زمین در حال از دست دادن جو خود است."ضعف در میدان مغناطیسی."

جو زمین درحال سوراخ شدن است.هر روزحدود نود تن ماده از اتمسفربیرونی سیاره ما خارج شده و به فضا پرتاب می شود.

اگرچه مأموریت هایی نظیرفضاپیما های  کلاستر آژانس فضایی اروپا (ESA)  زمان زیادی در مورد تراوش مواد به خارج از جو تحقیق می کرده اند، اما همچنان سؤالات مشخص زیادی وجود دارد. چرا و چگونه زمین اتمسفر خود را از دست می دهد و چگونه با جست و جوی ما برای زندگی در مکان های دیگر جهان در ارتباط است؟

ارنارد میسون دانشمندجانشین پروژه ESAبرای مأموریت کاستر گفت:" سؤال انتقال پلاسما به بیرون و از دست رفتن جو هم مرتبط است با سیارات و هم ستارگان و این موضوع به طورغیر قابل باوری جذاب و مهم است. برای فهم چگونگی پیشرفت زندگی روی یک سیاره فهمیدن اینکه چقدر ماده از جوخارج می شود بسیار مهم است. کنش و واکنش ما بین مواد ورودی و خروجی در مگنتوسفر زمین در حال حاضر موضوع داغی است؛دقیقا این مواد از کجا می آیند؟چگونه وارد قسمتی از فضای ما می شوند؟"

برای ایجاد سوراخی کوچک در جو ما، در هر روز 90 تن از مقدار آن کم می شود.وزن اتمسفر زمین در حدود 5 کوادریلیون (1015×5) تن است.پس ما به این زودی در خطر اتمام آن نخواهیم بود. هرچند که دانستن درباره ی اتمسفر زمین و چگونگی خروج آن به فضا، برای اطلاع از اتمسفر سیارات دیگر کلیدی است و می تواند در جست و جوی ما برای سیارات قابل سکونت و زندگی در خارج از زمین بسیار مهم باشد.

ما در محیط مغناطیسی زمین برای سال ها با استفاده از ماهواره هایی چون ماموریت کلاستر ESA ، یک گروه متشکل از چهار فضاپیما که در سال2000 ماموریت خود را شروع کردند، کاوش کرده ایم. کلاستر برای بیشتر از یک دهه و نیم مراودات بیبن زمین و خورشید را پیوسته مشاهده کرده است. این مدت زمان طولانی و همچنین قابلیت های چندگانه ی فضاپیما و مدار واحد آن، آن را تبدیل به بازیگری کلیدی در فهم چگونگی سوراخ شدن اتمسفر زمین و همچنین تاثیر پذیری سیاره ی ما با سراسر منظومه شمسی کرده است.

میدان مغناطیسی زمین از چند جز تشکیل شده است که از داخل سیاره ی ما تا به خارج در فضا ادامه دارد، با نشان دادن تاثیرش در ناحیه ای از فضا می توان مگنتوسفر را تفسیر کرد.

مگنتوسفر - و ناحیه ی داخلی آن یک قسمت دونات شکل  (پلاسمافر) در بالای اتمسفر ما قرار دارد که با چرخش زمین همراهی می کند و به طور متوسط تا فاصله ی 2000km وسعت می یابد. – با یون هایی که به دام افتاده اند، به بیرون پرتاب می شوند و در طول مسیر خطوط میدان هستند، طغیان کرده است.

مگنتوسفر در بیرونی ترین لبه ی رو به خورشید خود با بادهای خورشیدی رو به رو می شود، جریان دائمی ذرات باردار( اکثرا فوتون ها و الکترون ها) از خورشید ناشی می شوند. در این جا میدان مغناطیسی ما از مانند یک حفاظ عمل می کند. مانند صخره ای مانع بخار آب می شود، بادی که به سمتش می آید را بازتاب می کند و مسیرش را تغییر می دهد. این قیاس می تواند برای سمتی از زمین که از خورشید دورتر است ادامه می یابد- ذرات باد خورشیدی در اطراف سیاره ی ما به کندی به دور هم جمع شده و شکل یک استوانه ی کشیده(به نام دنباله ی مغناطیسی) رامی گیرند که سطوح پلاسمایی به دام افتاده را در بر می گیرد و با خطوط میدان واکنش می دهد.

هرچند مگنتوسفر ما نقاط ضعف خود را دارد چرا که در قطب های زمین مانند آهنرباهای تخت استاندارد خطوط میدان باز هستند (این مکان ها به اسم سرهای قطب نام گذاری شده اند.) در اینجا ذرات باد خورشیدی می توانند به سمت داخل زمین واقع شوند و مگنتوسفر زمین را با ذرات پر انرژی پر کنند.

