بزرگ ترين نمايش روي زمين

در طول هر شبانه روز، انفجارهايي عظيم پديد مي آيند که هريک لرزه بر سپر مغناطيسي کره زمين مي افکنند وباعث مي شوند تا آسمان مناطق قطبي با شفق هايي خيره کننده و اعجاب انگيز درخشان شوند. اين انفجارها وعلت وقوع آنها زمان هاي متمادي در پرده اي از راز نهفته بودند. تا به امروز هيچکس نتوانسته بود علت اين انفجارها را مشخص کند و همچنين نتوانسته بود دريابد که چگونه اين انرژي ها به صورتي متمرکز مي شوند که تصاويري چنين بديع پديد مي آورند. در حال حاضر ناوگاني از ماهواره هاي ناسا در حال ارائه پاسخي براي اين پرسش هستند. اين پاسخ نه تنها ما را به سوي درک عميق يکي از بديع ترين تظاهرات طبيعت رهنمون مي سازد بلکه مي تواند به ما کمک کند تا بتوانيم پديده هاي ديگري از اين دست را پيش بيني کنيم، مواردي که البته مي توانند مخاطراتي را براي ماهواره ها، فضانوردان و حتي تجهيزات الکتريکي مستقر بر روي زمين به همراه داشته باشند.

در طول تاريخ همواره بشر شيفته اين نمايش بي بديل طبيعت بوده است و البته ازهيچ تلاشي نيز براي ارائه توضيحي پيرامون کيفيت و چگونگي وقوع آن دريغ نورزيده است. گاليله در توضيح اين پديده آن را ناشي از بازتاب نور خورشيد از بخارات برخاسته از سطح زمين مي داند و دکارت دليل اين پديده را بازتاب همين نور از بلورهاي يخي مي انگاشت. در اواخر سده17 "ادموند هالي" نخستين فردي بود که موفق شد به درستي، پديده شفق قطبي را به ميدان مغناطيسي زمين ارتباط دهد. اگرچه تنها در دهه1950 بود که دانشمندان موفق به تاييد اين مسئله شدند که اين نمايش زيبا هنگامي روي مي دهد که الکترون ها تحت تاثير ميدان هاي مغناطيسي به لايه هاي فوقاني جو رانده مي شوند. تمامي اين پديده ها ي جوي فضايي با وزش باد خورشيدي آغاز مي شوند، لايه نازکي از گازهاي داغ که شامل ذرات باردار هستند، از خورشيد به بيرون پرتاب مي شوند در حالي که در تار و پودي از ميدان هاي مغناطيسي و جريان هاي الکتريکي تنيده اند. اين طوفان مغناطيسي با سرعتي معادل 6/ 1 ميليون کيلومتر در ساعت با جو زمين برخورد مي کند ولي ما حتي نسيمي از اين طوفان را نيز احساس نمي کنيم چرا که بخش عمده اي از آن در محدوده اي خاص از جو زمين که مگنتوسفر نام دارد و شرايط آب وهوايي پايدار را در اطراف زمين حفظ مي کند منحرف مي شود. همان طور که اين باد از زمين مي گذرد به قسمتي از کره خاکي مي رسد که شب در آن حکم مي راند و در آنجا سپر دفاعي زمين را همچون گيسواني در باد، به حرکت در مي آورد.
