https://fremont.ninkilim.com/articles/we_live_inside_an_electric_circuit/fa.html
وقتی مردم عبارت هوای فضایی را می‌شنوند، ممکن است به شراره‌های خورشیدی که ماهواره‌ها را مختل می‌کنند یا شفق‌های قطبی که در شب‌های قطبی می‌درخشند فکر کنند. اما در هسته خود، هوای فضایی چیزی جز رفتار ذرات باردار که از خورشید به بیرون جریان دارند نیست.
لایه‌های بیرونی خورشید پلاسمایی جوشان هستند: آن‌قدر داغ که الکترون‌ها و پروتون‌ها دیگر در اتم‌ها محدود نمی‌مانند و آزادانه حرکت می‌کنند. مانند یک فیلامان عظیم در یک لامپ خلأ، خورشید به‌طور مداوم این سیال رسانای الکتریکی را به‌عنوان باد خورشیدی منتشر می‌کند. این باد با سرعت صدها کیلومتر بر ثانیه در سراسر منظومه شمسی جریان می‌یابد و الکترون‌ها، پروتون‌ها، ذرات آلفا و میدان‌های مغناطیسی درهم‌تنیده را با خود حمل می‌کند.
فضاپیماها در نقطه L1 - یک میلیون کیلومتر بالادست زمین - باد خورشیدی را در زمان واقعی اندازه‌گیری می‌کنند. آن‌ها به ما می‌گویند چه تعداد الکترون، پروتون و یون‌های سنگین‌تر وارد می‌شوند و با چه سرعتی. در شرایط آرام، باد معمولاً دارای مقدار کمی الکترون اضافی است، بنابراین فضای بین‌سیاره‌ای پس‌زمینه‌ای با بار منفی ضعیف دارد.
هنگامی که یک فوران جرم تاجی (CME) از خورشید منفجر می‌شود، تعادل تغییر می‌کند. حباب‌های عظیم پلاسما و میدان مغناطیسی در فضا جاروب می‌کنند و با سپر مغناطیسی زمین برخورد می‌کنند. در قطب‌ها، بخشی از این انرژی از طریق خطوط میدان مغناطیسی به سمت پایین هدایت می‌شود و اتم‌های اکسیژن و نیتروژن را به پرده‌های درخشان سبز و قرمز تحریک می‌کند: شفق شمالی در نیمکره شمالی و شفق جنوبی در نیمکره جنوبی.
زمین میلیاردها سال است که در این محیط غوطه‌ور بوده است. اجسام رسانا که در پلاسما غوطه‌ور هستند خنثی نمی‌مانند؛ آن‌ها بار جمع می‌کنند. در طول زمان زمین‌شناختی، زمین به یک پتانسیل الکتریکی کمی منفی نسبت به محیط فضایی خود رسیده است.
این آگاهی، گذار ما از فضا به آسمان است: اگر زمین منفی باشد و فضای بالای آن در الکترون‌ها و پروتون‌ها غوطه‌ور باشد، تعادل بار در خود جو چگونه برقرار می‌شود؟ پاسخ یونوسفر است.
یونوسفر از حدود 50 کیلومتری شروع می‌شود و تا صدها کیلومتر امتداد می‌یابد. در آنجا، نور فرابنفش خورشیدی و ذرات ورودی الکترون‌ها را از اتم‌ها جدا می‌کنند و گازی رقیق از یون‌ها باقی می‌گذارند. برای ما روی زمین، هوا به نظر عایق می‌آید. اما با افزایش ارتفاع، یونیزاسیون به‌سرعت افزایش می‌یابد و رسانایی چندین مرتبه بزرگ‌تر می‌شود.
یونوسفر در دهه 1920 کشف شد، نه توسط فیزیکدانان، بلکه توسط مهندسان رادیو. ادوارد اپلتون و همکارانش متوجه شدند که امواج رادیویی گاهی اوقات بسیار فراتر از افق سفر می‌کنند. سیگنال‌ها از یک لایه رسانا در بالا بازتاب می‌شدند - چیزی که ما اکنون لایه‌های E و F یونوسفر می‌نامیم. این “آینه در آسمان” پخش جهانی را ممکن کرد و کار اپلتون برای او جایزه نوبل به ارمغان آورد.
اما فراتر از رادیو، یونوسفر اهمیت عمیق‌تری دارد. زمین را به‌عنوان یک کره رسانا که بار منفی حمل می‌کند و یونوسفر را به‌عنوان یک پوسته با بار مثبت در ارتفاع ده‌ها کیلومتری تصور کنید. بین آن‌ها جو قرار دارد: نه یک خلأ کامل، نه یک عایق کامل، بلکه یک دی‌الکتریک نشتی. این‌ها با هم یک خازن کروی را تشکیل می‌دهند که به حدود 250,000+ ولت شارژ شده است.