درست مانند ذرات که می توانند به داخل و زیر این خطوط باز قطبی وارد شوند، همچنین درات می توانند بیرون روند. یون ها از بالایی ترین لایه اتمسفر زمین – یعنی یونوسفر که در بالای زمین نزدیک100km وسعت می یابد- به بیرون فوران می کند تا این ناحیه از فضا را پر کند. مامریت هایی مانند کلاستر همچنین نکات بیشتری را کشف کرده اند ولی روند مبهم باقی مانده است.

در آغاز دانشمندان باور داشتند که محیط مغناطیسی زمین از ذرات منطقه خورشیدی پرشده است. هرچند نزدیک دهه1990 پیش بینی شده است که اتمسفر زمین در خروج از        پلاسمافر زمین است. پیش بینی که درست از کار درآمد!

مشاهدات نشان داده است  ستون های پراکنده قدرتمند از پلاسما  با تغییر آرایش ها ،که در داخل پلاسمافر رشد می کند، بیرون در لبه ی مگنتوسفر حرکت می کند و  پلاسما با باد خورشیدی داخل مگنتوسفرمی شود، واکنش دارد.

آخرین مطالعات منبع مشخص دیگری را تایید کرده است- اتمسفر زمین به طور مداوم در حال خارج شدن است! در کنار آرایش های ذکر شده، یک جریان یکنواخت از مواد( شامل اکسیژن، هیدروژن و یون های هلیوم) پلاسمافر سیاره ی ما را از ناحیه قطب ترک می کند ، تا برای جایگزینی دوباره ی پلاسمای داخل مگنتوسفر آماده شود. کلاستر نشانه ای از این باد پیدا کرده و قدرتش را هم برای کل آن( گزارش داده شده در مقاله ای که در 2013 منتشر شده است) و هم برای یون های هیدروژن( گزارش داده شده در 2009) مشخص کرده است.

به هر حال نزدیک 1kg از ماده در هر ثانیه ، نزدیک 90 تن در هر روز ماده در حال خروج از اتمسفر است. با جدا کردن تنها یون های سرد( یون های هیدروژن سبک که انرژی کمتری برای فرار کردن به انرژی کمتری نیاز دارد و در این صورت داشتن انرژی کمتر در مگنتوسفر) مقدار فرار مواد در کل هزاران تن در هر روز است.

یون های سرد مهم هستند؛ ماهواره های بسیاری – به استثنای کلاستر- نمی توانند آن ها را به خاطر انرژی کمشان آشکار کنند، اما آن ها شکل یک قسمت مهم ماده ی خالص که از زمین بیرون رفته را دارند وبیشتر یک نقش کلیدی در شکل گیری محیط مغناطیسی با ما بازی می کند.

طوفان های خورشیدی و تناوب آن با زیاد شدن فعالیت های خورشیدی ظاهر شدند تا به طور قابل توجهی کم شدن اتمسفر زمین را با بیشتر از سه برابر سرعت بخشد. هرچند سؤالات اساسی باقی می ماند: چگونه یون ها فرار می کنند و آن ها از کجا ناشی می شود؟ چه روندی در حال اجراست؟ و کدام برتری دارد؟ فرض می شود که شتاب خروج از مرکز یکی از کلید های پروسه ی خروج باشد که به یون ها در قطب های زمین در هنگام عبور آن ها از خطوط میدان مغناطیسی متغیر سرعت می بخشد. این یون ها به مسیر های نا مشخص مختلفی منحرف می شوند، با به دست آوردن انرژی و تماما منحرف کردن از زمین به دنباله ی مغناطیسی ، جایی که با پلاسما واکنش دارد و با بیشترین سرعت ها نسبت به تقسیم شدن، با نوعی اثر بومرنگی به زمین باز می گردد.

چنین ذرات پر انرژی می توانند یک تهدید برای تکنولوژی فضایی به وجود آورند. بنابراین فهم آن بسیار مهم است. کلاستر این روند را در زمان های گوناگونی در طول یک دهه و نیم گذشته کاوش کرد. پیدا کردن آن برای اثر گذاشتن یون های سنگین تر مانند اکسیژن بیشتر از سبک تر ها ، و همچنین آشکار کردن قدرت، پرتو های پر سرعت یون ها با سرعت زیادی(نزدیک 100بار بیشتر از طی مسیر در سه سال) از دنباله ی مغناطیسی به سمت زمین بر می گردند.

اخیرا دانشمندان به وسیله ی آنچه باد خورشیدی وارد مگنتوسفر زمین می کند و پلاسمای شتابدار، درباره ی روند اتصال دوباره ی مغناطیسی، یکی از بیشترین روندهای تاثیر گذار فیزیکی کاوش کرده اند. در این پروسه پلاسما واکنش دارد و انرژی را با خطوط میدان مغناطیسی مبادله می کند. خطوط متفاوتی خودشان را پیکره بندی می کنند، میشکنند، به اطراف انتقال می دهند و به وسیله ی ترکیب شدن با خطوط دیگر اتصالات جدیدی را به وجود می آورند، در این پروسه مقادیر زیادی انرژی آزاد می شود.

