طقس فضائي

الشمس تتنفس، ولهذا التنفس إيقاع مغناطيسي. كل 27 يومًا يكمل السطح المرئي للنجم دورة كاملة، ومعه مجاله المغناطيسي، الذي يشبه شريطًا غير مرئي يلتف حول النجم. الأرض، بوصفها مستمعًا حساسًا، تستجيب لهذا الإيقاع بذبذبات في مجالها المغناطيسي: عواصف جيومغناطيسية، شفق قطبي، واضطرابات في عمل الأقمار الصناعية.

في مكب نفايات خارج المدينة، تغيّر الرياح اتجاهها، وبعد ساعتين تشمّ رائحة البيض الفاسد في القرية المجاورة. هكذا تفوح رائحة كبريتيد الهيدروجين (hydrogen sulfide) — الغاز الذي ينبعث عند تعفن النفايات، وهو خطر على الصحة بجرعات كبيرة. عادةً، تعرف السلطات بالمشكلة بعد أن يستنشق السكان الغاز ويتصلون شاكين. الآن ظهرت طريقة للتحذير من الانبعاث مسبقًا، بالاعتماد على الطقس فقط.

الرياح الشمسية هي تيار مستمر من الجسيمات المشحونة المنطلقة من الشمس. تحتوي على مكونين رئيسيين: البروتونات (أنوية الهيدروجين) وجسيمات ألفا (أنوية الهيليوم، وهي أثقل بأربع مرات).

الرياح الشمسية هي تيار مستمر من الجسيمات المشحونة المنبعثة من سطح الشمس، وتملأ كامل الغلاف الشمسي (heliosphere). ليست نسيمًا متجانسًا، بل وسط مضطرب يعج بالدوامات والعواصف ومناطق الهدوء.

في الإكليل الشمسي — الغلاف الخارجي الرقيق جدًا والساخن للشمس — تُلاحظ أحيانًا ظاهرة مدهشة: المطر الإكليلي. لكن بدلًا من الماء، تهطل من السماء بلازما — غاز متأين يتكون من جسيمات مشحونة.

اعتاد خبراء الأرصاد الجوية على الثقة بالشبكات العصبية: نموذج GraphCast يتنبأ بالطقس الأرضي لأيام مقدمًا، بالاعتماد على صور عالمية للغلاف الجوي. لكن يمكن نقل هذا «الدماغ» إلى كوكب آخر — حيث الهواء رقيق والشمس تدفئ بشكل مختلف. أخذ مؤلفو الدراسة GraphCast وقدموا له بيانات من قاعدة المناخ المريخي — وهي نوع من التوأم الافتراضي للكوكب الأحمر، مبني على سنوات طويلة من الملاحظات.

الضوء القادم من بداية الكون يصل إلينا بعد رحلة استمرت 13.8 مليار سنة. خلال هذه الرحلة، قد يكون استقطابه — أي اتجاه اهتزاز الموجة الكهرومغناطيسية — قد تعرض لدوران، مثل إبرة بوصلة تم تدويرها بخفة دون أن يلاحظ أحد.

وجود كوكب في المنطقة الصالحة للسكن لا يضمن وجود الحياة. كما يقود قائد الأوركسترا العازفين، يفرض النجم على مدى مليارات السنين إيقاع وطبيعة تطور أغلفة الكواكب. تطور السطوع يحرك حدود منطقة الماء السائل، بينما النشاط المغناطيسي في نطاقي الأشعة السينية وفوق البنفسجية (XUV) يمكن أن يمزق الغلاف الغازي عن الكوكب.

27 يومًا على خط الاستواء، 32 عند القطبين. خمسة أيام فرق – وعلى مدار عام، يتقدم خط الاستواء بنحو أسبوع. الكرة الغازية التي يبلغ قطرها 1,4 مليون كيلومتر تدور كقمة دوارة متعددة الطبقات: كل طبقة تتحرك بسرعتها الخاصة.

