تتدلى طبقة كثيفة من الجزيئات والجسيمات المشحونة كهربائيًا ، تسمى الغلاف الأيوني ، في الغلاف الجوي العلوي للأرض بدءًا من حوالي 35 ميلاً (60 كيلومترًا) فوق سطح الكوكب وتمتد إلى ما يتجاوز 620 ميلاً (1000 كم). الإشعاع الشمسي القادم من البوفيهات جزيئات معلقة في طبقة الغلاف الجوي. ترتد الإشارات الراديوية من الأسفل من الأيونوسفير إلى الأجهزة الموجودة على الأرض. عندما تتداخل الأيونوسفير مع المجالات المغناطيسية ، تنطلق السماء في عروض ضوئية رائعة لا تصدق.
أين الأيونوسفير؟
تشكل عدة طبقات متميزة الغلاف الجوي للأرض ، بما في ذلك الغلاف الجوي ، الذي يبدأ 31 ميلاً (50 كم) ، والغلاف الحراري ، الذي يبدأ عند 53 ميلاً (85 كم). يتكون مركز الأيونوسفير من ثلاثة أقسام داخل الغلاف الجوي والغلاف الحراري ، تسمى طبقات D و E و F ، وفقًا لمركز UCAR لتعليم العلوم.
تقصف الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة والأشعة السينية من الشمس هذه المناطق العليا من الغلاف الجوي ، وتضرب الذرات والجزيئات الموجودة داخل تلك الطبقات. يزيح الإشعاع القوي الإلكترونات المشحونة سلبًا من الجسيمات ، ويغير الشحنة الكهربائية لتلك الجسيمات. أدت السحابة الناتجة من الإلكترونات الحرة والجسيمات المشحونة ، والتي تسمى الأيونات ، إلى اسم "الأيونوسفير". يمتزج الغاز المتأين أو البلازما مع الجو المحايد الأكثر كثافة.
يختلف تركيز الأيونات في الأيونوسفير مع كمية الإشعاع الشمسي الذي يتحمل على الأرض. ينمو الغلاف الأيوني كثيفًا مع الجسيمات المشحونة خلال النهار ، لكن هذه الكثافة تنحسر في الليل مع عودة الجزيئات المشحونة مع الإلكترونات النازحة. وطبقًا لوكالة ناسا ، تظهر طبقات الأيونوسفير بأكملها وتختفي خلال هذه الدورة اليومية. يتقلب الإشعاع الشمسي أيضًا على مدى 11 عامًا ، مما يعني أن الشمس قد تخرج أشعة أكثر أو أقل اعتمادًا على السنة.
تثير التوهجات الشمسية المتفجرة وعواصف الرياح الشمسية تغيرات مفاجئة في الغلاف الجوي المتأين ، وتتحد مع رياح عالية الارتفاع وأنظمة طقس شديدة تختمر على الأرض أدناه.
تضيء السماء
يطرد السطح الحار للشمس تيارات من الجسيمات المشحونة للغاية ، وتعرف هذه التيارات باسم الرياح الشمسية. وفقًا لمركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لوكالة ناسا ، فإن الرياح الشمسية تطير عبر الفضاء بسرعة حوالي 25 ميلاً (40 كم) في الثانية. عند الوصول إلى المجال المغناطيسي للأرض والغلاف الجوي المتأين أدناه ، أطلقت الرياح الشمسية تفاعلًا كيميائيًا ملونًا في سماء الليل يسمى الشفق.
عندما تدور الرياح الشمسية عبر الأرض ، يبقى الكوكب محميًا خلف مجاله المغناطيسي ، المعروف أيضًا باسم الغلاف المغناطيسي. يتم توليدها عن طريق تحريك الحديد المنصهر في قلب الأرض ، يرسل الغلاف المغناطيسي سباق إشعاع شمسي نحو أي قطبين. هناك ، تتصادم الجسيمات المشحونة مع المواد الكيميائية التي تدور في الأيونوسفير ، وتولد الشفق الساحر.
لقد وجد العلماء أن المجال المغناطيسي للشمس يسحق المجال الأضعف للأرض ، ويحول الشفق نحو الجانب الليلي من الكوكب ، كما أفادت مجلة Popular Mechanics.
