Οι κυκλώνες είναι συνηθισμένα φαινόμενα στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας της Γης και των άλλων πλανητών. Πρόσφατα μια ομάδα ερευνητών εντόπισε ένα τέτοιο φαινόμενο στα ανώτερα στρώματα της γήινης ατμόσφαιρας.
Κυκλώνες στη Γη και στο ηλιακό σύστημα
Οι περιστροφικές κινήσεις των ρευστών, όπως το νερό και ο αέρας και τα εντυπωσιακά φαινόμενα που αυτές δημιουργούν μάς είναι πολύ οικεία, από τους μικρούς στρόβιλους που σχηματίζονται στην μπανιέρα και στα απόνερα της κίνησης ενός σκάφους στη θάλασσα, ως τους ανεμοστρόβιλους και τους τροπικούς κυκλώνες που συναντάμε στη γήινη ατμόσφαιρα. Αν και οι μηχανισμοί που προκαλούν τα φαινόμενα αυτά μπορεί να διαφέρουν, οι βασικές φυσικές αρχές είναι οι ίδιες. Στα χαμηλότερα στρώματα της γήινης ατμόσφαιρας, οι αέριες μάζες κινούνται από περιοχές υψηλής προς περιοχές χαμηλής πίεσης. Λόγω της περιστροφής της Γης, οι κινήσεις αυτές είναι καμπυλόγραμμες. Επομένως, ο άνεμος κοντά στην επιφάνεια κινείται περιστροφικά και ταυτόχρονα συγκλίνει προς το βαρομετρικό χαμηλό, επιταχυνόμενος, λόγω της αρχής διατήρησης της στροφορμής, και στη συνέχεια κινείται ανοδικά, συμπληρώνοντας την ατμοσφαιρική κυκλοφορία.
Ακραία μορφή μιας τέτοιας κυκλοφορίας είναι οι τροπικοί κυκλώνες, που σχηματίζονται γύρω από μια περιοχή χαμηλής ατμοσφαιρικής πίεσης (γνωστή ως μάτι του κυκλώνα) και στις σπείρες του εντοπίζονται πολύ ισχυρές καταιγίδες και θυελλώδεις άνεμοι. Οι κατάλληλες συνθήκες για τη δημιουργία ενός τροπικού κυκλώνα εμφανίζονται πάνω από θερμούς υδάτινους όγκους των ωκεανών, όπου η εξάτμιση του νερού τροφοδοτεί τον ανερχόμενο αέρα με υδρατμούς, σχηματίζοντας πυκνά, βροχοφόρα σύννεφα. Στην ουσία ο τροπικός κυκλώνας είναι ένας σχηματισμός που “τραβάει” τον αέρα από μια εκτεταμένη περιοχή, μέσω της κυκλοφορίας που περιγράφηκε, τροφοδοτώντας ακραία καιρικά φαινόμενα στις περιοχές που πλήττει. Από την παραπάνω περιγραφή γίνεται αμέσως αντιληπτό ότι οι κυκλώνες είναι φαινόμενα που μεταφέρουν ενέργεια και ορμή και, επομένως, η κατανόησή του τρόπου σχηματισμού και εξέλιξή τους έχει μεγάλη σημασία για τους μηχανισμούς που δρουν στην ατμόσφαιρα του πλανήτη μας.
Όμως, στρόβιλοι δεν παρατηρούνται αποκλειστικά στη γήινη ατμόσφαιρα αλλά και σε άλλους πλανήτες. Ο πιο εμβληματικός από αυτούς είναι ίσως η μεγάλη ερυθρά κηλίδα του Δία, μια γιγάντια κυκλωνική κίνηση, που παρατηρείται με τηλεσκόπια εδώ και τουλάχιστον δύο αιώνες. Η ερυθρά κηλίδα έχει εύρος μεγαλύτερο από τη διάμετρο της Γης, κατακόρυφο ύψος μέσα στην ατμόσφαιρα που ξεπερνά τα 300 χιλιόμετρα και χαρακτηρίζεται από ταχύτητες ανέμων που ξεπερνούν κατά πολύ τις καταγεγραμμένες ταχύτητες των ανέμων στη Γη. Ο Δίας, όπως και οι υπόλοιποι αέριοι πλανήτες (Κρόνος, Ουρανός και Ποσειδώνας), φιλοξενεί και άλλα τέτοια φαινόμενα, μικρότερης κλίμακας και διάρκειας. Παρά την αραιότερη ατμόσφαιρά του, στροβίλους φιλοξενεί και ο Άρης, όπως έχουν δείξει παρατηρήσεις των πολικών περιοχών του πλανήτη από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble από το 1999.
