یک طوفان خورشیدی هیولا، یک منطقه حفاظت شده در اطراف زمین را به یک شتاب دهنده ذرات تبدیل کرده است

به نظر می رسد یک ابرطوفان خورشیدی، یک منطقه به طور معمول در پناه زمین در نزدیکی زمین را به یک شتاب دهنده ذرات طبیعی تبدیل کرده است و الکترون ها را به انرژی هایی که قادر به نفوذ به برخی از صفحه های ماهواره هستند، افزایش می دهد.

حفاظت از فضاپیما در برابر تشعشع به معنای درک مکان هایی است که ذرات خطرناک می توانند ظاهر شوند، به ویژه در طول طوفان های خورشیدی قوی. در نزدیکی زمین، تصور می شد که یک مرز نامرئی الکترون های بسیار پرانرژی را از یک منطقه نسبتاً محافظت شده دور نگه می دارد. در طول و پس از ابرطوفان ژئومغناطیسی مه 2024، فضاپیمای آراسه ژاپن که توسط JAXA اداره می شد، تعداد زیادی از آنها را به خوبی در درون خود یافت. انرژی برخی از آنها بیش از سه مگاالکترون ولت بود که برای عبور از برخی محافظ های ماهواره ای کافی بود.

محققان به رهبری دانشگاه ناگویا مشاهدات آراسه را تجزیه و تحلیل کردند تا مشخص کنند که چگونه این الکترون ها در ناحیه ای ظاهر می شوند که معمولاً آنها را حذف می کند. شواهد آن‌ها نشان می‌دهد که ذرات انرژی را در آنجا انباشته کرده‌اند، نه اینکه با انرژی زیاد وارد آن شوند. این تمایز مهم است زیرا به این معنی است که یک خطر تشعشع می تواند در خود منطقه محافظت شده ایجاد شود.

مانع الکترونیکی با منشا نامشخص

میدان مغناطیسی زمین ذرات باردار از جمله پروتون ها و الکترون ها را در دو ناحیه دوناتی شکل به نام کمربند تشعشعی ون آلن به دام می اندازد. این ذرات می توانند به سخت افزار و الکترونیک فضاپیماهای عبوری از کمربندها آسیب بزنند. در لبه داخلی کمربند بیرونی، تقریباً سه برابر شعاع زمین از مرکز سیاره، به نظر می‌رسد پرانرژی‌ترین الکترون‌ها به دیواری نامرئی می‌رسند. در شرایط معمولی، ناحیه داخل این مرز فاقد این الکترون‌های بسیار سریع است.

دانشمندان برای اولین بار این مانع ظاهری را در سال 2014 شناسایی کردند، اما منشا آن هنوز نامشخص است. یکی از توضیحات احتمالی شامل “خشش پلاسموسفری” است، امواج رادیویی با فرکانس پایین که هنگام پخش از طریق بلندگو مانند ایستا به نظر می رسند. این امواج از مگنتوسفر زمین سرچشمه می گیرند، ناحیه ای از فضا که میدان مغناطیسی آن بر آن مسلط است. ارسال‌های رادیویی بسیار کم فرکانس ساخت بشر که برای برقراری ارتباط با زیردریایی‌ها در زیر آب استفاده می‌شوند نیز ممکن است با پراکندگی الکترون‌ها از کمربند تشعشعی در جو زمین به شکل‌دهی مرز کمک کنند.

یوشیزومی میوشی، استاد موسسه مطالعات محیطی فضایی-زمینی دانشگاه ناگویا (ISEE) و نویسنده اصلی این مطالعه گفت: «یکی از سؤالات کلیدی این بود که چگونه این الکترون‌های پرانرژی در داخل سد ظاهر می‌شوند. “آیا آنها از کمربند تشعشع خارجی به داخل منتقل شده اند یا به صورت محلی در آن منطقه شتاب گرفته اند؟”

امواج جیک می توانند الکترون ها را برای روزها شتاب دهند

فعالیت شدید خورشیدی پشت ابرطوفان ماه مه 2024، شفق شمالی را به هوکایدو و تا جنوب استان هیوگو ژاپن آورد. در فضا، طوفان به طور چشمگیری پلاسما کره زمین را فرسایش می دهد، منطقه ای پر از ذرات باردار نسبتا سرد. مرز بیرونی آن به طور غیرمعمولی نزدیک به سیاره عقب نشینی کرد و ناحیه اطراف سد الکترونی معمولی را با پلاسما بسیار کمتر کرد. الکترون‌های داغ‌تر می‌توانند به داخل بیشتر برسند و امواج الکترومغناطیسی طبیعی و با فرکانس پایین به نام امواج کر تولید کنند.