ترسم الشمس باستمرار خربشات من الحقول المغناطيسية على سطحها. هذه الأنماط ليست مجرد تموجات، بل بصمة شفّرت فيها الطبيعة تحذيرات من الانفجارات. الانفجار الشمسي هو انفجار يطلق في دقائق طاقة تعادل مليارات القنابل النووية، مقذفاً تيارات من البلازما والإشعاع إلى الفضاء.

الجدل الكوني يشبه موقفاً يقيس فيه حرفيان نفس الجدار لكن يحصلان على طولين مختلفين. أحدهما يستخدم شريط قياس، يطبقه على المعالم القريبة — النجوم القيفاوية (Cepheids) (نجوم نابضة تشبه المنارات) والمستعرات العظمى من النوع Ia (انفجارات النجوم المحتضرة). يجد أن الجدار يتمدد بسرعة 73.5 وحدة تقليدية.

تبدو المجرات القزمة التي تدور حول درب التبانة وكأنها عانت من عاصفة جاذبية. أجسامها النجمية ممدودة، متناثرة بذيول مدّية، ومسخنة من الداخل. هذا غريب، لأن جميع الحسابات تشير إلى أنها ينبغي أن تكون حصونًا منيعة — مغلفة بغطاء ثقيل غير مرئي من المادة المظلمة يحميها من التأثير المدمر لمجرتنا.

سحابة أورت — تلك السحابة الهائلة من الكتل الجليدية على أطراف النظام الشمسي — تشبه فقاعة شفافة تمتد حتى سنة ضوئية في قطرها. عادةً، تظل هذه الكتل هادئة في زواياها البعيدة، لكن في بعض الأحيان يزعجها شيء ما. في أغلب الأحيان، يكون هذا هو تأثير المد والجزر لمجرتنا.

التوهجات الشمسية هي انفجارات قوية على الشمس، يمكنها تعطيل الأقمار الصناعية وقطع الكهرباء عن المدن. تزداد صعوبة التنبؤ بها بسبب تعقيد المجالات المغناطيسية في البقع الشمسية. يراقب العلماء النجم عن طريق تحليل ضوئه إلى ألوانه (التحليل الطيفي) وقياس سطوعه (القياس الضوئي).

بعد 5 مليارات سنة، الشمس، بعد أن تستنفد وقودها، ستبدأ بالانتفاخ متحولةً إلى عملاق أحمر. كمنطاد يفقد هواءه، سيضعف قبضة الجاذبية للنجم، وستبدأ الأرض — كحبة رمل على خيط غير مرئي — بالابتعاد إلى مدار أبعد. كان يُعتقد سابقًا أن قوى المد والجزر، التي تسبب المد في المحيطات على الأرض، ستبطئ الكوكب وتسقطه في الشمس.

الشمس ليست مجرد مصدر للضوء، بل هي مختبر عملاق تولد فيه جسيمات شبحية. كل ثانية، تمر مليارات النيوترينوات عبر جسمك دون أن تكاد تلاحظك. لكن داخل الشمس، تتصرف هذه الجسيمات بشكل مختلف: فهي تغير نوعها أثناء الطيران، مثل ممثل يؤدي ثلاثة أدوار في مسرحية واحدة. النيوترينوات ثلاثة أنواع: إلكترونية، وميونية، وتاو.

تبرد البقعة الشمسية، ويعلق فوقها لأسابيع خيط داكن — وهو البُرْز الشمسي. داخله، مثل زنبرك مضغوط، يختبئ المجال المغناطيسي. قد يكون مرتبًا في أقواس منتظمة، أو قد يكون ملتويًا في حبل مشدود. من هذا الاختلاف يتحدد متى وكيف سينفجر: الحبل أقل استقرارًا وجاهز للانطلاق عند أدنى دفعة.

يعرف سكان بيرث أنه عندما تصبح حرارة النهار لا تطاق، يأتي الخلاص من المحيط — نَسيم عليل يُدعى بمودة 'فريو دكتور'. هذا الريح نفسه، ولكن على نطاق عالمي، يتحكم بمصير الرُسل الكونية التي تقتحم الغلاف الجوي. سقوط النيزك هو عرض من فصلين. أولاً، يرسم الأثر الناري للمذنب أو للكويكب خطاً في السماء على شكل شهاب، ثم تبدأ مرحلة هادئة شبه خفية — الطيران المظلم.

