این اقیانوس بزرگ گازها آنقدر وسیع است که دانشمندان آن را به پنج لایه مختلف تقسیم کردهاند. اما یکی از این لایهها تا کنون توجه زیادی به خود جلب نکرده است، زیرا نگهداشتن تجهیزات در آنجا بسیار دشوار است. هواپیماها و بالنها میتوانند از تروپوسفر و استراتوسفر، دو لایه نزدیک به سطح زمین، بازدید کنند، در حالی که ماهوارهها میتوانند در مدارهای خود در ترموسفر و اگزوسفر مستقر شوند و یک سکوی پایدار برای مشاهدات مداوم فراهم کنند. اما مزوسفر، لایه میانی، در موقعیتی است که نه آنقدر نزدیک است که بتوان یک مدار پایدار در آن داشت و نه آنقدر چگال است که هواپیماها یا بالنهای سنتی بتوانند در آن کار کنند. در نتیجه، دادههای زیادی از این لایه نداریم، با این حال این لایه تأثیر قابلتوجهی بر پیشبینیهای آب و هوایی و تغییرات اقلیمی دارد، بنابراین دانشمندان مجبور بودهاند فرضیات زیادی درباره شرایط آن در بالا مطرح کنند.
مطالعهای جدید از پژوهشگران دانشگاه هاروارد و دانشگاه شیکاگو ممکن است راهی برای قرار دادن سکویهای پایدار حسگری در مزوسفر یافته باشد، با استفاده از مکانیزم پروازی نوینی به نام فوتوفورزیس (Photophoresis).
مزوسفر در ارتفاع ۵۰ تا ۸۵ کیلومتری از سطح زمین قرار دارد و اگرچه از نظر فنی به فضا محسوب نمیشود (یعنی هنوز از خط کارمن عبور نکرده)، اما بسیار متفاوت از لایههای پایینتر جو است که ما بیشتر با آنها آشنا هستیم. این لایه تحت تأثیر هم آب و هوای پایین و هم پدیدههای بالایی قرار دارد و به طوفانهای خورشیدی واکنش نشان میدهد، درست مانند واکنش زمین به طوفانهای بزرگ و گردبادها. از آنجا که مزوسفر نقش یک لایه رابط بین سایر لایهها را دارد، تأثیر حیاتی بر نحوه واکنش لایههای بالایی و پایینی دارد.
اما تا کنون نتوانستهایم تجهیزات پایش پایدار در آن مستقر کنیم، به دلیل محدودیتهای دو سیستم پایش مداومی که در اختیار داریم: بالنها و ماهوارهها. همین مسئله باعث شده این لایه به لقب «Ignorosphere» یا «جهان نادیدهها» شناخته شود، زیرا دانشمندان به دلیل کمبود دادهها ناچار بودهاند عملاً وجود این لایه از جو را نادیده بگیرند.
اما مقاله جدیدی که به سنسورهای بلندمدت در مزوسفر اختصاص دارد، نویدبخش است. فوتوفورزیس فرآیندی است که طی آن انرژی بیشتری وقتی ایجاد میشود که مولکولهای گاز از سطح «گرم» یک جسم بازتاب کنند نسبت به سطح «سرد» آن. در این حالت، سمت گرم جسم، سمتی است که به خورشید مواجه است، و سمت سرد آن، سطح زیرین رو به زمین است. این اثر تنها در محیطهای کمفشار قابل توجه است که دقیقاً همان چیزی است که مزوسفر دارد.
با این حال، نیروی ناشی از فوتوفورزیس بسیار کوچک است، بنابراین پژوهشگران مجبور شدند قطعات بسیار کوچکی بسازند تا بتوانند از این نیرو بهره ببرند. آنها با استفاده از متخصصان فنآوری نانو، یک ساختار در مقیاس سانتیمتری به عنوان نمونه اولیه طراحی کردند و آن را در محفظه خلا آزمایش کردند که فشار آن مشابه مزوسفر بود.
نمونههای اولیه همانطور که انتظار میرفت رفتار کردند و توانستند یک ساختار را با تنها ۵۵٪ نور خورشید و در فشاری مشابه مزوسفر به حالت معلق درآورند. این اولین بار است که کسی نمونه اولیه عملی پروازی با نیروی فوتوفورزیس را نشان داده است، که دلیل آن سبک بودن ساختار است.
