پرده های درخشان سبز، قرمز و بنفش نورهای شمالی و جنوبی – شفق های قطبی – شاید معروف ترین پدیده هایی هستند که آسمان شب را روشن می کنند، اما اسرارآمیزترین آنها رگه های بنفش و سفید به نام استیو و همراه همیشگی آنها، سبز درخشان است. “حصار”.
استیو اولین بار در سال 2018 به‌عنوان متمایز از شفق‌های قطبی معمولی شناخته شد. . اما دانشمندان در مورد چگونگی تولید این گازهای گلخانه ای درخشان سر خود را خاراندند.
Claire Gasquet، دانشجوی کارشناسی ارشد فیزیک در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، اکنون توضیحی فیزیکی برای این پدیده ها ارائه کرده است که کاملاً متفاوت از فرآیندهای مسئول شفق های شناخته شده است. او با محققانی از آزمایشگاه علوم فضایی پردیس (SSL) همکاری کرد تا به ناسا یک موشک را به قلب شفق قطبی پرتاب کند تا بفهمد آیا درست می‌گوید یا خیر.
شفق های قطبی پر جنب و جوش و پدیده های درخشان مانند استیو و حصار حصار با ورود خورشید به دوره فعال چرخه 11 ساله خود رایج تر می شوند و نوامبر ماه خوبی برای مشاهده استیو در عرض های جغرافیایی شمالی بود. از آنجا که همه این پدیده های نوری گذرا توسط طوفان های خورشیدی و پرتاب جرم تاجی از خورشید ایجاد می شوند، نزدیک شدن به حداکثر خورشیدی زمان ایده آلی برای مطالعه رویدادهای نادر مانند استیو و حصار است.
گسکه در مقاله ای که ماه گذشته در مجله منتشر شد، فیزیک پشت حصار را توصیف می کند نامه های تحقیقاتی ژئوفیزیک و نتایج را در 14 دسامبر در یک سخنرانی دعوت شده در نشست اتحادیه ژئوفیزیک آمریکا در سانفرانسیسکو مورد بحث قرار خواهد داد.
او محاسبه کرد که در ناحیه‌ای از اتمسفر فوقانی جنوبی‌تر از جایی که شفق‌ها شکل می‌گیرند، میدان‌های الکتریکی موازی با میدان مغناطیسی زمین می‌توانند طیف رنگی حصار را ایجاد کنند. اگر درست باشد، این فرآیند غیرمعمول پیامدهایی برای چگونگی درک فیزیکدانان از جریان انرژی بین مگنتوسفر زمین، که زمین را در برابر باد خورشیدی احاطه کرده و از آن محافظت می کند، و یونوسفر در لبه فضا دارد.
گسکه گفت: «این مدل‌سازی ما را از آنچه که نور و انرژی در شفق قطبی ایجاد می‌کند در برخی موارد تغییر می‌دهد.
«آنچه واقعاً در مورد مقاله کلر جالب است این است که ما چندین سال می‌دانستیم که طیف استیو به ما می‌گفت که فیزیک بسیار عجیبی در جریان است. برایان هاردینگ، یکی از نویسندگان مقاله و دستیار تحقیقاتی SSL گفت: ما فقط نمی دانستیم آن چیست. مقاله کلر نشان داد که میدان های الکتریکی موازی قادر به توضیح این طیف عجیب و غریب هستند.
مقاله یک پروژه جانبی از Ph.D Gasquet بود. پایان نامه ای که بر رابطه بین رویدادهایی مانند آتشفشان ها در سطح زمین و پدیده هایی در یونوسفر در 100 کیلومتری یا بیشتر بالای سر ما متمرکز بود.
اما پس از شنیدن در مورد استیو – که قبلاً به مخفف افزایش سرعت تشعشع حرارتی قوی تبدیل شده بود – در کنفرانسی در سال 2022، او نتوانست در مقابل نگاه کردن به فیزیک پشت استیو و حصار مقاومت کند.
او گفت: “این واقعا عالی است.” این یکی از بزرگترین رازهای فیزیک فضایی در حال حاضر است.