اینجا یون های سرد به نظر مهم می آیند. ما می دانیم یون های سرد بر روند اتصال دوباره در کرانه ای که باد خورشیدی ملاقات می کند با مگنتوسفر (مگنتوپاز) تاثیر می گذارد،اما ما همچنین از مکانیزم آن مطمئن نیستیم.

فلیپ اسکوبت، دانشمند پروژه ی ESA برای ماموریت کلاستر گفت:" در اصل، ما نیاز داریم بفهمیم که چگونه پلاسمای سرد در مگنتوپاز به اتمام می رسد. جنبه های مختلف کمی برای آن وجود دارد، ما نیاز داریم روند های شامل انتقالش در آنجا را بدانیم، چگونگی این پروسه ها به دینامیک باد خورشیدی و شرایط مگنتوسفر و جایی که پلاسما از آنجا برای اولین بار می آید - از یونوسفر، پلاسمافر یا جای دیگر منشا می گیرد؟ - بستگی دارد."

اخیرا دانشمندان محیط مغناطیسی زمین را با زمانی که پلاسموید ها و ریسمان ها روی ساختار شناخته شده جریان پیدا کرده اند، مدل سازی و شبیه سازی کردند- استوانه ها، تیوب ها و حلقه های پلاسمایی که با خطوط میدان مغناطیسی در هم پیچیده شده اند. این ها هنگامی که روند اتصال دوباره ی مغناطیسی در دنباله ی مغناطیسی اتفاق می افتد، فوران می کنند و پلاسموید هایی که چه داخل و چه خارج دنباله و به طرف زمین می روند را بیرون می کند.

ممکن است یون های سرد نقش مشخصی در تشخیص جهت پلاسموید های بیرون شده بازی می کنند. این شبیه سازی های اخیر یک ارتباط بین پلاسموید هایی که به سمت زمین جهت گیری کرده و یون های سنگین اکسیژن که از یونوسفر خارج می شوند ایجاد می کند.- به بیان دیگر ممکن است یون های اکسیژن میزان اتصال دوباره در نقاط مشخصی داخل دنباله ی مغناطیسی که خط سیر در امتداد دنباله را تولید می کند کاهش دهد و دفع کند ، بنابراین آن را در طرف زمین سازگارتر می کند. این نتایج با مشاهدات موجود کلاستر موافقند.

مطالعه ی اخیر دیگر کلاستر آزمایشات دو مکانیزم اصلی خروج اتمسفر زمین را مقایسه کرد- آرایش پراکنده ی ناشی شده در پلاسمافر و نشتی ثابت اتمسفر زمین از یونوسفر- تا ببیند چگونه ممکن است آن ها با توده ی یون های سرد که در سمت روشن مگنتوپاز(مگنتوسفر-باد خورشیدی در لبه ی نزدیک تر به خورشید ) مستقرند، همکاری کنند.

هردو روند خروج مواد ظاهرا بستگی دارند به راه های مختلف میدان مغناظیسی داخل سیاره(IMF)، میدان مغناطیسی خورشیدی با باد خورشیدی به داخل منظومه شمسی فرستاده شده است. این میدان در الگوی مارپیچی ناشی از چرخش خورشید در فضا حرکت می کند؛ مانند آب آزاد شده از آب پاش. با توجه به اینکه چگونه IMF مرتب شده است، می تواند تاثیر گذاشته و قسمتی از میدان مغناطیسی زمین را در مگنتوپاز از بین ببرد، در ارتباط و ترکیب شده با میدان ما و به باد خورشیدی اجازه می دهد که جریان یابد.

آرایش ها ظاهرا هنگامی که IMF به سمت جنوب سمت گیری می کرده است رخ داده اند.( پاد موازی با میدان مغناطیسی زمین به شکلی درباره اش اشاره شد.) از طرف دیگر در طول جهت گیری IMF به سمت شمال، نشت جریان های خارجی از یونوسفر اتفاق می افتد. هر دو روند با قدرت در زمانی که باد خورشیدی متراکم تر یا سریع تر طی مسیر می کند، اتفاق می افتد.( بدینگونه فشار دینامیکی بالاتری را اعمال می کند.)

