10 دقیقه
ماهواره‌هایی که میدان مغناطیسی زمین را ردیابی میکنند، از گسترش یک «فرورفتگی» در سپر مغناطیسی سیاره بر فراز اقیانوس اطلس جنوبی خبر میدهند. دادههای بلندمدت جدید نشان میدهد ناهنجاری آتلانتیک جنوبی (SAA) هم گسترش یافته و هم ضعیف‌تر شده است؛ تغییراتی که حرکت‌های پویایی را در اعماق زمین آشکار میکند — حرکت‌هایی که برای ماهوارهها، سامانههای ناوبری و قرارگیری در برابر تشعشع اهمیت دارند.
چیست ناهنجاری آتلانتیک جنوبی — و چگونه آن را پایش می‌کنیم
ناهنجاری آتلانتیک جنوبی منطقهای بالای اقیانوس اطلس جنوبی و بخشهایی از آمریکای جنوبی و جنوب آفریقا است که در آن میدان مغناطیسی زمین به‌طور غیرمعمولی ضعیف است. این تضعیف میدان باعث میشود ذرات باردار کیهانی و پرتوهای کم‌عمق‌تر فضایی به جو نزدیک‌تر شوند و تعامل قوی‌تری با ماهوارهها و فضاپیماهایی که از این ناحیه می‌گذرند داشته باشند. اثرات شامل افزایش نویز سنسورها، خطاهای یک‌رویدادی الکترونیکی و تجمع بار الکتریکی در سازه‌ها و تجهیزات الکترونیکی است.
برای نخستین بار در دهه ۱۹۶۰ نشانه‌هایی از ناهنجاری در این منطقه دیده شد، اما مطالعهٔ پیوسته و با وضوح بالا تنها پس از پرتاب صورت فلکی Swarm توسط آژانس فضایی اروپا (ESA) در سال ۲۰۱۳ ممکن شد. سه ماهوارهٔ Swarm با همکاری یکدیگر میدان ژئومغناطیسی را نقشه‌برداری میکنند و طولانی‌ترین رکورد پیوستهٔ رفتار میدان را تا کنون فراهم آورده‌اند. از مجموعه زمانی تولید شده، محققان میتوانند تغییرات شدت، شکل و جابجایی ویژگی‌های مغناطیسی مانند SAA را پیگیری کنند و روندهای بلندمدت را از نوسانات کوتاهمدت جدا سازند. این پایش دقیق برای بهروزرسانی مدلهای میدان مغناطیسی و پیشبینی تأثیر بر زیرساخت‌های فضایی حیاتی است.
یافته‌های جدید: رشد، رانش و ساختار تکه‌تکه
تحلیل‌های اخیر Swarm نشان میدهد که SAA از سال ۲۰۱۴ به طرز قابل‌توجهی گسترش یافته — به مساحتی تقریباً به اندازه نصف قارهٔ اروپا — و در عین حال شدت مغناطیسی آن کاهش یافته است. ناهنجاری یک «سوراخ» منفرد و ایستا نیست؛ بلکه شبیه چندین لکهٔ مرتبط است که هر یک به‌طور متفاوتی در طول زمان تکامل می‌یابند و رفتار نقطه‌ای و منطقهای پیچیده‌ای از خود نشان میدهند.
«ناهنجاری آتلانتیک جنوبی فقط یک بلوک ثابت نیست،» می‌گوید کریس فینلی، ژئوفیزیک‌دان دانشگاه فنی دانمارک. «این ناحیه در جهت آفریقا به‌گونه‌ای متفاوت تغییر میکند تا نزدیکی‌های آمریکای جنوبی. چیزی در این بخش رخ میدهد که باعث تضعیف شدیدتر میدان میشود.» این چشم‌انداز نشان میدهد که تحلیل‌های میدانی و مدلهای ژئودینامیکی باید منطقهای و با در نظر گرفتن تغییرات محلی ساخته شوند تا اثرات واقعی بر سازه‌ها و مأموریت‌های فضایی قابل برآورد شوند.
دادههای Swarm یکی از ویژگی‌های غیرعادی شار مغناطیسی را نشان میدهد که به سمت غرب بر فراز آفریقا حرکت میکند؛ تغییری که سهمی در نوسان قدرت SAA در آن بخش دارد. سری تصاویر مقایسه‌ای دیگری تفاوت اندازه و شدت ناهنجاری در سال‌های ۲۰۱۴ و ۲۰۲۵ را برجسته میکند و نشان میدهد چگونه ساختارهای موضعی و رانش‌های عرضی در طول یک دهه ظاهر و تحول یافته‌اند.
