لقد أسرت الشفق القطبي الساحر، إلى جانب العروض النابضة بالحياة للستائر الخضراء والحمراء والأرجوانية، مشاهدي سماء الليل لفترة طويلة. ومع ذلك، فإن ظهور ظواهر غريبة تشبه الشفق القطبي مؤخرًا – الخطوط البنفسجي والأبيض المعروفة باسم “ستيف” وغالبًا ما تكون مصحوبة متوهجة باللون الأخضر “سياج الاعتصام” – أذهل العلماء ومراقبي السماء على حدٍ سواء.
تم التعرف على ستيف، الذي سمي على اسم شخصية في فيلم للأطفال عام 2006، لأول مرة في عام 2018 باعتباره مختلفًا عن الشفق الأكثر شيوعًا، وكان يُعتقد في البداية أنه نتاج لنفس العمليات الفيزيائية مثل ظاهرة الشفق القطبي. ومع ذلك، فإن هذه الفرضية تترك العديد من الأسئلة حول أصلها الفريد دون إجابة انبعاثات مضيئة.
الآلية الجديدة تخلق كوة
أدخل كلير جاسكي، طالبة دراسات عليا واعدة في الفيزياء جامعة كاليفورنيا، بيركلي. اقترح كاسك تفسيرًا مثيرًا للاهتمام لهذه الظواهر، حيث اقترح آلية فيزيائية مختلفة تمامًا عن تلك المسؤولة عن الشفق القطبي التقليدي.
وقال كاسك: “سيؤدي هذا في بعض الحالات إلى تحسين نموذجنا لتوليد الضوء والطاقة في الشفق القطبي”. “إنه أمر رائع حقًا، وهو أحد أكبر الألغاز في فيزياء الفضاء في الوقت الحالي.”
التعاون مع مختبر علوم الفضاء (طبقة المقابس الآمنة) في بيركلي، دعاة برميل خشبي A ناسا مهمة إطلاق صاروخ إلى الشفق القطبي لاختبار فرضيته. ويتزامن البحث مع دخول الشمس المرحلة الأكثر نشاطًا في دورتها التي تبلغ 11 عامًا، مما يجعله وقتًا مثاليًا لدراسة الظواهر النادرة مثل ستيف وسياج الاعتصام.
تمييز “ستيف” عن الشفق القطبي الشائع
تركز أبحاث جاسكو على السلوك الغريب للمجالات الكهربائية في الغلاف الجوي العلوي. ويقترح أن هذه المجالات، الموازية للمجال المغناطيسي للأرض، قد تنتج طيف الألوان الذي يظهر في ظاهرة سياج الاعتصام.
تتحدى هذه الفرضية النماذج الحالية لإنتاج الضوء الشفقي والطاقة ولها آثار مهمة على فهمنا للتفاعل بين الغلاف المغناطيسي للأرض والأيونوسفير.
ينجم الشفق القطبي الشائع عن الجسيمات النشطة في الرياح الشمسية في الغلاف المغناطيسي للأرض، مما يتسبب في قيام جزيئات الأكسجين والنيتروجين في الغلاف الجوي العلوي بإصدار ترددات محددة من الضوء.
ومع ذلك، يُظهر ستيف نطاقًا واسعًا من الترددات المتمركزة باللون الأرجواني أو البنفسجي، بدون الضوء الأزرق النموذجي لتفاعلات الجسيمات الأكثر نشاطًا في الشفق القطبي. ومن المثير للاهتمام أن الشفق القطبي والسياج الاعتصامي يحدثان عند خطوط عرض أقل من الشفق القطبي النموذجي، وربما أقرب إلى خط الاستواء.
المجالات الكهربائية الموازية في اللعب
تشير أبحاث جاسكو إلى أن الانبعاثات الصادرة عن “سياج الاعتصام” تتولد عن مجالات كهربائية على ارتفاعات منخفضة موازية للمجال المغناطيسي للأرض. وباستخدام نموذج فيزيائي مقبول على نطاق واسع للغلاف الأيوني، أثبت أن المجال الكهربائي الموازي الذي يبلغ حوالي 100 مللي فولت لكل متر على ارتفاع حوالي 110 كم يمكنه تسريع الإلكترونات.
وهذا التسارع كافٍ لتسريع ذرات الأكسجين والنيتروجين، مما يؤدي إلى الانبعاث طيف الضوء تمت ملاحظة “سياج الاعتصام” و “ستيف” في أورورا. كما حدد أيضًا حالات فريدة مثل انخفاض كثافة البلازما وزيادة توافر ذرات الأكسجين والنيتروجين المحايدة. تعمل هذه كعوازل لمنع المجال الكهربائي من قصر الدائرة.