به رغم وجود اين سيستم حفاظتي، باد خورشيدي، مگنتوسفر را تحريک کرده و دچار اختلال مي کند و موجبات بارش ذرات پر انرژي بر لايه هاي فوقاني جو زمين را فراهم مي آورد. آن گاه اين ذرات مانند يک لامپ نئون، گازهاي موجود در جو را روشن کرده وشفق را مانند پرده سبز رنگي که به آرامي حرکت مي کند پديدار مي کنند. پرده اي که با برخورد ذرات مذکور با مولکول هاي اکسيژن تصاوير بديعي را پديد مي آورند."اريک داناوان" از دانشگاه کالگري واقع در آلبرتا که در حال بررسي شفق هاي قطب شمال در کانادا است، پيرامون شفق قطبي چنين اظهار نظر مي کند:"از آنجا که اين کمان هاي شفقي، آرام و البته محو هستند کمتر کسي به طور عادي متوجه آنها مي شود و در مي يابد که شفق در حال خودنمايي است، چرا که فرد عادي در اين موقعيت تنها احساس روشنايي پراکنده و عجيبي را در آسمان مي کند بي آنکه به طور خاص شفق نظرش را به خود جلب نمايد." هنگامي که يک طوفان خورشيدي فضا را مي شکافد و به مگنتوسفر وارد مي شود، اگرچه انرژي اي معادل چند مگاتن تي ان تي را آزاد مي کند لکن اثرات ناشي از آن بي هيچ نقصي به وقوع مي پيوندد. ميدان هاي مغناطيسي در فضا جابجا مي شوند، جريان هاي الکتريکي که مگنتوسفر را به چرخش وا مي دارند حرکات لجام گسيخته اي را از خود بروز مي دهند و شفق نيز تبديل به نمايش بسيار روشن تر و پوياتري مي شود که براي مدت10تا15 دقيقه بر آسمان خود نمايي مي کند. داناوان مي گويد: "اين که درخشندگي شفق به صدها و يا هزاران برابر افزايش يابد امر چندان بعيدي نيست." هنگامي که الکترون هاي پر انرژي با هوا برخورد مي کنند باعث رنگين تر شدن هرچه بيشتر اين نمايش آسماني مي شوند، رنگ هايي از قبيل رنگ سبز و قرمز که در اثر برخورد اين ذرات با مولکول هاي اکسيژن پديدار مي شوند و يا رنگ آبي که حاصل برخورد با نيتروژن است. از پيش مي دانيم که تفاوت موجود ميان قوس هاي ظريف شفقي و نور خيره کننده پديد آمده در طوفان هاي خورشيدي از تفاوت در راستاي ميدان مغناطيسي در باد خورشيدي ناشي
مي شود. در اغلب اوقات، ميدان مزبور با ميدان مغناطيسي زمين هم راستا مي شود که اين وضع، شرايط را براي جريان بي اختلال باد خورشيدي از اطراف سياره ما فراهم مي آورد. هنگامي که اين ميدان ها در خلاف جهت يکديگر قرار مي گيرند باعث مي شود تا انرژي لازم براي شکل گيري يک طوفان در مگنتوسفر ذخيره شود. البته به طور کلي هنوز مشخص نيست که اين امر به طور قطع به چه دليل روي مي دهد. ماهواره هايي از قبيل "ژئوتيل" که توسط سازمان اکتشافات فضايي ژاپن راهبري مي شود، به روشن شدن زوايايي از اين مسئله کمک کرده اند. ژئوتيل از سال1992 در حال حرکت در محدوده دنباله طويل ميدان مغناطيسي زمين است و اندرکنش هاي آن، با بادهاي خورشيدي را مورد بررسي قرار مي دهد. اما نکته مهم اين است که يک ماهواره واحد تنها تغييرات پديد آمده در يک نقطه خاص را مورد بررسي قرار داده و گزارش کند و نمي تواند تصويري از تغييرات سريع وپيچيده اي که تمام مگنتوسفر را به لرزه در مي آورند به دست دهد. "ديويد سيبک" از مرکز فضايي گارد ناسا مي گويد:"تاکنون تحقيقات ما همواره به صورت نقطه اي و موردي بوده است." ناسا براي اين که تا حد امکان اين تصوير را گسترده تر سازد، اسکادراني از ماهواره ها را به فضا پرتاب کرده ونام آن مجموعه را "تميس" گذارده است. اين گروه از ماهواره ها در فوريه2007 به فضا پرتاب شدند تا طوفان هاي خورشيدي را در زمان وقوع ثبت کنند. اين پنج ماهواره کوچک درست مثل پنج توپ در حرکات شعبده بازي به دور زمين مي گردند، به اين ترتيب که هريک مسير گردش متفاوتي را به دور زمين مي پيمايند و لذا زماني که يک واقعه در مگنتوسفر روي مي دهد شانس بسيار بالايي وجود دارد که اين گروه در وضعيت مناسبي براي رويت پديده قرار داشته باشند.

