आयनांबर

आयनांबर : पृथ्वीच्या वातावरणातील स्तरावरण व मध्यावरणाच्या पलीकडे [→ वातावरण] असलेल्या ऊष्मावरणातील सु. ८० ते ३०० किमी. उंचीमधील संपूर्ण पृथ्वीभोवताली आढळणारे विद्युत् संवाहक हवेचे आवरण. सौरप्रारणाचा शक्तिशाली जंबुपार भाग (वर्णपटातील जांभळ्या रंगाच्या पलीकडील लघुतर तरंगलांबीचे सौरप्रारण) या आवरणातील विरळ हवेत शिरल्यामुळे घटकवायूंच्या रेणूंचे अणूंत विदलन (पृथक्करण) होते आणि अणूंचे पुन्हा मूलघटकांत विच्छेदन होते. त्यामुळे अगणित धन विद्युत् भारित आयन (अणू, रेणू वा अणुगट) व मुक्त इलेक्ट्रॉन या स्तरात परिभ्रमण करीत असतात. अशा आयनांच्या व मुक्त इलेक्ट्रॉनांच्या उपस्थितीमुळेच या स्तराला आयनांबर अशी संज्ञा दिली गेली आहे. आयनांबरातील बहुसंख्य मुक्त इलेक्ट्रॉन व विद्युत् भारित आयनांमुळे वातावरणाच्या ह्या भागाला विद्युत् संवहनाचा गुण प्राप्त झाला आहे. ह्याच संवाहक थरातून पृथ्वीवरील एका ठिकाणाहून निघालेल्या उच्च कंप्रता (दर सेकंदात घडून येणाऱ्या तंरंगांची किंवा कंपनांची संख्या ) असलेल्या रेडिओ-लघुतरंगाचे परावर्तन होऊन ते हजारो किमी. दूर असलेल्या ठिकाणी जाऊन पोहोचू शकतात. जगातील अतिदुरस्थ ठिकाणांशी रेडिओद्वारा संदेशवहन, संपर्क व दळणवळण साधणे आयनांबरामुळे शक्य झाले आहे.

आकृतीमधील क या स्थानकापासून प्रेषित झालेले तरंग आयनांबरात शिरल्यावर प्रणमनाने (वक्रीभवनाने) विचलित व परावर्तित होऊन खाली आलेले व ख या दूरच्या स्थानी पोचलेले दाखविले आहेत.

संदेशवहनाच्या दृष्टीने रेडिओ-तरंगांचा उपयोग अल्प अंतरापर्यंत करता येईल अशी इ. स. १९०१ पर्यंत कल्पना होती. पण १९०१ साली मार्कोनी यांच्या काही प्रयोगांत युरोपात प्रेषित झालेले रेडिओ-तरंग जेव्हा अटलांटिक महासागरापलीकडे जाऊन पोचल्याचे दिसले, तेव्हा १९०२ मध्ये अमेरिकेतील ए. ई. केन्‌ली आणि इंग्लंडातील ऑलिव्हर हेव्हिसाइड या दोन शास्त्रज्ञांनी स्वतंत्रपणे पृथ्वीच्या बाह्य वातावरणात पृथ्वीवरील रेडिओ संकेत परत पृथ्वीकडे परावर्तित करणारा विद्युत् संवाहक विभाग असावा, अशा परिकल्पनेचा विकास केला. पृथ्वीच्या कर्षुकीय (चुंबकीय) क्षेत्रात घडून येणाऱ्या क्रमबद्ध बदलांची कारणपरंपरा देताना बॅल्फूर स्ट्यूअर्ट यांनीही १८८२ साली आयनांबरासारखे गुणधर्म असणारा थर उच्च वातावरणात असला पाहिजे असे प्रतिपादिले होते. १९०१ ते १९३० पर्यंतच्या कालावधीत आयनांबराला ‘केन्‌ली-हेव्हिसाइड स्तर’ याच नावाने निर्देशिले जात होते.

