التأثيرات البيولوجية والمناخية للأشعة الكونية

– متابعة

عند دراستنا للعواصف الشمسية، وتأثيرها على المناخ والحياة في الأرض، بما في ذلك تأثيرها على الأقمار الصناعية، وشبكات الاتصال، فإن ذلك يقتضي فهما لكيفية نشوء هذه العواصف، ومكوناتها، وما لها من تأثيرات فيزيائية على الإنسان وعلى الأجهزة الالكترونية، وعلى النبات والحيوان، وذلك تحصيلا لمعرفة صحيحة بالإجابة على كل تساؤل متصل بهذا الجانب من العلم الذي يندرج تحت عنوان الأشعة الكونية، وتأثيراتها البيولوجية، وتأثيرها على المناخ.

كلمة الأشعة الكونية، انما تعني الجسيمات التي تأتي من الشمس، ومن أطراف مجرتنا درب التبانة، من نجم نيوتروني ( له مجال مغناطيسي عالي الشدة )، من سوبرنوفا، ومن أرجاء الكون الأخرى، ومنها ما يأتي بسرعات عالية جدا بسبب من آليات تسريع ( أمواج رعدية مثلا ) أكسبتها سرعتها، وتغزو الأرض، فيكون التأثير المتبادل بينها وبين المجال المغناطيسي للأرض، وأيضا بينها وبين الغلاف الهوائي .

وتلك الجسيمات (الأشعة الكونية )، هي بروتونات، الكترونات، ذرات ينقصها إلكترون أو أكثر( شوارد )، أو تنقصها كل الكتروناتها ( خسرتها في خلال تصادمات مع غبار كوني على طول مسارها ). وكما أنها تصل الأرض فهي أيضا تصل الكواكب السيارة الأخرى والقمر ، فدراستها هي مهمة علمية ضرورية ، لسلامة المركبات الفضائية ورواد الفضاء . وأيضا لسلامة ركاب الطائرات ، ولفهم متغيرات كثيرة تطرأ على المناخ ، وربما لها تأثيرها على الحياة ، وأمور أخرى لها صلة بالبحث العلمي ، فمثلا نشوء نظائر مشعة ، منها كربون 14 ، وهي التي تنشأ في الغلاف الهوائي بسبب التصادمات بين جسيمات من الأشعة الكونية وبين ذرات الهواء ، ولهذا أهمية كبيرة في تحديد أعمار الأشجار ، والعظام ( بقايا هياكل عظمية ) ، والصخور ، وهذا جانب من علم الآثار ، وله أهمية في إعادة ضبط وقائع التاريخ مع زمانها .

أما عن ذلك التصور ، وما ذهب من قال به الى أن عاصفة شمسية ، سوف تكون بذاك الحال الذي تغدو فيما يصل منها أو من توابعها ، الى سطح الأرض بحيث تعلو في الجهد الكهربائي في خطوط الكهرباء فتتسبب في حرائق وفي خراب ، وما الى ذلك من توصيف ، فكل هذا كلام لا يتجاوز التخمين ، ومحاولة الافتراض ، فليس بين يدي العلم قوانين دقيقة يمكن بها التنبوء في ما يتصل بحال كهذا الذي تم سرده ، فهو التخمين والاحتمال ..فلا أقل ولا أكثر .. فالمجال المغناطيسي للشمس مركب ومعقد ، ولم يزل من الصعب لمثلي ، أو لأي من الفيزيائيين الفلكيين أن يقول بأن بين يديه قوانين يمكن ، أن يعرف بها مجرى سلوك البقع الشمسية ، فالتنبوء صعب ، ومقترن بالخطأ الذي لا يفارق ، ذلك هو الحال القائم في هذا الجانب من العلم( المجال المغناطيسي للشمس ، والمجالات المحلية الناشئة والمقترنة بدورة البقع الشمسية )

