تويت
قدم العلماء القياسات الأولى المباشرة لمولد الأرض النظري الموجود في الفضاء، وهو مولد كهربائي يعمل على الرياح ويمتد لأكثر من 96.5 كيلومتر فوقنا. يخترق المولد طبقة الغلاف الأيوني، وهي طبقة مشحونة كهربائيًا بين الأرض والفضاء. يعمل بواسطة رياح المد والجزر في الغلاف الجوي العلوي، وهي أسرع من معظم الأعاصير ويرتفع من الغلاف الجوي السفلي ما يولد بيئة كهربائية يمكن أن تؤثر في الأقمار الصناعية والتكنولوجيا على الأرض.
نُشر العمل الجديد في مجلة علوم الأرض الطبيعية، وحسَّن فهمنا لطبقة الغلاف الجوي الأيوني، ما ساعد العلماء على التنبؤ أفضل بطقس الفضاء وحماية تقنيتنا من آثاره.
أُطلِقَت مهمة آيكون عام 2019 وهي اختصار (Ionospheric Connection Explorer -مستكشف ارتباط الغلاف الأيوني) وهي مهمة لفهم كيفية تفاعل طقس الأرض مع طقس الفضاء.
تنتقل إشارات الراديو ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) عبر طبقة الغلاف الجوي الأيوني، التي تعد موطنًا للشفق القطبي ومحطة الفضاء الدولية. ويمكن أن تتسبب البؤر الفارغة أو الأمواج الكثيفة من الجسيمات المشحونة كهربائيًا في تعطيل هذه الإشارات.
لطالما اهتم العلماء الذين يدرسون الغلاف الجوي والطقس الفضائي بمولد الأرض في دراساتهم لأنهم كانوا يعلمون أن له تأثيرات مهمة، لكن بسبب نقص المعلومات وضعوا بعض الافتراضات حول كيفية عمله.
تعد البيانات الواردة من آيكون أول الملاحظات الملموسة للرياح التي تغذي المولد وتؤثر في النهاية بطقس الفضاء وتعزز دراسات العلماء.
قال توماس إيميل الباحث الرئيسي في مهمة آيكون في جامعة كاليفورنيا، بيركلي والمؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة: «أظهرت بيانات السنة الأولى لآيكون في الفضاء أن التنبؤ بهذه الرياح هو وسيلة لتحسين قدرتنا على التنبؤ بما يحدث في الغلاف الجوي الأيوني».
مولد السماء للأرض
يقع الغلاف الأيوني بين الأرض والفضاء، يشبه بحرًا من الجسيمات المشحونة كهربائيًا الصادرة من الشمس واختلطت مع الغلاف الجوي الحيادي العلوي، ويستجيب الغلاف الأيوني لتغيرات كل من الشمس والأرض، ويسعى العلماء لمعرفة مدى تأثير كل منها على حدة.
وجد الباحثون -بناءً على دراسة بيانات آيكون لمدة عام واحد- أن الكثير من التغيير الذي لاحظوه نشأ في الغلاف الجوي السفلي.
تعمل المولدات بتحريك موصل كهربائي باستمرار، مثل الأسلاك النحاسية عبر حقل مغناطيسي، وهو مملوء بالغازات المشحونة كهربائيًا تسمى البلازما. الغلاف الأيوني يعمل كسلك، أو بالأحرى شبكة كبيرة من الأسلاك التي تتدفق فيها الكهرباء.
مثل المولد في نواة الأرض، يُنتج المولد في الغلاف الجوي مجالات كهرومغناطيسية من الحركة.
تدفع الرياح القوية في الغلاف الحراري -وهي طبقة من الغلاف الجوي العلوي معروفة بدرجات حرارة عالية- البلازما الحاملة للتيار في الغلاف الأيوني عبر خطوط المجال المغناطيسي غير المرئية حول الأرض.
تميل الرياح إلى الضغط على الجسيمات المشحونة الموجبة أكثر من الإلكترونات الصغيرة السالبة.
