Wyobrażając sobie atmosferę ziemską, przed oczami mamy zazwyczaj bardzo szczególną mieszaninę gazów zwaną powietrzem, składającą się z trzech czwartych azotu, jednej czwartej tlenu i niewielkich ilości innych substancji lotnych. Część z nas rozumie atmosferę, jako obszar bardzo bliski powierzchni Ziemi, w którym zachodzą zjawiska związane z obiegiem wody i przemianami energii, będące bezpośrednią przyczyną kształtowania się pogody i klimatu na naszej planecie. Tymczasem atmosfera składa się z wielu warstw o bardzo skomplikowanej strukturze. Jedną z nich jest jonosfera, która ma ogromny wpływ na nowoczesne technologie człowieka, ponieważ zaburza przepływ fal radiowych.
AUTOR: Leszek Błaszkiewicz, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie
Jonosfera zbudowana jest z plazmy[i] i rozciąga się na bardzo dużej przestrzeni. Ze względu na różne czynniki powodujące jonizację[ii], podzielona została na kilka warstw. Jej górną granicę, na wysokości od 120 km do nawet 450 km, stanowi warstwa F, gdzie promieniowanie ultrafioletowe Słońca ze skrajnego zakresu (10-100 nm) jonizuje tlen atomowy. Poniżej, w zakresie 90-120 km rozciąga się warstwa E – tutaj jonizacja związana jest z działającym na cząstki tlenu promieniowaniem UV oraz miękkim promieniowaniem X (rentgena). Czasami w tym obszarze powstają “obłoki” o podwyższonej gęstości ładunków, które szczególnie efektywnie działają na długie fale radiowe. Takie obszary oznaczane są jako warstwa ES. Za dnia, na wysokości 60-90 km, następuje fotojonizacja molekuł (głównie tlenku azotu NO) przez promieniowanie UV-C. Tak powstaje warstwa D jonosfery – szczególnie istotna w okresach wzmożonej aktywności Słońca, kiedy fale radiowe długie i średnie ulegają znacząco większemu tłumieniu i zniekształceniom.
Uporządkujmy naszą wiedzę
Jak już wspomniano, jonosfera zaburza przepływ fal radiowych. Ale jakie mechanizmy fizyczne wpływają na to, że fale elektromagnetyczne są przez jonosferę zniekształcane? Zacznijmy od wyjaśnienia kilku istotnych dla dalszych rozważań terminów.
Pole elektryczne to właściwość przestrzeni wokół ładunku elektrycznego. Podstawową wielkością opisującą to zjawisko jest natężenie pola elektrycznego. Im większy ładunek, tym też większa wartość natężenia, które spada wraz z oddalaniem się od środka ładunku. Konsekwencje istnienia tego pola są wielorakie i kluczowe dla człowieka. Przyciąganie się ładunków o różnych znakach, a odpychanie jednoimiennych, powoduje ruch ładunków w polu elektrycznym i tym samym powstanie prądu.
Ładunek elektryczny w ruchu wytwarza bardzo szczególny rodzaj zaburzenia przestrzeni, zwany polem magnetycznym. Każdy zatem atom o odpowiedniej konfiguracji może być źródłem pola magnetycznego, a że pole to (tak jak elektryczne) jest addytywne, to sumuje się na całą substancję. Przy odpowiednich warunkach mamy zatem do czynienia z substancjami magnetycznymi. Najsilniejsze pola magnetyczne wywoływane są przez wielkie prądy elektryczne. Dla przykładu, wirujące wewnątrz Ziemi ciekłe metaliczne jądro jest źródłem pola, które rozciąga się wokół naszej planety jako jej magnetosfera i odgrywa niebagatelna rolę w ochronie przed cząstkami plazmy, docierającej do nas jako wiatr słoneczny.
Ostatnim zjawiskiem, któremu należy się przyjrzeć, jest indukcja elektromagnetyczna odkryta przez Michaela Faradaya w 1831 roku. Angielski fizyk zauważył, że zmieniające się w czasie pole magnetyczne powoduje ruch ładunków elektrycznych. Z jednej strony mamy zatem ruch ładunków elektrycznych, które tworzą pole magnetyczne, z drugiej strumień pola magnetycznego generujący prąd, co ma istotne znaczenie dla własności jonosfery – o czym za chwilę.
O co w tym wszystkim chodzi?
Wróćmy zatem do istoty naszych rozważań: jakie znaczenie dla człowieka ma jonosfera?
Różne warstwy jonosfery wyznaczają granice, na których zachodzą zjawiska kształtujące propagację fal radiowych. Obecność jonów powoduje pochłanianie fali oraz jej załamanie; intensywność obu zjawisk jest proporcjonalna do koncentracji jonów i zwiększa się wraz ze wzrostem długości fali. Skutkuje to zakłóceniami w transmisji danych na falach radiowych. Z drugiej strony jonosfera odbija długie fale radiowe, dzięki czemu zwiększa się ich zasięg, co jest wykorzystywane w transmisjach audycji radiowych oraz przez radioamatorów.
