غلاف الأيونوسفير: ألغاز وتحديات

اكتشافات جديدة في الغلاف الأيوني

في كل يوم، تنتقل الإشارات اللاسلكية من الأقمار الصناعية الرئيسية للاتصالات والملاحة بحرية عبر طبقة من الغلاف الجوي للأرض تُعرف باسم الأيونوسفير.

ما هو الغلاف الأيوني؟

تطفو هذه المنطقة في الغلاف الجوي العلوي على ارتفاع 50 إلى 400 ميل (80 إلى 643 كيلومترًا) فوق رؤوسنا، مباشرة تحت أدنى مناطق الفضاء حيث تدور بعض الأقمار الصناعية للاتصالات، وهذه المنطقة في الغلاف الجوي العلوي هي أيضًا موطن للعديد من الألغاز التي لم تُحل - بما في ذلك لغز على شكل أبجدية لديه القدرة على إحباط كل ما تفعله تلك الإشارات اللاسلكية للحفاظ على سير الحياة على كوكبنا بسلاسة.

العوامل المؤثرة في تشكيل الهياكل الغريبة

لقد عرف علماء الفلك منذ بعض الوقت أن التكوينات الشبيهة بالقمم على شكل حرف X يمكن أن تظهر في بلازما الغلاف الأيوني - بحر من الجسيمات المشحونة - بعد العواصف الشمسية.

كما يمكن أن تتسبب الأحداث البركانية والطقس المتطرف على الأرض في حدوث هذه الظاهرة. فالثورات البركانية الضخمة، مثل ثوران بركان هونغا تونغا-هونغا هاباي في يناير/كانون الثاني 2022، تقذف جسيمات في الغلاف الجوي للأرض تصل حتى إلى الفضاء. ويمكن للعواصف الرعدية والأعاصير أن تخلق موجات ضغط تجد طريقها إلى الغلاف الأيوني.

وفي الوقت نفسه، في الليل خلال هذه الفترات النشطة، عندما لا يكون إشعاع الشمس قوياً، تظهر أيضاً فقاعات منخفضة الكثافة في الأيونوسفير.

لم تكن بيانات الأقمار الصناعية قادرة دائماً على التقاط الصورة الكاملة لما يحدث في الأيونوسفير ولكن بعثة GOLD التابعة لناسا لديها رؤية شاملة لطبقة الغلاف الجوي فوق نصف الكرة الغربي من الفضاء، مما يكشف كيف تتسبب العوامل المختلفة في حدوث اضطرابات في الأيونوسفير.

والآن، وجد علماء الفلك الذين يبحثون في البيانات التي جمعتها بعثة GOLD سمات مماثلة على شكل حرف X و C لم يسبق لها مثيل والتي يبدو أنها ظهرت بشكل مفاجئ خلال "أوقات الهدوء" عندما لم تكن هناك اضطرابات في الغلاف الجوي، وفقاً لبحث جديد. تقلب هذه النتائج ما كان معروفاً عن كيفية تشكل هذه الهياكل غير الاعتيادية وتأثيراتها المحتملة.

وقال جيفري كلينزينغ، عالم الأبحاث الذي يدرس الغلاف الأيوني في مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في غرينبيلت بولاية ماريلاند، إن بيانات البعثة تساعد العلماء على رؤية "مدى تعقيد الغلاف الجوي للأرض" بينما تُظهر أنه أكثر تغيراً مما كان متوقعاً، حتى عندما لا يكون هناك سبب واضح وراء الاضطرابات التي تتخذ شكل الأبجدية في الغلاف الأيوني.

وقال: "أشك في أن ذلك كان يحدث دائماً". "وفي الحقيقة كانت المشكلة في الأساس هي أننا لم يكن لدينا بيانات كافية لنرى حقًا أنه يحدث."

قمم على شكل حرف X

قد يساعد اكتساب فهم أفضل للظواهر على شكل حرف في مساعدة العلماء على كشف الديناميكيات بين الغلاف الأيوني والطقس - وكيف يمكن أن يشكل التفاعل مخاطر على الناس والأنظمة على الأرض.

الغلاف الأيوني ليس دائماً طبقة ملساء تماماً من الغاز، وهو يتغير باستمرار. فهي تصبح مكهربة عندما يضربها ضوء الشمس. ويقرع الإشعاع الشمسي الإلكترونات من الذرات والجزيئات لتكوين البلازما التي تسمح للاتصالات اللاسلكية بالانتقال عبر مسافات طويلة.

