आयनमण्डल (Ionosphere) वायुमंडल का वह भाग है जो पृथ्वी की सतह से लगभग 50 किलोमीटर से लेकर 1000 किलोमीटर की ऊँचाई तक फैला हुआ है। इसमें गैस के अणु सूर्य के पराबैंगनी (ultraviolet) किरणों के प्रभाव से आयनित हो जाते हैं। इस प्रक्रिया को आयनीकरण कहा जाता है, और इसके परिणामस्वरूप मुक्त इलेक्ट्रॉन और आयन उत्पन्न होते हैं।
आयनमण्डल की विशेषताएँ:
- रेडियो तरंगों का परावर्तन: आयनमण्डल रेडियो तरंगों को परावर्तित करने की क्षमता रखता है, जिससे लंबी दूरी की रेडियो संचार संभव होती है।
- उच्च आवृत्ति पर प्रभाव: आयनमण्डल में इलेक्ट्रॉनों की सघनता के कारण उच्च आवृत्ति की रेडियो तरंगों का संचरण प्रभावित होता है।
आयनीकरण की परतें
आयनमण्डल को चार मुख्य परतों में बाँटा जाता है:
- D परत: लगभग 50-90 किलोमीटर की ऊँचाई पर स्थित है। इसमें रेडियो तरंगों का अवशोषण अधिक होता है।
- E परत: लगभग 90-150 किलोमीटर की ऊँचाई पर स्थित है। यह रेडियो तरंगों को परावर्तित करने में सक्षम है। यह आयनमंडल की सबसे टिकाऊ परत है और इसे केनली हेवीसाइड परत भी कहते हैं।
- F1 परत: लगभग 150-250 किलोमीटर की ऊँचाई पर स्थित है। दिन में विभाजित रहती है और रात में F2 परत से मिल जाती है।
- F2 परत: 250-400 किलोमीटर की ऊँचाई पर स्थित है। यह सबसे उच्च सघनता वाली परत है और रेडियो तरंगों का प्रभावी परावर्तन करती है।
रात के समय, F परत ही प्रमुख रूप से आयनीकृत होती है, जबकि E और D परतों में आयनीकरण बहुत कम होता है। दिन में, D और E परतें अत्यधिक आयनीकृत हो जाती हैं, और F परत में एक अतिरिक्त, अपेक्षाकृत कमजोर आयनीकरण क्षेत्र विकसित होता है, जिसे F1 परत कहा जाता है। F2 परत दिन और रात दोनों समय बनी रहती है और रेडियो तरंगों के अपवर्तन और परावर्तन के लिए मुख्य रूप से जिम्मेदार होती है।
आयनमण्डल का उपयोग
रेडियो तरंगों (विद्युच्चुंबकीय तरंगों) के प्रसारण में आयनमंडल की महत्वपूर्ण भूमिका होती है। सूर्य की पराबैंगनी किरणों और उच्च ऊर्जा वाले कणों के प्रभाव से आयनमंडल की गैसें आयनित हो जाती हैं। इस प्रक्रिया के कारण ई-परत, जिसे केनली-हेवीसाइड परत भी कहा जाता है, आयनों से भरपूर होती है और विद्युच्चुंबकीय तरंगों को परावर्तित कर देती है। किसी स्थान से प्रसारित रेडियो तरंगें आकाश की ओर बढ़ती हैं और आयनमंडल से परावर्तित होकर पृथ्वी के विभिन्न हिस्सों तक पहुँचती हैं। शॉर्टवेव (लघु तरंगें) को आयनमंडल के माध्यम से हजारों किलोमीटर दूर तक प्रसारित किया जा सकता है।
1. रेडियो संचार
आयनित वायुमंडलीय गैसों की उच्च आवृत्ति (HF, या शॉर्टवेव) रेडियो तरंगों को अपवर्तित करने की क्षमता के कारण, आयनमंडल पृथ्वी की सतह से ऊपर भेजी गई रेडियो तरंगों को पुनः पृथ्वी की ओर परावर्तित कर सकता है। जब रेडियो तरंगें एक निश्चित कोण पर आकाश की ओर निर्देशित होती हैं, तो वे क्षितिज से परे पृथ्वी पर वापस आ सकती हैं। इस प्रक्रिया को “स्किप” या “स्काईवेव” प्रसार कहा जाता है, और इसका उपयोग 1920 के दशक से अंतर्राष्ट्रीय या अंतरमहाद्वीपीय संचार के लिए किया जा रहा है। रेडियो तरंगें पृथ्वी की सतह से दोबारा आकाश में परावर्तित हो सकती हैं, जिससे कई बार उछलते हुए अधिक दूरी तक सिग्नल पहुँचाया जा सकता है।
