به تازگی محققانی که در تحلیل داده‌های دریافتی از ماموریت کلاستر (Cluster mission) با آژانس فضایی اروپا همکاری می‌کنند، دریافته‌اند که قابلیت نفوذ پذیری میدان مغناطیسی زمین از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد بیشتر است. این یافته‌ها به ما کمک می‌کنند خطرات ناشی از اوضاع جوی فضا را مدل‌سازی کنیم و محیط‌های مغناطیسی اطراف مشتری و زحل را بهتر درک نماییم.

ماموریت کلاستر که در سال 2000 آغاز شد، از چهار ماهواره تشکیل شده است که در رئوس یک چهار ضلعی در نزدیکی زمین در حال پرواز هستند. این ماهواره‌ها که دارای مدارهای کاملا بیضوی شکل هستند، قادرند داخل و خارج محیط مغناطیسی سیاره ما را جاروب کنند و یک تصویر سه بعدی از برهمکنش میان بادهای خورشیدی و زمین به دست دهند. بادهای خورشیدی در واقع جریانی از ذرات باردار هستند که از بیرونی‌ترین لایه‌های خورشید به سمت منظومه شمسی می‌وزند. آن‌طور که تصور می‌شود، میدان مغناطیسی زمین همچون سپری از ما در مقابل این بادها محافظت می‌کند. با این حال به خوبی می‌دانیم که اگر جهت میدان مغناطیسی بادهای خورشیدی در خلاف جهت میدان مغناطیسی زمین باشد، خطوط میدان در هم می‌شکنند و سپس طی فرآیندی موسوم به «اتصال مجدد مغناطیسی» به یکدیگر می‌پیوندند. این فرآیند به گازهای یونیزه (پلاسمای) موجود در بادهای خورشیدی اجازه می‌دهد در لایه‌های بیرونی مگنتوسفر زمین رخنه کنند و در نتیجه به سطح سیاره ما برسند.

زمانی که میدان مغناطیسی زمین و میدان مغناطیسی میان سیاره‌ای هم‌جهت هستند، به عنوان مثال در جهت شمال که در شکل با پیکان سفید رنگ نشان داده شده است، امواج کلوین-هلمهولتز در عرض‌های جغرافیایی پایین (استوایی) تولید می‌شوند.

گردابه‌های چرخشی

در سال 2004 داده‌های به دست آمده از کلاستر نشان دادند که ناهمسانی جهت میدان‌های مغناطیسی تنها حالتی نیست که به بادهای خورشیدی اجازه نفوذ در میدان مغناطیسی زمین را می‌دهد: گردابه‌هایی از پلاسما با طول 40000 کیلومتر در لایه‌های بیرونی مگنتوسفر تشخیص داده شدند که گذرگاه‌هایی را به داخل مگنتوسفر ایجاد می‌کنند، حتی زمانی که دو میدان مغناطیسی کاملا هم‌جهت هستند. در سال 2006 محققان به این نتیجه رسیدند که این گردابه‌ها توسط امواج کلوین-هلمهولتز ایجاد می‌شوند. امواج کلوین-هلمهولتز زمانی پدیدار می‌شوند که دو محیط در دو طرف یک مرز با سرعت‌های متفاوتی در جریان باشند. یک مثال در دسترس از امواج کلوین-هلمهولتز بادی است که در نزدیکی مرز بین اقیانوس و هوا می‌وزد. در فضا این مرز را بیرونی‌ترین لایه مگنتوسفر تشکیل می‌دهد که پلاسما در قسمت داخلی آن کندتر از پلاسمای ناشی از بادهای خورشیدی در قسمت بیرونی حرکت می‌کند.

دامنه این ناپایداری‌ها، پس از آنکه ایجاد شد، می‌تواند تقویت شود و خطوط میدان مغناطیسی را در هم بپیچد و باعث ایجاد اتصال مغناطیسی مجدد شود، حتی زمانی که خطوط میدان کاملا هم‌تراز باشند. قبلا تصور می‌شد که این پدیده فقط تحت شرایط خاصی می‌تواند رخ بدهد. آرنائود میسون (Arnaud Masson)، یکی از دانشمندانی که با ماموریت کلاستر همکاری دارد، به physicsworld.com گفته است: « ما فکر می‌کردیم که این پدیده فقط به نواحی خاصی حول استوای زمین محدود شده است.» امروزه تحلیل‌ داده‌هایی که از سال 2003 توسط کلاستر گردآوری شده‌اند نشان می‌دهد که همین اتفاق در عرض‌های جغرافیایی بسیار بالا و در محدوده وسیع‌تری از هم‌ترازی میدان‌ها نیز رخ می‌دهد. در واقع همان‌طور که میسون می‌گوید: « به نظر می‌رسد علی رغم آنکه جهت‌گیری میدان‌های مغناطیسی چگونگه باشد این اثر خودش را در همه زمان‌ها – و نه فقط تحت شرایطی خاص – به خوبی نشان می‌دهد.»

مدل‌سازی اوضاع جوی فضا

دانستن شرایطی که تحت آن‌ها بادهای خورشیدی می‌توانند در سد مغناطیسی زمین نفوذ کنند، نقش مهمی را در مدل‌سازی اوضاع جوی فضا و اثراتی همچون قطع شدن سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) در اثر برهمکنش میدان مغناطیسی زمین با بادهای خورشیدی ایفا می‌کند. میسون توضیح می دهد: « ما باید بدانیم که در چه قسمت‌هایی از سپر محافظتی ما شکاف وجود دارد.» کریس آریج (Chris Arridge) از دانشگاه کالج لندن نیز با میسون موافق است: « به نظر می‌رسد که تعداد روزنه‌های موجود در غربال مغناطیسی زمین از آنچه ما فکر می‌کردیم بیشتر است. اگر ما بخواهیم توانایی پیش‌بینی اثرات جوی-فضایی را گسترش دهیم، باید قادر باشیم محدوده کامل انرژی، جرم و تکانه‌ای را که می‌تواند وارد سیستم شود بشناسیم.»

آریج که در رابطه با برهمکنش میان بادهای خورشیدی و سیاره‌های بیرونی منظومه شمسی پژوهش می‌کند بر این باور است که این تحقیقات می‌تواند درک بهتری از سیاراتی چون مشتری و زحل به ما بدهد: « نقش امواج کلوین هلمهولتز در مگنتوسفر سیارات بزرگ موضوع بحث برانگیزی است. مطالعه مکانیزم امواج کلوین همهولتز زمین می‌تواند به ما در درک بهتر محیط‌های مغناطیسی مشتری و زحل نیز کمک کند.»

منبع:http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/nov/05/earths-magnetic-shield-behaves-like-a-sieve

مرجع:http://www.agu.org/pubs/crossref/2012/2011JA017256.shtml