15.4: طقس الفضاء
- Page ID
- 197739
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- اشرح ما هو طقس الفضاء وكيف يؤثر على الأرض
في الأقسام السابقة، رأينا أن بعض الجسيمات القادمة من الشمس - إما بثبات كما هو الحال في الرياح الشمسية أو في دفعات كبيرة مثل CMES - ستصل إلى الأرض وغطاءها المغناطيسي (منطقة التأثير المغناطيسي التي تحيط بكوكبنا). كما لو أن العلماء لم يواجهوا صعوبة كافية في محاولة التنبؤ بالطقس على الأرض، فهذا يعني أنهم يواجهون الآن تحدي التنبؤ بتأثيرات العواصف الشمسية على الأرض. هذا المجال البحثي يسمى طقس الفضاء؛ عندما يصبح هذا الطقس عاصفًا، يتبين أن تقنيتنا معرضة للخطر.
مع وجود آلاف الأقمار الصناعية في المدار، ورواد الفضاء الذين يقيمون لفترة طويلة في محطة الفضاء الدولية، وملايين الأشخاص الذين يستخدمون الهواتف المحمولة ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والاتصالات اللاسلكية، واعتماد الجميع تقريبًا على توافر طاقة كهربائية يمكن الاعتماد عليها، تقوم الحكومات الآن باستثمارات كبيرة في في محاولة لمعرفة كيفية التنبؤ بموعد حدوث العواصف الشمسية ومدى تأثيرها على الأرض.
بعض التاريخ
تم التعرف على ما ندرسه الآن باسم طقس الفضاء لأول مرة (على الرغم من عدم فهمه بعد) في عام 1859، فيما يعرف الآن باسم حدث كارينغتون. في أوائل سبتمبر من ذلك العام، لاحظ اثنان من علماء الفلك الهواة، بما في ذلك ريتشارد كارينغتون في إنجلترا، بشكل مستقل التوهج الشمسي. وأعقب ذلك يومًا أو يومين عاصفة شمسية كبيرة وصلت إلى منطقة المجال المغناطيسي للأرض، والتي سرعان ما كانت محملة بالجسيمات المشحونة (انظر الأرض ككوكب).
ونتيجة لذلك، كان نشاط الشفق القطبي مكثفًا وكانت الأضواء الشمالية مرئية بعيدًا عن مواقعها العادية بالقرب من القطبين - جنوبًا حتى هاواي ومنطقة البحر الكاريبي. كانت الأضواء المتوهجة في السماء شديدة لدرجة أن بعض الناس أبلغوا عن الاستيقاظ في منتصف الليل، معتقدين أنه يجب أن يكون ضوء النهار.
حدثت العاصفة الشمسية عام 1859 في وقت بدأت فيه تقنية جديدة في ربط الناس في الولايات المتحدة وبعض البلدان الأخرى معًا: نظام التلغراف. كانت هذه آلة وشبكة لإرسال الرسائل في التعليمات البرمجية من خلال الأسلاك الكهربائية العلوية (تشبه إلى حد ما إصدارًا مبكرًا جدًا من الإنترنت). انحدرت الجسيمات المشحونة التي طغت على المجال المغناطيسي للأرض نحو سطح كوكبنا وأثرت على أسلاك نظام التلغراف. شوهدت شرارات تخرج من الأسلاك المكشوفة وتخرج من أجهزة التلغراف في مكاتب النظام.
أدت ملاحظة التوهج الساطع الذي سبق هذه التأثيرات على الأرض إلى تكهنات علمية بوجود صلة بين النشاط الشمسي والتأثيرات على الأرض - كانت هذه بداية فهمنا لما نسميه اليوم طقس الفضاء.
شاهد علماء ناسا يجيبون على بعض الأسئلة حول طقس الفضاء، ويناقشون بعض التأثيرات التي يمكن أن تحدثها في الفضاء وعلى الأرض.
مصادر طقس الفضاء
تمثل ثلاث ظواهر شمسية - الثقوب الإكليلية والتوهجات الشمسية والميكروسات - معظم طقس الفضاء الذي نشهده. تسمح الثقوب الإكليلية للرياح الشمسية بالتدفق بحرية بعيدًا عن الشمس، دون عوائق من المجالات المغناطيسية الشمسية. عندما تصل الرياح الشمسية إلى الأرض، كما رأينا، فإنها تتسبب في تقلص الغلاف المغناطيسي للأرض ثم تمدده بعد مرور الرياح الشمسية. يمكن أن تسبب هذه التغييرات اضطرابات كهرومغناطيسية (خفيفة عادة) على الأرض.