हालाँकि, यह संचार विधि दिन और रात के समय, मौसम और 11-वर्षीय सनस्पॉट चक्र के आधार पर भिन्न हो सकती है, जिससे इसकी विश्वसनीयता प्रभावित होती है। 20वीं सदी के पहले भाग में यह विधि ट्रांसओशनिक टेलीफोन और टेलीग्राफ सेवा, व्यापार और कूटनीतिक संचार के लिए व्यापक रूप से उपयोग की जाती थी। लेकिन इसकी अविश्वसनीयता के कारण दूरसंचार उद्योग ने इसे काफी हद तक छोड़ दिया है। इसके बावजूद, यह अभी भी उच्च अक्षांशीय क्षेत्रों में उपयोगी है जहाँ उपग्रह आधारित संचार संभव नहीं है। शॉर्टवेव प्रसारण अंतरराष्ट्रीय सीमाओं को पार करने और कम लागत पर बड़े क्षेत्रों को कवर करने में सहायक है। स्वचालित सेवाएँ, निजी मनोरंजन संपर्क, और आपातकालीन संचार के लिए अभी भी इसका उपयोग किया जाता है। सशस्त्र बल भी शॉर्टवेव का उपयोग इसलिए करते हैं ताकि वे उपग्रहों जैसे कमजोर बुनियादी ढाँचे पर निर्भर न रहें। इसके अलावा, शॉर्टवेव संचार की कम विलंबता इसे स्टॉक ट्रेडिंग जैसे क्षेत्रों में भी आकर्षक बनाती है, जहाँ मिलीसेकंड भी महत्वपूर्ण होते हैं।
2. अपवर्तन का तंत्र
जब रेडियो तरंगें आयनमंडल में प्रवेश करती हैं, तो उनका विद्युत क्षेत्र आयनमंडल में मौजूद इलेक्ट्रॉनों को उसी आवृत्ति पर दोलन करने के लिए प्रेरित करता है। कुछ ऊर्जा इन दोलनों में स्थानांतरित हो जाती है। ये दोलित इलेक्ट्रॉन पुनर्संयोजन में विलीन हो सकते हैं या मूल तरंग ऊर्जा को फिर से विकीर्ण कर सकते हैं। पूर्ण अपवर्तन तब संभव होता है जब आयनमंडल की टक्कर आवृत्ति रेडियो तरंग की आवृत्ति से कम हो और इलेक्ट्रॉन घनत्व पर्याप्त रूप से अधिक हो।
आयनमंडल के माध्यम से विद्युतचुंबकीय तरंगों के प्रसार को समझने के लिए ज्यामितीय प्रकाशिकी की अवधारणा का उपयोग किया जा सकता है। चूँकि आयनमंडल एक प्लाज्मा है, इसका अपवर्तनांक एकता से कम होता है, जिससे विद्युतचुंबकीय किरणें सामान्य की ओर मुड़ने के बजाय सामान्य से दूर मुड़ती हैं। इसके अलावा, प्लाज्मा का अपवर्तनांक आवृत्ति पर निर्भर करता है, जिसे प्रकाशिकी में फैलाव के रूप में जाना जाता है।
महत्वपूर्ण आवृत्ति वह अधिकतम आवृत्ति है जिस पर या उससे नीचे, रेडियो तरंगें आयनमंडलीय परत द्वारा ऊर्ध्वाधर दिशा में परावर्तित होती हैं। यदि प्रेषित आवृत्ति आयनमंडल की प्लाज्मा आवृत्ति से अधिक हो जाती है, तो इलेक्ट्रॉन पर्याप्त तेजी से प्रतिक्रिया नहीं कर पाते और सिग्नल को पुनः विकीर्ण नहीं कर पाते। इसकी गणना निम्नलिखित समीकरण से की जाती है:
जहाँ N प्रति घन मीटर में इलेक्ट्रॉन घनत्व है और f-critical हर्ट्ज़ (Hz) में होती है।
