ثبت روند فروپاشی و بازسازی پلاسماسفر زمین برای اولین بار

ابرطوفان‌های ژئومغناطیسی و رویداد روز مادر ۲۰۲۴

ابرطوفان ژئومغناطیسی یکی از قدرتمندترین اشکال وضعیت هوافضا است و زمانی رخ می‌دهد که خورشید انرژی و ذرات باردار عظیمی را به سمت زمین می‌فرستد. این رویداد‌ها نادر هستند و معمولا هر ۲۰ تا ۲۵ سال یک بار رخ می‌دهند. در تاریخ ۱۰ تا ۱۱ مه ۲۰۲۴ زمین شاهد شدیدترین ابرطوفان خود در بیش از دو دهه اخیر بود که به نام طوفان گانون یا طوفان روز مادر شناخته شد.

تیمی به سرپرستی آتسوکی شین‌بوری از مؤسسه تحقیقات محیط زمین فضا دانشگاه ناگویا داده‌های مستقیم این رویداد نادر را جمع‌آوری کردند و برای اولین بار تصویر واضح و دقیقی از نحوه فشرده شدن پلاسماسفر زمین ارائه دادند. این مطالعه که در مجله Earth, Planets and Space منتشر شده است، نشان می‌دهد که پلاسماسفر و یونوسفر چگونه در برابر فعالیت شدید خورشیدی واکنش نشان می‌دهند و اطلاعات جدیدی برای بهبود پیش‌بینی اختلالات ماهواره‌ای، مشکلات GPS و قطعی ارتباطات فراهم می‌کند.

دیدگاه نزدیک ماهواره آریزه از فشرده شدن تاریخی پلاسماسفر

ماهواره آریزه که توسط سازمان فضایی ژاپن (JAXA) در سال ۲۰۱۶ پرتاب شد، در پلاسماسفر زمین حرکت کرده و موج‌های پلاسما و میدان‌های مغناطیسی را اندازه‌گیری می‌کند. موقعیت این ماهواره در زمان رویداد مه ۲۰۲۴ امکان ثبت فشرده شدن شدید پلاسماسفر و بازگشت کند آن به حالت عادی را فراهم کرد و جزئیاتی را ارائه داد که تاکنون مشاهده نشده بود. این نخستین بار بود که دانشمندان توانستند تغییرات مستقیم پلاسماسفر را در ارتفاعی بسیار پایین در طول یک ابرطوفان ثبت کنند.

شین‌بوری توضیح داد: ما تغییرات پلاسماسفر را با ماهواره آرِیزه دنبال کردیم و از گیرنده‌های GPS زمینی برای رصد یونوسفر منبع ذرات باردار که پلاسماسفر را پر می‌کنند استفاده کردیم. نظارت همزمان بر این دو لایه نشان داد که پلاسماسفر تا چه حد فشرده شد و چرا بازسازی آن طول کشید.

فشرده شدن پلاسماسفر تا کمترین ارتفاع ثبت‌شده

پلاسماسفر که همراه با میدان مغناطیسی زمین از سیاره در برابر ذرات باردار مضر محافظت می‌کند، معمولا تا ده‌ها هزار کیلومتر به فضا امتداد دارد. اما در طول این ابرطوفان لبه خارجی آن از حدود ۴۴ هزار کیلومتری زمین به تنها ۹۶۰۰ کیلومتر کاهش یافت. این طوفان با چندین فوران خورشیدی قدرتمند ایجاد شد که میلیارد‌ها تن ماده باردار را به سمت زمین پرتاب کرد. در عرض تنها ۹ ساعت پلاسماسفر به حدود یک پنجم اندازه معمول خود فشرده شد و بازسازی آن بیش از چهار روز طول کشید که طولانی‌ترین بازسازی ثبت‌شده از زمان آغاز پایش آریزه در سال ۲۰۱۷ بود.

شین‌بوری افزود: ابتدا طوفان باعث گرمایش شدید در نزدیکی قطب‌ها شد، اما این امر منجر به کاهش شدید ذرات باردار در یونوسفر شد که بازسازی را کند کرد. این اختلال طولانی‌مدت می‌تواند دقت GPS را کاهش دهد، عملکرد ماهواره‌ها را مختل کند و پیش‌بینی وضعیت هوافضا را پیچیده سازد.

شفق‌های قطبی در عرض‌های جغرافیایی پایین

در شدیدترین مرحله ابرطوفان فعالیت شدید خورشیدی میدان مغناطیسی زمین را فشرده کرد و ذرات باردار توانستند در طول خطوط میدان مغناطیسی تا نزدیکی خط استوا حرکت کنند. این امر شفق‌های قطبی چشمگیری را در عرض‌های جغرافیایی غیرمعمول ایجاد کرد از جمله در ژاپن، مکزیک و اروپا جنوبی مناطقی که معمولا شفق در آنها مشاهده نمی‌شود.

طوفان‌های منفی و تاثیر آنها بر بازسازی پلاسماسفر

حدود یک ساعت پس از شروع طوفان ذرات باردار در بالاترین لایه‌های جو زمین در نزدیکی قطب‌ها افزایش یافتند و به سمت کلاهک قطبی حرکت کردند. با فروکش کردن طوفان پلاسماسفر شروع به پر شدن مجدد با ذرات یونوسفر کرد. معمولا این روند یک تا دو روز طول می‌کشد، اما در این مورد بیش از چهار روز طول کشید. دلیل این تاخیر پدیده‌ای به نام طوفان منفی است که در آن سطح ذرات در یونوسفر به‌طور گسترده کاهش می‌یابد و تغییرات شیمیایی جو، تولید یون‌های اکسیژن لازم برای پر شدن پلاسماسفر را مختل می‌کند.

پیامد‌ها برای ماهواره‌ها، GPS و پیش‌بینی وضعیت هوافضا

شین‌بوری گفت: طوفان منفی بازسازی پلاسماسفر را با تغییر شیمیای جو و قطع جریان ذرات کند کرد. این ارتباط بین طوفان منفی و بازسازی طولانی‌مدت تا کنون به وضوح مشاهده نشده بود.

یافته‌های این مطالعه تصویر دقیق‌تری از تغییرات پلاسماسفر و نحوه حرکت انرژی در آن ارائه می‌کند. طی طوفان چندین ماهواره با مشکلات الکتریکی مواجه شدند یا داده‌ها را ارسال نکردند، سیگنال‌های GPS مختل شد و ارتباطات رادیویی تحت تاثیر قرار گرفت. آگاهی از مدت زمان بازسازی پلاسماسفر پس از چنین رویداد‌هایی برای پیش‌بینی وضعیت هوافضا و حفاظت از فناوری‌های فضایی اهمیت ویژه‌ای دارد.