دليل الموجة بين الأرض والغلاف الأيوني

يُعدّ الموجه الموجي بين الأرض والغلاف الأيوني ^{[ 1 ]} ظاهرةً تنتشر فيها بعض الموجات الراديوية في الفضاء بين سطح الأرض وحدود الغلاف الأيوني . ولأن الغلاف الأيوني يحتوي على جسيمات مشحونة ، فإنه يعمل كموصل . وتعمل الأرض كسطح أرضي ، ويتصرف التجويف الناتج كموجه موجي كبير .

يمكن للإشارات ذات التردد المنخفض للغاية (أقل من 3  كيلوهرتز) والتردد المنخفض جدًا (3-30  كيلوهرتز) أن تنتشر بكفاءة عالية في هذا الموجه. فعلى سبيل المثال، تُطلق ضربات البرق إشارة تُسمى الموجات الراديوية الجوية ، والتي يمكنها أن تنتقل لآلاف الكيلومترات، لأنها محصورة بين الأرض والغلاف الأيوني. وتُنتج طبيعة الموجه الدائرية رنينًا ، مثل تجويف، بتردد يبلغ حوالي 7  هرتز.

دليل الموجة بين الأرض والغلاف الأيوني

يعتمد انتشار الموجات الراديوية داخل طبقة الأيونوسفير على التردد، وزاوية السقوط ، ووقت اليوم، والفصل، والمجال المغناطيسي للأرض ، والنشاط الشمسي. عند السقوط العمودي، تنتشر الموجات ذات الترددات الأكبر من تردد بلازما الإلكترون (${\displaystyle f_{e}}$(بالهرتز) من الحد الأقصى للطبقة F

${\displaystyle f_{e}=9{\sqrt {N_{e}}}}$

1

(${\displaystyle N_{e}}$في${\displaystyle m^{-3}}$(كثافة الإلكترونات) يمكنها الانتشار عبر طبقة الأيونوسفير دون اضطراب يُذكر. الموجات ذات الترددات الأقل من${\displaystyle f_{e}}$تنعكس هذه الظاهرة داخل طبقات D و E و F في الغلاف الأيوني. ^{[ 2 ] [ 3 ]}${\displaystyle f_{e}}$يبلغ ترددها الحرج حوالي 8-15  ميجاهرتز خلال النهار. أما في حالة السقوط المائل، فيزداد التردد الحرج .

تنعكس الترددات المنخفضة جدًا (VLF: 3-30  كيلوهرتز) والترددات المنخفضة للغاية (ELF: <3 كيلوهرتز) في طبقة D من الغلاف الأيوني وطبقة E السفلى. ويُستثنى من ذلك انتشار إشارات البرق على شكل صفير على طول خطوط المجال المغناطيسي الأرضي. ^{[ 2 ] [ 4 ]} 

 تُقارب أطوال موجات التردد المنخفض جدًا (10-100 كم) ارتفاع طبقة D في الغلاف الأيوني (حوالي 70  كم نهارًا، و90  كم ليلًا). لذا، فإن نظرية الأشعة لا تنطبق إلا على الانتشار لمسافات قصيرة، بينما يجب استخدام نظرية الأنماط للمسافات الأطول. وبالتالي، تعمل المنطقة الواقعة بين سطح الأرض وطبقة D في الغلاف الأيوني كدليل موجي لموجات التردد المنخفض جدًا والتردد المنخفض للغاية.

في وجود بلازما الغلاف الأيوني والمجال المغناطيسي الأرضي ، توجد موجات كهرومغناطيسية بترددات أعلى من التردد الدوراني للأيونات (حوالي 1  هرتز). أما الموجات ذات الترددات الأقل من التردد الدوراني فتُسمى الموجات الهيدرومغناطيسية. وتنتمي إلى هذا النوع من الموجات النبضات المغناطيسية الأرضية التي تتراوح فتراتها بين ثوانٍ ودقائق، بالإضافة إلى موجات ألفين .

