دانشمندان برای نخستین بار موفق به شناسایی و اندازه‌گیری میدانی مغناطیسی ضعیفی شده‌اند که همچون پوششی نامرئی، سیاره زمین را احاطه کرده است. این میدان که به میدان امبیپُلاریس (Ambipolar Field) معروف است، اولین بار بیش از ۶۰ سال پیش توسط فیزیکدانان پیش‌بینی شده بود. اکنون، با شناسایی این میدان، درک ما از نحوه رفتار و تکامل سیاره زمین و شاید دیگر سیارات دگرگون خواهد شد.

گِلِن کالینسون (Glyn Collinson)، اخترشناس مرکز پرواز فضایی گادِرد (Goddard) ناسا، در این باره می‌گوید: «هر سیاره‌ای که دارای جو باشد، باید دارای میدان امبیپُلاریس باشد. اکنون که ما سرانجام آن را اندازه‌گیری کرده‌ایم، می‌توانیم یاد بگیریم که این میدان چگونه بر سیاره ما و حتی بر دیگر سیارات در طول زمان تأثیر گذاشته است.»

زمین تنها یک توده خاکی بی‌حرکت در فضا نیست. این سیاره تحت تأثیر و احاطه میدان‌های مختلفی قرار دارد. از جمله میدان گرانشی که بدون آن، زمین و جو آن نمی‌توانستند به شکلی که امروز می‌شناسیم وجود داشته باشند. میدان گرانشی نه تنها جو زمین را به سطح آن متصل نگه می‌دارد، بلکه به حفظ انسجام ساختاری سیاره نیز کمک می‌کند.

علاوه بر این، زمین دارای میدان مغناطیسی نیز هست. این میدان مغناطیسی که توسط مواد رسانای درون زمین و به واسطه حرکت چرخشی آن ایجاد می‌شود، نقشی حیاتی در حفظ جو زمین و محافظت از آن در برابر بادهای خورشیدی و تابش‌های کیهانی دارد. این میدان، همان نیرویی است که از جو زمین در برابر پراکندگی و از دست رفتن محافظت می‌کند و به حفظ آن کمک می‌کند.

در سال ۱۹۶۸، دانشمندان پدیده‌ای را توصیف کردند که تا عصر فضا و ارسال ماهواره‌ها و فضاپیماها به خارج از زمین، امکان مشاهده آن وجود نداشت. فضاپیماهایی که بر فراز قطب‌های زمین پرواز می‌کردند، بادی مافوق صوت از ذرات را که از جو زمین به فضا می‌گریختند، شناسایی کردند. بهترین توضیح برای این پدیده، وجود یک میدان انرژی الکتریکی سوم بود.

کالینسون در توضیح این میدان می‌گوید: «این میدان به میدان امبیپُلاریس معروف است و همچون عاملی از هرج و مرج عمل می‌کند. این میدان در برابر گرانش مقاومت می‌کند و ذرات را از جو به فضا می‌فرستد.» اما تاکنون هیچ تکنولوژی‌ای برای اندازه‌گیری این میدان در دسترس نبود. بنابراین، تیم تحقیقاتی ما موشک Endurance را ساخت تا این نیروی نامرئی بزرگ را شناسایی کند.»

میدان امبیپُلاریس چگونه عمل می‌کند؟

میدان امبیپُلاریس از ارتفاعی حدود ۲۵۰ کیلومتری از سطح زمین، در لایه‌ای از جو به نام یون‌سپهر (Ionosphere) آغاز می‌شود. در این لایه، تابش‌های شدید فرابنفش و خورشیدی باعث یونیزه شدن اتم‌های جوی می‌شوند. این فرآیند یونیزه شدن به این صورت است که الکترون‌های دارای بار منفی از اتم‌ها جدا شده و اتم‌ها به یون‌های مثبت تبدیل می‌شوند.

الکترون‌های سبک‌تر تمایل دارند به سوی فضا حرکت کنند، در حالی که یون‌های سنگین‌تر به سمت زمین کشیده می‌شوند. اما محیط پلاسما که در این لایه از جو وجود دارد، تمایل به حفظ بی‌طرفی بار الکتریکی دارد. این امر منجر به شکل‌گیری یک میدان الکتریکی بین الکترون‌ها و یون‌ها می‌شود که آن‌ها را به هم متصل نگه می‌دارد. به همین دلیل است که این میدان را «امبیپُلاریس» می‌نامند، زیرا در هر دو جهت عمل می‌کند: یون‌ها را به پایین می‌کشد و الکترون‌ها را به بالا.

نتیجه این پدیده این است که جو زمین کمی «پف‌کرده» به نظر می‌رسد. ارتفاع بالاتر این لایه از جو، به یون‌ها امکان می‌دهد که به فضا فرار کنند، که این پدیده به عنوان باد قطبی شناخته می‌شود.

اندازه‌گیری میدان امبیپُلاریس

میدان امبیپُلاریس به دلیل ضعف شدیدی که دارد، تاکنون قابل اندازه‌گیری نبوده است. اما تیم تحقیقاتی ناسا به سرپرستی کالینسون، ابزارهایی ویژه برای شناسایی این میدان طراحی کرد. مأموریت Endurance که حامل این ابزار بود، در ماه مه ۲۰۲۲ به فضا پرتاب شد و به ارتفاع ۷۶۸ کیلومتری رسید. سپس این موشک به زمین بازگشت و داده‌های ارزشمندی را که به دست آورده بود، با خود به همراه آورد.

این مأموریت با موفقیت انجام شد و تیم تحقیقاتی موفق به اندازه‌گیری تغییر پتانسیل الکتریکی به میزان تنها ۰.۵۵ ولت شدند. هرچند این مقدار بسیار کم به نظر می‌رسد، اما به گفته کالینسون، همین میزان کافی است تا باد قطبی را توضیح دهد.

این مقدار بار الکتریکی کافی است تا یون‌های هیدروژن را با نیرویی ۱۰.۶ برابر قوی‌تر از گرانش به فضا پرتاب کند و آن‌ها را با سرعت مافوق صوت که بر فراز قطب‌های زمین اندازه‌گیری شده است، به سوی فضا بفرستد. یون‌های اکسیژن، که سنگین‌تر از یون‌های هیدروژن هستند، نیز به ارتفاعات بالاتری فرستاده می‌شوند و این امر باعث افزایش چگالی یون‌سپهر در ارتفاعات بالا تا ۲۷۱ درصد می‌شود.

پیامدها و اهمیت میدان امبیپُلاریس

آنچه که از این کشف هیجان‌انگیزتر است، این است که این تنها آغاز کار است. ما هنوز نمی‌دانیم که میدان امبیپُلاریس چه تأثیرات گسترده‌ای دارد، این میدان از چه زمانی وجود داشته، چه نقشی در شکل‌گیری جو و تکامل زمین ایفا کرده و چگونه ممکن است حتی بر حیات روی زمین تأثیر گذاشته باشد.

کالینسون می‌گوید: «این میدان بخشی بنیادی از نحوه کارکرد زمین است. و اکنون که ما سرانجام آن را اندازه‌گیری کرده‌ایم، می‌توانیم به سوالات بزرگ‌تر و هیجان‌انگیزتری بپردازیم.»