العواصف المغناطيسية الأرضية الفرعية

ماذا نعني باضمحلال تيار الحلقة؟

إن جسيمات التيار الحلقي لها عمر محدود قبل أن تضيع في الغلاف الجوي للأرض، تساهم عمليتا تبادل الشحنة وتفاعلات الموجة والجسيمات في هذه الخسارة، فإن تبادل الشحنة عبارة عن عملية يتفاعل فيها جسيم محايد بارد في الغلاف الجوي مع أيون موجب لتيار الحلقة ويتبادل الإلكترون.

يتم تحويل الأيون إلى محايد نشط والذي نظراً لأنه لم يعد موجهاً بواسطة المجال الرئيسي فقد يضيع في الغلاف الجوي الأعمق أو يتبادل مرة أخرى مع أيون بعيداً عن الأرض أو يضيع من الغلاف المغناطيسي تماماً، ويصبح الجسيم المحايد سابقاً مشحوناً في هذه العملية، ويخضع لاحقاً للانجراف في الحقل الرئيسي، وإن كان ذلك باستخدام طاقة أقل من الأيونات الأصلية.

تعتمد عملية تبادل الشحنات هذه على عدد الجسيمات الموجودة في تيار الحلقة، وكلما زاد الرقم زاد معدل الانحلال بسبب تبادل الشحنة وإنه لأي معدل حقن معين في الحلقة الحالية ينمو التيار حتى يوازن معدل الاضمحلال معدل الحقن، عند هذه النقطة يصبح تيار الحلقة مستقراً، ويستمر طالما استمر الحقن الثابت.

وفي عاصفة مغناطيسية نموذجية يكون الفاصل الزمني الذي يتم خلاله إمالة صندوق النقد الدولي من عكس مسار الشمس للحقل الرئيسي للأرض في حدود 8 إلى 16 ساعة، إن عمر الجسيم مقابل تبادل الشحنة هو نفسه تقريباً، وفقاً لذلك من النادر أن يتطور توازن التيار الحلقي، وبدلاً من ذلك يتجه صندوق النقد الدولي شمالاً ويتلاشى التيار الدائري تدريجياً، وفي معظم الحالات تستمر مرحلة التعافي من العاصفة المغناطيسية لمدة يومين إلى ثلاثة أيام قبل استعادة الظروف الهادئة.

العملية الثانية التي تساهم في تحلل تيار الحلقة هي عدم استقرار السيكلوترون للجسيمات التي تدور في مجال الأرض، ففي هذه العملية تتفاعل الموجة الكهرومغناطيسية ذات التردد القريب من التردد الذي تدور فيه الجسيمات حول المجال مع الجسيمات التي تتبادل الطاقة، وإذا كانت الظروف مناسبة فإن الموجة تكتسب الطاقة على حساب الجسيم، وفي العملية تشتت الجسيم، بحيث يميل إلى اتباع خط المجال عن كثب، وينتج عن تعاقب مثل هذا التشتت في النهاية جسيم يتحرك مباشرة على طول خط المجال المغناطيسي.

ثم ينتقل الجسيم طوال الطريق إلى الغلاف الجوي ويفقد من الحلقة الحالية، وتحدث الحالة المناسبة لهذه العملية عندما يمتلك تيار الحلقة عدداً أكبر من الجسيمات بالقرب من المستوى الاستوائي مقارنة بنهاية خط المجال، كما ينتج الحمل الحراري في الغلاف المغناطيسي هذا الوضع في الغلاف المغناطيسي الداخلي، وبالتالي فإن هذه العملية هي آلية خسارة مهمة تساهم في تدهور الحلقة الحالية المرصودة، وفي تيار الحلقة النموذجي يكون تردد الموجات التي تنتجها البروتونات بين 0.2 و 5 هرتز، تنتج الإلكترونات موجات بتردد أعلى بنحو 1836 مرة.

ما المقصود بالعواصف المغناطيسية الأرضية الفرعية؟

إن العاصفة المغنطيسية الفرعية هي الاسم المطبق على مجموعة العمليات التي تحدث في جميع أنحاء الغلاف المغناطيسي في وقت الاضطراب الشفقي والمغناطيسي، ويتم استخدام مصطلح العاصفة الفرعية في الأصل للدلالة على أن العمليات تنتج حدثاً محدداً في الزمان والمكان، والذي يختلف عن العاصفة المغناطيسية.

