İng. Ionosphere

İyonküre, havakürenin 60 ile 1.000 km arasında yer alan ve Güneş’in kuvvetli X- ve mor ötesi ışınlarıyla iyonize olan bir plazma katmanıdır (Şekil 1). İyonkürenin en temel değişkeni serbest elektron yoğunluğudur. İyon yoğunluğu tipik olarak 10¹⁰ ve 10¹² el/m³ arasında değişir. Yerküre manyetik alanının etkisi altında yönbağımlı (anisotropic) hâle gelen uzay-zamanda farklı ölçeklerdeki döngülerle değişen ve düzgün dağılmayan (inhomogeneous) iyonküre, ‘manyetoplazma’ olarak adlandırılır.^1,2

İyonküre, elektron yoğunluğu, iyon çeşitliliği miktarına bağlı olarak D (60 ile 90 km), E (90-150 km) ve F (150-400 km) alt katmanlarına ayrılır (Şekil 1). Bu alt katmanlar, 3-30 MHz (Kısa Dalga-KD) bandında iletişim, yön bulma ve ufuk ötesi radar sistemlerinde elektromanyetik dalgaların yayılması ve alt katman içinde kırılarak yeryüzüne tekrar geri dönmesinde belirleyici plazma ortamlarıdır.² İyonkürede yayılan ve KD bandında kırılarak/yansıyarak yeryüzüne geri dönen elektromanyetik dalga yolları Şekil 1’de KD bandında ışın izlerini temsil eden turuncu eğri çizgilerle gösterilmiştir.

İyonkürenin en alt katmanı olan D’de iyonlar, serbest elektronlar ve nötr havaküre molekülleri birlikte bulunur. Bu alt katmanda foto-kimyasal iyonlaşmanın en temel nedeni, nitrik oksit (NO) molekülünün 121,6 nanometre (nm) dalga boyunda hidrojen kaynaklı Lyman-alfa ışımasıyla etkileşmesidir. Ayrıca 1 nm’den küçük dalga boylarında Güneş kaynaklı X ışınları, N₂ ve O₂ moleküllerinde iyonlaşmaya neden olabilir. Özellikle 5 MHz’den daha küçük frekanslarda yayılan elektromanyetik dalgalar, serbest elektronların diğer molekül ve atomlarla çarpışmasına, böylece dalganın taşıdığı gücün zayıflamasına ve soğurulmasına neden olurlar. Daha yüksek frekanslardaki haberleşme, seyir/güdüm ya da radar sinyalleri oransal olarak fazla etkilenmeden bu alt katmandan geçebilir. Bu bölgedeki iyonlaşma miktarı tipik olarak iyonosonda geriçatma elektron yoğunluğu profillerinde gözlenemez. Aşırı Alçak Frekans (Extremely Low Frequency-ELF) ve Çok Alçak Frekans (Very Low Frequency-VLF) bantlarında yapılan yayınlar yerküre yüzeyi ve D katmanı arasında oluşan küresel bir dalga kılavuzu arasında yayılarak çok uzun mesafeler için haberleşmeyi olanaklı hâle getirir.

İyonkürenin E alt katmanında O₂ molekülleri, dalgaboyu 1 ile 10 nm arasında değişen X ışınları ve uzak morötesi ışınlarla iyonlaşır. Gündüz öğle saatlerinde artan iyonlaşma ile KD bandında 10 MHz altında haberleşme mümkün olabilir. Gece saatlerinde ise elektron yoğunluğu oldukça azalır ve bu katmanın iyonosonda sinyalleri ile tespiti zorlaşır. Nedeni tam olarak anlaşılamayan bir şekilde, bazı zamanlarda E alt katmanında iyonlaşma çok yüksek düzeylere ulaşır. Düzensiz E katmanı (Sporadic E-Es) olarak adlandırılan bu katman nedeniyle normalde E katmanından geri yansımayacak 50 MHz ile 450 MHz arasındaki frekans bandında üretilen elektromanyetik dalgalar haberleşme için kullanılabilir. Genellikle amatör radyocuların ilgisini çeken Es, normal yayınların kesilmesine ya da hedeflenenden farklı konumlardan alınmasına neden olabilir.

