رعد و برق قاتل الکترون‌ها را به فضا می‌فرستد: کشف علمی جدید!

یک ارتباط تازه بین آب و هوای زمین و فضا

وقتی رعد و برق آسمون رو می‌شکافه، الکترون‌ها انگار دارن سرسره بازی می‌کنن و پایین می‎‌آن. توی یه تحقیق جدید که یه دانشجوی کارشناسی از دانشگاه کلرادو بولدر سرپرستش بوده، یه ارتباط تازه و خیلی جالب بین آب و هوای زمین و فضا کشف شده. این گروه با استفاده از اطلاعاتی که از ماهواره‌ها به دست آوردن، نشون دادن که طوفان‌های رعد و برق توی سیاره‌ی ما می‌تونن الکترون‌هایی با انرژی خیلی زیاد، یا به قول خودشون “فوق‌العاده داغ”، رو از “کمربند تابشی داخلی” بیرون کنن. این کمربند یه منطقه‌ست توی فضا که پر از ذرات بارداره و دور زمین رو مثل یه تونل داخلی گرفته. نتایج این تحقیق می‌تونه به ماهواره‌ها و حتی فضانوردها کمک کنه که از تابش‌های خطرناک توی فضا دور بمونن.

ماکس فاینلند، دانشجوی ارشد و نویسنده‌ی اصلی این مقاله، گفت: “این از اون بارش‌هایی هست که دوست نداری توش گیر کنی.” او که بهار 2024 مدرک کارشناسی‌اش رو در رشته‌ی مهندسی علوم فضایی از دانشگاه کلرادو بولدر می‌گیره، اضافه کرد: “این ذرات، ذرات ترسناکی هستن که بعضی‌ها بهشون می‌گن ‘الکترون‌های قاتل’.” فاینلند توضیح داد: “اینا می‌تونن از فلزات روی ماهواره‌ها رد بشن، مدارهای الکتریکی رو خراب کنن و اگه به یه نفر توی فضا بخورن، می‌تونن سرطان‌زا باشن.” این تحقیق، 8 اکتبر توی مجله‌ی Nature Communications منتشر شد.

کمربندهای تابشی و اثراتشون

یافته‌های این تحقیق به “کمربندهای تابشی” اشاره داره که میدان مغناطیسی زمین اون‌ها رو ایجاد می‌کنه. لورن بلوم، یکی از نویسنده‌های مقاله و استادیار آزمایشگاه فیزیک جوی و فضایی (LASP) در دانشگاه کلرادو بولدر، توضیح داد که دو تا از این کمربندها دور سیاره‌ی ما رو گرفتن. هرچند این کمربندها طی زمان خیلی تغییر می‌کنن، ولی کمربند داخلی معمولاً از ارتفاع حدود 600 مایلی بالای سطح زمین شروع می‌شه. کمربند بیرونی هم تقریباً از فاصله‌ی 12,000 مایلی از زمین شروع می‌شه.

این لوله‌های شناور توی فضا، ذرات بارداری رو که از طرف خورشید به سمت ما میان، به دام میندازن و یه جور سد بین جو زمین و بقیه‌ی منظومه شمسی ایجاد می‌کنن. ولی این کمربندها کلاً نفوذناپذیر نیستن. مثلاً، دانشمندا مدت‌هاست می‌دونن که الکترون‌های پرانرژی می‌تونن از کمربند تابشی بیرونی به سمت زمین بیان. با این حال، بلوم و همکاراش اولین کسایی هستن که همچین بارشی رو از کمربند داخلی دیدن. به عبارت دیگه، زمین و فضا شاید اون‌قدرها هم که فکر می‌کنیم از هم جدا نباشن.

قدرت رعد و برق

بلوم گفت: “آب و هوای فضا واقعاً از بالا و پایین تحت تأثیره.” وقتی یه رعد و برق تو آسمون زمین می‌زنه، اون انفجار انرژی ممکنه امواج رادیویی رو به اعماق فضا بفرسته.

