کشفی شگفت‌انگیز در رعدوبرق‌ها

مجله علمی ایلیاد - احتمالاً رعدوبرق ابرهای طوفانی در زمین را دیده‌اید. این صاعقه‌ها فقط بخش کوچکی از پدیده‌ی کلی رعدوبرق را نشان می‌دهند. قدرتمندترین فعالیت در بالاترین سطحِ موجود در اتمسفر فوقانی زمین رخ می‌دهد.

در آنجا، رعدوبرق باعث ایجاد انفجارهای کوتاه پرتوهای گاما می‌شود؛ اشعه‌هایی که پُرانرژی‌ترین پدیده‌ای هستند که در سیاره‌ی زمین به‌صورت طبیعی تولید می‌شود. محققان اخیراً این پرتوهای پُرانرژی زمینی اشعه‌ی گاما، یا به اختصار «TGFs» را با استفاده از ابزارهای موجود در ایستگاه فضایی بین‌المللی اندازه‌گیری و بررسی کرده‌اند. این کار به آشکار ساختن مکانیزم ایجاد فلش‌های درخشانی که ما آن‌را آذرخش می‌نامیم، کمک می‌کند.

این ابزارها بخشی از دیده‌بان برهم‌کنش‌های جو-فضا یا همان «ASIM» است. ASIM از تجهیزاتِ رصد زمینیِ آژانس فضایی اروپا است که در خارج از ایستگاه فضایی قرار گرفته و برای مطالعه‌ی رعدوبرق‌های شدید و نقش آن‌ها در اتمسفر و اقلیم زمین مورد استفاده قرار می‌گیرد. ASIM علاوه بر TGFs، انواع دیگری از رعدوبرق‌های اتمسفر فوقانی که وقایع درخشانِ گذرا یا «TLEs» نام دارند را ثبت کرده است. طبق مقاله‌ای که اخیراً در مجله‌ی Science منتشر شده، ابزارهای پُرسرعت ASIM به محققان کمک کرده‌اند تا ترتیب وقایعی که TGFs تولید می‌کنند را مشخص کنند.

«تورستن نوبرت» از موسسه‌ی ملی فضا، دانشگاه صنعتی دانمارک و نویسنده‌ی مسئول این مقاله، می‌گوید: «با وجود ASIM می‌توانیم ببینیم که اتمسفر و ابرها چگونه مانند ظرفِ در حال جوش، روی اجاق حباب می‌کنند. پدیده‌ی همرفت باعث می‌شود که رطوبت، گردوغبار و سایر ذرات وارد اتمسفر فوقانی شوند و در آنجا بر تعادل تابش زمین تاثیر بگذارند. رعدوبرق معیاری برای پدیده‌ی همرفت است و می‌توان آن‌را به سادگی در مدل‌های آب‌وهوا و اقلیم وارد کرد.»

رعدوبرق، تخلیه‌ی سریع الکتریسیته است که بارهای متضاد مثبت و منفی درون یک ابر یا بین ابر و زمین را به‌طور موقتی متعادل و برابر می‌کند. باردار شدن ابر به وسیله‌ی همرفت صورت می‌گیرد که طی آن ذراتِ یخی سبک‌تر در بالا قرار می‌گیرند و ذرات سنگین‌تر در زیر کشش جاذبه.

وقتی این ذرات با هم برخورد کنند، تبادلِ بار می‌کنند و ذرات سبک‌تر، بار مثبت را به بالا می‌برند و ذرات سنگین‌تر، بار منفی را به پایین می‌کشند. تا زمانی که قدرت بارگیری بر ویژگی‌های عایقی اتمسفر غلبه کند، اتمسفر مانند عایقی بین این میدان‌های الکتریکی عمل می‌کند. سپس صاعقه‌ی اصلی که در واقع جرقه‌ای بلند و طولانی است، بین مناطقی از ابر یا بین ابر و زمین شکل می‌گیرد؛ این اتفاق آن‌قدر سریع رخ می‌‌دهد که دیدن آن برای انسان دشوار است. وقتی صاعقه‌ی اصلی به زمین وصل شد، آن‌وقت می‌توانیم فلش درخشان جریان قدرتمندی را ببینیم؛ یعنی همان برخورد صاعقه.