النموذج الأولي لهوائي قضيب عمودي قصير هو ثنائي قطب كهربائي عمودي من نوع هيرتز ، تتدفق فيه تيارات كهربائية متناوبة بتردد f. ويمكن وصف إشعاعه للموجات الكهرومغناطيسية داخل الدليل الموجي بين الأرض والغلاف الأيوني بدالة نقل T(ρ,ω):

${\displaystyle E_{z}(\rho ,\omega )=T(\rho ,\omega )E_{o}(\rho ,\omega )}$

2

حيث يمثل E _z المركبة الرأسية للمجال الكهربائي عند جهاز الاستقبال على مسافة ρ من جهاز الإرسال، ويمثل E _o المجال الكهربائي لثنائي قطب هرتزي في الفضاء الحر، و${\displaystyle \omega =2\pi f}$التردد الزاوي . في الفضاء الحر، يكون${\displaystyle T=1}$من الواضح أن الموجه الموجية بين الأرض والغلاف الأيوني مشتتة لأن دالة النقل تعتمد على التردد. وهذا يعني أن سرعة الطور وسرعة المجموعة للموجات تعتمدان على التردد.

في نطاق الترددات المنخفضة جدًا، تكون دالة النقل هي مجموع الموجة الأرضية التي تصل مباشرة إلى جهاز الاستقبال وموجات السماء متعددة القفزات المنعكسة في طبقة D الأيونوسفيرية (الشكل 1).

بالنسبة لسطح الأرض الحقيقي، تتلاشى الموجة الأرضية وتعتمد على التضاريس على طول مسار الشعاع. ^{[ 5 ]} أما بالنسبة لموجات التردد المنخفض جدًا (VLF) على مسافات أقصر، فإن هذا التأثير يكون ذا أهمية ثانوية، ويكون عامل انعكاس الأرض${\displaystyle R_{e}=1}$، في تقريب أولي.

على مسافات أقصر، تكون الموجة السماوية الأولى فقط هي المهمة. يمكن محاكاة الطبقة D بواسطة جدار مغناطيسي (${\displaystyle R_{i}=-1}$) بحدود ثابتة عند ارتفاع افتراضي h، مما يعني قفزة طورية مقدارها 180° عند نقطة الانعكاس. ^{[ 2 ] [ 5 ]} في الواقع، تزداد كثافة الإلكترونات في الطبقة D مع الارتفاع، وتكون الموجة محدودة كما هو موضح في الشكل 2.

يُظهر مجموع الموجة الأرضية وموجة القفزة الأولى نمط تداخل مع قيم دنيا للتداخل إذا كان الفرق بين مسارات أشعة الموجة الأرضية وموجة السماء الأولى نصف طول موجي (أو فرق طور مقداره 180 درجة). وتقع آخر قيمة دنيا للتداخل على الأرض (z = 0) بين الموجة الأرضية وموجة السماء الأولى على مسافة أفقية قدرها

${\displaystyle \rho _{1}\approx {\dfrac {2fh^{2}}{c}}}$

3

حيث c هي سرعة الضوء. في المثال الموضح في الشكل 3، يكون هذا على  مسافة حوالي 500 كيلومتر.

تنهار نظرية انتشار موجات التردد المنخفض جدًا (VLF) عند المسافات الكبيرة، نظرًا لتداخل موجات سماوية متعددة القفزات في مجموع هذه الموجات، مما يؤدي إلى تباعد المجموع. إضافةً إلى ذلك، يصبح من الضروري مراعاة كروية الأرض. وتكون نظرية الأنماط، التي تمثل مجموع الأنماط الذاتية في دليل الموجة بين الأرض والغلاف الأيوني، صالحةً ضمن هذا النطاق من المسافات. ^{[ 5 ] [ 6 ]} تتميز أنماط الموجات ببنية رأسية ثابتة لمكونات مجالها الكهربائي الرأسي، حيث تبلغ أقصى سعة لها في أسفل دليل الموجة، وتنعدم عند قمته. في حالة النمط الأساسي الأول، تبلغ هذه السعة ربع الطول الموجي. ومع انخفاض التردد، تصبح القيمة الذاتية تخيلية عند تردد القطع ، حيث يتحول النمط إلى موجة متلاشية. بالنسبة للنمط الأول، يحدث هذا عند ^{[ 2 ].}

${\displaystyle f_{co}={\dfrac {c}{4h}}\approx 1~kHz}$

4

والتي لن ينتشر هذا النمط تحتها (الشكل 4).