आयनांबराच्या गुणधर्मांचे प्रत्यक्ष मापन करण्यास १९२५ मध्ये इंग्लंडमध्ये ई. व्ही. ॲपलटन आणि एम्. ए. एफ्. बार्नेट यांनी व अमेरिकेत जी. ब्राइट आणि एम्. ए. ट्यूव्ह यांनी सुरुवात केली. नंतरच्या काही प्रयोगांत ऊर्ध्व दिशेने पाठविलेले रेडिओ-स्पंदतरंग (अल्पकाल टिकणारे रेडिओ संकेत) १ ते २ मेगॅहर्ट्झपेक्षा (मेगॅहर्टझ म्हणजे प्रतिसेकंदास होणारी दशलक्ष कंपन संख्या) कमी कंप्रतेचे असल्यास उच्च वातावरणातील आयनीभूत झालेल्या स्तरात शोषिले जातात किंवा त्यांच्याकडून परावर्तित केले जातात, तर रेडिओ-स्पंदतरंग १५ ते २० मेगॅहर्टझपेक्षा अधिक कंप्रतेचे असल्यास ते संपूर्ण वातावरण पार करून अवकाशात लय पावतात, असे आढळून आले. त्यावरून उच्चतर कंप्रतेचे रेडिओ-तरंग परावर्तित व्हायला आयनांबरात इलेक्ट्रॉनांची घनता अधिकतर असावी लागते असा महत्त्वाचा निष्कर्ष निघाला. रेडिओ-स्पंदतरंग प्रेषणस्थानकापासून निघून आयनांबरात परावर्तित  होऊन त्या तरंगांना दूरच्या ग्रहणस्थानकापर्यंत पोचायला लागलेल्या कालावधीवरून आयनांबरातील परावर्तक थरांच्या उंचीचे अनुमान केले जाते. ०·५ ते २० मेगॅहर्ट्झ कंप्रता असलेल्या विविध तरंगांचा उपयोग रेडिओद्वारा दळणवळण व संकेतविनिमय साधण्यासाठी केला जातो. प्रत्येक कंप्रतेच्या बाबतीत विस्तृत प्रमाणावर अन्वेषण (संशोधन) झाले असून, उच्च वातावरणात भौगोलिक स्थान, दिनमान, ऋतू, सूर्याचे क्रियाशीलत्व, सूर्यावरील डागांचे ११ वर्षांचे आवर्तन आदी कारणांचे विविध थरांतील मुक्त इलेक्ट्रॉनीय घनतेवर काय परिणाम होतात याचे जवळजवळ सर्वंकष ज्ञान आता उपलब्ध झाले आहे. आयनांबराची संरचना व तीत सातत्याने होणारे बदल यांचीही कल्पना शास्त्रज्ञांना आली आहे. ह्या अन्वेषणाला रॉकेट व कृत्रिम उपग्रहांचे बहुमोल साह्य झाले आहे. विविध वातावरणीय थरांतील मुक्त इलेक्ट्रॉनीय घनतामापनासाठी सध्याच्या सर्व कृत्रिम उपग्रहांत आयनसोंड नावाची उपकरणे ठेवलेली असतात.

आयनांबरात उंचीप्रमाणे तपमान वाढत जाते. लघुतरंगलांबीच्या सौरप्रारणाचे आयनांबरातील संरचनेवर वर्चस्वी परिणाम होतात. वर्णपटातील २००० अँगस्ट्रॉम एकक (१०^-८ सेंमी.) तरंगलांबीपेक्षा कमी तरंगलांबी असलेले सौर तरंग सरळपणे शोषिले गेल्यामुळे आयनांबराला ऊर्जा प्राप्त होते. तेथील वातावरणातील वायुकणांच्या गतीवर मुख्यत्वेकरून सूर्याचेच नियंत्रण असते याशिवाय, चंद्रसूर्यामुळे निर्माण झालेल्या वातावरणवेला, वैश्विक प्रारण (बाह्य अवकाशातून पृथ्वीवर पडणारे जटिल व अतिशय भेदक प्रारण), उल्का, सौरशिखा (भडका, उज्ज्वाला), सौरसमीर (सूर्यापासून उत्सर्जित होणारा प्रोटॉनांचा प्रवाह), कर्षुकीय वादळे, वातावरणाची गती इत्यादींमुळे आयनांबरात विक्षोभ (खळबळ) होतात. त्यामुळे रेडिओ-तरंगांचे अभिशोषण होऊन संदेशवहनात व्यत्यय येतो, कधीकधी ते पूर्णतया बंद पडते. आयनांबराची उच्च सीमा स्तरीय परावर्तनशीलतेवर अवलंबून असते, नीचतम सीमा स्तरांच्या अभिशोषणशीलतेवर अवलंबून असते.

आयनांबराचे मुक्त इलेक्ट्रॉन असलेले E आणि F असे दोन मुख्य विभाग केले जातात. याशिवाय, D नावाचा मुख्यत्वेकरून दिवसा आढळणारा आयनांबराचा तिसरा थर मानण्यात येतो.

