده ميشود.از موارد بر شمرده شده يونيزه شدن از اهميت فوق العاده اي بر خوردار است.
به طور خلاصه ميتوان گفت كه جو از چهار لايه كاملا مشخص تروپوسفر ، استراتوسفر ،مزوسفر و ترموسفر تشكيل شده است شكل ارائه شده نشان دهنده چگونگي تغييرات دما و فشار با ارتفاع بر حسب چينش لايه ها ميباشد.

همانطور كه از روي شكل معلوم ميشود دماهاي زياد نزديك سطح زمين ،در مجاورت استراتوپاز و ناحيه ترموسفر ديده ميشود.اين زياد بودن دما به تابش خورشيد و جذب آن مربوط است.بيشتر تابش خورشيدي توسط سطح زمين جذب
ميشود.بنا بر اين تروپوسفر از ناحيه زيرين شروع به گرم شدن ميكند.تغييرات دما از سطح زمين با افزايش ارتفاع ، كاهش مي يابد و اين بدين سبب است كه از منبع گرمائي كه سطح زمين مي باشد دور ميشويم.بر عكس تروپوسفر
ناحيه گرمائي استراتوسفر در بالاي آن قرار دارد واينجا همان نقطه اي است كه در آن شكل گيري اوزن و تجزيه ملوكولهاي اكسيژن صورت ميگيرد ودر اثر اين واكنش گرما ايجاد ميشود .با نزديك شدن به اين بخش چون به منبع گرمائي نزديك ميشويم تغييرات دما با افزايش ارتفاع افزايش مي يابد.در بخش بالاتر، مزوسفر قرار دارد كه در اينجا چگالي مولكولي كم ميشود وبا افزايش ارتفاع به دليل دور شدن از استراتوسفر كه منبع گرمائي ميباشد، دما به شدت نزول ميكند تا بخش بالاتر كه ترموسفر ناميده ميشود از اينجا به بعد دما باز هم افزايش مي يابدو توجيه آن خروج از حيطه زمين وكاسته شدن اثرات حرارتي آن ونزديك شدن به منبع اصلي گرما در منظومه شمسي مي باشد.از اينجا به بعد تغييرات دما سير صعودي دارد.

در اتمسفر زمين تقريبا از ارتفاع 50 تا 500 كيلومتر يعني بخشهائي از مزوسفر و ترموسفر لايه هائي از گازهاي يونيزه به نام يونسفر وجود دارد.يونسفر از الكترونهاي آزاد و يونهاي مثبتي تشكيل ميشودكه با جذب تشعشع ماوراء‎‎ بنفش خورشيد توسط اتمها ومولكولهاي اتمسفر بالائي ايجاد ميگردند.ذرات باردار در اين ناحيه توسط ميدان مغناطيسي زمين به دام مي افتند.خصوصيات اين لايه ها از نظر ارتفاع وچگالي يوني از طرفي به تركيبات مزوسفر و ترموسفر و از سوي ديگر به طبيعت تشعشعات خورشيدي و چگونگي چرخه لكه خورشيدي(Sunspot cycle) بستگي دارد.طوفانهاي خورشيدي كه در اثر انفجارات سطحي خورشيد به وجود مي آيندو از ميزان بسيار زياد انرژي آزاد شده آن تنها بخش بسيار كوچكي به زمين ميرسد نيز در اين مشخصه ها نقش اساسي دارند .از آنجائيكه اين انفجارات و تشعشعات پريوديك نبوده وميزان ومعياري براي تناوبي شدن آنها در فواصل كوتاه شبانه روز،فصلها وحتي سالها وجود ندارد پيش بيني مشخصه هاي چگالي يوني و ارتفاع توسعه يافته لايه يونسفر تقريبا غير ممكن ميباشد.لايه يونسفر با توجه به دارا بودن حالت يوني وپلاسما گونه اش به لايه پلاسما نيز شهرت دارد.از خصوصيات بارز اين لايه ايجاد شفق قطبي كه پديده اي نادر است رامي توان نام برد.اين پديده در اثر به دام افتادن ذرات باردار ويونها در ميدان مغناطيسي قوي موجود در قطبها مي باشد.در اين لايه چگالي الكترون ويون در لايه هاي يونيزه جداگانه اساسا يكسان است .وجه تسميه پلاسماي اين لايه بر اساس همين توازن چگالي الكترون و يون مي باشد.يونسفر نقش اصلي در انتشار امواج الكترومغناطيسي دارد واثرات مهمي بر ارتباطات راه دور را داراست.از آنجائيكه جرم الكترونها نسبت به يونهاي مثبت بسيار سبكتر است توسط ميدانهاي الكتريكي امواج الكترومغناطيس گذرنده بيشتر شتاب مي يابند.در تحليل ارائه شده بر اساس اين واقعيت از شتاب يونها صرفنظر شده و لابه يونسفر به عنوان يك گاز الكترون آزاد Free electron gas در نظر گرفته شده است.