لكن هذا الاحتمال الذي سال على الألسن وجرت به أقلام الصحف ، إنما هو ناتج عن تصور افتراضي لدورة البقع الشمسية ، وأيضا لبقع شمسية تظهر ، يترتب عليها انفجارات مغناطيسية هائلة ، تؤدي الى رياح شمسية مذهلة في ضخامتها ، وهذا يبقى افتراض ، يدور به تصور افتراضي ، ومع ذلك فكل ذلك يمكنه أن يكون سؤالا نظريا مفيدا في دراسة مدى تأثير الأشعة الكونية ( وعلى الأخص منها المنبعثة من الشمس ) . الا أن الذي يدعو الى تصور كهذا ، انما يتطلب النظر الى ما يجري الآن من حال ظهور البقع الشمسية، فمن يدخل على القمر الصناعي سوهو SOHOsun spots سوف يلاحظ بأننا نمر في هذا العام، في فترة الحضيض، أي الفترة التي لا وجود فيها البقع شمسية على سطح الشمس، ولقد طالت هذه الفترة، وحيث أن دورة البقع الشمسبة هي 11 سنة، ( 5.5 سنة يتتالى ظهور البقع و5.5 يتتالى اختفاؤها)، فالتصور بأن ذلك يمكن أن يترتب عليه في الدورة القادمة ظهور بقع شمسية كبيرة جدا، ما يترتب عليه بالتالي انفجارات مغناطيسية عالية الشدة، وهذه تعني رياح شمسية هائلة تتقدم بسرعة مابين 400كم/ثانية الى 1000كم/ثانية من الشمس الى خارجها فاذا هذه اصطدمت بالأرض( ومن الجائز أن تتجه بعيدا عن الأرض ) فان تأثيرها على مناخ الأرض، وعلى الحياة سوف يكون من ألأهمية، ما يستدعي الدراسة والفهم، فاذا ثمة افتراض لنشوء رياح شمسية تتسبب بكل هذا المتخيل في الأرض ،أو هو شبه هذا الذي يمكن توقعه، فهو يظل في دائرة الافتراض والمتخيل ، في هذا الجانب من التأثير لعاصفة شمسية على مناخ الأرض، فلا شك في تأثير الأشعة الكونية على المناخ الا أن ما قيل انما فيه الاسراف الكبير في تصوير مدى التأثير على المناخ وعلى وسائل الاتصال على الأرض، فثمة خطورة للأشعة الكونية على المركبات الفضائية وتأثير على المناخ ، وكل هذا يحسب حسابه، والمسألة برمتها تحتاج الى وضع كل مسألة بصورة دقيقة للاجابة بدقة عليها. وأحسب بأن الاقتراب من ظاهرة البقع الشمسية أو المجالات المغناطيسية في الشمس انما يحتاج الى سرد توضيحي يطول، وكذلك شرح الرياح الشمسية المترتبة على الانفجارات المغناطيسية، وما لها من تأثير على المجال المغناطيسي للأرض، وأيضا على المناخ برمته، فكل هذا يحتاج الى تناول مرتب ومفصل لا على عجالة كما أقول في سرد كهذا .

ومن المفيد لفت الانتباه الى أن البقع الشمسية، إنما هي مناطق من سطح الشمس تظهر فيها مجالات مغناطيسية محلية عالية الشدة، فبين بقعة وبقعة أخرى تليها ، خطوط المجال المغناطيسي، تخرج مثلا من الشمس لتمر في بقعة لتعلو فوق سطح الشمس لتعود، لتدخل من البقعة الأخرى، فكلا البقعتين تشكلان معا ، مغناطيسا، فبقعة تكون قطبا شماليا له والبقعة التالية قطبا جنوبيا .

وخطوط المجال المغناطيسي تمر ما بين بقعة ( قطب شمالي ) وبقعة أخرى (قطب جنوبي .


بمرور الوقت تمتلئ هذه المجالات بالالكترونات والبروتونات ، فكل بروتون أو إلكترون يلف حول هذه الخطوط المغناطيسية ، فهو في قبضتها .

وبالإمكان تصور مجال مغناطيسي محلي ، ترتفع خطوطه المغناطيسية الى ما يقارب 50000 كيلومترا ، فإذا البقعة الشمسية باتساع نصف قطر الأرض ، أو أقل أو أكثر ، ويكون مجال كهذا قد امتلاء بالجسيمات من مثل الالكترونات والبروتونات ، فان تماس مجالين محليين يترتب عليه تحرير طاقة مغناطيسية هائلة (انفجارات مغناطيسية ) ، فالجسيمات تتسارع تحت تأثير المجالات المغناطيسية ، وبسبب من التماس وما يلية ، تنفتح الخطوط المغناطيسية ، ما يترتب عليه اندفاع هذه الجسيمات الى خارج الشمس ، بسرعة ( ما بين 400كم/ثانية وبين 1000كم/ثانية ) وهذا التدفق لهذه الجسيمات الى خارج الشمس هو ما ندعوه بالرياح الشمسية .