والأخطر من ذلك هو التوهجات الشمسية التي تغمر الغلاف الجوي العلوي للأرض بالأشعة السينية والجسيمات النشطة والأشعة فوق البنفسجية المكثفة. يمكن للأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية تأين الذرات في الغلاف الجوي العلوي للأرض، ويمكن للإلكترونات المحررة أن تتراكم شحنة على سطح مركبة فضائية. عند تفريغ هذه الشحنة الثابتة، يمكن أن تتلف الإلكترونيات في المركبة الفضائية - تمامًا كما يمكن أن تتلقى صدمة عندما تمشي عبر سجادة في قدميك في مناخ جاف ثم تلمس مفتاح الضوء أو أي جسم معدني آخر.
الأكثر اضطرابًا هي عمليات الطرد الكتلي الإكليلي. CME عبارة عن فقاعة متفجرة من عشرات الملايين من الأطنان من الغاز المنفوخ بعيدًا عن الشمس إلى الفضاء. عندما تصل هذه الفقاعة إلى الأرض بعد أيام قليلة من مغادرة الشمس، فإنها تسخن الغلاف الأيوني، الذي يتمدد ويصل إلى الفضاء. ونتيجة لذلك، يزداد الاحتكاك بين الغلاف الجوي والمركبات الفضائية، مما يؤدي إلى سحب الأقمار الصناعية إلى ارتفاعات أقل.
في وقت التوهج القوي بشكل خاص وCME في مارس 1989، فقد النظام المسؤول عن تتبع حوالي 19000 جسم يدور حول الأرض مؤقتًا أثر 11000 منها بسبب تغير مداراتها بسبب توسع الغلاف الجوي للأرض. أثناء الحد الأقصى للطاقة الشمسية، يتم جلب عدد من الأقمار الصناعية إلى ارتفاع منخفض بحيث يتم تدميرها بسبب الاحتكاك مع الغلاف الجوي. يتطلب كل من تلسكوب هابل الفضائي ومحطة الفضاء الدولية (الشكل\(\PageIndex{1}\)) عمليات إعادة تعزيز إلى ارتفاع أعلى حتى يتمكنوا من البقاء في المدار.
أضرار العاصفة الشمسية على الأرض
عندما يصل CME إلى الأرض، فإنه يشوه المجال المغناطيسي للأرض. نظرًا لأن المجال المغناطيسي المتغير يستحث تيارًا كهربائيًا، فإن CME تسرع الإلكترونات، وأحيانًا إلى سرعات عالية جدًا. يمكن لهذه «الإلكترونات القاتلة» أن تخترق عمق الأقمار الصناعية، وتؤدي أحيانًا إلى تدمير أجهزتها الإلكترونية وتعطيل التشغيل بشكل دائم. لقد حدث هذا مع بعض أقمار الاتصالات.
يمكن أن تتسبب الاضطرابات في المجال المغناطيسي للأرض في حدوث اضطرابات في الاتصالات، وخاصة الهواتف المحمولة والأنظمة اللاسلكية. في الواقع، يمكن توقع حدوث اضطرابات عدة مرات في السنة خلال الحد الأقصى للطاقة الشمسية. يمكن أن تتسبب التغييرات في المجال المغناطيسي للأرض بسبب CMEs أيضًا في حدوث طفرات في خطوط الطاقة الكبيرة بما يكفي لحرق المحولات والتسبب في انقطاع التيار الكهربائي بشكل كبير. على سبيل المثال، في عام 1989، كانت أجزاء من مونتريال ومقاطعة كيبيك في كندا بدون طاقة لمدة تصل إلى 9 ساعات نتيجة لعاصفة شمسية كبيرة. من المرجح أن تحدث الانقطاعات الكهربائية بسبب CMEs في أمريكا الشمالية أكثر من أوروبا لأن أمريكا الشمالية أقرب إلى القطب المغناطيسي للأرض، حيث تكون التيارات التي تسببها CMEs أقوى.