İyonkürenin haberleşme açısından en kararlı katmanı F’dir. F katmanı gündüz saatlerinde F1 ve F2 olarak iki ayrı alt katmana ayrışır. Gece saatlerinde ise F1 ve F2 birleşerek tek bir katman olarak gözlenir. İyonlaşma, baskın olarak dalgaboyu 10 ile 100 nm arasındaki morötesi ışınlarla ortaya çıkar. 400 km’ye kadar olan bu bölgede O₂⁺, NO⁺ve O⁺ iyonları bulunur. F alt katmanında iyonlaşma genellikle foto-kimyasal değişimler yerine elektronların hareketlerinden ortaya çıkan difüzyon kaynaklıdır. F alt katmanının en büyük plazma frekansı foF2 olarak gösterilir. En büyük iyonlaşma yüksekliği ise hmF2 olarak adlandırılır. foF2 ve hmF2’nin değişkenliği iyonküre modelleri ve KD bandında yapılan yayınların kapsama alanlarının belirlenmesinde önemli rol oynar. Voice of America (VOA), Deutche Welle (DW) ve TRT Türkiye’nin Sesi (Voice of Turkey-VOT) gibi KD bandında düzenli yayın yapan kurumlar, foF2 ve hmF2’nin aylık-saatlik ortalama değerleri üzerinden yayın frekanslarını ayarlar.

İyonkürenin F katmanının üstünde, 400 ile 1.000 km arasında kalan bölgede daha hafif olan H+ ve He+ iyonları bulunur ve iyonküre, plazmaküreye karışır. Alçak Yörünge Uyduları - Low Earth Orbit (LEO), Uzay Mekiği ve Uluslararası Uzay İstasyonu F katmanının üzerinde 500 km ile 800 km arasında yer alır. Plazmaküre içinde yer alan Orta Yörünge - Middle Earth Orbit (MEO) Global Positioning System (GPS) gibi konumlama ve seyir uyduları yaklaşık 20.000 km yükseklikte yörüngeye oturtulur. Bu uyduların sinyalleri de iyonküredeki öngörülmesi zor ani değişimlerden etkilenir. Bu durum konumlama ve zamanlama hatalarına neden olmaktadır.

İyonküre yerküre manyetik alanının akı çizgilerinin yoğunluğu ve dağılımına göre kutup, orta enlem ve ekvatoral olarak üç ana bölgeye ayrılır (Şekil 2).³ Kutup bölgeleri genel olarak Jeomanyetik ekvatora göre 60-90 derece jeomanyetik enleminin arasındaki bölgedir. Kutup bölgeleri ve ekvatoral bölgede yerküre manyetik alanının etkisi altında hareket eden iyonlar ve serbest elektronlar elektrojet adı verilen çevrel akımlara neden olur.^4,5 Ülkemiz Kuzey Yarım Küre’de orta enlem bölgesinde yer almaktadır.

İyonkürenin temel 24 saatlik (gün-tün), 27 günlük (aylık), mevsimlik, yıllık ve 11 yıllık zaman döngüleri ile belirlenen zaman yönsemeleri olduğu gibi jeomanyetik fırtınalar sırasında ortaya çıkan çok şiddetli elektron artış ve azalışlarıyla kendini gösteren ani değişimleri de bulunmaktadır.² Bu nedenle iyonküredeki elektron yoğunluğunun uzay-zamandaki hareketliliği, yönseme (döngüsel birincil değişimler) ve bozulmalar (farklı ölçeklerde ikincil değişimler) olarak iki farklı rassal alanın toplamı şeklinde ifade edilebilir. Bilinen ana döngülere bağlı yönseme bileşeninin saatlik-aylık ortanca davranışı için ampirik deterministik olarak konuma, yüksekliğe, tarih ve zamana bağlı olarak geliştirilen matematiksel fonksiyonlara iyonküre modeli adı verilmektedir.

En tanınan ve en yaygın olarak kullanılan iyonküre modeli Uluslararası Referans İyonesfer -International Reference Ionosphere (IRI)’dir. IRI, 1970’lerden bu yana Uzay Araştırmaları Komitesi - Committee on Space Research (COSPAR) ve Uluslararası Radyo Bilimleri Birliği - International Union of Radio Science (URSI) ortak çalışma gruplarındaki 20’den fazla ülkeden araştırmacıyla geliştirilen, iyonkürenin standart modelidir (standart TS16457).^6-9 IRI modeli 90 km ile 2.000 km arasında kalan katmanların kritik frekanslarını, en büyük iyonlaşma yüksekliklerini, elektron ve iyon yoğunlukları ile elektron ve iyon ısılarını konuma, yüksekliğe, tarih ve zamana bağlı ve çevrimiçi olarak http://irimodel.org/ adresinden sunmaktadır.^10-12 Ülkemizden Hacettepe Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği öğretim üyesi Prof. Dr. Feza Arıkan 2014 yılından bu yana IRI çalışma grubunun üyesidir.

