يقوم العلماء ببناء نموذج رقمي “متطور” للفضاء حول الأرض لتحسين التنبؤ بالعواصف الشمسية وتأثيراتها على البنية التحتية.
بعد مرور ما يقرب من سبعة عقود على عصر الفضاء، ما زال فهم العلماء لـ مناخ الفضاء لا يزال خامًا جدًا. على عكس الطقس الأرضي، الذي يتم التنبؤ به الآن بواسطة أجهزة كمبيوتر عملاقة قوية بدقة كبيرة وفي الوقت المناسب، فإن التنبؤات بالطقس الفضائي أكثر عرضة للفشل والفشل.
في معظم الأحيان، تعني توقعات الطقس غير الدقيقة أن شخصًا ما قد ارتقى إلى مستوى أعلى أورورا– لم تتحقق توقعات المشاهدة. لكن البشرية تعتمد بشكل متزايد على التكنولوجيات المعرضة لأهواء الطقس الفضائي. من انقطاعات الراديو القصيرة إلى نظام تحديد المواقع مثل الاضطرابات وانقطاع التيار الكهربائي الدائم، يمكن للطقس الفضائي أن يدمر حياتنا اليومية – ربما ليس بشكل متكرر مثل الأمطار الغزيرة والعواصف، ولكن بشراسة مماثلة.
يعد النموذج الجديد، الذي طوره فريق من الباحثين بقيادة مختبر الفيزياء التطبيقية بجامعة جونز هوبكنز (APL)، خطوة نحو سد الفجوة بين توقعات الطقس الفضائي والأرضي. ومع ذلك، يعترف العلماء بأن الأمر قد يستغرق عقودًا حتى تتمكن التنبؤات بالطقس الفضائي من اللحاق بالركب بشكل كامل.
متعلق ب: أسوأ العواصف الشمسية في التاريخ
قالت سلافا ميركين، عالمة فيزياء الفضاء في APL ومديرة مركز العواصف الفضائية (CGS) لموقع Space.com: “لا يمكننا التنبؤ بالطقس الفضائي دون أن نفهم أولاً فيزياءه بعمق”. “نحن نبني النموذج ونقوم بالعلم باستخدام النموذج، ومن خلال ذلك نكتشف فيزياء العواصف الأرضية الفضائية.”
الفضاء الجغرافي هو مصطلح يستخدمه العلماء لوصف المنطقة المحيطة بكوكبنا والتي تشمل أرضالغلاف الجوي العلوي والفضاء المحيط به. وقال ميركين إنه من خلال النموذج الجديد، المسمى بيئة الغلاف الجوي والفضاء متعدد النطاقات (MAGE)، يريد الباحثون التقاط العمليات التي تحدث في الفضاء الأرضي على مسافة تصل إلى 1.2 مليون ميل (2 مليون كيلومتر) من الأرض. هذه منطقة شاسعة، تمتد أربع مرات أبعد من الكوكب القمر. لكن تأثير الأرض على الكون يمتد إلى أبعد من ذلك. يمكن تتبع الحافة الخارجية للغلاف المغناطيسي للأرض، أو الذيل المغناطيسي، على بعد حوالي 4 ملايين ميل (6.5 مليون كيلومتر) من الأرض في الاتجاه البعيد عن الأرض. الشمس.
تتولد عن حركة المعادن المنصهرة في الداخل جوهر الأرضيتفاعل الغلاف المغناطيسي مع رشقات نارية الرياح الشمسية — تيارات الجسيمات المشحونة التي تنبعث باستمرار من الشمس. وينتج عن هذا التفاعل أحداث الطقس الفضائي التي نشهدها على الأرض. وقال ميركين إن العملية معقدة للغاية. وهو ينطوي على تفاعلات فيزيائية غير مفهومة تحدث في الغلاف الحراري (ثاني أعلى مستوى من الغلاف الجوي الغلاف الجوي للأرض) والغلاف الأيوني (منطقة متداخلة تحتوي على تركيزات عالية من الجسيمات المشحونة الناتجة عن التفاعلات مع الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس).
وقال ميركين: “التحدي الأول الذي يواجهنا هو التعامل مع هذا النظام بشكل كلي”. “لكن المشكلة هي أن كل مجال من هذه المجالات تحكمه فيزياء مختلفة. فهي مأهولة بمجموعات بلازما مختلفة، وجزيئات غازية مختلفة، وجميعها تشارك في تفاعلات معقدة للغاية، خاصة أثناء العواصف الجيومغناطيسية“.