براي ارائه تحليل رفتار يك الكترون با بارالكتريكي e - وجرم m در ميدان هماهنگ زماني E درراستاي α با فركانس زاويه ايω در نظر ميگيريم.
اين الكترون طبق قانون لورنتس :
F=q(E+VدB)
تحت تاثير نيروهائي ناشي از ميدانهاي E,H قرار ميگيرد.
از برقراري توازن اين نيرو با نيروي حاصل از جرم در شتاب الكترون داريم:

و از آنجا :

كه در اين بخشx,E فازور ميباشند براي به دست آوردن دو قطبي ناشي از جابجائي الكترون داريم: p
كه در رابطه اخير تنها يك الكترون در نظر گرفته شده است .اگر حجم موجود را داراي چگالي σ در نظر بگيريم ودر آن N تعداد الكترونها باشد با توجه به چگالي حجمي موجود
گشتاور دو قطبي معادل برابر با:
P=Np
خواهد شد كه با جايگذاري مقادير داريم:
P
در به دست آوردن اين رابطه با ناچيز انگاشتن اثر متقابل گشتاورهاي دو قطبي از اثر القائي گشتاور متقابل صرفنظر گرديده است.

با استفاده از رابطه D=ε 0E+P ميزان چگالي الكتريكي را بر اساس مقادير به دست آمده رابطه:

را به دست مي آوريم .

در رابطه اخير مقدار عبارت داراي واحد rad/s مي باشد .يعني از نوع فركانس زاويه اي
مي باشد.عبارت اخير را با جايگزين مينمائيم، يعني:

مقدار فركانس زاويه اي پلاسما نام دارد كه از مشخصه هاي بارز يونسفر ميباشد.
فركانس پلاسما برابر است با :
Hz
گذردهي كل محيط پلاسما برابر است با:

بر اساس عدد موج كه در آن c سرعت نور است و معادل است با باجايگذاري گذردهي معادل :

با استفاده از رابطه اخير امپدانس ذاتي محيط را از رابطه :

به دست مي آوريم.
از معادله به دست آمده اخيربراي امپدانس ذاتي بر حسب ميدان الكتريكي يك مقدار عددي به دست مي آيدكه بر حسب چگونگي رابطه جاي بحث وجود دارد.اگر مقادير را در معادله به دست آمده قرار دهيم براي معادله اي فقط بر حسب N به دست مي آيد .(N تعداد الكترونهاي موجود در واحد حجم موجود مي باشد.)
Hz

در معادله اگر آنگاه به سمت صفر خواهد رفت .صفر شدن باعث صفر گرديدن D طبق رابطه D= خواهد شد.

دقت شود كه D فقط به بارهاي آزاد بستگي دارد وحتي زماني كه شدت ميدان E كه به بارهاي آزاد و قطبي بستگي دارد صفر شود ممكن است به صورت نوساني در پلاسما وجود داشته باشد،بدون اينكه بارهاي آزاد وجود داشته باشند.اين حالت حالت نوساني پلاسما نام دارد.

اگر f

وتضعيفي بدون انتشار را نشان ميدهد.در عين حال Zc موهومي خالص مي شود وبار راكتيو ناشي از عدم انتقال است مشخص مي نمايد. از اين رو fp را فركانس قطع مي نامند.

