خورشید‌گرفتگی کامل ۲۰۲۴: دانشمندان چطور کسوف آمریکای شمالی را مطالعه می‌کنند؟

موشک‌ها، هواپیماها و ناظران بی‌شماری روی زمین، خورشیدگرفتگی (کسوف) کامل آمریکای شمالی را در هشتم آوریل با جزئیات بی‌سابقه‌ای مطالعه خواهند کرد.

دوشنبه هشتم آوریل، میلیون‌ها نفر در سراسر آمریکای شمالی، قرار است یکی از نادرترین لذت‌ها را تجربه کنند: تماشای خورشید‌گرفتگی کامل.

از شهر ساحلی مازاتلان در مکزیک تا ساحل شرقی نیوفاندلند در کانادا، ماه به طور کامل خورشید را می‌پوشاند و سایه‌اش را بر زمین می‌گسترد، تا روز را تقریبا به شب بدل کند.

هر ۱۸ ماه یک بار، جایی روی کره زمین یک کسوف کامل شکل می‌گیرد; یک تصادف خوشایند ناشی از این واقعیت که فاصله خورشید از زمین ۴۰۰ برابر بیشتر از ماه است، و اندازه آن ۴۰۰ برابر بزرگ‌تر. این نسبت‌ها باعث می‌شود زمانی که ماه دقیقا هم‌راستای زمین و خورشید، بین آنها قرار می‌گیرد، قرص ماه کاملا قرص خورشید را بپوشاند. با این حال خورشیدگرفتگی ماه آوریل از اهمیت ویژه‌ای‌ برخوردار است، زیرا از بخش‌های گسترده‌ای از مناطق پرجمعیت عبور می‌کند و به میلیون‌ها نفر امکان می‌دهد که شاهد این پدیده باشند.

مکان‌هایی که در مسیر کسوف کامل قرار دارند، حداکثر تا چهار دقیقه به تاریکی فروخواهند رفت. اما همین زمان هم برای انجام برخی از نادرترین آزمایش‌های علمی کفایت می‌کند. دانشمندان امیدوارند بتوانند تاج خورشید (اتمسفر خورشید) را در حالی که دور ماه به رقص درآمده ببینند، و به مشاهده واکنش حیات وحش به این رویداد آسمانی بپردازند. آنها حتی برای مشاهده واکنش جو زمین به کسوف کامل قصد دارند موشک‌هایی را به هوا بفرستند.

تخمین زده می‌شود که ۳۱ میلیون نفر در مسیر خورشیدگرفتگی کامل قرار خواهند داشت، که این دو برابر جمعیتی است که در مسیر خورشیدگرفتگی قبلی در آمریکا، در ۲۱ اوت ۲۰۱۷ حضور داشتند. در عین حال این بار زمان کسوف کامل برای بیشتر ناظران از دو دقیقه و نیم در سال ۲۰۱۷ طولانی‌تر خواهد بود، زیرا در جریان آن خورشیدگرفتگی فاصله ماه از زمین بیشتر بود. مسیر این خورشیدگرفتگی هم تقریبا دو برابر پهن‌تر خواهد بود (این بار پهنای این مسیر حدود ۲۰۰ کیلومتر است، اما در سال ۲۰۱۷ فقط پهنای ۱۱۰ کیلومتری را پوشش می‌داد).

آدام هارتستون-رز از دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی مسئول هدایت پروژه‌ای است که واکنش حیات‌وحش به خورشیدگرفتگی کامل را مطالعه می‌کند. در سال ۲۰۱۷ او گروه‌هایی از پژوهشگران را در باغ‌وحش‌های مختلف در مسیر خورشیدگرفتگی کامل مستقر کرده بود، تا رفتار حیوانات را زیر نظر بگیرند. ‌برخی از حیوانات گیج شده بودند – گروهی از گوریل‌ها با رسیدن تاریکی، برای وعده غذایی شبانه‌شان به داخل قفس رفتند، اما با بازگشت نور، دست خالی برگشتند. هارتستون- رز می‌گوید: «واکنش زرافه‌ها برای من از همه جالب‌تر بود. کسی گزارش داده بود که در کسوف کامل زرافه‌های وحشی در آفریقا شروع کرده بودند به تاختن. من واقعا شک داشتم، چون زرافه‌ها موجودات آرام و بی‌اعتنایی هستند. اما با وجود شک من، بعضی از آنها شروع کردند به دویدن».

