یک طوفان خورشیدی نادر، سپر پلاسما زمین را فرو ریخت و فرآیندهای پنهانی که بازسازی آن را کُند میکنند، برملا کرد.
یک ابرطوفان ژئومغناطیسی یکی از شدیدترین اشکال آب و هوای فضایی است که زمانی به وجود میآید که خورشید انفجارهای عظیم انرژی و ذرات باردار را به سمت زمین پرتاب میکند. این پدیدههای قدرتمند بهندرت رخ میدهند و معمولاً فقط یکبار در هر ۲۰ تا ۲۵ سال دیده میشوند. در تاریخ ۱۰‑۱۱ مه ۲۰۲۴، زمین با قویترین پدیده از این دست در بیش از دو دهه مواجه شد که به نام طوفان گانن یا طوفان روز مادر شناخته میشود.
پژوهشی که توسط دکتر آتوکی شینبوری از مؤسسه تحقیقات محیطزیست فضا‑زمین دانشگاه ناگویا رهبری شد، مشاهدات مستقیم در طول طوفان جمعآوری کرد و نخستین تصویری دقیق از نحوه فشردن پلاسماسفر زمین (یک ناحیه محافظ حاوی ذرات باردار اطراف سیاره) ارائه داد. نتایج این مطالعه که در نشریه Earth, Planets and Space منتشر شد، نشان میدهد که پلاسماسفر و یونوسفر در طول اختلالات خورشیدی شدید چه واکنشی نشان میدهند و بینشهایی فراهم میکند که میتوانند پیشبینیهای مربوط به اختلالات ماهوارهای، مشکلات GPS و مسائلی که بهدلیل آب و هوای فضایی شدید رخ میدهند، بهبود بخشند.
ماهواره آرِس، فروپاشی نادر پلاسماسفر را به ثبت میبرد
ماهواره آرِس که توسط آژانس فضایی ژاپن (JAXA) در سال ۲۰۱۶ به فضا پرتاب شد، از طریق پلاسماسفر زمین عبور میکند و امواج پلاسما و میدانهای مغناطیسی را اندازهگیری مینماید. در طول ابرطوفان مه ۲۰۲۴، این ماهواره بهدقت در موقعیتی ایدهآل قرار داشت تا فشردگی شدید پلاسماسفر و بازسازی طولانی و آهستگی که پس از آن رخ داد را ثبت کند. این نخستین باری بود که دانشمندان دادههای مستمر و مستقیم نشاندهندهٔ انقباض پلاسماسفر به این ارتفاع پایین در طول یک ابرطوفان را بهدست آوردند.
دکتر شینبوری توضیح داد: «ما با استفاده از ماهواره آرِس تغییرات پلاسماسفر را ردیابی کردیم و با استفاده از گیرندههای GPS زمینی، یونوسفر ‑ منبع ذرات بارداری که پلاسماسفر را دوباره پر میکند ‑ را پایش کردیم. نظارت بر هر دو لایه به ما نشان داد که پلاسماسفر چهقدر بهصورت چشمگیری فشرده شد و چرا بازسازی آن اینچنین طولانی بود.»
ابرطوفان پلاسماسفر را به کمترین ارتفاعهای ثبتشده میبرد
پلاسماسفر همراه با میدان مغناطیسی زمین عمل میکند تا ذرات باردار مضر از خورشید و فضاهای عمیق را مسدود کند و بهطور طبیعی از ماهوارهها و فناوریهای دیگر محافظت مینماید. در شرایط عادی، این ناحیه از سطح زمین بهصورت گستردهای ادامه دارد، اما طوفان ماه مه لبه بیرونی آن را از حدود ۴۴٬۰۰۰ کیلومتری بالای سطح زمین به تنها ۹٬۶۰۰ کیلومتر فشرده کرد.
این طوفان پس از چندین فوران بزرگ خورشیدی که میلیاردها تن ذرات باردار را به سمت زمین پراکنده کردند، شکل گرفت. در تنها نه ساعت، پلاسماسفر به حدود یکپنجم حجم معمولی خود فشرده شد. بازسازی آن بهصورت غیرمعمولی آهسته بود و برای پر شدن کامل بیش از چهار روز زمان برد؛ که این طولانیترین زمان بازسازی ثبتشده از زمانی که آرِس در سال ۲۰۱۷ نظارت بر این ناحیه را آغاز کرده، میباشد.