میسون گفت:" هنگامی که چیز بیشتری برای یادگیری وجود دارد، ما قادر خواهیم بود پیشرفت بزرگی در اینجا ایجاد کنیم. آخرین مطالعات توانسته اند که حوادث چندگانه- یعنی سوراخ شدن یونوسفر، آرایش هایی از پلاسمافر و واکنش های مغناطیسی- را با موفقیت با هم مربوط ساخته اندتا تصویر بهتری از محیط مغناطیسی زمین ایجاد کنند. این تحقیق سال های زیادی مشاهدات مداوم نیاز دارد که ما تنها قادر به دریافت آن ها از طریق کلاستر هستیم."

دانستن بیشتر درباره ی اتمسفرمان می تواند بیشتر درباره ی همسایه های سیاره ای ما بگوید- ما می توانیم بالفعل از چنین تحقیقاتی برای هر شئ نجومی هم با اتمسفر و هم با میدان مغناطیسی استفاده کنیم. ما می دانیم که اتمسفرهای سیاره ای نقش ضروری در تعیین قابل سکونت یا خالی از زندگی بودن یک سیاره بازی می کند. اما سؤالات روشن زیادی باقی می ماند.

با در نظر گرفتن تنوع دیده شده در سیارات و قمرهای منظومه خورشیدی ما، برای مثال در قسمتی کوچک از جهان، ما جهان های بسیار و متفاوتی میبینم: اتمسفر کربن دی اکسید مه مانند زهره، اتمسفر رقیق امروزه ی مریخ که زیاد خالی شده، اتمسفر غنی از نیتروژن تایتان قمر زحل، کالیستو قمر ذاتا خالی از هوای مشتری، اتمسفر اکسیژن دار زمین.

ما چگونه می فهمیم آیا این سیارات می توانند برای زندگی مفید باشند، یا اگر آن ها قبلا میزبان نوعی زندگی بوده اند؟ به طور مثال گمان می رود مریخ روزی دارای اتمسفری چگال و غلیظ بوده باشد که مقدار قابل توجهی از آن در طول زمان از بین رفته است. اگرچه سیاره ی سرخ ممکن نیست قابل سکونت باشد، ممکن است در گذشته اینگونه بوده باشد.

اسکوبت گفت:" فهم بیشتر درباره ی اتمسفر خودمان هنگام بحث درباره ی سیارات دیگر جهان به ما کمک خواهد کرد. ما احتیاج به دانش بیشتری داریم. چرا زمین اتمسفری دارد که می تواند حافظ زندگی باشد در حالی که باقی سیارات نمی توانند؟" کلاستر یک ماموریت خاص است که شامل چهار فضاپیما می باشد- قالبی که اخیرا ناسا برای ماموریت مقیاس های چندگانه ی مگنتوسفر(MMS )استفاده کرده است، آغاز شده در2015- که اجازه ی مطالعات مداوم میدان مغناطیسی و باد های خورشیدی از مکان ها و جهات متفاوت را می دهد. کلاستر از 2000 شروع به کار کرده است و در این زمان اطلاعاتی غنی را درباره ی محیط مغناطیسی ما در طول تناوب های متفاوت فعالیت های خورشیدی و زمینی داده است.

اسکوبت اضافه کرد:" همچنین مدار کلاستر حقیقتا در طول همه ی ماموریت های جاری منحصربه فرد است. کلاستر روی مدار قطبی است، یعنی آن ها می توانند مناطق فعال قطبی را کاوش کنند- به خصوص سر تیز و راس قطب- نزدیک و جزییاتی بی نظیر به دست آرند."

"در نهایت، ماموریت های طولانی فضایی مانند کلاستر به ما کمک می کنند برای فهم بیشتر درباره ی سیاره یمان، اتمسفرش، و در کل کاهش اتمسفر- که به ما کمک میکند برای فهم منظومه ی شمسی که در آن زندگی میکنیم"

کلاستر مجموعه ای از چهار فضاپیماست که به دور زمین می  چرخد. این اولین ماموریت فضایی برای مطالعه در سه بعد و برای پروسه های طبیعی فیزیکی که داخل و در نزدیکی مگنتوسفر زمین  اتفاق می افتند، می باشد. در 2000 آغاز شده است، شامل چهار فضاپیمای برابر که به شکل هرمی به دور زمین می چرخند.

محتویات کلاستر شامل وسایل شرح صنعت پلاسما برای اندازه گیری میدان های الکتریکی و مغناطیسی در محدوده ی وسیع فرکانس، و کلید پارامترهای فیزیکی که الکترون ها و یون ها را از نزدیک0eV تا میزان کمیMeV توصیف می کند.

عملیات های علمی به وسیله ی مرکز هماهنگی علوم مشترک (ESOC) در آزمایشگاه رادرفورد اپلتون، انگلستان وتوسط مرکز عملیات فضایی اروپا (ESOC) ESA در دارمشتات آلمان انجام شد.

منبع:‌ dailygalaxy.com     

 

  

همه نظرها (۰)

هیچ کس هنوز نظری ارسال نکرده