10 دقیقه
رصدخانه ژئوکورونا کاراترز ناسا قرار است یکی از پنهانترین ویژگیهای زمین را آشکار کند: درخششی ضعیف در طیف فرابنفش که لایهٔ بیرونی جو سیاره را نشان میدهد. از دیدگاهی نزدیک به یک میلیون مایل در سمت خورشید در نقطهٔ لاگرانژ خورشید-زمین L1، کاراترز اولین فیلمهای پیوسته از ژئوکورونا را تولید خواهد کرد و هیدروژن را هنگام حرکت از جو به فضای میانسیارهای و پاسخ آن به طوفانهای خورشیدی نقشهبرداری میکند. این دادههای فرابنفش پیوسته تصویری دینامیک از رفتار اگزوسفر فراهم میآورند که برای مدلسازی فرار اتمی، پیشبینی هواشناسی فضایی و مطالعهٔ قابلیت زیستی سیارات اهمیت دارد.
دیدن لبهٔ نامرئی زمین
اگزوسفر — بالاترین لایهٔ جو زمین — تقریباً از ارتفاع ۳۰۰ مایل بالاتر از سطح آغاز میشود و با اتمهای بسیار سبک، عمدتاً هیدروژن، غالب است. این اتمها به ندرت با یکدیگر برخورد میکنند و میتوانند مسافتهای بسیار طولانی را طی کنند، تا زمانی که یا گرانش زمین آنها را بازمیگرداند یا از چنگ جاذبه فرار کرده و به فضای میانسیارهای میپیوندند. از آنجا که هیدروژن خنثی پرتوی فرابنفش خورشید را پخش میکند، درخششی بسیار ضعیف در فرابنفش ایجاد میشود که به آن ژئوکورونا گفته میشود. این درخشش تنها نشانگر مستقیم و مشاهداتی مرزی است که جو زمین به فضای بینسیارهای تبدیل میشود و به همین دلیل مشاهدهٔ آن برای درک ساختار و گسترش اگزوسفر حیاتی است.
مشاهدات مستقیم ژئوکورونا تاکنون نادر و پراکنده بودهاند. در سال ۱۹۷۲، دوربین فرابنفش دور جورج کاراترز نخستین تصاویر ماهپایه از این هالهٔ کمنور را در ماموریت آپولو ۱۶ ثبت کرد. آن عکسهای اولیه نشان دادند که پوشش هیدروژنی زمین بسیار فراتر از آنچه در آن زمان پیشبینی میشد گسترده است، اما آن تصاویر میدان دید و مدت محدودی داشتند. رصدخانهٔ ژئوکورونا کاراترز — که به افتخار توسعهدهندهٔ پیشگام ابزار نامگذاری شده است — آن دید را از قابهای ایستا به دنبالههای طولانی و پیوسته گسترش میدهد و امکان مطالعهٔ زمانبندیشدهٔ پدیدهها را فراهم میآورد، از تغییرات دقیقهای تا الگوهای فصلی.
فضانورد آپولو ۱۶، جان یانگ، در سطح ماه در کنار دوربین/طیفسنج فرابنفش دور جورج کاراترز نشان داده شده است؛ این نخستین رصدخانه مستقر روی ماه بود. سطحنشین ماه «اوریون» در سمت راست دیده میشود و خودروی گردشی ماه در پسزمینه کنار پرچم ایالات متحده پارک شده است. منبع عکس: ناسا.
