العواصف المغناطيسية وإعادة الاتصال المغناطيسي الأرضي

ما المقصود بالعواصف المغناطيسية الأرضية؟

ينتج تيار الحلقة (العواصف المغناطيسية) عن طريق الانجراف حول الأرض للجسيمات المشحونة لحزام إشعاع فان ألين الخارجي، وخلال الظروف الهادئة يكون تأثير هذا التيار على سطح الأرض ضئيلاً (حوالي 20 نانو تيسلا)، كما أنها تحدث مرة أو مرتين في الشهر ظاهرة تعرف باسم العاصفة المغناطيسية، حيث تزداد شدة تيار الحلقة وتنتج اضطرابات، عادة ما تكون في حدود 100 نانو تيسلا، ولكن يمكن أن تصل إلى 500 نانو تيسلا.

تحدث مجموعة متنوعة من الظواهر التي تؤثر على البشر أثناء العواصف المغناطيسية، ويتضمن عدد قليل من هذه الجرعات الإشعاعية المتزايدة لشاغلي الرحلات الجوية العابرة للقطب وتشويه قراءات البوصلة في المناطق القطبية وتعطيل الاتصالات اللاسلكية على الموجات القصيرة وزيادة التآكل في خطوط الأنابيب الطويلة وفشل خطوط النقل الكهربائي والشذوذ في عمليات أقمار الاتصالات، وربما جرعات الإشعاع المميتة لرواد الفضاء في المركبات الفضائية بين الكواكب.

وبُذلت جهود للتخفيف من هذه المشاكل الخطيرة، ففي الولايات المتحدة على سبيل المثال تدير الحكومة الفيدرالية مركز التنبؤ باضطراب الفضاء في بولدر كولورادو، والذي يراقب حالة الشمس والرياح الشمسية ويحاول التنبؤ بحدوث مثل هذا (الطقس الفضائي).

أسباب العواصف المغناطيسية الأرضية:

من المعروف أن العواصف المغناطيسية تنتج عن تغيير في خصائص الرياح الشمسية، وتحدث أوقات الهدوء المغناطيسي عندما تحتوي الرياح الشمسية على مجال مغناطيسي يسمى المجال المغناطيسي بين الكواكب (IMF) الذي له نفس اتجاه مجال الأرض على جانب النهار، كما تحدث الاضطرابات المغناطيسية عندما يدور هذا المجال في اتجاه معاكس.

وعادةً يكمن صندوق النقد الدولي في مستوى مسير الشمس، والذي يكون في المتوسط ​​موازياً تقريباً لخط الاستواء المغناطيسي للأرض، وتحدث الانحرافات الصغيرة عن هذا الاتجاه المتوسط ​​بسبب دوران المجال المغناطيسي المائل ثنائي القطب مرة واحدة يومياً، وعن طريق ثورة الأرض حول الشمس مرة واحدة في السنة، كما تحدث عمليات المغادرة الكبيرة بسبب التغيرات في اتجاه صندوق النقد الدولي بالنسبة لمسير الشمس، وتنتج مثل هذه التغييرات عن العديد من الظواهر التي تنشأ على الشمس.

إن الحدث الأكثر إثارة الذي قد يتسبب في حدوث عاصفة مغناطيسية، هو التوهج الشمسي وهو انفجار في إكليل الشمس يطلق كمية هائلة من الطاقة في شكل جسيمات متدفقة إلى الخارج، ويستغرق الجزء الأكبر من هذه الجسيمات حوالي يومين للوصول إلى الأرض، حيث يبدأ في التأثير على المجال المغناطيسي، وأثناء العبور تلحق جزيئات التوهج الشمسي بالجسيمات البطيئة المنبعثة في وقت سابق.

يؤدي التفاعل اللاحق بين مكونات الرياح الشمسية عالية، ومنخفضة السرعة إلى تطور منطقة الضغط العالي وهذه المنطقة تميل صندوق النقد الدولي خارج مستوى مسير الشمس، فإذا كان صندوق النقد الدولي مائلاً بشكل معاكس لمجال الأرض فإنه سيحدث عاصفة مغناطيسية.

ظاهرة أخرى مسؤولة عن العواصف المغناطيسية هي وجود ثقوب إكليلية حول الشمس، صور الأشعة السينية للشمس التقطتها الولايات المتحدة خلال السبعينيات، حيث كشف رواد فضاء (Skylab) أن هالة الشمس ليست متجانسة، ولكنها غالباً ما تظهر ثقوبًا، كما يوجد مناطق داخل الغلاف الجوي الشمسي تكون فيها كثافة الغاز أقل من المناطق المجاورة والتي تهرب منها الجسيمات المشحونة بسهولة نسبية.