ولكن عندما تتلاشى الشمس في الليل، يخف الغلاف الأيوني وتستقر الجسيمات التي كانت مشحونة في السابق وتصبح جسيمات محايدة، وفقاً لوكالة ناسا. وعندها يمكن أن تتكون فقاعات في الأيونوسفير.

كما تحمل خطوط المجال المغناطيسي للأرض الجسيمات المشحونة العائمة بحرية في الغلاف الجوي إلى نطاقين كثيفين شمال وجنوب خط الاستواء يُعرفان باسم القمم.

وبالنظر إلى كثافتهما المختلفة، يمكن أن تتسبب القمم والفقاعات التي تشبه الأشكال المختلفة داخل الغلاف الأيوني في حدوث تداخل مع إشارات الاتصالات ونظام تحديد المواقع العالمي.

تراقب بعثة GOLD، أو بعثة الرصد العالمي للأطراف والأقراص، الغلاف الأيوني منذ إطلاقها في يناير 2018. ويدور القمر الصناعي حول الأرض بنفس معدل دوران كوكبنا، مما يمكّن المركبة الفضائية من البقاء في تحليق مستمر فوق نصف الكرة الغربي.

وقد رصدت GOLD أوضح العلامات على شكل حرف X و C في أعوام 2019 و 2020 و 2021 - وفي أماكن غير متوقعة. وتدفع هذه الأدلة الباحثين إلى التساؤل عن التأثيرات المحتملة للعلامات على شكل X و C على إشارات الاتصالات في المستقبل.

وقال فضل لاسكار المؤلف الرئيسي لدراسة حول الأشكال X التي نُشرت في أبريل/نيسان حول الأشكال X في مجلة الأبحاث الجيوفيزيائية: "إن مهمة ناسا GOLD هي أول مهمة ترصد الأشكال الأبجدية بشكل لا لبس فيه": فيزياء الفضاء.

وأضاف لاسكار وهو عالم أبحاث في مختبر فيزياء الغلاف الجوي والفضاء بجامعة كولورادو: "تكشف هذه الأشكال أن الغلاف الأيوني يمكن أن يكون ديناميكيًا للغاية في بعض الأحيان ويعرض هياكل غير متوقعة". "كما أنها توضح أن طقس الغلاف الجوي السفلي يمكن أن يكون له تأثير هائل على الغلاف الأيوني."

وقال لاسكار إن رصد العلماء لحالات متعددة لتشكل الأشكال Xs "أثناء ظروف الهدوء المغناطيسي الأرضي" - بدلاً من رصدها أثناء اضطرابات الغلاف الجوي مثل العواصف الشمسية أو الطقس الأرضي، عندما كانت تُشاهد في السابق - يخبر العلماء الآن أن هناك آلية أخرى يجب أن تكون مسؤولة عن تشكيل الأشكال. وتشير النماذج الحاسوبية إلى التغييرات في الغلاف الجوي السفلي التي تسحب البلازما إلى أسفل كتفسير محتمل، وفقاً للدراسة.

فقاعات C غير المتوقعة

وقال كلينزينغ: "إن (ظهور) علامة X غريب لأنه يعني أن هناك عوامل دافعة محلية أكثر بكثير". لم يشارك في دراسة أبريل. "هذا أمر متوقع خلال الأحداث المتطرفة، لكن رؤيته خلال "وقت الهدوء" تشير إلى أن نشاط الغلاف الجوي السفلي يقود بشكل كبير بنية الغلاف الأيوني."

بشكل منفصل، رصدت GOLD أيضاً فقاعات بلازما على شكل حرف C قد تتأثر بعوامل أخرى.

عادةً ما تكون فقاعات البلازما طويلة ومستقيمة لأنها تتشكل على طول خطوط المجال المغناطيسي للأرض. لكن بعض الفقاعات تشبه الأشكال المنحنية، والتي تبدو مثل Cs أو Cs معكوسة، ويعتقد العلماء أنها قد تكون تشكلت بواسطة رياح الأرض.

