تسبب ثوران بركان تونجا في حدوث “ فقاعة فائقة ” في الغلاف الجوي المتأين للأرض ، مما أدى إلى تعطيل الملاحة عبر الأقمار الصناعية.

مع تزايد تضمين التكنولوجيا في حياتنا اليومية ، أصبح فهم طقس الفضاء وتأثيراته على التكنولوجيا أكثر أهمية.

عندما يسمع المرء “طقس الفضاء” ، عادة ما يفكر المرء في حدوث انفجارات ضخمة على الشمس – قذفات جماعية إكليلية باتجاه الأرض ، مما يخلق عرضًا رائعًا للشفق القطبي.

ومع ذلك ، لا يبدأ الطقس الفضائي كله عند الشمس.

كان الثوران البركاني في تونغا في يناير 2022 كبيرًا جدًا ، حيث تسبب في ظهور موجات في الغلاف الجوي العلوي شكلت شكلها الخاص من طقس الفضاء.

كانت واحدة من أكبر الانفجارات في التاريخ الحديث وأثرت على نظام تحديد المواقع العالمي عبر أستراليا وجنوب شرق آسيا. كما وصفنا في دراستنا الجديدة في مجلة Space Weather ، تسبب الانفجار البركاني في حدوث “فقاعة بلازما” فائقة فوق شمال أستراليا استمرت لساعات.

اقرأ المزيد: بعد مرور عام ، نعلم لماذا كان ثوران بركان تونجا عنيفًا للغاية. إنها دعوة للاستيقاظ لمشاهدة البراكين البحرية الأخرى

نظام تحديد المواقع العالمي بحق

في حين أن معظم الناس لديهم جهاز استقبال GPS (نظام تحديد المواقع العالمي) على أجهزتهم (مثل الأقمار الصناعية والهواتف الذكية) ، لا يعرف الكثيرون كيف يعمل GPS بالفعل.

في جوهرها ، تستمع أجهزتنا إلى إشارات الراديو التي ترسلها الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض. باستخدام هذه الإشارات ، يحسبون موقعهم بالنسبة إلى الأقمار الصناعية ، مما يسمح لنا بتوجيه أنفسنا والعثور على الحانة أو المقهى القريب.

تتأثر الإشارات الراديوية التي تتلقاها أجهزتنا بالغلاف الجوي للأرض (خاصة الطبقة المسماة الأيونوسفير) ، مما يقلل من دقة الموقع. الأجهزة الشائعة دقيقة فقط في حدود عشرات الأمتار.

ومع ذلك ، يمكن أن تكون أنظمة تحديد المواقع عبر الأقمار الصناعية الجديدة والمحسنة ، والمستخدمة في صناعات التعدين والزراعة والبناء ، دقيقة في حدود عشرة سنتيمترات. المشكلة الوحيدة هي أن هذه الأنظمة تحتاج إلى وقت للتثبيت على مواقعها ، وقد يستغرق ذلك ثلاثين دقيقة أو أكثر.

يعمل تحديد الموقع الدقيق للقمر الصناعي عن طريق نمذجة الأخطاء التي تسببها طبقة الأيونوسفير للأرض بدقة. ولكن كلما حدث اضطراب في الأيونوسفير ، فإنه يصبح معقدًا ويصعب نمذجه.

على سبيل المثال ، عندما تحدث عاصفة مغنطيسية أرضية (اضطراب في الرياح الشمسية يؤثر على المجال المغناطيسي للأرض) ، يصبح الغلاف الأيوني مضطربًا وتتشتت الموجات الراديوية التي تنتقل عبره – مثل الضوء المرئي الذي ينحني ويتناثر عند النظر إلى بحيرة في ظروف متقطعة.

اقرأ المزيد: كشف الثوران البركاني في تونغا عن نقاط الضعف في نظام الاتصالات العالمي لدينا

اضطراب بركاني

وقد أظهرت الدراسات الحديثة أن ثوران بركان هونغغا تونغا – هونغ هاباي تسبب في ظروف متقطعة في طبقة الأيونوسفير التي استمرت بضعة أيام. كان حجم الموجات التي ولدتها في طبقة الأيونوسفير مماثلة في الحجم لتلك التي أحدثتها العواصف المغناطيسية الأرضية.