تصل الجسيمات من هذه الثقوب إلى سرعات أعلى في تمددها الخارجي من جزيئات الرياح الشمسية العادية، وتنتج تيارات عالية السرعة، وتتفاعل هذه التيارات مع الرياح الشمسية ذات السرعة البطيئة المنبعثة من المناطق الخالية من الثقوب وتنتج نفس إمالة صندوق النقد الدولي الموصوف أعلاه، كما تستمر الثقوب التاجية في العديد من الدورات الشمسية (الاستوائية) لمدة 27 يوماً، ونتيجة لذلك تنتج عواصف مغناطيسية متكررة، إن الثقوب الإكليلية هي المناطق (M) الافتراضية على الشمس التي تم اقتراحها منذ عدة عقود لشرح العواصف المتكررة، التي لا يمكن أن ترتبط بتوهجات شمسية معينة.

كيف تتم إعادة الاتصال المغناطيسي الأرضي؟

يفسر معظم الباحثين الاعتماد الملحوظ للنشاط المغنطيسي الأرضي على اتجاه صندوق النقد الدولي كنتيجة لإعادة الاتصال المغناطيسي، وفي إعادة الاتصال يتم الجمع بين مجالين مغناطيسيين موجهين بشكل معاكس عن طريق تدفق البلازما على خط محايد من النوع (x)، وبعيداً عن الخط المحايد يتم تجميد المجال المغناطيسي في البلازما، ومع ذلك بالقرب من الخط المحايد يتم تجميده وينتشر عبر البلازما، مما يؤدي إلى تكوين تكوين جديد لخطوط المجال المغناطيسي.

وعند المرور عبر الخط المحايد تتصل خطوط المجال من الجانبين المتقابلين وتتدفق بسرعة بعيداً عن الخط المحايد بزوايا قائمة إلى اتجاه تدفقها، وفي هذه العملية يتم تحويل الطاقة المخزنة في الأصل في مجال مغناطيسي قوي إلى الطاقة الحركية للبلازما المتدفقة، بالإضافة إلى ذلك تم تغيير طوبولوجيا خطوط المجال المغناطيسي، وخلال فترة اليأس المغناطيسي تصبح خطوط الحقل لصندوق النقد الدولي متصلة بخطوط المجال المغنطيسي الأرضي.

ونظراً لأن صندوق النقد الدولي يتجمد في الرياح الشمسية، فإن جزء خط الحقل المعاد توصيله الخارجي للغلاف المغناطيسي يُسحب بعيداً عن الشمس فوق وتحت القمم القطبية، ويجب أن تتبع أجزاء خط الحقل الداخلي الأجزاء الخارجية ومن ثم يبدو أن أقدامهم تنجرف عبر الأغطية القطبية، ولا يمكن أن تستمر هذه العملية إلى أجل غير مسمى، حيث سيتم تآكل خطوط المجال المغنطيسي الأرضي باستمرار من جانب اليوم ما لم يتم استبدالها بتدفق داخلي.

يتطور هذا التدفق بعد فترة تأخير قصيرة ويتبع نفس نمط عودة خطوط المجال المسحوبة بعيداً عن الشمس عن طريق التفاعل اللزج، وعندما يتم تطوير التدفق بالكامل، فإن تدفق خطوط المجال المغناطيسي باتجاه الشمس داخل الغلاف المغناطيسي يوازن التدفق بعيداً عن الشمس فوق وتحت القمم القطبية.

لكي تعود خطوط الحقل من الليل يجب أولاً فصلها عن الرياح الشمسية، ويحدث هذا في خط محايد من النوع (x) الثاني يقع خلف الأرض، وهناك كما في أيام النهار يتم تجميع خطوط المجال الموجهة بشكل معاكس بواسطة تدفقات البلازما، وتحدث إعادة الاتصال وأصبح صندوق النقد الدولي وخطوط المجال المغنطيسي الأرضي كيانات منفصلة مرة أخرى.