اندازه و شدت ناهنجاری در ۲۰۱۴ (بالا) و ۲۰۲۵ (پایین). (ESA)
چه چیزی در اعماق زمین در حال رخ دادن است؟
میدان مغناطیسی زمین منشأیی در هستهٔ خارجی دارد، جایی که آهن مذاب با انتقال الکتریکی همراه است و همزمان هم همرفت میکند و هم می‌چرخد. این «ژئوداینامو» معمولاً میدان را به‌صورت تقریباً دوقطبی تولید میکند — شبیه یک آهنربای میله‌ای با قطب شمال و جنوب — اما میدان واقعی دارای اختلافات منطقهای پیچیده‌ای نیز هست. درست در زیر ناحیهٔ SAA، برخی از شارهای مغناطیسی رفتار غیرمنتظره‌ای نشان میدهند: به‌جای آنکه از هسته به سمت نیم‌کرهٔ جنوبی بیرون بیایند، لکه‌هایی دیده می‌شوند که شار را به داخل هسته بازمی‌فرستند یا به نحوی اسناد شار را قطع میکنند.
یکی از نامزدهای تولید این ناهنجاری‌ها، استانۀ بزرگ با سرعت برشی پایین آفریقا (LLSVP) است: یک منطقهٔ گسترده، داغ و متراکم نزدیک مرز هسته-پوشش زیر آفریقا. ساختارهایی از این دست میتوانند الگوهای همرفتی در هستهٔ خارجی را مختل کنند و تغییرات موضعی در میدان مغناطیسی بالای آن پدید آورند. به عبارت ساده‌تر، آنچه Swarm در فضا آشکار میکند، اثر انگشت فرایندهای پویایی عمیق است که هزاران کیلومتر در زیر پای ما رخ میدهند. مجموعهای از دادههای ژئوفیزیکی — شامل توموگرافی لرزه‌ای، مدلهای گرمایی و شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات رسانا — از جمله ابزارهایی هستند که پژوهشگران برای اتصال تغییرات سطحی میدان به ساختارهای داخلی به کار می‌گیرند.
چرا این موضوع اهمیت دارد: ماهوارهها، ناوبری و تشعشع
- ماهوارهها و الکترونیک: میدان مغناطیسی ضعیف‌تر محافظت در برابر ذرات باردار را کاهش میدهد. ماهواره‌هایی که از SAA می‌گذرند میتوانند دچار افزایش خطاهای یک‌رویدادی (single-event upsets)، نویز در حسگرها یا تجمع بار الکتریکی شوند که عملکرد ابزارها و مدارهای الکترونیکی را تحت‌تأثیر قرار میدهد. این اشکالات میتوانند از افت عملکرد موقتی تا خرابی قطعات حساس را شامل شوند. از همین‌رو، اپراتورهای ماهواره و شرکت‌های سازنده باید برای طراحی تاب‌آوری الکترونیک و پروتکل‌های عملیاتی برنامهریزی کنند.
- سامانههای ناوبری: برخی روش‌های ناوبری هنوز به مراجع ژئومغناطیسی متکی‌اند، به‌ویژه در مواردی که سیستمهای مبتنی بر جی‌پی‌اس با اختلال مواجه شوند یا به‌عنوان افزونهٔ ناوبری مطرح باشند. تغییرات سریع یا نامنظم در میدان میتواند تنظیمات کالیبراسیون را پیچیده کند و نیازمند بهروزرسانی مدل‌هایی باشد که هواپیماها، کشتی‌ها و سیستمهای ناوبری زمینی استفاده میکنند. به‌علاوه، تغییرات محلی در میدان مغناطیسی میتواند خطاهای جهت‌یابی مغناطیسی (compass errors) را افزایش دهد و نیاز به دادههای به‌روز و اصلاح‌شده برای عملیات ایمن فراهم آورد.
- هوانوردی و قرارگیری انسان در معرض تشعشع: فضانوردان و خدمهٔ پروازهای با ارتفاع زیاد در هنگام عبور از مناطق با مغناطیس ضعیف‌تر، مقدار بیشتری پرتو یونیزان دریافت میکنند. هرچند دوزهای افزوده معمولاً کوچک‌اند، اما برای مأموریت‌های بلندمدت فضایی، هواپیماهای پرتردد یا خدمه‌هایی که مکرراً از این مسیرها عبور میکنند، تعیین و مدیریت آن‌ها ضروری است. سازمان‌های فضایی و شرکت‌های هواپیمایی برای حفاظت از افراد و برنامهریزی مأموریت باید دادههای میدان مغناطیسی و پیشبینی تغییرات را مدنظر قرار دهند.
بنابراین درک دقیق SAA تنها موضوعی آکادمیک نیست؛ بلکه نگرانی عملی برای اپراتورهای ماهواره، خطوط هوایی، آژانس‌های فضایی و خدمات ناوبری به شمار می‌آید. مدیریت ریسک، طراحی سخت‌افزار با تحمل خطا، و بهروزرسانی مداوم مدلهای میدان از جمله اقدامات لازم برای کاهش تأثیرات احتمالی است.
