1

مشاهدات یک موشک زیرمداری ناسا به گروهی بین‌المللی از متخصصان این امکان را داد که برای اولین بار یک میدان الکتریکی جهانی را که زمین را احاطه کرده است، اندازه‌گیری کنند.

طبق گفته دانشمندان، این میدان الکتریکی آمبی‌پولار به اندازه جاذبه و مغناطیس برای زمین حیاتی است.

این کشف از داده‌های مأموریت Endurance ناسا به دست آمده است، مأموریتی که بر منطقه‌ای در بالاترین لایه‌های جو زمین متمرکز بود که با فرار هوا به فضا ارتباط دارد.

میدان الکتریکی آمبی‌پولار زمین

بیش از نیم قرن پیش، دانشمندان فرض کردند که این میدان سرتاسری زمین، نقشی در چگونگی خروج ذرات از جو زمین از طریق قطب‌های شمال و جنوب ایفا می‌کند.

اندازه‌گیری این پدیده، که به نام میدان الکتریکی آمبی‌پولار شناخته می‌شود، به دانشمندان کمک می‌کند نیروهای پشت آنچه که به عنوان «باد قطبی» شناخته شده است را درک کنند.

گلین کالینسون، محقق اصلی مأموریت Endurance در مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا در مریلند و نویسنده اصلی مقاله‌ای است که اخیراً در ژورنال Nature منتشر شده است.

معمای خروج هوا از قطب‌ها

در اواخر دهه ۱۹۶۰، فضاپیماهایی که بر فراز قطب‌های زمین حرکت می‌کردند، یک جریان مداوم از هوا را مشاهده کردند که از سیاره خارج می‌شد. نظریه‌پردازان این پدیده را “باد قطبی” نامیدند و متعجب بودند که چگونه ذرات سرد بدون هیچ منبع گرمایی آشکار، می‌توانند با سرعت مافوق صوت حرکت کنند.

دانشمندان حدس زدند که یک نیروی نامرئی باید در حال کار باشد. کالینسون توضیح داد: «چیزی باید این ذرات را از جو بیرون بکشد.»

بسیاری انتظار داشتند که این جریان به دلیل تأثیر خورشید باشد، اما استمرار این باد قطبی نشان داد که توضیحی دیگر نیز وجود دارد.

محققان بر این باور بودند که یک میدان الکتریکی ضعیف ممکن است عامل آن باشد، اما ابزارهای پیشین قادر به شناسایی آن نبودند.

چگونه میدان الکتریکی زمین کشف شد؟

تیم مأموریت Endurance محل پرتاب را اسوالبارد، مجمع‌الجزایری در نروژ، انتخاب کرد.

سوزی ایمبر، فیزیکدان فضایی از دانشگاه لستر بریتانیا و یکی از نویسندگان مقاله گفت:** «اسوالبارد تنها پایگاه پرتاب موشک در جهان است که در آن می‌توان از میان باد قطبی عبور کرد و اندازه‌گیری‌های لازم را انجام داد.»

این منطقه به دانشمندان امکان داد تا مسیرهای کلیدی خروج ذرات باردار از جو محافظتی زمین را مورد بررسی قرار دهند.

در ۱۱ مه ۲۰۲۲، موشک Endurance تا ارتفاع ۷۶۸.۰۳ کیلومتر بالا رفت و ۱۹ دقیقه بعد در دریای گرینلند فرود آمد. در طی یک مسیر ۵۱۸ کیلومتری از صعود، موشک تنها ۰.۵۵ ولت اختلاف پتانسیل الکتریکی را ثبت کرد.

کالینسون گفت: «نیم ولت تقریباً هیچ است – چیزی در حد قدرت یک باتری ساعت – اما دقیقاً به اندازه‌ای است که بتواند باد قطبی را توضیح دهد.»

جو فوق‌العاده رقیق در آن ارتفاعات، همراه با ابزارهای تخصصی موشک، امکان مشاهده پدیده‌هایی را فراهم کرد که برای دهه‌ها از دید دانشمندان پنهان مانده بود.

