الدرع المغناطيسي للأرض

كيف تصدّ الأرض الرياح القادمة من الشمس، وماذا تفعل العاصفة الشمسية

خطوة بخطوة

الأرض مغناطيس

الحديد المنصهر الذي يمور في لبّ الأرض الخارجي يولّد مجالًا مغناطيسيًا. عند سطح الأرض يكون أضعف من مغناطيس الثلاجة بنحو مئة مرة، لكنه يمتد بعيدًا في الفضاء. يبعد قطباه نحو 9° عن المحور الذي تدور حوله الأرض.

في منتصف الطريق تقريبًا إلى مركز الأرض يقع اللب الخارجي: محيط من الحديد السائل تبلغ حرارته آلاف الدرجات. تُبقيه الحرارة الصاعدة من الأسفل في غليان دائم، ويلوي دوران الأرض تياراته في لوالب. والحديد المتحرك يحمل تيارات كهربائية، والتيارات الكهربائية تولّد مجالًا مغناطيسيًا، والمجال يُبقي التيارات جارية: إنه دينامو طبيعي يعمل منذ مليارات السنين.

تُظهر الخطوط هنا شكل المجال، وإبرة البوصلة تصطف على امتدادها. تخرج الخطوط من الأرض في نصفها الجنوبي وتعود إليها قرب الشمال، لذا فالقطب الذي تشير إليه البوصلة هو، بدقة، قطب مغناطيسي جنوبي.

تتجول الأقطاب المغناطيسية، وكل بضع مئات آلاف من السنين في المتوسط ينقلب المجال: يتبادل الشمال والجنوب مكانيهما. وكان آخر انقلاب قبل نحو 780,000 عام. وتسجّل الحمم اتجاه المجال عند تبرّدها، فتحتفظ الصخور القديمة بمذكرات كل انقلاب.

الرياح القادمة من الشمس

الغلاف الخارجي للشمس، أي الهالة، أشد حرارة من سطحها المرئي بمئات المرات، إلى حد أن جاذبية الشمس لا تستطيع الإمساك به. فيتدفق إلى الفضاء في كل الاتجاهات: إنه الرياح الشمسية. تنبأ بها يوجين باركر عام 1958، وأكدتها المركبات الفضائية بعد سنوات قليلة.

الرياح بلازما: غاز شديد الحرارة تكسّرت ذراته إلى جسيمات مشحونة، معظمها بروتونات وإلكترونات. وهي رقيقة للغاية، ليس فيها إلا بضعة جسيمات في حيّز بحجم مكعب سكر، أكثر خواءً من أفضل فراغ صُنع في مختبر. ومع ذلك لا تتوقف أبدًا، وتحمل المجال المغناطيسي للشمس عبر المجموعة الشمسية كلها.

لا تعبر الجسيمات المشحونة خطوط المجال المغناطيسي بسهولة، بل تلتف حولها في لوالب. لذلك يعمل مجال الأرض درعًا يوجّه الرياح حول الكوكب. أما المريخ فليس له مجال شامل كهذا، وعلى مدى مليارات السنين جرّدته الرياح الشمسية من كثير من هوائه.

الدرع

تسير الرياح الشمسية أسرع من أي موجة يمكن أن تسبقها لتنبّهها إلى العائق. لذلك لا تستطيع أن تلتف حول الأرض بسلاسة: فهي تتباطأ فجأة وتسخن عند صدمة القوس، كالموجة التي تتكدس أمام مقدمة قارب مسرع.

بعد الصدمة تنساب الرياح المتباطئة حول حدّ الغلاف المغناطيسي، حيث يتوازن دفعها ودفع مجال الأرض. وهنا حافة الغلاف المغناطيسي، فقاعة الأرض المغناطيسية: في الداخل يتحكم مجال الأرض، وفي الخارج رياح الشمس.

الفقاعة مضغوطة من الجهة المواجهة للشمس وممدودة بعيدًا خلفها، كجورب الرياح. ويتغير حجمها مع الرياح: فحين تهب بقوة أكبر يُدفع حد الغلاف المغناطيسي أقرب إلى الأرض. وفي الفضاء لا يُرى أيّ من الحدّين؛ وهما مرسومان هنا صفائح متوهجة.

