کمربند تابشی سوم چگونه به گرد زمین تشکیل شد؟
پیش از این خوانده بودید:
* الکترون های کشنده در کمربندهای تابشی چگونه شتاب می گیرند
از زمان کشف کمربندهای تابشی وان آلن در سال ۱۹۵۸ تاکنون، دانشمندان بر این باور بوده اند که این کمربندها که به گرد زمین حلقه زده اند، دو حلقه ی دونات- مانند (چنبره مانند) هستند که از ذرات باردار تشکیل شده اند: یک حلقه ی درونی از الکترون ها و یون های مثبت پرانرژی، و یک حلقه ی بیرونی از الکترون های پرانرژی.
در فوریه ی امسال، گروهی از دانشمندان خبر یافته شدنِ غافلگیرکننده ی یک حلقه ی تابشی سوم که تا آن زمان ناشناخته بود را گزارش دادند - حلقه ای باریک که در سپتامبر ۲۰۱۲، به مدت کوتاهی میان حلقه های بیرونی و درونی پدیدار شد و تا یک ماه هم دوام آورد. [اینجا: * شناسایی یک کمربند تابشی تازه پیرامون زمین]
* الکترون های کشنده در کمربندهای تابشی چگونه شتاب می گیرند
از زمان کشف کمربندهای تابشی وان آلن در سال ۱۹۵۸ تاکنون، دانشمندان بر این باور بوده اند که این کمربندها که به گرد زمین حلقه زده اند، دو حلقه ی دونات- مانند (چنبره مانند) هستند که از ذرات باردار تشکیل شده اند: یک حلقه ی درونی از الکترون ها و یون های مثبت پرانرژی، و یک حلقه ی بیرونی از الکترون های پرانرژی.
در فوریه ی امسال، گروهی از دانشمندان خبر یافته شدنِ غافلگیرکننده ی یک حلقه ی تابشی سوم که تا آن زمان ناشناخته بود را گزارش دادند - حلقه ای باریک که در سپتامبر ۲۰۱۲، به مدت کوتاهی میان حلقه های بیرونی و درونی پدیدار شد و تا یک ماه هم دوام آورد. [اینجا: * شناسایی یک کمربند تابشی تازه پیرامون زمین]
 |
شکل گیری حلقه ای در میان کمربندها: این مدل، حلقه ی سوم را نشان می دهد (رنگ سرخ). مشاهدات تازه توسط کاوشگرهای وان آلن ناسا رویدادی را نشان داد که در آن، سه منطقه ی تابشی با انرژی های بسیار بالا دیده شدند، از جمله یک حلقه ی نامعمول نیمه باریک (سرخ) که تا حدود چهار هفته دوام آورد. نتایج همتاسازی که در این تصویر می بینید، نشان داد که ذراتی با این انرژی های بالا، طی روندهای فیزیکی گوناگون و متفاوتی شتاب می گیرند و الکترون های کمربندهای تابشی را می رانند، و همین توضیحی است بر شکل گیری این حلقه ی نامعمو ل و دیرپا در میان کمربندها. به گزارش دانشمندان UCLA، این یافته به محافظت از ماهواره ها در برابر پرتوهای زیانبار فضا کمک خواهد کرد. ویدیوی این همتاسازی را در پایین ببینید.
|
در پژوهشی تازه، دانشمندان فضایی UCLA با موفقیت مدلی را از رفتار بی سابقه ی این حلقه ی سوم ساختند و آن را توضیح دادند. آن ها نشان دادند که ذرات بسیار پرانرژی‌ای که این حلقه را تشکیل می دهند و به نام الکترون های فرا-نسبیتی هم شناخته می شوند، نسبت به آنچه که معمولا در ذرات کمربندهای وان آلن دیده شده، از فیزیک بسیار متفاوتی پیروی می کنند. منطقه ای که این کمربندها اشغال کرده اند - و دامنه ای از حدود ۱۰۰۰ تا ۵۰ هزار کیلومتری بالای سطح زمین را می پوشاند- پر شده از الکترون هایی آن چنان پرانرژی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند [الکترون های کشنده].