دکتر شینبوری گفت: «ما دریافتیم که این طوفان ابتدا گرمایش شدیدی در نزدیکی قطبها ایجاد کرد، اما بعدها این امر منجر به کاهش قابلملاحظهٔ ذرات باردار در سرتاسر یونوسفر شد که بازسازی را کند کرد. این اختلال طولانیمدت میتواند بر دقت GPS تأثیر بگذارد، در عملیات ماهوارهها اختلال ایجاد کند و پیشبینی آبوهوای فضایی را پیچیدهتر سازد.»
ابرطوفان شفقها را بهسوی خط استوا دورتر میبرد
در اوج طوفان، فعالیت خورشید بهحدی شدت یافت که میدان مغناطیسی زمین را فشرده کرد که باعث شد ذرات باردار بتوانند مسافت بیشتری در امتداد خطوط میدان مغناطیسی به سمت خط استوا حرکت کنند. بهعنوان نتیجه، شفقهای زنده و درخشان در مکانهایی ظاهر شد که بهندرت دیده میشوند.
شفقها معمولاً در نزدیکی قطبها رخ میدهند زیرا میدان مغناطیسی زمین ذرات خورشیدی را به سمت جو در این مناطق هدایت میکند. این طوفان بهقدری قدرتمند بود که مرز شفقی را بسیار فراتر از موقعیت معمول آن، که در نزدیکی دایرههای قطبی آرکتیک و آنتارکتیک است، جابجا کرد و نمایشهای شفقی را در مناطق میانعرضی مانند ژاپن، مکزیک و جنوب اروپا ایجاد کرد — مناطقی که شفق در آنها بهندرت دیده میشود. طوفانهای ژئومغناطیسی قویتر اجازه میدهند نورهای شفقی به مناطق نزدیکتری به خط استوا برسند.
طوفانهای منفی بازگشت پلاسماسفر به حالت عادی را کند میکنند
حدود یک ساعت پس از ورود ابرطوفان، ذرات باردار از طریق جو بالایی زمین در عرضهای جغرافیایی بالا نفوذ کردند و به سمت قطبها جریان یافتند. با تضعیف طوفان، پلاسماسفر شروع به پر شدن مجدد با ذراتی کرد که توسط یونوسفر تامین میشدند.
این فرآیند تکمیل معمولاً تنها یک یا دو روز طول میکشد، اما در این مورد بازسازی تا چهار روز امتداد یافت بهدلیل پدیدهای که «طوفان منفی» نامیده میشود. در یک طوفان منفی، سطح ذرات در یونوسفر بهسرعت در مقیاس وسیعی کاهش مییابد هنگامی که گرمایش شدید شیمی جو را تغییر میدهد. این امر باعث کاهش یونهای اکسیژن میشود که بهساخت ذرات هیدروژن ضروری برای بازگرداندن پلاسماسفر کمک میکند. طوفانهای منفی نامرئی هستند و تنها با استفاده از ماهوارهها قابل شناساییاند.
دکتر شینبوری اظهار کرد: «طوفان منفی با تغییر شیمی جو و قطع تأمین ذرات به پلاسماسفر، سرعت بازسازی را کاهش داد. این ارتباط بین طوفانهای منفی و تأخیر در بازسازی پیش از این بهصورت واضح مشاهده نشده بود.»
چرا این یافتهها برای آبوهوای فضایی و فناوری مهم هستند
این نتایج درک واضحتری از چگونگی تغییر پلاسماسفر در طول یک طوفان خورشیدی شدید و نحوهٔ انتقال انرژی در این ناحیه فضایی فراهم میآورد. در طول این رویداد، چندین ماهواره با مشکلات الکتریکی مواجه شدند یا انتقال دادههای خود را متوقف کردند، سیگنالهای GPS دقت کمتری یافتند و ارتباطات رادیویی مختل شد. دانستن زمان لازم برای بازگشت لایه پلاسما زمین پس از چنین اختلالاتی برای پیشبینی آبوهوای فضایی آینده و حفاظت از فناوریهایی که به شرایط پایدار در فضاهای نزدیک به زمین وابستهاند، ضروری است.