هناك تريليونات من الجزيئات المشحونة – البروتونات والإلكترونات ، ولبنات البناء الأساسية للمادة – تتجول فوق رأسك في أي وقت. هذه الجزيئات عالية الطاقة ، التي يمكن أن تسافر في قريب من سرعة الضوء ، تظل عادة آلاف الكيلومترات عن الأرض ، محاصرة هناك على شكل المجال المغناطيسي للأرض.
في بعض الأحيان ، على الرغم من ذلك ، يحدث حدث يمكن أن يتأثر بهم خارج مكانه ، مما يرسل إلكترونات تمطر إلى جو الأرض. تشكل هذه الجسيمات عالية الطاقة في الفضاء ما يعرف باسم أحزمة الإشعاع Van Allen ، وكان اكتشافها أحد أول عصر الفضاء. لقد وجدت دراسة جديدة من فريق البحث الخاص بي أن الموجات الكهرومغناطيسية التي تم إنشاؤها بواسطة Lightning يمكن أن تؤدي إلى هذه الاستحمام الإلكترون.
درس تاريخ موجز
في بداية سباق الفضاء في الخمسينيات من القرن الماضي ، تم تكليف البروفيسور جيمس فان ألين وفريقه الأبحاث في جامعة أيوا ببناء تجربة للطيران على القمر الصناعي الأول في الولايات المتحدة ، المستكشف 1. لقد صمموا أجهزة استشعار لدراسة Cosmic الإشعاع ، الذي يسببه جزيئات عالية الطاقة الناشئة عن الشمس ، وليبيون واي مجرة ، أو خارجها.
بعد إطلاق Explorer 1 ، لاحظوا أن أداةهم كانت تكتشف مستويات أعلى بكثير من الإشعاع مما كان متوقعًا. بدلاً من قياس مصدر بعيد للإشعاع خارج نظامنا الشمسي ، بدا أنها تقيس مصدرًا محليًا ومكثفًا للغاية.
أدى هذا القياس إلى اكتشاف أحزمة الإشعاع Van Allen ، وهما منطقتان على شكل doughnut من الإلكترونات عالية الطاقة والأيونات التي تطوق الكوكب.
يعتقد العلماء أن حزام الإشعاع الداخلي ، الذي يصل إلى حوالي 621 ميلًا (1000 كيلومتر) من الأرض ، يتكون من الإلكترونات والبروتونات عالية الطاقة ومستقر نسبيًا مع مرور الوقت.
يتكون حزام الإشعاع الخارجي ، حوالي ثلاث مرات بعيدًا ، من إلكترونات عالية الطاقة. يمكن أن يكون هذا الحزام ديناميكيًا للغاية. قد يختلف موقعها وكثافة ومحتوى الطاقة بشكل كبير في الساعة استجابة للنشاط الشمسي.
إن اكتشاف هذه المناطق عالية الإشعاع ليس فقط قصة مثيرة للاهتمام حول الأيام الأولى لسباق الفضاء ؛ كما أنه بمثابة تذكير بأن العديد من الاكتشافات العلمية قد حدثت عن طريق حادث سعيد.
إنه درس للعلماء التجريبيين ، بمن فيهم أنا ، للحفاظ على عقل متفتح عند تحليل البيانات وتقييمها. إذا كانت البيانات لا تتطابق مع نظرياتنا أو توقعاتنا ، فقد تحتاج هذه النظريات إلى إعادة النظر.
ملاحظاتنا الغريبة
على الرغم من أنني أدرس تاريخ سباق الفضاء في دورة سياسة الفضاء في جامعة كولورادو ، بولدر ، نادراً ما أقوم بتوصيله بتجربتي الخاصة كعالم يبحث عن أحزمة الإشعاع للأرض. أو ، على الأقل ، لم أفعل حتى وقت قريب.
في دراسة بقيادة ماكس فاينلاند ، طالب جامعي في مجموعتي البحثي ، تعثرنا على بعض الملاحظات غير المتوقعة الخاصة بنا لأحزمة الإشعاع للأرض. لقد جعلتنا النتائج التي توصلنا إليها إعادة التفكير في فهمنا لحزام الإشعاع الداخلي للأرض والعمليات التي تؤثر عليه.
في الأصل ، شرعنا في البحث عن رشقات سريعة للغاية-ثانية-ثانية-من الإلكترونات عالية الطاقة التي تدخل الجو من حزام الإشعاع الخارجي ، حيث يتم ملاحظتها عادة.
يعتقد العديد من العلماء أن نوعًا من الموجة الكهرومغناطيسية المعروفة باسم “الجوقة” يمكن أن يطرد هذه الإلكترونات من الموضع ويرسلها نحو الغلاف الجوي. يطلق عليهم موجات جوقة بسبب صوت النقيق المتميز عند الاستماع إلى جهاز استقبال الراديو.
