لقد أسرت الشفق الساحرة، بستائرها النابضة بالحياة ذات اللون الأخضر والأحمر والأرجواني، مراقبي سماء الليل لفترة طويلة. ومع ذلك، فإن الظهور الأخير لظواهر غريبة تشبه الأضواء الشمالية – الخطوط الأرجوانية والبيضاء المعروفة باسم “ستيف” والمسارات التي تصاحبها غالبًا اخضر فاتح “الحاجز” – أثار اهتمام العلماء ومراقبي السماء.
تم تحديدها لأول مرة في عام 2018 باعتبارها مختلفة عن الشفق القطبي الأكثر شهرة، ستيف، الذي سمي على اسم شخصية في فيلم للأطفال عام 2006، وكان يُعتقد في البداية أن ظاهرة Palisades هي نتاج نفس العمليات الفيزيائية مثل الشفق القطبي الشمالي. ومع ذلك، فإن هذه الفرضية تترك العديد من الأسئلة دون إجابة حول أصولها الفريدة انبعاثات متوهجة.
آلية جديدة تولد توهجات في السماء
أدخل كلير جاسكي، وهي طالبة دراسات عليا واعدة في الفيزياء في جامعة جامعة كاليفورنيا، بيركلي. اقترح جاسكي تفسيرًا مثيرًا للاهتمام لهذه الظواهر، حيث اقترح آلية فيزيائية مختلفة تمامًا عن تلك المسؤولة عن الشفق التقليدي.
وقال جاسكي: “هذا من شأنه أن يقلب نموذجنا لما يخلق الضوء والطاقة في الشفق القطبي في بعض الحالات”. “إنه أمر رائع حقًا، إنه أحد أكبر الألغاز في فيزياء الفضاء في الوقت الحالي.”
بالتعاون مع مختبر علوم الفضاء (طبقة المقابس الآمنة) في بيركلي، جاسك يتوسل من أجل أ ناسا مهمة إطلاق صاروخ على الشفق القطبي للتحقق من صحة فرضيته. يتزامن هذا البحث مع دخول الشمس في مرحلة أكثر نشاطًا من دورتها التي تبلغ 11 عامًا، مما يجعله وقتًا مناسبًا لدراسة الأحداث النادرة مثل ستيف والباليساد.
تمييز “ستيف” عن الشفق الشائع
تركز أبحاث جاسكي على السلوك المعين للمجالات الكهربائية في الغلاف الجوي العلوي. وتقترح أن هذه المجالات، الموازية للمجال المغناطيسي للأرض، يمكن أن تنتج طيف الألوان الذي لوحظ في ظاهرة الحواجز.
تتحدى هذه الفرضية النماذج الحالية للضوء الشفقي وتوليد الطاقة ولها آثار مهمة على فهمنا للتفاعل بين الغلاف المغناطيسي للأرض والأيونوسفير.
تنتج الأضواء الشمالية الشائعة عن الرياح الشمسية التي تنشط الجسيمات في الغلاف المغناطيسي للأرض، مما يتسبب في إصدار جزيئات الأكسجين والنيتروجين في الغلاف الجوي العلوي لترددات محددة من الضوء.
ومع ذلك، يُظهر ستيف نطاقًا واسعًا من الترددات تتمحور حول اللون البنفسجي أو البنفسجي، بدون الضوء الأزرق النموذجي لتفاعلات الجسيمات الأكثر نشاطًا في الشفق القطبي. ومن المثير للاهتمام أن ستيف والحاجز يحدثان عند خطوط عرض أقل من الشفق القطبي النموذجي، وربما حتى بالقرب من خط الاستواء.
المجالات الكهربائية الموازية في اللعب
يفترض بحث جاسكي أن الانبعاثات الصادرة عن “الحاجز” تتولد عن مجالات كهربائية على ارتفاعات منخفضة موازية للمجال المغناطيسي للأرض. وباستخدام نموذج فيزيائي مقبول على نطاق واسع للغلاف الأيوني، أثبتت أن المجال الكهربائي الموازي الذي يبلغ حوالي 100 مللي فولت لكل متر على ارتفاع حوالي 110 كم يمكن أن يسرع الإلكترونات.
وهذا التسارع يكفي لتنشيط ذرات الأكسجين والنيتروجين، مما يؤدي إلى انبعاث غاز طيف الضوء لوحظ في “باليساد” و”ستيف” أورورا. كما حددت أيضًا الظروف الفريدة في هذه المنطقة، مثل انخفاض كثافة البلازما وزيادة وجود ذرات الأكسجين والنيتروجين المحايدة. يمكن أن تكون هذه بمثابة عازل، مما يمنع المجال الكهربائي من حدوث ماس كهربائي.
