در مناطق قطبی، شفقها میتوانند شب را با امواج رنگی وسیع روشن کنند. این نورهای متغیر نشاندهنده نیروهای قدرتمندی هستند که در ارتفاعات بالای زمین حرکت میکنند. مطالعهای جدید از دانشگاه ساوتهمپتون، سیگنالهایی را شناسایی کرده که بینش تازهای درباره لحظات قبل از هر جهش شفق ارائه میدهند.
ارتباط شفقها با سیستمهای سیارهای
این مطالعه درک ما از منشأ زیرفروریزشها (Substorm) را تقویت میکند و رفتار شفقها را به سیستمهای سیارهای گستردهتر مرتبط میسازد. ذرات باردار خورشید، در مسیرهای مغناطیسی حرکت کرده و با گازهای جوی برخورد میکنند.
«شفق قطبی شمالی و جنوبی ناشی از برخورد ذرات باردار فضایی با اتمها و مولکولهای جو زمین است.» — دکتر دنیل وایتِر، نویسنده مشارکتی مطالعه
این برخوردها رنگ تولید میکنند، اما محرکهای عمیقتر در میدان مغناطیسی زمین نهفتهاند. افزایش انرژی مغناطیسی تنش ایجاد میکند تا آزادسازی ناگهانی موجب زیرفروریزش شود.
نشانگرهای بیثباتی پلاسما
نقاط کوچک نورانی قبل از هر جهش ظاهر میشوند. دانههای شفق زنجیرههایی با فاصلههای منظم تشکیل میدهند. دوربینهای زمینی دههها این زنجیرهها را ثبت کردهاند و پژوهشگران اکنون هر زنجیره را به عنوان نشانگر واضح بیثباتی پلاسما میبینند.
فاصله زاویهای، اندازهگیریشده در رویدادهای متعدد، با پیشبینیهای مربوط به امواج آلوفن پراکنده که با پلاسما تعامل دارند، مطابقت دارد. این الگو نشان میدهد فعالیت موجی انرژی را به سمت ارتفاعات پایینتر هدایت میکند، قبل از اینکه روشنایی قطبی به سمت قطبها آغاز شود.
سیگنالهای رادیویی و نمایش شفق
تابش کیلومتریک شفقی (Auroral Kilometric Radiation – AKR) در ارتفاع بالا از هر قوس درخشان نشأت میگیرد. تحلیلهای توالی چند مأموریت، سیگنالهای رادیویی ضعیف را چند دقیقه قبل از شروع حرکت شفق نشان میدهند. مشاهدهها نشاندهنده تُنهای کمکم بالای ۱۰۰ کیلوهرتز است.
هر تُن به سمت فرکانس بالاتر حرکت میکند و حرکت منبع به سمت میدانهای مغناطیسی قویتر را نشان میدهد. پژوهش، سرعتهای صوتی یون را به عنوان محرک محتمل این حرکت شناسایی کرده است.
لایههای دوگانه، که هنگامی شکل میگیرند که امواج آلوفن مناطق پلاسما را مختل میکنند، در امتداد خطوط میدان حرکت کرده و آن تُنهای متغیر را تولید میکنند. تطبیق فرکانسهای مشاهدهشده با فرکانس سیکلوترون الکترون، مناطق منبع را بین ۲,۰۰۰ تا ۸,۰۰۰ کیلومتر نشان میدهد. این محدوده ارتفاع با محلهای مورد انتظار شتاب شفق مطابقت دارد.
نقشهبرداری دادههای آرشیوی
بررسی دقیق دادههای فضانوردی آرشیوی، صدها رویداد پیشرو را نشان میدهد. بسیاری شامل تُنهای در حال حرکت تکراری با دورههای ثابت هستند که با فاصله دانههای شفق در رکوردهای زمینی بلندمدت مطابقت دارند.
امواج، عامل تغییرات انرژی
قوسهای موجمانند همزمان با تُنهای رادیویی تکامل مییابند. دوربینها اغلب دو فاز را نشان میدهند. روشنایی محلی اول چند دقیقه طول میکشد و سپس محو میشود. قوس دوم ساختاری کوتاه قبل از زیرفروریزش ظاهر میشود و به سمت قطب گسترش مییابد. تُنهای رادیویی این توالی را بازتاب میکنند.
ویژگیهای ضعیف در حرکت اولیه شکل میگیرند، محو شده و سپس در طول ساختن به فرم قویتر بازمیگردند. امواج آلوفن نقش مرکزی در هر مرحله دارند و نسخههای پراکنده این امواج انرژی را از دُم مغناطیسی زمین به سمت پایین میبرند.