قال المؤلف المشارك بريان هاردينغ عالم فيزياء في جامعة كاليفورنيا، بيركلي: «نحصل على جسيمات موجبة تتحرك بنحو مختلف عن الجسيمات السالبة، وهذا هو التيار الكهربائي».
ترتبط هذه المكونات بإحكام في معظم المولدات إذ تظل في مكانها ويمكن التنبؤ بطريقة عملها. لكن الغلاف الأيوني حر الحركة.
قال إيميل: «يولد التيار مجالًا مغناطيسيًا خاصًا به، يكون بعكس المجال المغناطيسي للأرض عند مروره، لذلك ينتهي الأمر بسلك يحاول الابتعاد، إنه مولد فوضوي».
إن اتباع تغيرات طبقة الغلاف الأيوني يعد أمرًا أساسيًا في التنبؤ بالآثار المحتملة لطقس الفضاء.
تنطلق البلازما في الغلاف الأيوني إلى الفضاء أو تهبط باتجاه الأرض اعتمادًا على الطريقة التي تهب بها الرياح، وهذا نتيجة الاختلاف بين الغلاف الأيوني والمجالات الكهرومغناطيسية للأرض.
المولد الواقع في الطرف السفلي للغلاف الأيوني ظل لغزًا لفترة طويلة لأنه من الصعب ملاحظته، ويعتبر منخفض جدًا بالنسبة للأقمار الصناعية وعالي بالنسبة للمناطيد العلمية، لذلك استعصى دراسة الكثير من الأدوات التي يجب على الباحثين دراستها في الفضاء القريب من الأرض.
مهمة آيكون مجهزة بالكامل للتحقق من هذا الجزء من الغلاف الأيوني، عن طريق الاستفادة من توهج الغلاف الجوي العلوي الطبيعي للكشف عن حركة البلازما، وتراقب الرياح القوية وانتقال البلازما في الوقت ذاته أيضًا.
قال أستريد ماوت، المؤلف المشارك في دراسة أخرى وعالم في مهمة آيكون في المركز الوطني لبحوث الغلاف الجوي في بولدر، كولورادو : «كانت هذه هي المرة الأولى التي نستطيع فيها معرفة دور الرياح في سلوك الغلاف الأيوني، بدون أي فرضيات».
قال توماس إيميل: «أدرك العلماء في السنوات الماضية كم تتفاوت تلك الرياح الصاعدة. لم يكن من المتوقع أن يتغير الغلاف الجوي العلوي بسرعة لكنه تغير يومًا بعد يوم، وأن كل هذا يعود إلى تغيرات الغلاف الجوي السفلي».
قوة الرياح
تهب الرياح على سطح الأرض بدءًا من الرياح الخفيفة إلى الشديدة التي تهب في اتجاه ثم في الاتجاه الآخر، وتصل سرعة الرياح الشديدة إلى 96.5-153 كيلو مترًا فوق سطح الأرض، ويمكن أن تهب الرياح في الغلاف الحراري السفلي بسرعة 402 كيلو متر في الساعة تقريبًا لبضع ساعات في كل مرة قبل أن تعكس اتجاهها فجأة. للمقارنة، تهب الرياح في أقوى أعاصير من الفئة الخامسة بسرعة 252 كيلو مترًا في الساعة أو أكثر.
هذه التحولات الكبيرة نتيجة موجات هوائية، تسمى المد والجزر، تنشأ على سطح الأرض عند ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي السفلي في النهار وانخفاضها في الليل، إذ ترتفع في السماء يوميًا وتنقل التغييرات من الأسفل.
وكلما زاد امتداد الغلاف الجوي أصبح أرق وأقل اضطرابًا ويعيق حركة الموجات الهوائية، وهذا يعني أن المد والجزر المتولد بالقرب من السطح يمكن أن ينمو أكبر عندما يصل إلى الغلاف الجوي العلوي.
