ثورة في الشمس وتغير مناخ الأرض

ثورة في الشمس وتغير مناخ الأرض

ا.د. مسلم شلتوت

أستاذ بحوث الشمس والفضاء

رئيس مركز بحوث الفضاء والطاقة

جامعة المنوفية ـ مدينة السادات

جمهورية مصر العربية

شهدت الفترة من 19 أكتوبر حتى 4 نوفمبر 2003 نشاط غير طبيعي للشمس حيث بلغت قمة هذا النشاط يوم 29 أكتوبر 2003، حيث بلغ رقم وولف للبقع الشمسية مقدار 330 وبلغ متوسط الإشعاع الراديوي على الطول الموجي 10.7سم مقدار 300 وحدة فيض شمسي وهما من أعلى المعدلات للنشاط الشمسي منذ بداية القرن الحادي والعشرين.

ولو أن قمة النشاط الشمسي للدورة 23 كانت في مايو 2001 إلا أن علماء فيزياء الشمس وتأثيرها على الأرض قد لاحظوا أن هناك قمتين للنشاط في الشمس خلال الخمس دورات الأخيرة لها في النصف الثاني للقرن العشرين ويكون الفاصل الزمني ما بين القمة الأولى والقمة الثانية هو عامين في المتوسط.

وما حدث في أكتوبر ونوفمبر 2003 هو القمة الثانية للنشاط في الشمس، وهو نفس ما حدث في الدورة 22 فقمة هذه الدورة كانت في عام 1989 بينما شهد عام 1991 أعنف انفجارات في الشمس خلال القمة الثانية للدورة 22 .

إن الانفجـارات الشمسيـة التي حدثت خلال الفترة من 29 أكتوبر حتى 4 نوفمبر 2003 هي الأعنف منذ رصد هذه الانفجارات في الفضاء بالأقمار الصناعية عام 1976.

وتسمى هذه الإنفجارات الشمسية ـ الانفجارات البروتونية ـ نظراً لأن البروتونات هي المكون الأساسي للدقائق المشحونة التي تقذفها الشمس نتيجة لهذه الانفجارات والتي قد تزيد طاقتها عن 10 ³² أرج وتسبح هذه البروتونات على هيئة سحابة بسرعات عالية قد تصل إلى ألف كيلومتر في الثانية إلى أن تصطدم بطبقة الماجنتوسفير للأرض وتؤدي إلى اضطرابات في المغناطيسية الأرضية والتي قد تؤدي إلى اضطراب في البث الإذاعي والتليفزيوني والاتصالات وتؤثر على الأقمار الصناعية في مداراتها كما أن لها تأثير على خطوط أنابيب البترول وشبكات توزيع الكهرباء عند خطوط العرض العالية كما أنها تزيد جرعات الأشعة المؤينة على ركاب الطائرات العابرة لأقطاب الأرض والتي تطير على ارتفاعات عالية.

لقد سجلت الأقمار الصناعية الأربع Celias, Soho PM, Mtof ثمانية سحابات من الأشعة المؤينة الناتجة عـن الانفجارات الشمسيـة خلال الفتـرة من 19 أكتوبر حتى 4 نوفمبر 2003 كانت الأولى يوم 22 أكتوبر بسرعة 760 كيلو متر في الثانية، وفي يوم 24 أكتوبر سحابة ثانية بسرعة 620 كيلو متر في الثانية ، ثم سحابة ثالثة بسرعة 700 كيلو متر في الثانية يوم 28 اكتوبر.

