گسترش شتابناک و نگران کننده آنومالی مغناطیسی اطلس جنوبی

مشاهدات طولانی‌مدت ماهواره‌ای نشان می‌دهد لکه‌ای ضعیف در سپر مغناطیسی زمین بر فراز اقیانوس اطلس جنوبی طی دهه گذشته به‌طور قابل‌توجهی گسترش یافته است. تحلیل‌های تازه از داده‌های مأموریت Swarm آژانس فضایی اروپا (ESA) نشان می‌دهد که این آنومالی از سال 2014 تاکنون تقریباً به وسعتی معادل نیمی از قاره اروپا رشد کرده است؛ رشدی که عامل اصلی آن تغییر جریان‌های عمیق داخل سیاره است.

نقطه‌ی ضعیفی اسرارآمیز که همچنان در حال رشد است

آنومالی اطلس جنوبی (South Atlantic Anomaly یا SAA) که نخستین بار در قرن نوزدهم در جنوب‌شرقی قارهٔ آمریکای جنوبی شناسایی شد، ناحیه‌ای است که شدت میدان مغناطیسی در آن به‌طور چشمگیری کمتر از نقاط دیگر زمین است. با استفاده از یازده سال اندازه‌گیری دقیق و پیاپی از مجموعه ماهواره‌های Swarm، دانشمندان روندی پیوسته از گسترش این ناحیهٔ ضعیف را در بازهٔ زمانی 2014 تا 2025 مستندسازی کرده‌اند. به‌ویژه از حدود سال 2020 ضعیف‌شدن SAA در بخشی از اقیانوس اطلس در جنوب‌غربی آفریقا شتاب گرفته و در عمل مساحت آن را به‌اندازه‌ای افزوده که با تقریب می‌توان گفت نزدیک به نیمی از اروپا را به خود اختصاص داده است.

آنومالی اطلس جنوبی نه تنها یک کنجکاوی ژئوفیزیکی است، بلکه پیامدهای عملی قابل‌توجهی برای عملکرد سیستم‌های فضایی و فناوری‌های وابسته به میدان مغناطیسی دارد. ماهواره‌هایی که از این ناحیه عبور می‌کنند با شارهای بالاتری از ذرات باردار پرانرژی محصور شده در مغنطرکر این کره روبه‌رو می‌شوند و در نتیجه آسیب‌پذیری مدارات الکترونیکی، حسگرها و سامانه‌های ناوبری افزایش می‌یابد. بنابراین ردیابی موقعیت، اندازه و شدت SAA برای برنامه‌ریزی مأموریت‌ها و کاهش ریسک‌های مرتبط با مدارهای کم‌ارتفاع زمین ضروری است.

مأموریت Swarm نخستین صورت‌بندی رصدگر مغناطیسی ESA است که به‌منظور جدا‌سازی سیگنال‌های مغناطیسی ناشی از هسته، گوشته، لایه‌های سطحی زمین، اقیانوس‌ها، یونوسفر و مگنتوسفر طرح‌ریزی شده است. سه ماهوارهٔ یکسان این مجموعه، رکوردهای پُر‌پیوستگی و با وضوح بالا فراهم می‌آورند که برای تفکیک و آشکارسازی منابع مختلف میدان مغناطیسی و پیگیری تغییرات طولانی‌مدت سپر محافظ زمین ضروری‌اند.

Swarm نخستین صورت‌بندی ماهواره‌ای رصد زمین از ESA است که برای اندازه‌گیری سیگنال‌های مغناطیسی ناشی از هسته، گوشته، پوسته، اقیانوس‌ها، یونوسفر و مگنتوسفر طراحی شده و داده‌هایی را فراهم می‌آورد که به دانشمندان امکان مطالعهٔ پیچیدگی‌های میدان محافظ زمین را می‌دهد. 

چه چیزی در هسته رخ می‌دهد: لکه‌های شار معکوس و حرکت به سوی غرب

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

گسترش ناهنجاری مغناطیسی آتلانتیک جنوبی و پیامدها

ماهواره‌هایی که میدان مغناطیسی زمین را ردیابی می‌کنند، از گسترش یک «فرورفتگی» در سپر مغناطیسی سیاره...

منشا میدان مغناطیسی زمین در هستهٔ خارجی مایعِ آهنی قرار دارد که تقریباً 2900 تا 3300 کیلومتر زیر سطح واقع شده است. همرفت در این سیال هادی الکتریکی جریان‌های الکتریکی تولید می‌کند که به‌نوبهٔ خود میدان ژئومغناطیسی را می‌سازند. جریان‌های هسته‌ای ذاتاً آشفته و زمان‌متغیرند و الگوهایی پیچیده و دگرشونده پدید می‌آورند که از مدل سادهٔ یک دیپل مغناطیسی شبیه آهنربای میله‌ای فاصله دارند.