آنطور که هارتستون-رز می‌گوید «دیوانه‌وارترین رفتار» مربوط به گروهی از لاکپشت‌های گالاپاگوس بود: «با فرا رسیدن تاریکی فعالیت آنها بیشتر و بیشتر شد، و درست در اوج لحظه کسوف کامل شروع کردند به جفت‌گیری، که ما توضیحی برای این رفتار نداریم. ممکن است این اتفاق همین یک بار افتاده باشد. به همین خاطر این بار قصد داریم لاکپشت‌های بیشتری را زیر نظر بگیریم».

هارتستون-رز پژوهشگرانی را در باغ‌وحش فورت ورث در تگزاس مستقر خواهد کرد تا ۲۰ گونه از حیوانات را در حین خورشیدگرفتگی کامل مشاهده کنند. از جمله گیبون‌ها، فلامینگوها، اورانگوتان‌ها و البته لاکپشت‌ها. او همچنین از عموم مردم درخواست کرده که با مطالعه رفتار حیوانات، چه حیوانات خانگی چه حیات‌وحش اطرافشان، مشاهدات خود را روی اینترنت بارگذاری کنند.

مطالعه همه حیوانات جالب توجه است، از سگ گرفته تا حیوانات مزرعه. هارتستون-رز می‌گوید: «اطلاعات محدودی درباره واکنش حیوانات مزرعه موجود است. آیا گاوها در هنگام خورشیدگرفتگی کامل به سمت طویله خواهند رفت؟ آیا خروس‌ها نباید لحظه‌ای در حین کسوف کامل شروع کنند به خواندن؟»

هارتستون-رز تنها کسی نیست که رفتار حیوانات را در طول خورشیدگرفتگی مطالعه خواهد کرد. تره وینتر از آزمایشگاه آریسا در ماساچوست مسئولیت هدایت پروژه‌ «صدانگاری محیطی خورشیدگرفتگی» ناسا را برعهده دارد. در این پروژه با بکارگیری دستگاه‌هایی در قطع و اندازه گوشی تلفن به نام «اودیوماث» که مجهز به میکروفن هستند، به صدای حیوانات در محیط اطراف گوش داده می‌شود. صدها داوطلب این دستگاه‌ها را در مسیر خورشیدگرفتگی کامل قرار می‌دهند، تا وینتر و گروهش بتوانند واکنش حیوانات مختلف نسبت به کاهش نور و کاهش دما (حدود پنج و نیم درجه سانتیگراد) را بشنوند.

وینتر می‌گوید: «گاهی حیوانات به شدت نسبت به تغییر نور و دما واکنش نشان می‌دهند. این یک تجربه چند حسی خواهد بود». طیف وسیعی از حیوانات از جمله جیرجیرک‌ها و حتی انسان‌ها مورد مطالعه قرار خواهند گرفت. وینتر در این باره می‌گوید: «من مشتاقم واکنش انسان‌های بسیاری که برای نخستین بار خورشیدگرفتگی کامل را تجربه خواهند کرد بشنوم، و به صدای هیجانات آنها گوش کنم». این موضوعی است که هارتستون-رز هم به آن علاقه‌مند است. او می‌گوید: «عجیب‌ترین رفتار حیوانی که ما در سال ۲۰۱۷ مشاهده کردیم، مربوط به انسان‌های اطراف‌مان بود. صدای فریاد و هیاهوی مردم بلند شد، و عده‌ای هم روی زمین دراز کشیدند».