“إذا نظرت إلى نطاق الحاجز، فهو أكثر خضرة بكثير مما تتوقع. وقال جاسكي: “لا يوجد لون أزرق من تأين النيتروجين”. “ما يخبرنا به هذا هو أنه لا يوجد سوى نطاق طاقة محدد من الإلكترونات التي يمكنها إنشاء هذه الألوان، ولا يمكنها أن تأتي من الفضاء إلى الغلاف الجوي، لأن هذه الجسيمات لديها الكثير من الطاقة.”
بدلًا من ذلك، قالت: “الضوء القادم من الحاجز يتم إنشاؤه بواسطة جسيمات يجب أن يتم تغذيتها هناك في الفضاء بواسطة مجال كهربائي موازٍ، وهي آلية مختلفة تمامًا عن آلية أي شفق قطبي درسناه أو عرفناه. قبل.”
أبحث عن ستيف بالصواريخ
بريان هاردينجيسلط باحث فيزياء مساعد في SSL ومؤلف مشارك لمقالة جاسكي الضوء على أهمية هذا الاكتشاف.
“الأمر المثير للاهتمام حقًا في مقالة كلير هو أننا عرفنا منذ بضع سنوات أن شبح ستيف يخبرنا أن هناك بعض الفيزياء الغريبة جدًا تحدث. قال بريان: “لم نكن نعرف ما هو”. “أظهر بحث كلير أن المجالات الكهربائية المتوازية قادرة على تفسير هذا الطيف الغريب.”
ويقترح الفريق إطلاق صواريخ من ألاسكا لقياس المجالات الكهربائية والمغناطيسية ضمن هذه الظواهر، بهدف التحقق من صحة فرضياتهم. يتوافق هذا الجهد مع برنامج الوصول إلى الفضاء منخفض التكلفة التابع لناسا (LCAS) ويجب أن نعمق فهمنا لكيمياء وفيزياء الغلاف الجوي العلوي. في البداية، سيكون الهدف هو ما يسمى بالشفق المعزز، وهو شفق عادي يحتوي على انبعاثات “Steve” و”Picket Fence”.
“إن الشفق المعزز هو في الأساس هذه الطبقة الساطعة المضمنة داخل الشفق العادي. تتشابه الألوان مع Palisade من حيث أنها لا تحتوي على قدر كبير من اللون الأزرق ويوجد المزيد من اللون الأخضر من الأكسجين والأحمر من النيتروجين. وقال جاسكي: “الفرضية هي أن هذه تنشأ أيضًا عن طريق المجالات الكهربائية المتوازية، لكنها أكثر شيوعًا بكثير من سياج الاعتصام”.
وأضافت أن الخطة لا تقتصر على “تحليق صاروخ عبر هذه الطبقة المعززة لقياس هذه المجالات الكهربائية المتوازية لأول مرة”، بل تشمل أيضًا إرسال صاروخ ثانٍ لقياس الجزيئات على ارتفاعات أعلى، “من أجل التمييز بين الجزيئات”. شروط”. من أولئك الذين يسببون الشفق. في نهاية المطاف، تأمل في الحصول على صاروخ يطير مباشرة عبر “ستيف و”سياج الاعتصام”.
الفضول هو القوة الدافعة وراء هذا البحث في الشفق القطبي “ستيف”.
يعزو جاسكي نجاحه إلى التعاون مع الخبراء الذين يدرسون طبقات الغلاف الجوي المختلفة، بما في ذلك طبقة الميزوسفير والستراتوسفير. لقد أتاح هذا النهج متعدد التخصصات إحراز تقدم كبير في فهم الفرق بين الشفق القطبي وستيف.
قدم هاردينج وجاسكي وزملاؤهما اقتراحًا إلى وكالة ناسا لإطلاق حملة صاروخية في خريف هذا العام، متوقعين ردًا بشأن اختيارها في النصف الأول من عام 2024. وينظر جاسكي وهاردينج إلى التجربة باعتبارها خطوة حاسمة نحو فهم كيمياء وفيزياء الكوكب. الغلاف الجوي العلوي، والأيونوسفير، والغلاف المغناطيسي الأرضي.
وقال هاردينج: “من العدل أن نقول إنه ستكون هناك العديد من الدراسات في المستقبل حول كيفية ظهور هذه المجالات الكهربائية، وما هي الموجات المرتبطة بها أو غير المرتبطة بها، وما يعنيه هذا لنقل أكبر للطاقة بين الغلاف الجوي للأرض والفضاء”. . “نحن حقا لا نعرف. ومقالة كلير هي الخطوة الأولى في سلسلة هذا الفهم.
وينتظر الفريق بفارغ الصبر قرار ناسا بشأن حملتها الصاروخية المخطط لها، المقرر إجراؤها في النصف الأول من عام 2024.