ذيل يتجاوز القمر

في الجهة الليلية تسحب الرياح الشمسية مجال الأرض في ذيل طويل هو الذيل المغناطيسي. ولا أحد يعرف طوله بالضبط. فقد وجدته المركبات الفضائية أبعد بكثير من القمر، وربما يمتد إلى أكثر من 15 ضعف بُعد القمر.

في وسط الذيل تمتد صفيحة البلازما، وهي طبقة من جسيمات مشحونة ساخنة. وفوقها وتحتها تتجه خطوط المجال في اتجاهين متعاكسين، مشدودة كأشرطة المطاط وتخزّن طاقة من الرياح الشمسية. وحين ترتد فجأة تضيء تلك الطاقة الشفق، كما ستُظهر خطوة لاحقة.

يقضي القمر نحو ستة أيام كل شهر داخل الذيل، من ثلاثة أيام قبل البدر حتى ثلاثة أيام بعده. وهناك يكون محميًا من الرياح الشمسية، وقد وجدت المركبة اليابانية كاغويا أكسجينًا من أعالي غلاف الأرض الجوي يصل إليه.

أحزمة الإشعاع

يلتف الجسيم المشحون حول خط من خطوط المجال المغناطيسي في لولب. وقرب القطبين، حيث تتقارب الخطوط ويشتد المجال، يضيق اللولب حتى يرتد الجسيم كأنما عكسته مرآة. وهكذا يرتد من قطب إلى قطب في ثانية أو أقل، وهو ينجرف في الوقت نفسه حول الأرض كلها، وقد يبقى محبوسًا سنوات.

يحوي الحزام الداخلي في الغالب بروتونات ذات طاقة هائلة، ويكاد لا يتغير. أما الخارجي فمعظمه إلكترونات ويتغير طوال الوقت: فقد تفرغه عاصفة شمسية أو تملؤه في غضون ساعات.

حمل إكسبلورر 1، أول قمر صناعي أمريكي، عدّادًا للإشعاع صنعه فريق جيمس فان آلن. وفي الأعالي لم يعدّ شيئًا على الإطلاق، وهو ما بدا بلا معنى حتى أظهر إكسبلورر 3 السبب: كان الإشعاع شديدًا إلى حد أغرق العدّاد.

مع تشغيل الصوت، أنت تسمع الأحزمة: موجات راديو سجّلتها مسابر فان آلن التابعة لناسا. تردداتها هي ترددات الأصوات التي نسمعها، لذا يستطيع مكبّر الصوت تشغيلها مباشرة. ومثل هذه الموجات تسرّع بعض الإلكترونات وتُسقط غيرها إلى الهواء.

عاصفة شمسية

البقع الشمسية مناطق أغمق وأبرد يخترق فيها المجال المغناطيسي للشمس سطحها متشابكًا ملتويًا. وحين يرتد مجال ملتوٍ فجأة إلى شكل أبسط يطلق طاقة هائلة: ومضة من الضوء والأشعة السينية تسمى توهجًا، وغالبًا سحابة من الغاز تُقذف في الفضاء بمجالها المغناطيسي الخاص، هي انبعاث كتلي إكليلي.

يصل ضوء التوهج إلى الأرض في نحو ثماني دقائق، أما السحابة فتستغرق من يوم إلى أربعة أيام. تنبّه التلسكوبات التي تراقب الشمس قبل بضعة أيام، لكن قوة السحابة الحقيقية لا تظهر إلا حين تمر بمركبات فضائية متمركزة على بُعد أربعة أضعاف بُعد القمر، قبل أقل من ساعة من وصولها إلينا.

في مايو 2024 كانت مجموعة البقع AR 3664 أعرض من الأرض بأكثر من 15 مرة، كبيرة بما يكفي لتُرى دون تلسكوب بنظارات الكسوف. وكانت الشمس قرب ذروة دورتها ذات الأحد عشر عامًا، وفي 8 و9 مايو أطلقت المجموعة سحابة تلو الأخرى نحو الأرض.