(१) D थर (किंवा प्रदेश) : आयनांबराच्या तळाकडच्या सु. ६० ते ८५ किमी. उंचीमध्ये हा थर आढळतो. ह्या थराचा वरचा भाग वातावरणातील नायट्रिक ऑक्साइड या वायुघटकाच्या रेणूंचे हायड्रोजनाच्या लघुतरंगलांबीच्या प्रारणामुळे विदलन व आयनीभवन झाल्याने अस्तित्वात येतो. ह्याच थराचा खालचा भाग मुख्यत्वेकरून सौर व वैश्विक प्रारणांमुळे वायुकणांचे विदलन व आयनीभवन झाल्यामुळे अस्तित्वात येतो.

D थरात दिवसा इलेक्ट्रॉनांचे प्रमाण प्रतिघनमीटरामध्ये १०^८ ते १०^९ इलेक्ट्रॉन इतके असते. वैश्विक प्रारणामुळे अव्याहतपणे आयनीभवनक्रिया चालू राहिली तरी रात्री D थर जवळजवळ लुप्तप्राय होतो. दिवसा मुक्त झालेले इलेक्ट्रॉन वायुरेणूंशी रात्री संलग्न होऊन ऋण विद्युत् भारित आयन निर्माण करतात. अशा विलीनीकरणामुळे मुक्त इलेक्ट्रॉनांची संख्या रात्री खूपच कमी होते व संदेशवहन थांबते. दिवसा सौर प्रकाशाच्या उपस्थितीत ऋण विद्युत् भारित आयनांपासून इलेक्ट्रॉन मुक्त होतात आणि संदेशवहन पुन्हा सुरू होते. उज्ज्वाला, क्ष-किरण-उद्रेक व ध्रुवीय प्रकाश (पृथ्वीच्या ध्रुवीय प्रदेशात आढळणारा विविधरंगी प्रकाशीय आविष्कार) यांसारख्या सौर घटनांचे D थरांच्या क्रियाशीलतेवर विघातक परिणाम होतात.

(२) E थर :सूर्यापासून उत्सर्जित झालेले मृदू (मर्यादित पार्यता-आरपार जाण्याचा गुण-असलेले दीर्घ तरंगलांबीचे) क्ष-किरण व चरम जंबूपार प्रारण (जंबुपार प्रारणापलीकडेचे अत्यंत लहान तरंगालांबीचे प्रारण) ८५ पासून १४० किमी. उंचीमधील वातावरणीय थरात शोषिले जाते. त्यामुळे दिवसाच्या वेळी मुक्त इलेक्ट्रॉनांची संख्या प्रतिघनमीटरामध्ये १०^११ किंवा तत्सम मूल्याइतकी वाढते. ह्या परावर्तनशील थराला E थर असे नाव दिले आहे. सर्वप्रथम आढळलेले आयनांबरीय परावर्तन ह्याच थरात घडले होते. O₂⁺, O⁺ (धन विद्युत् भारित ऑक्सिजनाचे रेणू व अणू) व NO⁺ (धन विद्युत् भारित नायट्रिक ऑक्साइडाचे रेणू) हे E थरातील प्रमुख आयन होत. ज्या मृदू क्ष-किरणांमुळे मुख्यत्वेकरून E थर निर्माण होतो, त्याच क्ष-किरणांमुळे N₂⁺ आयन (धन विद्युत् भारित नायट्रोजनाचे रेणू) सुद्धा निर्माण होत असावेत. परंतु N₂⁺ आयन बहुधा आढळत नाहीत. ऑक्सिजनाच्या अणूंशी त्यांचा तत्काळ संयोग होऊन NO⁺ व O₂⁺ आयन अस्तित्वात येतात.

NO⁺ आणि O₂⁺ आयनांची निर्मिती

N₂⁺ + O ——-→  NO⁺ + N

N₂⁺ + O₂ ——-→    O₂⁺ + N₂ अशा विक्रियांनी विशद केली जाते.

