Black & Bright Auroral Vortices - Driven by Mirrored Rolling Magnetic Carpets

عاليًا فوق الأرض، بالقرب من الأقطاب المغناطيسية، غالبًا ما تضيء السماء بستائر متلألئة من الشفق القطبي. هذه العروض ليست عشوائية؛ بل هي النتيجة المرئية لمعركة مستمرة وغير مرئية بين الرياح الشمسية ودرع كوكبنا المغناطيسي. فعندما تصطدم تيارات الجسيمات المشحونة من الشمس بالغلاف الجوي العلوي، فإنها تصطدم بجزيئات الغاز، مما يؤدي إلى توهجها. وقد عرف العلماء منذ زمن طويل أن هذه الأضواء تأتي بنوعين رئيسيين: توهج خافت ورقعي ينجرف ببطء، وهياكل حادة ومتميزة مثل الأقواس الساطعة أو اللوالب الدوامية. أما الهياكل الدوامية، المعروفة باسم الدوامات الشفقية، فقد أثارت فضول الباحثين لعقود. يمكن أن تظهر بمفردها، أو في أزواج، أو تمتد عبر السماء لمئات الكيلومترات، وتتطور خلال دقائق معدودة فقط. وبينما نفهم أن هذه الدوامات ناتجة عن اصطدام الإلكترونات بالغلاف الجوي، إلا أن الآلية الدقيقة التي تخلقها وتمد دورانها بالطاقة ظلت لغزًا. وتحديدًا، واجه العلماء صعوبة في تفسير كيفية توليد التيارات الكهربائية التي تحرك هذه الدوامات في الفضاء البعيد ثم إيصالها إلى السماء فوقنا.

تقدم دراسة جديدة أجراها باحثون من جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس، وجامعة ألاسكا فيربانكس، وجامعة كاليفورنيا، بيركلي، إجابة واضحة لهذا اللغز. فمن خلال الجمع بين محاكاة حاسوبية متقدمة وملاحظات من العالم الحقيقي، حدد الفريق عملية محددة في الذيل البعيد للمجال المغناطيسي للأرض تعمل كمولد لهذه الأضواء الدوامية. وقد وجدوا أنه في المنطقة المعروفة باسم "صفيحة البلازما الداخلية"، على بعد حوالي ستة إلى ثامات أقطار أرضية، تنزلق طبقات من البلازما سريعة الحركة فوق بعضها البعض. هذا التحرك الانزلاقي يخلق نوعًا من عدم الاستقرار، يشبه الطريقة التي تخلق بها الرياح التي تهب فوق الماء أمواجًا، مما يتسبب في التواء ولف خطوط المجال المغناطيسي في تلك المنطقة. ويصف الباحثون هذا الفعل الالتوائي بـ "السجادة المغناطيسية المتدحرجة". وبينما تتدحرج هذه البنية المغناطيسية، فإنها تلف خطوط المجال المغناطيسي، تمامًا مثل لف سجادة، وبذلك تولد تيارات كهربائية قوية.

تنتقل هذه التيارات على طول خطوط المجال المغناطيسي، لتربط بيئة الفضاء البعيدة مباشرة بالغلاف الجوي العلوي للأرض. ويحدد اتجاه التدحرج ما يراه المراقب على الأرض؛ فعندما تحمل السجادة المتدحرجة تيارًا كهربائيًا نحو الأسفل باتجاه الغلاف الجوي، فإنها تدفع الإلكترونات إلى الهواء، مما يسبب توهجها ويخلق دوامة ضوئية ساطعة ولولبية. وعلى العكس من ذلك، عندما تسحب السجادة الإلكترونات بعيدًا عن الغلاف الجوي، فإنها تترك بقعة مظلمة وفارغة في السماء المتوهجة، فيما يعرف بـ "الشفق الأسود". وتظهر الدراسة أن هذه الدوامات الساطعة والمظلمة هما وجهان لعملة واحدة، مدفوعان بنفس آلية التدحرج ولكن مع تدفق التيار الكهربائي في اتجاهات متعاكسة. وتخلق هذه العملية نظامًا مرآتيًا، حيث يشهد نصف الكرة الشمالي والجنوبي أنماطًا مترافقة: فالدوامة الساطعة في أحد نصفي الكرة يقابلها دوامة مظلمة في الآخر، اعتمادًا على اتجاه المجال المغناطيسي وتدفق الطاقة.

