Επιστήμονες αποκαλύπτουν τον αναπάντεχο «ένοχο» πίσω από την υπερκαταιγίδα του Μαΐου 2024

Για δεκαετίες, οι ερευνητές διαφωνούσαν σχετικά με το πόσο μέρος του δακτυλιοειδούς ρεύματος προέρχεται από τον ηλιακό άνεμο και πόσο πηγάζει από την ιονόσφαιρα της Γης, το ηλεκτρικά φορτισμένο ανώτερο στρώμα της ατμόσφαιρας.

Επιστήμονες ενεργοποίησαν μια παράξενη νέα μορφή μορφή μαγνητισμού σε υπερλεπτό υλικό

Υπό κανονικές συνθήκες, και οι δύο πηγές συνεισφέρουν κατά τη διάρκεια των γεωμαγνητικών καταιγίδων.  Επειδή μάλιστα το συμβάν του Μαΐου 2024 πυροδοτήθηκε από έναν ασυνήθιστα πυκνό ηλιακό άνεμο, ορισμένοι επιστήμονες περίμεναν ότι τα ιόντα του ηλιακού ανέμου θα διατηρούσαν πρωταγωνιστικό ρόλο.

Αντίθετα, οι απευθείας μετρήσεις αποκάλυψαν ότι η συνεισφορά τους ήταν ελάχιστη. Τα ιόντα γήινης προέλευσης κυριάρχησαν σε βαθμό που δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ στο παρελθόν σε μια γεωμαγνητική υπερκαταιγίδα.

Επιστήμονες ανακάλυψαν ένα μυστηριώδες νέο είδος φιδιού – Γιατί ονομάστηκε Slash

Τον Μάιο του 2024, εκατομμύρια άνθρωποι σε ολόκληρο τον κόσμο έζησαν μια μοναδική εμπειρία.  Το πολύχρωμο σέλας, ένα φαινόμενο που συνήθως περιορίζεται στους παγωμένους πόλους του πλανήτη, εμφανίστηκε ξαφνικά στους ουρανούς περιοχών με πολύ χαμηλότερο γεωγραφικό πλάτος, προσφέροντας ένα σπάνιο και μαγευτικό θέαμα.

Ωστόσο, πίσω από αυτή την απόκοσμη ομορφιά κρυβόταν μια από τις ισχυρότερες γεωμαγνητικές καταιγίδες που έχουν καταγραφεί στη σύγχρονη ιστορία. Καθώς οι πολίτες φωτογράφιζαν τον νυχτερινό ουρανό, ψηλά στην ατμόσφαιρα εξελισσόταν μια αόρατη μάχη.

Μια σειρά από βίαιες ηλιακές εκρήξεις είχαν «σφυροκοπήσει» την ασπίδα της Γης

Και ενώ όλοι πίστευαν ότι ο ένοχος για αυτή την κοσμογονική αναταραχή ήταν αποκλειστικά ο ηλιακός άνεμος, οι δορυφόροι κατέγραψαν κάτι που ανέτρεψε πλήρως τα όσα γνωρίζαμε για τον διαστημικό καιρό.

Παρόλο που ο ηλιακός άνεμος ήταν ασυνήθιστα πυκνός κατά τη διάρκεια της υπερκαταιγίδας του Μαΐου 2024, τα ιόντα που προέρχονταν από αυτόν συνέβαλαν ελάχιστα στο δακτυλιοειδές ρεύμα.

Αυτή ήταν η πρώτη φορά που και τα δύο φαινόμενα παρατηρήθηκαν ταυτόχρονα κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας τέτοιου μεγέθους. Τον Μάιο του 2024, το σέλας εξαπλώθηκε σε ουρανούς πολύ πέρα από τη συνηθισμένη του εμβέλεια, κάνοντας την εμφάνισή του σε ασυνήθιστα χαμηλά γεωγραφικά πλάτη σε ολόκληρο τον κόσμο.

Πολύ πιο πάνω από αυτά τα εντυπωσιακά θεάματα, μέσα στη μαγνητόσφαιρα της Γης, οι μετρήσεις κατέγραφαν κάτι που δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ ξανά κατά τη διάρκεια μιας γεωμαγνητικής υπερκαταιγίδας τέτοιου μεγέθους.

Η καταιγίδα ξεκίνησε όταν μια μεγάλη ηλιακή κηλίδα απελευθέρωσε μια γρήγορη αλληλουχία ισχυρών ηλιακών εκρήξεων.

Πολλαπλά σύννεφα μαγνητισμένου πλάσματος συγχωνεύτηκαν κατά τη διαδρομή τους στο διάστημα προτού πλήξουν τη μαγνητόσφαιρα της Γης —την περιοχή που κυριαρχείται από το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη μας.