سه ماه پس از پرتاب، تميس به شروع يک طوفان برخورد کرد. سيبک مي گويد:"ما پنج ماهواره را در يک رديف قرار داده بوديم که راستاي استقرارشان عمود بر مرز خارجي ميدان مغناطيسي زمين بود. اين پنج ماهواره به شکلي استقرار يافته بودند که برخي دقيقا بيرون از محدوده ميدان مغناطيسي قرار داشتند وبرخي داخل آن."
اين نحوه قرار گرفتن دقيقا همان وضعيتي بود که ما را به سوي پاسخ يکي از سوالاتي که اين ماموريت در پي آن بود رهنمون مي ساخت، اين پرسش که باد خورشيدي چگونه با وارد کردن انرژي به درون مگنتوسفر باعث تشکيل يک طوفان خورشيدي مي شود.
تميس در هنگام برخورد باد خورشيدي با مگنتوسفر، تغييراتي را در ميدان مغناطيسي زمين ثبت کرد. در اين واقعه يک برآمدگي واپيچيده از ميدان هاي مغناطيسي تشکيل و در امتداد مرز خود به سوي بخش تاريک زمين حرکت کرد. گروه بررسي کننده موفق به يافتن پديده اي شدند که به نام "طناب شار" موسوم است و طبق نظر آنان مي تواند به طوفان خورشيدي مرتبط باشد. طناب هاي شار متصل به باد خورشيدي در هنگام برخورد به مگنتوسفر به طناب هاي شار موجود در آن گره مي خورند و بدين وسيله ميدان زمين را به ميدان خورشيد متصل مي کنند. اين پديده به ذرات پرانرژي اين امکان را مي دهد تا به درون اين ميدان سيلان پيدا کنند و انرژي در مگنتوسفر ذخيره شود(به تصوير صفحه بعد نگاه کنيد). همان طور که باد خورشيدي از روي زمين مي گذرد، انتهاي طناب شار خود را از پي مي کشد و بدين وسيله طناب شار و ميدان مغناطيسي مربوطه را از قسمت روز زمين به سوي دنباله مگنتوسفر مي کشد.
هرچه طناب هاي شار بيشتري شکل گرفته و به سوي ديگر کشانده مي شوند، بخش روشن زمين بيش از پيش ميدان مغناطيسي خود را از دست مي دهد. که البته اين روند براي هميشه ادامه نمي يابد.

"واسيليس آنجلوپولوس" که در دانشگاه UCLA مشغول به فعاليت است و رياست پروژه تميس را نيز بر عهده دارد مي گويد:"اين فرايند مي تواند ميدان مغناطيسي بخش روشن زمين را کاملا از ميان ببرد". اگر چنين واقعه اي روي دهد، سپر مغناطيسي زمين از ميان مي رود و در نتيجه ما در معرض تابش هاي سرطان زاي کيهاني قرار خواهيم گرفت. از نظر زمين شناختي نيز مي توان احتمال از ميان رفتن کامل جو زمين در اثر باد خورشيدي را متصور شد.