إلى جانب تغيير مدارات الأقمار الصناعية، يمكن لـ CMEs أيضًا تشويه الإشارات المرسلة من قبلها. يمكن أن تكون هذه التأثيرات كبيرة بما يكفي لتقليل دقة المواضع المشتقة من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بحيث لا يمكنها تلبية الحدود المطلوبة لأنظمة الطائرات، التي يجب أن تعرف مواقعها في حدود 160 قدمًا. أجبرت مثل هذه الاضطرابات التي تسببها CME أحيانًا إدارة الطيران الفيدرالية على تقييد الرحلات الجوية لدقائق أو، في حالات قليلة، حتى أيام.
كما تعرض العواصف الشمسية رواد الفضاء والركاب في الطائرات التي تحلق على ارتفاع عال وحتى الأشخاص على سطح الأرض لكميات متزايدة من الإشعاع. رواد الفضاء، على سبيل المثال، محدودون في إجمالي كمية الإشعاع التي يمكن أن يتعرضوا لها خلال حياتهم المهنية. يمكن أن يؤدي انفجار شمسي واحد في وقت غير مناسب إلى إنهاء مهنة رائد الفضاء. تصبح هذه المشكلة خطيرة بشكل متزايد حيث يقضي رواد الفضاء المزيد من الوقت في الفضاء. فعلى سبيل المثال، كانت الجرعة اليومية المعتادة من الإشعاع على متن محطة مير الفضائية الروسية تعادل حوالي ثماني صور بالأشعة السينية للصدر. أحد التحديات الرئيسية في التخطيط للاستكشاف البشري للمريخ هو ابتكار طريقة لحماية رواد الفضاء من الإشعاع الشمسي عالي الطاقة.
سيساعدنا التحذير المسبق من العواصف الشمسية على تقليل آثارها التخريبية. يمكن تشغيل شبكات الطاقة بأقل من سعتها الكاملة حتى تتمكن من امتصاص تأثيرات طفرات الطاقة. يمكن تجهيز شبكات الاتصالات للأعطال ووضع خطط احتياطية. يمكن توقيت عمليات المشي في الفضاء لتجنب الانفجارات الشمسية الكبيرة. يحاول العلماء الآن إيجاد طرق للتنبؤ بمكان وزمان حدوث التوهجات والغازات الدفيئة، وما إذا كانت ستكون أحداثًا كبيرة وسريعة أم صغيرة وبطيئة مع تأثير ضئيل على الأرض.
تتمثل الإستراتيجية في ربط التغييرات في مظهر المناطق الصغيرة النشطة والتغيرات في المجالات المغناطيسية المحلية على الشمس بالانفجارات اللاحقة. ومع ذلك، في الوقت الحالي، لا تزال قدرتنا التنبؤية ضعيفة، وبالتالي فإن التحذير الحقيقي الوحيد الذي لدينا هو رؤية CMEs والتوهجات تحدث بالفعل. نظرًا لأن CME ينتقل إلى الخارج بسرعة حوالي 500 كيلومتر في الثانية، فإن مراقبة ثوران البركان توفر تحذيرًا لعدة أيام على مسافة الأرض. ومع ذلك، تعتمد شدة التأثير على الأرض على كيفية توجيه المجال المغناطيسي المرتبط بـ CME بالنسبة إلى المجال المغناطيسي للأرض. لا يمكن قياس الاتجاه إلا عندما يتدفق CME عبر القمر الصناعي الذي أنشأناه لهذا الغرض. ومع ذلك، فهي تقع على بعد حوالي ساعة فقط من المنبع من الأرض.
تنبؤات طقس الفضاء متاحة الآن على الإنترنت للعلماء والجمهور. يتم تقديم التوقعات قبل أسبوع، ويتم إصدار النشرات عندما يكون هناك حدث من المحتمل أن يكون موضع اهتمام الجمهور، ويتم نشر التحذيرات والتنبيهات عندما يكون الحدث وشيكًا أو قيد التنفيذ بالفعل (الشكل\(\PageIndex{2}\)).
للعثور على المعلومات العامة والتنبيهات حول طقس الفضاء، يمكنك اللجوء إلى المركز الوطني للتنبؤ بطقس الفضاء أو SpaceWeather للحصول على معلومات مجمعة من العديد من المصادر.