خلال عاصفة نموذجية مدتها ثلاث ساعات يُظهر الشفق القطبي قرب منتصف الليل سلسلة من التغييرات تسمى العاصفة الشفهية الفرعية، يصاحب التغيرات في الشفق سلسلة من الاختلافات المغناطيسية يشار إليها باسم العاصفة المغناطيسية القطبية الفرعية، كما تحدث معظم الآثار الضارة للعاصفة المغناطيسية بسبب العواصف الفرعية المصاحبة لها.

مراحل العواصف المغناطيسية الأرضية الفرعية:

1. مرحلة النمو: تبدأ العاصفة الفرعية المعزولة عندما يتحول صندوق النقد الدولي جنوباً وتبدأ إعادة الاتصال بين الأيام، ولمدة ساعة تقريباً بعد ذلك تنجرف مجموعات من الأقواس الشفقية الهادئة باتجاه خط الاستواء بالقرب من منتصف الليل في الأشكال البيضاوية الشفقية الشمالية والجنوبية، وتتدفق النفاثات الكهربائية باتجاه الشرق والغرب من الظهيرة باتجاه منتصف الليل على طول الأشكال البيضاوية تدريجياً في قوتها، وتتحرك باتجاه خط الاستواء مع الشفق القطبي، وتسمى هذه المرحلة الهادئة بمرحلة نمو العاصفة الفرعية.

يتم إنهاء مرحلة النمو بإشراق وتفعيل مفاجئ للقوس الأكثر استواءً في كل شكل بيضاوي، وغالباً ما يطلق على هذا الحدث اسم الانهيار الشفقي، وهو يشير إلى بداية مرحلة تمدد العاصفة الفرعية، وبعد فترة وجيزة من البداية يتوسع النشاط الشفقي لملء السماء بأكملها فوق مراقب أرضي معين، كما تعتبر الحركة السريعة وتطور الأشعة العمودية والطيات وظهور اللون في أسفل الأشكال الشفقية من السمات المميزة لهذه المرحلة.

تكشف الملاحظات التفصيلية المأخوذة من الأرض والصور المأخوذة من الأقمار الصناعية أن منطقة الاضطراب الشفقي تتوسع باتجاه القطب وغرباً، كما ينتشر شفق قطبي لامع يُعرف باسم الاندفاع المتحرك باتجاه الغرب إلى الغرب، ويتحلل في نهاية المطاف إلى نطاقات منجرفة تمر أحياناً بخط زوال الغسق، وعلى جانب الفجر تنجرف بقع من الشفق القطبي النابض وعصابات كبيرة على شكل أوميغا باتجاه الشرق.

يرافق الشفق القطبي تغييرات متزامنة في الاضطرابات المغناطيسية، والأهم من ذلك هو تعزيز التيار الكهربائي باتجاه الغرب في منطقة الشفق القطبي المتوسع، ومع انتقال الطفرة غرباً كذلك تنتقل الحافة الأمامية للطائرة الكهربائية المحسنة، وعلى الأرض يتناقص المجال المغناطيسي فجأة أحياناً بما يصل إلى 2000 نانو تيسلا مع مرور الموجة فوق الرأس.

ووراء الجبهات المتقدمة للشفق القطبي تزيد الجسيمات المسؤولة عن الضوء الشفقي، أيضاً من التوصيل الكهربائي للغلاف المتأين وتتسبب في زيادة قوة النفاثات الكهربائية الحرارية، ثم تنتهي مرحلة التوسع في النموذج الفرعي بعد حوالي 30 دقيقة وتبدأ المرحلة النهائية.

المرحلة الأخيرة من العاصفة الفرعية تسمى مرحلة التعافي، وخلال هذه المرحلة ينجرف الشفق القطبي والتيارات تدريجياً إلى مواقعها الأصلية باتجاه خط الاستواء، حيث تنخفض في نفس الوقت في اللمعان والقوة، شريطة أن يتجه صندوق النقد الدولي شمالاً في الوقت الفاصل تنتهي مرحلة التعافي بعد 90 دقيقة تقريباً.

