یک طوفان خورشیدی نادر، سپر پلاسما زمین را فرو ریخت و فرآیندهای مخفی که سرعت بهبود آن را کاهش میدهند، برملا کرد
یک طوفان خورشیدی عظیم در ماه مه 2024 به دانشمندان نگاهی بیسابقه به چگونگی فروپاشی سپر پلاسما زمین تحت شرایط شدید آبوهوا فضایی داد. با حضور ماهواره آرِسِه در موقعیتی ایدهآل، پژوهشگران مشاهده کردند که سپر پلاسما به میزان قابلتوجهی از حجم معمول خود کاهش مییابد و بازسازی آن چندین روز زمان میبرد. این پدیده شفقهای قطبی را فراتر از مرزهای معمول آنها برد و نشان داد که یک «طوفان منفی» نادر در یونوسفیر بهطور چشمگیری سرعت بهبود اتمسفر را کاهش میدهد. این مشاهدات بینش ارزشمندی دربارهٔ چگونگی اختلال فعالیت خورشیدی شدید بر ماهوارهها، سیگنالهای GPS و سامانههای ارتباطی فراهم میکنند.
یک طوفان ژئومغناطیسی فوقالعاده، یکی از شدیدترین اشکال آب و هوای فضایی است که زمانی ایجاد میشود که خورشید انفجارهای عظیم از انرژی و ذرات باردار را به سمت زمین میفرستد. این رویدادهای قدرتمند بهندرت رخ میدهند و معمولاً تنها هر ۲۰ تا ۲۵ سال یکبار ظاهر میشوند. در ۱۰‑۱۱ مه ۲۰۲۴، زمین تحت تأثیر قویترین رویداد از اینگونه در بیش از دو دهه قرار گرفت که به نام طوفان گننان یا طوفان روز مادر شناخته میشود.
یک پروژه تحقیقاتی به رهبری دکتر آتسکی شینبوری از مؤسسه پژوهشهای محیطی فضا‑زمین دانشگاه ناگویا، مشاهدات مستقیم در طول طوفان گردآوری کرد و نخستین نمای دقیق از چگونگی فشردهسازی سپر پلاسما زمین (یک ناحیه محافظ شامل ذرات باردار اطراف سیاره) ارائه داد. نتایج، که در Earth, Planets and Space منتشر شد، نشان میدهد که چگونه سپر پلاسما و یونوسفیر در زمان ناآرامیهای خورشیدی شدید واکنش نشان میدهند و بینشهایی فراهم میآورند که میتوانند پیشبینی اختلالات ماهوارهای، مشکلات GPS و مسائل ارتباطی ناشی از آبوهوا فضایی شدید را بهبود دهند.
ماهواره آرِسِه، فروپاشی نادر سپر پلاسما را به ثبت میرساند
ماهواره آرِسِه که توسط سازمان فضایی ژاپن (JAXA) در سال ۲۰۱۶ به پرتاب رسید، از طریق سپر پلاسما زمین میگذرد و امواج پلاسما و میدانهای مغناطیسی را اندازهگیری میکند. در طول طوفان فوقالعاده مه ۲۰۲۴، بهطور اتفاقی در موقعیتی ایدهآل بود تا فشردهسازی شدید سپر پلاسما و بازسازی طولانی و آهسته پس از آن را ثبت کند. این اولین باری بود که دانشمندان دادههای پیوسته و مستقیم را دریافت کردند که نشان میدهد سپر پلاسما در یک طوفان سوپر به چنین ارتفاع پایینی فشرده شده است.
«ما با استفاده از ماهواره آرِسِه تغییرات سپر پلاسما را پیگیری کردیم و از دریافتکنندههای GPS زمینی برای نظارت بر یونوسفیر — منبع ذرات بارداری که سپر پلاسما را دوباره پر میکند — بهره بردیم. نظارت بر هر دو لایه نشان داد که چگونه سپر پلاسما بهطور چشمگیری فشرده شد و چرا بازگرداندن آن اینقدر زمانبر بود»، دکتر شینبوری توضیح داد.
طوفان سوپر سپر پلاسما را به ارتفاعهای رکوردی پایین میرساند
سپر پلاسما با میدان مغناطیسی زمین همکاری میکند تا از ذرات باردار مضر ساطعشده از خورشید و فضاهای عمیق جلوگیری کند و محافظتی طبیعی برای ماهوارهها و سایر فناوریها فراهم نماید. در شرایط عادی، این ناحیه بهسوی فضا گسترش دارد؛ اما طوفان مه باعث شد که لبهٔ خارجی آن از حدود ۴۴٬۰۰۰ کیلومتری بالای سطح زمین به تنها ۹٬۶۰۰ کیلومتری کاهش یابد.