احتفل الفريق بنجاح كبير في عام 2020 عندما قدم نموذجهم الناشئ رؤى غير مسبوقة حول تشكيل هياكل تشبه حبة في الشفق التي تظهر أحيانًا فوق المناطق القطبية للأرض قبل العواصف المغنطيسية الأرضية الكبرى. كشف نموذج MAGE أن لآلئ الضوء القطبي هذه تنشأ عندما تمتد الخطوط المغناطيسية في الذيل المغناطيسي البعيد بعيدًا عن الكوكب قبل العواصف المغناطيسية الأرضية ثم تقذف فقاعات البلازما الخفيفة نحو الأرض.
لكن هذا الاكتشاف أظهر أيضًا بشكل مناسب صعوبة التنبؤ بالطقس الفضائي. مثل موجة جناح الفراشة، يمكن للعملية الفيزيائية في منطقة بعيدة من الفضاء الأرضي أن تنتج تأثيرات مرئية وقابلة للقياس بالقرب من سطح الأرض.
متعلق ب: عاصفة شمسية قوية تشحن الشفق القطبي وستيف حول العالم (صور)
وقال ميركين: “إن نموذج الكمبيوتر الذي نقوم بتطويره يحتاج إلى أن يكون قادرًا على التقاط العمليات التي تحدث على نطاقات واسعة جدًا، ولكن أيضًا تلك التي تحدث على نطاقات صغيرة جدًا”. “وفي الوقت نفسه، يحتاج الأمر إلى فهم جميع مشاكل الفيزياء المختلفة وفهم كيفية تأثير المجالات المختلفة – الغلاف الجوي السفلي والمتوسط، والغلاف الأيوني والغلاف المغناطيسي – على بعضها البعض.”
وعلى عكس نماذج التنبؤ بالطقس الأرضي، التي تستوعب ملايين القياسات التي يتم إجراؤها يوميًا في جميع أنحاء العالم بواسطة مئات الآلاف من محطات الأرصاد الجوية والطائرات والبالونات عالية الارتفاع، يتعين على MAGE الاكتفاء بنقاط بيانات أقل بكثير.
وقال ميركين: “في أي لحظة من الزمن، لدينا في الواقع عدد قليل جدًا من المركبات الفضائية في هذه المنطقة الهائلة”. “قد تكون القياسات من نقطة إلى نقطة دقيقة للغاية، خاصة مع المركبات الفضائية الحديثة، ولكن ليس لدينا التغطية لمعرفة ما يحدث على مستوى النظام حقًا.”
قصص ذات الصلة:
– الطقس الفضائي: ما هو وكيف يتم التنبؤ به؟
— تساعد العواصف المغناطيسية التاريخية العلماء على معرفة ما يمكن توقعه عندما تضربها
– الخرافات والأساطير والمفاهيم الخاطئة حول أورورا
يستطيع ميركين وزملاؤه الوصول إلى البيانات المتراكمة منذ بداية عصر الفضاء. ومع ذلك، لا تزال هناك فجوات كبيرة. على سبيل المثال، الطبقة السفلى من الغلاف الحراري، والتي تقع على ارتفاعات تتراوح بين 60 و120 ميلاً (100 إلى 200 كيلومتر) وتسمى أحيانًا “الطبقة الحرارية”الجهل“، غير مفهومة كثيرًا. مرتفع جدًا بحيث لا يمكن أن تصل إليه بالونات الستراتوسفير ولكنه منخفض جدًا بحيث لا يمكن للأقمار الصناعية استكشافه، فالغلاف الجاهلي هو المكان الذي يحدث فيه الشفق القطبي. قد يكون MAGE قادرًا على سد بعض هذه الفجوات من خلال الاستفادة من الحوسبة الفائقة القوية والقياسات التفصيلية التي تم إجراؤها بواسطة الأقمار الصناعية أعلى في الغلاف الجوي، بالإضافة إلى معلومات من الرادارات وأجهزة الاستشعار الأخرى على الأرض.
وقال ميركين: “بينما نمضي قدمًا، يصبح النموذج أكثر تعقيدًا”. “نحن نضيف المزيد والمزيد من الفيزياء إليها. والمنتج النهائي سوف يمثل الفضاء الجغرافي في تعقيده النهائي.”
يعترف ميركين بأن الأمر قد يستغرق عقودًا قبل أن يصل الباحثون إلى هناك. إن نمذجة الطقس الفضائي هي مسعى معقد للغاية. يتضمن تعاون MAGE العشرات من مهندسي البرمجيات وعلماء الكمبيوتر والفيزيائيين وغيرهم من الخبراء الذين يعملون في مختبرات الأبحاث في جميع أنحاء الولايات المتحدة، بالإضافة إلى APL، والمركز الوطني لأبحاث الغلاف الجوي، وجامعة نيو هامبشاير، وجامعة رايس، وجامعة فرجينيا للتكنولوجيا، وجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، وشركة Syntek. وتساهم التقنيات في هذا الجهد.