واضح است که ما خوش شانس هستيم و هيچ کدام از اين اتفاقات براي ما پيش نمي آيند. در عوض، پس ازچند ساعت تنش مغناطيسي، طوفان خورشيدي به وقوع مي پيوندد. در اين موقعيت خاص، چند پديده به طور تقريبا همزمان روي مي دهند، دنباله مگنتوسفر دچار درهم رفتگي مي شود و همين امر موجبات پرتاب پلاسما را به سوي زمين فراهم مي آورد و در نتيجه جريان الکتريکي که زمين را احاطه کرده است قطع مي شود. حال نکته اي که در اينجا مطرح است اين است که کداميک از اين موارد عامل اصلي
و محرک يک طوفان خورشيدي وشفق حاصل از آن است؟ محققان پروژه تميس براي يافتن پاسخ مورد نظر بايد دريابند که کداميک از اين وقايع اول اتفاق مي افتند.

در اين باره دو نظريه وجود دارد که در اين کارزار هماورد يکديگرند. يکي از اين نظريات عامل محرکه اين پديده را در جريان الکتريکي قدرتمندي جست وجو مي کند که در اطراف مگنتوسفر و در ارتفاع 60 هزار کيلومتري جريان دارد. حرکت ميدان مغناطيسي باعث دگرگوني و جنبش در جريان الکتريکي مورد بحث مي شود(مانند اتفاقي که در يک دينام مي افتد) و يافته ها حاکي از آن است که هنگامي که ميدان مغناطيسي به دنباله مگنتوسفر افزوده مي شود، تشديد و تقويت مي شود. آيا اين پديده مي تواند آن قدر قدرت پيدا کند که ناپايدار شده و باراني از الکترون هاي پر انرژي را بر جو زمين فرو ريزد؟
نظريه ديگري که در اين رابطه مطرح است، عامل پديده را در خود دنباله مگنتوسفر جست وجو مي کند. همان طور که ميدان مغناطيسي به دنباله مگنتوسفر اضافه مي شود، دنباله متراکم تر و در هم رفته تر مي شود. در هسته در هم تنيده دنباله مگنتوسفر، ميدان هاي مغناطيسي در راستاهاي مخالف حرکت مي کنند، يکي از آنها برونسو و از سمت قطب شمال مي آيد و ديگري درونسو و به سمت قطب جنوب مي رود. در اثنايي که اين ميدان ها تحت تاثير باد خورشيدي دچار قبض و بسط مي شوند ممکن است در يک لحظه خاص به طورهمزمان دچاربازپيوند شوند و با دو نيم کردن دنباله مگنتوسفر جرقه يک طوفان خورشيدي را بزنند.

گويي شانس با گروه تحقيقاتي يار بود،چرا که در26 فوريه 2008 و هنگامي که اسکادران تميس در بخش تاريک زمين قرار داشتند و محدوده اي را احاطه کرده بودند که احتمال قطع جريان الکتريکي و يا بازپيوند ناگهاني دنباله در آن مي رفت، يک طوفان به وقوع پيوست. اين لحظه، بهترين فرصت براي پايان دادن به رقابت اين دو نظريه بود. نخستين موردي که ماهواره ها ثبت کردند جدا شدن و سپس بازپيوند دنباله ميدان مغناطيسي بود که اين يافته دليلي بود مبني بر اين که علت آغاز طوفان خورشيدي وقوع تغييرات در اين منطقه است. اما هنوز کار تمام نشده بود و يک اتفاق شگفت آور در انتظار گروه تميس بود. آنجلوپولوس انتظار داشت که اين گسست در دنباله ميدان مغناطيسي باعث ناپايدار شدن جريان الکتريکي محيطي شود و اين ناپايداري به نوبه خود باراني از الکترون ها را شکل داده وآنان را روانه زمين کند تا شفق قطبي شکل گيرد. اما در عوض، آنچه اتفاق افتاد آن بود که شفق قطبي در حدود 1 دقيقه پس از بازپيوند دنباله دچارتشديد شد که اين پيش از وقوع اختلال در جريان الکتريکي بود. آنجلوپولوس در اين باره مي گويد:"من به شدت از اين نتايج در شگفت شدم، چرا که ما هرگز انتظار نداشتيم که در عرض 1 دقيقه قطبي آغاز شود." البته در هر حال نتايج بدست آمده توسط اين گروه که در شماره ماه آگوست مجله ساينس منتشر شده بود نتوانست اقناع فراگيري را پديد آورد و قضيه را فيصله دهد. بلکه" آنتوني لويي" از دانشگاه جان هاپکينز واقع در بالتيمور ايالت مريلند توالي وقايع را به طور کلي زير سوال برد. وي بر اين عقيده است که آنجلوپولوس و گروه تحقيقاتي تميس در تفسير داده هاي بدست آمده از ماهواره ها دچار اشتباه شده اند و تفسير درست آن است که وقوع بازپيوند دنباله ميدان ديرتر از زماني که گروه اعلام کرده اتفاق افتاده است. لوي مي افزايد:" در اين صورت روند واقع شدن اين وقايع دقيقا متضاد با آن چيزي خواهد بود که در مجله ساينس به چاپ رسيده است و اين بدان معناست که علت اصلي وقوع طوفان هاي خورشيدي اختلال و انقطاع جريان الکتريکي مي باشد".

