أشكال الشفق القطبي: تم اكتشاف "الشفق القطبي المطري" من الأرض لأول مرة  

تم التأكد من أن الشفق القطبي العملاق الذي شوهد من الأرض في ليلة عيد الميلاد عام 2022 هو الشفق القطبي المطري. كانت هذه أول مراقبة أرضية للشفق القطبي للمطر. على عكس الشفق القطبي النموذجي الذي يحركه الإلكترونات الساقطة المخزنة في الذيل المغناطيسي للغلاف المغناطيسي للأرض، يتكون الشفق القطبي من الإلكترونات التي تنتقل مباشرة من الإكليل الشمسي إلى المناطق القطبية من الأرض على طول خطوط المجال المغناطيسي المفتوحة لتبلغ ذروتها في "الشفق القطبي". "المطر" هو هطول الإلكترونات الذي يؤدي إلى انبعاث بصري عند تفاعله مع ذرات الأكسجين والنيتروجين في الغلاف الجوي.  

قصة الشفق القطبي، عروض الضوء الملونة المبهرة (تسمى الأضواء الشمالية أو الشفق القطبي في منطقة القطب الشمالي والشفق القطبي الجنوبي أو الشفق القطبي الجنوبي في منطقة القطب الجنوبي) تبدأ في الطبقة الإكليلية من الغلاف الجوي الشمسي. درجة حرارة هذه الطبقة الجوية الشمسية مرتفعة للغاية. بينما درجة حرارة طبقة الفوتوسفير (الذي يتم التعامل معه على أنه سطح الشمس لأن هذا ما يمكننا ملاحظته بالضوء) يبلغ حوالي 6000 كلفن، ويبلغ متوسط ​​درجة حرارة الإكليل ما بين 1 إلى 2 مليون كلفن بسبب "مفارقة تسخين الإكليل". مثل هذه الحرارة المرتفعة تجعل من الهالة طبقة من البلازما شديدة الحرارة. تتكون الرياح الشمسية من جسيمات مشحونة كهربائيًا عالية النشاط (مثل الإلكترونات والبروتونات وجسيمات ألفا والأيونات الثقيلة) تنبعث باستمرار من الطبقة الإكليلية في جميع الاتجاهات بما في ذلك اتجاه الأرض.    

إن الرحلة الخارجية للجسيمات المشحونة النشطة من الشمس إلى الأرض ليست بسيطة ومباشرة. عادة، تنحرف الجسيمات المتأينة عن طريق المجال المغناطيسي للأرض (الغلاف المغناطيسي)، وبالتالي تظل أشكال الحياة والأنظمة الكهربائية على الأرض غير متأثرة بالآثار الضارة للرياح الشمسية.  

ومع ذلك، في حالة القذف الهائل للجسيمات المشحونة من الشمس كما في حالة القذف الكتلي الإكليلي (CMEs)، يصبح الغلاف المغناطيسي للأرض غارقًا وتنتج عاصفة مغناطيسية. تضغط العاصفة على الغلاف المغناطيسي حتى تنكسر وتقذف بعض الجسيمات المشحونة نحو الأرض.  

يسحب النطاق المتراجع للمجال المغناطيسي الإلكترونات الموجودة في الرياح الشمسية إلى المناطق القطبية حيث يتم رصد الشفق القطبي على ارتفاع 100-300 كيلومتر فوق السطح في الغلاف الجوي العلوي. مساهمة البروتونات والأيونات الأخرى في الرياح الشمسية في تكوين الشفق القطبي لا تذكر.  

الشفق القطبي هو في الأساس انبعاثات بصرية من ذرات الأكسجين والنيتروجين المثارة بواسطة إلكترونات نشطة تترسب من الغلاف المغناطيسي على طول خطوط المجال المغناطيسي المغلقة للأرض (يشير ترسيب الإلكترون النشط أو EEP إلى ترسب طاقة الإلكترونات في الغلاف الجوي). إن تفاعل الإلكترونات النشطة مع الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي هو المسؤول عن الألوان الخضراء والحمراء، بينما التفاعل مع النيتروجين يؤدي إلى إنتاج الألوان الزرقاء والحمراء العميقة. 

وهكذا، فإن تكوين الشفق القطبي يكون مدفوعًا بالإلكترونات الساقطة المخزنة في الذيل المغناطيسي (منطقة الغلاف المغناطيسي للأرض التي تجتاحها الرياح الشمسية إلى ذيل واسع في الاتجاه بعيدًا عن الشمس). يتم تنشيط الإلكترونات المخزنة في الغلاف المغناطيسي عن طريق تأثير الرياح الشمسية ثم تترسب في الغلاف الجوي على شكل رشقات نارية في المناطق القطبية لتؤدي إلى ظهور الشفق القطبي.  

أورورا المطر القطبي 

ومع ذلك، نادرًا ما يتشكل الشفق القطبي بواسطة إلكترونات تنتقل مباشرة من الهالة الشمسية إلى المناطق القطبية من الأرض على طول خطوط المجال المغناطيسي المفتوحة لتبلغ ذروتها في هطول الإلكترونات "المطر القطبي". وُجد أن هذا التساقط الإلكتروني يكون كثيفًا عندما تكون كثافة الرياح الشمسية منخفضة. وتكون الانبعاثات الضوئية الناتجة عن مثل هذه الإلكترونات ضعيفة، ويسمى الشفق المتكون بـ "شفق المطر القطبي".  