باختصار، يمثل البحث الذي أجرته كلير جاسك تقدمًا محوريًا في فيزياء الفضاء. سلط جاسكي الضوء على الطبيعة المراوغة لـ “ستيف” و”سياج الاعتصام” كشيء آخر غير الفجر. ومع تقدم الدورة الشمسية، لا تعد هذه الاكتشافات بكشف أسرار هذه الظواهر فحسب، بل تعد أيضًا بتحسين فهمنا الأوسع للتفاعل الديناميكي بين الأرض والفضاء.
تعلم المزيد عن الشفق القطبي الشمالي
الشفق القطبي، المعروف باسم الأضواء الشمالية والجنوبية، هو عرض ضوئي طبيعي رائع في سماء الأرض القطبية. وتحدث بسبب التفاعل الرائع بين الغلاف الجوي للأرض والرياح الشمسية.
كما نوقش بالتفصيل أعلاه، يعتقد العلماء أن ظاهرتي “ستيف” و”باليساد” نتجتا عن نفس العمليات الفيزيائية التي يحدثها الشفق القطبي. ومع ذلك، فقد ترك هذا الاعتقاد العديد من الأسئلة دون إجابة حول أصل انبعاثاتها الضوئية الفريدة.
الأصل : اتصال الشمس
الشمس، وهي مصدر للطاقة والجسيمات، تبعث باستمرار رياحًا شمسية، وهي تيارات من الجسيمات المشحونة. تواجه هذه الجسيمات، أثناء رحلتها إلى الأرض، المجال المغناطيسي للأرض، والذي يلعب دورًا حاسمًا في تكوين الشفق القطبي.
عند وصولها إلى الأرض، تتأثر الرياح الشمسية بمجالها المغناطيسي. ويعمل المجال المغناطيسي للأرض، الممتد إلى الفضاء، بمثابة درع ويوجه هذه الجزيئات نحو القطبين. هنا، تقوم خطوط المجال المغناطيسي بتوجيه هذه الجسيمات المشحونة نحو الغلاف الجوي العلوي للأرض.
علم معارض “ستيف” والشفق القطبي
تحدث الظاهرة المركزية للشفق القطبي عندما تصطدم هذه الجسيمات المشحونة، وخاصة الإلكترونات، بغازات مثل الأكسجين والنيتروجين الموجودة في الغلاف الجوي للأرض. ينقل هذا الاصطدام الطاقة إلى جزيئات الغاز، ويثيرها ويؤدي إلى انبعاث الضوء، وهو جوهر العروض الشفقية.
الألوان المحددة للشفق القطبي وستيف، والتي تتراوح من الأخضر والأحمر إلى الأزرق والبنفسجي، تعتمد على نوع الغاز المعني وارتفاع هذه التفاعلات.
النشاط الشمسي له تأثير كبير على كثافة وتواتر الشفق القطبي. خلال فترة الذروة الشمسية، تؤدي زيادة التوهجات الشمسية وانبعاث الكتل الإكليلية إلى حدوث شفق أكثر كثافة وتكرارًا. وعلى العكس من ذلك، فإن الحد الأدنى من الطاقة الشمسية يسبب انخفاضًا في النشاط الشفقي.
الأهمية الثقافية والتاريخية
بالإضافة إلى روعتها البصرية، تقدم الشفق معلومات قيمة عن ديناميكيات الغلاف المغناطيسي للأرض وتفاعله مع الإشعاع الشمسي. تساهم دراسة الشفق القطبي في فهمنا لكيفية حماية المجال المغناطيسي للأرض من الانبعاثات الشمسية الضارة.
يحتل الشفق مكانة خاصة في مختلف الثقافات، فهو ملهم للأساطير والفولكلور. سواء كان يُنظر إليه على أنه دروع الفالكيري في الأساطير الإسكندنافية أو على أنه يمثل أرواح الأجداد في معتقدات السكان الأصليين، فقد كان الشفق مصدرًا للعجب والإلهام عبر التاريخ.
باختصار، الشفق القطبي الجميل هو أكثر بكثير من مجرد مشهد بصري. إنه تفاعل ديناميكي بين الرياح الشمسية والمجال المغناطيسي لكوكبنا، مما يوفر نظرة ثاقبة للدرع الواقي للأرض ويستمر في أسر الناس عبر الثقافات والأجيال.
يتم نشر الدراسة الكاملة في المجلة رسائل البحوث الجيوفيزيائية.
—–
هل تحب ما تقرأ ؟ اشترك في النشرة الإخبارية لدينا للحصول على مقالات جذابة ومحتوى حصري وآخر التحديثات.
—–
تفضل بزيارتنا على EarthSnap، وهو تطبيق مجاني يقدمه لك Eric Ralls وEarth.com.