یوری اشپریتز، یک پژوهشگر ژئوفیزیک در بخش دانش زمین و فضای UCLA می گوید: «در گذشته، دانشمندان می پنداشتند که همه ی الکترون های درون کمربندهای تابشیِ پیرامون زمین از یک فیزیک پیروی می کنند [دارای رفتار فیزیکی یکسانی‌اند]. اکنون ما دریافته ایم که کمربندهای تابشی از جمعیت های گوناگونی تشکیل شده اند که از فرآیندهای فیزیکی بسیار گوناگون و متفاوتی پیروی می کنند.»
اشپریتز که در بنیاد دانش و فناوری اسکولکوووی روسیه، یک دانشگاه تازه که با همکاری MIT سازمان یافته نیز استادیار است، رهبر این پژوهش بود. مقاله ی این پژوهش در روز ۲۲ سپتامبر در نشریه ی نیچر فیزیکز منتشر شد.
کمربندهای وان آلن می توانند برای ماهواره ها و فضاپیماها خطرهای بسیاری داشته باشند، از ناهنجاری های کوچک و جزیی گرفته تا از کار انداختنِ کاملِ ماهواره های مهم. به گفته ی اشپریتز، شناخت بهترِ پرتوهای فضایی برای محافظت از مردم و تجهیزات سودمند است.
به گفته ی اشپریتز و آدام کلرمن، یکی از اعضای پژوهش در گروه اشپریتز، الکترون های فرا-نسبیتی که حلقه ی سوم را ساخته اند و در کمربندهای درونی و بیرونی هم وجود دارند، به گونه ی ویژه ای خطرناکند و می توانند در فضا، در سپر پوششی محافظت شده ترین و ارزشمندترین ماهواره ها هم نفوذ کنند.
کلرمن می گوید: «سرعت این الکترون ها بسیار نزدیک به سرعت نور، و انرژی جنبشی آن ها هم بسیار بیش از انرژی نهفته در جرمشان در حالت ایستا (سکون) است. تفاوت میان رفتار این الکترون های فرانسبیتی و الکترون هایی که انرژی پایین تر دارند، کلید این پژوهش بود.»
اشپریتز و گروهش پی بردند که در ۱ سپتامبر ۲۰۱۲، امواج پلاسمای پدید آمده توسط یون هایی که معمولا روی الکترون های پرانرژی اثر ندارند، "الکترون های فرانسبیتیِ درون کمربند بیرونی را هل داده و تقریبا تا لبه ی درونی این کمربند راندند." تنها یک حلقه ی باریکِ الکترون های نسبیتی از این توفان پلاسما جان به در برد که همین ها کمربند سوم را تشکیل دادند. ["الکترون های پرانرژی" با "الکترون های فرانسبیتی" تفاوت دارند. -م]
پس از توفان، یک حباب سرد از پلاسما گرداگرد زمین گسترده شد تا از ذراتِ درون این کمربند باریک در برابر امواج یونی محافظت نماید و به آن اجازه ی پایداری و مقاومت بدهد. گروه اشپریتز همچنین دریافتند که تپش های الکترومغناطیسی بسیار کم-بسامدی که گمان می رفت نقش عمده را در شتاب گرفتن و از دست رفتن الکترون های کمربند تابشی بازی می کند، در واقع تاثیری بر الکترون های فرانسبیتی ندارند.
به گفته ی اشپریتز، کمربندهای تابشی وان آلن را "دیگر نمی توان به عنوان یک توده ی پایدار و ثابت از الکترون ها دانست. این الکترون ها بر پایه ی انرژیشان رفتار می کنند و به شیوه های گوناگون در برابر اختلال های فضایی واکنش نشان می دهند." اشپریتز در ژوییه ی گذشته مورد تقدیر رییس جمهور اوباما قرار گرفت و جایزه ی ریاست جمهوری برای دانشمندان و مهندسانی که در گام های نخست پژوهش های مستقل خود هستند (PECASE) را از وی دریافت کرد.
