چگونه آب و هوای فضا به شفق های قطبی در آسمان نیرو می دهد و شبکه های برق روی زمین را تهدید می کند

نوشته سانجی کومار، مارک مولدوین، مکالمه

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

شفق قطبی یکی از دیدنی ترین نمایش های نوری طبیعت است: به نظر می رسد پرده های سبز یا قرمز در آسمان شب موج می زند. وقتی از روی زمین به این صفحه نمایش رنگارنگ نگاه کنید، ممکن است بسیار دور به نظر برسد و ارتباطش با هر اتفاقی که روی سطح زمین اتفاق می افتد، ندارد.

اما در حالی که این نمایشگرهای زیبا بخشی از فرآیند بسیار بزرگ تری هستند که به نام «آب و هوای فضایی» شناخته می شود - تغییرات در محیط فضایی زمین ناشی از فعالیت خورشید - آنها به شدت به جریان های الکتریکی متصل هستند که می توانند در زیر پای شما از زمین عبور کنند.

آب و هوای فضا می‌تواند منظره‌ای در آسمان ایجاد کند، در حالی که جریان‌های الکتریکی را نیز هدایت می‌کند که می‌تواند به شبکه‌های برق و سایر سیستم‌های تکنولوژیکی روی زمین آسیب برساند. فیزیکدانان فضایی مانند ما می خواهند بفهمند که چگونه آب و هوای فضا می تواند بر زیرساخت های زمین تأثیر بگذارد.

تحقیقات ما نشان می‌دهد که یک رویداد هوای فضایی به نام زیر طوفان، که طی آن انرژی در ده‌ها هزار مایل دورتر از زمین آزاد می‌شود، می‌تواند در عرض چند دقیقه بر روی زمین تأثیر بگذارد. قدرت ضربه بسته به عرض جغرافیایی و ساختار خاک و سنگ زیر پای شما می تواند از مکانی به مکان دیگر متفاوت باشد. این یافته ها در مجله تحقیقات ژئوفیزیکی: فیزیک فضایی منتشر شده است.

زمین دائما در باد خورشیدی غوطه ور است: جریانی از ذرات باردار که از خورشید به بیرون می ریزند. گاهی اوقات، خورشید فوران بسیار بزرگتری به نام پرتاب جرم تاجی منتشر می کند.

این ابر ذرات باردار و میدان های مغناطیسی به سادگی به زمین "اصطکاک" نمی کند و بلافاصله باعث خرابی شبکه برق می شود. در عوض، می تواند زنجیره ای از فرآیندها را در فضا راه اندازی کند که می تواند تهدیدی برای شبکه های برق باشد.

اول، زمانی که پرتاب جرم تاج به زمین می رسد، ذرات باردار و میدان های مغناطیسی که حمل می کند با مگنتوسفر زمین تعامل دارند. مگنتوسفر ناحیه ای از فضای اطراف زمین است که میدان مغناطیسی آن بر آن مسلط است.

اگر میدان مغناطیسی پرتاب جرم تاج به روش خاصی جهت‌گیری شود، می‌تواند با میدان مغناطیسی زمین در سمت رو به خورشید متصل شود. سپس باد خورشیدی این خطوط میدانی متصل را به دور زمین از خورشید می برد و آنها را به فضای پشت زمین می کشاند. این فرآیند یک ناحیه طولانی از خطوط میدان مغناطیسی کشیده به نام دم مغناطیسی را تشکیل می دهد.

انرژی مغناطیسی در دم مغناطیسی انباشته می شود زیرا باد خورشیدی به فشار دادن خطوط میدان به فضا دورتر می شود - تا زمانی که به اندازه کافی نزدیک شوند تا دوباره به هم وصل شوند. سپس انرژی ذخیره شده در یک فرآیند انفجاری به نام طوفان فرعی آزاد می شود. این رهاسازی در سمتی از زمین که رو به خورشید است، در فاصله 28000 تا 40000 مایلی (45000 تا 65000 کیلومتری) از زمین رخ می دهد.

در طول طوفان فرعی، ذرات پرانرژی در امتداد خطوط میدان مغناطیسی به سمت زمین شلیک می کنند. هنگامی که این ذرات با اتم های اکسیژن و نیتروژن در اتمسفر فوقانی، در حدود 56 تا 93 مایل (90 تا 150 کیلومتر) بالای سر برخورد می کنند، شفق درخشانی تولید می کنند.

این ذرات پرانرژی همچنین جریان های الکتریکی قوی را در جو فوقانی زمین هدایت می کنند. تغییرات سریع در این جریان ها می تواند باعث شود که میدان مغناطیسی زمین در سطح زمین به شدت تغییر کند.

این میدان‌های مغناطیسی در حال تغییر می‌توانند جریان‌های الکتریکی را در زمین و خطوط برق القا کنند و به طور بالقوه به ترانسفورماتورها آسیب برسانند و قطع کننده‌های مدار را قطع کنند.

تیم ما می‌خواست دریابد که شفق چقدر با اختلالات میدان مغناطیسی زمین مرتبط است و چه مدت طول می‌کشد تا اختلال منتشر شده در دم مغناطیسی به سطح زمین برسد.