في ظهيرة قائظة، يخيّم الخمول على المدينة، ولا تلوح في الأفق أي غيمة. عادةً في مثل هذا الطقس، لا يبقى سوى الانتظار حتى ترحم الطبيعة وترسل البرودة. ماذا لو أمكن تشغيل الظل والمطر وفق جدول زمني، مثلما نشغّل الضوء في الغرفة؟ تقترح مجموعة من الباحثين أداة غير معتادة لمثل هذا «الزر الجوي» — مسرّع بروتونات محمولًا جوًا.

الشمس لا تتوهج بشكل ثابت، بل تنفجر في سلسلة من النوبات. مثل نار المخيم التي تهدأ أحيانًا ثم تطلق فجأة شرارات متطايرة. تستمر هذه "المواسم النارية" من ستة أشهر إلى سنة ونصف، وخلالها تظهر على النجم بقع كثيرة بشكل خاص. أخذت مجموعة من الباحثين بيانات عن البقع الشمسية منذ عام 1878، وعلّموا الكمبيوتر التعرف على اقتراب النوبة النارية التالية. بدلاً من النظر إلى الشمس ككل، قسموها إلى شمال وجنوب.

في ديسمبر 2011، انطلق المذنب لوفجوي بجرأة عبر الهالة المتوهجة لـالشمس. وبعدها مباشرةً — توهج. تحقق العلماء مما إذا كان المذنب قادرًا على التسبب فيه. الغلاف الجوي لـالشمس مليء بحلقات مغناطيسية مشدودة — مثل وتر القوس المشدود. أثناء مروره، يلمس المذنب هذا الوتر برفق، فيطلق سهمًا — دفقة هائلة من الطاقة.

تتحرك قمة شجرة ضخمة مع الريح، لكن الجذور والجذع مخفية تحت الأرض. على الشمس، تلعب الحقول المغناطيسية دور هذه الجذور غير المرئية. تخرج من الأعماق، وتخترق الغلاف الجوي بأكمله، وتتحكم في حركة الغاز الساخن – البلازما. من الصعب جدًا رؤية هذا الارتباط مباشرة، خاصة في الطبقات العليا حيث يجب أن تهيمن القوى المغناطيسية على قوى الغاز.

الرياح الشمسية — وهي تيار من الجسيمات المشحونة القادمة من الشمس — تصطدم بالغاز المخلخل الذي يملأ الفضاء بين النجوم. وينشأ عن هذا الاصطدام توهج ضعيف في الأشعة السينية. بالنسبة لعلماء الفلك، هذا التوهج أشبه بضباب أمام مصابيح السيارة الأمامية: فهو يحجب رؤية الأجسام البعيدة.

غالباً ما توجد الكواكب بحجم الأرض حول الأقزام الحمراء الصغيرة والباردة ولكنها شديدة الاضطراب. فهذه النجوم تشبه موقداً جامحاً يقذف لهباً بين الحين والآخر: تيارات قوية من الضوء والجسيمات تنهال على غلاف الكوكب الجوي كما لو أن النار صُبّت في قدرٍ من المرق. وقد تتبعت محاكاة حاسوبية جديدة سنة من حياة الغلاف الجوي لكوكب فتي تحت هذه الهجمات.

يندفع تيار من الغاز شديد الحرارة من النجم — وفجأة يتوقف، وكأنه اصطدم بجدار غير مرئي. هذا بالضبط ما رآه الباحثون عندما حاولوا إعادة إنتاج الانبعاث النجمي على نطاق مخبري. استخدموا ليزرًا، فأنشأوا نفاثة بلازما وأطلقوها عبر مجال مغناطيسي — أولاً ضعيف، ثم قوي، مثل مجالات النجوم الكثيرة. مع المجال الضعيف (حوالي 30 غاوس عند ترجمته إلى الظروف النجمية) طارت البلازما بحرية.

