باستخدام ملاحظات من صاروخ ناسا تحت السطح، نجح فريق دولي من العلماء، ولأول مرة، في قياس مجال كهربائي على مستوى الكوكب، يُعتقد أنه أساسي للأرض مثل جاذبية الأرض والمجالات المغناطيسية.

يُطلق عليه اسم المجال الكهربائي ثنائي القطب، وقد فكر العلماء لأول مرة في كيفية تمكن الغلاف الجوي لكوكبنا من الهروب فوق القطبين الشمالي والجنوبي للأرض منذ أكثر من 60 عامًا. أكدت القياسات التي أجراها الصاروخ، وهي مهمة التحمل التابعة لناسا، وجود ثنائي القطب، حيث تم قياس قوته أثناء خروجه من الغلاف الجوي وكشف عن دوره في تشكيل الغلاف الأيوني لدينا – وهي طبقة من الغلاف الجوي العلوي – على نطاق أوسع.

إن فهم الديناميكيات المعقدة وتطور الغلاف الجوي لكوكبنا يمنحنا نظرة ثاقبة ليس فقط لتاريخ الأرض، ولكن أيضًا لأسرار الكواكب الأخرى وتحديد أي منها مناسب للحياة. هناك ورقة بحثية حول هذا الموضوع تم النشر في المجلة طبيعة.

مجال كهربائي يسحب الجسيمات إلى الفضاء

منذ أواخر الستينيات، اكتشفت المركبات الفضائية التي تحلق فوق قطبي الأرض تيارات من الجسيمات تتدفق من غلافنا الجوي إلى الفضاء. وتنبأ المنظرون بهذا التدفق الذي أطلقوا عليه اسم “الرياح القطبية”، مما دفع الباحثين إلى فهم أسبابه.

من المتوقع حدوث بعض القذفات من غلافنا الجوي. يمكن لأشعة الشمس الشديدة وغير المفلترة أن تتسبب في هروب بعض الجزيئات من الهواء إلى الفضاء، مثل البخار الذي يتبخر من وعاء. لكن الرياح القطبية المرصودة كانت أكثر غموضا. كانت العديد من الجسيمات فيه باردة، ولم تظهر عليها أي علامات على التسخين، ومع ذلك كانت تسافر بسرعات تفوق سرعة الصوت.

قال جلين كولينسون، الباحث الرئيسي في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ميريلاند، والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية: “يجب أن يقوم شيء ما بسحب هذه الجسيمات من الغلاف الجوي”. ويشتبه العلماء في وجود مجال كهربائي غير مكتشف بعد قد يكون في العمل.

كان من المتوقع أن يكون المجال الكهربائي الافتراضي الذي تم إنشاؤه على المقياس دون الذري ضعيفًا بشكل لا يصدق، ولن يتم الشعور بتأثيراته إلا على بعد مئات الأميال. لعقود من الزمن، كان اكتشافها خارج حدود التكنولوجيا الحالية. في عام 2016، شرع كولينسون وفريقه في اختراع أداة جديدة اعتقدوا أنها ستكون مثالية لمهمة قياس المجال ثنائي القطب للأرض.

إطلاق صاروخ من القطب الشمالي

أدوات الفريق وأفكاره مناسبة تمامًا لرحلة صاروخية مصاحبة تم إطلاقها من القطب الشمالي. أطلق الفريق على مهمتهم اسم Endurance، في إشارة إلى السفينة التي حملت إرنست شاكلتون في رحلته الشهيرة عام 1914 إلى القارة القطبية الجنوبية. حدد العلماء مسارًا لأرخبيل سفالبارد النرويجي، على بعد بضع مئات من الأميال من القطب الشمالي وموطن مجموعة الصواريخ الواقعة في أقصى شمال العالم.

وقالت سوزي إيمبر، عالمة فيزياء الفضاء بجامعة ليستر في إنجلترا والمؤلفة المشاركة في الدراسة: “إن سفالبارد هو نطاق الصواريخ الوحيد في العالم حيث يمكنك الطيران عبر الهواء القطبي وإجراء القياسات التي نحتاجها”.

في 11 مايو 2022، انطلقت مركبة إنديورانس ووصلت إلى ارتفاع 477.23 ميلًا (768.03 كيلومترًا)، وسقطت في بحر جرينلاند بعد 19 دقيقة. على نطاق ارتفاع 322 ميلًا حيث قامت بجمع البيانات، قامت Endurance بقياس تغير في الإمكانات الكهربائية بمقدار 0.55 فولت فقط.

وقال كولينسون: “إن نصف فولت لا يكاد يكون شيئًا، فهو بقوة بطارية الساعة”. “لكنه الحجم المناسب لتفسير الرياح القطبية.”

تتعرض أيونات الهيدروجين، وهي النوع الأكثر وفرة من الجسيمات في الهواء القطبي، لقوة خارجية أقوى بـ 10.6 مرة من الجاذبية الناتجة عن هذا المجال.

قال Alex Glauser، عالم برنامج التحمل في NASA Goddard والمؤلف المشارك في الورقة البحثية: “هذا يكفي لتحدي الجاذبية، وفي الواقع يكفي لدفعهم إلى الأعلى عبر الفضاء بسرعات تفوق سرعة الصوت”.

يتم أيضًا تعزيز الجزيئات الأثقل. أيونات الأكسجين على نفس الارتفاع، مغمورة في هذا المجال نصف فولت، تزن نصف ذلك. بشكل عام، وجد الفريق أن المجال القطبي يزيد من طبقة الأيونوسفير بنسبة 271%، وهو ما يُعرف باسم “الارتفاع المقياسي” للغلاف الأيوني، مما يعني أن الغلاف الأيوني يكون أكثر كثافة على ارتفاعات أعلى مما سيكون عليه بدونه.

وأضاف كولينسون: “إنه مثل هذا الحزام الناقل، الذي يرفع الغلاف الجوي إلى الفضاء”.

لقد فتح اكتشاف القدرة على التحمل العديد من الطرق الجديدة للاستكشاف. قد يستمر المجال ثنائي القطب، إلى جانب الجاذبية والمغناطيسية باعتبارهما مجال الطاقة الأساسي لكوكبنا، في تشكيل تطور غلافنا الجوي بطرق بدأنا الآن فقط في استكشافها. ولأنها تنشأ عن الديناميكيات الداخلية للغلاف الجوي، فمن المتوقع وجود مجالات كهربائية مماثلة على الكواكب الأخرى، بما في ذلك كوكب الزهرة والمريخ.

وقال كولينسون: “أي كوكب له غلاف جوي يجب أن يكون لديه مجال ثنائي القطب”. “والآن بعد أن قمنا بقياسه أخيرًا، يمكننا أن نبدأ في معرفة كيف شكل كوكبنا والآخرين بمرور الوقت.”