نحن هنا في الأرض محظوظون لأن لدينا جوًا قابلاً للحياة ، جوًا محميًا بواسطة الغلاف المغناطيسي للأرض. بدون هذا الغلاف الواقي ، فإن الحياة على السطح ستقصف بإشعاع ضار صادر من الشمس. ومع ذلك ، لا يزال الغلاف الجوي العلوي للأرض يتسرب ببطء ، حيث يهرب حوالي 90 طنًا من المواد يوميًا من الغلاف الجوي العلوي ويتدفق إلى الفضاء.
وعلى الرغم من أن علماء الفلك يحققون في هذا التسرب لبعض الوقت ، لا تزال هناك أسئلة كثيرة لم تتم الإجابة عليها. على سبيل المثال ، ما مقدار المواد المفقودة في الفضاء ، وما أنواعها ، وكيف يتفاعل ذلك مع الرياح الشمسية للتأثير على بيئتنا المغناطيسية؟ كان هذا هو الغرض من مشروع الكتلة التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ، وهو سلسلة من أربع مركبات فضائية متطابقة كانت تقيس البيئة المغناطيسية للأرض منذ 15 عامًا.
يتطلب فهم تفاعل الغلاف الجوي مع الرياح الشمسية أولاً أن نفهم كيفية عمل المجال المغناطيسي للأرض. بالنسبة للمبتدئين ، يمتد من داخل كوكبنا (ويعتقد أنه نتيجة لتأثير دينامو في القلب) ، ويصل إلى كل مخرج إلى الفضاء. تُعرف منطقة الفضاء هذه ، التي يمارس مجالنا المغناطيسي تأثيرًا عليها ، باسم الغلاف المغناطيسي.
يُسمى الجزء الداخلي من هذا الغلاف المغناطيسي الغلاف البلازماوي ، وهي منطقة على شكل دونات تمتد على مسافة حوالي 20000 كم من الأرض وتتناوب معها. يُغمر الغلاف المغناطيسي أيضًا بالجسيمات والأيونات المشحونة التي يتم حبسها في الداخل ، ثم يتم ارتدادها ذهابًا وإيابًا على طول خطوط المجال في المنطقة.
يلتقي الغلاف المغناطيسي بالرياح الشمسية عند الحافة الأمامية المواجهة للشمس ، وهو تيار من الجسيمات المشحونة التي تتدفق من الشمس إلى الفضاء. تُعرف البقعة التي يتصلون بها باسم "صدمة القوس" ، والتي يطلق عليها اسمًا لأن خطوط المجال المغناطيسي تجبر الرياح الشمسية على اتخاذ شكل القوس أثناء مرورها حولنا.
عندما تمر الرياح الشمسية فوق الغلاف المغناطيسي للأرض ، فإنها تجتمع مرة أخرى خلف كوكبنا لتكوين ذيل مغناطيسي - أنبوب ممدود يحتوي على صفائح محاصرة من البلازما وخطوط المجال المتفاعل. بدون هذا الغلاف الواقي ، لكان الغلاف الجوي للأرض قد جُرد ببطء منذ بلايين السنين ، وهو مصير يُعتقد الآن أنه أصاب المريخ.
ومع ذلك ، فإن المجال المغناطيسي للأرض ليس مغلقًا بإحكام. على سبيل المثال ، في أقطاب كوكبنا ، تكون خطوط المجال مفتوحة ، مما يسمح للجسيمات الشمسية بالدخول وملء الغلاف المغناطيسي بجسيمات نشطة. هذه العملية هي المسؤولة عن Aurora Borealis و Aurora Australis (المعروف أيضًا باسم الأضواء الشمالية والجنوبية).
في الوقت نفسه ، يمكن للجسيمات من الغلاف الجوي العلوي للأرض (الأيونوسفير) الهروب بنفس الطريقة ، والانتقال عبر القطبين وضياعها في الفضاء. على الرغم من معرفة الكثير عن المجالات المغناطيسية للأرض وكيف تتشكل البلازما من خلال تفاعلها مع الجسيمات المختلفة ، إلا أن الكثير حول العملية بأكملها لم يكن واضحًا حتى وقت قريب جدًا.
كما ذكر أرنود ماسون ، نائب عالم المشاريع في وكالة الفضاء الأوروبية لمهمة المجموعة في بيان صحفي لوكالة الفضاء الأوروبية:
“مسألة نقل البلازما وفقدان الغلاف الجوي ذات صلة بكل من الكواكب والنجوم ، وهي موضوع رائع ومهم بشكل لا يصدق. يعد فهم كيفية هروب المادة الجوية أمرًا بالغ الأهمية لفهم كيفية تطور الحياة على كوكب. التفاعل بين المواد الواردة والصادرة في الغلاف المغناطيسي للأرض هو موضوع ساخن في الوقت الحالي ؛ من أين تأتي هذه الأشياء بالضبط؟ كيف دخلت رقعتنا الفضائية؟“
بالنظر إلى أن غلافنا الجوي يحتوي على 5 كوادريليون طن من المادة (أي 5 × 1015، أو 5،000،000 مليار طن) ، فإن خسارة 90 طنًا في اليوم لا تعني الكثير. ومع ذلك ، لا يشمل هذا العدد كتلة "أيونات البرد" التي يتم إضافتها بانتظام. يُستخدم هذا المصطلح عادةً لوصف أيونات الهيدروجين التي نعرف أنها تضيع إلى الغلاف المغناطيسي بانتظام (إلى جانب الأكسجين وأيونات الهيليوم).
