يعتقد طلاب الدراسات العليا أن الظواهر المسماة "ستيفي" و"الأسوار" متخفية في شكل شفق. قد تكون الأضواء الشمالية والجنوبية - الشفق القطبي - التي تتألق بالضوء الأخضر والأحمر والأرجواني، هي الظاهرة الأكثر شهرة التي تضيء سماء الليل، ولكن الأكثر غموضا هي الخطوط الخزامية والبيضاء المعروفة باسم "ستيفز" ورفاقها الدائمين، "الأسوار" الخضراء المتوهجة.
تم التعرف على ستيف - الاسم الحميد الذي أطلق على التحوط المخيف في فيلم للأطفال عام 2006 - لأول مرة على أنه مختلف عن الشفق الشائع في عام 2018، على الرغم من أنه لا يزال يعتقد أن ستيف والتحوطات المرتبطة به ناجمة عن نفس العملية الفيزيائية. لكن العلماء كانوا في حيرة من أمرهم حول كيفية إنشاء هذه الأجسام المضيئة.
وقد اقترحت كلير جاسك، طالبة الدراسات العليا في الفيزياء بجامعة كاليفورنيا في بيركلي، تفسيرًا فيزيائيًا لهذه الظواهر يختلف تمامًا عن عملية إنتاج الشفق القطبي المعروفة. من خلال العمل مع الباحثين في مختبر علوم الفضاء (SSL) بالمدرسة، اقترحت أن تطلق ناسا صاروخًا إلى مركز أورورا لمعرفة ما إذا كانت فكرتها صحيحة.
مع دخول الشمس إلى المرحلة النشطة من دورتها التي تبلغ 11 عامًا، أصبح الشفق النابض بالحياة والظواهر المتوهجة مثل ستيفي والسياج أكثر شيوعًا، ويعد شهر نوفمبر شهرًا جيدًا لمراقبة ستيفي في خطوط العرض الشمالية. نظرًا لأن كل هذه الظواهر المتوهجة العابرة تنجم عن العواصف الشمسية والانبعاثات الكتلية الإكليلية الشمسية، فإن الحد الأقصى الشمسي القادم هو الوقت المثالي لدراسة الظواهر النادرة مثل ستيف وفينس.
وصف جاسكي الفيزياء وراء السياج في ورقة بحثية نُشرت الشهر الماضي في مجلة Geophysical Research Letters، وسيكون متحدثًا ضيفًا في اجتماع الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي في سان فرانسيسكو في 14 ديسمبر لمناقشة النتائج. وحسبت أنه في مناطق الغلاف الجوي العلوي جنوبًا حيث يتشكل الشفق القطبي، يمكن للمجالات الكهربائية الموازية للمجال المغناطيسي للأرض أن تنتج طيف السياج. إذا كانت الحسابات صحيحة، فإن هذه العملية غير العادية يمكن أن يكون لها آثار على كيفية فهم الفيزيائيين لتدفق الطاقة بين الغلاف المغناطيسي للأرض والأيونوسفير على حافة الفضاء.
وقال جاسكي: "في بعض الحالات، سيؤدي هذا إلى قلب نموذجنا لما يسبب الطاقة في الضوء والشفق القطبي". يقول بريان هاردينج، مؤلف مشارك في الورقة البحثية وباحث فيزيائي مساعد في SSL: "الأمر المثير للاهتمام حقًا في بحث كلير هو أننا عرفنا منذ عدة سنوات أن طيف ستيف كان يخبرنا بوجود بعض الفيزياء الغريبة للغاية. لكننا لم نكن نعرف ما هي". "تظهر الورقة أن المجالات الكهربائية المتوازية يمكن أن تفسر هذا الطيف الغريب."
تركز هذه الورقة البحثية، وهي مشروع جانبي لأطروحة دكتوراه جاسكي، على العلاقة بين أحداث مثل البراكين على سطح الأرض وظواهر الغلاف الأيوني على ارتفاع 100 كيلومتر أو أكثر فوق رؤوسنا.
