تمت كتابة هذا المقال في خضم دورة مدتها 11 عامًا، عندما شهدت الأرض تأثيرات ومؤثرات على الاتصالات الراديوية والطاقة والرحلات الفضائية وحتى الطقس والتنبؤ بنشاط الشمس، لذلك أصبح جوهر الأمر. مناسب أيضًا هذه الأيام بعد ذروة النشاط غير المتوقعة وأكبر بقعة شمسية تم اكتشافها على الإطلاق
بقلم: ليزلي مولن على موقع FIRST SCIENCE. ترجمة: ايلي بن دافيد
يعتقد معظم الناس أن الشمس هي كرة من النار لا ملامح لها ولا تتغير. لكن الشمس لديها في الواقع فصول، أو دورات من النشاط النسبي وعدم النشاط. نحن الآن في منتصف حالة النشاط الأقصى للدورة الشمسية الحالية التي تبلغ 11 عامًا. تعرض الشمس العديد من البقع الشمسية والومضات بشكل يومي. نحن، على الأرض، نشعر بتأثيرات النشاط الشمسي - الاتصالات اللاسلكية، وتوزيع الكهرباء، والسفن الفضائية في المدار، وحتى الطقس - كلها تتأثر.
البقع الشمسية هي مناطق باردة نسبياً على الشمس تظهر على شكل بقع داكنة. يقوم العلماء بإحصاء عدد البقع الشمسية لقياس حجم الدورة الشمسية، وتحديد المدة التي تستغرقها. إذا تمكن العلماء من التنبؤ بنشاط البقع الشمسية مقدمًا، فلن نتمكن من معرفة ما ستفعله الشمس مسبقًا فحسب، بل سيكون من الممكن أيضًا الحصول على فهم أفضل لكيفية عمل الشمس.
قام الدكتور ديفيد هاثاواي، مع روبرت ويلسون وإد ريشمان، بفحص الطرق العديدة التي يتنبأ بها العلماء بنشاط البقع الشمسية. لقد اختبروا كل عملية إحصائية لمعرفة أي منها يعمل بشكل أفضل، ثم قاموا بدمج العمليتين العلويتين لتطوير طريقة تنبؤ أفضل خاصة بهم.
يقول هاثاواي: "هناك العديد من الطرق المختلفة للتنبؤ بدورة البقع الشمسية". "لكن حتى الآن لم تكن هناك دراسة منهجية لتحديد ما إذا كانت إحدى الطرق تعمل بشكل أفضل من الأخرى. وبعد اختبار الأساليب المختلفة، وجدنا أن بعض التقنيات المستخدمة حاليًا عديمة الفائدة بالأساس."
ومن خلال اختبار 15 عملية وطريقة، وجد العلماء أن 8 أو 9 منها كانت أفضل من المتوسط في التنبؤ بـ "الحد الأقصى للطاقة الشمسية" - عندما تكون الشمس في ذروتها. أفضل عمليتين، استخدمتا بشكل أساسي نفس المعلومات - الاضطرابات في المجالات المغناطيسية للأرض.
تقول هاثاواي: "تنتقل الانفجارات (الانفجارات) القادمة من الشمس عبر الفضاء وتضرب الأرض، مما يتسبب في اهتزاز واهتزاز المجالات المغناطيسية".
طورت جوان فاينمان من مختبر الدفع النفاث التابع لناسا إحدى الطريقتين المذكورتين. طور عالم الفلك الأسترالي ريتشارد طومسون الطريقة الثانية. وعلى الرغم من أن العالمين اتبعا نهجًا مختلفًا تجاه البيانات، وقدما نتائج مختلفة، إلا أن كلاهما نظر في كيفية اهتزاز المجالات المغناطيسية للأرض خلال الدورة الشمسية السابقة للتنبؤ بحجم الدورة التالية.
وليس لدى العلماء أي فكرة عن سبب ارتباط النشاط الشمسي السابق بنشاط الدورة القادمة، أو لماذا تساعد استجابة الأرض لهذا النشاط على التنبؤ بالدورة الشمسية. لكن العلاقة تسمح للعلماء بتقدير ما سيجلبه لنا الموسم الشمسي المقبل.
يستخدم النموذج الإحصائي الذي طوره فريق هاثاواي كلاً من عمليات فاينمان وطومسون ويدمجهما باستخدام تقنية المنحنى المناسب. تحاول الأساليب الأولية التي استخدمها فاينمان وطومسون تحديد العدد الإجمالي للبقع الشمسية التي ستظهر قبل بدء الموسم فعليًا.