ثم شهد منتصف يوم 29 أكتوبر حتى منتصف يوم 31 أكتوبر وصول أربع سحابات متتالية من الأشعة المؤينة القادمة من الشمس وبسرعات هائلة بلغت 950 كيلومتر في الثانية، أما السحابة الثامنة فقد وصلت إلى قمة الغلاف الجوي للأرض (الماجنتوسفير) يوم 4 نوفمبر 2003 وبسرعة مقدارها 630 كيلو متر في الثانية. ولقد كان لهذه الانفجارات العنيفة وما يتبعها من سحابات تقذفها الشمس للفضاء الخارجي بسرعات وطاقات عالية والتي تظل تسبح في الفضاء ما بين الكواكب حتى تقابل الأرض إذا كانت في مسارها وتنتج ما يسمى بالعواصف الأرضية المغناطيسية أهمية كبيرة أثناء الحرب الباردة ما بين الاتحاد السوفييتي والولايات المتحدة الأمريكية أهمية كبيرة لأنها كانت من الممكن أن تقطع الاتصال ما بين الصاروخ العابر للقارات والمحمل برؤوس نووية والمحطة الأرضية التي توجهه مما يؤدي إلى خطأ كبير في إصابة الهدف. لذلك كانت دراسة هذه الانفجارات الشمسية وما يتبعها من سحب فضائية مؤينة وعواصف أرضية مغناطيسة ذات أهمية قصوى وكانت معظم الدراسات تجرى في معامل السلاح الجوي الأمريكي US Air Force في محاولة لإمكانية التنبؤ بهذه الانفجارات والسحابات والعواصف المغناطيسية الأرضية قبل وصولها للأرض.  

         

هناك اتجاه خلال العقود الأخيرة من القرن العشرين بأن النشاط في الشمس يلعب دور هام في تغير مناخ الأرض وذلك لسببين :

أولا : ثابت الإشعاع الشمسي

          مع بداية قياس الإشعاع الشمسي عن طريق الأقمار الصناعية فقد اتضح أن هناك تغير في ثابت الإشعاع الشمسي بحيث أنه يكون في سنوات القمة أعلى منه في سنوات الهدوء للنشاط في الشمس وهذه الزيادة تؤدي إلى تغير في مناخ الأرض ويستدل البعض على تزايد درجة حرارة الغلاف الجوي للأرض خلال القرن العشرين من تزايد النشاط في الشمس خلال هذا القرن فهناك بجانب دورة الإحدى عشر عام اتجاه عام للزيادة في النشاط في دورة أكبر ولقد تم ثبوت هذه الدورات الأكبر التي تبدأ من عدة عشرات من السنين إلى آلاف السنين وذلك من دراسة الدورات القصيرة والطويلة الأمد في تركيز الكربون المشع C14  ويعتقد البعض أننا مقبلون على زيادة في النشاط في الشمس خلال القرن الحادي والعشرين مما سيؤدي إلى زيادة في ثابت الإشعاع الشمسي وبالتالي ارتفاع درجة حرارة جو الأرض. هذا غلاف تأثير الصوبة البلاستيكية.

ثانيا : الانفجارات الشمسية البروتونية .

هناك اتجاه علمي الآن بأن الأشعة الكونية المجرية (القادمة من أعماق المجرة) تلعب دور هام في تكون السحب وقد تم التوصيل لهذه المعلومة في رصد كل السحب في الغلاف الجوي للأرض ومراقبتها عن طريق الأقمار الصناعية وفي ذات الوقت دراسة الأشعة الكونية والرياح الشمسية بالأقمار الصناعية.

وبما أن هناك علاقة ارتباط عكسية ما بين الرياح الشمسية والأشعة الكونية فإن ازدياد النشاط في الشمس سواء بالبقع الشمسية أو الانفجارات البروتونية ذات الطاقة العالية يؤدي إلى زيادة الرياح الشمسية من ناحية الكثافة والسرعة مما يؤدي إلى طرد الأشعة الكونية بعيداً عن الأرض، لذلك تقل السحب في حالة حدوث الانفجارات الشمسية البروتونية وينتج عنها الآتي :

1ـ زيادة شفافية الغلاف الجوي للأرض وذلك لقلة السحب وزيادة كمية الإشعاع الشمسي الواصل لسطح الأرض.