Η διαταραχή που προκλήθηκε ήταν η ισχυρότερη που έχει μετρηθεί ποτέ απευθείας στην περιοχή του δακτυλιοειδούς ρεύματος της Γης, μιας ζώνης φορτισμένων σωματιδίων που περιβάλλει τον πλανήτη.

Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science Advances, υποδεικνύουν ότι η ίδια η ιονόσφαιρα της Γης ενδέχεται να αποτελεί κρίσιμο παράγοντα για την πρόβλεψη της έντασης αυτών των ακραίων καταιγίδων.

Επειδή τα ιόντα της ιονόσφαιρας είναι πολύ πιο βαριά από τα σωματίδια που μεταφέρει ο ηλιακός άνεμος, η κυριαρχία τους ίσως ενίσχυσε τη μαγνητική διαταραχή και ώθησε την κορύφωση του δακτυλιοειδούς ρεύματος ασυνήθιστα κοντά στη Γη.

Τα αποτελέσματα στηρίζουν επίσης μια προτεινόμενη ιαπωνική αποστολή πολλαπλών δορυφόρων, η οποία έχει σχεδιαστεί για να ερευνήσει πώς αυτά τα ιόντα τροφοδοτούνται στο διάστημα κοντά στον πλανήτη μας.

Τα ιόντα της ίδιας της Γης κυριάρχησαν στην καταιγίδα

Στις 10 και 11 Μαΐου 2024, τεράστια σύννεφα φορτισμένων ηλιακών σωματιδίων έπληξαν τη μαγνητόσφαιρα της Γης. Το συμβάν, γνωστό ως η γεωμαγνητική υπερκαταιγίδα του Μαΐου 2024, «καταιγίδα Γκάνον» (Gannon storm) ή «καταιγίδα της Γιορτής της Μητέρας», κατέγραψε ελάχιστη τιμή δείκτη SYM-H στα −518 νανοτέσλα (nT).

Αυτή ήταν η δεύτερη μεγαλύτερη τιμή που έχει καταγραφεί από το 1981, με το αμέσως προηγούμενο συγκρίσιμο φαινόμενο να είναι η υπερκαταιγίδα του Νοεμβρίου 2004.

«Ορισμένες υπέρ- ή ακραίες γεωμαγνητικές καταιγίδες δεν είναι απλώς εντυπωσιακά θεάματα φωτός — ενέχουν κινδύνους ραδιενέργειας για τα διαστημικά σκάφη, διαταράσσουν τα σήματα GPS και τις επικοινωνίες και προκαλούν διακοπές ρεύματος.

Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αναπτύσσεται μια γεωμαγνητική καταιγίδα δεν είναι μόνο ένα επιστημονικό ερώτημα, αλλά έχει και πραγματικές συνέπειες στην καθημερινότητά μας», δήλωσε ο Ναριτόσι Κιταμούρα (Naritoshi Kitamura), κύριος συγγραφέας της μελέτης και επίκουρος καθηγητής στο Ινστιτούτο Έρευνας Περιβάλλοντος Διαστήματος-Γης (ISEE) του Πανεπιστημίου της Ναγκόγια.

Στο επίκεντρο της μαγνητικής διαταραχής μιας γεωμαγνητικής καταιγίδας βρίσκεται το δακτυλιοειδές ρεύμα: Μια τεράστια ζώνη ενεργειακών ιόντων, κυρίως οξυγόνου και υδρογόνου, που κινούνται αργά γύρω από τη Γη χιλιάδες χιλιόμετρα πάνω από τον ισημερινό.

Τα σωματίδια αυτά, μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο παράγει ένα μαγνητικό πεδίο που εξουδετερώνει εν μέρει το ίδιο το μαγνητικό πεδίο της Γης στην επιφάνεια του εδάφους.

Αυτή ακριβώς η μεταβολή είναι που ανιχνεύεται από τα επίγεια όργανα ως η μαγνητική διαταραχή της καταιγίδας.

Ο δορυφόρος Arase κατέγραψε ένα πρωτοφανές δακτυλιοειδές ρεύμα

Ο ιαπωνικός δορυφόρος Arase, ο οποίος εκτοξεύτηκε το 2016 και τελεί υπό τη διαχείριση της Ιαπωνικής Υπηρεσίας Αεροδιαστημικής Εξερεύνησης (JAXA), ήταν τοποθετημένος σε κατάλληλη τροχιά ώστε να παρατηρήσει απευθείας το δακτυλιοειδές ρεύμα. Το επιστημονικό κέντρο του ERG (Arase) λειτουργεί υπό την κοινή διεύθυνση του Ινστιτούτου Διαστημικής και Αστροναυτικής Επιστήμης (ISAS/JAXA) και του Ινστιτούτου Έρευνας Περιβάλλοντος Διαστήματος-Γης του Πανεπιστημίου της Ναγκόγια.