وقال غاسك: “إذا نظرت إلى طيف السياج الاعتصامي، فهو أكثر خضرة بكثير مما تتوقع. لا يوجد لون أزرق من تأين النيتروجين، لأن تلك الجزيئات لديها طاقة أكبر”.
بدلاً من ذلك، “يتم إنشاء الضوء المنبعث من السياج بواسطة جسيمات يجب تنشيطها بواسطة مجال كهربائي موازٍ في الفضاء، وهي آلية مختلفة تمامًا عن أي شفق قطبي درسناه أو عرفناه من قبل”.
أبحث عن ستيف مع الصواريخ
بريان هاردينجوسلط جاسكوين، وهو باحث فيزياء مساعد في SSL ومؤلف مشارك في الورقة، الضوء على أهمية هذا الاكتشاف.
قال بريان: “الشيء المثير للاهتمام حقًا في بحث كلير هو أننا عرفنا منذ بضع سنوات أن هناك بعض الفيزياء الغريبة التي تحدث في طيف ستيف. لكننا لم نكن نعرف ما هي. وأظهرت ورقة كلير هذا التوازي”. المجالات الكهربائية قادرة على تفسير هذا الطيف الغريب.”
ويقترح الفريق إطلاق صواريخ من ألاسكا لقياس المجالات الكهربائية والمغناطيسية ضمن هذه الظواهر، بهدف التحقق من فرضياتهم. تتوافق هذه المبادرة مع وصول وكالة ناسا بتكلفة منخفضة إلى الفضاء (LCAS) من المتوقع أن يعمق فهمنا لكيمياء وفيزياء البرنامج والغلاف الجوي العلوي. في البداية، كان ما يسمى بالشفق المعزز المستهدف عبارة عن شفق عادي يحتوي على انبعاثات “ستيف” و”بيكيت فالي”.
“إن الشفق القطبي المعزز هو في الأساس هذه الطبقة الساطعة المدمجة في الشفق القطبي الطبيعي. الألوان تشبه أسوار الاعتصام، فهي لا تحتوي على اللون الأزرق، وهناك اللون الأخضر من الأكسجين والأحمر من النيتروجين. الفرضية هي أن هذه الألوان يتم إنشاؤها بواسطة كهربائي متوازي قال جاسك: “الحقول، لكنها أكثر قتامة بكثير من الأسوار الاعتصامية. شائعة”.
وقال إن الخطة لا تقتصر على “تحليق صاروخ عبر تلك الطبقة المحسنة لقياس تلك المجالات الكهربائية المتوازية لأول مرة”، ولكن أيضًا “إرسال صاروخ ثانٍ لقياس الجزيئات على ارتفاعات أعلى للتمييز بين الظروف”. من أسباب الشفق.” في النهاية، تؤمن بوجود صاروخ يطير مباشرة عبر “ستيف و”سياج الاعتصام”.
الفضول يقود بحث “ستيف” أورورا
يعزو كاسك نجاحه إلى التعاون مع الخبراء الذين يدرسون طبقات الغلاف الجوي المختلفة، بما في ذلك طبقة الميزوسفير والستراتوسفير. حقق هذا النهج متعدد التخصصات تقدمًا كبيرًا في فهم الفرق بين أورورا وستيف.
قدم هاردينج وكاسك وزملاؤهما اقتراحًا إلى وكالة ناسا لإطلاق حملة صاروخية في خريف هذا العام، متوقعين الحصول على إجابة بشأن اختيارها في النصف الأول من عام 2024. اعتبر غاسك وهاردينغ هذه التجربة خطوة مهمة في فهم الكيمياء والفيزياء. الغلاف الجوي العلوي، والأيونوسفير، والغلاف المغناطيسي للأرض.
“من العدل أن نقول أنه سيكون هناك الكثير من الأبحاث في المستقبل حول كيفية وصول تلك المجالات الكهربائية إلى هناك، وما هي الموجات التي ترتبط بها أو لا ترتبط بها، وماذا يعني ذلك بالنسبة لنقل الطاقة الأكبر بين الغلاف الجوي للأرض والفضاء، ” قال هاردينج. “نحن حقًا لا نعرف. إن ورقة كلير هي الخطوة الأولى في سلسلة التفاهم هذه.