با رسیدن به ارتفاعات پایینتر، جبهههای موج پلاسما را مختل کرده و الکترونها را انرژی میدهند. این فرآیند لایههای دوگانه را فعال میکند، که سپس در امتداد خطوط مغناطیسی حرکت میکنند.
الگوهای مداوم در شفق
هر لایه متحرک یک تُن متغیر تولید میکند. شتاب الکترونها در نزدیکی هر لایه باعث روشنایی شفق در امتداد خطوط مرتبط میشود. تیمهای پژوهشی، ثبات شگفتانگیزی بین دورههای موج، سرعتهای حرکت و رفتار دانههای شفق گزارش کردهاند.
دانههای شفق حرکت زاویهای واضحی دارند که باعث روشنایی دورهای برای هر دوربین ثابت در یک منطقه میشود. وقتی روی خطوط میدان نقشهبرداری شود، همان دورهمندی به شکل ریتم در تُنهای رادیویی ظاهر میشود.
امواج متعدد در حرکت
دورههای تکراری اغلب بین ۳۰ تا ۹۰ ثانیه قرار دارند و با مقادیر مشاهدهشده در مطالعات امواج فوقکمفرکانس مرتبط با رشد زیرفروریزش مطابقت دارند. هر مقدار نشاندهنده فرآیندی متحد شکلگرفته توسط جفت شدن امواج آلوفن است.
سرعت صوتی یون با سرعتهای حرکت مشاهدهشده بهتر از سرعتهای آلوفن مطابقت دارد، که حرکت آزاد الکترون را رد میکند و محیط الکتریکی ساختاریافته را نشان میدهد. لایههای دوگانه بسیاری از الزامات را برآورده میکنند.
هر لایه وقتی جبهههای موج با پلاسما نامتجانس تعامل میکنند شکل میگیرد و سپس در امتداد خط میدان حرکت میکند و اثر رادیویی باقی میگذارد. حرکت چندین لایه در توالی، چندین تُن متغیر تولید کرده و الگوی فرکانسی همگن ایجاد میکند.
سیگنالهای پیش از شفق
سیگنالهای رادیویی مشابه در نزدیکی زحل و مشتری نیز مشاهده شدهاند. دادههای مأموریتهای قبلی انتشار فرکانس-درحالحرکت با نرخ بسیار بالاتر از نمونههای زمینی را نشان میدهند. شرایط پلاسما در اطراف سیارات عظیم امکان حرکت سریع ساختارهای الکتریکی را فراهم میکند. امواج آلوفن نیز جریان انرژی را هدایت میکنند.
مطالعات مشتری حتی انفجارهای رادیویی مرتبط با تعامل با قمرها را نشان میدهند که باز هم تحت سلطه فعالیتهای آلوفن است. این شباهتها از ایدهای گستردهتر پشتیبانی میکنند؛ ممکن است مکانیزم مشترکی در جهانهای مغناطیسی عمل کند.
لایههای دوگانه شکلگرفته توسط امواج آلوفن در امتداد خطوط مغناطیسی حرکت میکنند و سیگنالهای رادیویی در حال تغییر تولید میکنند. ویژگیهای شفق در جایی که خطوط میدان با جو سیاره برخورد میکنند، درخشان میشوند. هر جهان همان فیزیک را تحت شرایط پلاسما منحصر به فرد نشان میدهد، اما الگوهای کلیدی در چندین سیستم قابل شناسایی باقی میمانند.
جهتهای پژوهش آینده
تحقیقات ساوتهمپتون دیدگاه در حال رشدی درباره منشأ زیرفروریزشها را تقویت میکند. دانههای شفق ساختار پلاسما را زودتر نشان میدهند. تُنهای رادیویی در حال حرکت، لایههای دوگانه متحرک را علامت میدهند. امواج آلوفن انرژی هر دو را تأمین میکنند. هر پیوند سرنخهایی درباره زمانبندی مغناطیسی و جریان انرژی ارائه میدهد. گسترش زیرفروریزش فقط زمانی آغاز میشود که حرکتهای انرژی همگرا شده و روشنایی سریع در قوسهای گسترده ایجاد شود.
پژوهشهای آینده تخمین ارتفاع، بازههای زمانی و دینامیک الکترون را دقیقتر خواهند کرد. با این حال، نتایج کنونی به ارتباط ویژگیهای نوری و انتشار رادیویی به روشهای جدید کمک کردهاند. ترکیب دادهها علم شفق را به درک متحد نزدیکتر میکند و توضیحدهنده شبهای روشن ناگهانی در آسمانهای قطبی است.
این مطالعه در نشریه Nature Communications منتشر شده است.
