کشف اتم داغ هیدروژن در ترموسفر

یک تیم تحقیقاتی از پژوهشگران دانشگاه ایلینویز موفق به کشف اتم داغ هیدروژن در ترموسفر، بالاترین لایه‌ی جوی کره‌ی زمین، شده‌اند. این کشف جدید که نتایج آن در ژورنال Nature Communications منتشر شده است، تغییرات قابل توجهی در فهم ما از توزیع هیدروژن و بر هم‌کنش ذرات آن با ترکیبات دیگر اتمسفر، در اختیار می‌گذارد.

از آنجا که اتم هیدروژن بسیار سبک است؛ می‌تواند به‌راحتی بر نیروی جاذبه‌ی زمین غلبه و به فضاهای بین سیاره‌ای فرار کند.فرّار بودن اتم‌های هیدروژن از جو، یکی از دلایلی است که باعث شده است سیاره‌ی مریخ حجم زیادی از آب خود را از دست بدهد. علاوه بر این، اتم هیدروژن سهم بسیار مهمی در جو فوقانی زمین ایفا می‌کند و به‌عنوان یک سپر مهم، از تجهیزاتی مانند ماهواره‌های نصب‌شده در مدارهای پایین‌تر، در برابر فضای خشن اطراف، محافظت می‌کند.

لارا والدروپ، استادیار مهندسی برق و کامپیوتر و یکی از اعضای این پژوهش می‌گوید: «تئوری‌ها پیش از این نشان داده بودند که اتم‌های داغ هیدروژن در ارتفاعات بالای چند هزار کیلومتری وجود دارند؛ اما نکته‌ی قابل توجه بررسی‌های ما، کشف این اتم‌ها در ارتفاعات ۲۵۰ کیلومتری بود. این نتیجه‌گیری نشان می‌دهد در مدل‌های جوی فعلی، بعضی از موارد فیزیکی مانند فرار اتمسفری و ساختار حرارتی اتمسفر فوقانی در نظر گرفته نشده است.»

کشف جدید می‌تواند به توسعه‌ی روش‌های عددی در کاربردهایی چون اندازه‌گیری‌های از راه دور ماهواره‌ی «بررسی‌کننده‌ی پویایی و انرژی ذرات ترموسفر، یونوسفر و مزوسفر» TIMED کمک کند.

ژیانکی کین یکی از اعضای تیم در این خصوص می‌گوید:

فرضیه‌های کلاسیک در رابطه با اتمسفر فوقانی، قدرت توجیه حضور اتم‌های داغ هیدروژن در ارتفاعات را ندارند. وقتی دیدگاه خود را نسبت به این پدیده تغییر دادیم و رویکرد خود را به فیزیک نزدیک‌تر کردیم، برای نخستین بار توانستیم داده‌های موجود را تحلیل و تفسیر کنیم.

هیدروژن اتمی به‌طور مؤثر توانسته است اشعه‌ی ماورای بنفش خورشید را پراکنده کند؛ مقدار پراکندگی این پرتوها به مقدار اتم داغ هیدروژن واقع در اتمسفر بستگی دارد. مشاهدات از راه دور، توانسته‌اند با استفاده از بررسی انتشار پراکنده‌ی اتم‌های داغ هیدروژن توسط ماهواره‌ی TIMED ناسا، فراوانی و چگونگی توزیع فضایی این نوع اتم‌ها را به دست آورند. ضمن این‌که به‌منظور استخراج اطلاعات در مورد لایه‌های بالایی جو، نیاز به محاسبات دقیق پراکندگی فوتون‌های خورشیدی وجود دارد که این امر در حوزه‌ی تخصص تیم کین قرار دارد.

این تیم پژوهشی با حمایت بنیاد ملی علوم و ناسا، توانسته است مدلی از انتقال تابشی پرتوهای پراکنده‌شده را ارائه دهد که مطابق با منطقه‌ی انتقال تابشی اتم‌های هیدروژن در بین لایه‌های جوی پایین‌تر و بالاتر است.

کین در این خصوص می‌گوید: «به نظر می‌رسد که مدل جدید کاملا با اندازه‌گیری‌های انجام‌شده سازگاری دارد.»

نتایج نشان داده‌اند که حضور اتم‌های داغ هیدروژن در ترموسفر، اثر قابل ملاحظه‌ای بر توزیع این اتم‌ها در سراسر فضای اتمسفر دارد. منشأ وجود چنین اتم‌های داغی در ترموسفر هنوز شناخته‌شده نیست و به‌عنوان یک راز باقی مانده است.

کین در ادامه می‌گوید: «قطعا به دنبال پاسخ این معما هستیم؛ چرا که آگاهی از توزیع چگالی هیدروژن، امری حیاتی در بررسی سیستم‌های جوی است و می‌تواند پاسخ‌گوی وضعیت آب‌وهوای فضا باشد؛ این مسئله در خصوص فناوری‌های مبتنی بر فضا، اهمیت بالایی برای جوامع مدرن دارد.»