اینان: رمزگشایی از سپهر و آذرخش بهانه‌ای برای کسب جایزه مصطفی (ص) / باید دید تا باور کرد!

به گزارش خبرنگار دانشگاه خبرگزاری دانشجو، کشف آذرخش میان زمین و فضا دانشمندان را وادار کرد از نو به ماهیت این پدیده حیرت‌انگیز بیندیشند. جایزه مصطفی (ص) ۲۰۱۹ در حوزه «برگزیده مقیم کشور‌های اسلامی» مشترکا به سه اثر تعلق گرفت که یکی از این آثار «درک اثر متقابل موج و ذره حالت ویسلر در فضای نزدیک زمین و اتصال الکترودینامیک بین تخلیه رعد و برق و اتمسفر بالا» است.

 

از این رو قصد داریم با «عمران اینان» صاحب این اثر و برگزیده مقیم کشور‌های اسلامی جایزه مصطفی (ص) درباره آن بیشتر صحبت کنیم درحقیقت عمران اینان، استاد بازنشسته دانشگاه استنفورد و رئیس کنونی دانشگاه کوچ در ترکیه، است که نقش بسیار مهمی در تدوین نظری مبانی فیزیک «رویداد‌های نورانی گذرا» داشته است، پس با ما همراه باشید.

 

کمی از آذرخش برای ما بگویید
آذرخش، یک ترک نورانی پیش‌رونده رو به پایین در آسمان همراه با صدای مهیبی است که چند ثانیه بعد به گوش می‌رسد. تا جایی که به بیشتر ما مربوط می‌شود. این یک تعریف بی‌عیب و نقص برای آذرخش است، پدیده جوی آشنایی که در کل دنیا ۵۰ بار در ثانیه، یا ۴ میلیون بار در روز، رخ می‌دهد. اما اگر از متخصصان بپرسید، به شما خواهند گفت که با وجود قرن‌ها موشکافی علمی و انبوهی از یافته‌ها، آذرخش همچنان به عنوان رازی عجیب باقی مانده است.

در طول تاریخ، شکوه و قدرت آذرخش مایه خیال و ترس مردم بوده است. برای مثال، یونانیان باستان آن را به زئوس، قدرتمندترین خدای‌شان، نسبت می‌دادند. با این حال، آزمایش‌های علمی اولیه‌ای که در میانه قرن ۱۸ انجام شد، از جمله آزمایش مشهور بنجامین فرانکلین با کایت، پرده از ماهیت الکتریکی آذرخش برداشت. اما حتی پس از دست‌یابی به این فهم مدرن از آذرخش، این پدیده همچنان مایه حیرت ناظران خوش‌اقبالش می‌شود.

به مدت بیش از یک قرن، به‌ویژه پس از ظهور هوانوردی، گزارش‌های متعددی بوده‌اند که نمایش‌های نورانی غیرمعمولی را در لایه‌های بالایی آسمان توصیف می‌کردند. هرچند بسیاری از این توصیف‌ها را می‌شد با شفق قطبی یا نوعی از ابر‌های درخشان غیرعادی توضیح داد، اما برخی موارد، به طور خاص آن‌هایی که هرازگاهی توسط خلبان‌ها در خلال پرواز بر فراز طوفان‌های تندری در آسمان شب مشاهده می‌شدند، کاملا گیج‌کننده بودند. بر اساس این گزارش‌ها، آذرخش می‌توانست به شکل‌ها و رنگ‌های عجیب و همچنین در مکان‌ها و جهت‌های نامتعارفی رخ دهد.

به اعتقاد شما باید دید تا باور کرد، بنابرین چه شد که محققان به این پدیده الکتریکی پرداختند؟
تا اواخر قرن بیستم، جامعه علمی چنین گزارش‌هایی را عمدتا جعلی تلقی می‌کرد. اما در سال ۱۹۸۹، زمانی که جان وینکلر و همکارانش در دانشگاه مینه‌سوتا، برای نخستین بار تصویر یکی از این اشباح مرموز را توسط یک دوربین ویدئویی ضبط کردند، معلوم شد که انواع گوناگونی از آذرخش با ویژگی‌ها و شمایل‌های کاملا متفاوت وجود دارد. موفقیت وینکلر منجر به شکوفایی فعالیت کاملا جدیدی برای ثبت و مستندسازی این پدیده‌های الکتریکی شد که در ارتفاع‌های بالا رخ می‌دهند. از آن زمان، انواع عجیب بسیاری، از ستون‌های دراز آبی‌رنگ تا آذرخش‌هایی به شکل یک عروس دریایی غول‌پیکر قرمز، کشف شد.

 

در پایان دهه ۱۹۹۰ معلوم شد که پدیده‌های آذرخش‌مانند تنها به ارتفاع‌های پایینی که بین ابر‌های تندری و زمین قرار می‌گیرند، محدود نیستند. در واقع، تخلیه الکتریکی می‌تواند در گستره وسیعی از ارتفاع‌ها رخ دهد، از لایه‌های پایینی جو تا ۱۰۰ کیلومتر بر فراز ابر‌های تندری.

جای شگفتی دارد که این رویداد‌های نورانی، که بسیاری از آن‌ها با چشم غیرمسلح نیز دیده می‌شود، برای مدتی بسیار طولانی کشف‌نشده باقی ماندند. نکته شگفت‌انگیزتر این است که دانشمندان مدت‌ها پیش از مشاهده این رویداد‌ها می‌دانستند که امکان وقوع شکلی از آذرخش در لایه‌های بالایی جو وجود دارد. در واقع آن‌ها می‌دانستند که در ارتفاع‌های بالاتر، جایی که آشفتگی جو در مقایسه با لایه‌های نزدیک‌تر به زمین بسیار کمتر است، پرتو‌های نور فرابنفش خورشید باعث می‌شوند که مولکول‌های گاز الکترون از دست بدهند. این همان فرایندی است که یون‌سپهر را به وجود می‌آورد، لفافی به دور زمین که به لحاظ الکتریکی رسانا است.