چرا ژئوکورونا برای هواشناسی فضایی و قابلیت زیستی اهمیت دارد
اگرچه چگالی اگزوسفر بسیار کم است، این لایه میان زمین و خروجی خورشیدی قرار دارد و بنابراین نخستین نقطهٔ تماس برای آشفتگیهای خورشیدی به شمار میآید. وقتی خورشید فوران میکند — از جمله شرارههای خورشیدی، فورانهای جرم تاجی و جریانهای باد خورشیدی با سرعت بالا — این اختلالات ابتدا با ژئوکورونا تعامل دارند. این برهمکنش میتواند چگالی، شکل، و میدان جریان هیدروژن و سایر اتمهای سبک را تغییر دهد و به تبع آن مسیر انتقال انرژی و ذرات باردار در محیط نزدیک زمین را دگرگون کند. درک این فرآیندها کیفیت پیشبینیهای هواشناسی فضایی را بالا میبرد و به حفاظت از ماهوارهها، شبکههای ارتباطی و سلامت فضانوردان در مأموریتهایی مانند آرتمیس و پروازهای سرنشیندار آینده به مریخ کمک میکند.
علاوه بر اهمیت عملیاتی، ژئوکورونا بخشی از داستان بلندمدت تکامل جوی زمین است. فرار هیدروژن از جو نقشی اساسی در از دست رفتن آب بهصورت طولانیمدت ایفا میکند؛ زیرا مولکولهای آب که در اثر فرآیندهای فوتوشیمیایی تجزیه میشوند، هیدروژن تولید میکنند و این هیدروژن میتواند به فضای میانستارهای فرار کند. با اندازهگیری جریان هیدروژن از جو زمین و تحلیل اینکه چگونه فعالیت خورشیدی این فرار را تقویت یا تضعیف میکند، دانشمندان میتوانند سرنخهایی دربارهٔ دلایل باقی ماندن آب کافی روی زمین فراهم کنند—موضوعی که در مقایسه با مریخ و زهره اهمیت ویژهای دارد. این اندازهگیریها همچنین به سیارهشناسی مقایسهای و جستجوی سیارات فراخورشیدی قابل زیست کمک میکنند، چون میتوانند پارامترهایی را ارائه دهند که برای تفسیر نشانههای فرار جوی در سیارات دوردست لازماند.
تصور هنری از پنج نقطه لاگرانژ سیستم خورشید-زمین در فضا. در نقاط لاگرانژ، اثرات گرانشی دو جرم بزرگ بهگونهای تعادل مییابند که فضاپیماها میتوانند با مصرف سوخت کمتر در موقعیتهایی پایدار بمانند. نقطهٔ L1 سامانهٔ زمین-خورشید دیدی بیوقفه به خورشید فراهم میآورد و در سالهای اخیر و ۲۰۲۵ میزبان چند مأموریت هلیوفیزیکی شده است: نقشهبرداری و شتاب میانستارهای (IMAP) ناسا، رصدخانهٔ ژئوکورونا کاراترز ناسا، و پیگیری هواشناسی فضایی NOAA (SWFO–L1). این هممکانی مأموریتها امکان مقایسه و ترکیب دادههای درجا با تصاویر دوربرد را فراهم میکند که برای درک واکنش اگزوسفر به شرایط خورشیدی ضروری است.
معماری مأموریت و ابزارها
کاراترز در تاریخ ۲۴ سپتامبر ۲۰۲۵ با موشک فالکون ۹ شرکت اسپیسایکس از کیپ کاناورال پرتاب شد و همراه با IMAP ناسا و SWFO–L1 سازمان NOAA به فضا رفت. این فضاپیما که توسط شرکت BAE Systems طراحی و ساخته و توسط مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا مدیریت میشود، حدود ۵۳۱ پوند وزن دارد و تقریباً به اندازهٔ یک کاناپهٔ کوچک است. پس از حدود چهار ماه سفر به سوی L1 و یک ماه بررسی و کالیبراسیون ابزارها، کاراترز در مارس ۲۰۲۶ فاز علمی برنامهریزیشدهٔ دو سالهٔ خود را آغاز کرد. ساختار مأموریت و زمانبندیهای دقیق آزمونها و انتقالها برای تضمین کیفیت دادهها و طول عمر ابزارها از اهمیت بالایی برخوردارند.