لحسن الحظ، يمكننا أن نتوقع طقسًا أكثر هدوءًا في الفضاء خلال السنوات القليلة القادمة، حيث حدث الحد الأقصى الشمسي الأخير، والذي كان ضعيفًا نسبيًا، في عام 2014، ويعتقد العلماء أن الدورة الشمسية الحالية هي واحدة من أقل الدورات نشاطًا في التاريخ الحديث. نتوقع إطلاق المزيد من الأقمار الصناعية التي ستسمح لنا بتحديد ما إذا كانت CMEs تتجه نحو الأرض ومدى حجمها. يتم تطوير النماذج التي ستسمح بعد ذلك للعلماء باستخدام المعلومات المبكرة حول CME للتنبؤ بتأثيرها المحتمل على الأرض.
والأمل هو أنه بحلول موعد الحد الأقصى التالي، سيكون للتنبؤ بالطقس الشمسي بعض القدرات التنبؤية التي حققها خبراء الأرصاد الجوية للطقس الأرضي على سطح الأرض. ومع ذلك، فإن الأحداث الأكثر صعوبة في التنبؤ بها هي العواصف الأكبر والأكثر ضررًا - الأعاصير على الأرض وأحداث العواصف الشديدة والنادرة على الشمس. وبالتالي، لا مفر من أن تستمر الشمس في مفاجأتنا.
مثال\(\PageIndex{1}\): توقيت الأحداث الشمسية
المعادلة الأساسية مفيدة في معرفة متى ستؤثر الأحداث على الشمس على الأرض:
\[ \text{distance } = \text{ velocity } \times \text{ time, or } D=v \times t \nonumber\]
نحصل على تقسيم كلا الجانبين\(v\)
\[T=D/v \nonumber\]
لنفترض أنك لاحظت توهجًا شمسيًا كبيرًا أثناء دوران رواد الفضاء حول الأرض. إذا كان متوسط سرعة الرياح الشمسية 400 كم/ثانية والمسافة إلى الشمس 1.496 × 10 8 كم، فما المدة التي سيستغرقها الأمر قبل وصول الجسيمات المشحونة المنبعثة من الشمس أثناء التوهج إلى المحطة الفضائية؟
الحل
الوقت اللازم لجزيئات الرياح الشمسية للوصول إلى الأرض هو\(T = D/v\).
\[ \frac{1.496 \times 10^8 \text{ km}}{400 \text{ km/s}}=3.74 \times 10^5 \text{ s, or } \frac{3.74 \times 10^5 \text{ s}}{60 \text{ s/min} \times 60 \text{ min/h} \times 24 \text{ h/d}} = 4.3 \text{ d} \nonumber\]
التمارين\(\PageIndex{1}\)
ما عدد الأيام التي ستستغرقها الجسيمات للوصول إلى الأرض إذا زادت سرعة الرياح الشمسية إلى 500 كم/ثانية؟
- إجابة
-
\[ \frac{1.496 \times 10^8 \text{ km}}{500 \text{ km/s}}=2.99 \times 10^5 \text{ s, or } \frac{2.99 \times 10^5 \text{ s}}{60 \text{ s/min} \times 60 \text{ min/h} \times 24 \text{ h/d}} =3.46 \text{ d} \nonumber\]
مناخ الأرض ودورة البقع الشمسية: هل هناك اتصال؟
بينما تشرق الشمس بأمانة كل يوم في وقت يمكن حسابه بدقة، قرر العلماء أن إنتاج طاقة الشمس ليس ثابتًا حقًا ولكنه يختلف على مر القرون بكمية صغيرة - ربما أقل من 1٪. لقد رأينا أن عدد البقع الشمسية يختلف، حيث يبلغ الحد الأقصى للبقع الشمسية حوالي 11 عامًا، وأن عدد البقع الشمسية في الحد الأقصى ليس دائمًا هو نفسه. تشير أدلة كثيرة إلى أنه بين عامي 1645 و 1715، كان عدد البقع الشمسية، حتى عند الحد الأقصى للبقع الشمسية، أقل بكثير مما هو عليه الآن. لاحظ غوستاف سبرير هذه الفترة من الانخفاض الكبير في أعداد البقع الشمسية لأول مرة في عام 1887 ثم من قبل إي دبليو ماوندر في عام 1890؛ ويطلق عليها الآن اسم Maunder Minimal. يظهر الاختلاف في عدد البقع الشمسية على مدى القرون الثلاثة الماضية في الشكل\(\PageIndex{3}\). إلى جانب الحد الأدنى لـ Maunder في القرن السابع عشر، كانت أعداد البقع الشمسية أقل إلى حد ما خلال الجزء الأول من القرن التاسع عشر مما هي عليه الآن؛ وتسمى هذه الفترة بـ Little Maunder Minimal.