ما دو رویداد شفق قطبی را با ترکیب داده‌های فضاپیمای ناسا - از جمله THEMIS، تاریخچه زمانی رویدادها و فعل و انفعالات در مقیاس کلان در طول طوفان‌های فرعی و GOES NOAA، ماهواره‌های محیطی عملیاتی زمین‌ایستا - با داده‌های شبکه متراکم مغناطیس‌سنج‌ها در سراسر قطب شمال کانادا که تغییرات میدان مغناطیسی زمین را اندازه‌گیری می‌کنند، به تفصیل بررسی کردیم. این تغییرات در میدان مغناطیسی می تواند جریان های الکتریکی را در زمین و خطوط برق ایجاد کند.

مشاهدات یک توالی واضح را نشان داد. هنگامی که این خطوط میدان مغناطیسی کشیده شده در سمت شب ناگهان دوباره به هم وصل شدند، فضاپیما یک تغییر ناگهانی در میدان مغناطیسی و انفجاری از ذرات باردار در حال حرکت به سمت زمین را ثبت کرد. حدود هفت دقیقه بعد، میدان مغناطیسی روی زمین به سرعت شروع به تغییر کرد. اثرات این آزاد شدن انرژی، ده ها هزار مایل دورتر، در عرض چند دقیقه به سطح زمین رسید.

شفق قطبی و آشفتگی زمین در همه جا به یکباره ظاهر نمی شوند. در مشاهدات ما، آنها از عرض های جغرافیایی پایین تر شروع شدند و سپس طی 20 تا 30 دقیقه آینده به سمت قطب شمال گسترش یافتند.

با این حال، ایستگاه های ژئومغناطیسی نزدیک اغلب پاسخ های بسیار متفاوتی را ثبت می کنند. ایستگاه هایی که ده ها تا صدها مایل از هم فاصله دارند می توانند نوسانات مغناطیسی قوی را در یک مکان و نوسانات ضعیف را در مکان دیگر ببینند. این تفاوت به شدت جریان‌ها در جو فوقانی زمین و شرایط محلی بستگی دارد - از جمله اینکه اتمسفر بالایی تا چه حد رسانای الکتریکی بالای سر است و زمین زیر ایستگاه مغناطیسی چقدر رسانا است. این رسانایی اتمسفر می تواند با نور خورشید و فعالیت شفق متفاوت باشد، در حالی که هدایت زمین به زمین شناسی و سطوح رطوبت محلی بستگی دارد.

دیدن یک شفق تماشایی به طور خودکار به این معنی نیست که زمین زیر آن قوی ترین اختلالات مغناطیسی یا جریان الکتریکی را تجربه می کند.

تاریخ نشان می دهد که آب و هوای فضا خطر واقعی برای زیرساخت های فضا و زمین دارد. طی یک طوفان ژئومغناطیسی در مارس 1989، مردم شاهد شفق‌های قطبی تماشایی تا جنوب تگزاس بودند، در حالی که تغییرات سریع در میدان‌های مغناطیسی به فروپاشی سیستم برق هیدرو-کبک کمک کرد. بیش از 6 میلیون نفر در یک شب سرد زمستانی حدود 9 ساعت برق را از دست دادند. با خاموش شدن چراغ های شهر، شفق قطبی حتی تماشایی تر به نظر می رسید.

ترکیب مشابهی در طوفان های هالووین اکتبر 2003 رخ داد. شفق های قطبی آسمان سراسر اروپا را روشن کردند، در حالی که جریان های ژئومغناطیسی باعث خاموشی حدود 50000 نفر در مالمو، سوئد شد.

اخیرا، طی طوفان ژئومغناطیسی می 2024 - قوی‌ترین طوفان ژئومغناطیسی در بیش از دو دهه اخیر - جریان‌های ناشی از ژئومغناطیسی بر شبکه برق در جنوب سوئد فشار آوردند و یک پیوند انتقال را مجبور به قطع شدن و قطع موقت جریان برق از طریق آن بخش از شبکه کردند.

پیش‌بینی‌های آب‌وهوای فضا می‌توانند ساعت‌ها قبل از رسیدن فعالیت خورشیدی به زمین به اپراتورهای شبکه‌های برق هشدار داده و به آن‌ها زمان بدهند تا شرایط شبکه را نظارت کنند و برای اختلالات احتمالی آماده شوند. اما اثرات طوفان های فرعی، از جمله خطرات احتمالی برای شبکه های برق، پس از تعامل باد خورشیدی با محیط مغناطیسی زمین ایجاد می شود. تحقیقات ما نشان می‌دهد که این اثرات در مقیاس‌های زمانی دقیقه‌ای آشکار می‌شوند.

دفعه بعد که شفق در آسمان شب موج می زند، به یاد داشته باشید که نور رنگارنگی که بالای سر می تابد تنها بخشی از یک فرآیند بزرگتر است. در ده‌ها هزار مایل دورتر، انتشار انفجاری انرژی مغناطیسی ممکن است به تازگی رخ داده باشد. در عرض چند دقیقه، اثرات آن می تواند به زمین برسد.

زیبایی شفق قطبی و خطر قطع شدن شبکه برق ناشی از جریان های نامرئی در بالا و پایین، دو چهره یک رویداد آب و هوایی فضایی هستند.

سانجی کومار و همکاران، بررسی اختلالات ژئومغناطیسی در فاز انبساط زیر طوفان‌های قوی، مجله تحقیقات ژئوفیزیک: فیزیک فضا (2025). DOI: 10.1029/2025ja034553

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →

این مقاله با مجوز Creative Commons از The Conversation بازنشر شده است. مقاله اصلی را بخوانید.