Την τελευταία δεκαετία, υψηλής ανάλυσης παρατηρήσεις από τη Γη και το διάστημα έχουν αποκαλύψει την ύπαρξη κυκλώνων και στον Ήλιο. Οι σχηματισμοί που έχουν παρατηρηθεί έχουν έκταση από μερικές χιλιάδες ως μερικές δεκάδες χιλιάδες χιλιόμετρα και διάρκεια από μερικά λεπτά ως αρκετές ώρες. Το υλικό που αποτελεί την ατμόσφαιρα του Ήλιου είναι μαγνητισμένο πλάσμα (που αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια και ιόντα), επομένως στην δημιουργία και εξέλιξη αυτών των φαινομένων παίζει ρόλο και ο μαγνητισμός του Ήλιου. Μάλιστα πιστεύεται ότι τα φαινόμενα αυτά διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στο ισοζύγιο μάζας και ενέργειας της ηλιακής ατμόσφαιρας, κατ’ αναλογία με τα φαινόμενα που παρατηρούνται στη Γη και σε άλλους πλανήτες.
Η γήινη μαγνητόσφαιρα
Η Γη, οι πλανήτες και όλα τα αντικείμενα του ηλιακού συστήματος βρίσκονται μέσα στην εκτεταμένη ατμόσφαιρα του Ήλιου και δέχονται διαρκώς την επίδραση του ηλιακού ανέμου, δηλαδή μιας συνεχούς ροής σωματιδίων που εκπέμπεται από τον Ήλιο. Η συνεχής αυτή αλληλεπίδραση θα ήταν αρκετή για να αλλοιώσει τη σύσταση της ατμόσφαιρας ή να την απομακρύνει εντελώς, καθιστώντας αδύνατη την ανάπτυξη της ζωής στη Γη όπως τη γνωρίζουμε.
Ωστόσο, η Γη, όπως και οι περισσότεροι από τους πλανήτες, περιβάλλεται από ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο την προστατεύει, εκτρέποντας τη ροή του ηλιακού ανέμου. Η αλληλεπίδραση αυτή μεταξύ του ηλιακού ανέμου και του γήινου μαγνητικού πεδίου δημιουργεί ένα πολύπλοκο σύστημα ηλεκτρικών ρευμάτων και φορτισμένων σωματιδίων που περιβάλλουν τη Γη και την ατμόσφαιρά της και αποτελούν τη γήινη μαγνητόσφαιρα.
Οι συνθήκες στη μαγνητόσφαιρα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες του διαστήματος και του ηλιακού ανέμου, οι οποίες με τη σειρά τους καθορίζονται από τα ηλιακά φαινόμενα. Τα πιο δραματικά εκρηκτικά φαινόμενα, που συνήθως οφείλονται στις ομάδες των ηλιακών κηλίδων διαταράσσουν την κανονική ροή του ηλιακού ανέμου, εκσφενδονίζοντας τεράστιες ποσότητες πλάσματος στο διάστημα. Αν ο πλανήτης μας βρεθεί στο διάβα αυτών των φαινομένων, η γήινη μαγνητόσφαιρα διαταράσσεται, προκαλώντας γεωμαγνητικές καταιγίδες, δηλαδή έντονες διαταραχές του μαγνητικού πεδίου και των συνθηκών του πλάσματος που περιβάλει τη Γη. Αντίστοιχα φαινόμενα, αν και μικρότερης έντασης μπορεί να έχουμε όταν η Γη βρεθεί στην πορεία του ταχέος κινούμενου ηλιακού ανέμου, ο οποίος ξεκινά από περιοχές του Ήλιου με πολύ ασθενές μαγνητικό πεδίο, που ονομάζονται στεμματικές οπές.
Η καθημερινή μας ζωή εξαρτάται πλέον σε μεγάλο βαθμό από τη διαστημική τεχνολογία, η οποία με τη σειρά της είναι ευάλωτη στα δραματικά φαινόμενα του διαστημικού καιρού. Για αυτό το λόγο, η επιστημονική κοινότητα σε συνδυασμό με κρατικούς και διεθνείς οργανισμούς έχουν αναπτύξει τις τελευταίες δεκαετίες υπηρεσίες παρακολούθησης και πρόγνωσης των ηλιακών φαινομένων και των συνθηκών του διαστήματος και της μαγνητόσφαιρας.