وفي كثير من الأحيان لا يتجه صندوق النقد الدولي شمالا على الفور، قد تتقلب بين الشمال والجنوب، كما أنه في مثل هذه الحالات تصبح الاضطرابات الشفقية والمغناطيسية أكثر تعقيداً ولا يمكن تمييزها بسهولة، وعادةً ما تستمر حالات من هذا النوع لفترة زمنية كافية، بحيث يتم إحضار العديد من الجسيمات إلى الغلاف المغناطيسي الداخلي، حيث يتم تنشيطها وحبسها وتنتج عاصفة مغناطيسية، ومع ذلك لا يزال من الممكن التعرف على العديد من ميزات النموذج الفرعي المعزول.

يمكن أيضاً تفسير العاصفة الفرعية في الغلاف المغناطيسي من منظور الحمل الحراري المغنطيسي مدفوعاً بإعادة التوصيل المغناطيسي، ومع ذلك فإن العاصفة الفرعية هي مظهر من مظاهر الحمل الحراري المتغير بمرور الوقت، وفي نموذج إعادة الاتصال للعواصف الفرعية لا يصل نقل التدفق المغناطيسي والجسيمات أبداً إلى التوازن، وأثناء مرحلة نمو العاصفة الفرعية يتآكل التدفق المغناطيسي من جانب النهار ويضاف إلى فصوص الذيل المغناطيسي.

يتحرك الإيقاف المغناطيسي في الجانب إلى الداخل نتيجة فقد التدفق بينما يزداد حجم القبعات القطبية نتيجة التدفق المكتسب، يتطلب التدفق الإضافي في الذيل القريب زيادة في مجال الذيل وبالتالي في تيار الذيل ونظراً؛ لأن التدفق الإضافي موجود في حجم مقطع عرضي، أصغر مما كان عليه التدفق الأولي للوقت الهادئ.

أيضاً نظراً لزيادة السحب العرضي على الذيل يتحرك تيار الذيل باتجاه الأرض لزيادة القوة التي تمارسها الأرض على الذيل، وبالتالي موازنة القوة الإضافية للرياح الشمسية، يبدأ التدفق المغلق في وقت واحد في العودة إلى جانب النهار وإفراغ ورقة البلازما الليلية، إن حركة الشفق باتجاه خط الاستواء خلال هذه المرحلة هي ببساطة مظهر من مظاهر الحجم المتزايد لفصوص الذيل، والتعزيزات في المحركات الكهربائية باتجاه الشرق والغرب هي نتيجة لزيادة معدل الحمل الحراري الذي يدفعه صندوق النقد الدولي باتجاه الجنوب.

 2. مرحلة التوسع: إن مرحلة التوسع أقل فهماً من مرحلة النمو، يدعم العديد من الباحثين نموذج الخط المحايد القريب من الأرض، ولكن في نفس الوقت تم اقتراح تفسيرات أخرى، ففي نموذج الخط المحايد يتم تشكيل خط محايد من النوع (x) داخل لوح البلازما في مكان ما بين 20 و40 (Re) نصف قطر الأرض خلف الأرض.

يُظهر الجزء الأيسر من التشكيل طوبولوجيا المجال المغناطيسي عند تشكيل مثل هذا الخط لأول مرة، وفي فترة الظهيرة أو منتصف الليل يتم تقسيم المجال المغناطيسي إلى عدة مناطق من خلال التواجد المتزامن لخطين محايدين من النوع (x)، وبين سطري (x) يوجد خط محايد من النوع (o) يوجد حوله حلقات مغلقة من المجال المغناطيسي، ولا يتصل هذا الحقل بالرياح الشمسية ولا بالأرض ويبقى في مكانه فقط؛ لأنه محاط بغلاف من خطوط المجال المتصلة بالأرض.

تستمر هذه الهندسة فقط طالما بقي الغمد، وفي نهاية المطاف تقطع إعادة الاتصال خطوط المجال المغلقة الأخيرة، وبعد ذلك تبدأ خطوط المجال المفتوحة لفص الذيل في إعادة الاتصال، وبعد فترة وجيزة من حدوث ذلك يتم تغليف منطقة خطوط الحقل المغلقة بخطوط الحقل المتصلة بالرياح الشمسية، ثم يسحب التوتر في خطوط المجال هذه فقاعة البلازما والحقل أو البلازميد من مركز الذيل المغناطيسي، وينتقل البلازميد إلى أسفل الذيل وينهار طبقة البلازما خلفه.