محققان رفتار نامعمول SAA را به پدیده‌هایی معروف به لکه‌های شار معکوس (reverse flux patches) در مرز میان هستهٔ خارجی و گوشتهٔ سنگی نسبت می‌دهند. در این نواحی خطوط میدان مغناطیسی که معمولاً از هسته به بیرون ساطع می‌شوند، به‌جای خروج، به سمت درون هسته خم می‌شوند. پروفسور کریس فینلی از دانشگاه فنی دانمارک که سرپرست تحلیل‌هاست، اشاره کرده یکی از این لکه‌های شار معکوس در حال حرکت به سمت غرب و عبور از ناحیهٔ آفریقاست که سبب تضعیف سریع‌تر میدان در آن بخش می‌شود. این رفتار ناهمگن نشان می‌دهد آنومالی یک بلوک یکپارچه و یکنواخت نیست، بلکه تکه‌تکه‌ای پویا است که در جهات مختلف، به‌ویژه به سمت آفریقا و آمریکای جنوبی، تغییرات متفاوتی نشان می‌دهد.

درک دقیق‌تر این جریان‌ها و تعامل‌شان با گوشته نیازمند مدل‌سازی عددی پیشرفته از دینامیک هسته و همچنین دانستن هدایت الکتریکی گوشته است؛ پارامتری که توزیع و گسترش لکه‌های شار معکوس را تحت تأثیر قرار می‌دهد. به‌علاوه، پدیده‌هایی مانند «جهش‌های ژئومغناطیسی» (geomagnetic jerks) و تغییرات ناپایدار نرخ پیشرفت تغییرات طولانی‌مدت (secular variation) می‌توانند نقش مهمی در بازآرایی‌های سریع‌تر میدان ایفا کنند.

آنومالی اطلس جنوبی در سال 2025 در مقایسه با 2014

اهمیت آنومالی برای ماهواره‌ها و عملیات فضایی

آنومالی اطلس جنوبی بیش از یک پدیدهٔ صرفاً علمی است: پیامدهای عملیاتی قابل‌توجهی برای سخت‌افزار فضایی به‌همراه دارد. ماهواره‌هایی که از این منطقه عبور می‌کنند در معرض نرخ‌های بالاتری از ذرات پرانرژی گرفتار در کمربندهای تشعشعی زمین قرار می‌گیرند؛ این ذرات می‌توانند باعث رخدادهای تک‌‌رویدادی (single-event upsets) در حافظه‌ها و پردازشگرها، کاهش عملکرد سنجش‌گرها، قطع‌های موقت و پیری شتاب‌یافتهٔ قطعات شوند. برای مهندسان و برنامه‌ریزان مأموریت، رصد و به‌روزرسانی مداوم نقشه‌های تابش و مشخصات مکانی-زمانی SAA بخش مهمی از مدیریت ریسک برای فضاپیماهای مدار پایین زمین است؛ از جمله ماهواره‌های علمی، ارتباطی و سیستم‌های حامل انسان.

فراتر از ایمنی ماهواره‌ها، تغییرات میدان مغناطیسی زمین بر سامانه‌های ناوبریِ وابسته به مدل‌های مغناطیسی تأثیر می‌گذارد و پاسخ آسمان‌تاب‌ها (شفق‌های قطبی) و کمربندهای تشعشعی به وضعیت هوافضایی را دگرگون می‌کند. رفتار پویا که مأموریت Swarm ثبت کرده بر ضرورت پایش پیوسته و به‌روزرسانی مدل‌های عملیاتی مورد استفاده در هوانوردی، حمل‌ونقل دریایی و خدمات موقعیت‌یابی (ژئولوکیشن) تأکید می‌کند؛ به‌ویژه برای سرویس‌هایی که به پیش‌بینی دقیق تغییرات انحراف مغناطیسی (magnetic declination) و میدان سطحی نیاز دارند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

محدودیت جدید در شیمی هسته: کربن به عنوان عامل انجماد

محدودیت جدید در شیمی هسته: کربن به‌عنوان عامل انجماد طرحی کارتونی از زمین با برش که...