روی زمین، این پتانسیل به‌عنوان میدان الکتریکی جوی هوای آرام ظاهر می‌شود: حدود 100+ تا 300+ ولت بر متر، به سمت پایین هدایت شده است. به عبارت دیگر، یونوسفر مثبت الکترون‌ها را به سمت بالا می‌کشد و سطح را نسبتاً منفی می‌گذارد. از آنجا که هوا با افزایش ارتفاع رساناتر می‌شود، بیشتر این افت ولتاژ در پایین‌ترین 10-15 کیلومتر - تروپوسفر، جایی که همه ابرها و آب‌وهوا قرار دارند - رخ می‌دهد.
در شرایط آرام، این میدان پایدار است و تنها توسط ریتم جهانی همه طوفان‌های جهان - چرخه‌ای روزانه که به منحنی کارنگی معروف است - تعدیل می‌شود. با این حال، این پایه آرام صحنه را برای درام طوفان‌ها آماده می‌کند.
درون یک ابر کومولونیمبوس در حال رشد، تریلیون‌ها ذره یخ و قطره با هم برخورد می‌کنند. هر کدام یون‌هایی را حمل می‌کنند: H⁺ و OH⁻ که به‌طور مداوم در آب حضور دارند. میدان الکتریکی محیط بر نحوه حرکت این بارها تأثیر می‌گذارد. کریستال‌های یخ کوچک تمایل دارند بار مثبت به دست آورند و توسط جریان‌های صعودی به سمت بالا برده شوند، در حالی که گراول‌های سنگین‌تر بار منفی جمع می‌کنند و به سطوح میانی سقوط می‌کنند.
نتیجه یک ساختار سه‌قطبی است:
این جداسازی بازتاب یک آزمایش معروف قرن نوزدهم است. در سال 1867، لرد کلوین - که به خاطر مقیاس دمای ترمودینامیکی شناخته شده است - دستگاهی را تنها با استفاده از آب چکه‌کننده، حلقه‌ها و سطل‌ها ساخت. ژنراتور قطره آب کلوین از عدم تعادل‌های یونی کوچک در قطرات در حال سقوط بهره‌برداری کرد. با القای هوشمندانه، این نوسانات تقویت شدند تا جرقه‌هایی با ولتاژ هزاران ولت از دستگاه پریدند.
دستگاه رومیزی کلوین یک طوفان در مقیاس کوچک بود. ابرها صرفاً نسخه‌های بزرگ‌تری از همان کارخانه تولید بار هستند که توسط گرانش، همرفت و برخوردها نیرو می‌گیرند.
بیشتر رعد و برق‌هایی که می‌بینیم از لایه میانی منفی که به زمین تخلیه می‌شود می‌آیند. اما گاهی اوقات منطقه مثبت بالایی بار خود را آزاد می‌کند. این رعد و برق‌های مثبت بسیار قوی‌تر هستند، جریان‌های بزرگ‌تری حمل می‌کنند و ده‌ها کیلومتر به طرفین می‌رسند - معروف به “صاعقه‌های ناگهانی”. نادر اما مرگبار، آن‌ها معکوس میدان هوای آرام هستند: بالای مثبت ابر مستقیماً به زمین تخلیه می‌شود.
هر طوفان بنابراین به‌عنوان یک ژنراتور عمل می‌کند، بار مثبت را به سمت یونوسفر و بار منفی را به سمت زمین پمپ می‌کند. به‌طور جمعی، حدود 2000 طوفان فعال زمین پتانسیل جهانی 250 کیلوولت را حفظ می‌کنند و آنچه در غیر این صورت نشت می‌کرد را پر می‌کنند. طوفان‌ها صرفاً رویدادهای آب‌وهوایی نیستند؛ آن‌ها نیروگاه‌های مدار الکتریکی سیاره هستند.
برای قرن‌ها تصور می‌شد که رعد و برق به زیر پایه ابر محدود است. اما مدار در هر دو جهت کار می‌کند. طوفان‌ها همچنین به سمت بالا به یونوسفر تخلیه می‌شوند، گاهی اوقات تا فضای نزدیک.
در دهه 1990، ماهواره‌هایی که به دنبال انفجارهای پرتو گاما کیهانی بودند، چیزی غیرمنتظره کشف کردند: جرقه‌های میلی‌ثانیه‌ای پرتو گاما از خود زمین. این جرقه‌های پرتو گاما زمینی (TGFs) زمانی تولید می‌شوند که میدان‌های الکتریکی بالای طوفان‌ها الکترون‌ها را به سرعت‌های نزدیک به نسبیتی شتاب می‌دهند، آن‌ها را به مولکول‌های هوا می‌کوبانند و پرتوهای گاما ساطع می‌کنند. یک طوفان به یک شتاب‌دهنده ذرات طبیعی تبدیل می‌شود که با ماشین‌های ساخته‌شده توسط انسان رقابت می‌کند.