حجر يُلقى في بركة يولّد دوائر تنتشر بعيدًا. لكن إذا أُلقي في هلام كثيف، تكاد الأمواج تخمد فورًا. تقريبًا هكذا يتصرف الحقل الثقالي الإضافي في أوصاف رياضية مختلفة. بنى مؤلفو العمل نهجًا موحدًا لحساب كيف يظهر هذا الحقل في النظام الشمسي. أخذوا في الاعتبار ثلاثة أشياء: اقتران الحقل بالجاذبية العادية، وطاقته الذاتية، ووجود كمون كامن.

تظهر الحقول المغناطيسية على سطح الشمس على شكل بقع داكنة ومشاعل ساطعة. لكنها تولد في الأعماق، حيث تعمل تيارات الغاز الملتهب مثل آلة دينامو عملاقة. والسؤال هو: هل يمكننا من خلال البقع على السطح التنبؤ بما سيحدث داخل النجم بعد عدة سنوات؟ طبق مؤلفو الدراسة نظرية رياضية تشبه القاعدة التي تربط مساحة الشكل بحدوده.

تنتقل الإشارة الراديوية من المريخ إلى الأرض، لكنها في طريقها تضطر إلى اختراق «رياح» غير مرئية من الجسيمات المشحونة المنبعثة من الشمس. هذه الرياح، مثل تموجات على سطح الماء، تشوه موجات الراديو قليلاً. في أكتوبر 2021، وجد المسبار الصيني «تيانوين-1» نفسه خلف الشمس، ومرت إشارته على بُعد 4.5 أنصاف أقطار شمسية فقط — حيث تكون الرياح كثيفة بشكل خاص.

الرياح الشمسية ليست تيارًا منتظمًا، بل هي أشبه برياح عاصفة. داخلها، لا تطير البروتونات ونوى الهيليوم بسرعة واحدة، بل بتوزع، مثل قطرات الماء في خرطوم. عادةً ما يُوصف هذا التوزع بمنحنى بسيط على شكل جرس. لكن الأجهزة الدقيقة على المسبار Solar Orbiter أظهرت أن توزع السرعات في الواقع متعرج بدرجات صغيرة وتلال صغيرة. هذه التعرجات ليست تفاصيل هامشية.

في النهار، في صحراء أتاكاما التشيلية، يرتجف الهواء من الحرارة كما يرتجف فوق مقلاة محمّاة. ضوء الشمس، عند مروره عبر هذا الارتجاف، يبدأ في الرقص والوميض. يطلق علماء الفلك على هذا الارتجاف اسم "الرؤية" — فهو يمنع التلسكوبات من رؤية النجوم بوضوح. لمواجهة هذا التشويش، بنى المهندسون جهازًا خاصًا — مراقب الرؤية الشمسي.

أثناء العاصفة الرعدية تعمل السماء كبطارية عملاقة: تتراكم الشحنة الكهربائية في السحابة، ويُفرّغها البرق. هذه الشحنة غير مرئية، لكن الجسيمات الكونية — الميونات التي تتساقط باستمرار على الأرض من الفضاء — تشعر بها. فعندما يمر الميون عبر سحابة مشحونة، يتسارع أو يتباطأ قليلًا، ومن هذه التغيرات يمكن استنتاج الجهد الكهربائي في السحابة.

تظهر أحيانًا على الشمس سحب هائلة من البلازما تحاول الاندلاع إلى الفضاء. لكنها غالبًا لا تنجح في ذلك: قفص مغناطيسي غير مرئي يبقيهم قرب السطح. تسمى هذه الاندلاعات الفاشلة "محبوسة". بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لفهم كيفية عمل هذا القفص بالضبط.