ولكن بعد أن سمعت عن ستيف (وهو الآن اختصار لعبارة "تعزيز سرعة الانبعاثات الحرارية القوية") في مؤتمر عُقد في عام 2022، أجرت بحثًا عن ستيف والفيزياء وراء السياج. وهذا أحد أكبر الألغاز في فيزياء الفضاء في الوقت الحالي.
ستيف وفيزياء الأسوار
يتم إنتاج الشفق القطبي الشائع عندما تعمل الرياح الشمسية على كهربة الجسيمات الموجودة في الغلاف المغناطيسي للأرض. تلتف هذه الجسيمات المشحونة حول خطوط المجال المغناطيسي للأرض باتجاه القطبين، حيث تضرب وتثير جزيئات الأكسجين والنيتروجين في الغلاف الجوي العلوي. عندما تسترخي هذه الجزيئات، يصدر الأكسجين ترددات محددة من الضوء الأخضر والأحمر، بينما ينتج النيتروجين القليل من الضوء الأحمر ولكن في الغالب ضوء أزرق.
ويمكن للستائر الملونة المتلألئة الناتجة أن تمتد لآلاف الكيلومترات عند خطي العرض الشمالي والجنوبي.
ومع ذلك، لا يُظهر ستيف خطوط انبعاث فردية، بل يُظهر نطاقًا واسعًا من الترددات المتمركزة حول اللون البنفسجي أو الخزامي. على عكس الشفق القطبي، لا يصدر ستيف ولا هيدجيرو الضوء الأزرق، الذي تنتجه جزيئات عالية الطاقة تصطدم بالنيتروجين وتؤينه. تحدث نباتات ستيفي وسياجات الشجيرات أيضًا عند خطوط عرض أقل من الشفق القطبي، وقد تحدث حتى جنوب خط الاستواء.
اقترح بعض الباحثين أن "STEV" ناتج عن تدفق الأيونات في الغلاف الجوي العلوي المعروف باسم ParaTaurus Ion Drift، ولكن لا يوجد حاليًا تفسير فيزيائي مقبول لكيفية إنتاج ParaTaurus Ion Drift للإشعاع الملون.
لقد تم اقتراح أن إشعاع السياج قد يتولد من مجالات كهربائية منخفضة الارتفاع موازية للمجال المغناطيسي للأرض، ولكن هذا السيناريو يعتبر غير مرجح لأن أي مجال كهربائي يتماشى مع المجال المغناطيسي سوف ينقطع بسرعة ويختفي.
استخدم جاسكي بعد ذلك النماذج الفيزيائية العادية للغلاف الأيوني لإظهار أنه على ارتفاع حوالي 110 كيلومترات، يمكن لمجال كهربائي موازٍ متواضع - حوالي 100 ميلي فولت لكل متر - أن يسرع الإلكترونات إلى طاقات تثير الأكسجين والنيتروجين وتنتج الطيف المرصود من السياج. قد تعمل الظروف غير الطبيعية في هذه المنطقة، مثل انخفاض كثافة البلازما المشحونة وذرات الأكسجين والنيتروجين الأكثر حيادية، كعازل لمنع حدوث دوائر قصيرة في المجال الكهربائي.
وقال جاسكي: "إذا نظرت إلى طيف السياج، فهو أكثر خضرة بكثير مما تعتقد. لا يوجد لون أزرق بسبب تأين النيتروجين". "هذا يخبرنا أن الإلكترونات فقط في نطاق طاقة معين يمكنها إنتاج هذه الألوان، ولا يمكن أن تأتي من الفضاء أو دخلت الغلاف الجوي لأن هذه الجسيمات نشطة للغاية. وبدلاً من ذلك، يتم إنتاج الضوء عند السياج بواسطة جسيمات يجب تحفيزها بواسطة مجالات كهربائية متوازية في الفضاء، وهو ما يختلف تمامًا عن آلية أي شفق قطبي درسناه أو فهمناه من قبل."