مدت‌ها قبل از اینکه ماهواره‌ها این را تأیید کنند، خلبانان در ارتفاعات بالا درباره نورهای عجیب زمزمه می‌کردند: درخشش‌های قرمز، مخروط‌های آبی، حلقه‌های هاله‌مانند بالای طوفان‌ها. خلبانان U-2 در دهه 1950 ممکن است از اولین کسانی باشند که آن‌ها را دیدند، اما گزارش‌هایشان به‌عنوان توهمات بصری رد شدند. تنها در اواخر قرن بیستم دوربین‌ها آن‌ها را ثبت کردند:
این‌ها با هم رویدادهای نورانی گذرا (TLEs) هستند - رعد و برق‌های مخفی آسمان که طوفان‌ها را به یونوسفر متصل می‌کنند. آن‌ها ثابت می‌کنند که طوفان‌ها محلی نیستند بلکه بازیگران جهانی هستند، انرژی و ذرات را به سمت بالا تزریق می‌کنند، انتشار رادیو، مدارهای ماهواره‌ای و حتی کمربندهای تشعشعی را مختل می‌کنند.
ما با هوای فضایی به‌عنوان چیزی که به زمین تحمیل شده شروع کردیم. اکنون خلاف آن را می‌بینیم: خود زمین هوای فضایی تولید می‌کند، از طریق کار طوفان‌هایش.
اکنون طرح کلی روشن است: زمین، یونوسفر و فضا در یک مدار الکتریکی جهانی به هم متصل هستند. با این حال، این موضوع به‌طور ناجوری بین رشته‌ها قرار می‌گیرد.
نتیجه این است که برق جوی از شکاف‌ها می‌لغزد. گزارش‌های استاندارد آب‌وهوا دما، فشار، باد و رطوبت را ارائه می‌دهند - اما نه میدان جوی استاتیک، حتی اگر بتوان آن را با یک آسیاب میدان ساده اندازه‌گیری کرد.
ما قبلاً مدل‌هایی داریم. شبکه‌های رعد و برق (Blitzortung، ALDIS، EUCLID) فعالیت طوفان‌ها را در زمان واقعی با ردیابی سفریک‌ها، پالس‌های رادیویی رعد و برق، نشان می‌دهند. چرا همان را برای میدان‌های الکتریکی استاتیک نسازیم؟
چنین شبکه‌ای می‌تواند:
بسیاری از رصدخانه‌ها قبلاً برق جوی را اندازه‌گیری می‌کنند، اما داده‌ها پراکنده و مخفی هستند. یک تلاش جهانی هماهنگ به نام GLOCAEM (هماهنگی جهانی اندازه‌گیری‌های برق جوی) تنها چند سال پیش راه‌اندازی شد و حدود 20-30 ایستگاه از اروپا، آسیا، آفریقا و آمریکا را به هم متصل می‌کند. برخی از این سایت‌ها - مانند رصدخانه کنراد در اتریش، لومنیکی شتیت در اسلواکی و اسکدالمیر در اسکاتلند - تاریخچه طولانی از نظارت مداوم گرادیان پتانسیل دارند.
اما برخلاف شبکه‌های رعد و برق مانند Blitzortung، این جریان‌های داده عمدتاً در دست محققان باقی می‌مانند. نمودارهای زمان واقعی وجود دارند، اما به‌طور گسترده تبلیغ نمی‌شوند یا برای استفاده عمومی طراحی نشده‌اند. برای اکثر مردم - حتی دانشجویان فیزیک - میدان جوی همچنان نامرئی است.
این شکاف است: نه اندازه‌گیری، بلکه دسترسی. آنچه مورد نیاز است ترجمه آرشیوهای علمی به داشبوردهای عمومی و APIهای باز است، به همان روشی که شبکه‌های سفریک فعالیت طوفان‌ها را به چیزی تبدیل کردند که هر کسی می‌تواند به‌صورت زنده تماشا کند. یک لایه علم شهروندی بر روی شبکه‌های تحقیقاتی موجود می‌تواند حلقه را ببندد - نمودارهای مخفی رصدخانه‌ها را به یک متغیر آب‌وهوایی “پنجم” زنده تبدیل کند.
ما در داخل یک مدار الکتریکی زندگی می‌کنیم. زمین صفحه منفی است، یونوسفر مثبت است و طوفان‌ها ژنراتورها هستند. رعد و برق تنها بارزترین علامت است. اسپرایت‌ها، جت‌ها، پرتوهای گاما و جریان‌های هوای آرام بقیه هستند.
آوردن این بعد مخفی آب‌وهوا به دید عمومی - با باز کردن داده‌ها و ساخت شبکه‌ها - درک ما از آسمان را تکمیل می‌کند. این به ما ابزارهای پیش‌بینی بهتری، بینش‌های جدید در مورد آب‌وهوا و سلامت و بازگرداندن حس شگفتی می‌دهد: آگاهی از اینکه جهانی که روی آن راه می‌رویم فقط در فضا نمی‌چرخد، بلکه می‌درخشد، زمزمه می‌کند و در داخل یک ماشین الکتریکی در مقیاس سیاره‌ای جرقه می‌زند.