راز اشباح سرخ؛ چگونه رعدوبرق آسمان بالای زمین را روشن میکند؟
زهرا وجدانی: رعدوبرق تنها یک تخلیه الکتریکی در دل ابرهای طوفانی نیست. هر صاعقه مجموعهای از فرآیندهای پیچیده الکترومغناطیسی را رقم میزند که از لایههای پایینی جو آغاز میشود تا ارتفاع دهها کیلومتری بالای زمین امتداد مییابد و حتی محیط فضایی اطراف سیاره را نیز تحت تاثیر قرار میدهد. طی دهههای گذشته پیشرفت فناوریهای رصدی و گسترش مطالعات فیزیک جو امکان شناخت پدیدههایی را فراهم کرده است که تا پیش از آن تنها نورهایی مرموز و ناشناخته در آسمان بودند، پدیدههایی که امروزه با عنوان رویدادهای نوری گذرا شناخته میشوند.
این رویدادها که شامل اشباح سرخ، الوزها و فوارههای آبی هستند تنها برای چند میلیثانیه در ارتفاعات بالای ابرهای طوفانی ظاهر میشوند و به همین دلیل سالها از چشم دانشمندان پنهان مانده بودند. شناخت سازوکار شکلگیری این پدیدهها نهتنها به درک بهتر رفتار الکتریکی جو زمین کمک کرده بلکه نقش رعدوبرق در برهمکنش میان جو و فضای نزدیک زمین را نیز روشنتر ساخته است.
در همین راستا، خبرنگار برنا با عمران اینان، استاد بازنشسته دانشگاه استنفورد، رئیس پیشین دانشگاه کوچ ترکیه و برگزیده جایزه مصطفی (ص) به گفتوگو نشسته است. این دانشمند که در سال ۲۰۱۹ به دلیل پژوهشهای بنیادین درباره برهمکنش موج و ذره در فضای نزدیک زمین و تبیین ارتباط میان تخلیههای الکتریکی رعدوبرق و لایههای بالایی جو موفق به دریافت جایزه مصطفی (ص) شد، در این گفتوگو از مهمترین پژوهشهای خود، مسیر کشف رویدادهای نوری گذرا، توسعه ابزارهای رصدی و چالشهای باقیمانده در شناخت این پدیدهها سخن گفته است.
رعدوبرق؛ جرقهای برای ورود به دنیای ناشناخته جو
مطالعه رویدادهای نوری گذرا برای اینان از مشاهده اشباح سرخ آغاز نشد. او میگوید مسیر تحقیقاتش در ابتدا بر مطالعه امواج الکترومغناطیسی و ذرات پرانرژی متمرکز بود، ذراتی که در کمربندهای تابشی زمین به دام افتادهاند و رفتار آنها تحت تاثیر امواج مختلف قرار میگیرد.
او در این باره میگوید: امواج الکترومغناطیسی و ذرات بسیار پرانرژی برای اندازهگیری پدیدههای جالب نزدیک جو زمین وجود دارند که در کمربندهای تابشی زمین به دام میافتند و این ذرات تحت برهمکنشهایی قرار میگیرند که بسیار شبیه عملکرد یک لیزر الکترون آزاد است.
به گفته اینان در ادامه این مطالعات مشخص شد یکی از مهمترین عوامل ایجاد این امواج رعدوبرقهایی هستند که هر روز در سراسر زمین رخ میدهند. به همین دلیل توجه گروه تحقیقاتی او از مطالعه کمربندهای تابشی به سمت رعدوبرق و نقش آن در محیط فضایی اطراف زمین معطوف شد.
او با اشاره به گستردگی این پدیده آمار قابل تاملی ارائه میدهد و میگوید: احتمالا نمیدانید، اما همین حالا که با هم صحبت میکنیم بین ۴۰ تا ۶۰ صاعقه در هر ثانیه روی کره زمین رخ میدهد. همچنین حدود دو هزار طوفان همراه با رعدوبرق در سراسر جهان فعال است.
به گفته این پژوهشگر هر یک از این صاعقهها جریانهای الکتریکی بسیار بزرگی ایجاد میکنند که مانند یک آنتن طبیعی، امواج الکترومغناطیسی را به فضا ارسال میکنند. این امواج با ذرات پرانرژی کمربندهای تابشی برهمکنش دارند و حتی میتوانند بر شدت تابشهای موجود در محیط فضایی اطراف زمین اثر بگذارند.
