مناخ الفضاء ومناخ النظام الشمسي

ما المقصود بطقس الفضاء؟

هو عبارة عن الظروف في الفضاء التي تسببها الشمس، والتي يمكن أن تؤثر على الأقمار الصناعية والتكنولوجيا على الأرض وكذلك حياة الإنسان وصحته، ونظراً لأن الحضارة الحديثة أصبحت أكثر اعتماداً على شبكات توزيع الطاقة الكهربائية بحجم القارة وأنظمة الاتصالات والملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمية والتصوير العسكري والمدني بالأقمار الصناعية فقد أصبحت أكثر عرضة لتأثيرات طقس الفضاء.

ظواهر طقس الفضاء:

الأرض محاطة بمجال مغناطيسي يمتد بعيداً إلى الفضاء في تجويف على شكل دمعة يسمى الغلاف المغناطيسي، يتم ضغط الغلاف المغناطيسي على جانب النهار ويتمدد إلى ذيل مغناطيسي طويل على الجانب الليلي بالتفاعل مع الرياح الشمسية، والرياح الشمسية هي عبارة عن تدفق للجسيمات المشحونة التي تتدفق بسرعة تفوق سرعة الصوت من الغلاف الجوي الخارجي للشمس (الهالة)، وتحمل معها المجال المغناطيسي للشمس، تتوسع الرياح الشمسية والمجال المغناطيسي الشمسي (المسمى بالمجال المغناطيسي بين الكواكب IMF عندما يتم ملاحظته بعيداً عن الشمس) في جميع أنحاء النظام الشمسي بأكمله، ويمتد إلى أكثر من ثلاثة أضعاف مسافة مدار نبتون قبل أن تتباطأ الرياح الشمسية الوسط النجمي.

يسمى التجويف الذي يحتوي على الرياح الشمسية وصندوق النقد الدولي الغلاف الشمسي، وإنه مشابه للغلاف المغناطيسي للأرض، وتعيش البشرية داخل المنطقة المتأثرة بالجو الديناميكي للشمس، إن أكثر مظاهر تفاعل الغلاف الجوي الخارجي للشمس وبيئة الغلاف المغناطيسي الفضائية للأرض هو الشفق القطبي.

يعرف الشفق القطبي (أو الأضواء الشمالية في نصف الكرة الشمالي والشفق الأسترالي أو الأضواء الجنوبية في نصف الكرة الجنوبي) بأنه عبارة عن انبعاثات ضوئية مرئية ناتجة عن اصطدام الجسيمات المشحونة (الأيونات والإلكترونات) من الرياح الشمسية مع الغلاف الجوي العلوي أرض، وتحدث الانبعاثات الشفقية عادةً على ارتفاعات تبلغ حوالي 100 كيلومتر (60 ميلاً) وغالباً ما تكون خضراء أو بيضاء أو حمراء اللون اعتماداً على الأنواع (الأكسجين الذري أو الأكسجين الجزيئي أو النيتروجين على التوالي) التي تنبعث منها الضوء بشكل أساسي. يظهر الشفق القطبي في مناطق بيضاوية بالقرب من القطبين الشمالي والجنوبي بسبب تأثير المجال المغناطيسي ثنائي القطب للأرض.

وتتحرك الجسيمات المشحونة من الفضاء بسهولة على طول خطوط المجال المغنطيسي الأرضي وتعترض الغلاف الجوي العلوي عند خطوط العرض العالية (أي باتجاه القطبين)؛ لأن هذا هو المكان الذي تنشأ فيه خطوط المجال، تأتي الطاقة المسؤولة عن تسريع الجسيمات المشحونة إلى المناطق القطبية من تفاعل الرياح الشمسية الممغنطة التي تتدفق بواسطة المجال المغناطيسي للأرض، ويمكن أن يؤدي هذا التفاعل إلى اضطرابات كبيرة في الغلاف المغناطيسي للأرض تسمى العواصف المغناطيسية الأرضية والتي تعتبر المظهر الرئيسي لطقس الفضاء القاسي.

إن كمية الطاقة والكتلة والزخم المتدفق من الشمس عبر الغلاف الشمسي إلى الغلاف المغناطيسي للأرض والغلاف الأيوني متغير على مدى عدد من النطاقات الزمنية، ومن بين هذه المقاييس الزمنية الدورة الشمسية لمدة 11 عام، والتي يتم تحديدها من خلال تشميع وتضاؤل ​​النشاط الشمسي كما يظهر في عدد البقع الشمسية، ضمن الدورة الشمسية تكون العواصف الشمسية مثل التوهجات والانبعاثات الكتلية الإكليلية (CMEs) أكثر عدداً خلال فترة عدة سنوات تُعرف باسم الحد الأقصى للشمس، وبين الحد الأقصى للطاقة الشمسية هناك فترة عدة سنوات تسمى الحد الأدنى للشمس عندما يكون نشاط الشمس منخفضاً للغاية.