Ένας διαστημικός κυκλώνας στην ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης
Σε άρθρο που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications, μια ομάδα ερευνητών από ινστιτούτα της Κίνας, της Νορβηγίας, των ΗΠΑ και της Μεγάλης Βρετανίας, εντόπισε έναν διαστημικό κυκλώνα πάνω από την ιονόσφαιρα στον Β.Πόλο.
Ο σχηματισμός αυτός δεν ήταν ορατός όπως οι αντίστοιχοι κυκλώνες που παρατηρούμε σε εικόνες από μετεωρολογικούς δορυφόρους. Η ύπαρξή του διαπιστώθηκε από μετρήσεις και παρατηρήσεις διαστημικών παρατηρητηρίων και σμηνών δορυφόρων, τα οποία λαμβάνουν εικόνες του πολικού σέλαος, παρακολουθούν την κατάσταση της ιονόσφαιρας και καταγράφουν τις ιδιότητες των σωματιδίων στο Διάστημα γύρω από τη Γη, μετρώντας την πίεση, την ταχύτητα, τη σύσταση και το μαγνητικό πεδίο του ηλιακού ανέμου.
Η προσεκτική ανάλυση των παρατηρήσεων, οι οποίες λήφθηκαν τον Αύγουστο του 2014, κατέδειξε την ύπαρξη μεγάλης διάρκειας και έκτασης, ισχυρών περιστροφικών κινήσεων του πλάσματος της μαγνητόσφαιρας πάνω από τον Βόρειο Πόλο. Ο σχηματισμός, είχε έκταση περίπου 1000 χιλιόμετρα, διάρκεια περίπου οχτώ ώρες και αποτελούνταν από σπειροειδείς βραχίονες και μια ήρεμη περιοχή στο κέντρο, σε αντιστοιχία, δηλαδή, με τους τυπικούς γήινους κυκλώνες. Το μοτίβο αυτό συνέπιπτε με τη μορφολογία του Πολικού Σέλαος, το οποίο σχηματίζεται όταν ηλεκτρόνια υψηλών ενεργειών, που προέρχονται από τη μαγνητόσφαιρα της Γης προσπίπτουν στην ιονόσφαιρα.
Όπως χαρακτηριστικά περιγράφουν οι συγγραφείς της μελέτης, ενώ ένας τροπικός κυκλώνας συνοδεύεται από ισχυρές βροχοπτώσεις, ο διαστημικός κυκλώνας σχετιζόταν με “βροχή” ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας. Ωστόσο, ενώ ένας τυπικός κυκλώνας οφείλεται στην ανοδική κίνηση υγρού αέρα από τους ωκεανούς, ο διαστημικός κυκλώνας προκλήθηκε από την αλληλεπίδραση μεταξύ του ηλιακού ανέμου και του γήινου μαγνητικού πεδίου, μεταφέροντας μεγάλα ποσά ενέργειας και ορμής από τη μαγνητόσφαιρα και τον ηλιακό άνεμο στην ιονόσφαιρα. Μάλιστα, το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε σε περίοδο ήρεμου διαστημικού καιρού, γεγονός που το κάνει ακόμη πιο ενδιαφέρον σε ό,τι αφορά τη σύνδεση μεταξύ ιονόσφαιρας, μαγνητόσφαιρας και διαστήματος σε περιόδους που απουσιάζουν φαινόμενα έντονης ηλιακής δραστηριότητας και ταχεία ροή του ηλιακού ανέμου.
Οι επιστήμονες της ερευνητικής ομάδας επιβεβαίωσαν τα συμπεράσματά τους χρησιμοποιώντας αριθμητικές προσομοιώσεις, με τις οποίες αναπαρήγαγαν τα χαρακτηριστικά της εξέλιξης του φαινομένου στη γήινη μαγνητόσφαιρα, λαμβάνοντας υπόψη βασικές αρχές της ρευστοδυναμικής και του ηλεκτρομαγνητισμού και χρησιμοποιώντας σαν αρχικές συνθήκες τις μετρήσεις που παρείχαν οι δορυφόροι.
Πηγή:
Zhang, QH., Zhang, YL., Wang, C. et al. A space hurricane over the Earth’s polar ionosphere. Nat Commun 12, 1207 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-21459-y