وفقا ل National Geographic ، بالقرب من دوائر القطب الشمالي وأنتاركتيكا ، خط الشفق عبر السماء كل ليلة. ستائر الضوء الملونة ، المعروفة باسم الشفق القطبي والشفق القطبي ، على التوالي ، تتدلى على ارتفاع حوالي 620 ميلاً (1000 كم) فوق سطح الأرض. تتوهج الشفق الأخضر الأصفر عندما تضرب الأيونات جزيئات الأكسجين في الغلاف الجوي المتأين السفلي. غالبًا ما يزهر الضوء المحمر على طول حواف الشفق ، وتظهر الأرجوان والبلوز أيضًا في سماء الليل ، على الرغم من أن هذا نادرًا ما يحدث.
قال توشي نيشيمورا ، عالم الجيوفيزياء بجامعة بوسطن: "سبب الشفق معروف إلى حد ما ، ولكن لم يتم حله بالكامل". "على سبيل المثال ، ما يسبب نوعًا معينًا من لون الشفق ، مثل اللون الأرجواني ، لا يزال لغزًا."
من هو ستيف؟
ما وراء الشفق ، يستضيف الأيونوسفير أيضًا عروض ضوئية أخرى مثيرة للإعجاب.
في عام 2016 ، رصد علماء مواطنون ظاهرة ملفتة للنظر بشكل خاص ، والتي كافح العلماء لتفسيرها ، حسبما أفاد موقع Live Science الشقيق موقع Space.com سابقًا. تتدفق أنهار مشرقة من الضوء الأبيض والوردي فوق كندا ، وهي أبعد جنوبًا مما تظهره معظم الشفق. في بعض الأحيان ، انضمت شرطات خضراء إلى المزيج. تم تسمية الأضواء الغامضة ستيف في تكريم لفيلم الرسوم المتحركة "Over the Hedge" وتم تغيير اسمها لاحقًا باسم "تعزيز سرعة الانبعاث الحراري القوي" - لا يزال STEVE لفترة قصيرة.
قال جاريث بيري ، عالم الطقس في معهد نيوجيرسي للتكنولوجيا: "لقد كنا ندرس الشفق منذ مئات السنين ، ولم نستطع ، وما زلنا لا نستطيع ، تفسير ما هو ستيف". "إنه مثير للاهتمام لأن انبعاثاته وخصائصه لا تشبه أي شيء آخر نلاحظه ، على الأقل مع البصريات ، في الأيونوسفير."
وفقًا لدراسة أجريت عام 2019 في مجلة Geophysical Research Letters ، قد تتطور الخطوط الخضراء داخل STEVE بشكل مماثل لكيفية تشكل الشفق التقليدي ، حيث تسقط الجسيمات المشحونة على الغلاف الجوي. في نهر ستيف ، يبدو أن نهر الضوء يتوهج عندما تتصادم الجسيمات داخل الأيونوسفير وتولد الحرارة فيما بينها.
التواصل والملاحة
على الرغم من أن التفاعلات في الأيونوسفير ترسم السماء بألوان رائعة ، إلا أنها يمكن أن تعطل الإشارات اللاسلكية وتتداخل مع أنظمة الملاحة وأحيانًا تسبب انقطاع التيار الكهربائي على نطاق واسع.
يعكس الأيونوسفير البث الإذاعي أقل من 10 ميغا هرتز ، مما يسمح للجيش وشركات الطيران والعلماء بربط أنظمة الرادار والاتصالات عبر مسافات طويلة. تعمل هذه الأنظمة بشكل أفضل عندما تكون الأيونوسفير ناعمة ، مثل المرآة ، ولكن يمكن أن تتعطل بسبب المخالفات في البلازما. تمر عمليات إرسال GPS عبر الأيونوسفير وبالتالي تتحمل نقاط الضعف نفسها.
وقال بيري "خلال العواصف المغنطيسية الأرضية الكبيرة أو أحداث الطقس الفضائي ، يمكن للتيارات أن تحرض تيارات أخرى في الأرض والشبكات الكهربائية وخطوط الأنابيب وما إلى ذلك وتسبب الخراب". تسببت إحدى العواصف الشمسية في انقطاع التيار الكهربائي الشهير في كيبيك عام 1989. "بعد مرور ثلاثين عامًا ، لا تزال أنظمتنا الكهربائية عرضة لمثل هذه الأحداث."
يدرس العلماء الأيونوسفير باستخدام الرادارات والكاميرات والأدوات المرتبطة بالأقمار الصناعية ونماذج الكمبيوتر لفهم الديناميات الفيزيائية والكيميائية في المنطقة بشكل أفضل. مسلحين بهذه المعرفة ، يأملون في التنبؤ بشكل أفضل بالانقطاعات في الأيونوسفير ومنع المشاكل التي يمكن أن تسببها على الأرض أدناه.