وكان الحد الأدنى من الطاقة الشمسية الذي بدأ في حوالي عام 2007 ووصل إلى أدنى نقطة له في ديسمبر 2008 هو أعمق حد أدنى منذ قرن على الأقل، ومن المتوقع أن يبدأ الحد الأقصى القادم للطاقة الشمسية في عام 2013.

الآلية الفيزيائية الأساسية المسؤولة عن الكثير من هذه الطاقة والكتلة وتدفق الزخم هي إعادة الاتصال المغناطيسي، والتي يمكن أن تحول الطاقة المغناطيسية بشكل انفجاري إلى طاقة حركية للبلازما المغنطيسية وتفصل أو تنكسر طرود التدفق المغناطيسي، في أيام الأرض تتم إعادة الاتصال المغناطيسي عند تقاطع خطوط المجال المغناطيسي للشمس مع خطوط المجال المغناطيسي للأرض، وفي هذه العملية يمكن أن تدخل البلازما الشمسية الغلاف المغناطيسي للأرض، حيث يتم تسريع البلازما وتنشيطها.

أما في الجانب الليلي من الأرض تحدث إعادة الاتصال المغناطيسي في الذيل المغناطيسي، حيث يتم إعادة توصيل أنابيب التدفق المغناطيسي التي تم فصلها في الأصل على جانب النهار، تعتبر التيارات الكهربائية إحدى الطرق التي تنتقل بها هذه الطاقة من إعادة الاتصال المغناطيسي عبر النظام، ويمكن لهذه التيارات أن تربط مناطق من الغلاف المغناطيسي عبر الغلاف المتأين للأرض، تؤدي التيارات الكهربائية المتدفقة في طبقة الأيونوسفير بدورها إلى إحداث جهد وتيارات في الأرض وفي خطوط الهاتف أو خطوط نقل الطاقة الطويلة.

التأثيرات التكنولوجية على مناخ الفضاء:

بعد فترة وجيزة من ربط أسلاك التلغراف الأولى في القرن التاسع عشر بدأت العواصف المغناطيسية الأرضية تظهر تأثيرات تكنولوجية، كانت أكبر عاصفة مسجلة هي التي حدثت في 2 سبتمبر 1859 مصحوبة بشفق قطبي مرئي في المناطق الاستوائية، كما تسبب في نشوب حرائق حيث أشعل التيار الكهربائي المعزز المتدفق عبر أسلاك التلغراف شريط تسجيل في محطات التلغراف، ولاحظ عالم الفلك البريطاني ريتشارد كارينجتون المصادفة (لكنه لم يدعي وجود صلة مباشرة) بين الشفق القطبي والتوهج الشمسي الذي شاهده في اليوم السابق، وبالتالي وضع مسبقاً مجال أبحاث طقس الفضاء.

خلال عصر الفضاء الذي بدأ مع إطلاق سبوتنيك في عام 1957 تضاعفت تأثيرات طقس الفضاء، واليوم العديد من الأنظمة التكنولوجية الحيوية على الأرض وفي الهواء وفي الفضاء عرضة لطقس الفضاء، وفيما يلي أهم التأثيرات التكنولوجية:

• التأثيرات على الأقمار الصناعية: هناك نوعان من المخاوف الرئيسية المتعلقة بطقس الفضاء بالنسبة للأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض، وهما: التعرض للإشعاع وسحب الأقمار الصناعية في الغلاف الجوي، والتعرض للإشعاع هو تفاعل الجسيمات المشحونة والإشعاع الكهرومغناطيسي مع أسطح المركبة الفضائية والأدوات والمكونات الإلكترونية، يمكن أن يكون لسحب القمر الصناعي تأثير خطير على العمر المداري للأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض المنخفضة.

• التعرض للإشعاع: تتعرض الأقمار الصناعية في مدار الأرض لكميات كبيرة من الإشعاع الكهرومغناطيسي عالي الطاقة والجسيمات المشحونة التي لا تصل إلى سطح الأرض بسبب الغلاف الجوي الواقي، تمتلئ بيئة الفضاء حول الأرض بجزيئات مشحونة نشطة محصورة في أحزمة (Van Allen) الإشعاعية، يتحكم الطقس الفضائي في المدى المكاني والطاقة وكمية الإشعاع في أحزمة (Van Allen)، ومع الزيادات الكبيرة في حجمها وكمية الإشعاع التي تحدث أثناء العواصف المغناطيسية الأرضية الكبيرة، على الرغم من أن الأقمار الصناعية عادة لا تدور مباشرة في أحزمة (Van Allen)، فإن هذه الجسيمات المشحونة لها تأثير كبير على تصميم المركبات الفضائية والأجهزة الفضائية.

على سبيل المثال يمكن للإلكترونات عالية الطاقة اختراق المركبات الفضائية وإيداع شحنتها في المادة العازلة (العازلة) لألواح الدوائر الإلكترونية، وإذا تم تكوين شحنة كافية فإنه يمكن أن يؤدي التفريغ إلى تكسير المواد، مما يؤدي إلى فشل المكون الإلكتروني، يمكن أن يكون لذلك عواقب وخيمة إذا كانت الدائرة الإلكترونية التالفة تتحكم في مكون حاسم للمركبة الفضائية.