جزئیات مأموریت و چشم‌انداز آینده
مأموریت سه‌ماهواره‌ای Swarm به‌صورت ویژه برای حل تغییرات زمانی و مکانی در میدان ژئومغناطیسی طراحی شده است. این ماهوارهها حامل مغناطیس‌سنج‌های برداری و دیگر سنسورهای کمکی هستند که شدت مغناطیسی، جهت و پارامترهای مرتبط را اندازهگیری میکنند. با فراهم آوردن اندازه‌گیری‌های هماهنگ نقطه‌ای در طول زمان، Swarm به دانشمندان کمک میکند نوسانات کوتاهمدت را از تغییرات سکولار بلندمدت جدا کنند و مدلهای دقیق‌تری از رفتار ژئوداینامو بسازند. تولید نقشه‌های زمانی (time series)، فیلتر کردن نویزهای یونوسفری و مغناطیسی خورشیدی و یکپارچه‌سازی دادههای ماهواره‌ای با مشاهدات زمینی از قبیل شبکه‌های مغناطیس‌سنجی، از جمله رویکردهای تحلیلی است.
آنجا سترومّه، مدیر مأموریت Swarm در ESA، اظهار می‌دارد: «دیدن تصویر کلی از زمینِ پویایمان با کمک سری‌های زمانی طولانی Swarm واقعاً شگفت‌انگیز است. ماهوارهها همه سالم‌اند و دادههای بسیار خوبی فراهم میآورند، بنابراین امیدواریم بتوانیم آن رکورد را فراتر از ۲۰۳۰ نیز ادامه دهیم، زمانی که کمینه خورشیدی فرصت‌های منحصر‌به‌فردی را برای درک بهتر سیاره‌مان فراهم خواهد کرد.» این اشاره به چرخهٔ فعالیت خورشیدی است: در کمینهٔ خورشیدی تداخل‌های مغناطیسی ناشی از خورشید کمتر است و اندازهگیری میدان داخلی زمین با دقت بالاتری امکان‌پذیر میشود.
علاوه بر Swarm، پیشرفت‌ها در شبکه‌های زمینی اندازهگیری، مدلسازی کامپیوتری با توان محاسباتی بالا و آزمایش‌های آزمایشگاهی در زمینهٔ دینامیک سیالات رسانا و مغناطیس، به پژوهشگران کمک میکنند فرضیه‌های مربوط به ارتباط بین ساختارهای عمیق پوشش مانند LLSVP و ناهنجاری‌های سطحی میدان را آزمون کنند. مدلهای سه‌بعدی هسته-پوشش، شبیه‌سازی‌های MHD (مغناطیکو-هیدرودینامیکی) و مقایسهٔ نتایج با مشاهدات ماهواره‌ای، ابزارهایی کلیدی برای توسعهٔ یک چارچوب تبیینی قوی‌اند.
نکات تخصصی
دکتر لورا مندس، فیزیک‌دان فضایی که در تحلیل Swarm مشارکت نداشت، زمینه‌ای را ارائه میدهد: «هسته را مانند اقیانوسی آشفته از فلز مایع تصور کنید. گردابه‌های موضعی و ناهنجاری‌های دمایی در مقیاس بزرگ در پوشش میتوانند آن جریان را به گونه‌ای هدایت کنند که میدان مغناطیسی را طی سال‌ها یا دهه‌ها تغییر دهد. آنچه Swarm نشان میدهد، «هواشناسیِ» ژئوداینامو است — و مانند هوا، میتواند سریع، منطقهای و غیرمنتظره باشد.»
یادآوری عملی او این است: «برای مهندسان ماهواره و برنامه‌ریزان مأموریت پیام روشن است — تغییرپذیری مغناطیسی منطقهای را در نظر بگیرید و سیستم‌ها و عملیات را طوری طراحی کنید که بتوانند افزایش موقت فعالیت ذرات باردار را تحمل کنند.» این توصیه شامل استفاده از افزونگی در طراحی، محافظهای الکترومغناطیسی مناسب، نرم‌افزارهای مقاوم در برابر خطا و طرح‌های عملیاتی انعطاف‌پذیر میشود.
با ادامهٔ ثبت‌های زمانی Swarm، دانشمندان انتظار دارند مدلهای پیش‌بینی‌ای را تصفیه کنند که میتواند هشدارهای زودتری دربارهٔ تغییراتی که زیرساخت‌های فضایی را تحت‌تأثیر قرار میدهند ارائه دهد. در حال حاضر، ناهنجاری آتلانتیک جنوبی یادآور روشنی است از اینکه درون زمین و محیط نزدیک-فضای ما همچنان بسیار پویا و به‌هم‌وابسته باقی مانده‌اند؛ و برای نگهداری و توسعهٔ شبکه‌های ماهواره‌ای، خدمات ناوبری و ایمنی انسانی در پرواز و فضا لازم است این پویایی‌ها به‌طور جدی رصد و تحلیل شوند.
منبع: sciencealert
ارسال نظر