اینان توضیح میدهد که همین موضوع پرسش مهمی را پیش روی او و همکارانش قرار داد. اینکه اگر روی سیارهای رعدوبرق وجود نداشته باشد، آیا محیط فضایی اطراف آن نیز متفاوت خواهد بود؟
او در پاسخ به این پرسش میگوید: اگر رعدوبرق وجود نداشت احتمالا کمربندهای تابشی برای ماهوارهها خطرناکتر میشدند. به همین دلیل است که شناخت این فرآیندها اهمیت دارد، زیرا ماهوارهها دائماً تحت تاثیر تابش ذرات پرانرژی قرار میگیرند.
به گفته وی همین مطالعات باعث شد گروه تحقیقاتی او به بررسی مسیر حرکت امواج حاصل از رعدوبرق در لایههای مختلف جو بپردازد؛ مسیری که در نهایت آنها را به پدیدههایی رساند که تا آن زمان کمتر کسی از وجودشان اطلاع داشت.
نورهایی که سالها دیده میشدند اما کسی آنها را نمیشناخت
مطالعه مسیر حرکت امواج حاصل از رعدوبرق نگاه اینان و همکارانش را به لایههای بالایی جو معطوف کرد، جایی که نورهایی عجیب و زودگذر ظاهر میشدند.
او میگوید این پدیدهها در ارتفاعی بسیار بالاتر از محل وقوع رعدوبرق و حتی بالاتر از مسیر پرواز هواپیماها شکل میگیرند و تنها بین ۱۰ تا ۲۰ میلیثانیه دوام دارند؛ زمانی آنقدر کوتاه که ثبت آنها با تجهیزات معمولی تقریبا غیرممکن بود.
به گفته اینان بعدها مشخص شد خلبانان سالها این نورها را مشاهده کرده بودند اما به دلیل ناشناخته بودن این پدیده و نبود امکان ثبت آن کمتر درباره مشاهدات خود صحبت میکردند.
او میگوید: وقتی خلبان نمیتواند آنچه را دیده ثبت کند طبیعی است که درباره آن هم صحبت نکند، چون ممکن است دیگران تصور کنند دچار توهم شده است. به همین دلیل این پدیدهها حتی گزارش هم نمیشدند.
همین مسئله آغازگر مرحله تازهای از تحقیقات گروه او شد. مرحلهای که هدف آن ثبت تصویری این نورهای مرموز و یافتن پاسخی برای سازوکار شکلگیری آنها بود.
وقتی اشباح سرخ به دام دوربینها افتادند
پس از آنکه اینان و گروه تحقیقاتیاش به وجود این نورهای مرموز در ارتفاعات بالای جو اطمینان پیدا کردند مرحله دشوارتر آغاز شد؛ ثبت پدیدهای که تنها چند میلیثانیه دوام داشت و با تجهیزات معمول آن زمان قابل مشاهده نبود.
اینان میگوید گروه او تصمیم گرفت دوربینهای CCD را برای ثبت این نورها به کار بگیرد و به همین منظور مناطقی را انتخاب کرد که امکان مشاهده همزمان رعدوبرق و آسمان بالای آن وجود داشته باشد. یکی از مهمترین این مناطق ایالت کلرادو بود.
او در این باره توضیح میدهد: به کلرادو رفتیم، زیرا وقتی از شرق کلرادو به افق نگاه میکنید مانع بصری وجود ندارد و میتوانید رعدوبرقهایی را که در فاصله دور بر فراز کانزاس و مناطق دیگر رخ میدهند مشاهده کنید. در چنین شرایطی هم رعدوبرق را میبینید و هم فضای بالای آن را.
به گفته اینان همین شرایط مناسب باعث شد پژوهشگران برای نخستین بار بتوانند نورهایی را ثبت کنند که دهها کیلومتر بالاتر از ابرهای طوفانی ظاهر میشدند.
او میگوید: نورها در ارتفاع ۱۰، ۲۰ و حتی ۳۰ کیلومتری بالای رعدوبرق دیده میشدند و گسترهای در حدود ۳۰ تا ۶۰ کیلومتر داشتند. من و دانشجویانم میخواستیم بدانیم چرا چنین اتفاقی رخ میدهد.
راز اشباح سرخ چگونه آشکار شد؟
پس از ثبت نخستین تصاویر مهمترین پرسش این بود که این نورها چگونه شکل میگیرند. اینان میگوید برای پاسخ به این سؤال گروه تحقیقاتی او مطالعه دقیقی را روی نحوه باردار شدن ابرها و رفتار میدانهای الکتریکی در هنگام وقوع رعدوبرق آغاز کرد.
به گفته وی ابرهای طوفانی در اثر جریانهای شدید صعودی هوا به تدریج باردار میشوند. حرکت ذرات یخ و قطرات آب درون ابر و برخورد آنها با یکدیگر باعث جدایی بارهای الکتریکی میشود و در نهایت حجم بزرگی از بار الکتریکی در ابر ذخیره میشود.