ولا يصح أن نفهم بأن الجسيم المندفع إلى خارج الشمس بأنه متحرر من قبضة المجال المغناطيسي ، بل هو في اندفاعه الى الخارج بعيدا عن سطح الشمس يلف بتسارع ما حول خط مغناطيسي ، وحيث أن كل شحنة كهربائية متحركة بتسارع ما ينشأ من حولها مجال مغناطيسي ، فان تلك الكتلة ( الرياح الشمسية ) المندفعة الى خارج الشمس إنما هي أشبه ما تكون بكتلة ضخمة من مجال مغناطيسي متحرك بتسارع معين ، فإذا ما هذه الرياح الشمسية اصطدمت بالأرض فان تأثيرها على المجال المغناطيسي سوف يكون من الأهمية بمكان ، ثم ان الجسيمات التي تتكون منها الرياح الشمسية في حين اصطدامها بالمجال المغناطيسي للأرض سوف تعاني تأثير المجال المغناطيسي للأرض عليها، فليس كل جسيم يمكنه أن يصل سطح الأرض ، فأما الجسيمات التي تستطيع أن تدخل أطراف الغلاف الهوائي العليا فانها تصطدم بذرات الهواء وتتسبب بتفاعلات نووية ، لربما نواتجها من جسيمات( من مثل الميئونات ، أشبة ما تكون بالالكترونات ، لكن كتلتها تقارب 200 مرة من مثل كتلة الألكترون ) تصل سطح الأرض ، وغالبا ما يترتب على تلك التفاعلات ، تفاعلات أخرى غيرها نووية ، يترتب عليها جميعا اشعاعات وجسيمات ، تأخذ دربها في اتجاه سطح الأرض وتبدو أشبه ما تكون بفيض من جسيمات وأشعة ، ما دعا الى توصيفها بأسم مطر من جسيمات متدفق في الهواء .

وليست آلية الانفجاريات المغناطيسية وحدها التي تتسبب في اندفاع كتل من مادة الشمس الى خارج الشمس ، فندعوها رياحا شمسية ، أو أشعة كونية شمسية (آتية من الشمس ) ، وانما هناك أيضا آلية أخرى ليست مفهومة بالتمام ، ولكن تفسيرا مقبولا يعطى لسبب نشوئها ، وهي ظاهرة مقذوفات من مادة اكليل الشمس الى خارج الشمس ، فما يحصل هو أن مجالات مغناطيسية محلية ، تكون ممتدة في علوها الى داخل اكليل الشمس ، وتمتلىء بمرور الوقت بالبروتونات والالكترونات و…( وهي كلها معا تتسمى بالبلازما بل مادة الشمس كلها بلازما وهي كلمة ليست عربية تعطى كأسم لحالة المادة الرابعة أي لا غازية ولا صلبة ولا سائلة فهي بلازما ) ، فهي في حال كهذا تبدو كغيمة على علو شاهق فوق سطح الشمس ، وبسبب من موجات رعدية التي تنشأ لأسباب يمكن قولها ، فتؤدي الى اندفاع هذه الغيمة أو الكتلة من البلازما الى خارج الشمس ، ولقد تراوحت سرع هذه المقذوفات من اكليل الشمس ما بين 20كيلومترا في الثانية الى 2700كم/ث ( وفي المتوسط فالسرعة هي 489كم/ث ) ، والجسيمات التي تتشكل منها كتلة مقذوفة كهذه في غالبيتها العظمى من البروتونات ، ونسبة ما من الألكترونات وقليل من عناصر مثل الهيليوم والأكسجين والحديد ، وغيرها . ولنذكر مثلا مقذوفة كتلتها 10كيلوغراما ، وطاقتها 10جولا وسرعتها 2700كيلومترا في الثانية ، وبالنسبة للآلية الأخرى وهي الانفجارات المغناطيسية ، فلقد كان أكبر انفجار مغناطيسي تم تسجيله ، مصحوبا بدفع كتلة من مادة الشمس الى خارجها ، مقدارها 10 بليونا من الأطنان ، وكانت سرعة هذه الكتلة 1500كيلومترا في الثانية تقريبا .

وبفضل كافة الآليات التي تتسبب في قذف مواد من الشمس الى خارجها ، فان خسارة الشمس من كتلتها في غضون 150مليونا من السنين يماثل كتلة الأرض ، ولقد خسرت الشمس حتى الآن ما يعادل 0.01% من كتلتها ، وفي المتوسط يمكن القول بأنه كل ساعة تخسر الشمس ما بين 6 الى 7 بليونا من ألأطنان من كتلتها .

والمجالات مغناطيسية المحلية فوق سطح الشمس ( الفوتوسفيرا ) ، في طبقة الكروموسفيرا التي تلي الفوتوسفيرا ، وهي في الغالب ممتدة الى ما فوق هذه الطبقة الى اكليل الشمس ( كورونا ) .. تمتلىء هذه المجالات المغناطيسية ، بالبروتونات ، الالكترونات ، وعناصر أخرى (أيونات ) ، وعند تماس المجالات المغناطيسية مع بعضها البعض ، فسرعان ما تترتب على ذلك الانفجارات المغناطيسية .