(३) F थर :हा थर १४० किमी. उंचीपासून सुरू होतो. त्याचे F₁ व F₂ असे दोन भाग केले जातात. F₁ भाग १४० ते २०० किमी. उंचीमध्ये सामाविलेला असतो. F₂ भाग २०० किमी. उंचीनंतर सुरू होतो. सूर्यपासून उत्सर्जित होणारे वर्णपटाच्या २०० ते ९०० अँगस्ट्रॉम तरंगलांबी असलेले अतिजंबूपार प्रारण प्रकर्षाने शोषिले गेल्यामुळे F थर निर्माण होतात. १६० किमी. उंचीच्या जवळपासच्या भागात लघुतरंगलांबीच्या सौरप्रारणाचे शोषण अधिकतम प्रमाणात होते. त्यामुळे ह्याच उंचीच्या लगतच्या थरांत दिवसाच्या वेळी आयनीकरणाने शिखरबिंदू गाठलेला असतो. त्याला F₁ शिखर म्हणतात. ३०० किमी. च्या उंचीवर आणखी एक महत्तम आयनीभवनाचा थर आढळतो. त्याला F₂ शिखर म्हणतात. ह्या थरात इलेक्ट्रॉनांचे प्रमाण प्रतिघनमीटरामध्ये १०^१२ इलेक्ट्रॉन याप्रमाणे असते. F थरात आयनीभवन, आयन-इलेक्ट्रॉन पुन:संयोग (अणूंचे विच्छेदन झाल्यानंतर मूलघटकांचे पुनर्मीलन होऊन अणू तयार होणे), आयन-अणू अदलाबदल विक्रिया, विदलन इ. घडवून आणणाऱ्या क्रिया-प्रक्रिया सतत चालू असतात आणि त्यांच्या त्वरेवर इलेक्ट्रॉनीय घनता अवलंबून असते. F थरांतील विक्रियांत हवेतील ऑक्सिजन, नायट्रोजन, नायट्रिक ऑक्साइड व आयनीभवनामुळे मुक्त झालेले इलेक्ट्रॉन (e) भाग घेतात. पुढील सूत्रांनी त्या लिहिता येतात.

O⁺ + N₂ –→ NO⁺ + N NO⁺ + e –→ N + O

रेडिओ-तरंगांच्या संवहनाच्या दृष्टीने आयनांबराचा ऊर्ध्व दिशेने विस्तार साधारणपणे ३०० किमी. पर्यंत असतो असे समजण्यात येते.

३०० किमी. उंचीनंतर होणाऱ्या प्रकाश-आयनीभवनात आणवीय ऑक्सिजनाचाच भाग अधिक असतो. ५०० किमी. उंचीनंतर हीलियम आणि आणवीय हायड्रोजन महत्त्वपूर्ण अंशग्रहण करतात. ह्या भागांना अनुक्रमे हीलियोस्फिअर (किंवा हीलियमावरण) आणि प्रोटॉनस्फिअर (किंवा प्रोटॉनावरण) अशी नावे दिली आहेत.

वातावरणाच्या ज्या भागांत आयनद्रायूच्या (आयनांच्या समूहांच्या) गतीवर भूकर्षुकीय क्षेत्राचे वर्चस्व व नियंत्रण असते त्या भागाला कर्षुकावरण असे म्हणतात. F₁ थरापासून किंवा १५० किमी. उंचीपासून ऊर्ध्व दिशेने तो सुरू होतो. त्याची बाह्य सीमा दिवसा पृथ्वीच्या त्रिज्येच्या १० पट उंच असलेल्या पातळीपर्यंत असावी असा अंदाज आहे. रात्रीच्या वेळी कर्षुकावरण अवकाशात शेपटासारखे अतिदूर अंतरापर्यंत पसरलेले असते [→ भूचुंबकत्व].

मुख्यत्वेकरून सौरप्रारणामुळे आयनांबर अस्तित्वात येते. त्यामुळे आयनांबराचे गुणधर्म समांगी (सर्वत्र सारखे) असावेत अशी वरकरणी अपेक्षा असते. प्रत्यक्षात निदान F थरांत तसे आढळत नाही. काही चौरस मीटर ते अनेक चौरस किलोमीटरांच्या क्षेत्रात भिन्न इलेक्ट्रॉन घनतेमुळे अनेक ठिकाणी आयनांबरातील F थरांच्या गुणधर्मांत विषमता आढळते. विषमता असलेली ही क्षेत्रे कर्षुकीय क्षेत्राच्या दिशेने पसरलेली असतात. त्यामुळे एक ‘विस्तारित F थर’ अस्तित्वात येतो. या पट्ट्यातून परावर्तित झालेल्या रेडिओ-तरंगांचे पृथ्वीवरील आयनसोंड यंत्रांवर खूप जाड रेषेने अभिलेखन होते.

कधीकधी आयनांबरातील E थरात एक किंवा दोन किमी. जाडीच्या अरुंद थरात इलेक्ट्रॉनीय घनता दुपटीने किंवा अधिक पटींनी वाढते. वरून व खालून आलेले इलेक्ट्रॉन तेथे केंद्रित होतात. क्वचित प्रसंगी हे आयन धातवीय स्वरूपाचे असतात. ते उल्कांच्या भस्मीभवनामुळे या पट्ट्यात येत असावेत असा अंदाज आहे. त्यामुळे आकस्मिकपणे निर्माण होणाऱ्या ह्या अपसामान्य थराला ‘तुरळक E थर’ या नावाने ओळखले जाते.

विषुववृत्तीय भागात सु. ४०० किमी. उंचीवर एक वेगळाच G नावाचा थर क्वचितच निर्माण होतो.

ठाकूर, अ. ना.

“