عندما يكون عدد البقع الشمسية مرتفعًا، تنشط الشمس بطرق أخرى مختلفة أيضًا، وكما سنرى في عدة أقسام أدناه، فإن بعض هذا النشاط يؤثر على الأرض بشكل مباشر. على سبيل المثال، هناك المزيد من العروض الشفقية عندما يكون رقم البقع الشمسية مرتفعًا. يحدث الشفق القطبي عندما تتفاعل الجسيمات المشحونة بالطاقة من الشمس مع الغلاف المغناطيسي للأرض، وتكون الشمس أكثر عرضة لإطلاق الجسيمات عندما تكون نشطة ويكون عدد البقع الشمسية مرتفعًا. تشير الحسابات التاريخية أيضًا إلى أن النشاط الشفقي كان منخفضًا بشكل غير طبيعي طوال عدة عقود من Maunder Minimal.
كان الحد الأدنى من Maunder هو وقت درجات حرارة منخفضة بشكل استثنائي في أوروبا - منخفضة جدًا لدرجة أن هذه الفترة توصف بالعصر الجليدي الصغير. هذه المصادفة في الوقت المناسب دفعت العلماء إلى محاولة فهم ما إذا كانت التغييرات الصغيرة في الشمس يمكن أن تؤثر على المناخ على الأرض. هناك أدلة واضحة على أن الجو كان باردًا بشكل غير عادي في أوروبا خلال جزء من القرن السابع عشر. تجمد نهر التايمز في لندن 11 مرة على الأقل، وظهر الجليد في المحيطات قبالة سواحل جنوب شرق إنجلترا، وأدت درجات الحرارة المنخفضة في الصيف إلى مواسم نمو قصيرة ومحاصيل ضعيفة. ومع ذلك، لا تزال مسألة ما إذا كانت التغييرات التي تطرأ على الشمس على هذا النطاق الزمني تؤثر على مناخ الأرض وكيفية تأثيرها موضع نقاش بين العلماء.
حدثت تغييرات صغيرة أخرى في المناخ مثل العصر الجليدي الصغير وكان لها تأثيرها على تاريخ البشرية. على سبيل المثال، استعمر المستكشفون من النرويج أيسلندا أولاً ثم وصلوا إلى جرينلاند بحلول عام 986. من هناك، تمكنوا من القيام بزيارات متكررة إلى السواحل الشمالية الشرقية لأمريكا الشمالية، بما في ذلك نيوفاوندلاند، بين حوالي 1000 و 1350. (لم تسمح السفن في ذلك الوقت للمستكشفين الإسكندنافيين بالسفر إلى أمريكا الشمالية مباشرة، ولكن فقط من جرينلاند، التي كانت بمثابة محطة لمزيد من الاستكشاف.)
معظم جرينلاند مغطاة بالجليد، ولم تكن محطة جرينلاند مكتفية ذاتيًا أبدًا؛ بل اعتمدت على واردات المواد الغذائية والسلع الأخرى من النرويج من أجل بقائها. عندما بدأ العصر الجليدي الصغير في القرن الثالث عشر، أصبحت الرحلة صعبة للغاية، ولم يعد دعم مستعمرة جرينلاند ممكنًا. تم إجراء آخر اتصال معروف به بواسطة سفينة من أيسلندا انقطعت عن مسارها في عام 1410. عندما بدأت السفن الأوروبية مرة أخرى بزيارة جرينلاند في عام 1577، اختفت المستعمرة بأكملها هناك.
