بعد 60 عاما من البحث.. اكتشاف الكهرباء السرية في كوكبنا

باستخدام الملاحظات من صاروخ دون مداري تابع لوكالة ناسا، نجح فريق دولي من العلماء، لأول مرة، في قياس حقل كهربائي على مستوى الكوكب يُعتقد أنه أساسي للأرض مثل حقولها الجاذبية والمغناطيسية.

افترض العلماء لأول مرة منذ أكثر من 60 عامًا، أن الحقل الكهربائي ثنائي القطب، يتحكم في كيفية هروب الغلاف الجوي لكوكبنا فوق القطبين الشمالي والجنوبي للأرض. وأكدت القياسات التي قدمتها مهمة إندورانس التابعة لوكالة ناسا، وجود الحقل ثنائي القطب وقياس قوته، وكشفت عن دوره في دفع هروب الغلاف الجوي وتشكيل طبقة الأيونوسفير لدينا - طبقة من الغلاف الجوي العلوي - على نطاق أوسع.

إن فهم الحركات المعقدة وتطور الغلاف الجوي لكوكبنا يوفر أدلة ليس فقط على تاريخ الأرض، بل يمنحنا أيضًا نظرة ثاقبة على أسرار الكواكب الأخرى وتحديد أي منها قد يكون مضيافًا للحياة.

منذ أواخر ستينيات القرن العشرين، رصدت المركبات الفضائية التي تحلق فوق أقطاب الأرض تيارًا من الجسيمات يتدفق من غلافنا الجوي إلى الفضاء. وأطلق الباحثون على هذا التدفق، اسم "الرياح القطبية".

كان من المتوقع حدوث قدر من التدفق من غلافنا الجوي. ومن المفترض أن يتسبب ضوء الشمس الشديد غير المفلتر في هروب بعض الجسيمات من هوائنا إلى الفضاء، مثل البخار الصادر من قدر من الماء. لكن الرياح القطبية المرصودة كانت أكثر غموضًا. كان العديد من الجسيمات داخلها باردة، ولا توجد علامات على أنها كانت ساخنة - ومع ذلك كانت تسافر بسرعات تفوق سرعة الصوت.

قال جلين كولينسون، المحقق الرئيسي في برنامج Endurance في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لوكالة ناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند، والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية: "لا بد أن يكون هناك شيء يسحب هذه الجسيمات من الغلاف الجوي". اشتبه العلماء في أن مجالًا كهربائيًا لم يتم اكتشافه بعد قد يكون مسؤولاً عن ذلك.

كان من المتوقع أن يكون المجال الكهربائي المفترض، والذي يتولد على نطاق دون ذري، ضعيفًا بشكل لا يصدق، حيث لا يشعر بتأثيراته إلا على بعد مئات الأميال. ولعقود من الزمان، كان اكتشافه خارج حدود التكنولوجيا الحالية. في عام 2016، بدأ كولينسون وفريقه العمل على اختراع أداة جديدة اعتقدوا أنها قادرة على القيام بمهمة قياس المجال ثنائي القطب للأرض.

كانت أدوات وأفكار الفريق هي الأنسب لرحلة صاروخية دون مدارية يتم إطلاقها من القطب الشمالي. في إشارة إلى السفينة التي حملت إرنست شاكلتون في رحلته الشهيرة إلى القارة القطبية الجنوبية عام 1914، أطلق الفريق على مهمتهم اسم Endurance. حدد العلماء مسارهم إلى سفالبارد، الأرخبيل النرويجي على بعد بضع مئات من الكيلومترات من القطب الشمالي وموطن أقصى مدى للصواريخ في العالم.

قالت سوزي إيمبر، فيزيائية الفضاء بجامعة ليستر بالمملكة المتحدة، والمؤلفة المشاركة في البحث: "سفالبارد هو مدى الصواريخ الوحيد في العالم حيث يمكنك الطيران عبر الرياح القطبية وإجراء القياسات التي نحتاجها".

في الحادي عشر من مايو 2022، انطلقت المركبة إندورانس ووصلت إلى ارتفاع (768.03 كيلومترًا)، ثم هبطت بعد 19 دقيقة في بحر جرينلاند. وعلى مدى ارتفاع 322 ميلاً حيث جمعت البيانات، قامت إندورانس بقياس تغير في الجهد الكهربائي بمقدار 0.55 فولت فقط.

قال كولينسون: "نصف فولت لا يكاد يكون شيئًا - فهو قوي مثل بطارية الساعة فقط. لكن هذا هو المقدار المناسب لتفسير الرياح القطبية".

تتعرض أيونات الهيدروجين، النوع الأكثر وفرة من الجسيمات في الرياح القطبية، لقوة خارجية من هذا المجال أقوى بـ 10.6 مرات من الجاذبية.

قال أليكس جلوسر، عالم مشروع إندورانس في مركز جودارد والمؤلف المشارك في البحث: "هذا أكثر من كافٍ لمقاومة الجاذبية - في الواقع، يكفي لإطلاقها لأعلى في الفضاء بسرعات تفوق سرعة الصوت".

تحصل الجسيمات الأثقل أيضًا على دفعة. إن أيونات الأكسجين على نفس الارتفاع، المغمورة في هذا المجال الذي تبلغ قوته نصف فولت، تزن نصف هذا الوزن. وبشكل عام، وجد الفريق أن المجال ثنائي القطب يزيد ما يعرف بـ "ارتفاع المقياس" للغلاف الأيوني بنسبة 271٪، ما يعني أن الغلاف الأيوني يظل أكثر كثافة إلى ارتفاعات أكبر مما كان ليكون بدونه.

وأضاف كولينسون: "إنه مثل حزام ناقل يرفع الغلاف الجوي إلى الفضاء"، وفقا لموقع phys.org.

فتح اكتشاف إندورانس العديد من المسارات الجديدة للاستكشاف. ربما شكل المجال ثنائي القطب، كحقل طاقة أساسي لكوكبنا إلى جانب الجاذبية والمغناطيسية، تطور غلافنا الجوي بشكل مستمر بطرق يمكننا الآن أن نبدأ في استكشافها. ولأنه يتم إنشاؤه بواسطة الديناميكيات الداخلية للغلاف الجوي، فمن المتوقع وجود مجالات كهربائية مماثلة على كواكب أخرى، بما في ذلك الزهرة والمريخ.

وقال كولينسون: "يجب أن يكون لأي كوكب له غلاف جوي مجال ثنائي القطب". "الآن بعد أن تمكنا من قياسه أخيرًا، يمكننا أن نبدأ في تعلم كيفية تشكيل كوكبنا وكوكب الكواكب الأخرى بمرور الوقت."