رسم بياني لرصد نشاط البقع الشمسية
تجد طريقة تركيب المنحنى أفضل منحنى يناسب النشاط الشمسي الحديث. واستنادا إلى سنوات من الملاحظات، طور العلماء مكتبة من المنحنيات التي تتبع متوسط الدورة الشمسية. باستخدام طرق التنبؤ الخاصة بهم، يمكن لفريق هاثاواي اختيار منحنى واحد من هذه المكتبة قبل أن تبدأ الدورة الشمسية، ثم إجراء التعديلات مع تقدم العملية. بالنسبة للدورة الحالية، يتوقع فريق هاثاواي أن يبلغ الحد الأقصى في المتوسط 154 بقعة شمسية مع درجة عدم يقين تبلغ زائد ناقص 20. وهذه التوقعات بها هامش خطأ أضيق من التوقعات السابقة المقبولة على نطاق واسع، والتي تنبأت بحد أقصى 160-شمس بهامش خطأ. خطأ 30.
تقول هاثاواي: "نحن في دورة تكون فيها الشمس نشطة للغاية". "حتى منتصف عام 2001 سنرى عددا من البقع الشمسية يتراوح بين 100 و300 بمتوسط 154". وبعد ذلك سيبدأ الانخفاض التدريجي للنشاط الشمسي حتى الحد الأدنى لمستوى الطاقة الشمسية. وحتى الآن، يبدو أن الشمس تتبع المنحنى الذي اختاره العلماء. تقول هاثاواي: "الحسابات الشهرية تقفز بشكل أساسي في كل مكان". "يجب أن نتذكر أن المنحنى ليس سوى متوسط لما يحدث بالفعل."
في يوم واحد، على سبيل المثال، تم قياس أكثر من 300 بقعة شمسية - أكثر بكثير من المتوسط البالغ 154. ولكن في الأشهر الخمسة التي سبقت ذلك اليوم، لم يكن هناك سوى عدد صغير من البقع الشمسية عما كان متوقعا. يلتقي متوسط عدد البقع الشمسية في المنتصف ليتبع المنحنى الذي اختاره فريق هاثاواي.
بغض النظر عن مدى جودة هذه الطريقة، "فإن النماذج الفيزيائية للتنبؤ بنشاط البقع الشمسية، قبل عدة سنوات، لا وجود لها بعد"، كما تقول هاثاواي. "نحن لا نعرف جيدًا سبب قيام الشمس بذلك، حتى نتمكن من تقديم تنبؤات مثلما يفعل علماء الأرصاد الجوية." يمكن لأخصائي الأرصاد الجوية حساب معلومات عوامل الطقس، مثل درجة الحرارة والضغط الجوي في نموذج كمبيوتر لإنتاج توقعات الطقس الأسبوعية. ليس لدى المتنبئين بالطاقة الشمسية نموذج فيزيائي لأنهم لا يعرفون بعد كيف تعمل جميع عوامل النشاط الشمسي معًا.
نموذج بسيط للشمس يوضح أن سطح الشمس مقسم إلى أربع مناطق. يتم إنتاج الطاقة في قلب الشمس، وتشع هذه الطاقة عبر "المنطقة الإشعاعية" على شكل أشعة جاما وأشعة سينية. في "منطقة الحمل الحراري"، تتدفق السوائل داخل وعاء الغليان. وتظهر حركات هذه السوائل على شكل حبيبات أو حبيبات فائقة على سطح الشمس. وهناك طبقة رقيقة، يعتقد العلماء أن المجالات المغناطيسية للشمس تتولد فيها، وتقع بين المنطقة الموصلة للحرارة والمنطقة المشعة.
تعتقد هاثاواي، إلى جانب معظم علماء الفلك الشمسي، أن المجال المغناطيسي للشمس هو المفتاح لفهم الدورة الشمسية. تتشكل البقع الشمسية عندما يتم تشويه خطوط المجال المغناطيسي، الموجودة أسفل سطح الشمس مباشرة، ودفعها عبر الغلاف الضوئي الشمسي. الغلاف الضوئي - أو "كرة الضوء" - هو السطح المعروف والمرئي للشمس.