قال هاردينغ: «يتحكم في تغيرات الرياح ما يحدث في الطبقات السفلى غالبًا».
تساعد قياسات الرياح الجديدة من طريق مهمة آيكون العلماء على فهم أنماط المد والجزر وتأثيراتها التي تمتد عبر الكرة الأرضية. تتزايد قوة المد والجزر وتكبر قبل أن تمر عبر طبقة الغلاف الأيوني.
حلل العلماء بيانات آيكون في العام الأول ووجدوا أن الرياح عالية الارتفاع تؤثر بشدة في الغلاف الأيوني، وأضاف هاردينغ: «لقد تتبعنا النمط الخاص لكيفية تحرك الغلاف الأيوني، وكان على شكل موجة». وأوضح أن التغييرات في الرياح تتوافق مباشرة مع البلازما على ارتفاع 595 كيلو مترًا فوق سطح الأرض.
قال إيميل:«يمكن أن تُعزى نصف حركة البلازما إلى الرياح التي نلاحظها هناك على نفس خط المجال المغناطيسي، ما يبين أنها ملاحظة مهمة إذا كنا نريد التنبؤ بما تفعله البلازما».
تزامن العام الأول لملاحظات آيكون مع الحد الأدنى من الطاقة الشمسية، وهي المرحلة الهادئة لدورة نشاط الشمس التي تبلغ 11 عامًا.
قال إيميل: «نعلم أن الشمس لا تسبب الكثير، لكننا رأينا الكثير من التغيرات في الطبقات السفلى، ثم تغيرات ملحوظة في الغلاف الأيوني»، وعلى هذا استنتج العلماء أن الشمس ليست السبب الرئيسي.
سيتمكن العلماء مع عودة الشمس إلى مرحلتها النشطة من دراسة المزيد من التغيرات والتفاعلات المعقدة بين الفضاء والغلاف الجوي للأرض. وأوضح إيميل إنه متحمس للتأكد من صحة نظريات الغلاف الأيوني القديمة، وقال: «وجدنا نصف الأسباب التي تجعل طبقة الغلاف الأيوني تتحرك وفق هذه البيانات وهذا ما أردنا معرفته».
ومع ذلك، قال ماوت: «هذا يترك مجالًا لاستكشاف الأشياء الأخرى التي تساهم في سلوك الغلاف الأيوني».
نُشر العمل الجديد في مجلة علوم الأرض الطبيعية، وحسَّن فهمنا لطبقة الغلاف الجوي الأيوني، ما ساعد العلماء على التنبؤ أفضل بطقس الفضاء وحماية تقنيتنا من آثاره.
أُطلِقَت مهمة آيكون عام 2019 وهي اختصار (Ionospheric Connection Explorer -مستكشف ارتباط الغلاف الأيوني) وهي مهمة لفهم كيفية تفاعل طقس الأرض مع طقس الفضاء.
تنتقل إشارات الراديو ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) عبر طبقة الغلاف الجوي الأيوني، التي تعد موطنًا للشفق القطبي ومحطة الفضاء الدولية. ويمكن أن تتسبب البؤر الفارغة أو الأمواج الكثيفة من الجسيمات المشحونة كهربائيًا في تعطيل هذه الإشارات.
لطالما اهتم العلماء الذين يدرسون الغلاف الجوي والطقس الفضائي بمولد الأرض في دراساتهم لأنهم كانوا يعلمون أن له تأثيرات مهمة، لكن بسبب نقص المعلومات وضعوا بعض الافتراضات حول كيفية عمله.
تعد البيانات الواردة من آيكون أول الملاحظات الملموسة للرياح التي تغذي المولد وتؤثر في النهاية بطقس الفضاء وتعزز دراسات العلماء.
قال توماس إيميل الباحث الرئيسي في مهمة آيكون في جامعة كاليفورنيا، بيركلي والمؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة: «أظهرت بيانات السنة الأولى لآيكون في الفضاء أن التنبؤ بهذه الرياح هو وسيلة لتحسين قدرتنا على التنبؤ بما يحدث في الغلاف الجوي الأيوني».