تأثیر امواج رادیویی بر الکترون‌ها توی کمربندهای تابشی

اگه این امواج به الکترون‌ها توی کمربندهای تابشی بخورن، می‌تونن آزادشون کنن – مثل اینکه چتر رو تکون بدی تا آب از روش بریزه. توی بعضی موارد، به این اتفاق “بارش الکترون ناشی از رعد و برق” می‌گن و حتی می‌تونه رو شیمی جو زمین هم تأثیر بذاره. تا حالا، محقق‌ها فقط تونسته بودن اندازه گیری‌های مستقیمی از الکترون‌های با انرژی کم یا سردتر رو جمع‌آوری کنن که از کمربند داخلی می‌افتادن. بلوم گفت: “معمولاً کمربند داخلی یه جورایی یکنواخت به نظر می‌رسه. این کمربند پایدار هست و همیشه وجود داره.”

کشف جدید این تیم تقریباً یه اتفاقی پیش اومد. فینلند داشت اطلاعات ماهواره‌ی SAMPEX (کاوشگر ذرات خورشیدی، غیرعادی و مغناطیسی) ناسا رو بررسی می‌کرد که متوجه یه چیز عجیب شد: دسته‌هایی از الکترون‌های پرانرژی که داشتن توی کمربند داخلی حرکت می‌کردن. فینلند گفت: “من بعضی از اتفاقاتی که دیدم رو به لورن نشون دادم و اون گفت، ‘نباید اینا اینجا باشن.’ بعضی منابع هم می‌گن که اصلاً الکترون پرانرژی توی کمربند داخلی وجود نداره.”

تیم تصمیم گرفت که دقیق‌تر بررسی کنه. در مجموع، فینلند 45 بار افزایش الکترون‌های پرانرژی رو توی کمربند داخلی از سال 1996 تا 2006 شمرد. اون این اتفاقات رو با رکوردهای رعد و برق توی آمریکای شمالی مقایسه کرد. واقعاً هم، بعضی از قله‌های الکترون‌ها، کمتر از یه ثانیه بعد از رعد و برق‌های زمین اتفاق افتاده بودن.

الکترون‌ها دارن پینگ‌پونگ بازی می‌کنن!

تیمی که روی این موضوع تحقیق می‌کنن، معتقدن که بعد از رعد و برق، امواج رادیویی از زمین یه جورایی بازی پینگ‌پونگ رو توی فضا شروع می‌کنن. این امواج به الکترون‌ها توی کمربند داخلی برخورد می‌کنن و بعد اونها شروع می‌کنن به پریدن بین نیمکره‌های شمالی و جنوبی زمین – تو کمتر از 0.2 ثانیه دارن عقب و جلو می‌رن. و هر بار که الکترون‌ها این‌طوری می‎‌پرن، یه عده‌شون از کمربند بیرون می‌پرن و وارد جو ما می‌شن. بلوم گفت: “یه توده بزرگ از الکترون‌ها داری که هی می‌پره و بعد برمی‌گرده و دوباره می‌پره. شما این ‘سیگنال اولیه’ رو می‌بینی و بعد محو می‌شه.”

بلوم مطمئن نیست که این اتفاقا چقدر پیش میاد. شاید این اتفاقا بیشتر موقعی بیفته که فعالیت خورشید زیاد باشه، یعنی زمانی که خورشید الکترون‌های پرانرژی زیادی رو آزاد می‌کنه و کمربند داخلی رو پر از این ذرات می‌کنه. محقق‌ها می‌خوان این اتفاقا رو بهتر درک کنن تا بتونن پیش‌بینی کنن کی ممکنه پیش بیاد و اینطوری به حفظ امنیت مردم و دستگاه‌های الکترونیکی که توی مدار هستن کمک کنن. فینلند هم از اینکه فرصت پیدا کرده این طوفان‌های حیرت‌انگیز رو مطالعه کنه، خیلی خوشحاله. او گفت: “حتی نمی‌دونستم که چقدر از پژوهش لذت می‌برم تا وقتی که این پروژه رو شروع کردم.”