W jonosferze tworzą się też swego rodzaju anomalie spowodowane wpływem Słońca. Podczas szczególnie silnej aktywności cząstki słoneczne wręcz zaburzają ziemskie pole magnetyczne – mówimy wówczas o burzy magnetycznej. Dzieje się tak dlatego, że nasza dzienna gwiazda oprócz promieniowania elektromagnetycznego (fale radiowe, podczerwień, światło, ultrafiolet, promieniowanie rentgena) emituje też nieustannie strumień cząstek naładowanych, tworzących tzw. wiatr słoneczny. Wiatr ten unosi ze Słońca materię w tempie około miliona ton na sekundę, którego część zasila jonosferę. Co więcej, gdy na Słońcu dochodzi do rozbłysku, czyli nagłego uwolnienia wielkiej energii wskutek rekonfiguracji pola magnetycznego, powstawać mogą wielkie wyrzuty koronalne. W przestrzeń kosmiczną uwalniany jest wówczas nawet miliard ton plazmy! Te naładowane cząstki mogą mieć skrajnie wysokie energie i stanowią realne zagrożenie. Większość tej materii dociera do ziemskiego pola magnetycznego, powodując m.in. zjawiska zorzowe. Znaczna część zaczyna poruszać się w jonosferze w sposób uporządkowany – powstają burze magnetyczne i tworzą się gigantyczne strumienie jonów, czyli prąd elektryczny. W tym miejscu wracamy do opisanego wcześniej zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Bowiem zmiany w polu magnetycznym (także prądy jonosferyczne wytwarzające silne dodatkowe pole magnetyczne) mogą wzbudzić ruch ładunków w przewodnikach i zainicjować przepływ prądu.
Wpływ Słońca na elementy infrastruktury telekomunikacyjnej i przesyłowej
Napisałem wcześniej, że wiatr słoneczny, szczególnie wzmożony podczas rozbłysków, jest strumieniem plazmy. Najbardziej energetyczne cząstki mogą dotrzeć do Ziemi już po kilkunastu minutach od rozbłysku i potencjalnie zagrażać układom elektronicznym na pokładach satelitów.
Wiatr słoneczny, który porusza się w przestrzeni ze średnią prędkością 500 km/s, osiąga Ziemię po 3-4 dniach. Może wywołać burze magnetyczne i powodować pojawienie się indukowanych prądów elektrycznych w energetycznych liniach przesyłowych i metalowych rurociągach. Same zaś burze magnetyczne są przyczyną zakłóceń w łączności (głównie satelitarnej i naziemnej długo- i średnio-falowej). Kilkadziesiąt lat temu, gdy audycje radiowe emitowano na falach długich, zaburzenia w jonosferze powodowały nadmierne trzaski i szumy. W historii telekomunikacji zapisało się kilka niecodziennych zdarzeń związanych z wiatrem słonecznym i jego efektami.
1 września 1859 roku burza magnetyczna, spowodowana słonecznym rozbłyskiem obserwowanym przez Richarda Carringtona, wywołała awarie sieci telegraficznych w całej Europie i Ameryce Północnej. Donoszono o przypadkach zapalenia się papieru w telegrafach od iskier spowodowanych skokiem natężenia. Mimo odłączenia baterii, indukowany przez burzę prąd był na tyle silny, że pozwalał na przesyłanie wiadomości telegraficznych. Inny, bliższy przykład to rok 1989, kiedy zaindukowany w sieciach energetycznych prąd spowodował awarie w Kanadzie. W 1967 roku zakłócenia w systemach radarowych, wywołane burzą magnetyczną w północnych obszarach Ziemi, stały się przyczyną chwilowego napięcia w polityce światowej i groziły wybuchem wojny.
W niedawnym raporcie Amerykańskiej Akademii Nauk eksperci ostrzegają, że burza podobna do tej z 1859 roku mogłaby obecnie spowodować globalną katastrofę telekomunikacyjną. Przypuszcza się, że przy tak wielkiej skali zjawiska, wiele sieci energetycznych uległoby przeciążeniu, a znaczna część satelitów telekomunikacyjnych – trwałemu uszkodzeniu. Mogłoby to grozić wstrzymaniem dostaw energii elektrycznej na sporych obszarach nawet przez kilka miesięcy.
Współczesne badania stanu jonosfery
W związku z zagrożeniami, jakie niosą zakłócenia w polu magnetycznym Ziemi, jonosfera stała się ważnym tematem badań w wielu ośrodkach naukowych na całym świecie. Celem tym obserwacji jest nie tylko poszerzanie aktualnej wiedzy o tzw. pogodzie kosmicznej, ale także próba przewidywania jej wpływu na naszą planetę.
W przypadku jonosfery, główne badania dotyczą pochłaniania i refrakcji fal radiowych. Realizuje się je poprzez analizę sygnałów z systemów nawigacyjnych GNSS. Na bazie drobnych zmian w czasie propagacji sygnału z satelity do odbiornika określa się rozkład gęstości i dynamikę zmian plazmy w jonosferze. W innych metodach badane są odbicia i absorpcja promieniowania w warstwach jonosfery poprzez tworzenie sygnałów próbnych. Tak działają jonosondy i inne emitujące fale radarowe instalacje naziemne (np. EISCAT – European Incoherent Scatter Scientific Association). Wykorzystuje się również metodę okultacyjną, gdzie sygnał próbny z satelity badany jest przez inne systemy satelitarne.
Atmosfera ziemska, która wydaje się nam tak oczywista, ma niezwykle złożoną formę i mającym niebagatelny wpływ na życie, ale też na działalność człowieka. Bardzo dynamicznie rozwijające się badania atmosfery, w tym także jonosfery, uczą nas, że system wzajemnych powiązań tworzy delikatną i wrażliwa na różne czynniki strukturę. Że wpływ naszej dziennej gwiazdy, mimo, że jest odległa o 150 milionów kilometrów jest kluczowy dla wielu elementów wykorzystywanej przez człowieka infrastruktury.
[i] Plazma to materia zjonizowana, gdzie nieobojętne eklektycznie cząstki znajdują się w stanie skupienia podobnym do gazu. Makroskopowo plazma jest zazwyczaj obojętna elektrycznie.
[ii] Jonizacja to zjawisko tworzenia się anionów i kationów wskutek pewnych procesów fizycznych na poziomie atomowych (zderzenia, wybicie elektronu przez foton, rozpady jądrowe) lub molekularnym (rozpad wiązań chemicznych, reakcje chemiczne).