في الصيف، يتنفس بحر العرب مثل منفاخ الحداد: تارة يضخ الحرارة، وتارة يزفر الرطوبة على مليار إنسان. لكن في بعض الأحيان يحدث خلل في هذا التنفس، فتصبح المياه قبالة سواحل الهند وباكستان أكثر حرارة من المعتاد بعدة درجات. تُسمى هذه الفترات بموجات الحر البحرية، وتعمل مثل قائد أوركسترا يسرع فجأة إيقاع الفرقة الموسيقية الموسمية بأكملها.

تخزّن السحابة الرعدية الكهرباء كما تخزّن البطارية قبل أن تنطلق شرارة. يمكن أن تفرّغ شحنتها بطريقتين: إما ببرق، أو بتوليد جسيمات ذات شحنة صغيرة جدًا — تُعرف باسم الجسيمات الميلي-مشحونة (millicharged particles). هذه الجسيمات شبه غير مرئية للأجهزة، لكن يمكن التقاط أثرها من خلال تواتر وميض البروق. قارن مؤلفو الدراسة العواصف الرعدية على كواكب مختلفة في النظام الشمسي.

التوهجات الشمسية — انبعاثات مفاجئة للطاقة الكهرومغناطيسية وجسيمات معجلة على الشمس — يمكن أن تعطل الأقمار الصناعية وشبكات الكهرباء الأرضية. عانت النماذج التنبؤية التقليدية من نقيضين: إما أنها ولدت إنذارات كاذبة أو فاتتها أحداث خطيرة حقًا.

النجم GJ 504 — شبه توأم لشمسنا الشمس من حيث العمر — يُظهر دورانًا سريعًا بشكل غير عادي: فهو يُكمل دورة كاملة خلال 3.4 يوم أرضي فقط، مع إصدار نشط للأشعة السينية. للمقارنة: النجوم النموذجية في عمر الشمس تدور ببطء أكبر بكثير، وكأنها فقدت طاقتها السابقة. أما GJ 504 فيتصرف مثل متزلج فني تلقى دفعة قوية وانطلق في دوران سريع. الحل جاء من المحاكاة الحاسوبية.

قد يختلف الطقس في الشارع المجاور عن طقسك: عند النهر يكون الجو أبرد، وعلى الأسفلت أكثر حرارة، وبين المباني تهب الرياح بقوة أكبر. التوقع العادي لا يرى هذا — فخليته بحجم مدينة وليس بحجم فناء. أخذ العلماء بيانات من آلاف المحطات الأرضية وصور الأقمار الصناعية للسطح وتعلموا بناء صورة الطقس الدقيقة من الصورة الكبيرة.

سطح الشمس يغلي كالماء في قدر. الغاز الساخن يصعد ويبرد ثم يهبط — هذا هو الحمل الحراري. حوله تتقلقل حقول مغناطيسية تتمزق وتتصل من جديد. وفي خضم هذه الضوضاء تولد السبيكيولات — نفثات بلازما ضيقة تنطلق آلاف الكيلومترات إلى الأعلى. تعيش هذه النفثات بضع دقائق فقط، لكنها تنجح في نقل الطاقة إلى الغلاف الجوي الخارجي للشمس.

الأشعة الكونية هي جسيمات مشحونة تصل إلينا من انفجارات نجوم بعيدة. لكن قبل أن تصل إلى الكاشف، تمر عبر فقاعة الرياح الشمسية. الشمس تتنفس: تارة تنفخ هذه الفقاعة، وتارة تضغطها. على الجسيمات أن تشقّ طريقها عبر مجال مغناطيسي متغير، مثل سبّاح يعوم ضد تيار يتعاظم تارة ويضعف تارة أخرى.

تبعث الشمس باستمرار تيارًا من الجسيمات المشحونة — الرياح الشمسية. ومن بينها العديد من الإلكترونات، وبعضها يطير عائدًا نحو الشمس. لكن الملاحظات تُظهر أن عدد الإلكترونات العائدة أقل مما ينبغي. كان يُعتقد سابقًا أن السبب هو المجال الكهربائي للشمس الذي يبطئ الجسيمات. يقترح بحث جديد تفسيرًا مختلفًا.