به گفته ی اشپریتز، کمربندهای تابشی وان آلن را "دیگر نمی توان به عنوان یک توده ی پایدار و ثابت از الکترون ها دانست. این الکترون ها بر پایه ی انرژیشان رفتار می کنند و به شیوه های گوناگون در برابر اختلال های فضایی واکنش نشان می دهند." اشپریتز در ژوییه ی گذشته مورد تقدیر رییس جمهور اوباما قرار گرفت و جایزه ی ریاست جمهوری برای دانشمندان و مهندسانی که در گام های نخست پژوهش های مستقل خود هستند (PECASE) را از وی دریافت کرد.
کسنیا اورلووا، یک پژوهشگر فوق دکترا در UCLA و از اعضای گروه اشپریتز می گوید: «ذرات فرانسبیتی بسیار سریع حرکت می کنند و هنگامی که نزدیک به صفحه ی استوایی هستند نمی توانند به بسامد درست و مناسبی با امواج برسند. دلیل اصلی این که این امواج اثر کمی بر شتاب گیری و پراکنش الکترون های فرانسبیتی در جو زمین دارند همین است.»
اشپریتز می گوید: «این پژوهش نشان می دهد که توده های کاملا متفاوتی از ذرات در فضا وجود دارند که در بازه های زمانی گوناگونی تغییر می کنند؛ آن ها از فیزیک های گوناگونی پیروی کرده و ساختارهای فضایی بسیار متفاوتی را هم به نمایش می گذارند.»
پژوهشگران با در نظر گرفتن شیوه ی حرکت سریع ترین ذرات در کمربندهای تابشی، و این که رفتارشان با ذرات کم انرژی تر تفاوت دارد، همتاسازی هایی از کمربندهای تابشی پدید آوردند که همخوانی بهتری با مشاهدات داشت.
این دانشمندان همتاسازی هایی را با یک مدل از کمربندهای تابشی زمین و برای بازه ی زمانی اواخر اوت ۲۰۱۲ تا اوایل اکتبر ۲۰۱۲ انجام دادند. این همتاسازی که با بهره از فیزیک الکترون های فرانسبیتی و شرایط آب و هوای فضایی که توسط ایستگاه های روی زمین دیده بانی می شد به پیش برده شد، با مشاهدات فضاپیماهای کاوشگر وان آلنِ ناسا همخوانی فوق العاده خوبی داشت که تاییدی بود بر نظریه ی این گروه درباره ی حلقه ی تابشی تازه.
دیمیتری سوباتین، یک از دانشجویان پیشین اشپریتز و از کارکنان پژوهشی کنونی در UCLA می گوید: «ما سازگاری چشمگیری میان مدلمان و مشاهدات انجام شده دیدیم، هر دو دامنه ی گسترده ای از انرژی ها را در بر می گرفتند.»
اشپریتز می گوید: «به باور من، با این پژوهش، ما نوک کوه یخ را آشکار کرده ایم. ما هنوز نیاز به آن داریم که شناخت کاملی از چگونگی شتابگیری این الکترون ها، خاستگاه و سرچشمه ی آن ها، و چگونگی تغییر دینامیک کمربندها در توفان های گوناگون پیدا کنیم.»
کمربندهای تابشی زمین در سال ۱۹۵۸ توسط "اکسپلورر ۱"، نخستین ماهواره ای که توسط آمریکا به فضا رفت کشف شدند.
واژه نامه:
Van Allen - radiation belts - Earth - electron - positive ion - UCLA - ultra-relativistic electron - Yuri Shprits - Skolkovo Institute of Science and Technology - MIT - Nature Physics - Adam Kellerman - plasma - wave - frequency - electromagnetic pulsation - Obama - Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers - PECASE - equatorial plane - Ksenia Orlova - NASA - Jack Eddy Fellowship - Van Allen Probes - Dmitriy Subbotin - Explorer I
برگردان: یک ستاره در هفت آسمان