او توضیح میدهد: ممکن است یک ابر حدود ۱۰۰ کولن بار الکتریکی داشته باشد که مقدار بسیار زیادی است. تا زمانی که رعدوبرق رخ نداده جو بهتدریج خود را با این بار تنظیم میکند اما وقتی رعدوبرق اتفاق میافتد بخش بزرگی از این بار ناگهان به زمین منتقل میشود.
اینان ادامه میدهد که پس از این تخلیه ناگهانی لایههای بالایی جو برای بازگشت به تعادل به زمان نیاز دارند و در همین فاصله میدان الکتریکی بسیار بزرگی ایجاد میشود.
به گفته او این میدانهای الکتریکی گاهی به صدها کیلوولت بر متر میرسند و الکترونها را با سرعت بسیار زیاد شتاب میدهند. این الکترونها با مولکولهای نیتروژن و اکسیژن موجود در جو برخورد میکنند و نتیجه این برخوردها تولید نور است.
چرا اشباح سرخ قرمز هستند؟
یکی از پرسشهایی که سالها ذهن پژوهشگران را به خود مشغول کرده بود علت رنگ قرمز این پدیده بود.
اینان در پاسخ به این پرسش میگوید: اشباح سرخ به طور طبیعی قرمز هستند، زیرا نخستین برانگیختگی در مولکولهای نیتروژن رخ میدهد. میدان الکتریکی به الکترونها شتاب میدهد الکترونها با مولکولهای نیتروژن برخورد میکنند و نور قرمز تولید میشود.
او توضیح میدهد این فرآیند بسیار کوتاه است و معمولا در کمتر از ۲۰ میلیثانیه پایان مییابد، به همین دلیل چشم انسان تنها تصویری بسیار کوتاه از آن دریافت میکند.
وی برای روشنتر شدن موضوع این پدیده را با تصاویر ویدئویی مقایسه میکند و میگوید: وقتی فیلم تماشا میکنید هر تصویر تنها یک فریم است اما مغز آنها را به صورت پیوسته میبیند. اشباح سرخ فقط یک یا دو فریم دوام دارند و به همین دلیل ثبت آنها بسیار دشوار بود.
کشف الوزها پدیدهای سریعتر از توان دوربینها
اشباح سرخ تنها پدیدهای نبودند که گروه تحقیقاتی اینان با آن روبهرو شد.
او میگوید در جریان همین مطالعات متوجه شدند امواج الکترومغناطیسی حاصل از رعدوبرق با سرعت بسیار زیاد به سمت یونوسفر حرکت میکنند و پس از برخورد با این لایه به صورت حلقهای گسترده منتشر میشوند.
به گفته وی این پدیده که بعدها الوز (ELVES) نام گرفت در ارتفاع حدود ۹۰ تا ۱۰۰ کیلومتری رخ میدهد و آنقدر سریع است که حتی دوربینهای CCD نیز قادر به ثبت دقیق آن نبودند.
اینان میگوید: الوزها در تصاویر دوربینهای CCD دیده نمیشدند بنابراین مجبور شدیم ابزار جدیدی طراحی کنیم.
چشم مگس ابزاری برای شکار نورهای چند میکروثانیهای
ناتوانی تجهیزات موجود در ثبت این پدیده پژوهشگران را به طراحی سامانهای کاملا جدید سوق داد.
اینان میگوید گروه او دستگاهی متشکل از مجموعهای از نورسنجهای بسیار سریع طراحی کرد که به دلیل شباهت ساختار آن به چشم حشرات چشم مگس نام گرفت.
او توضیح میدهد: این سامانه از ۱۰ یا ۱۲ نورسنج تشکیل شده بود که هر کدام با وضوح زمانی بسیار بالا نمونهبرداری میکردند. به کمک آن توانستیم ببینیم نور از مرکز آغاز میشود و سپس دقیقا همانگونه که پیشبینی کرده بودیم به اطراف گسترش پیدا میکند.
به گفته اینان طراحی این ابزار یکی از مهمترین گامها برای اثبات مدلهای نظری گروه تحقیقاتی او بود و نشان داد بسیاری از پیشبینیهای آنها درباره نحوه شکلگیری رویدادهای نوری گذرا با مشاهدات واقعی مطابقت دارد اما این پایان ماجرا نبود.
هرچه کیفیت رصدها بیشتر میشد پدیدههای تازهتری نیز آشکار میشدند، از ساختارهای بسیار ریز اشباح سرخ گرفته تا فوارههای آبی که از دل ابرها به سمت ارتفاعات بالاتر حرکت میکنند و هر کدام پرسشهای تازهای را پیش روی پژوهشگران قرار میدادند.
پایان بخش اول
ادامه دارد...