IRI Extended to Plasmaspere (IRI-Plas), IRI modelinin üzerine Dr. Tamara Gulyaeva (IZMIRAN, Rusya) tarafından geliştirilmiştir.^13,14 IRI-Plas, iyonküreyi 20.000 km yüksekliğe kadar modelleyebilmekte ve ikincil değişimlere göre yönseme modelini güncelleyebilmek için Toplam Elektron İçeriği (TEİ) verilerini girdi olarak kabul etmektedir.^15,16 IRI-Plas çevrimiçi olarak www.ionolab.org sitesinden sunulmaktadır.¹⁷

Hacettepe Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü’nün hüzmete sunduğu www.ionolab.org sitesinde kulla nıcıya bağlı olarak istenilen coğrafi bölge, tarih ve zaman için IRI-Plas’tan üretilen F2 alt katmanı kritik frekansı (foF2) ve en büyük iyonlaşma yüksekliği (hmF2) haritaları IRI-Plas-MAP olarak sunulmaktadır.¹⁸ IRI-Plas-MAP kullanılarak 10 Ekim 2021 günü 12:00 GS’de üretilen yerküresel kritik frekans foF2 haritası Şekil 3’te, en büyük iyonlaşma yüksekliği hmF2 haritası Şekil 4’te örnek olarak verilmiştir (www.ionolab.org).

İyonküredeki elektron yoğunluğu doğrudan ölçülemez. Uzaktan algıma yöntemiyle elektron yoğunluğu profillerinin kestirilmesi için en temel sistem iyonosondalardır.¹⁹ İyonosondalar iyonkürenin 3-30 MHz bandındaki sinyalleri yansıtma özelliğini kullanarak tasarlanan radar sistemleridir. İyonosondalar, sinyallerinin frekansları iyonküre plazma frekansına eşleştiği yüksekliğe kadar iyonküre içerisinde yol alırlar. Sinyal frekansının plazma frekansına eşleştiği yükseklikte kırılma indisi sıfır olur ve elektromanyetik dalga daha fazla ilerleyemez. Enerjinin ve gücün korunumu yasasına göre yeryüzüne geri yansır. Giden ve gelen sinyal arasındaki zaman farkı ile yansıyan frekansın birbirine göre bir grafik olarak ifade edilmesine ionogram adı verilir. Bu ionogram sinyalleri işlenerek iyonküre ve elektron yoğunluğunu belirleyen parametreler kestirilebilir.

Kutup Bölgesinde İyonküre Yapısı

Kutup bölgesindeki iyonküre son derece hareketli ve karmaşık bir yapı sergilemektedir.^20,21 Bu yapının en belirgin ve en tanınanı kutup ışıklarıdır. Güneş rüzgârı ile taşınan yüklü parçacıkların iyonküredeki iyonlarla çarpışmalarından ortaya çıkan kutup ışıkları, foto-kimyasal ve dinamik yapıda bir doğa olayıdır (bkz. Kutup Işıkları).²¹ Latince isimleri ile Güney Yarım Küre’de Aurora Australis, Kuzey Yarım Küre’de Aurora Borealis olarak bilinen kutup ışıklarının NASA tarafından Uluslararası Uzay İstasyonu’ndan çekilen fotoğrafları Şekil 5 ve Şekil 6’da verilmiştir (https://earthobservatory.nasa.gov/images/44348/aurora-australis-observed-from-the-international-space-station; https://scitechdaily.com/new-iss-image-of-the-pacific-northwest-and-an-aurora/). Kutup bölgesinde özellikle D ve E alt katmanlarındaki iletken plazmanın yerküre manyetik alanının etkisinde oluşan çevrel akımlara Kutupsal Elektrojet (Auroral Electrojet) adı verilir. Yerküre yüzeyinden 100 ile 150 km yukarıda oluşan ve Hall Akımı olarak nitelenen Elektrojetler genellikle 65⁰ ile 75⁰ enlemleri arasında yer alan Kutupsal Oval (Auroral Oval) bölgesinde gözlenir. Kutupsal Oval bölgesinin kalınlığı jeomanyetik etkinlik düzeyine göre 100 km ile 1.500 km kalınlıkta oluşabilir. Şekil 7’de NASA tarafından IMAGE uydularında bulunan morötesi algılayıcılarla elde edilen, Kanada üzerindeki Kutupsal Oval gösterilmiştir (https://astronomy.com/news/2010/04/cluster-spacecraft-takes-first-look-at-acceleration-processes-driving-aurorae).

Jeomanyetik fırtınalar sırasında Güneş rüzgârı ile taşınan yüksek enerjili parçacıklar Yerküre manyetik alanının yere dik geldiği ve zayıfladığı kutup bölgelerinden havaküreye ve iyonküreye girerler. Dolayısıyla kutupsal iyonküre, jeomanyetik fırtınalardan en çok etkilenen bölgelerin başında gelir. Böyle zamanlarda kutupsal oval ve elektrojet akımları bölgesi aşağı enlemlere doğru genişler. Güneş parlamaları (solar flare) ve Kütlesel Taç Bölge Atımları (Coronal Mass Ejection) ile yayılan protonların kutup bölgesindeki iyonküreye bağlaşımları ile oluşan yoğun dinamik ortam, D ve E alt katmanlarında yapısal bozulmalara neden olur ve kutup tepesi emilimi (polar cap absorption) olarak adlandırılır. Bu durumlarda KD ve Çok Yüksek Frekans (Very High Frequency-VHF) bandında yapılan yayınlar iyonküre tarafından soğurulur. Alçak Frekans (Low Frequency-LF) ve Çok Alçak Frekans (Very Low Frequency-VLF) bantlarında yapılan yayınlar ise normalden çok daha alçak irtifalardan geri yansır.

