چگونگی گرم شدن ابر خورشیدی و بروز طوفان‌های خورشیدی

به گزارش مجله خبری نگار،این کشف نشان می‌دهد همه طوفان‌های خورشیدی رفتار یکسانی ندارند، برخی از آنها می‌توانند در مدت‌زمانی کوتاه تغییرات بزرگی را تجربه کنند؛ موضوعی که برای پیش‌بینی تأثیر این پدیده‌ها بر زمین اهمیت زیادی دارد.

طوفان خورشیدی دانشمندان را غافلگیر کرد

خورشید به‌طور منظم ابر‌هایی از گاز بسیار داغ و مغناطیسی را به فضا پرتاب می‌کند. سال‌ها دانشمندان تصور می‌کردند این ابر‌ها هنگام حرکت به سمت زمین، با سرعتی یکنواخت و قابل پیش‌بینی منبسط می‌شوند.

اما یکی از این ابر‌ها کاملاً برخلاف انتظار رفتار کرد. این ابر هنگام عبور از کنار دو فضاپیما در مسیر حرکت به سوی زمین، در فاصله‌ای بسیار کوتاه به شکلی غیرمنتظره متورم شد؛ تغییری که طبق مدل‌های موجود نباید رخ می‌داد.

هم‌راستایی نادری که این کشف را ممکن کرد

ماجرا از یک Coronal Mass Ejection (CME) یا فوران جرم تاج خورشیدی آغاز شد؛ انفجاری عظیم که حجم زیادی از پلاسما و میدان‌های مغناطیسی را از سطح خورشید به فضا پرتاب می‌کند.

در نوامبر ۲۰۲۱ یکی از این فوران‌ها یک ابر مغناطیسی را به سمت زمین روانه کرد. خوش‌شانسی بزرگ پژوهشگران این بود که دو فضاپیما تقریباً روی یک خط مستقیم میان خورشید و زمین قرار داشتند و هر دو توانستند همین ابر را مشاهده کنند.

یکی از این فضاپیما‌ها Solar Orbiter بود که در فاصله حدود ۷۸ میلیون مایلی خورشید قرار داشت. فضاپیمای دیگر، Wind متعلق به ناسا، در نزدیکی زمین مستقر بود.

Shirsh Lata Soni، پژوهشگر فوق‌دکتری گروه فیزیک و نجوم دانشگاه آیووا، هدایت تیمی را بر عهده داشت که این رویداد را بررسی کرد. سونی که روی فوران‌های خورشیدی تحقیق می‌کند، این هم‌راستایی را فرصتی بسیار ارزشمند توصیف کرد.

به گفته پژوهشگران، هم‌راستا شدن دو فضاپیما در امتداد مسیر خورشید تا زمین هنگام وقوع یک طوفان خورشیدی بسیار نادر است، تاکنون نیز هیچ‌کس نتوانسته بود یک ابر مغناطیسی را با چنین دقتی در دو نقطه مختلف مسیر آن دنبال کند.

این ابر پیش از رسیدن به زمین، یک طوفان مغناطیسی بسیار قدرتمند ایجاد کرده بود؛ رویدادی که یک مطالعه آن را در میان شدیدترین پیامد‌های ناشی از چنین فوران‌هایی طبقه‌بندی کرده است.

آنچه دو فضاپیما مشاهده کردند

فاصله میان دو فضاپیما حدود ۱۳ میلیون مایل بود؛ فاصله‌ای که در مقیاس فضایی بسیار ناچیز محسوب می‌شود.

دانشمندان انتظار داشتند ابر مغناطیسی در هر دو نقطه تقریباً یکسان دیده شود، اما داده‌ها نتیجه‌ای کاملاً متفاوت نشان دادند.

زمانی که این ابر به فضاپیمای دوم رسید، پهنای آن حدود یک‌پنجم افزایش یافته بود. به بیان دیگر، این ابر تنها در همین فاصله کوتاه حدود ۲۱ درصد بزرگ‌تر شده بود؛ افزایشی که برای چنین مسافتی کاملاً غیرمنتظره بود.

چنین رشد سریعی در فاصله‌ای کوتاه، تیم پژوهشی را کاملاً شگفت‌زده کرد.

پژوهشگران این رفتار را Super Expansion یا «انبساط فوق‌العاده» نامیدند؛ اصطلاحی برای توصیف ابری که بسیار سریع‌تر از آنچه مدل‌های استاندارد پیش‌بینی می‌کنند منبسط می‌شود.