فیزیک استیو و حصار پیکت
شفق‌های قطبی معمولی زمانی اتفاق می‌افتند که باد خورشیدی ذرات را در مگنتوسفر زمین، اغلب در ارتفاعات بیش از 1000 کیلومتری از سطح، بار می‌کند. این ذرات پرانرژی در اطراف خطوط میدان مغناطیسی زمین به سمت قطب ها می چرخند، جایی که با هم برخورد می کنند و مولکول های اکسیژن و نیتروژن را در اتمسفر فوقانی تحریک می کنند. وقتی این مولکول‌ها شل می‌شوند، اکسیژن فرکانس‌های خاصی از نور سبز و قرمز ساطع می‌کند، در حالی که نیتروژن یک خط انتشار کمی قرمز اما عمدتاً آبی ایجاد می‌کند.
پرده های رنگارنگ و درخشان حاصل می توانند هزاران کیلومتر در عرض های جغرافیایی شمالی یا جنوبی کشیده شوند.
با این حال، استیو خطوط انتشار مجزا را نشان نمی‌دهد، بلکه طیف وسیعی از فرکانس‌ها را حول بنفش یا بنفش متمرکز می‌کند. و برخلاف شفق‌های قطبی، نه استیو و نه حصار پیکت نور آبی ساطع نمی‌کنند، که وقتی پرانرژی‌ترین ذرات به نیتروژن برخورد می‌کنند و یونیزه می‌شوند، ایجاد می‌شود. استیو و حصار حصار در عرض‌های جغرافیایی پایین‌تر از شفق قطبی، به طور بالقوه حتی در جنوب استوا نیز رخ می‌دهند.
برخی از محققان پیشنهاد می‌کنند که استیو توسط جریان‌های یونی در اتمسفر فوقانی ایجاد می‌شود که رانش یون زیر شفقی یا SAID نامیده می‌شود، اگرچه هیچ توضیح فیزیکی قابل قبولی برای اینکه چگونه SAID می‌تواند انتشارات رنگارنگ ایجاد کند وجود ندارد.
علاقه گاسک با پیشنهاداتی برانگیخته شد که انتشارات حصار می تواند توسط میدان های الکتریکی در ارتفاع پایین موازی با میدان مغناطیسی زمین ایجاد شود، وضعیتی که تصور می شود غیرممکن است زیرا هر میدان الکتریکی همسو با میدان مغناطیسی باید به سرعت کوتاه شده و ناپدید شود.
گسکه با استفاده از یک مدل فیزیک عمومی از یونوسفر، متعاقباً نشان داد که یک میدان الکتریکی موازی متوسط - حدود 100 میلی ولت در متر – در ارتفاع حدود 110 کیلومتری می‌تواند الکترون‌ها را به انرژی‌هایی که اکسیژن و نیتروژن را تحریک می‌کنند و طیف نور را مشاهده می‌کنند، شتاب دهد. کنار حصار شرایط غیرمعمول در این منطقه، مانند چگالی کمتر پلاسمای باردار و اتم‌های اکسیژن و نیتروژن خنثی‌تر، می‌تواند به طور بالقوه به عنوان عایق برای جلوگیری از کوتاه شدن میدان الکتریکی عمل کند.
«اگر به طیف حصار نگاه کنید، بسیار سبزتر از آن چیزی است که انتظار دارید. و هیچ یک از آبی که از یونیزاسیون نیتروژن حاصل می شود وجود ندارد. این به ما می گوید که فقط طیف انرژی خاصی از الکترون ها وجود دارد که می توانند این رنگ ها را ایجاد کنند و آنها نمی توانند از فضا به اتمسفر بیایند زیرا آن ذرات انرژی زیادی دارند.
در عوض، او گفت: “نور از حصار توسط ذراتی ایجاد می شود که باید دقیقاً در فضا توسط یک میدان الکتریکی موازی انرژی داده شوند، که مکانیسمی کاملاً متفاوت از هر شفق قطبی است که قبلاً مطالعه کرده ایم یا می شناسیم.”
او و هاردینگ مشکوک هستند که خود استیو ممکن است توسط فرآیندهای مرتبط تولید شده باشد. محاسبات آنها همچنین نوع انتشار فرابنفش این فرآیند را پیش‌بینی می‌کند که می‌تواند برای تأیید فرضیه حصار جدید آزمایش شود.