اشتبهت هي وهاردن في أن ستيف نفسه ربما تم إنشاؤه من خلال عملية ذات صلة. وتنبأت حساباتهم أيضًا بنوع الأشعة فوق البنفسجية التي ستنتجها هذه العملية، والتي يمكن فحصها لاختبار فرضيات جديدة حول السياج.
في حين أن حسابات جاسكي لا تعالج بشكل مباشر مسألة توهج المفتاح الذي يجعل الظاهرة تبدو وكأنها سياج، إلا أنها قالت إنه من المحتمل أن يكون ذلك بسبب التغيرات الشبيهة بالموجة في المجال الكهربائي. في حين أن الجسيمات التي يتسارعها المجال الكهربائي قد لا تأتي من الشمس، فإن الاضطرابات في الغلاف الجوي الناجمة عن العواصف الشمسية يمكن أن تؤدي إلى ظهور ستيف وفينس، تمامًا مثل الشفق القطبي العادي.
يُظهر الشفق المحسن توهجًا يشبه السياج
وقال هاردينج إن الخطوة التالية هي إطلاق صاروخ في ألاسكا عبر هذه الظواهر وقياس قوة واتجاه المجالين الكهربائي والمغناطيسي. قام علماء SSL بتصميم وبناء هذه الأداة خصيصًا. يتم تركيب العديد من هذه الأجهزة على المركبات الفضائية التي تدور حول الأرض والشمس.
الهدف الأولي هو ما يسمى الشفق القطبي المعزز، والذي يتضمن انبعاثات تشبه السياج داخل الشفق العادي.
"الشفق القطبي المعزز عبارة عن طبقات لامعة مدمجة في الشفق العادي. وهي تشبه في اللون الأسوار، مع عدم وجود قدر كبير من اللون الأزرق والمزيد من اللون الأخضر من الأكسجين والأحمر من النيتروجين. وقال جاسكي: "فرضيتنا هي أن هذا الشفق يتم إنتاجه أيضًا بواسطة مجالات كهربائية متوازية، لكنها أكثر شيوعًا بكثير من الأسوار". "
لا تقتصر خطة الباحثين على "تحليق صاروخ عبر طبقة التعزيز تلك وقياس هذه المجالات الكهربائية المتوازية فعليًا للمرة الأولى"، ولكن أيضًا إطلاق صاروخ ثانٍ لقياس الجسيمات على ارتفاعات أعلى "لتمييز الظروف التي تسبب الشفق القطبي". في النهاية، نأمل أن يمر الصاروخ عبر ستيف والسياج.
في خريف هذا العام، اقترح هاردن وجاسكي وزملاؤه برنامجًا صاروخيًا كهذا على وكالة ناسا ويأملون في الحصول على رد على خياراتهم في النصف الأول من عام 2024. ويعتقد جاسك وهاردينغ أن التجربة تعد خطوة مهمة نحو فهم كيمياء وفيزياء الغلاف الجوي العلوي والغلاف الأيوني والغلاف المغناطيسي للأرض، وهو اقتراح يتوافق مع برنامج الوصول إلى الفضاء منخفض التكلفة (LCAS) الذي ترعاه وكالة ناسا لمثل هذه المشاريع.
يقول هاردينج: "من العدل أن نقول أنه سيكون هناك الكثير من الأبحاث المستقبلية حول كيفية توليد هذه المجالات الكهربائية، وما هي الموجات المرتبطة بها أو غير المرتبطة بها، وما يعنيه ذلك بالنسبة لنقل أكبر للطاقة بين الغلاف الجوي للأرض والفضاء، وهو ما لا نعرفه حقًا في الوقت الحالي، وتعد ورقة كلير خطوة أولى نحو هذا الفهم".
تشعر جاسكي بالامتنان لمساهمات الأشخاص الذين يدرسون طبقة الميزوسفير، أو الميزوسفير، والستراتوسفير، الذين ساعدتها أفكارهم في إيجاد الحل.
المصدر المجمع: ScitechDaily