از دیدگاه L1 — تقریباً یک میلیون مایل در سمت خورشید نسبت به زمین — کاراترز دو تصویربردار فرابنفش مکمل را حمل میکند: یک تصویربردار نزدیکمیدانی با قابلیت زوم برای دیدهای دقیق و تفصیلی نواحی نزدیک به سیاره، و یک تصویربردار میدانگسترده برای ثبت پوشش کامل و گستردهٔ هیدروژن اطراف زمین. این دوربینها در باند فرابنفش دور عمل میکنند و پخش تابش لیمان-آلفا خورشید توسط هیدروژن خنثی را نقشهبرداری میکنند؛ نتیجه مجموعهای از نقشههای پیوسته، مکانی و زمانی است که نشان میدهد ژئوکورونا چگونه در واکنش به شرایط خورشیدی متورم، جابهجا یا گاه تاخت میکند و به فضا جریان مییابد.
با ترکیب دادههای تصویربردار نزدیکمیدانی و میدانگسترده، دانشمندان میتوانند هیدروژن را از نواحی چگالتر نزدیک زمین تا نواحی پراکنده و مرزی اگزوسفر دنبال کنند. این پیگیری امکان ثبت تغییرات گذرا را—که میتوانند توسط فشار باد خورشیدی، رویدادهای بازترکیب مغناطیسی یا افزایش یونیزاسیون در طوفانهای خورشیدی ایجاد شوند—فراهم میآورد. تهیهٔ «فیلم»های پیوسته به پژوهشگران اجازه میدهد دینامیک اگزوسفر را در بازههای زمانی از چند دقیقه تا فصلها مشاهده کنند، موضوعی که پیش از این با اتکا به تصاویر تکلقطهای و پراکنده امکانپذیر نبود.
زمینهٔ علمی: زمین بهعنوان آزمایشگاهی برای جوهای سیارهای
زمین تنها کرهٔ شناختهشده با زیستبوم زنده است و به همین دلیل بهترین میدان آزمایشی برای فیزیک جوها محسوب میشود. مطالعهٔ مکانیزمهای فرار هیدروژن و گونههای دیگر از زمین به کالیبراسیون مدلهایی که برای تخمین از دست رفتن جو در مریخ، زهره و سیارات فراخورشیدی استفاده میشوند کمک میکند. پرسشهایی مانند: چه نقشهایی فعالیت ستارهای و میدان مغناطیسی سیارهای در تنظیم نرخ فرار دارند؟ فرآیندهای غالب چه هستند — فرار گرمایی، برخورد و کندن توسط ذرات باردار، یا «blow-off» در رویدادهای ستارهای بسیار قوی؟ دادههای کاراترز تغذیهکنندهٔ مدلهایی خواهند بود که اندازهگیریهای محلی را به چارچوبهای سیارهای کلیتر ترجمه میکنند و مدلهای نظری را با مشاهدات واقعی تطبیق میدهند.
این بینشها برای توصیف و دستهبندی سیارات فراخورشیدی حیاتیاند. مشاهدهٔ سیارات دور در برخی موارد نشانههایی از جوهای در حال فرار را نشان میدهد — مثلاً دنبالههایی شبیه دنبالهٔ دنبالهدار حاوی هیدروژن. تفسیر این نشانهها نیازمند دانش فیزیکی محکمی است که از مطالعهٔ سیارهٔ خودمان بهدست آمده باشد. بنابراین کاراترز نقش مضاعفی ایفا میکند: هم بهبود عملیات فضای نزدیک زمین و هم تأمین دادهها و فهم لازم برای جستجوی جهانهای قابل زیست در اطراف ستارگان دیگر.
دیدگاه کارشناسی
«تصویرسازی ژئوکورونا در حرکت پیوسته یک تحول بنیادین است،» میگوید دکتر النا مارتینز، هلیوفیزیکدانی که جوهای سیارهای را مطالعه میکند. «تصاویر ایستا ساختار را نشان میدهند، اما فیلمها فرآیندها را نمایان میسازند — چگونگی واکنش اگزوسفر به نیروی خورشیدی، نحوهٔ جابهجایی تودههای هیدروژن و نحوهٔ ورود آنها به مسیرهای فرار. این دینامیکها تعیینکنندهٔ دوام جو و شرایط ذرات نزدیک زمین هستند.»