دستگاههایی که با این فناوری تغذیه میشوند، میتوانند برای پایش مزوسفر ارسال شوند، اما کاربردهای دیگری نیز دارند. مریخ یک هدف واضح است، زیرا جو کمفشار و رقیق آن، ویژگیهای بارز این سیاره است و لایههای مختلف آن هنوز به طور کامل بررسی نشدهاند. دیگر سیارات و قمرها نیز میتوانند اهداف بالقوه باشند؛ هر جایی که جو به اندازه کافی رقیق باشد تا یک فضاپیمای معلق بتواند در آن حرکت کند، میتوان از این پرندهها استفاده کرد.
متأسفانه هنوز برخی مسائل مهندسی پیشرفته باقی مانده است. تکنیک نانوفابریکیشن که برای ساخت ساختار پروازی استفاده شد، هیچ سختافزار عملیاتی مانند سنسورها یا تجهیزات ارتباط بیسیم را شامل نمیشد. ساختاری که فقط معلق بماند اما دادهای ارسال نکند، از نظر علمی مفید نیست. بنابراین برای اینکه این دستگاهها بتوانند تأثیر علمی مورد نظر را داشته باشند، لازم است تکنیکهای نانوفابریکیشن توسعه یابند تا محموله آنها عملیاتی شود.
با این حال، پژوهشگران به انجامپذیری این کار ایمان دارند و شرکت نوپایی به نام Rarefied Technologies تأسیس کردهاند که سال گذشته در برنامه Breakthrough Energy Fellows پذیرفته شد. با این حمایت و ادامه تحقیقات در زمینه نانوفابریکیشن، به امید خدا تنها زمان لازم است تا سنسورهای در مقیاس سانتیمتری در سراسر «Ignorosphere» و فراتر از آن پراکنده شوند و دادههای علمی جمعآوری کنند.
این فناوری نوآورانه میتواند تحولی بزرگ در پایش جوی ایجاد کند، زیرا دسترسی به لایههای کمفشار جو پیشتر بسیار دشوار بود و دادههای موجود بسیار محدود بودند. با ایجاد سکویهای حسگری کوچک و سبک که بتوانند در مزوسفر پرواز کنند، دانشمندان قادر خواهند بود شرایط دقیقتر آب و هوایی و تغییرات اقلیمی را مطالعه کنند. این اطلاعات نه تنها به بهبود پیشبینیهای هواشناسی کمک میکند، بلکه در درک بهتر واکنشهای جو به طوفانهای خورشیدی و سایر پدیدههای فضایی نیز نقش خواهد داشت.
همچنین، فناوری فوتوفورزیس میتواند مسیر جدیدی برای اکتشاف سیارات و قمرها ایجاد کند. در حال حاضر مأموریتهای فضایی برای مطالعه مریخ، زهره و دیگر اجرام آسمانی، عمدتاً محدود به ماهوارهها و فضاپیماهای بزرگ هستند که به مدار یا سطح سیاره وابستهاند. اما استفاده از پرندههای فوتوفورزیس میتواند امکان مطالعه لایههای مختلف جو با حداقل مصرف انرژی و تجهیزات سبک را فراهم کند، که به کاهش هزینه و افزایش دقت تحقیقات کمک میکند.
در آینده، ترکیب این فناوری با سنسورهای پیشرفته و سیستمهای ارتباطی بیسیم میتواند منجر به ایجاد شبکهای از حسگرهای پروازی شود که همزمان در نقاط مختلف مزوسفر و فراتر از آن فعالیت میکنند. این شبکه میتواند دادههای واقعی و لحظهای ارائه دهد و جایگزینی مناسب برای مدلسازی و فرضیات فعلی باشد.
در نهایت، این پژوهش نشان میدهد که حتی لایههایی از جو که تا پیش از این «نادیده» گرفته شده بودند، با نوآوریهای علمی قابل دسترسی هستند و فناوریهای نوین مانند فوتوفورزیس میتوانند مرزهای تحقیقات فضایی و جوی را گسترش دهند. با استمرار تحقیقات و توسعه ابزارهای عملیاتی، ممکن است در سالهای آینده شاهد تحولی چشمگیر در پایش مزوسفر و سایر لایههای کمفشار جو باشیم و اطلاعات بیسابقهای درباره تأثیرات آنها بر آب و هوا و اقلیم زمین به دست آوریم.