زمین، میدان‌های الکتریکی و بادهای مافوق صوت

هیدروژن، که جزء اصلی این جریان خروجی است، تحت تأثیر این میدان تازه تأیید شده قرار می‌گیرد و نیرویی ۱۰.۶ برابر قوی‌تر از جاذبه زمین را تجربه می‌کند.

الکس گلاسر، دانشمند پروژه Endurance در ناسا و یکی از نویسندگان مقاله گفت: «این نیرو بیش از اندازه کافی است تا بر جاذبه غلبه کند – در واقع، این نیرو به اندازه‌ای قوی است که ذرات را با سرعت مافوق صوت به فضا پرتاب کند.»

یون‌های اکسیژن نیز تحت تأثیر این میدان قرار می‌گیرند و وقتی در این ولتاژ ضعیف غوطه‌ور می‌شوند، نیمی از وزن خود را از دست می‌دهند. این حرکات بدون نیاز به گرمایش محسوس اتفاق می‌افتند، که تا پیش از این، معمایی برای دانشمندان بود.

داده‌های مأموریت Endurance نشان داد که تراکم یونوسفر در ارتفاعات بالاتر ۲۷۱٪ افزایش می‌یابد، که نشان می‌دهد این میدان الکتریکی ضعیف، مقادیر قابل توجهی از جو زمین را به بیرون هدایت می‌کند.

کالینسون افزود: «این فرآیند مانند یک نوار نقاله است که جو را به آرامی به فضا بالا می‌برد.»

فرار جوی و از دست دادن ذرات

فرار جوی پدیده‌ای است که در هر سیاره‌ای که انرژی کافی برای از دست دادن ذرات داشته باشد، رخ می‌دهد. در زمین، سؤال اصلی این است که چگونه یون‌های داغ و حتی نسبتاً سرد می‌توانند از جو خارج شوند.

در حالی که تابش خورشیدی مدت‌ها عامل اصلی این پدیده در نظر گرفته می‌شد، این میدان الکتریکی تازه اندازه‌گیری‌شده، عاملی جدید و مهم را معرفی می‌کند.

مطالعه این فرآیندهای ظریف، به دانشمندان سرنخ‌هایی درباره تکامل گازهایی که جو محافظ ما را تشکیل می‌دهند، ارائه می‌دهد.

طی میلیون‌ها سال، نشت‌های کوچک اما پایدار می‌توانند نحوه تعادل عناصر حیاتی مانند اکسیژن و هیدروژن را تغییر دهند.

درک این فرآیندها به ما کمک می‌کند بفهمیم که چگونه زمین شرایط مناسب برای حیات را حفظ کرده است.

این کشف چه معنایی دارد؟

به طور خلاصه، دانشمندان با اندازه‌گیری این ولتاژ ضعیف در قطب‌های زمین، توانستند معمای قدیمی چگونگی فرار یون‌های سرد از جو زمین را حل کنند.

دانشمندان این میدان را کلید مهمی در درک چگونگی از دست دادن جو در سایر سیارات می‌دانند. همین فرآیندهای فیزیکی ممکن است در سیاراتی مانند مریخ و زهره نیز رخ دهند، جایی که نیروهای الکتریکی نامحسوس می‌توانند بر ضخامت و ترکیب جو تأثیر بگذارند.

مطالعه این تأثیرات در سیارات مختلف، ممکن است حتی سرنخ‌هایی درباره امکان وجود حیات در نقاط دیگر منظومه شمسی ارائه دهد.

کارشناسان تأکید دارند که این میدان الکتریکی تازه تأییدشده، در کنار مغناطیس و جاذبه، یکی از ویژگی‌های اساسی سیاره ما محسوب می‌شود.

کالینسون گفت: «هر سیاره‌ای که جو داشته باشد، باید یک میدان آمبی‌پولار نیز داشته باشد. اکنون که ما بالاخره آن را اندازه‌گیری کرده‌ایم، می‌توانیم بررسی کنیم که چگونه این میدان در طول زمان، هم زمین و هم سایر سیارات را شکل داده است.»

این مطالعه کامل در ژورنال Nature منتشر شده است.