Şekil 8’de 17 Mart 2015’te 24. Güneş döngüsünün en güçlü jeomanyetik fırtınalarından biri olan Aziz Patrick Günü fırtınası²² sırasında Duluth, Minnesota (MN), ABD’de gözlenen kutup ışıkları görülmektedir. Duluth 46,78⁰ Kuzey enleminde yer alır ve normal koşullarda bu bölgede kutup ışıkları gözlenmez. Kutuplardan iyonküreye bağlaşan jeomanyetik fırtına nedeniyle aşırı iyonlaşma, orta enlem bölgesine giren Duluth şehrinde etkisini göstermiştir.

İyonosondaların verilerinin işlenmesiyle elde edilen kutup bölgesi elektron yoğunluğu profillerine örnekler Şekil 9’da sunulmuştur. Şekil 9a’da Antarktika’da yer alan Davis (DV36Q) iyonosondasından, Şekil 9b’de Norveç’te bulunan Tromso (TR169) iyonosondasından geriçatılan elektron yoğunluğunun yüksekliğe göre dağılımı verilmiştir. 2014, 24. Güneş döngüsünün, Güneş hareketliliğinin ve Güneş Lekesi Sayısının (GLS) en yüksek olduğu yıldır (Solar Maximum). 21 Haziran gündönümünde Kuzey Yarım Küre’de yaz, Güney Yarım Küre’de kış mevsimi yaşanmaktadır. Dolayısıyla Tromso’da ölçülen en büyük iyonlaşma yoğunluğu, Davis’te gözlenenden 4,5 kat fazladır.

İyonkürenin kutup bölgelerindeki değişkenlik gerek görsel gerek bilimsel olarak incelenmeye devam edilmektedir. Bu bölgede çekilen fotoğraflara https://www.istockphoto.com/tr adresinden “ionosphere”, “aurora borealis”, “aurora australis”, “midnight sun” anahtar kelimeleriyle arama yapılarak ulaşılabilir. Bilimsel çalışmalar yerden Kutup Bölgesi iyonosondaları, manyetik alan için riometreler ve manyetometreler, Evre-Uyumsuz Geri Saçılım Radarı (Incoherent Scatter Radar); uzaydan alçak yörünge uydularında ve Uluslararası Uzay İstasyonu’nda bulunan elektron yoğunluğu ölçümü için Langmuir Prob, görüntüleme için Optik, Isıl ve Morötesi kameralar, iyon yoğunluğu ölçerler, manyetik alan ve bileşenlerini ölçen algılayıcılar (manyetometreler) kullanılarak sürdürülmektedir.

Şekil 2: Jeomanyetik ekvatora göre jeomanetik koordinatlarda verilen iyonkürenin kutup, orta enlem ve ekvatoral bölgeleri.

Şekil 3: IONOLAB tarafından geliştirilen ve www.ionolab.org sitesinden bir uzay havası hizmeti olarak sunulan IRI-Plas-MAP ile 10 Ekim 2021 günü 12:00 GS’de üretilen yerküresel foF2 haritası

Şekil 4: IONOLAB tarafından geliştirilen ve www.ionolab.org sitesinden bir uzay havası hizmeti olarak sunulan IRI-Plas-MAP ile 10 Ekim 2021 günü 12:00 GS’de üretilen yerküresel hmF2 haritası

Şekil 5: Uluslararası Uzay İstasyonundan gözlenen Güney Kutup Işıkları

Şekil 6: Uluslararası Uzay İstasyonundan Kuzeybatı Amerika üzerinde gözlenen Kuzey Kutup Işıkları

Şekil 7: Kanada üzerinde NASAIMAGE uydusundaki morötesi algılayıcılarla çekilen kutupsal oval imgesi

Şekil 8: 17 Mart 2015’te Duluth, MN, ABD’de gözlenen Kuzey Kutup Işıkları

Şekil 9. 21 Haziran 2014 günd.nümünde 11:50 GS’de kutup bölgesi iyonosondaları olan

a) Güney Yarım Küre’de Davis, Antarktika ve

b) Kuzey Yarım Küre’de Tromso, Norveç’te elde edilen elektron yoğunluğu profilleri