اگرچه گروه تحقيقاتي تميس تاکنون موفق به ثبت چندين طوفان ديگر و حصول نتايج مشابه شده است لکن لويي هنوز معتقد است که فضاپيماهاي اين گروه تا کنون هرگز در مکاني نبوده اند که بتوانند نتايج قاطعي را به دست دهند. آنجلوپولوس تصميم گرفت تا مدار اين ماهواره ها را تغيير دهد تا اين مشکل نيز برطرف گردد. در ماه هاي آتي ممکن است تمامي اين مجادلات فرو بنشيند و با تعيين دقيق علت اصلي وقوع اين طوفان ها بتوان دليل ظهور بسيار سريع شفق قطبي را نيز توجيه کرد. اين ماموريت تحقيقاتي همچنين مي تواند رابطه ميان طوفان هاي خورشيدي و طوفان هاي ژئومغناطيسي تمام عيار(که چيزي بيش از يک نمايش زيبا هستند) را نمايان کند. اين طوفان ها در نتيجه گسيل هاي انفجاري فوق العاده پر قدرت از خورشيد پديد مي آيند و مي توانند خساراتي به ماهواره ها وارد کنند، يا داده هاي جي پي اس ها را مختل سازند. اين دسته از طوفان ها همچنين مي توانند براي فضانوردان خطرناک باشند و حتي خطوط انتقال نيرو را در زمين از کار بيندازند. در طول وقوع يک طوفان ژئومغناطيسي چند طوفان خورشيدي نيز به وقوع مي پيوندد اما هنوز ارتباط اين دو طوفان با يکديگر در هاله اي از ابهام است. در طول زماني که اين ماموريت سپري کرده است، فعاليت خورشيد در سطح پاييني قرار داشته لکن به زودي اين فعاليت افزايش مي يابد و اين ماهواره ها خواهند توانست طوفان هاي قدرتمندتري را رمز گشايي کنند. آنجلوپولوس در انتظار اين دوران خواهد ماند، نه تنها از منظر علمي بلکه به عنوان کسي که ساليان درازي از عمر خود را صرف بررسي طوفان هاي خورشيدي کرده است برايش بسيار مغتنم خواهد بود که آن را با چشم خود ببيند، واقعه اي که برايش بسيار کم اتفاق افتاده است و اين خود انگيزه اي قدرتمند خواهد بود. آنجلوپولوس مي گويد:"من مي خواهم آنها را با چشم خودم ببينم و لذا اگر بتوانيم مدلي مناسب طراحي کنيم تا از طريق آن علت اصلي اين طوفان ها را دريابيم شايد امکان پيش بيني آن در چند دقيقه پيش از وقوع برايمان فراهم گردد و آن گاه من سر از پا نشناخته وبه فضاي آزاد خواهم دويد تا با چشم خود آغاز آن را ببينم."

منابع:نيوساينتيست،7فوريه2009
ماهنامه دانشمند- ش561
/ج