میدان دو قطبی، میدان الکتریکی است که برای اولین بار بیش از ۶۰ سال پیش به‌عنوان فرضیه مطرح شد. کشف آن نحوه مطالعه و درک رفتار و تکامل دنیای زیبا و پویای ما را تغییر خواهد داد.
«گلین کالیسون»، ستاره‌شناس مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا، می‌گوید: «هر سیاره دارای جو، باید میدان دوقطبی داشته باشد. اکنون که درنهایت آن را اندازه‌گیری کرده‌ایم، می‌توانیم یاد بگیریم که چگونه این میدان سیاره ما و سایرین را در طول زمان شکل داده است.»
زمین فقط یک کره خاکی نیست که در فضا معلق باشد. اطراف آن را انواع میدان‌ها احاطه کرده‌اند. برای مثال میدان گرانش وجود دارد. ما چیز زیادی درمورد گرانش نمی‌دانیم، به‌خصوص اینکه چقدر در همه جا حضور و تأثیر دارد. اما می‌دانیم که بدون گرانش، سیاره‌ای نخواهیم داشت.
همچنین میدان مغناطیسی وجود دارد که توسط مواد رسانا در داخل زمین ایجاد می‌شود و انرژی جنبشی را به میدان مغناطیسی تبدیل می‌کند. این میدان از سیاره ما در مقابل اثرات باد و تشعشعات خورشیدی محافظت می‌کند و همچنین از آسیب به جو جلوگیری می‌کند.
در سال ۱۹۶۸، دانشمندان پدیده‌ای را توصیف کردند که تا عصر فضا نمی‌توانستیم متوجه آن شویم. فضاپیماهایی که بر فراز قطب‌های زمین پرواز می‌کردند، باد مافوق صوت متشکل از ذراتی را که از جو زمین فرار می‌کردند، شناسایی کردند. بهترین توضیح برای این موضوع وجود سومین میدان انرژی، یعنی میدان الکتریکی بود.
کالیسون در ویدئویی توضیح می‌دهد: «این میدان دوقطبی الکتریکی نامیده می‌شود و عامل هرج و مرج است. با گرانش مقابله می‌کند و ذرات را به فضا می‌برد. اما ما قبلا هرگز نتوانستیم آن را اندازه‌گیری کنیم، زیرا فناوری آن را نداشتیم. بنابراین، فضاپیمای موشکی استقامت را ساختیم تا به دنبال این نیروی نامرئی بزرگ بگردیم.»
میدان الکتریکی زمین چگونه عمل می‌کند؟
میدان دوقطبی الکتریکی در ارتفاع حدود ۲۵۰ کیلومتری، در لایه‌ای از جو به نام «یونوسفر» عمل می‌کند. در این لایه تابش شدید فرابنفش از خورشید، اتم‌های جو را یونیزه می‌کند. همچنین الکترون‌های دارای بار منفی را می‌شکند و اتم را به یونی با بار مثبت تبدیل می‌کند.
در این فرآیند الکترون‌های سبک‌تر (با بار منفی) سعی می‌کنند به فضا پرواز کنند، درحالی‌که یون‌های سنگین‌تر (مثبت) به سمت زمین کشیده می‌شوند. اما محیط پلاسما سعی می‌کند خنثی بودن و تعادل بار را حفظ کند، که منجر به ظهور میدان الکتریکی بین الکترون‌ها و یون‌ها می‌شود تا آنها را به هم متصل کند. به همین علت هم این میدان دوقطبی نامیده می‌شود. زیرا یون‌ها کششی به سمت پایین و الکترون‌ها نیرویی به سمت بالا را تامین می‌کنند.
نتیجه این است که جو به سمت بالا متورم می‌شود. افزایش ارتفاع جو اجازه می‌دهد تا برخی از یون‌ها به فضا فرار کنند، چیزی که در پدیده باد قطبی می‌بینیم.
این میدان دوقطبی فوق‌العاده ضعیف خواهد بود، به همین دلیل است که کالیسون و تیمش ابزاری برای تشخیص آن طراحی کردند. ماموریت استقامت که حامل این آزمایش است در می ۲۰۲۲ پرتاب شد و قبل از اینکه با داده‌های ارزشمند به زمین بازگردد، به ارتفاع ۷۶۸.۰۳ کیلومتری رسید. فضاپیما تغییر پتانسیل الکتریکی را فقط ۰.۵۵ ولت را اندازه‌گیری کرد؛ که میزان ناچیزی است، اما تنها چیزی بود که نیاز داشتیم.
کالیسون می‌گوید : «نیم ولت تقریباً هیچ چیزی نیست! فقط به اندازه باتری ساعت قوی است. اما این مقدار برای توضیح باد قطبی مناسب است.»
سوالات بزرگ‌تر
این مقدار بار، برای کشیدن یون‌های هیدروژن با قدرت ۱۰.۶ برابر گرانش کافی است و آنها را با سرعت مافوق صوت بر فراز قطب‌های زمین به فضا پرتاب می‌کند. یون‌های اکسیژن، که سنگین‌تر از یون‌های هیدروژن هستند، بالاتر می‌روند و چگالی یونوسفر را در ارتفاعات بالا تا ۲۷۱ درصد افزایش می‌دهند. البته در مقایسه با چگالی آن بدون میدان دوقطبی.
بخش هیجان‌انگیزتر قضیه این است که این فقط اولین گام است. ما از پیامدهای گسترده‌تر میدان دوقطبی، مدت زمانی که در آنجا بوده، کاری که انجام می‌دهد و کمک آن به شکل‌گیری و تکامل سیاره و جو آن و احتمالاً حتی تاثیر آن در حیات روی سطح چیزی نمی‌دانیم.
کالیسون می‌گوید: «این میدان بخش اساسی از روش کار زمین است. اکنون ما آن را اندازه‌گیری کرده‌ایم و می‌توانیم شروع به پرسیدن برخی سوالات بزرگ‌تر و هیجان‌انگیزتر کنیم.»
