أُولى الصور القرصيّة العالميّة للشفق القطبي المُتقطّع على المريخ في نطاق الأشعّة فوق البنفسجيّة البعيدة بواسطة أداة EMUS على متن بعثة الإمارات للمريخ

R. J. Lillis¹, J. Deighan², S. Jain², G. Holsclaw², M. Chaffin², M. Fillingim¹, K. Chirakkil^{2, 3}, S. England⁴, D. A. Brain², H. Al Matroushi⁵, F. Lootah⁵, H. Al-Mazmi⁵, N. Schneider², J. S. Halekas⁶, S. Ruhunusiri⁶, J. Espley⁷

¹مختبر علوم الفضاء، جامعة كاليفورنيا بيركلي (rlillis@berkeley.edu)، ²مختبر فيزياء الغلاف الجوي والفضاء، جامعة كولورادو بولدر، ³جامعة خليفة، الإمارات العربيّة المتحدة، ⁴معهد فيرجينيا للتكنولوجيا، ⁵مركز محمد بن راشد للفضاء، دبي، الإمارات العربيّة المتحدة، ⁶قسم الفيزياء والفلك، جامعة أيوا، ⁷مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا

الشفق القطبي المُتقطّع على المريخ: الفهم الراهن

تم اكتشاف ثلاثة أنواع رئيسة من الشفق القطبي في الغلاف الجوي العلوي للمريخ: الشفق القطبي المُنتشر [1]، الشفق القطبي البروتوني [2]، والشفق القطبي المُتقطّع [3]. ينجم النوعان الأوّلان عن ترسّب جسيمات الرياح الشمسيّة عالية الطاقة خلال اضطرابات شديدة في الرياح الشمسيّة، أو عن ترسّب بروتونات الرياح الشمسيّة مباشرةً بعد عمليّات تبادُل الشحنة. ويتميّز الشفق القطبي المُتقطّع بظهور لطخات موضعيّة من انبعاثات فوق بنفسجيّة صادرة عن ذرات وجزيئات تُثار بإلكترونات مُسرَّعة تترسّب في الغلاف الجوي العلوي للمريخ [4, 5]. وقد رُصِد هذا الشفق أساسًا من رصد الحافّة باستخدام مافن ومارس إكسبريس، ويشيع فوق المناطق ذات الحقول المغناطيسيّة القشريّة القويّة والمفتوحة طوبولوجيّاً. أمّا الشفق الذي يغطي مساحات واسعة من نصف الكرة فقد رُصِد نادرًا بواسطة مافن، وكان ذلك مقتصرًا على نطاق الأشعّة فوق البنفسجيّة المتوسّطة (\gt 200\,\mathrm{nm}) [6].

مجموعة البيانات

نقدّم هنا أُولى المراقبات القرصيّة الكاملة للشفق القطبي المُتقطّع على المريخ عند أطوال موجيّة في نطاق الأشعّة فوق البنفسجيّة البعيدة (\lt 200\,\mathrm{nm}). أُجرِيت هذه المراقبات باستخدام مطياف الإمارات للمريخ فوق البنفسجي (EMUS) على متن بعثة الإمارات للمريخ (EMM)، وهي منظومة ملائمة لدراسة الشفق لعدّة أسباب: أ) الارتفاع المداري العالي لوضعيات الرصد وتواتر نمط المراقبة في EMM، ب) الحساسيّة العالية لأداة EMUS. وتعتمد مراقبات الشفق على نمط الرصد U-OS2 المصمّم لدراسة الغلاف الجوي الداخلي للمريخ مع تغطية واسعة للجانب الليلي [7]، كما هو موضّح في الشكل 1.

بين 1 أبريل و31 ديسمبر 2021 توفّرت 194 شريطًا رصديًّا قدّمت تغطية كافية لدراسة الشفق القطبي المُتقطّع في نطاق الأشعّة فوق البنفسجيّة البعيدة، حيث جرى تحديد الحالات القابلة للتحليل على أنها تلك التي يزيد فيها عدد بكسلات القرص ذات زاوية السمت الشمسيّة عن 110^\circ على نسبة 30% من إجمالي البكسلات.

الطيف

يظهر الانبعاث بأعلى شدّة عند خط انبعاث الأكسجين 130.4\,\mathrm{nm} (انتقال من الحالة ^3S إلى الحالة الأرضيّة ^3P)، مع رصد انبعاثات أيضًا في خطوط الأكسجين عند 98.9\,\mathrm{nm} و102.7\,\mathrm{nm} و135.6\,\mathrm{nm}. كما تظهر دلائل على انبعاثات ضمن نطاق النظام الرابع الموجب لجزيء CO، كما يتّضح في الطيف النموذجي في الشكل 2.

النتائج

يمكن تحليل الأشرطة المدارية إمّا بصورة فرديّة أو بدمجها وحساب متوسطها لإنتاج صورة قرصيّة واحدة، كما في الشكل 3. ويُظهر الشفق القطبي المُتقطّع نمطًا يتوافق عمومًا مع التوقّعات؛ إذ يبرز أكثر فوق مناطق الحقول المغناطيسيّة القشريّة القويّة والمفتوحة طوبولوجيّاً (الشكل 3، اليسار). ويُسجَّل استثناء ملحوظ حين تكون أشدّ الظواهر سطوعًا بعيدة عن مناطق الحقول القشريّة أثناء مرور كتلة إكليليّة شمسيّة بين الكواكب في 21 يوليو 2021، حيث ظهر الشفق المُتقطّع فوق مناطق ذات حقول قشريّة ضعيفة (الشكل 3، اليمين). أمكن كشف الشفق القطبي المُتقطّع (بشدّة تتجاوز 2\,\mathrm{R} ضمن بقع متّصلة واضحة) في نحو 55% من المراقبات؛ وهو أكثر شيوعًا عند الغروب مقارنةً بالفجر، ويُظهر تقلّبات ملحوظة على مقاييس زمنيّة تقارب 20 دقيقة، بما يعكس تغيّرات طبيعية في ديناميّات الإلكترونات وطوبولوجيا الحقول المغناطيسيّة قرب المريخ.

نظرة مُستقبلية

تُتيح هذه الصور القرصيّة الشاملة، إلى جانب القياسات المُتزامنة للإلكترونات فوق الحراريّة والخصائص الهندسيّة والطوبولوجيّة للحقول المغناطيسيّة من مافن ومارس إكسبريس، فرصة واعدة لفهم الآليّات البلازميّة المُعقّدة التي تُسهم في تشكّل الشفق القطبي المُتقطّع والغنيّ بالديناميّات على المريخ.

المراجع

• [1] Schneider, N. M., et al. 2015, Science, 350
• [2] Deighan, J., et al. 2018, Nat Astron, 2, 802
• [3] Bertaux, J. L., et al. 2005, Nature, 435, 790
• [4] Brain, D. A., et al. 2006, Geophysical Research Letters, 33
• [5] Xu, S., et al. 2020, Geophysical Research Letters, 47, e87414
• [6] Schneider, N. M., et al. 2018, Geophysical Research Letters, 45, 7391
• [7] Holsclaw, G. et al. 2021, Space Science Reviews, 217, 79