درست مثل آنچه در مورد ابر‌های طوفان و زمین رخ می‌دهد، میان این ابر‌ها و یون‌سپهر نیز می‌تواند اختلاف فاحش ولتاژ وجود داشته باشد. اما آنچه در لایه‌های بالاتر رخ می‌دهد با آنچه ما به عنوان برخورد یک آذرخش متعارف با زمین مشاهده می‌کنیم، تفاوت دارد. چگالی جو با افزایش ارتفاع کاهش می‌یابد و بنابراین در آذرخشی که در ارتفاع‌های بالاتر رخ می‌دهد، مولکول‌های کمتری دخالت دارند و به همین علت شکل‌ها و رنگ‌های متفاوتی به وجود می‌آورند.

و اما رازگشایی از آذرخش‌ها...
آذرخش‌های جو فوقانی که اصطلاح دقیق‌تر آن «رویداد نوارنی گذرا» است به چهار دسته تقسیم می‌شوند: اشباح سرخ، اِلوز، فواره‌های آبی و رویداد پرتو گاما. با وجود اسامی خیال‌انگیزشان، دانشمندان در مدت نسبتا کوتاهی که از کشف‌شان می‌گذرد به پیشرفت‌های چشمگیری در درک این رویداد‌های جوی شبح‌وار رسیده‌اند.

من و همکارانم در دانشگاه استنفورد به‌ویژه در خط مقدم کشف اشباح سرخ و اِلوز بودیم. مشاهده این پدید‌های نورانی بسیار رایج، اما در طیف زیر-مرئی که در گستره ارتفاع‌های ۵۰ تا ۱۰۰ کیلومتر رخ می‌دهند، در میانه دهه ۱۹۹۰ کشف شگفت‌انگیزی بود، با این حال بیشتر مبانی فیزیکی و ویژگی‌های این پدیده‌ها به واسطه کار‌های متعدد ما و بسیاری از دانشجو‌ها بررسی، مدل‌سازی و نظریه‌پردازی شده است.

 

 

یکی از نخستین نظریه‌های عمده در تبیین اشباح سرخ و اِلوز در مقاله‌ای در سال ۱۹۹۵ از سوی من و ویکتور پاسکو، دانشجوی دکتری، در آن زمان و همچنین تیموتی بل از دانشگاه استنفورد، منتشر شد. این بحث را مطرح کردیم که این رویداد‌ها در واقع پیامد‌های برخورد نوعی از آذرخش به زمین هستند. در این مقاله اثبات کردیم که پس از برخورد یک آذرخش با بار مثبت به زمین، برای مدت بسیار کوتاهی یک میدان الکتریکی بر فراز ابر‌های طوفان به وجود می‌آید. حذف ناگهانی بار در تخلیه الکتریکی آذرخش باعث ایجاد یک عدم تعادل بار در محیط می‌شود، سپس این عدم تعادل به طور الکترومغناطیسی تقلیل می‌یابد و فروزش‌های تابناکی موسوم به اشباح را در ارتفاع ۵۰ تا ۷۰ کیلومتر به وجود می‌آورد، ارتفاعی بسیار بالاتر از جایی که آذرخش اصابت کرده است.

بر فراز آسمان چه خبر است؟
در این مقاله که همچنان یکی از پرارجاع‌ترین آثار من است، این بحث مطرح می‌شود که الکترون‌های جوی که به واسطه برخورد آذرخش با زمین منتشر می‌شوند، در لایه‌های بالایی جو با مولکول‌های نیتروژن برخورد می‌کنند. تابش الکترومغناطیسی تکانشی شدیدی که به واسطه آذرخش تولید می‌شود، در گذر از یون‌سپهر مولکول‌های نیتروژن را یونیزه می‌کند و دیسک‌های تابناکی از نور را در ارتفاع ۱۰۰ کیلومتری پدید می‌آورد که به اِلوز شهرت دارند.

جو تحتانی و فوقانی چیست و رازگشایی از آن‌ها به عهده کدام گروه از دانشمندان قرار دارد؟
جو تحتانی که به لحاظ الکتریکی خنثی است، قلمرو هواشناسان است، اما فیزیک‌دانان فضایی با ذرات بارداری سروکار دارند که در جو فوقانی هستند. ناحیه‌ای که میان این دو قلمرو قرار دارد برای هواپیما‌ها بسیار بلند و برای ماهواره‌ها بسیار کوتاه است. اشباح و اِلوز پنجره‌هایی به سوی این ناحیه باز کردند، جایی که پیش از کشف این پدیده‌ها در بهترین حالت اسمش را می‌شد «جهل‌سپهر» گذاشت.

پی بردن به چگونگی یون‌سپهر، مغناطیس‌سپهر و کمربند‌های تابش زمین برای دستیابی به درک بهتری از سیاره ما و پیرامونش اهمیت دارد. اما از منظر کاربرد‌های زندگی روزمره، اشباح و سایر منابع تغییر و نوسان در یون‌سپهر می‌توانند با سیگنال‌های جی‌پی‌اس و ماهواره‌ها تداخل پیدا کنند. برخی دانشمندان معقدند آذرخش‌های جو فوقانی می‌توانند اثر‌های دیگری نیز داشته باشند، از جمله روی لایه اوزون یا گرمایش جهانی. حتی ناسا نیز نگران بود که این پدیده‌ها باعث آسیب فضاپیما‌های گران‌قیمتش در خلال پرتاب یا بازگشت به جو زمین شوند.