وباندفاع هذه الرياح الشمسية ، الى خارج الشمس فانها تكون أشبه بغيمة من مجالات مغناطيسية متحركة ، فاذا تصادف أن كانت الأرض في طريقها ، فانها تصطدم بالمجال المغناطيسي للأرض ، فالحال كما مجال مغناطيسي يضغط على مجال مغناطيسي آخر ، ولهذا تنضغط خطوط المجال المغناطيسي للأرض ، التي تكون في الجانب المقابل للشمس ، بينما استمرار الرياح الشمسية ( ألأشعة الكونية الآتية من الشمس ) ، في حركتها ..في تقدمها تؤدي الى امتداد المجال المغناطيسي للأرض على طول سيرها . وهذا هو حال المجال المغناطيسي للأرض تحت تأثير الرياح الشمسية . وهو بالاضافة الى ذلك يحافظ على الحياة في الأرض من تأثير الاشعة الكونية ( الرياح الشمسية ، وأيضا الجسيمات االمختلفة الآتية من أطراف المجرة ، من سوبرنوفا ، من نجم نيوتروني ، … وغيرها الى الأرض ) ، فلولا أن للأرض مجال مغناطيسي لاستحالت الحياة البشرية بسبب من الأشعة الكونية التي كان يمكنها بتأثيرها على الخلايا الحية أن تنهي الحياة ، ولا يمكنها من الاستمرار ، وكذلك الغلاف الهوائي المحفوظ في الأرض بسبب جاذبية الأرض له دوره الفاعل في الحفاظ على الحياة ، اذ في غيبة الهواء كما الحال في القمر تستحيل حياة رائد فضائي من دون وقاية ( السترة التي يرتديها رائد الفضاء) من الأشعة الكونية الآتية من كل اتجاه وخاصة من الشمس .

كذلك الأشعة الكونية لها تأثيرها على الأجهزة الالكترونية، فدوما السؤال عن مدى هذا التأثير وذلك من أجل وقاية المركبات الفضائية ورواد الفضاء، وأيضا الطائرات وركابها. ومهما بلغت الوقاية فانها ، لا تلغي في الغالب كل تأثير ما لهذه الأشعة الكونية ، فكل رائد فضاء يتعرض لهذه الأشعة ويبتلع جسمه في خلال رحلته مقدارا معينا من هذه الأشعة ، فإذا تجاوز ما يبتلعه جسمه من طاقة حدا معينا ، فان تأثيره يكون سلبا على صحة رائد الفضاء .

وتتأتى دراسة الأشعة الكونية الآتية من الشمس ، ومن أطراف الكون بواسطة أجهزة خاصة لذلك ، توضع على أجسام أقمار صناعية ، وأيضا هناك الأجهزة التي تقيس مكونات هذه الأشعة من على سطح الأرض ، وهناك قمر سوهو الذي يرصد النشاط المغناطيسي للشمس ، وما يترتب على ذلك من بقع شمسية وانفجارات مغناطيسية ومقذوفات من مادة أكليل الشمس ، وأيضا أشعة اكس وغير ذلك .

وبواسطة عداد النيوترونات يمكن متابعة فيض الأشعة الكونية( مقدار الأشعة الكونية التي تصل المتر المربع الواحد في الثانية الواحدة ) التي تصل سطح الأرض وأجراء تقدير لها ، وأيضا تقديرها خارج الأرض ، وحساب مقدار تأثير الضغط الجوي على بلوغ هذه الأشعة سطح الأرض ، وسرعان ما يتضح بأنه كلما كان الضغط الجوي أكبر فكلما كان مقدار الأشعة الكونية التي تصل سطح الأرض أقل ، ويتبن أيضا بأن الأشعة الكونية الواصلة سطح الأرض تأخذ بالازدياد مع الابتعاد عن خط الاستواء والاقتراب من القطبين الشمالي أو الجنوبي ، فأقل مقدار للأشعة الكونية بمحاذاة خط الاستواء من جانبيه ، وأكبر مقدار لها عند القطبين الشمالي والجنوبي ، ويعود سبب ذلك الى دور المجال المغناطيسي ، فهو يقود الجسيمات المشحونة كهربائيا ويتسارع بها في اتجاه القطبين المغناطيسيين ، ما يتسبب في تصادمات بين هذه الجسيمات ( التي طاقتها ما بين ألف الكترون فولت الى مائة الف الكترون فولت ) وبين ذرات الهواء ، وذلك في طبقات عليا من الغلاف الهوائي ، على ارتفاع 80 كيلومترا تقريبا من سطح الأرض ، فتؤدي الى استثارة هذه الذرات وأيضا الى تأيينها ، ما يترتب عليه انبعاث أضواء بألوان شتى ، الأحمر، الأخضر ، و… ،