اقدامات متداول کاهش خطر شامل طراحی سخت‌افزار مقاوم در برابر تابش (radiation-hardening)، استفاده از حافظه‌های با تصحیح خطا، تدوین استراتژی محافظت نرم‌افزاری برای واکنش به رخدادهای تک‌رویدادی، تغییر زمان‌بندی عملیات حساس و برنامه‌ریزی مسیرهای مداری برای کاستن زمان سپری‌شده در داخل نواحی پرتابش است. به‌علاوه، به‌روزرسانی پیوستهٔ نقشه‌های تابشِ مداری که از داده‌های Swarm و رصدهای زمینی تأمین می‌شود، برای شرکت‌های ماهواره‌ای و سازمان‌های فضایی حیاتی‌ است.

سوابق یک دهه و بیش‌تر Swarm: تداوم بی‌سابقه

مجموعه سه‌تایی ماهواره‌های Swarm که در 22 نوامبر 2013 به‌عنوان بخشی از برنامهٔ Earth Explorer آژانس فضایی اروپا پرتاب شدند، طولانی‌ترین رکورد پیوستهٔ فضایی اندازه‌گیری‌های ژئومغناطیسی تاکنون را فراهم آورده‌اند. این ماهواره‌ها که در ابتدا به‌عنوان نمونه‌های فناوری طراحی شده بودند، مدت‌ها فراتر از طول عمر برنامه‌ریزی‌شدهٔ خود کار کرده و اکنون در تهیهٔ مدل‌های جهانی میدان مغناطیسی، رصد وضعیت هوافضایی و پژوهش در دینامیک هسته اهمیت حیاتی یافته‌اند.

داده‌های Swarm پایهٔ مدل‌های عملیاتی میدان مغناطیسی هستند که در ناوبری و خدمات موقعیت‌یابی به‌کار می‌روند و در جداسازی سیگنال‌های ناشی از هسته، پوسته و محیط فضایی نقش محوری دارند. انجا سترومه (Anja Stromme)، مدیر مأموریت Swarm در ESA، گزارش داده که کنستلاسیون در وضعیت سالمی قرار دارد و امید می‌رود مشاهدات تا فراتر از 2030 ادامه یابد؛ دوره‌ای که نزدیک شدن به حداقل خورشیدیِ بعدی امکان اندازه‌گیری‌های بسیار پاک‌تری از میدان هسته را فراهم می‌آورد، زیرا فعالیت‌های یونوسفر و مگنتوسفر در حداقل خورشیدی کاهش می‌یابند و نویزهای فضایی کمتر می‌شود.

حفظ چنین پایگاه طولانی‌مدتی در داده‌ها اهمیت بالایی برای صحت مدل‌های بلندمدت دارد و به محققان امکان می‌دهد تغییرات آهسته و ناگهانی را هم‌زمان بررسی کنند. ترکیب داده‌های Swarm با رصدهای زمینی، مشاهدات از مأموریت‌های دیگر و مدل‌سازی عددی، دیدگاهی یکپارچه نسبت به فرآیندهای عمیق درون زمین فراهم می‌آورد و امکان بهبود پیش‌بینی نوسانات میدان را افزایش می‌دهد.

بلندترین نقاط مغناطیسیِ در حال جابه‌جایی: سیبری بزرگ‌تر، کانادا کوچک‌تر

تحلیل‌های اخیر Swarm نشان می‌دهد میدان مغناطیسی لزوماً در سطح جهانی ضعیف نشده است؛ بلکه برخی نواحی تقویت شده‌اند. در نیم‌کرهٔ شمالی دو ناحیه با میدان قوی در اطراف کانادا و سیبری حضور دارند؛ در نیم‌کرهٔ جنوبی نیز ناحیه‌ای قوی در بخش‌هایی از جنوب دیده می‌شود. از زمان پرتاب Swarm، ناحیهٔ میدان قوی سیبری تقریباً معادل 0.42% از سطح زمین گسترش یافته که این افزایش با اندازهٔ گرینلند قابل‌مقایسه است، در حالی که ناحیهٔ میدان قوی کانادا حدود 0.65% از سطح سیاره کاهش یافته که وسعتی مشابه هند دارد.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

ناهنجاری جنوب آتلانتیک و پیامدهای آن برای ماهواره ها

در گستره آسمان میان آمریکای جنوبی و جنوب‌غربی آفریقا یک نقطه ضعف کنجکاو و در حال...