تمت ملاحظة الشفق القطبي للمطر في مناسبات قليلة من الفضاء بواسطة الأقمار الصناعية. ومع ذلك، لم يتم الكشف عن أي حالة على الإطلاق من قبل المرافق الأرضية.  

في 25^th-26^th في ديسمبر 2022، تم التقاط شفق غير عادي بواسطة الكاميرات الأرضية في منطقة القطب الشمالي عندما اختفت الرياح الشمسية تقريبًا. وكان الشفق الذي لوحظ متجانسًا وضخمًا في الحجم. لم يبدو مثل الشفق النموذجي. الشفق القطبي النموذجي عبارة عن عرض ضوئي مبهر ملون يعرض نمطًا ديناميكيًا من الأضواء التي تشبه قوس قزح. قد تظهر على شكل ستائر أو أشعة أو حلزونات أو ومضات متغيرة. أورورا ثيتا يظهر مثل الحرف اليوناني ثيتا (شكل بيضاوي مع خط يعبر المركز) عند رؤيته من الأعلى بواسطة الأقمار الصناعية. يشار أيضًا إلى شفق ثيتا باسم "الأقواس العابرة للقطب" بسبب ظهور أقواس واسعة النطاق عند رؤيتها من الأعلى. 'أقواس محاذية للشمس.' هي أقواس شفقية صغيرة ومعتمة يتم ملاحظتها من المراصد الأرضية. أحد طرفي الأقواس موجه نحو الشمس ومن ثم يسمى ""أقواس محاذية للشمس". 

كان الشفق القطبي الذي لوحظ في ليلة عيد الميلاد عام 2022 سلسًا ومنتشرًا وضخمًا في الحجم. ولم يكن يبدو مثل الشفق القطبي النموذجي، ومن ثم كان يُعتقد أنه شفق قطبي مطري. ولتأكيد ذلك، قام الباحثون بالتحقيق في ذلك باستخدام بيانات الأقمار الصناعية والبيانات الأرضية.  

وأظهرت صور الأقمار الصناعية أن منطقة الغطاء القطبي كانت فارغة تماما في البداية. بدأ الغطاء القطبي يمتلئ بشفق شفقي خافت منتشر في يوم 25^th ديسمبر. وفي وقت لاحق، سرعان ما أصبحت منطقة الغطاء القطبي بأكملها تقريبًا مغطاة بانبعاثات مكثفة ولكنها أقل تنظيماً. استمر هذا الامتلاء على نطاق واسع للغطاء القطبي بالشفق القطبي المنتشر لمدة 28 ساعة تقريبًا. بدأ الانبعاث المكثف داخل الغطاء القطبي في التلاشي في صباح يوم 26^th وفي شهر ديسمبر وخلال ساعات قليلة، عاد هيكل الشفق القطبي إلى توزيعه الطبيعي وأصبح الغطاء القطبي فارغًا مرة أخرى.  

يحدث هطول الإلكترون للمطر القطبي بشكل عام في نصف الكرة الأرضية واحد فقط اعتمادًا على اتجاه المجال المغناطيسي بين الكواكب (IMF). وأظهرت صور الأقمار الصناعية المتزامنة امتلاء الغطاء القطبي بالكامل في نصف الكرة الشمالي بينما كان الغطاء القطبي في نصف الكرة الجنوبي فارغا. يشير هذا التباين الملحوظ بين نصفي الكرة الأرضية والتوجه المتوقع لصندوق النقد الدولي بقوة إلى أن الشفق القطبي واسع النطاق المكتشف داخل الغطاء القطبي لنصف الكرة الشمالي كان شفقًا قطبيًا مطريًا. كما شوهد عدم التماثل بين نصفي الكرة الأرضية في بيانات الإلكترون. كما أن الارتباط بين توقيت اختفاء الرياح الشمسية وتوقيت امتلاء الغطاء القطبي كان جيدًا جدًا.  

القياسات البصرية من المنشأة الأرضية في مدينة لونجييربين بالقطب الشمالي في 25^th -26^th أظهر شهر ديسمبر أن الإلكترونات عالية الطاقة (> 1 كيلو إلكترون فولت) تشكل المكون الأساسي لهطول الإلكترون. كما لاحظ القمر الصناعي تدفق الإلكترونات عالية الطاقة. ونتيجة لذلك، كان الشفق مرئيًا من الأرض على شكل انبعاثات خضراء زاهية.  

وفي دراسة سابقة، تبين أن الشفق القطبي للمطر يتحرك عكس اتجاه الشمس بسرعة 150 مترًا في الثانية. في حالة الشفق القطبي غير النمطي الذي شوهد في ليلة عيد الميلاد عام 2022، أشار تحليل البيانات البصرية المقطعية إلى أن الشفق ينتشر في الاتجاه المعاكس للشمس ولكن سرعة الشفق كما يُرى من الأرض كانت أسرع مرتين إلى ثلاث مرات.  

وهكذا، فإن الشفق القطبي الموحد العملاق الذي يمكن رؤيته من الأرض ليلة عيد الميلاد عام 2022 كان عبارة عن شفق قطبي مطري. كان هذا أول رصد أرضي للشفق القطبي للمطر، وهو جانب فريد من نوعه للاتصال المعقد بين الشمس والأرض.  

*** 

المراجع:  

1. هوسوكاوا، ك. وآخرون 2024. شفق عملاق بشكل استثنائي في الغطاء القطبي في يوم اختفت فيه الرياح الشمسية تقريبًا. التقدم العلمي. 21 يونيو 2024. المجلد 10، العدد 25. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adn5276  

2. SWPC، نوا. أورورا. متواجد في https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/aurora  

***