موج های خورشیدی چگونه جو مریخ را آهسته می فرسایند؟

موجکی در لبه جو بالایی مریخ شکل می‌گیرد. نه موجی از آب، بلکه موجی ناشی از برش که در محل برخورد گاز یونیزه رقیق با هجوم باد خورشیدی پدید می‌آید. در نگاه اول کوچک به نظر می‌رسد. اما همین موجک‌ها، یعنی موج‌های کلوین-هلمهولتز، می‌توانند یکی از سازوکارهای ظریفی باشند که یون‌ها را از سیاره سرخ جدا می‌کنند.

وقتی باد به آسمان می‌رسد

مشاهدات فضاپیمای میون ناسا یک توالی پیوسته را ثبت کرده است: برخورد باد خورشیدی با مریخ، شکل‌گیری موج‌های کلوین-هلمهولتز در مرز جوی سیاره، و از دست رفتن قابل اندازه‌گیری یون‌های جوی که به سوی فضا جریان می‌یابند. به زبان ساده: نسیم باردار خورشید از کنار مریخ می‌گذرد و جو بالایی کم‌چگال آن را مانند موجک‌های بادساخته روی سطح یک برکه به گردش درمی‌آورد. هر جا این موجک‌ها رشد کنند، می‌توانند ذرات باردار را از جو جدا کنند.

موج‌های کلوین-هلمهولتز چیستند؟ این موج‌ها پدیده‌ای در دینامیک سیالات هستند که هر زمان دو لایه از سیال یا پلاسما با سرعت‌های متفاوت حرکت کنند، ظاهر می‌شوند. روی زمین ممکن است آن‌ها را در نوارهای ابری ببینید. پیرامون مریخ، این موج‌ها در جایی شکل می‌گیرند که باد خورشیدی از کنار جوی عبور می‌کند که سپر مغناطیسی جهانی نیرومندی ندارد.

چرا این موضوع اهمیت دارد

می‌دانیم مریخ طی میلیاردها سال بخش بزرگی از جو خود را از دست داده است. پرسش اصلی این است که چگونه. کَندن اتم‌ها و یون‌ها بر اثر برخورد ذرات باردار، فرار فتوشیمیایی و برهم‌کنش با باد خورشیدی همگی نقش دارند. این مشاهدات تازه یک پیوند مستقیم را در قالب یک زنجیره نشان می‌دهد: شرایط باد خورشیدی ورودی، شکل‌گیری موج‌های کلوین-هلمهولتز و در نتیجه، بیرون رانده شدن یون‌ها. این زنجیره، این ایده را تقویت می‌کند که موج‌های مرزی سهم معناداری در فرار جو مریخ دارند.

نمایی از برهم‌کنش باد خورشیدی و میدان الکتریکی. 

جینگنان ژانگ در جمع‌بندی اولویت‌هایی که تیم علمی میون مطرح کرده است، گفت: «پژوهش‌های آینده بر شناسایی شرایطی متمرکز خواهد شد که شکل‌گیری و رشد موج‌های کلوین-هلمهولتز را تقویت می‌کنند و همچنین بر تعیین این‌که این موج‌ها چه میزان در فرار جو از مریخ نقش دارند.» پاسخ کوتاه این است: اکنون می‌توانیم این فرایند را در حال وقوع ببینیم، اما هنوز نمی‌دانیم هر چند وقت یک‌بار رخ می‌دهد یا اثر تجمعی آن در گذر زمان چقدر بزرگ بوده است.

محدودیت‌های عملی همچنان باقی است. میون وارد مرحله پایانی مأموریت خود می‌شود، بنابراین دستیابی به یک مجموعه داده پیوسته و بلندمدت به ابزارها و فضاپیماهای بیشتری نیاز خواهد داشت. خوشبختانه، پژوهشگران انتظار دارند مأموریت اسکاپید ناسا این کار را ادامه دهد. اسکاپید فرصت دیگری فراهم می‌کند تا دیده شود تغییر شرایط باد خورشیدی چگونه این موج‌ها را فعال یا مهار می‌کند و اثر آن‌ها در مقایسه با دیگر سازوکارهای فرار جو سنجیده شود.

این یافته‌ها پیامد گسترده‌تری نیز دارند. هر سیاره‌ای که میدان مغناطیسی جهانی نیرومندی نداشته باشد، چه در منظومه شمسی ما باشد و چه به دور ستاره‌ای دیگر بچرخد، ممکن است هنگامی که بادهای ستاره‌ای مستقیماً به جو بالایی آن فشار می‌آورند، موج‌های مرزی مشابهی ایجاد کند. به همین دلیل، این نتایج هم برای مطالعات زیست‌پذیری سیاره‌های فراخورشیدی اهمیت دارد و هم برای فهم گذار مریخ از جهانی گرم‌تر و با جوی ضخیم‌تر به سیاره‌ای سرد و خشک که امروز می‌بینیم.

چوانفی دونگ، عضو هیئت علمی مرکز فیزیک فضایی دانشگاه بوستون، گفت: «می‌خواهیم بدانیم این موج‌ها چه زمانی بیشترین احتمال شکل‌گیری را دارند، چگونه تکامل پیدا می‌کنند و تا چه اندازه می‌توانند فرار جو را پیش ببرند.» این جمله مسیر پیش رو را خلاصه می‌کند: مشاهدات هدفمند در کنار مدل‌های عددی پیشرفته.

برای تبدیل نماهای مقطعی به آمار قابل اتکا، به فضاپیماهای بیشتر و شبیه‌سازی‌های بهتر نیاز خواهد بود. تنها در آن صورت دانشمندان می‌توانند برآورد کنند چه مقدار از جو از دست رفته مریخ را می‌توان به موج‌هایی نسبت داد که خورشید آن‌ها را به حرکت درآورده است.