انضغاط

أهم ما في الأمر هو اتجاه المجال الخاص بالسحابة. ففي الجهة المواجهة للشمس يتجه مجال الأرض شمالًا. وحين يتجه مجال السحابة جنوبًا يكون الاثنان متعاكسين فيمكن أن يلتحما، كما يلتصق القطبان المتعاكسان لمغناطيسين. فينفتح الدرع: تتعلق خطوط مجال الأرض بالرياح، فتسحبها فوق القطبين إلى الذيل ضاخّة الطاقة إلى الداخل.

السحابة التي يتجه مجالها شمالًا تنزلق في الغالب جانبًا، وحتى السريعة منها لا تُحدث إلا ضررًا قليلًا. لهذا لا يستطيع المتنبئون معرفة قوة العاصفة إلا حين تصل السحابة إلى المركبات الفضائية التي تنتظرها.

الشفق القطبي الشمالي والجنوبي

لا تبقى الطاقة المكدسة في الذيل هناك. فخطوط المجال المشدودة ترتد نحو الأرض كالمقلاع وتقذف الإلكترونات على امتداد المجال. وتنزل الخطوط قرب القطبين، فتضرب الإلكترونات أعالي الهواء في حلقة حول كل قطب مغناطيسي: إنه بيضاوي الشفق المتوهج هنا.

حين يصطدم إلكترون بذرة أكسجين أو جزيء نيتروجين يمنحه طاقة إضافية تخرج ثانية ضوءًا بلون واحد محدد، كما تتوهج لافتة النيون. الأكسجين يعطي الأخضر. وفي الأعلى، حيث الهواء أرقّ ما يكون، يعطي الأحمر بدلًا منه: فهذا الضوء الأحمر يحتاج نحو دقيقتين ليخرج، وفي الأسفل كان اصطدامٌ سيسرق الطاقة قبل ذلك. أما النيتروجين فيتوهج أزرق وبنفسجيًا.

يتوهج الشفق في الشمال والجنوب في الوقت نفسه، كأنه صورتان متقابلتان في مرآة. وللكواكب الأخرى ذات المجالات المغناطيسية شفق أيضًا: فشفق المشتري أكبر من الأرض كلها.

عاصفة مايو 2024

كانت أقوى عاصفة منذ عام 2003. شوهد الشفق بعيدًا عن القطبين حتى المكسيك والهند وناميبيا، وفي يونيو وجد القمر الصناعي CIRBE التابع لناسا حزامين جديدين من الجسيمات خلّفتهما العاصفة بين حزامي فان آلن.

مع ضخ العاصفة للطاقة، اتسعت حلقات الضوء بعيدًا نحو خط الاستواء، ورأى ملايين الناس الشفق لأول مرة. والتقطت كاميرات الهواتف أكثر مما رأته العيون: فهي تسجل ألوانًا حمراء ووردية خافتة لا تكاد أعيننا تراها ليلًا.

وتطال العواصف الفضائية تقنياتنا أيضًا. فقد انحرفت مواقع GPS، فخرجت الجرّارات الموجّهة بالأقمار الصناعية عن صفوفها في موسم الزراعة الربيعي في أمريكا الشمالية. وانتفخ الهواء العلوي الساخن فكبح الأقمار المنخفضة، واضطر الآلاف منها إلى تشغيل محركاتها للحفاظ على مداراتها.

وخلّفت العاصفة شيئًا جديدًا أيضًا. ففي يونيو وجد القمر الصناعي CIRBE التابع لناسا، وهو بحجم علبة أحذية، حزامين جديدين بين حزامَي فان آلن، في أحدهما بروتونات، وهو تركيب لم يُرَ من قبل. تلاشى حزام الإلكترونات بعد نحو ثلاثة أشهر، أما الآخر فدام أطول بكثير.

ومع ذلك لم تكن أقوى عاصفة مسجلة. ففي عام 1859 أضاء حدث كارينغتون الشفق حتى المناطق الاستوائية وجعل أسلاك التلغراف تقدح شررًا. وعاصفة كهذه اليوم قد تُحدث أضرارًا أكبر بكثير، ولهذا تُراقَب الشمس على مدار الساعة.