این توزیع‌های مجدد با رانش قطب مغناطیسی شمالی به‌سوی سیبری مرتبط است و توسط جریان‌های پیچیده در هسته هدایت می‌شود. توازن متغیر بین این نواحی با میدان قوی تأثیر مستقیمی بر انحراف مغناطیسی (magnetic declination) و نقشه‌های ناوبری دارد و می‌تواند سامانه‌هایی را که هنوز به مراجع مغناطیسی وابسته‌اند، متاثر سازد. برای مثال خطوط هوایی و کشتی‌رانی که از اطلاعات مدل‌های مغناطیسی استفاده می‌کنند نیازمند به‌روزرسانی‌های مکرر جهت جلوگیری از خطاهای ناشی از جابه‌جایی منابع میدان هستند.

دیدگاه کارشناسان

دکتر مایا پاتل، ژئوفیزیکدانی که در دینامیک هسته تخصص دارد، دیدگاه خود را دربارهٔ اهمیت پایش مداوم این‌چنین بیان می‌کند: "هسته مانند یک موتور آشوبناک است. تغییرات کوچک در الگوهای جریان می‌تواند ویژگی‌های مغناطیسی سطح را ظرف چند سال بازآرایی کند. خط مبنای طولانی Swarm تنها راهی است که می‌توانیم این بازآرایی‌ها را در زمان واقعی ردیابی کرده و در مدل‌هایی که صنعت و علم از آن‌ها استفاده می‌کنند وارد کنیم. بدون این رکورد مستمر، ما نسبت به پیش‌نشانه‌های ظریف بازآرایی‌های بزرگ‌تر کور خواهیم بود."

اظهارات دکتر پاتل بر نقش کلیدی نگهداری طولانی‌مدت داده‌ها برای تدوین مدل‌های پیش‌بینی تأکید می‌کند؛ مدل‌هایی که می‌توانند برای پیش‌بینی رخدادهایی همچون وارونگی‌های میدان (field reversals) یا کنارزدن‌های موقتی جهت میدان (excursions) و همچنین برای آماده‌سازی اقدامات حفاظتی برای سامانه‌های فضایی مورد استفاده قرار گیرند.

زمینهٔ علمی و گام‌های بعدی

گسترش مشاهده‌شدهٔ SAA پیوند میان حرکت‌های سیال در هسته و میدان مغناطیسی را که در سطح و نزدیک‌فضا اندازه‌گیری می‌کنیم، برجسته می‌سازد. برای تبدیل مشاهدات به توانایی پیش‌بینی، دانشمندان رکوردهای ماهواره‌ای را با مدل‌های عددی جریان هسته و هدایت‌پذیری گوشته ترکیب می‌کنند. ادامهٔ عملیات Swarm همراه با رصدخانه‌های زمینی و مأموریت‌های آینده، درک ما را از پدیده‌هایی مانند جهش‌های ژئومغناطیسی، تغییرات سکولار و روندهای بلندمدت به سوی وارونگی یا جابه‌جایی‌های میدان بهبود خواهد بخشید.

برای آژانس‌های فضایی و اپراتورهای ماهواره، اولویت‌های فوری شامل به‌روزرسانی نقشه‌های تابش مداری، سخت‌سازی سیستم‌های حساس و بهینه‌سازی برنامهٔ مداری برای کاهش زمان حضور در نواحی با تابش بالا است. برای پژوهشگران، SAA یک آزمایشگاه طبیعی فراهم می‌آورد تا دینامیک هسته را در عمل مطالعه کنند و مدل‌هایی را آزمون بزنند که فرآیندهای عمیق زمین را به پیامدهای هوافضایی و آب‌وهوافضایی پیوند می‌دهند.

هر چه رکورد Swarm طولانی‌تر شود، توانایی ما در رصد تکامل سپر نامرئی زمین افزایش می‌یابد. این دید پیوسته و دقیق نه تنها برای علم بنیادی اهمیت دارد، بلکه برای انجام وظیفهٔ عملی حفاظت از ماهواره‌ها و خدماتی که جوامع مدرن به آن‌ها وابسته‌اند نیز ضروری است. از منظر کلان‌تر، درک بهتر پراکندگی میدان مغناطیسی و پیش‌بینی تغییرات آن می‌تواند به کاهش ریسک‌های اقتصادی و عملی مرتبط با زیرساخت‌های فضایی و زمینی بینجامد؛ موضوعی که با توجه به رشد روزافزون خدمات فضایی و وابستگی جوامع به این خدمات، از اهمیت مضاعفی برخوردار شده است.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

راز «لکه سرد» اقیانوسی جنوب گرینلند؛ نشانه ای از تغییرات جریان اقیانوسی و پیامدهای جهانی

بیش از یک قرن است که لکه‌ای سرد در آب‌های جنوب گرینلند، برخلاف روند جهانی افزایش...