وينتظر الفريق بفارغ الصبر قرار ناسا بشأن حملتهم الصاروخية المقترحة، والمتوقعة في النصف الأول من عام 2024.
باختصار، يمثل البحث الذي قادته كلير جاسك تقدمًا كبيرًا في فيزياء الفضاء. يسلط برميل خشبي الضوء على مراوغة “ستيف” و”سياج الاعتصام” كشيء آخر غير الشفق القطبي. ومع تقدم الدورة الشمسية، فإن هذه النتائج لا تعد فقط بكشف ألغاز هذه الظواهر، ولكن أيضًا بتعزيز فهمنا الأوسع للتفاعل الديناميكي بين الأرض والفضاء.
المزيد عن الشفق القطبي
يبرز الشفق القطبي، المعروف باسم الأضواء الشمالية والجنوبية، كعرض ضوئي طبيعي ساحر في السماء القطبية للأرض. وهي ناجمة عن الفجوة الجذابة بين الغلاف الجوي للأرض والرياح الشمسية.
كما نوقش بالتفصيل أعلاه، يعتقد العلماء أن ظاهرتي “ستيف” و”وادي بيكيت” كانتا نتيجة لنفس العمليات الفيزيائية مثل الشفق القطبي. ومع ذلك، فإن هذا الاعتقاد لا يجيب على العديد من الأسئلة حول أصل انبعاثات الفلورسنت الفريدة الخاصة بهم.
الأصل: اقتران الشمس
الشمس، وهي مصدر للطاقة والجسيمات، تبعث باستمرار الرياح الشمسية، وهي تيارات من الجسيمات المشحونة. وتواجه هذه الجسيمات، أثناء رحلتها نحو الأرض، المجال المغناطيسي للأرض، والذي يلعب دورًا مهمًا في تكوين الشفق القطبي.
بعد وصولها إلى الأرض، تتأثر الرياح الشمسية بمجالها المغناطيسي. ويعمل المجال المغناطيسي للأرض، الممتد إلى الفضاء، بمثابة درع ويدفع هذه الجزيئات نحو القطبين. وهنا، تدفع خطوط المجال المغناطيسي هذه الجسيمات المشحونة إلى الغلاف الجوي العلوي للأرض.
يعرض “ستيف” وعلم الشفق القطبي
تحدث الظاهرة الرئيسية للشفق القطبي عندما تصطدم هذه الجسيمات المشحونة، وخاصة الإلكترونات، بالغازات مثل الأكسجين والنيتروجين الموجودة في الغلاف الجوي للأرض. ينقل هذا الاصطدام الطاقة إلى جزيئات الغاز، مما يثيرها ويصدر الضوء – وهو جوهر العروض الشفقية.
الألوان المحددة للشفق والستيفيا، والتي تتراوح من الأخضر والأحمر إلى الأزرق والأرجواني، تعتمد على نوع الغاز المعني وارتفاع هذه التفاعلات.
يؤثر النشاط الشمسي بشكل كبير على شدة وتواتر الشفق. خلال فترة الذروة الشمسية، يؤدي زيادة التوهج الشمسي وانبعاث الكتل الإكليلية إلى حدوث شفق أكثر كثافة وتكرارًا. على العكس من ذلك، يؤدي الحد الأدنى من الشمس إلى نشاط أقل جاذبية للضوء.
الأهمية الثقافية والتاريخية
بالإضافة إلى روعتها البصرية، توفر الشفق رؤى قيمة حول ديناميكيات الغلاف المغناطيسي للأرض وتفاعلها مع الإشعاع الشمسي. تساهم دراسة الشفق القطبي في فهمنا لكيفية حماية المجال المغناطيسي للأرض من الانبعاثات الشمسية الضارة.
يحتل الشفق القطبي مكانة خاصة في العديد من الثقافات، فهو مصدر إلهام للأساطير والفولكلور. من الظهور كدروع للفالكيري في الأساطير الإسكندنافية إلى تمثيل أرواح الأجداد في المعتقدات القبلية، قدم الشفق القطبي العجب والإلهام عبر التاريخ.
باختصار، الشفق القطبي، بجماله المذهل، هو أكثر من مجرد مشهد بصري. إنها توفر رؤى حول التفاعل الديناميكي بين الرياح الشمسية والمجال المغناطيسي لكوكبنا، وهو الدرع الواقي للأرض، وتستمر في إبهار 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 من Eric Ralls وEarth.com.