نظرًا لأن الهيدروجين يتطلب طاقة أقل للهروب من الغلاف الجوي ، فإن الأيونات التي يتم إنشاؤها بمجرد أن يصبح هذا الهيدروجين جزءًا من الغلاف البلازمي لها طاقة منخفضة أيضًا. ونتيجة لذلك ، كان من الصعب للغاية اكتشافها في الماضي. والأكثر من ذلك ، لم يعرف العلماء سوى هذا التدفق من الأكسجين والهيدروجين وأيونات الهليوم - التي تأتي من المناطق القطبية للأرض وتجدد البلازما في الغلاف المغناطيسي - لبضعة عقود.
قبل ذلك ، اعتقد العلماء أن الجسيمات الشمسية وحدها هي المسؤولة عن البلازما في الغلاف المغناطيسي للأرض. ولكن في السنوات الأخيرة ، أصبحوا يفهمون أن هناك مصدرين آخرين يساهمان في البلازما. الأول هو "أعمدة" متفرقة من البلازما تنمو داخل الغلاف البلازمي وتنتقل إلى الخارج باتجاه حافة الغلاف المغناطيسي ، حيث تتفاعل مع بلازما الرياح الشمسية القادمة في الاتجاه الآخر.
المصدر الآخر؟ التسرب الجوي السالف الذكر. بينما يتكون هذا من وفرة الأكسجين والهليوم وأيونات الهيدروجين ، يبدو أن أيونات الهيدروجين الباردة تلعب الدور الأكثر أهمية. فهي لا تشكل فقط كمية كبيرة من المواد المفقودة في الفضاء ، وقد تلعب دورًا رئيسيًا في تشكيل بيئتنا المغناطيسية. والأكثر من ذلك ، أن معظم الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض حاليًا غير قادرة على اكتشاف الأيونات الباردة المضافة إلى الخليط ، وهو أمر يمكن أن تفعله الكتلة.
في عامي 2009 و 2013 ، استطاعت مجسات الكتلة تمييز قوتها ، بالإضافة إلى مصادر أخرى من البلازما تضاف إلى الغلاف المغناطيسي للأرض. عندما يتم النظر في أيونات البرد فقط ، فإن كمية الغلاف الجوي المفقودة في الفضاء تبلغ عدة آلاف من الأطنان سنويًا. باختصار ، مثل الجوارب الخاسرة. ليست مشكلة كبيرة ، لكنك تود أن تعرف إلى أين يتجهون ، أليس كذلك؟
كان هذا مجالًا آخر من مجالات تركيز مهمة الكتلة ، التي كانت تحاول على مدى العقد ونصف العقد الماضيين استكشاف كيفية فقدان هذه الأيونات ، ومن أين أتت ، وما شابه. وكما قال فيليب إسكوبيت ، عالِم مشروع ESA لمهمة المجموعة:
“في الجوهر ، نحتاج إلى معرفة كيف ينتهي البلازما الباردة في فترة مغناطيسية. هناك بعض الجوانب المختلفة لذلك ؛ نحن بحاجة إلى معرفة العمليات التي ينطوي عليها نقلها هناك ، وكيف تعتمد هذه العمليات على الرياح الشمسية الديناميكية وظروف الغلاف المغناطيسي ، ومن أين تأتي البلازما في المقام الأول - هل تنشأ في الغلاف الأيوني ، أو البلازما ، أو مكان آخر؟“
أسباب فهم هذا واضحة. يمكن أن تشكل الجسيمات عالية الطاقة ، عادة في شكل مشاعل شمسية ، تهديدًا للتكنولوجيا الفضائية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن فهم كيفية تفاعل الغلاف الجوي مع الرياح الشمسية مفيد أيضًا عندما يتعلق الأمر باستكشاف الفضاء بشكل عام. فكر في جهودنا الحالية لتحديد الحياة خارج كوكبنا في النظام الشمسي. إذا كان هناك شيء واحد علمته لنا عقود من البعثات إلى الكواكب القريبة ، فهو أن الغلاف الجوي للكوكب والبيئة المغناطيسية أمران حاسمان في تحديد قابلية العيش.
على مقربة من الأرض ، هناك مثالان على ذلك: المريخ ، الذي له غلاف رقيق وبارد للغاية ؛ وفينوس ، الغلاف الجوي كثيف جدًا وحار جدًا. في النظام الشمسي الخارجي ، لا يزال قمر زحل تيتان يثير اهتمامنا ، ويرجع ذلك أساسًا إلى الغلاف الجوي غير العادي. وباعتبارها الهيئة الوحيدة ذات الغلاف الجوي الغني بالنيتروجين إلى جانب الأرض ، فهي أيضًا الكوكب الوحيد المعروف الذي يحدث فيه نقل السائل بين السطح والجو - وإن كان مع البتروكيماويات بدلاً من الماء.
علاوة على ذلك ، ستقضي مهمة جونو التابعة لوكالة ناسا العامين المقبلين في استكشاف المجال المغناطيسي الخاص والجو للمشتري. ستخبرنا هذه المعلومات كثيرًا عن أكبر كوكب في النظام الشمسي ، ولكن يُؤمل أيضًا أن تلقي بعض الضوء على تاريخ الكواكب في المجموعة الشمسية.
في الخمسة عشر عامًا الماضية ، تمكنت الكتلة من إخبار علماء الفلك بالكثير عن كيفية تفاعل الغلاف الجوي للأرض مع الرياح الشمسية ، وساعدت على استكشاف ظواهر المجال المغناطيسي التي بدأنا نفهمها فقط. وبينما هناك الكثير مما يمكن تعلمه ، يتفق العلماء على أن ما تم الكشف عنه حتى الآن كان من المستحيل بدون مهمة مثل الكتلة.