अधिकतम प्रयोज्य आवृत्ति (MUF) वह ऊपरी आवृत्ति सीमा है जिसका उपयोग किसी विशेष समय पर दो बिंदुओं के बीच संचरण के लिए किया जा सकता है। इसकी गणना निम्नलिखित सूत्र से की जाती है:
जहाँ α (alpha)घटना का कोण है, अर्थात क्षितिज के सापेक्ष तरंग का कोण, और sin साइन फ़ंक्शन है।
कटऑफ आवृत्ति वह आवृत्ति है जिसके नीचे रेडियो तरंगें आयनमंडल की एक परत को उस परत से अपवर्तन द्वारा दो निर्दिष्ट बिंदुओं के बीच संचरण के लिए आवश्यक कोण पर भेदने में असमर्थ हो जाती हैं।
3. जीपीएस/जीएनएसएस आयनमंडलीय सुधार
वैश्विक नेविगेशन सैटेलाइट सिस्टम (GNSS) पर आयनमंडल के प्रभावों को मापने और उन्हें कम करने के लिए कई मॉडल का उपयोग किया जाता है। वर्तमान में, जीपीएस में आयनमंडलीय प्रभावों को सुधारने के लिए क्लोबुचर मॉडल का उपयोग किया जाता है, जिसे 1974 के आसपास यूएस एयर फ़ोर्स जियोफिजिकल रिसर्च लेबोरेटरी में जॉन (जैक) क्लोबुचर ने विकसित किया था। गैलीलियो नेविगेशन सिस्टम, नेक्विक मॉडल का उपयोग करता है। गैलीलियो सिस्टम प्रभावी आयनीकरण स्तर की गणना के लिए तीन गुणांक प्रसारित करता है, जिनका उपयोग नेक्विक मॉडल द्वारा लाइन-ऑफ-विज़न के साथ रेंज विलंब की गणना के लिए किया जाता है।
4. अन्य अनुप्रयोग
ओपन सिस्टम इलेक्ट्रोडायनामिक टेदर पर भी शोध किया जा रहा है, जो आयनमंडल का उपयोग करता है। अंतरिक्ष टेदर विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के माध्यम से पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र से ऊर्जा प्राप्त करने के लिए प्लाज्मा संपर्ककों और आयनमंडल को एक सर्किट के रूप में उपयोग करता है।
आयनमंडल मापन
वैज्ञानिक आयनमंडल की संरचना को समझने के लिए कई विधियों का उपयोग करते हैं, जिनमें शामिल हैं:
- आयनमंडल से उत्पन्न प्रकाशीय और रेडियो उत्सर्जन का अवलोकन: इस विधि से वैज्ञानिक विभिन्न आवृत्तियों की रेडियो तरंगों के व्यवहार को मापते हैं।
- असंगत बिखराव रडार: जैसे EISCAT, सोंड्रे स्ट्रोमफजॉर्ड, मिलस्टोन हिल, एरेसिबो, एडवांस्ड मॉड्यूलर असंगत बिखराव रडार (AMISR), और जिकामार्का रडार। ये रडार आयनमंडल के इलेक्ट्रॉन घनत्व और तापमान को मापने के लिए उपयोग किए जाते हैं।
- सुसंगत बिखराव रडार: जैसे सुपर डुअल ऑरोरल रडार नेटवर्क (सुपरडार्न)। ये रडार आयनमंडल में घनत्व में होने वाली अनियमितताओं का अध्ययन करते हैं।
- विशेष रिसीवर: ये रिसीवर यह पता लगाते हैं कि आयनमंडल से परावर्तित तरंगों में प्रेषित तरंगों की तुलना में क्या बदलाव हुआ है।
- HAARP (हाई फ़्रीक्वेंसी एक्टिव ऑरोरल रिसर्च प्रोग्राम): यह आयनमंडल के गुणों को संशोधित करने के लिए उच्च-शक्ति वाले रेडियो ट्रांसमीटर का उपयोग करता है। इस कार्यक्रम का उद्देश्य आयनमंडलीय प्लाज्मा के गुणों और व्यवहार का अध्ययन करना है। इसे 1993 में एक बीस वर्षीय परियोजना के रूप में शुरू किया गया था और यह वर्तमान में अलास्का के गकोना में सक्रिय है।