2ـ تغيير بروفيل درجات الحرارة والرطوبة والضغط لطبقات الجو العليا المقاسة بالبلونات وذلك بعد حدوث الانفجارات الشمسية البروتونية.   

3ـ حدوث عواصف مغناطيسية أرضية تؤدي إلي تغير العناصر المغناطيسية الأرضية لعدة أيام بعد حدوث الانفجار الشمسي البروتوني.

وقد أظهرت الدراسات ثبوت معظم هذه العلاقات عند خطوط العرض العالي في شمال روسيا ودول اسكندنافيا.

وجاري دراستها عند خطوط العرض المتوسطة في وسطه أوروبا كما هو الحال في معهد بحوث الفضاء النمساوي بمدينة جراز بالنمسا.

ويجب أن يكون هناك مشروع يهدف إلي معرفة تأثير النشاط في الشمس والتغير في ثابت الإشعاع الشمسي على تغير مناخ المنطقة العربية عند خطوط عرض مخفضة تتراوح ما بين صفر إلي ثلاثة وثلاثين درجة عرض شمال.

وذلك باستخدام أرصاد دولية عن الشمس والأشعة الكونية والرياح الشمسية مقاس معظمها بالأقمار الصناعية.

بجانب دراسة أرصاد المناخ من حوالي مائة محطة لقياس العناصر المناخية المختلفة موزعة بانتظام على المنطقة العربية.

ومنها محطات لقياس عناصر المناخ في طبقات الجو العليا المقاسة بالبالونات وذلك لمعرفة تغير بروفيل الحرارة والرطوبة والضغط مع الارتفاع في طبقات الجو العليا للتربوسفير، بعد حدوث انفجارات شمسية عنيفة يكون فيضها من الدقائق المشحونة يزيد عن ألف وحدة pfm وطاقاتها أعلى من عشرة مليون إلكترون فولت.

كما تهتم الدراسة بتغير الإشعاع الشمسي مع دورة الإحدى عشر عام للنشاط الشمسي وذلك للمحطات التي تقيس الإشعاع الكلي في مناطق جافة غير مأهولة بكثافة سكانية كالواحات وذلك في المحطات التابعة لوزارة الزراعة والمياه. حيث أن المنطقة العربية سواء الجزيرة العربية أو صحراء شمال أفريقيا هي المنطقة المثلى لمثل هذه الدراسة .. ومعرفة مقدار التغير المناخي الذي يحدث في مناخ المنطقة خلال النصف الأول من القرن الحادي والعشرين.   

تأثير النشاط في الشمس على تغير المناخ في الأرض يعتبر أحد الموضوعات العلمية الهامة التي استحوذت على اهتمام الكثير من علماء المناخ وعلماء الفيزياء الشمسية ـ الأرضية في العقد الأخير من القرن العشرين وحتى الآن.

فهناك من ينادي الآن من علماء الفضاء بأن الأشعة الكونية هي حلقة الوصل ما بين تأثيـر النشاط في الشمس على تغير المناخ. حيث أشاد العالميين الدنماركيين Henrik Svensmark , Eigil Friss  Christensen  بأن تغير الأشعة الكونية وتكون السحب على مستوى العالم هو الحلقة المفقودة في العلاقة ما بين نشاط الشمس وتغير المناخ وذلك في بحثهما المنشور عام 1997.

كما أن العالم الروسي  M.I. Pudovkin وآخرين في عام 1996 قاموا باختبار تأثير الدقائق المشحونة الصادرة من الانفجارات الشمسية بطاقة أعلى من 90 مليون إلكترون فولت فقد رصدوا أن هناك بعد عشر ساعات من حدوث الانفجار في الشمس سخونة في طبقة التروبوسفير للأرض وبرودة في طبقة الأستراتوسفير كما رصدته محطة سودانكيلا بفنلندا لطبقات الجو العليا بالبالونات.