الشمس هي في الواقع كرة من الغاز، لذا فهي لا تدور بدقة كما تفعل الكواكب الموجودة على أقمارها. وبدلا من ذلك فإن المناطق الاستوائية من الشمس تدور بشكل أسرع من المناطق القطبية. وبسبب هذا "التيار النفاث" بالقرب من خط الاستواء، فإن المجالات المغناطيسية تحتضن الشمس وتغلفها. يقول هاثاواي: "المجال المغناطيسي يشبه إلى حد كبير الشريط المطاطي". "إن السائل المتدفق داخل الشمس، والذي يسمى "الديناموس"، يمتد ويلف ويطوي الشريط، ويلتف حول الشمس عدة مرات على مدار 11 عامًا. عندما ينحنيها المجال المغناطيسي إلى منطقة التوصيل الحراري، فإنها ترتفع بسرعة إلى السطح. عندما يرتفع، فإنه يتشوه قليلا. وينتج عن ذلك تغير في اتجاه المجال، مما يساعد على تراجع القطبين."
تتراجع الأقطاب المغناطيسية للشمس في سولار ماكسيما. ابتداءً من خط الاستواء، مع تدفق بطيء على السطح، تسحب معها المجالات المغناطيسية نحو القطبين. وعلى العكس من ذلك، تظهر البقع الشمسية لأول مرة في خطوط العرض الوسطى، ثم، في وقت لاحق من الدورة الشمسية، تتجمع بالقرب من خط الاستواء.
تتسبب الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية الإضافية الناتجة عن المجال المغناطيسي حول البقع الشمسية في تسخين الغلاف الجوي لـ KDA وتوسعه. وهذا يخلق قوة مقاومة إضافية (قوة السحب) في المنطقة التي تتحرك فيها الأقمار الصناعية والمكوكات الفضائية في مدارها حول الأرض. يمكن لهذه القوة سحب مثل هذه المركبة الفضائية ببطء خارج المدار في وقت أبكر مما هو مخطط له. كما أن النشاط فوق البنفسجي للبقع الشمسية يزيد من كمية الأوزون في الغلاف الجوي العلوي للأرض.
على الرغم من أن البقع الشمسية هي مناطق باردة نسبيًا، إلا أن الشمس تكون في الواقع أكثر دفئًا عندما تكون موجودة وأكثر برودة عندما لا تكون موجودة. يعتقد العلماء أن عدم نشاط الشمس لفترة طويلة له علاقة مباشرة بدرجات الحرارة الباردة على الأرض. وفي الفترة من 1645 إلى 1715، لاحظ علماء الفلك نشاطًا شمسيًا قليلًا جدًا. تتزامن هذه الفترة الزمنية مع العصر المعروف باسم "العصر الجليدي الصغير"، عندما تجمدت الأنهار والبحيرات في جميع أنحاء أوروبا (وربما العالم كله).
وعلى الرغم من وجود سجل جيد للنشاط الشمسي منذ اختراع التلسكوب عام 1610، إلا أن العلماء بحاجة إلى التحقق من مصادر أخرى لتحديد ما إذا كانت هناك فترات سابقة من النشاط الشمسي. واعتمادًا على كميات الكربون 14 والبريليوم 10 في البيئة، يمكن للعلماء استخدام عينات الجليد الموجودة على الأرض لتحديد مستويات النشاط الشمسي.
تقول هاثاواي: "يمكننا العودة بالزمن إلى الوراء، قبل التلسكوب، من خلال النظر إلى عينات الجليد الأساسية". "بناءً على هذه العينات، اتضح أنه كانت هناك بقع شمسية صغيرة أخرى سابقة."
في عام 1843، وجد عالم الفلك الهاوي هاينريش شوابي أن البقع الشمسية تأتي وتذهب في دورة يمكن التنبؤ بها مدتها 11 عامًا. منذ هذا الإعلان، حاول الكثيرون أن يعزو جميع أنواع الأحداث التي تحدث على الأرض إلى الدورة الشمسية - حتى أن البعض يعتقد أن الشمس تؤثر على سوق الأسهم على الرغم من عدم وجود دليل على أن النشاط الشمسي يؤثر على الاتجاهات الاقتصادية.
ومن خلال التنبؤ بما ستفعله الشمس في المستقبل، يمكننا الاستعداد بشكل أفضل للتأثيرات العديدة الأخرى التي سيحدثها النشاط الشمسي على الحياة على الأرض.