وفي حين أن أشكال C قد تتشكل إذا زادت الرياح مع الارتفاع، فإن أشكال Cs العكسية يمكن أن تتشكل إذا انخفضت الرياح مع الارتفاع، وفقاً لنماذج البحث.

قال كلينزينغ: "الأمر يشبه إلى حد ما شجرة تنمو في منطقة عاصفة". "إذا كانت الرياح عادة ما تكون في اتجاه الشرق، تبدأ الشجرة في الميل والنمو في هذا الاتجاه."

ولكن رصدت GOLD فقاعات بلازما على شكل حرف C قريبة من بعضها البعض بشكل غير عادي، حيث تفصل بينها حوالي 400 ميل (644 كيلومترًا) فقط، أو المسافة تقريبًا بين بالتيمور وبوسطن، وفقًا لدراسة نشرت في نوفمبر 2023 في مجلة الأبحاث الجيوفيزيائية: فيزياء الفضاء.

وقال ديباك كاران، عالم الأبحاث في مختبر فيزياء الغلاف الجوي والفضاء بجامعة كولورادو: "ضمن هذا القرب الشديد، لم يتم التفكير في هاتين الفقاعتين البلازميتين المتقابلتين من قبل ولم يتم تصويرهما من قبل". يعمل كاران في مهمة GOLD وهو المؤلف الرئيسي لدراسة الشكل C والمؤلف المشارك في دراسة الشكل X.

وقال كاران إن نشاطاً شبيهاً بالإعصار، أو قص الرياح أو الدوامة يمكن أن يخلق اضطراباً في الغلاف الجوي يتسبب في تغيير أنماط الرياح في مثل هذه المنطقة الصغيرة. لكنهم لم يتوقعوا أبداً أن يروا مثل هذه الفقاعات المتضادة في شكل متعاكس قريبة جداً من بعضها البعض.

قال كلينزينغ: "حقيقة أن لدينا أشكالاً مختلفة جداً من الفقاعات بهذا القرب من بعضها البعض تخبرنا أن ديناميكيات الغلاف الجوي أكثر تعقيداً مما توقعنا".

حتى الآن، رصدت GOLD حالتين فقط من حالات الاقتران المتقاربة، لكن الفقاعات على شكل حرف C لديها القدرة على تعطيل الاتصالات.

وقال كاران: "من المهم حقاً معرفة سبب حدوث ذلك". "إذا حدثت دوامة أو قص قوي جداً في البلازما، فإن ذلك سيؤدي إلى تشويه البلازما تماماً فوق تلك المنطقة. وستفقد الإشارات تماماً مع حدوث اضطراب قوي كهذا."

وقال كاران إن هذه الدوامات، التي يمكن أن تستمر لساعات، تشبه الأعاصير التي تحدث في الغلاف الجوي السفلي للأرض، لكن اللغز الذي يبدو أن العلماء لا يستطيعون حله هو كيف تتشكل هذه الهياكل في الغلاف الأيوني خلال "وقت الهدوء".

وقال: "إن كشف لغز تشكيلات فقاعات البلازما هذه ليس مجرد فضول علمي فحسب، بل له أهمية عملية أيضاً للتخفيف من الآثار السلبية على أنظمة الاتصالات والملاحة".

وأشار كاران إلى أن محاولات فهم كيفية تشكل الفقاعات بالقرب من بعضها البعض باستخدام أدوات النمذجة الحالية لم تنجح. وأعرب عن أمله في أن يتمكن المجتمع العلمي من خلال نشر البحث وإدراج جميع آليات التكوين المحتملة من التكاتف لحل هذا اللغز.

كيف يمكن أن تساعد البيانات في تحسين الاتصالات؟

تُعد بعثة GOLD مناسبة تماماً لالتقاط ميزات غير متوقعة في الغلاف الأيوني بسبب مدارها. وقال لاسكار إنه في حين أن بعثات الأقمار الصناعية السابقة لم تتمكن من التقاط سوى جزء صغير من الحدث في بُعد واحد، يمكن لـ GOLD التقاط صور متعددة للحدث على مدار ساعات. ويتوقع أن يتم الكشف عن المزيد من الميزات المدهشة في بيانات GOLD في المستقبل.

وقال كاران: "بفضل هذه الرؤية الواسعة والقياسات المستمرة، أتاحت لنا GOLD رصد هذه الألغاز داخل الغلاف الأيوني".