مولد السماء للأرض
يقع الغلاف الأيوني بين الأرض والفضاء، يشبه بحرًا من الجسيمات المشحونة كهربائيًا الصادرة من الشمس واختلطت مع الغلاف الجوي الحيادي العلوي، ويستجيب الغلاف الأيوني لتغيرات كل من الشمس والأرض، ويسعى العلماء لمعرفة مدى تأثير كل منها على حدة.
وجد الباحثون -بناءً على دراسة بيانات آيكون لمدة عام واحد- أن الكثير من التغيير الذي لاحظوه نشأ في الغلاف الجوي السفلي.
تعمل المولدات بتحريك موصل كهربائي باستمرار، مثل الأسلاك النحاسية عبر حقل مغناطيسي، وهو مملوء بالغازات المشحونة كهربائيًا تسمى البلازما. الغلاف الأيوني يعمل كسلك، أو بالأحرى شبكة كبيرة من الأسلاك التي تتدفق فيها الكهرباء.
مثل المولد في نواة الأرض، يُنتج المولد في الغلاف الجوي مجالات كهرومغناطيسية من الحركة.
تدفع الرياح القوية في الغلاف الحراري -وهي طبقة من الغلاف الجوي العلوي معروفة بدرجات حرارة عالية- البلازما الحاملة للتيار في الغلاف الأيوني عبر خطوط المجال المغناطيسي غير المرئية حول الأرض.
تميل الرياح إلى الضغط على الجسيمات المشحونة الموجبة أكثر من الإلكترونات الصغيرة السالبة.
قال المؤلف المشارك بريان هاردينغ عالم فيزياء في جامعة كاليفورنيا، بيركلي: «نحصل على جسيمات موجبة تتحرك بنحو مختلف عن الجسيمات السالبة، وهذا هو التيار الكهربائي».
ترتبط هذه المكونات بإحكام في معظم المولدات إذ تظل في مكانها ويمكن التنبؤ بطريقة عملها. لكن الغلاف الأيوني حر الحركة.
قال إيميل: «يولد التيار مجالًا مغناطيسيًا خاصًا به، يكون بعكس المجال المغناطيسي للأرض عند مروره، لذلك ينتهي الأمر بسلك يحاول الابتعاد، إنه مولد فوضوي».
إن اتباع تغيرات طبقة الغلاف الأيوني يعد أمرًا أساسيًا في التنبؤ بالآثار المحتملة لطقس الفضاء.
تنطلق البلازما في الغلاف الأيوني إلى الفضاء أو تهبط باتجاه الأرض اعتمادًا على الطريقة التي تهب بها الرياح، وهذا نتيجة الاختلاف بين الغلاف الأيوني والمجالات الكهرومغناطيسية للأرض.
المولد الواقع في الطرف السفلي للغلاف الأيوني ظل لغزًا لفترة طويلة لأنه من الصعب ملاحظته، ويعتبر منخفض جدًا بالنسبة للأقمار الصناعية وعالي بالنسبة للمناطيد العلمية، لذلك استعصى دراسة الكثير من الأدوات التي يجب على الباحثين دراستها في الفضاء القريب من الأرض.
مهمة آيكون مجهزة بالكامل للتحقق من هذا الجزء من الغلاف الأيوني، عن طريق الاستفادة من توهج الغلاف الجوي العلوي الطبيعي للكشف عن حركة البلازما، وتراقب الرياح القوية وانتقال البلازما في الوقت ذاته أيضًا.
قال أستريد ماوت، المؤلف المشارك في دراسة أخرى وعالم في مهمة آيكون في المركز الوطني لبحوث الغلاف الجوي في بولدر، كولورادو : «كانت هذه هي المرة الأولى التي نستطيع فيها معرفة دور الرياح في سلوك الغلاف الأيوني، بدون أي فرضيات».