تتبع التواريخ المقدرة لأنماط الهجرة هذه ما نعرفه عن النشاط الشمسي. كان النشاط الشمسي مرتفعًا بشكل غير عادي بين 1100 و 1250، بما في ذلك الوقت الذي تم فيه إجراء الاتصالات الأوروبية الأولى مع أمريكا الشمالية. كان النشاط منخفضًا من 1280 إلى 1340 وكان هناك القليل من العصر الجليدي، وهو الوقت الذي توقف فيه الاتصال المنتظم بأمريكا الشمالية وبين جرينلاند وأوروبا.
ومع ذلك، يجب على المرء أن يكون حذرًا بشأن افتراض أن انخفاض أعداد البقع الشمسية أو الاختلافات في إنتاج الطاقة من الشمس تسبب في العصر الجليدي الصغير. لا يوجد نموذج مُرضٍ يمكن أن يفسر كيف يمكن أن يتسبب انخفاض النشاط الشمسي في انخفاض درجات الحرارة على الأرض. الاحتمال البديل هو أن الطقس البارد خلال العصر الجليدي الصغير كان مرتبطًا بالنشاط البركاني. يمكن للبراكين إخراج الأيروسولات (قطرات صغيرة أو جزيئات) إلى الغلاف الجوي التي تعكس ضوء الشمس بكفاءة. تشير الملاحظات، على سبيل المثال، إلى أن ثوران بيناتوبو في عام 1991 أخرج هباء SO 2 إلى الغلاف الجوي، مما قلل كمية ضوء الشمس التي تصل إلى سطح الأرض بما يكفي لخفض درجات الحرارة العالمية بمقدار 0.4 درجة مئوية.
تظهر بيانات الأقمار الصناعية أن إنتاج الطاقة من الشمس خلال الدورة الشمسية يختلف بنحو 0.1٪ فقط. لا نعرف أي عملية فيزيائية من شأنها أن تفسر كيف يمكن لمثل هذا الاختلاف الصغير أن يسبب تغيرات في درجات الحرارة العالمية. ومع ذلك، قد يكون لمستوى النشاط الشمسي تأثيرات أخرى. على سبيل المثال، على الرغم من أن إجمالي إنتاج الطاقة للشمس يختلف بنسبة 0.1٪ فقط خلال الدورة الشمسية، إلا أن الأشعة فوق البنفسجية الشديدة أعلى بعشر مرات في أوقات الحد الأقصى للطاقة الشمسية مقارنة بالحد الأدنى للطاقة الشمسية. يمكن أن يؤثر هذا الاختلاف الكبير على بنية الكيمياء ودرجة الحرارة في الغلاف الجوي العلوي. قد يكون أحد الآثار هو انخفاض طبقة الأوزون وتبريد الستراتوسفير بالقرب من أقطاب الأرض. وهذا بدوره يمكن أن يغير أنماط دوران الرياح العالية، وبالتالي مسارات العواصف. هناك بعض الأدلة الحديثة على أن الاختلافات في هطول الأمطار الإقليمية ترتبط بشكل أفضل بالنشاط الشمسي مقارنة بدرجة الحرارة العالمية للأرض. ولكن، كما ترون، لا تزال العلاقة بين ما يحدث على الشمس وما يحدث لمناخ الأرض على المدى القصير مجالًا يقوم العلماء بدراسته ومناقشته.
مهما كانت تأثيرات النشاط الشمسي على أنماط هطول الأمطار أو درجات الحرارة المحلية، فإننا نريد التأكيد على فكرة واحدة مهمة: تظهر بيانات تغير المناخ والنماذج التي تم تطويرها لحساب البيانات باستمرار أن التباين الشمسي ليس سبب الاحتباس الحراري الذي حدث. خلال السنوات ال 50 الماضية.
المفاهيم الأساسية والملخص
طقس الفضاء هو تأثير النشاط الشمسي على كوكبنا، سواء في غلافنا المغناطيسي أو على سطح الأرض. تسمح الثقوب الإكليلية بتدفق المزيد من مواد الشمس إلى الفضاء. يمكن أن تتسبب التوهجات الشمسية والقذفات الكتلية الإكليلية في حدوث الشفق القطبي وتعطيل الاتصالات وإتلاف الأقمار الصناعية والتسبب في انقطاع التيار الكهربائي على الأرض.