طورت Feinland خوارزمية للبحث عن هذه الأحداث منذ عقود من القياسات من القمر الصناعي Sampex. عندما أظهر لي مؤامرة مع موقع جميع الأحداث التي اكتشفها ، لاحظنا أن عددًا منها لم يكن المكان الذي توقعناه. تم تعيين بعض الأحداث إلى حزام الإشعاع الداخلي بدلاً من الحزام الخارجي.
كان هذا الاستنتاج فضولي لسببين. من ناحية ، ليست موجات الجوقة سائدة في هذه المنطقة ، لذلك كان يجب أن يهز هذه الإلكترونات.
كانت المفاجأة الأخرى هي إيجاد الإلكترونات هذه النشطة في الحزام الإشعاعي الداخلي على الإطلاق. دفعت القياسات من مهمة تحقيقات فان ألين من ناسا اهتمامًا متجددًا في حزام الإشعاع الداخلي. تشير الملاحظات من تحقيقات فان ألين إلى أن الإلكترونات عالية الطاقة غالبًا ما تكون غير موجودة في هذا الحزام الإشعاعي الداخلي ، على الأقل ليس خلال السنوات القليلة الأولى من تلك المهمة ، من 2012 إلى 2014.
أظهرت ملاحظاتنا الآن أنه في الواقع ، هناك أوقات تحتوي الحزام الداخلي على إلكترونات عالية الطاقة. كم مرة يكون هذا صحيحًا وتحت أي شروط تبقى أسئلة مفتوحة لاستكشافها. يمكن لهذه الجسيمات عالية الطاقة أن تلحق الضرر بالمركبة الفضائية وتؤذي البشر في الفضاء ، لذلك يحتاج الباحثون إلى معرفة متى وأين يكونون في الفضاء موجودين لتصميم مركبة فضائية أفضل.
تحديد الجاني
إحدى طرق إزعاج الإلكترونات في الحزام الإشعاعي الداخلي وركلها في الغلاف الجوي للأرض تبدأ فعليًا في الغلاف الجوي نفسه.
البرق ، يمكن أن تولد التصريفات الكهرومغناطيسية الكبيرة التي تضيء السماء أثناء العواصف الرعدية ، في الواقع موجات كهرومغناطيسية تعرف باسم Whistlers التي تم إنشاؤها للبرق.
يمكن لهذه الأمواج أن تنتقل بعد ذلك عبر الغلاف الجوي إلى الفضاء ، حيث تتفاعل مع الإلكترونات في حزام الإشعاع الداخلي – بقدر ما تتفاعل موجات الجوقة مع الإلكترونات في حزام الإشعاع الخارجي.
لاختبار ما إذا كان البرق كان وراء اكتشاف حزام الإشعاع الداخلي لدينا ، نظرنا إلى الوراء في رشقات الإلكترون وقارنناها ببيانات العواصف الرعدية. بدا بعض نشاط البرق مرتبطًا بأحداث الإلكترون لدينا ، لكن الكثير منها لم يكن كذلك.
على وجه التحديد ، أدى Lightning الذي حدث مباشرة بعد ما يسمى العواصف المغناطيسية الجيولوجية إلى رشقات الإلكترونات التي اكتشفناها.
العواصف المغناطيسية الجيومغناطيسية هي اضطرابات في بيئة الفضاء القريبة من الأرض غالباً ما تسببها ثورات كبيرة على سطح الشمس. يمكن لهذا النشاط الشمسي ، إذا كان موجهًا نحو الأرض ، أن ينتج ما يصفه الباحثون بالطقس الفضائي. يمكن أن يؤدي الطقس الفضائي إلى أورورا مذهلة ، ولكنه يمكن أن يعطل عمليات الأقمار الصناعية وشبكة الطاقة.
اكتشفنا أن مجموعة من الطقس على الأرض والطقس في الفضاء تنتج توقيعات الإلكترون الفريدة التي لاحظناها في دراستنا. يزعج النشاط الشمسي من أحزمة إشعاع الأرض ويملأ الحزام الداخلي بإلكترونات عالية الطاقة للغاية ، ثم يتفاعل البرق مع هذه الإلكترونات ويخلق الرشقات السريعة التي لاحظناها.
توفر هذه النتائج تذكيرًا لطيفًا بالطبيعة المترابطة للأرض والفضاء. لقد كانوا أيضًا بمثابة تذكير مرحب به للعملية غير الخطية للاكتشاف العلمي.
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: لورين بلوم ، جامعة كولورادو بولدر
اقرأ المزيد:
تتلقى لورين بلوم التمويل من ناسا و NSF.