كما أن Pudovkin  وMorozova  في عام 1997 قد قاما بحساب تغير الحرارة مع الارتفاع في الغلاف الجوي القريب من سطح الأرض عن طريق أرصاد البالونات في المنطقة القطبية الشمالية بعد حدوث انفجار بروتوني في الشمس.

في عام 1992 قام Babushkina, Pudovkin بدراسة تغير شفافية الجو في مناطق خط عرض مختلفة أثناء حدوث العاصفة المغناطيسية الأرضية.

وقد لوحظ أن الإشعاع الشمسي المقاس عند سطح الأرض عند منتصف النهار (الظهر) قد زاد بمقدار 0.1 كالوري / سم² دقيقة ما بين خطي عرض 60^o   إلى 70^o   أثناء العاصفة المغناطيسية الأرضية ولكن عند خط عرض 50^o  لم يظهر هذا التأثير. ولقد لوحظ بأن شفافية الغلاف الجوي متزامن مع نقصان شدة الأشعة الكونية القادمة من المجرة.

وفي عام 1998 قام كل من Veretenenko و Pudovkin  التغير الجوي في طبقاته السفلى القريبة من سطح الأرض وعلاقتها بالظواهر الكونية في محطة روسية لقياس الإشعاع الشمسي خلال الفترة الزمنية 1961 ـ 1986. وقد لوحظ أن الأشعة الكونية القادمة من المجرة وظواهر الفجر القطبي (الأورورا) والانفجارات الشمسية تؤدي إلى نقصان الإشعاع الشمسي في المناطق ذات خطوط العرض العالية نتيجة لتزايد كمية السحاب في مناطق الدراسة.

وفي عام 1998 قام كل من Vertenenko , Pudovkin بدراسة التغير السنوي للإشعاع الشمسي في مناطق خطوط العرض العالية والتي تقع ما بين 65 ^o و 68^o وتأثير هذا التغير على دورات Circulation  الغلاف الجوي القريب لعالم الأرض. ولقد اتضح أن قيمة الإشعاع الشمسي الواصل لسطح الأرض له علاقة سلبية بالأشعة الكونية المجرية. عند خطوط العرض العالية وقد تم ملاحظة ذلك عند المحطات التي تسجل أكبر كمية من السحاب.

وقد أدى زيادة الإشعاع الشمسي الواصل لمناطق ذات خطوط عرض عالية خلال العام إلى نقصان ملحوظ في شدة الدورات circulation المنطقية في المواسم الباردة. وهذا يعني أن كمية الطاقة الشمسية الواصلة لخطوط العرض العالية تتأثر بشكل واضح بالأشعة الكونية المجرية وهذا يشكل عامل مهم في ديناميكا التروبوسفير، كما أن يمكن اعتباره بأن المصدر الطاقي المحتمل للتغيرات طويلة الأمد للتأثيرات الناتجة عن نشاط الشمس على دورات circulation الغلاف الجوي للأرض.

وفي عام 1995 قام كل من Veretenenko  و Pudovkin بدراسة تأثيرات ما يسمى بظاهرة تناقص فوربش Forbush-decreases للأشعة الكونية المجرية على السحاب في المناطق ذات خطوط العرض المختلفة. ولقد لوحظ أن معظم هذا التأثير يحدث عند خطوط العرض العالية ما بين 60^o و 64^o شمال ويختفي عند خطوط العرض المنخفضة. وفي منطقة الأيرورا فإن ظاهرة Forbush – decreases نتيجة لأشعة إكس الناتجة عن ترسب الإلكترونات.

ولقد لوحظ بأن تغير كمية السحاب المصاحب لظاهرة Forbush decreases  في حالة الأشعة الكونية المجرية مرتبط مع السحاب من النوع Cirrus والذي يتكون في طبقات الجو ذات الارتفاع الذي يسمح بوصول دقائق مشحونة كونية ذات طاقة حوالي ألف مليون إليكترون فولت.