آراسه امواج کر شدیدی پیدا کرد که بارها و بارها از نظر فرکانس بالا می‌رفتند. میوشی گفت: «وقتی به صدا تبدیل می‌شود، مانند آواز پرنده به نظر می‌رسد. این امواج از میدان مغناطیسی زمین عبور می کنند و زمانی که نوسانات آنها با حرکت مارپیچی الکترون ها در اطراف خطوط میدان مغناطیسی مطابقت داشته باشد، می توانند انرژی را به الکترون ها منتقل کنند.

میوشی گفت: «به طور معمول، پلاسماسفر در یک دوره حدود دو روزه بهبود می یابد. با این حال، در طول ابرطوفان می 2024، تقریباً 4.3 تا 4.7 روز طول کشید تا تراکم پلاسما به بیش از نیمی از سطح قبل از طوفان خود در منطقه مشاهده شده بازگردد.

شرایط کم چگالی حاصل برای چند روز ادامه یافت و به طور بالقوه امکان فعالیت موج کر و شتاب مداوم الکترون ها را در داخل سد غیرقابل نفوذ قبلی فراهم کرد.

شواهدی از شتاب در داخل مانع

برای تمایز شتاب موضعی از حرکت الکترون‌های از قبل پرانرژی به سمت داخل، محققان چگالی فضایی فاز الکترون یا PSD را تجزیه و تحلیل کردند. این کمیت نحوه توزیع الکترون ها را بر اساس انرژی و حرکتشان توصیف می کند. این تیم با استفاده از اندازه‌گیری‌های چند مدار آراسه، بررسی کردند که چگونه PSD با فاصله از زمین با محاسبه تغییرات در حرکت الکترون تغییر می‌کند.

یک قله محلی آشکار در نزدیکی مرز سد معمولی ایجاد شد و با گذشت زمان قوی‌تر شد. این اوج صعودی شواهدی را ارائه داد که نشان می‌دهد الکترون‌ها به جای اینکه صرفاً از کمربند تابشی بیرونی به داخل منتقل شوند، در منطقه انرژی می‌گیرند.

میوشی گفت که این یافته ها، منتشر شده در نامه های تحقیقاتی ژئوفیزیکنشان می‌دهد که حتی بخش‌هایی از مدار زمین که نسبتاً از الکترون‌های بسیار پرانرژی محافظت می‌شوند، می‌توانند افزایش قابل‌توجهی در تشعشعات در طول هوای شدید فضایی را تجربه کنند. این مشاهدات همچنین بینشی را در مورد چگونگی واکنش مغناطیس کره زمین به فعالیت شدید خورشیدی ارائه می دهد و ارزش نظارت مستمر محیط فضایی اطراف سیاره را برجسته می کند.

میوشی گفت: «این کشف نیاز به درک و پیش‌بینی چگونگی رفتار الکترون‌های پرانرژی در آب و هوای شدید فضایی را برجسته می‌کند. چنین دانشی برای ارزیابی خطرات تشعشعات برای فضاپیماها و بهبود پیش بینی های آینده آب و هوای فضا مهم است.

مرجع: “شتاب محلی الکترون های چند مگا الکترون ولت در داخل سد نفوذ ناپذیر زمین در طول ابرطوفان ماه مه 2024.” توسط Y. Miyoshi، S. Kurita، A. Shinbori، K. Yamamoto، C.-W. جون، اس. ماتسودا، اس.سایتو، آر. کاتائوکا، دی. وانگ، آی. شینوهارا، تی. تاکاشیما، تی. میتانی، ن. هیگاشیو، آ. ماتسوکا، ی. کاساهارا، اف. تسوچیا، آ. کوماموتو، تی. هوری، ن. کیتامورا، و ام.26 اکتبر20 نامه های تحقیقاتی ژئوفیزیک.
DOI: 10.1029/2026GL125879

این کار توسط انجمن ژاپن برای ارتقاء علم (JSPS) KAKENHI Grants 22K21345، 23K25925، 24K07112، 26K00765، و 26H02088 پشتیبانی شده است.

هرگز پیشرفتی را از دست ندهید: به خبرنامه SciTechDaily بپیوندید.
ما را در Google و Google News دنبال کنید.