فوران مورد بررسی در نوامبر ۲۰۲۱ رخ داد.

دو فضاپیما تقریباً روی یک خط مستقیم میان خورشید و زمین قرار داشتند.

ابر مغناطیسی تنها در فاصله ۱۳ میلیون مایلی، حدود ۲۱ درصد بزرگ‌تر شد.

دانشمندان این رفتار را «انبساط فوق‌العاده» نام‌گذاری کردند.

ابر خورشیدی چگونه گرم‌تر شد

شگفتی دوم این رویداد حتی از افزایش اندازه آن هم غیرمنتظره‌تر بود. هم‌زمان با انبساط ابر، دمای گاز درون آن تقریباً سه برابر افزایش یافت؛ رفتاری کاملاً بر خلاف پیش‌بینی‌های فیزیک.

در حالت معمول، گازی که در فضا منبسط می‌شود باید سردتر شود، زیرا با افزایش حجم، چگالی و انرژی در واحد حجم کاهش پیدا می‌کند. اما در این مورد خاص، نتیجه دقیقاً برعکس بود و گاز داخل ابر نه‌تنها سرد نشد، بلکه داغ‌تر شد.

هنوز مشخص نیست چه چیزی این انرژی اضافی را وارد ابر کرده است. پژوهشگران دو احتمال را مطرح می‌کنند: یا انرژی از درون خود ابر آزاد شده، یا تعامل آن با جریان‌های متلاطم باد خورشیدی باعث این گرمایش شده است. با این حال، منبع دقیق این انرژی همچنان نامشخص باقی مانده است.

این افزایش دما در داده‌ها به شکل یک جهش شدید در فشار داخلی ابر دیده شد؛ نشانه‌ای که معمولاً در مدل‌های استاندارد انتظار نمی‌رود.

طبق این مدل‌ها، فشار باید هم‌زمان با گسترش ابر کاهش یابد، اما داده‌ها نشان دادند این روند در این رویداد نقض شده است.

رفتار غیرعادی در سرعت انبساط طوفان خورشیدی

سرعت انبساط نیز تصویر مشابهی از یک پدیده غیرمعمول ارائه داد. لبه‌های این ابر با سرعتی حدود ۱۱۹ مایل در ثانیه در حال گسترش بودند؛ عددی بسیار بالاتر از میانگین معمول که بین ۳۰ تا ۶۰ مایل در ثانیه است.

با این حال، این انبساط شتاب نگرفت. داده‌ها نشان دادند سرعت رشد ابر بین دو فضاپیما اندکی کاهش یافته است؛ احتمالاً به دلیل مقاومت گاز‌های محیطی که در فضای میان‌سیاره‌ای وجود دارند.

این موضوع نشان می‌دهد که ابر در حال بزرگ‌تر شدن بوده، اما نرخ رشد آن کمی کندتر شده است؛ رفتاری که در کنار افزایش اندازه همچنان غیرمنتظره باقی می‌ماند.

شکاف میان مدل‌های علمی و واقعیت

با گسترش این ابر، میدان مغناطیسی آن ضعیف‌تر شد؛ نتیجه‌ای که با پیش‌بینی‌های نظری همخوانی دارد. زمانی که ابر به فضاپیمای دوم رسید، قدرت میدان مغناطیسی آن بیش از ۴۰ درصد کاهش یافته بود.

اما بخش پیچیده‌تر ماجرا مربوط به فشار داخلی ابر است. مدل‌های استاندارد پیش‌بینی می‌کنند که با انبساط ابر، فشار باید به‌طور پیوسته کاهش یابد، اما داده‌های این رویداد نشان دادند چنین روندی همیشه صادق نیست.

این ناسازگاری نشان می‌دهد که فرآیند‌های درونی مانند گرمایش و فشرده‌سازی می‌توانند رفتار ابر را به شکل قابل توجهی تغییر دهند.

مطالعات قبلی بیشتر بر شبیه‌سازی‌های کامپیوتری برای درک رفتار این ابر‌ها تکیه داشتند، اما این رویداد با داده‌های واقعی از دو فضاپیما، شکاف‌های مهمی در آن مدل‌ها آشکار کرد.