وهذه الألوان دالة الذرات التي تتأيين أو تستثار ، فمثلا نجد بأن الألوان التي تنشأ نتيجة تصادم مع جزيئات وأيونات من النيتروجين ، انما هي على مستوى منخفض من اللون الأحمر ومستوى عال من اللونين ألأزرق والبنفسجي ، وفي الغالب فان التصادم مع الغازات المختلفة تترتب عليه ألون مختلفة ، وأما الأضواء التي تظهر فانها تتسمى بظاهرة الشفق القطبي ،الذي يمكن ملاحظته في المناطق القريبة من القطبين الشمالي والجنوبي .كذلك فان المجال المغناطيسي للأرض يحتجز في داخله كميات كبيرة من الأشعة الكونية ( الكترونات ، بروتونات ، أيونات (ذرات ينقصها الكترون أو أكثر ) ) ، فهناك حزام في غالبيته العظمى الكترونات ( الحزام الخارجي ) ، وغيره حزام آخر في غالبيته بروتونات ( الحزام الداخلي )، وكل حزام منها يدعى باسم حزام ( فان ألن ) ، فأما الحزام الخارجي فهو فوق سطح الأرض على مسافة ممتدة ما بين ثلاث الى عشر مرات من مثل نصف قطر الأرض ، وطاقة الجسيمات في هذا الحزام تترواح ما بين 0.1 الى 10 مليون الكترون فولت ، وأعلى شدة يمكن تمييزها في هذا الحزام فانها على ارتفاع 4- 5 من مثل نصف قطر الأرض ، أما الحزام الداخلي فهو يشتمل على تركيز عال من البروتونات ، ذات طاقة تترواح ما بين عشرة الى مائة مليونا من الآلكترون فولت، وهو فوق سطح الأرض على مسافة ممتدة ما بين ما يعادل 700 كيلومترا الى 10000كيلومترا ( أي ما بين 0.1 الى 1.5 من مثل نصف قطر الأرض ). .

المصطلحات الواردة في المقال السابق:

الأشعة الكونية ..cosmic rays ) ، ( الرياح الشمسية .. solar winds ) ، ( مجالات مغناطيسية محلية ..Local magnetic fields ) ، ( بقع شمسية ..sun spots ) ، ( انفجارات مغناطيسية .. flares ) ، ( اكليل الشمس ( أو هالة الشمس ) .. corona ) ، ( مقذوفات من مادة اكليل الشمس .. coronal sun ejection ) ، ( عاصفة شمسية .. ، ( sun storm ( شفق قطبي .. aurora ) .
* سوبرنوفا (supernova ) : نجم كتلته تقارب عشرة أضعاف كتلة الشمس أو تزيد ، يمر في كافة مراحل التطور ، الى أن ينهار على ذاته في انفجار هائل لربما لا يتبقى منه شيء الا ويتناثر في الفضاء من حوله ، أو يكون انهياره بحال يترتب عليه انفجار هائل تندفع فيه طبقات منه كبيرة الى الفضاء ، ليبقى من بعد ذلك منه ،نجم مكون في غالبيته العظمى من النيوترونات ، أي نجم نيوتروني (neutron star ) ، فاذا كانت كتلة هذا النجم كبيرة بما يكفى لغلبة الجاذبية ، فان هذه الجاذبية تسنمر في تقليصه ليصبح في نهاية المطاف ثقبأ أسود (black hole ) ، وأقل ما نقول به هنا ‘ن الثقب الأسود هو أن له من حوله أفق حوادث ، ومن هذا النطاق لا تتمكن أشعة أو ضوء من مغادرة هذا الأفق ، وذلك بسبب الجاذبية التي تثني أو تحني الأشعة في مسارها وتحول بينها وبين ذلك .

وتجدر الاشارة الى أن الأمواج الرعدية الناشئة في السوبرنوفا * ، من جراء انهياره وانفجاره ، فانها تكسب جسيمات سرعا هائلة ، ولربما أن من هذه الجسيمات ما يأتي كأشعة كونية من أعماق الفضاء الى الأرض ، وكذلك فأن لنجم النيوترون مجال مغناطيسي كبير ، فلربما يكون له أيضا مساهمة في تسريع جسيمات يصل بعضها إلى الأرض بسرع كبيرة جدا .


بقلم محمد يوسف جبارين (فلسطين)