يزداد توهين الأنماط مع ازدياد العدد الموجي n. لذا، فإن النمطين الأولين فقط هما اللذان يشاركان في انتشار الموجة. يقع الحد الأدنى الأول للتداخل بين هذين النمطين على نفس المسافة التي يقع عليها الحد الأدنى الأخير للتداخل في نظرية الأشعة ( المعادلة 3 )، مما يدل على تكافؤ النظريتين ^{[ 7 ].} كما هو موضح في الشكل 3، فإن المسافة بين الحد الأدنى لتداخل الأنماط ثابتة وتبلغ حوالي 1000  كيلومتر في هذا المثال. يصبح النمط الأول هو السائد عند مسافات تزيد عن 1500  كيلومتر تقريبًا، لأن النمط الثاني يكون أكثر توهينًا من النمط الأول.

في نطاق موجات التردد المنخفض للغاية، لا يُناسب سوى نظرية الأنماط. النمط الأساسي هو النمط الصفري (الشكل 4). تُصبح الطبقة D هنا جدارًا كهربائيًا (R _i = 1). هيكلها الرأسي عبارة عن مجال كهربائي رأسي ثابت مع الارتفاع.

على وجه الخصوص، يوجد نمط رنين صفري للموجات التي تشكل جزءًا لا يتجزأ من محيط الأرض ولها التردد

${\displaystyle f_{m}={\dfrac {mc}{2a\pi }}kHz}$ ${\displaystyle (m=1,2,...)}$

5

بنصف قطر الأرض. تقع قمم الرنين الأولى عند 7.5 و15 و22.5  هرتز. هذه هي رنينات شومان . يتم تضخيم الإشارات الطيفية للبرق عند هذه الترددات. ^{[ 5 ] [ 8 ]}

لا تُقدّم المناقشة السابقة سوى صورة مبسطة لنظرية الأنماط والأشعة. تتطلب المعالجات الأكثر تفصيلًا برنامجًا حاسوبيًا ضخمًا. على وجه الخصوص، يصعب حل مشكلة عدم تجانس الموجة الدليلية أفقيًا ورأسيًا. يتمثل تأثير انحناء الأرض في زيادة طفيفة في شدة المجال بالقرب من نقطة التقابل. ^{[ 5 ]} وبسبب تأثير المجال المغناطيسي للأرض، يصبح الوسط غير متجانس الخواص، بحيث يكون عامل انعكاس الغلاف الأيوني في الواقع مصفوفة. هذا يعني أن الموجة الساقطة المستقطبة رأسيًا، بعد انعكاسها في طبقة D من الغلاف الأيوني، تتحول إلى موجة مستقطبة رأسيًا وأخرى مستقطبة أفقيًا. علاوة على ذلك، يُؤدي المجال المغناطيسي الأرضي إلى عدم تبادلية موجات التردد المنخفض جدًا. تضعف الموجات المنتشرة من الشرق إلى الغرب بشكل أكبر من العكس. يظهر انزلاق طوري بالقرب من مسافة الحد الأدنى للتداخل العميق في المعادلة 3 . خلال أوقات شروق الشمس و/أو غروبها، يحدث أحيانًا كسب أو فقدان طور بمقدار 360 درجة بسبب السلوك غير القابل للانعكاس للموجة السماوية الأولى.

يمكن استخدام خصائص تشتت الموجة الموجهة بين الأرض والغلاف الأيوني لتحديد مواقع نشاط العواصف الرعدية عن طريق قياس الفرق في تأخير المجموعة الزمني لإشارات البرق ( الموجات الكهرومغناطيسية ) عند الترددات المتجاورة حتى مسافات تصل إلى 10000  كيلومتر. ^{[ 7 ]} تسمح رنينات شومان بتحديد نشاط البرق العالمي. ^{[ 9 ]}

• رنان ألفين
• قناة جوية
• راديو الموجات القصيرة
• سكاي ويف
• التوجيه التروبوسفيري