सुपरडार्न रडार परियोजना
सुपरडार्न रडार परियोजना 8 से 20 मेगाहर्ट्ज की आवृत्तियों का उपयोग करके उच्च और मध्य अक्षांशों पर आयनमंडल का अध्ययन करती है। यह परियोजना, ब्रैग स्कैटरिंग के समान, आयनमंडलीय घनत्व में होने वाली अनियमितताओं का अध्ययन करती है। इसमें 11 से अधिक देशों और उत्तरी एवं दक्षिणी गोलार्धों में कई रडार शामिल हैं।
उपग्रहों द्वारा मापन
वैज्ञानिक उपग्रहों और तारों से गुजरने वाली रेडियो तरंगों में होने वाले परिवर्तनों का अध्ययन कर भी आयनमंडल का निरीक्षण करते हैं। प्यूर्टो रिको स्थित “एरेसिबो टेलीस्कोप” का मूल उद्देश्य पृथ्वी के आयनमंडल का अध्ययन करना था।
आयनोग्राम
आयनोग्राम आयनमंडल की विभिन्न परतों की आभासी ऊँचाइयों और महत्वपूर्ण आवृत्तियों को दर्शाता है। इसे आयनोसॉन्ड उपकरण के माध्यम से मापा जाता है, जो 0.1 से 30 मेगाहर्ट्ज तक की आवृत्तियों की एक श्रृंखला को आयनमंडल में ऊर्ध्वाधर रूप से प्रसारित करता है। जैसे-जैसे आवृत्ति बढ़ती है, तरंगें परावर्तित होने से पहले परत में गहराई तक प्रवेश करती हैं। अंततः, एक ऐसी आवृत्ति पर तरंग पहुँचती है जो परावर्तित हुए बिना परत में प्रवेश करने में सक्षम होती है। इस प्रकार, प्रत्येक आवृत्ति पर परावर्तित रेडियो तरंग की गणना करके आयनोग्राम तैयार किया जाता है।
जीएनएसएस रेडियो प्रच्छादन
रेडियो ऑकल्टेशन, एक दूरमापन तकनीक है जिसमें एक जीएनएसएस सिग्नल वायुमंडल से होकर पृथ्वी को छूते हुए लो अर्थ ऑर्बिट (LEO) उपग्रह द्वारा प्राप्त होता है। जब सिग्नल वायुमंडल से गुजरता है, तो यह अपवर्तित, मुड़ता और विलंबित होता है। LEO उपग्रह कई सिग्नल पथों के कुल इलेक्ट्रॉन सामग्री और झुकाव कोण का नमूना लेते हैं। इन आंकड़ों से अपवर्तन की एक रेडियल प्रोफ़ाइल का पुनर्निर्माण किया जाता है।
प्रमुख जीएनएसएस रेडियो प्रच्छादन मिशनों में GRACE, CHAMP, और COSMIC शामिल हैं।
आयनमंडल के सूचकांक
F10.7 और R12: ये सूचकांक आयनमंडल की स्थिति का आकलन करने के लिए उपयोग किए जाते हैं। F10.7 सौर रेडियो उत्सर्जन की तीव्रता को मापता है, जबकि R12 सनस्पॉट संख्याओं का 12 महीने का औसत है।
भूचुंबकीय गड़बड़ी: ए-इंडेक्स और के-इंडेक्स भू-चुंबकीय क्षेत्र के क्षैतिज घटक के व्यवहार का मापन करते हैं। के-इंडेक्स भू-चुंबकीय क्षेत्र की ताकत को 0 से 9 तक के अर्ध-लघुगणकीय पैमाने पर मापता है। बोल्डर के-इंडेक्स बोल्डर भू-चुंबकीय वेधशाला द्वारा मापा जाता है।
अन्य ग्रहों और उपग्रहों के आयनमंडल
सौरमंडल में जिन पिंडों का वायुमंडल है, उनमें आमतौर पर आयनमंडल भी होता है। इनमें शुक्र, मंगल, बृहस्पति, शनि, यूरेनस, नेपच्यून और प्लूटो शामिल हैं। टाइटन का आयनमंडल 880 से 1300 किमी की ऊँचाई तक फैला है और इसमें कार्बन यौगिक शामिल हैं। आयनमंडल आयो, यूरोपा, गेनीमीड और ट्राइटन पर भी देखा गया है।