نوبرت و تیمش مشاهده کردند که یک TGF در آغاز پالس جریان صاعقه رخ می‌دهد و سپس «Elve» که مخفف «انتشار نور و آشفتگیِ دارای فرکانسِ پایین به دلیل منابع پالس الکترومغناطیسی» است، صاعقه را تولید می‌کند. Elves امواجِ در حال گسترش انتشار فرابنفش در یونوسفرِ بالاتر از رعدوبرق است، درست مانند موج‌های کیهانی که در نتیجه‌ی افتادن سنگریزه‌ای در آب ایجاد می‌شوند. بررسی‌ها نشان می‌دهد که شروع این جریان به سرعت و در دامنه‌ی بالایی اتفاق می‌افتد و اینکه فلش اشعه‌ی گاما به وسیله‌ی میدان‌های الکتریکی مربوط به صاعقه‌ی اصلی تولید می‌شود. این مشاهدات، شواهدی از ارتباط بین TLEs و TGFs فراهم می‌کند.

وقتی رعدوبرق، الکترون‌های بسیار پُرانرژی‌ای تولید می‌کند که در اتمسفر فوقانی پراکنده می‌شوند، فقط چند میلی‌ثانیه طول می‌کشند، اما در همین چند میلی‌ثانیه، اشعه‌های ایکس و گامایی را ساطع می‌کنند که ASIM می‌تواند آن‌ها را اندازه بگیرد. این آزمایش کمک می‌کند تا بفهمیم وقتی این الکترون‌ها آزاد می‌شوند، چه اتفاقی می‌افتد.

نوبرت می‌گوید: «وقتی رعدوبرق از ابر می‌گذرد، اتمسفر به یک پالس بسیار سریعی از جریان بسیار بالا تبدیل می‌شود. در این فرآیند، الکترون‌هایی که به بیرون پرتاب می‌شوند، فلش‌های نور را تولید می‌کنند. درک این فرآیند می‌تواند حیات درونی رعدوبرق را برای ما آشکار سازد. چون رعدوبرق خطرناک است، محققان تمایل دارند آن‌را در آزمایشگاه بررسی و مطالعه کنند، اما مطالعه‌ی آن در آزمایشگاه نمی‌تواند به ماهیت واقعیِ آن پی ببرد. می‌توانیم از این اطلاعات جدید که در مورد چگونگی تولید تابشِ پرانرژی است، استفاده کنیم تا اطلاعات بیشتری در مورد فرآیندهای درون رعدوبرق کسب کنیم.»

TGFs در ارتفاعاتِ بسیار بالاتر از ابرهای معمولیِ طوفانی و رعدوبرقی رخ می‌دهد، بنابراین اندازه‌گیری آن‌ها دشوار است. ایستگاه فضایی، به عنوان پایین‌ترین سکو در فضا که خیلی پایین‌تر از ماهواره‌ها است، ASIM را در فاصله‌ی نزدیک‌تری قرار می‌دهد تا بتواند آن‌را اندازه‌گیری کند. ابزارِ ASIM مستقیماً از ایستگاه فضایی به سمت پایین نیز حرکت می‌کنند و در نتیجه این امکان را فراهم می‌سازند که تا جایی که ممکن است، تعداد زیادی فوتون در فلش صاعقه را به‌دام بیاندازند.

«LIS» یا همان «حسگر تصویربرداریِ رعدوبرق ناسا» که یکی دیگر از ابزارهای ایستگاه فضایی است، به مدت هفده سال ویژگی‌های رعدوبرق را بررسی می‌کرد، اما مدار این ماهواره فقط بین ۳۵ درجه‌ی شمال و جنوب عرض جغرافیایی، یعنی عمدتاً مناطق استوایی را پوشش می‌داد. یک LIS مشابهِ دیگر در سال ۲۰۱۷ روی ایستگاه فضایی نسب شد که آن پوشش را به بین ۵۶ درجه‌ی شمال و جنوب عرض جغرافیایی گسترش داد. داده‌های LIS به دانشمندان کمک کرده تا رابطه‌ی بین رعدوبرق و آب‌وهوای شدید را بررسی کنند. نوبرت می‌گوید مقایسه‌ی داده‌های ASIM با داده‌های LIS و سایر ابزارها باعث می‌شود که این‌ها برای پیش‌بینیِ آب‌وهوا مفیدتر شوند.

درنهایت، ASIM به دانشمندان کمک می‌کند تا بهتر پی ببرند که رعدوبرق چگونه بر اتمسفر زمین تاثیر می‌گذارد. نوبرت می‌گوید: «ما به زودی، به لطف ابزارهای آمریکایی، اروپایی و چینی در مدار زمین ثابت، مانیتورینگ جهانیِ دائمی و تقریباً کاملی از رعدوبرق خواهیم داشت. این پوشش به بهتر شدن پیش‌بینی‌های آب‌وهوا و اقلیم کمک می‌کند، به‌شرط اینکه بدانید چطور از داده‌ها استفاده کنید. اینجا است که امید داریم ASIM به ما کمک کند. این زمانی بسیار جالب خواهد بود.»