اهمیت این کشف برای پیش‌بینی آب‌وهوای فضایی

درک رفتار ابر‌های مغناطیسی خورشیدی نقش مهمی در پیش‌بینی «آب‌وهوای فضایی» دارد. هرچه این پیش‌بینی‌ها دقیق‌تر باشند، زمان هشدار برای شرکت‌های برق و اپراتور‌های ماهواره‌ها بیشتر خواهد بود.

طوفان‌های خورشیدی شدید می‌توانند سیگنال‌های GPS را مختل کنند و حتی عملکرد ماهواره‌ها را از کار بیندازند. در شدیدترین حالت، این طوفان‌ها قادرند به ترانسفورماتور‌های شبکه برق آسیب وارد کنند؛ اتفاقی که در تاریخ نیز ثبت شده است.

این مطالعه نشان می‌دهد همه ابر‌های خورشیدی رفتار یکسانی ندارند. برخی از آنها می‌توانند بسیار سریع‌تر از پیش‌بینی مدل‌ها منبسط و گرم شوند؛ موضوعی که اهمیت بازنگری در مدل‌های فعلی را افزایش می‌دهد.

Shirsh Lata Soni در این‌باره گفت:

«در این مطالعه نشان دادیم که ابر مغناطیسی می‌تواند در مدت‌زمان و فاصله‌ای کوتاه به‌طور چشمگیری منبسط شود؛ موضوعی که می‌تواند اثراتی روی زمین داشته باشد که پیش‌تر از آن آگاه نبودیم.»

تیم پژوهشی این رویداد را یادآوری مهمی از وجود رفتار‌های غیرمنتظره در پدیده‌های به ظاهر شناخته‌شده می‌داند.

این پژوهش در مجله Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شده است.

جمع‌بندی

این مطالعه نشان می‌دهد که طوفان‌های خورشیدی همیشه مطابق مدل‌های استاندارد رفتار نمی‌کنند. مشاهده «انبساط فوق‌العاده» در یک ابر مغناطیسی نشان داد که این پدیده‌ها می‌توانند در مدت‌زمان کوتاه، هم از نظر اندازه و هم از نظر دما، تغییرات غیرمنتظره‌ای داشته باشند.

چنین نتایجی اهمیت بازنگری در مدل‌های پیش‌بینی آب‌وهوای فضایی را برجسته می‌کند. زیرا این مدل‌ها مستقیماً بر ایمنی ماهواره‌ها، سیستم‌های ارتباطی و شبکه‌های برق در زمین تأثیر دارند.

در نهایت، این رویداد یادآوری می‌کند که خورشید همچنان می‌تواند رفتار‌هایی پیچیده و ناشناخته داشته باشد که علم هنوز در حال کشف آنها است.

طوفان خورشیدی چیست؟

طوفان خورشیدی مجموعه‌ای از فوران‌های انرژی و ذرات باردار است که از سطح خورشید به فضا پرتاب می‌شود و می‌تواند بر زمین اثر بگذارد.

پدیده «انبساط فوق‌العاده» چیست؟

به حالتی گفته می‌شود که یک ابر مغناطیسی خورشیدی بسیار سریع‌تر از مدل‌های استاندارد منبسط می‌شود، مانند افزایش ۲۱ درصدی مشاهده‌شده در این مطالعه.

چرا این کشف مهم است؟

زیرا نشان می‌دهد پیش‌بینی رفتار طوفان‌های خورشیدی ممکن است دقیق نباشد و این موضوع بر پیش‌بینی خطرات فضایی برای زمین تأثیر مستقیم دارد.

این طوفان چه تأثیری بر زمین دارد؟

طوفان‌های قوی می‌توانند GPS را مختل کنند، عملکرد ماهواره‌ها را کاهش دهند و در موارد شدید به شبکه برق آسیب بزنند.

این تحقیق در کجا منتشر شده است؟

این پژوهش در مجله علمی Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شده است.

نتیجه‌گیری

این کشف نشان می‌دهد که مدل‌های فعلی ما درباره رفتار ابر‌های خورشیدی هنوز کامل نیستند. مشاهده یک انبساط سریع همراه با افزایش غیرمنتظره دما، مسیر جدیدی برای تحقیقات آینده در فیزیک خورشیدی باز می‌کند.

اگر در حوزه علم فضا و آب‌وهوای فضایی فعالیت دارید یا به این موضوع علاقه‌مند هستید، دنبال کردن تحقیقات جدید در این زمینه می‌تواند دید دقیق‌تری نسبت به خطرات و پدیده‌های خورشیدی ارائه دهد. 

منبع: فوت وفن