رعد و برق: آغازگر بازی هیجان‌انگیز الکترون‌ها در فضا

پیوندی جدید بین آب و هوا در زمین و فضا

زمانی که رعد و برق می‌زند، الکترون‌ها به سمت پایین سرازیر می‌شوند. در یک مطالعه جدید، محققان دانشگاه کلرادو بولدر به رهبری یک دانشجوی کارشناسی، پیوندی جدید بین آب و هوای زمین و آب و هوای فضا کشف کرده‌اند. این گروه با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای نشان دادند که طوفان‌های رعد و برق در سیاره ما می‌توانند الکترون‌های با انرژی بسیار بالا، یا به عبارتی «بسیار داغ»، را از کمربند تابش داخلی خارج کنند. این کمربند منطقه‌ای در فضا است که با ذرات باردار پر شده و زمین را مانند یک لوله داخلی احاطه کرده است. نتایج این تیم می‌تواند به ماهواره‌ها و حتی فضانوردان کمک کند تا از تابش‌های خطرناک در فضا دوری کنند.

ماکس فاینلند، نویسنده اصلی و دانشجوی کارشناسی، گفت: «این یکی از بارش‌هایی است که نمی‌خواهید در آن گرفتار شوید.» او که در بهار 2024 مدرک کارشناسی خود را در رشته مهندسی علوم فضایی از دانشگاه کلرادو بولدر دریافت خواهد کرد، افزود: «این ذرات، ذرات ترسناکی هستند که برخی افراد آنها را ‘الکترون‌های کشنده’ می‌نامند.» فاینلند توضیح داد: «آنها می‌توانند به فلزات روی ماهواره‌ها نفوذ کنند، به مدارهای الکتریکی ضربه بزنند و اگر به یک فرد در فضا برخورد کنند، می‌توانند سرطان‌زا باشند.» این مطالعه در تاریخ 8 اکتبر در نشریه Nature Communications منتشر شد.

کمربندهای تابش و تأثیرات آنها

یافته‌های این تحقیق به کمربندهای تابش که توسط میدان مغناطیسی زمین تولید می‌شوند، توجه می‌کند. لورن بلوم، یکی از نویسندگان این مقاله و استاد دستیار در آزمایشگاه فیزیک جوی و فضایی (LASP) در دانشگاه کلرادو بولدر، توضیح داد که دو منطقه از این کمربندها سیاره ما را احاطه کرده‌اند. در حالی که این کمربندها در طول زمان بسیار جابجا می‌شوند، کمربند داخلی معمولاً از ارتفاع بیش از 600 مایل بالای سطح زمین شروع می‌شود. کمربند خارجی تقریباً از فاصله 12,000 مایل از زمین آغاز می‌شود.

این لوله‌های شناور در فضا ذرات باردار را که از سمت خورشید به سمت سیاره ما حرکت می‌کنند، به دام می‌اندازند و نوعی مانع بین جو زمین و سایر نقاط منظومه شمسی ایجاد می‌کنند. اما این کمربندها کاملاً غیرقابل نفوذ نیستند. به عنوان مثال، دانشمندان مدت‌هاست که می‌دانند الکترون‌های با انرژی بالا می‌توانند از کمربند تابش خارجی به سمت زمین سقوط کنند. با این حال، بلوم و همکارانش اولین کسانی هستند که بارش مشابهی را از کمربند داخلی مشاهده کرده‌اند. به عبارت دیگر، زمین و فضا ممکن است به اندازه‌ای که به نظر می‌رسند، جدا نباشند.

قدرت رعد و برق

بلوم گفت: «آب و هوای فضایی واقعاً از بالا و پایین تحت تأثیر قرار می‌گیرد.» وقتی یک رعد و برق در آسمان زمین می‌زند، آن انفجار انرژی ممکن است امواج رادیویی را به عمق فضا بفرستد.