Ο δορυφόρος Arase ταξιδεύει μέσα στην περιοχή όπου σχηματίζεται το δακτυλιοειδές ρεύμα και φέρει όργανα ικανά να μετρούν τόσο τη μάζα όσο και την ενέργεια των μεμονωμένων ιόντων.

Κατά τη διάρκεια της καταιγίδας του Μαΐου, διέσχισε το δακτυλιοειδές ρεύμα λίγο μετά την έναρξη του φαινομένου και ξανά κοντά στην κορύφωσή του. «Αυτή είναι η πρώτη ταυτόχρονη παρατήρηση των ιόντων του δακτυλιοειδούς ρεύματος και του ηλιακού ανέμου κατά τη διάρκεια μιας τόσο μεγάλης καταιγίδας, και τα δεδομένα ήταν ξεκάθαρα:  Περίπου το 85% των ιόντων ήταν οξυγόνο από την ίδια την ιονόσφαιρα της Γης», εξήγησε ο Κιταμούρα.

«Κοντά στην κορύφωση της καταιγίδας, ο Arase εντόπισε μια μείωση 40% στην ένταση του μαγνητικού πεδίου σε υψόμετρο περίπου 16.000 χιλιομέτρων πάνω από τη Γη —δηλαδή σε απόσταση πολύ πιο κοντινή στον πλανήτη μας σε σχέση με παρόμοιες μεγάλες μειώσεις που είχαν καταγραφεί στο παρελθόν».

Στην ίδια περιοχή ανιχνεύθηκε μια απότομη μείωση των ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας. Όταν το μαγνητικό πεδίο εξασθενεί τόσο έντονα, αυτά τα ηλεκτρόνια μπορούν να παρεκκλίνουν από τις συνηθισμένες τροχιές τους.

Το αν η παραμόρφωση του μαγνητικού πεδίου προκάλεσε άμεσα την παρατηρούμενη απώλεια ηλεκτρονίων παραμένει ένα ανοιχτό ερώτημα.

Στροφή στην ατμόσφαιρα της Γης για την πρόβλεψη των διαστημικών καταιγίδων

Οι μετρήσεις αυτές αλλάζουν τον τρόπο με τον οποίο οι ερευνητές ίσως χρειαστεί να προσεγγίζουν την εξέλιξη των πιο έντονων γεωμαγνητικών καταιγίδων.

Τα τρέχοντα μοντέλα πρόγνωσης του διαστημικού καιρού βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στις συνθήκες του ηλιακού ανέμου, όμως τα αποτελέσματα δείχνουν ότι και οι συνθήκες εντός της ατμόσφαιρας της Γης μπορούν να βοηθήσουν στον καθορισμό της σφοδρότητας μιας καταιγίδας.

Τα ευρήματα ενισχύουν επίσης τα επιχειρήματα υπέρ του FACTORS, ενός προσχεδίου αποστολής με δύο δορυφόρους που προετοιμάζεται για την επερχόμενη πρόσκληση υποβολής προτάσεων της JAXA. Η αποστολή FACTORS θα διερευνήσει πώς τα ιόντα από την ατμόσφαιρα της Γης διαφεύγουν στη μαγνητόσφαιρα και τροφοδοτούν τις γεωμαγνητικές καταιγίδες, βοηθώντας ενδεχομένως τους επιστήμονες να βελτιώσουν τις προβλέψεις τους για το πόσο ισχυρές μπορεί να γίνουν οι μελλοντικές καταιγίδες.

Η εργασία έχει τίτλο: “Extreme dominance of Earth-origin heavy ions in the intense ring current near the Earth during the May 2024 super geomagnetic storm” των Naritoshi Kitamura, Kazuhiro Yamamoto, Shoichiro Yokota, Satoshi Kasahara, Ayako Matsuoka, Kazushi Asamura, Yusuke Ebihara, Lynn M. Kistler, Kunihiro Keika, Atsuki Shinbori, Tomoaki Hori, Yoshizumi Miyoshi, Akimasa Ieda, Chae-Woo Jun, Mariko Teramoto, Masahito Nosé, Masafumi Hirahara, Kanako Seki, Nana Higashio και Iku Shinohara, 26 Ιουνίου 2026, Science Advances.

Το έργο υποστηρίχθηκε από Επιχορηγήσεις για την Επιστημονική Έρευνα (Grants-in-Aid for Scientific Research) της Ιαπωνικής Εταιρείας για την Προώθηση της Επιστήμης (JSPS), με αριθμούς επιχορήγησης 20H01957 (S.Y., S.K., K.K., και Y.E.) και 25H00684 (K.S.). Η εργασία αυτή υποστηρίχθηκε εν μέρει από το Ταμείο Ερευνών του Πανεπιστημίου της Ναγκόγια.