تسببت طوبولوجيا خطوط المجال المغناطيسي الناتجة عن عملية إعادة الاتصال في وجود أشكال بيضاوية شفقية، وخطوط الحقل للغطاء القطبي مفتوحة للرياح الشمسية، في حين أن الخطوط الموجودة على خطوط العرض الأدنى تكون مغلقة أمامها، وعلى الجانب الليلي تشكل خطوط الحقل المتصلة بالخط المحايد حداً طبيعياً لاحتجاز الجسيمات المشحونة، وتمتلئ المنطقة الداخلية لخطوط المجال المغلقة الأخيرة بالجسيمات المحاصرة وتسمى ورقة البلازما.

يشكل إسقاط خطوط المجال المغلقة الأخيرة على الغلاف الجوي القطبي الحدود القطبية للشفق الليلي البيضاوي، وكما لوحظ سابقاً تتشكل حدود ثانية على الجانب الليلي من الأرض، حيث تنجرف الجسيمات نحو الأرض تحت تأثير الحمل الحراري في الغلاف المغناطيسي (مدفوعاً بالتفاعل اللزج وإعادة الاتصال)، ثم تدخل منطقة الانجراف السمتي القوي، وتسمى هذه الحدود بالحافة الداخلية لصفيحة البلازما وتبرز كحافة استوائية للشفق الليلي البيضاوي الشفقي.

توليد مجال كهربائي مغناطيسي أرضي:

إحدى النتائج المهمة لإعادة الاتصال هي أنها تنتج مجالاً كهربائياً مغنطيسياً مثل التفاعل اللزج، ويأتي هذا نتيجة للعلاقة بين المجال الكواكب والمجال المغناطيسي الأرضي، ومن الممكن فهم هذه العملية على النحو التالي: في الرياح الشمسية تفصل قوة لورنتز الشحنات الموجبة والسالبة تماماً، كما تفعل في الطبقة الحدودية للغلاف المغناطيسي، ثم تتراكم هذه الشحنات عند حدود داخل الرياح الشمسية، حيث تتغير إما سرعة أو اتجاه صندوق النقد الدولي، ويوجد مجال كهربائي بين هذه الحدود.

ونظراً لأن خطوط المجال المغناطيسي لها موصلية غير محدودة تقريباً، فسيتم إسقاط المجال الكهربائي الناتج عن الرياح الشمسية بواسطة خطوط المجال المغناطيسي في الغلاف المغناطيسي وعلى الأغطية القطبية، ويعتمد تأثير هذا المجال على قوته وطول خط اليوم × الخط، كما يعتمد انخفاض الجهد أو الجهد الناتج عن أي مجال كهربائي على المسافة التي يتم خلالها تطبيق المجال.

وفي إعادة الاتصال بين الكواكب لا تتصل جميع خطوط المجال المغناطيسي بين الكواكب بالأرض، بل ينزلق معظمهم حول الغلاف المغناطيسي، وبالتالي فإن الجهد المطبق على الغطاء القطبي هو ذلك الموجود في الرياح الشمسية بين خطوط المجال التي يعاد توصيلها في نهايات الخط (x) وعادة ما يكون هذا من 10 إلى 20 بالمائة من إجمالي الجهد عبر مسافة تساوي قطر الغلاف المغناطيسي، ومع ذلك يمكن أن يصل إلى 200000 فولت.

يمكن تفسير العاصفة المغناطيسية ببساطة نسبياً من حيث مفهوم إعادة الاتصال المغناطيسي الموصوف أعلاه، ويخلق التوهج الشمسي أو تيار الرياح الشمسية عالي السرعة منطقة عالية الضغط في الرياح الشمسية، حيث تصل الحافة الأمامية لهذه المنطقة إلى الأرض وتضغط على نقطة التوقف المغناطيسية باتجاه الأرض، وتتسبب الحركة الأرضية المفاجئة وما يصاحبها من زيادة في قوة التيار المغنطيسي في زيادة مفاجئة في المجال المغناطيسي على سطح الأرض يُعرف باسم بدء العاصفة المفاجئ.

في معظم الحالات يظل الضغط عالياً لعدد من الساعات ويسبب مجالاً سطحياً أكبر من المعتاد، تسمى هذه الفترة بالمرحلة الأولية للعاصفة المغناطيسية، وفي نهاية المطاف يتجه صندوق النقد الدولي نحو الجنوب على عكس مجال الأرض، وتبدأ إعادة الاتصال المغناطيسي، تتآكل خطوط المجال المغناطيسي المغلقة من جانب النهار وتضاف إلى الأغطية القطبية مما يزيد قطرها.