برای اولین بار، اثرات یک ابرطوفان ژئومغناطیسی بر پلاسماسفر محافظ زمین با جزئیات مشاهده شد. این طوفان باعث فشرده شدن پلاسماسفر تا ۸۰ درصد شد و این سؤال را ایجاد کرد که طوفان‌های بزرگ‌تر گذشته چه تأثیری داشته‌اند.
شفق‌های قطبی ۱۰ و ۱۱ مه ۲۰۲۴ تقریباً قطعاً توسط تعداد بیشتری از مردم نسبت به هر رویداد آب‌وهوای فضایی پیشین مشاهده شدند. این ابرطوفان ژئومغناطیسی نه تنها به عرض‌های جغرافیایی پایین‌تر رسید که در حداقل ۲۰ سال گذشته بی‌سابقه بود، بلکه پیشرفت‌های ما در پیش‌بینی چنین رویدادهایی و ظهور شبکه‌های اجتماعی باعث شد میلیون‌ها نفر به بیرون بروند و آن را مشاهده کنند.
هفته قبل از این رویداد، دکتر جنیفر گانون که نقش بزرگی در ارائه پیش‌بینی‌ها داشت، ناگهان درگذشت. بسیاری از آمریکایی‌ها این رویداد را «طوفان روز مادر» نامیدند، اما با توجه به اینکه بیشتر جهان این روز را در آخر هفته دیگری جشن می‌گیرد، دانشمندان آن را به افتخار او ابرطوفان گانون نامیدند.
طوفان‌های ژئومغناطیسی چگونه رخ می‌دهند؟
وقتی توده‌های تاجی خورشید (CME) پلاسما را از خورشید به سمت زمین پرتاب می‌کنند، این ذرات به مغناطکره زمین برخورد می‌کنند. پلاسما از هسته‌های اتمی بدون الکترون و الکترون‌های باردار تشکیل شده است. این ذرات با لایه زمین از ذرات باردار، معروف به پلاسماسفر، برخورد می‌کنند.
در شرایط عادی، پلاسماسفر زمین را در برابر ذرات باردار از خورشید یا منابع دورتر محافظت می‌کند. بدون این لایه، انسان‌ها در معرض تابش بیشتری قرار می‌گرفتند که می‌تواند منجر به سرطان و جهش‌های ژنتیکی شود. برای ماهواره‌ها که از محافظت جو بهره‌مند نیستند، پلاسماسفر یکی از معدود سپرهای حفاظتی است.
وقتی ذرات باردار با سرعت زیاد به این لایه نسبتاً پایدار پلاسما برخورد می‌کنند، پلاسماسفر فشرده می‌شود، اما میزان دقیق آن پیش از این مشخص نبود. ماهواره Arase سازمان فضایی ژاپن این لایه را از داخل اندازه‌گیری می‌کند و در طول ابرطوفان گانون بهترین داده‌ها درباره تأثیر چنین رویدادی را ارائه داد.
دکتر آتسوکی شین‌بوری از دانشگاه ناگویا گفت:
«با استفاده از ماهواره Arase تغییرات پلاسماسفر را رصد کردیم و گیرنده‌های GPS زمینی را برای مانیتور کردن یونوسفر منبع ذرات بارداری که پلاسماسفر را دوباره پر می‌کنند، به کار گرفتیم. نظارت بر هر دو لایه نشان داد که پلاسماسفر چقدر به شدت فشرده شد و چرا بازسازی آن طولانی شد.»
یافته‌های اصلی:
- مرز خارجی پلاسماسفر از ۴۴,۰۰۰ کیلومتر (۲۶,۰۰۰ مایل) بالای سطح زمین به ۹,۶۰۰ کیلومتر (۵,۸۰۰ مایل) کاهش یافت.
- این ارتفاع هنوز بالاتر از مدار بسیاری از ماهواره‌هاست، اما مدار زمین‌ایستا (Geostationary) که در ۳۵,۸۰۰ کیلومتر (۲۲,۲۴۵ مایل) قرار دارد، ناگهان در معرض این طوفان قرار گرفت.
فشرده شدن پلاسماسفر باعث شد میدان مغناطیسی زمین ذرات باردار را دورتر از قطب‌ها هدایت کند، چون انرژی کمتری هنگام برخورد با پلاسماسفر از دست می‌دهند. در نتیجه، ذرات به لایه‌های بالایی جو نزدیک خط استوا برخورد می‌کنند و شفق‌ها در مناطق وسیع‌تری ایجاد می‌شوند. در طوفان گانون، شفق‌ها تا مکزیک دیده شدند.
روند بازسازی پلاسماسفر:
بازسازی پس از چنین طوفانی تا پیش از این ناشناخته بود و داده‌های Arase نشان داد که این فرایند بیش از چهار روز طول کشید. این مدت دو برابر طول بازسازی پس از طوفان‌های قبلی است، حتی اگر آن‌ها از طوفان گانون کمی کوچک‌تر بوده‌اند.
دکتر شین‌بوری توضیح داد:
«ابتدا طوفان باعث گرمایش شدید نزدیکی قطب‌ها شد، اما بعد باعث کاهش شدید ذرات باردار در یونوسفر شد که روند بازسازی را کند کرد. این اختلال طولانی می‌تواند دقت GPS را تحت تأثیر قرار دهد، عملیات ماهواره‌ای را مختل کند و پیش‌بینی آب‌وهوای فضایی را دشوار سازد.»
دلیل طولانی شدن بازسازی فقط حجم پلاسما از خورشید نبود، بلکه گرمایش شدید یون‌ها باعث کاهش تعداد یون‌های اکسیژن در جو بالایی شد؛ فرآیندی که به آن طوفان منفی گفته می‌شود.
این یون‌های اکسیژن به تولید هیدروژن مورد نیاز برای پر شدن دوباره پلاسماسفر کمک می‌کنند. شین‌بوری گفت:
«این ارتباط بین طوفان منفی و بازسازی طولانی مدت پیش از این به روشنی مشاهده نشده بود.»
اهمیت تحقیق:
این اطلاعات می‌تواند مفید باشد اگر در آینده زمین قبل از بازسازی کامل پلاسماسفر توسط CME دوم مورد حمله قرار گیرد. طوفان گانون نشان داد که جامعه ما چقدر نسبت به این رویدادها آسیب‌پذیر است: خرابی‌های الکتریکی در ماهواره‌ها، از دست رفتن سیگنال GPS که باعث مشکل در تجهیزات کشاورزی شد و اختلال در ارتباط رادیویی.
دکتر گانون در طول زندگی حرفه‌ای خود به آماده‌سازی برای این خطرات پرداخته بود و پژوهشگران پلاسما امیدوارند که ابرطوفان گانون نقشی مهم در این مسیر ایفا کند.