وقال إن هناك العديد من الأسئلة التي لا تزال دون إجابة حول هذه الطبقة من الغلاف الجوي، مثل كيفية تأثير التغيرات في الغلاف الجوي السفلي والنشاط الشمسي على حركة الجسيمات المشحونة في الغلاف الأيوني.

وبالنظر إلى أن العواصف الشمسية يمكن أن تزداد بسبب اقتراب الشمس من ذروة دورتها التي تستمر 11 عامًا، والتي تسمى بالحد الأقصى الشمسي، فإن علماء الفلك يريدون أيضًا فهمًا أفضل لكيفية تغير تركيبة الغلاف الأيوني أثناء الأحداث لأن التزايد المفاجئ للجسيمات المشحونة يمكن أن يزيد من السحب على الأقمار الصناعية ويقصر من عمرها، كما قال كاران.

وقال إن التيارات الكهربائية تتدفق أيضاً في الأيونوسفير، ويمكن أن تؤدي زيادة التيار الكهربائي أثناء العواصف الشمسية إلى إتلاف خطوط النقل والمحولات الأرضية على الأرض.

وخلال العاصفة المغناطيسية الأرضية التي ضربت الأرض في 10 مايو/أيار الماضي، ذكرت شركة جون ديري للجرارات الزراعية أن بعض العملاء الذين يعتمدون على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للزراعة الدقيقة قد تعرضوا لعطل.

"وقال تيم ماركيز، كبير مديري المنتجات في شركة جون ديري في بيان له: "تركز التأثير الأكبر على الصناعة الزراعية على أنظمة التوجيه بنظام تحديد المواقع العالمي لتحديد المواقع. "تعمل أجهزة استقبال النظام العالمي لتحديد المواقع عندما يتم استقبال إشارة على فترات منتظمة، مثل إيقاع المسرع، من قمر صناعي في المدار. أثناء العواصف الشمسية، تصطدم هذه الإشارة بـ "ضباب" من الجسيمات المشحونة ويمكن أن تضيع. ولا يمكن للأجهزة أن تعرف مكانها بدقة بفضل هذا التداخل."

وقال لاسكار إن النتائج المعلقة من دراسات بيانات GOLD خلال العاصفة المغناطيسية الأرضية في 10 مايو يمكن أن تساعد علماء الفلك في تطوير نظام للتنبؤ بالطقس الفضائي.

وقال: "أحد الأشياء التي نحتاجها هو نظام للتنبؤ بالطقس الفضائي يمكن أن يخبرنا متى سنواجه مشاكل مع إشارات نظام تحديد المواقع العالمي ومتى قد تحتاج مدارات الأقمار الصناعية إلى تعديلها لتجنب الاصطدامات الكارثية".

إن فقدان إشارة نظام التموضع العالمي على الأرض ليس فقط مزعجاً للأشخاص الذين يحاولون العثور على موقع لم يسبق لهم الذهاب إليه. فإشارات الملاحة تستخدم على نطاق واسع في الشحن والنقل والزراعة والبناء أيضاً.

وقال كاران إنه عندما تتسبب الفقاعات أو القمم أو العواصف الشمسية في تعطيل توزيع البلازما في الغلاف الأيوني، يمكن أن تتغير الإشارات اللاسلكية التي تمر عبر طبقة الغلاف الجوي أو تضيع أو تتلاشى.

وقال: "يمكن أن تكون هناك تأثيرات مهددة للحياة بسبب الفقدان المفاجئ لإشارات نظام تحديد المواقع العالمي في الطائرات والسفن والسيارات، وهو أمر مخيف حتى تخيله".

يمكن أن تساعد مفاهيم GOLD ومفاهيم البعثات المستقبلية العلماء على فهم أفضل للظواهر الكامنة وراء هذه السمات X و C التي لوحظت مؤخرًا - بل وربما حتى التنبؤ بمثل هذه التغييرات قبل حدوثها في الغلاف الأيوني.

وقال لاسكار: "إن أحد التحديات التي تواجه الباحثين في الغلاف الأيوني هو أن نكون قادرين في نهاية المطاف على التنبؤ بديناميكياتها مسبقاً"، "حتى نكون مستعدين لفقدان إشارة النظام العالمي لتحديد المواقع وانقطاع الاتصالات عبر الأقمار الصناعية."