بينما أثرت هذه الموجات على بيانات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) حول العالم لأيام بعد الثوران ، كان تأثيرها على تحديد المواقع محدودًا إلى حد ما مقارنة بنوع آخر من الاضطرابات في طبقة الأيونوسفير – “فقاعة البلازما الفائقة” التي تشكلت في أعقاب الانفجار.

الأيونوسفير هو طبقة من الغلاف الجوي للأرض على ارتفاعات تقارب 80-800 كم. وهي تتألف من غاز به الكثير من الجسيمات المشحونة كهربائيًا ، مما يجعلها “بلازما”.

بدورها ، فقاعات البلازما الاستوائية هي اضطرابات بلازما في الأيونوسفير تحدث بشكل طبيعي في الليل فوق مناطق خطوط العرض المنخفضة.

تحدث فقاعات البلازما هذه بانتظام. تتشكل بسبب ظاهرة تسمى “عدم استقرار رايلي-تايلور المعمم”. إنه مشابه لما يحدث عندما يجلس سائل ثقيل فوق سائل أقل ثقلاً ، وتتصاعد فقاعات هذا السائل الأخف إلى السائل الثقيل على شكل “فقاعات” (انظر الفيديو أدناه).

عندما يتعلق الأمر بالاضطرابات في طبقة الأيونوسفير ، يتم التحكم في البلازما أيضًا عن طريق المجالات المغناطيسية والكهربائية.

مع ارتفاعها ، تشكل فقاعات البلازما هياكل غريبة الشكل تشبه الصبار أو جذور الأشجار المقلوبة. بسبب المجال المغناطيسي للأرض ، تنتشر هذه الهياكل مع نمو الفقاعة فوق خط الاستواء.

والنتيجة هي أن فقاعات الارتفاعات الأعلى تصل إلى خطوط العرض الأعلى أيضًا. عادة ، تصل فقاعات البلازما إلى بضع مئات من الكيلومترات فوق خط الاستواء ، لتصل إلى خطوط عرض بين 15 و 20 درجة في الشمال والجنوب.

فقاعة نادرة فوق أستراليا

اكتشف العلماء فقاعة بلازما فائقة فوق جنوب شرق آسيا بعد فترة وجيزة من ثوران بركان تونجا. من المقدر أن يكون حجمه مشابهًا للفقاعات الفائقة النادرة التي تم الإبلاغ عنها سابقًا.

حمل المجال المغناطيسي للأرض هذا الاضطراب جنوبًا ، حيث ظل لبضع ساعات فوق تاونسفيل في شمال شرق أستراليا.

حتى الآن ، هذا هو أقصى الجنوب الذي لوحظت فيه فقاعة بلازما فوق أستراليا. على الرغم من ندرة حدوث هذه الفقاعات الفائقة ، إلا أنه من المعروف أنها حدثت في شمال أستراليا ، لكنها لم تتم ملاحظتها بشكل مباشر قبل هذا الحدث.

أدى انتشار محطات GPS عبر شمال أستراليا مؤخرًا إلى جعل هذا النوع من المراقبة ممكنًا.

من المفهوم أن الموجات الناتجة عن ثوران البركان أزعجت الرياح في الغلاف الجوي العلوي ، مما أدى إلى تغيير تدفق البلازما في طبقة الأيونوسفير وتسبب في ظهور فقاعة البلازما الفائقة.

وجدت دراستنا أن الفقاعة تسببت في تأخيرات كبيرة في استخدام نظام تحديد المواقع العالمي الدقيق عبر شمال أستراليا وجنوب شرق آسيا. في بعض الحالات ، استغرق الحصول على قفل على موقع GPS أكثر من خمس ساعات بسبب فقاعة البلازما.

بينما نفهم الكثير عن الأيونوسفير ، فإن قدرتنا على التنبؤ باضطراباته لا تزال محدودة. إن وجود المزيد من محطات GPS ليس مفيدًا فقط لتحسين تحديد المواقع والملاحة ، بل إنه يسد الثغرات أيضًا في مراقبة الأيونوسفير.

كان ثوران بركان تونجا بعيدًا عن كونه حدثًا نموذجيًا “لطقس الفضاء” تسببت فيه الشمس. لكن تأثيره على الغلاف الجوي العلوي ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) يسلط الضوء على أهمية فهم كيفية تأثير البيئة على التقنيات التي نعتمد عليها.