اگر f>fp باشد موهومي خالص مي شود و حقيقي كامل بوده و امواج الكترومغناطيس بدون تضعيف (يا با تضعيف حداقل چون از تلفات برخوردي مي توان صرفنظر كرد) در محيط پلاسما انتشار مي يابند. واين حالت مطلوب انتقال خواهد بود.

طبق معادله ميتوان fp رابه دست آورد اما به دست آوردن N ملزم به حل معادلات پيچيده اي بر حسب پارامترهاي محيط مي باشد ودر هر ارتفاعي به راحتي قابل محاسبه نمي باشدوباساعات روز ،فصلها وساير عوامل فيزيكي محيط تغيير مينمايد.صرفنظر از كل عوامل عامل لكه خورشيدي وطوفانهاي خورشيدي عامل ايجاد نامنظمي در پريوديكال نمودن N ميباشد.اما طبق اندازه گيريهاي تجربي چگالي الكترون از حدود m 10 در پائين ترين لايه تا m 10در بالاترين لايه ،تغيير مينمايد.از اينرو طبق محاسبه ، fp از 0.9 MHz تا MHz 9 تغيير مينمايد.از اينرو در مخابرات ماهواره اي با يك ايستگاه فضائي در آن سوي يونسفر بايد از فركانسهاي بالاي MHz 9استفاده نمائيم .از فركانسهاي زير Mhz 9جهت ايجاد شكست هاي پياپي از طريق يونسفر براي گريز از اثر انحناي زمين ميتوان استفاده كرد.فركانسهايMHz 0.9تا MHz 9 به طور جزئي در لايه هاي پائيني يونسفر نفوذ مي كند ولي در جائيكه N
بزرگ است برگشت داده ميشوند. به دليل عدم وجود لايه هاي مجزا با چگالي الكترون ثابت و حضور ميدان مغناطيسي زمين و برقراري قوانين شكست وضعيت واقعا پيچيده است.

ديدگاه دومي كه در بحث فوق بايد مد نظر قرار گرفته شود پديده هائي بر اساس قوانين اسنل مي باشد.از آنجائيكه بر خورد امواج با يونسفر و لايه هاي ديگر به شكل عمودي نميباشد كل امواج از لايه ها عبور نمي نمايند بلكه به شكل امواج تابش وبازتابش رفتار مينمايند.يعني اگر كل موج ورودي Ei در نظر گرفته شود ، طبق شكل زيرداريم:
و
و

Z=0

محيط2
محيط1

كه به ترتيب موج عبوري (انتقال يافته) و موج باز تابش و ضرائب باز تابش و انتقال ميباشند.

وα قطعا توابعي بر حسب پارامترهاي محيط وفركانس خواهند شد .
براي هر دومحيط و ديديم كه گذردهي كل براي يونسفر از رابطه F/m به دست آمد.

در نتبجه:

از طرفي از روي قوانين اسنل داريم

وساده سازي معادلات زير به دست مي آيند. و پس از جايگذاري

يا به عبارتي كه با جايگذاري رابطه به دست آمده در بخش قبل براي فركانس زاويه اي پلاسما داريم.

و

در اينجا قوانين بازتاب وشكست اسنل با در نظر گرفتن مسيرهاي تشعشعي امواج برخورد ،بازتابيده وشكست به كار رفته اند.هيچ ذكري از قطبي شدگي ونوع آن به كار نرفته است چرا كه قوانين اسنل مستقل ازقطبي شدگي ميباشندودر پديده شكست وبازتابش نوع قطبي شدگي تغيير نمي يابد وروابط را ميتوان با در نظر گرفتن سطح مرزي Z= 0 به دست آورد.اما در اينجا نيز باز بايد از تخمين استفاده كرد چرا كه در اين مورد نيز شروع ابتداي لايه يونسفر ثابت نبوده .با تغيير آن باز هم روابط دستخوش تغييرات مي گردند.در پايان متذكر ميشويم مطالب ارائه شده به فراخور مطالعات گردآورنده پژوهش وارائه گرديده است و گوشه بسيار كوچكي در اين مقوله بوده، بررسي بيشتر مستلزم همت همكاران عزيز متخصص در زمينه هاي مرتبط و در قالب كار گروهي مي باشد.