ولتأكيد هذه النظرية، حلل الفريق بيانات من حدثين شفقيين محددين تم رصدهما من "نطاق بوكر فلات للأبحاث" في ألاسكا. ففي يومين متتاليين من شهر مارس 2025، التقطت الكاميرات تطور هذه الدوامات. تضمن أحد الحدثين دوامة ساطعة ومتدحرجة استمرت لمدة عشرين دقيقة تقريبًا، بينما أظهر الآخر فراغًا داكنًا متدحرجًا تطور جنبًا إلى جنب مع توهج خافت ومنتشر. وقاس الباحثون حجم هذه الهياكل، فوجدوا أن الدوامة الساطعة بلغ عرضها حوالي 91 كيلومترًا وارتفاعها 47 كيلومترًا، بينما بلغ عرض الدوامة المظلمة حوالي 55 كيلومترًا وارتفاعها 33 كيلومترًا. ومن خلال مراقبة الضوء المنبعث بألوان مختلفة، تمكنوا من رسم خريطة للهيكل الرأسي للشفق، مما كشف أن الدوامة الساطعة امتدت لمسافة تقارب 200 كيلومتر في السماء. وأظهرت البيانات أن الدوامة الساطعة كانت مدعومة بإلكترونات نشطة، بينما نتجت الدوامة المظلمة عن إزالة الإلكترونات، وهو ما يطابق تمامًا توقعات نموذج "السجادة المغناطيسية المتدحرجة".

كما توضح الدراسة سبب عدم اكتمال النظريات السابقة. فقد اقترحت الأفكار السابقة أن هذه الدوامات تتشكل عندما تنقسم ورقة تيار كهربائي موجودة مسبقًا أو تتماوج بسبب الاضطرابات. ومع ذلك، لم تستطع تلك النظريات تفسير مصدر الطاقة التي تجعل الإلكترونات تتوهج أو كيفية إغلاق الدائرة الكهربائية. وتثبت النتائج الجديدة أن مصدر الطاقة هو التدفق القصي للبلازما في الفضاء نفسه؛ فبينما تنزلق البلازما فوق نفسها، فإنها تخلق قوة التواء تولد التيار الكهربائي اللازم من العدم. ثم ينتقل هذا التيار نزولاً إلى الغلاف الجوي، حيث يتم تبديده، مما يؤدي إلى إضاءة السماء أو إخلاء الضوء منها. وقد استخدم الباحثون عمليات المحاكاة الحاسوبية لإظهار أن هذه العملية مستقرة وقابلة للتكرار، وقادرة على إنتاج الأنماط المحددة من الدوامات الساطعة والمظلمة التي لوحظت لعقود.

يوفر هذا الاكتشاف صورة كاملة للدوامة الشفقية، حيث يربط عملية بعيدة وغير مرئية في الغلاف المغناطيسي مباشرة بالأضواء الخلابة التي تُرى من الأرض. فهو لا يشرح فقط كيفية تشكل الدوامات، بل يشرح أيضًا لماذا تظهر أحيانًا كحلزونات ساطعة وأحيانًا أخرى كفجوات مظلمة في الشفق. ومن خلال تتبع مسار هذه الدوامات نحو الخارج، يمكن للعلماء الآن تحديد المكان وكيفية توليد التيارات الكهربائية في المناطق النائية من الفضاء بدقة. ويعزز هذا العمل فهمنا لكيفية تفاعل البيئة المغناطيسية للأرض مع الرياح الشمسية، كاشفًا عن نظام ديناميكي حيث يحدد دوران المجالات المغناطيسية في أعماق الفضاء جمال الظلام والضوء في السماء فوقنا. وتشير النتائج إلى أن الشفق ليس مجرد عرض سلبي للطاقة، بل هو بصمة بصرية مباشرة لديناميكيات السوائل المعقدة واسعة النطة التي تحدث على بعد ملايين الكيلومترات.