ولقد لوحظ أن التغيرات التي تحدث في كمية السحاب الكلي تؤثر على كمية الإشعاع في الطبقات السفلى للغلاف الجوي للأرض والتي تؤثر بدورها على الدورات Circulation في هذه الطبقات.

وفي عام 1991 قام كل من Babushkin, Pudovkin بدراسة تأثير دورات الغلاف الجوي Circulation response  للانفجارات الشمسية والاضطرابات المغناطيسية الأرضية الناتجة عنها. وقد وجد أن الانفجارات الشمسية تسبب زيادة في شدة الدورات المحلية في حزام خط العرض ما بين 45 ^o و 65^o شمال ، بينما الاضطرابات المغناطيسية تكون مصاحبة لنقصان شدة الدورات Circulation. كما تم استنباط قيمة الطاقة اللازمة لإنتاج تغيرات في الدورات يمكن ملاحظاتها.

وفي عام 1995 قام Veretenenko, Pudovkin بدراسة كمية السحاب والتي تتبع ظاهرة Forbush – decrease  للأشعة الكونية المجرية في أحزمة خط العرض المختلفة وقد تمت ملاحظة أن النقصان في كمية السحاب يتركز في الحزام الواقع ما بين خطي عرض 60^o و 64^o شمال ويختفي في خطوط العرض المنخفضة كما أن التأثير في منطقة الأيرورا القريبة من القطب الشمالي أقل منه في المناطق المحيطة بها.

وقد لوحظ أن التغيرات في كمية السحاب المصاحبة لظاهرة Forbush– decrease تكون مرتبطة بطريقة رئيسية بوجود السحب من النوع cirrus  عند الارتفاعات في الغلاف الجوي التي يمكن الوصول إليها ببروتونات تزيد طاقتها عن ألف مليون إليكترون فولت.

وفي عام 1998 قام Veretenenko, Pudovkin بدراسة العلاقة ما بين الانفجارات الشمسية وتغير شدة الأشعة الكونية وحالة الغلاف الجوي القريب من سطح الأرض. وقد لوحظ أن الانفجارات الشمسية تؤدي إلى تقليل نسبة الإشعاع الواصل لسطح الأرض. 

أما ظاهرة Forbush decreases  نتيجة للأشعة الكونية المجرية فإنها تؤدي إلى زيادة شدة الإشعاع الشمسي عند خط عرض 60 ^o . هذا التغير في الإشعاع الشمسي تم اقتراح بأنه نتيجة لتشتته ببعض الطبقات (سواء متجانسة أو في هيئة سحاب) عند ارتفاع حوالي عشرة كيلومترات.

والتغير طويل المدى للإشعاع الشمسي يعتمد على طور دورة النشاط في الشمس (إحدى عشر عام) وفي عام 2000 فإن Bazilevskaya وآخرين اعتبروا بأن الأشعة الكونية المجرية هي عامل الربط في الغلاف الجوي للأرض. حيث تؤدي هذه الأشعة الكونية المجرية إلى تغير معدل الأيونات في الغلاف الجوي للأرض. والأيونات قد تؤثر على الظواهر الجوية من خلال الآتي:

1ـ تفاعلات كيميائية مبنية على الشحنات الكهربية.

2ـ تكون نقاط المطر وبلورات الثلج على أساس الشحنات الكهربية.

3ـ تأثيرها على التيار الذي يتبع الدائرة الكهربية الكلية للأرض.

          ويعتبر النقطتان الأخيرتان في حاجة لإثبات الارتباط بين تغير الواسع المدى للعناصر المناخية وتغيرات فيض الأشعة الكونية المجرية.

وفي عام 2000 نشر Crooker بأنه خلال العقود الأخيرة ثبت أن هناك نقاط كثيرة في علم فيزياء الشمس والأرض والارتباط بينهما وأنه أصبح من الممكن التنبؤ بالعواصف المغناطيسية الأرضية الناتجة من الانفجارات الشمسية.