او گفت، اگرچه محاسبات گسک مستقیماً درخششی را که باعث می شود این پدیده شبیه حصار به نظر برسد، محاسبه نمی کند، اما احتمالاً به دلیل تغییرات موجی در میدان الکتریکی است. و در حالی که ذراتی که توسط میدان الکتریکی شتاب می گیرند احتمالاً از خورشید نیستند، به هم زدن جو توسط طوفان های خورشیدی احتمالاً استیو و حصار پیکت و همچنین شفق قطبی معمولی را تحریک می کند.
شفق های قطبی تقویت شده درخششی حصار مانند را نشان می دهند
هاردینگ گفت گام بعدی پرتاب موشک از آلاسکا از طریق این پدیده ها و اندازه گیری قدرت و جهت میدان های الکتریکی و مغناطیسی است. دانشمندان SSL در طراحی و ساخت ابزارهایی تخصص دارند که این کار را انجام می دهند. بسیاری از این ابزارها بر روی فضاپیماهایی هستند که اکنون به دور زمین و خورشید می چرخند.
در ابتدا، هدف چیزی خواهد بود که به عنوان درخشش تقویت‌شده شناخته می‌شود، که یک درخشش معمولی با انتشارات حصار مانندی است که در آن تعبیه شده است.
«درخشش تقویت‌شده اساساً این لایه روشن است که در درخشش معمولی ساخته شده است. رنگ‌ها شبیه به حصار حصار هستند زیرا رنگ آبی زیادی ندارند و بیشتر از اکسیژن و قرمز از نیتروژن برخوردارند. فرضیه این است که این میدان‌های الکتریکی نیز توسط میدان‌های الکتریکی موازی ایجاد می‌شوند، اما بسیار رایج‌تر از حصار پیکت هستند.»
او گفت که این طرح نه تنها «پرتاب یک موشک از طریق این لایه تقویت‌شده برای اندازه‌گیری این میدان‌های الکتریکی موازی برای اولین بار» است، بلکه ارسال موشک دوم برای اندازه‌گیری ذرات در ارتفاعات بالاتر «برای تشخیص شرایط از آنها». در نهایت، او امیدوار به موشکی است که مستقیماً از طریق استیو و حصار پرواز کند.
هاردینگ، گاسکه و همکارانش چنین کمپین موشکی را به ناسا در پاییز امسال پیشنهاد کردند و انتظار دارند که در نیمه اول سال 2024 در مورد انتخاب آن بشنوند. گسکه و هاردینگ این آزمایش را گام مهمی در درک شیمی و فیزیک قسمت بالایی می دانند. جو، یونوسفر و مگنتوسفر زمین و پیشنهادی تحت برنامه دسترسی کم هزینه به فضا (LCAS) که توسط ناسا برای پروژه هایی مانند این حمایت می شود.
منصفانه است که بگوییم در آینده تحقیقات زیادی در مورد اینکه چگونه این میدان های الکتریکی به آنجا رسیده اند، با چه امواجی مرتبط هستند یا نیستند، و این برای انتقال بیشتر انرژی بین جو زمین و فضا چه معنایی دارد، انجام خواهد شد. هاردینگ گفت. «ما واقعاً نمی دانیم. مقاله کلر اولین گام در زنجیره این درک است.
گسکه از مشارکت افرادی که در مورد یونوسفر میانی، یا مزوسفر، و استراتوسفر مطالعه می کردند، ابراز قدردانی کرد، که ایده های آنها به او کمک کرد تا راه حل را پیدا کند.
او گفت: «با این همکاری، ما توانسته‌ایم پیشرفت بسیار خوبی در این زمینه داشته باشیم. راستش را بخواهید، ما فقط دنبال دماغمان بودیم و از این موضوع هیجان زده می شدیم.»
علاوه بر هاردینگ، دیگر نویسندگان او رضا جانعلی زاده از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا در پارک دانشگاه، جاستین یونکر از آزمایشگاه فیزیک کاربردی دانشگاه جان هاپکینز در لورل، مریلند، و دی. مگان گیلیس از دانشگاه کلگری در آلبرتا، کانادا هستند. .
پشتیبانی جزئی از این کار توسط بنیاد ملی علوم (AGS-2010088)، اداره ملی هوانوردی و فضایی (80NSSC21K1386) و کمک هزینه تحصیلی رابرت پی. لین در دانشگاه برکلی ارائه شد.