این طوفان پس از چندین فوران بزرگ خورشیدی رخ داد که میلیاردها تن ذرات باردار را به سمت زمین آزاد کردند. در عرض نه ساعت، سپر پلاسما بهتقریب یکپنجام اندازهٔ معمولی خود فشرده شد. بازسازی آن بهطور غیرعادی کند بود و برای پر شدن بیش از چهار روز زمان نیاز داشت؛ که این طولانیترین زمان بازگشت ثبتشده از زمانی که آرِسِه از سال ۲۰۱۷ به این ناحیه نظارت میکرد، است.
«ما دریافت کردیم که ابتدا طوفان موجب گرمسازی شدید در نزدیکی قطبها شد، اما پس از آن این امر باعث کاهش چشمگیر ذرات باردار در تمام یونوسفیر شد که به کند شدن بازگشت منجر شد. این اختلال طولانیمدت میتواند دقت GPS را تحت تأثیر قرار داده، عملکرد ماهوارهها را مختل کند و پیشبینی آبوهوا فضایی را پیچیدهتر سازد»، دکتر شینبوری اشاره کرد.
طوفان سوپر شفقها را به سمت خط استوا دورتر میبرد
در اوج طوفان، فعالیت خورشید میدان مغناطیسی زمین را بهقدرتی فشرده کرد که ذرات باردار قادر به سفر بسیار دورتر از طریق خطوط میدان مغناطیسی به سمت خط استوا شدند. در نتیجه، شفقهای زنده و درخشان در مناطقی بهوجود آمدند که بهندرت این پدیده در آنها مشاهده میشود.
شفقها معمولاً در نزدیکی قطبها رخ میدهد؛ چرا که میدان مغناطیسی زمین ذرات خورشیدی را بهسوی اتمسفر در این مناطق هدایت میکند. این طوفان بهاندازه قدرتمند بود که ناحیه شفقی را بسیار فراتر از محل معمولش در نزدیکی دایرههای قطبی آرکتیک و آنتارکتیک جابجا کرد و نمایشهای نورانی را در مناطق میانی مانند ژاپن، مکزیک و جنوب اروپا – مناطقی که شفقها در آنها بهندرت دیده میشود – به وجود آورد. طوفانهای ژئومغناطیسی قویتر باعث میشوند که این نورها بهسوی نواحی استواییتری برسند.
طوفانهای منفی بازگشت سپر پلاسما به حالت عادی را کند میکنند
حدود یک ساعت پس از ورود طوفان سوپر، ذرات باردار در جو بالایی زمین در عرضهای بالا بهسرعت عبور کرده و به سمت قطبها جریان یافتند. با تضعیف طوفان، سپر پلاسما شروع به پر شدن مجدد با ذرات تأمینشده توسط یونوسفیر کرد.
این فرآیند پرکردن معمولاً فقط یک یا دو روز طول میکشد، اما در این مورد بهدلیل پدیدهای بهنام طوفان منفی، زمان بهبود تا چهار روز افزایش یافت. در طوفان منفی، سطوح ذرات در یونوسفیر بهطور ناگهانی و در مقیاس گستردهای کاهش مییابد، زمانی که گرمسازی شدید شیمی جو را تغییر میدهد. این امر باعث کاهش یونهای اکسیژن میشود که به تولید ذرات هیدروژن مورد نیاز برای بازسازی سفر پلاسما کمک میکند. طوفانهای منفی نامرئی بوده و تنها از طریق ماهوارهها قابل کشف میباشند.
«طوفان منفی بازسازی را با تغییر شیمی جو و قطع تأمین ذرات به سپر پلاسما کند کرد. این ارتباط بین طوفانهای منفی و تأخیر در بازسازی پیش از این بهوضوح مشاهده نشده بود»، دکتر شینبوری گفت.
چرا این یافتهها برای آبوهوا فضایی و فناوری مهم هستند
این نتایج درک واضحتری از چگونگی تغییر سپر پلاسما در طول یک طوفان خورشیدی شدید و نحوه انتقال انرژی در این ناحیه فضایی فراهم میآورند. چندین ماهواره در طول این رویداد مشکلات الکتریکی داشتند یا انتقال دادهها را متوقف کردند، سیگنالهای GPS دقت کمتری پیدا کردند و ارتباطات رادیویی مختل شد. آگاهی از مدت زمانی که لایه پلاسما زمین برای بازسازی پس از چنین اختلالاتی نیاز دارد، برای پیشبینی آبوهوا فضایی آینده و حفاظت از فناوریهای متکی بر شرایط پایدار در فضای نزدیک به زمین ضروری است.