قال توماس إيميل: «أدرك العلماء في السنوات الماضية كم تتفاوت تلك الرياح الصاعدة. لم يكن من المتوقع أن يتغير الغلاف الجوي العلوي بسرعة لكنه تغير يومًا بعد يوم، وأن كل هذا يعود إلى تغيرات الغلاف الجوي السفلي».
قوة الرياح
تهب الرياح على سطح الأرض بدءًا من الرياح الخفيفة إلى الشديدة التي تهب في اتجاه ثم في الاتجاه الآخر، وتصل سرعة الرياح الشديدة إلى 96.5-153 كيلو مترًا فوق سطح الأرض، ويمكن أن تهب الرياح في الغلاف الحراري السفلي بسرعة 402 كيلو متر في الساعة تقريبًا لبضع ساعات في كل مرة قبل أن تعكس اتجاهها فجأة. للمقارنة، تهب الرياح في أقوى أعاصير من الفئة الخامسة بسرعة 252 كيلو مترًا في الساعة أو أكثر.
هذه التحولات الكبيرة نتيجة موجات هوائية، تسمى المد والجزر، تنشأ على سطح الأرض عند ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي السفلي في النهار وانخفاضها في الليل، إذ ترتفع في السماء يوميًا وتنقل التغييرات من الأسفل.
وكلما زاد امتداد الغلاف الجوي أصبح أرق وأقل اضطرابًا ويعيق حركة الموجات الهوائية، وهذا يعني أن المد والجزر المتولد بالقرب من السطح يمكن أن ينمو أكبر عندما يصل إلى الغلاف الجوي العلوي.
قال هاردينغ: «يتحكم في تغيرات الرياح ما يحدث في الطبقات السفلى غالبًا».
تساعد قياسات الرياح الجديدة من طريق مهمة آيكون العلماء على فهم أنماط المد والجزر وتأثيراتها التي تمتد عبر الكرة الأرضية. تتزايد قوة المد والجزر وتكبر قبل أن تمر عبر طبقة الغلاف الأيوني.
حلل العلماء بيانات آيكون في العام الأول ووجدوا أن الرياح عالية الارتفاع تؤثر بشدة في الغلاف الأيوني، وأضاف هاردينغ: «لقد تتبعنا النمط الخاص لكيفية تحرك الغلاف الأيوني، وكان على شكل موجة». وأوضح أن التغييرات في الرياح تتوافق مباشرة مع البلازما على ارتفاع 595 كيلو مترًا فوق سطح الأرض.
قال إيميل:«يمكن أن تُعزى نصف حركة البلازما إلى الرياح التي نلاحظها هناك على نفس خط المجال المغناطيسي، ما يبين أنها ملاحظة مهمة إذا كنا نريد التنبؤ بما تفعله البلازما».
تزامن العام الأول لملاحظات آيكون مع الحد الأدنى من الطاقة الشمسية، وهي المرحلة الهادئة لدورة نشاط الشمس التي تبلغ 11 عامًا.
قال إيميل: «نعلم أن الشمس لا تسبب الكثير، لكننا رأينا الكثير من التغيرات في الطبقات السفلى، ثم تغيرات ملحوظة في الغلاف الأيوني»، وعلى هذا استنتج العلماء أن الشمس ليست السبب الرئيسي.
سيتمكن العلماء مع عودة الشمس إلى مرحلتها النشطة من دراسة المزيد من التغيرات والتفاعلات المعقدة بين الفضاء والغلاف الجوي للأرض. وأوضح إيميل إنه متحمس للتأكد من صحة نظريات الغلاف الأيوني القديمة، وقال: «وجدنا نصف الأسباب التي تجعل طبقة الغلاف الأيوني تتحرك وفق هذه البيانات وهذا ما أردنا معرفته».
ومع ذلك، قال ماوت: «هذا يترك مجالًا لاستكشاف الأشياء الأخرى التي تساهم في سلوك الغلاف الأيوني».