تأثیر امواج رادیویی بر الکترون‌ها در کمربندهای تابش

اگر این امواج به الکترون‌ها در کمربندهای تابش برخورد کنند، می‌توانند آن‌ها را آزاد کنند – مشابه تکان دادن چتر برای ریختن آب از روی آن. در برخی موارد، این پدیده به نام بارش الکترون ناشی از رعد و برق می‌تواند حتی بر شیمی جو زمین تأثیر بگذارد. تا به امروز، محققان تنها اندازه‌گیری‌های مستقیم از الکترون‌های با انرژی پایین یا سردتر که از کمربند تابش داخلی سقوط می‌کنند، جمع‌آوری کرده بودند. بلوم گفت: “معمولاً کمربند داخلی به نوعی کسل‌کننده به نظر می‌رسد. این کمربند پایدار است و همیشه وجود دارد.”

کشف جدید تیم او تقریباً به‌طور تصادفی به دست آمد. فینلند در حال تحلیل داده‌های ماهواره‌ی SAMPEX (کاوشگر ذرات خورشیدی، غیرعادی و مغناطیسی) ناسا بود که متوجه چیزی عجیب شد: خوشه‌هایی از الکترون‌های با انرژی بالا که در حال حرکت در کمربند داخلی بودند. فینلند گفت: “من برخی از رویدادهایم را به لورن نشان دادم و او گفت، ‘این‌ها قرار نیست اینجا باشند.’ برخی از منابع ادعا می‌کنند که هیچ الکترون با انرژی بالایی در کمربند داخلی وجود ندارد.”

تیم تصمیم گرفت که عمیق‌تر بررسی کند. در مجموع، فینلند ۴۵ افزایش الکترون‌های با انرژی بالا را در کمربند داخلی از سال ۱۹۹۶ تا ۲۰۰۶ شمارش کرد. او این رویدادها را با سوابق رعد و برق در آمریکای شمالی مقایسه کرد. به‌راستی، برخی از اوج‌های الکترون‌ها به نظر می‌رسید که کمتر از یک ثانیه پس از رعد و برق‌های زمین اتفاق می‌افتند.

الکترون‌ها در حال بازی پین‌بال

تیمی که در این زمینه تحقیق می‌کند، بر این باور است که پس از یک رعد و برق، امواج رادیویی از زمین نوعی بازی پین‌بال دیوانه‌وار را در فضا آغاز می‌کنند. این امواج به الکترون‌ها در کمربند داخلی برخورد می‌کنند و سپس آن‌ها شروع به پرش بین نیمکره‌های شمالی و جنوبی زمین می‌کنند – در عرض تنها ۰.۲ ثانیه به جلو و عقب می‌روند. و هر بار که الکترون‌ها پرش می‌کنند، برخی از آن‌ها از کمربند خارج شده و به جو ما می‌افتند. بلوم گفت: “شما یک توده بزرگ از الکترون‌ها دارید که پرش می‌کند و سپس برمی‌گردد و دوباره پرش می‌کند. شما این سیگنال اولیه را خواهید دید و سپس محو می‌شود.”

بلوم مطمئن نیست که چنین رویدادهایی چقدر اتفاق می‌افتند. ممکن است این رویدادها عمدتاً در دوره‌های فعالیت خورشیدی بالا رخ دهند، زمانی که خورشید تعداد زیادی الکترون با انرژی بالا را آزاد می‌کند و کمربند داخلی را با این ذرات پر می‌کند. محققان می‌خواهند این رویدادها را بهتر درک کنند تا بتوانند پیش‌بینی کنند که چه زمانی ممکن است اتفاق بیفتند و به این ترتیب به حفظ ایمنی افراد و الکترونیک‌های در حال گردش در مدار کمک کنند. فینلند نیز از فرصتی که برای مطالعه این طوفان‌های شگفت‌انگیز به دست آورده، سپاسگزار است. او گفت: “حتی نمی‌دانستم چقدر از تحقیق لذت می‌برم تا اینکه این پروژه را انجام دادم.”