«از منظر مهندسی،» مارتینز اضافه میکند، «این دادهها به بهبود مدلهای تابش و درگ کمک میکنند که برای طراحی فضاپیماها در فضای بین زمین و ماه (cislunar) اهمیت دارند. برای برنامهریزان مأموریت و مسئولان ایمنی فضانوردان، این اطلاعات کاربردی و مستقیم است و توانایی کاهش ریسک و بهینهسازی طراحی را فراهم میآورد.»
فناوری مرتبط و چشماندازهای آینده
کاراترز بر پایهٔ دههها پیشرفت در ابزارهای فرابنفش ساخته شده است، از ماموریتهای راکتی آزمایشی گرفته تا استقرار دوربین روی ماه. پیشرفت در آشکارسازهای UV، روشهای سرکوب نور پراکنده و اپتیکهای میدانگسترده، انجام چنین مأموریتی را با اندازه و هزینهٔ معقول ممکن کرده است. ابزارهای کاراترز مکمل دیگر مأموریتهای هلیوفیزیکی در L1 و مدار زمین خواهند بود و زمینهٔ همزمانی و تقابل دادهها را فراهم میکنند؛ برای مثال، سنجشگرهای باد خورشیدی درجا شرایط ورودی را ثبت میکنند در حالی که کاراترز واکنش اگزوسفر را به صورت تصویری ضبط میکند.
در منظر بلندمدت، رویکرد رصد پیوسته از نقاط دید استراتژیک میتواند الگویی برای پایش اگزوسفر سایر اجسام منظومهٔ شمسی شود. تصویربردارهای کوچک و هدفمند میتوانند فرار فصلی مریخ را زیر نظر بگیرند، پاسخ زهره به فشار خورشیدی را پایش کنند، یا ابرهای خنثی گسترده پیرامون قمرها و دنبالهدارها را نگارهبرداری نمایند. برای زمین، پایش مستمر و طولانیمدت میتواند روندهای ظریف در فرار جوی را که به تغییرات بلندمدت در رفتار خورشیدی یا ترکیب جو زمین مرتبطاند آشکار کند و به فهم بهتر پویاییهای بلندمدت آب و جو کمک کند.
نتیجهگیری
با فیلمبرداری از هالهٔ هیدروژنی زمین از دیدگاهی منحصربهفرد در L1، رصدخانهٔ ژئوکورونا کاراترز نحوهٔ مشاهدهٔ مرز بین جو و فضا را متحول خواهد کرد. فیلمهای پیوستهٔ فرابنفش آن پیشبینیهای هواشناسی فضایی را پالایش میکنند، ابزارهای حفاظتی برای فضاپیماها و خدمه را بهبود میبخشند، و درک ما از فرار جوی — فرایندی که قابلیت زیست سیارات را در سراسر کهکشان شکل میدهد — را عمیقتر میسازند. بهطور خلاصه، کاراترز ضعیفترین درخششی را که اطراف سیارهٔ ما وجود دارد به مجموعهای از دادههای قدرتمند برای علم، مدلسازی و اکتشاف فضایی تبدیل میکند.
منبع: scitechdaily
نظرات
شبچرخ
حس میکنم یکم شاخ و برگ دادن دارند، اما اگه فیلمها واقعاً دقیقهای باشن، ارزشش رو داره. امیدوارم نویز کم باشه.
مهدی
دید فنی منطقیه. ترکیب IMAP و SWFO-L1 با کاراترز احتمالا تصویری کاملتر میده، منتظر نتایج هستم.
لابکور
تو پایاننامهام روی مدلهای فرار کار کردم، اگر دادههای کاراترز با مدلها همخوانی داشته باشه خیلی کمک میکنه، اما کلی سوال فنی دارم
ارسال نظر