اما در واقع همه کسانی که این خورشیدگرفتگی را مطالعه می‌کنند، نمی‌توانند آن را مشاهده کنند. آروه برجاتیا از دانشگاه هوایی امبری ریدل، همزمان با عبور ماه از مقابل خورشید، صدها کیلومتر آن‌سوتر از مکان‌هایی که خورشیدگرفتگی کامل را تجربه می‌کنند، در تاسیسات پروازی ولوپس ناسا در ویرجینیا حضور خواهد داشت. او در این مکان سرگرم یک آزمایش بسیار منحصربفرد به نام «اختلالات جوی اطراف مسیر خورشیدگرفتگی» خواهد بود، که در زمان کسوف کامل با پرتاب سه موشک ۱۸ متری به نام موشک‌های صوتی به داخل جو، سعی می‌کند تغییرات در جو سیاره را بررسی کند. برجاتیا می‌گوید: «از نظر حرفه‌ای بسیار هیجان‌زده‌ام. اما از جنبه شخصی، کمی ناراحتم که دیدن کسوف را از دست می‌دهم».

دستاوردهای علمی حاصل از این آزمایش باید بخشی از ناراحتی شخصی برجاتیا را جبران کند. هر یک از این موشک‌ها تا ارتفاع ۴۲۰ کیلومتری بالا می‌روند و سپس به زمین می‌افتند. یکی از این موشک‌ها ۴۵ دقیقه قبل از اوج کسوف، یکی در حین آن، و دیگری ۴۵ دقیقه بعد از کسوف پرتاب می‌شوند. ابزارهای موجود در این موشک‌ها، ذرات باردار و میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در یونوسفر و چگونگی تغییر آن در واکنش به کسوف را اندازه‌گیری خواهند کرد. یونوسفر بالاترین لایه جو زمین (اتمسفر) است که در حدفاصل ۱۰۰ تا هزار کیلومتری سطح سیاره قرار دارد. نوسانات در بخشی از یونوسفر که خارج از محدوده خورشیدگرفتگی است، می‌تواند بر ارتباطات ماهواره‌ای تاثیر بگذارد. بنابراین خورشیدگرفتگی فرصت نادری را برای مطالعه دقیق‌تر این تغییرات فراهم می‌کند.

همزمان با عبور سایه ماه، انتظار می‌رود که چگالی یونوسفر کاهش یابد، و به شکل امواج کوچکی به این سایه گذرا واکنش نشان دهد. برجاتیا آن را به عبور یک قایق موتوری روی دریاچه تشبیه می‌کند. پرواز در ارتفاع بالا نسبت به سطح زمین، امکان اندازه‌گیری یونوسفر را با دقت بسیار بیشتری در حین کسوف کامل فراهم می‌کند. برجاتیا می‌گوید: «درجه وضوح مشاهداتی که از سطح زمین انجام می‌شود، بسیار بزرگ است. در بهترین حالت حدود یک یا دو کیلومتر. با کمک این موشک‌ها می‌توانیم وضوح زیر یک متر، حتی گاهی زیر یک سانتی‌متر را هم مشاهده کنیم. بنابراین قادر خواهیم بود پایین‌ترین سطح نوسانات که منجر به اختلالات رادیویی می‌شوند را هم ببینیم».

به طور میانگین هر مکان مشخص روی زمین، هر ۳۷۵ سال شاهد یک کسوف کامل است. بنابراین بسیاری از افرادی که شاهد این رویداد تاریخی هستند، نه تنها کسوف را تماشا می‌کنند، بلکه به تصویربرداری از آن نیز خواهند پرداخت. لورا پتیکولاس از دانشگاه ایالتی سونوما در کالیفرنیا از تمام کسانی که این کار را می‌کنند خواسته است تا در پروژه او با نام «مگامووی خورشیدگرفتگی» شرکت کنند. این پروژه قصد دارد با کنار هم گذاشتن صدها تصویری که توسط ناظران گرفته می‌شود، یک فیلم واحد از خورشیدگرفتگی تولید کند.

پتیکولاس همین پروژه را در سال ۲۰۱۷ اجرا کرد، اما متوجه شد به دلیل کمبود تصاویر، محصول نهایی «آنقدر که در ذهن‌مان تصور می‌کردیم زیبا نشد». بنابراین آنها این بار امیدوارند مجموعه وسیع‌تری از تصاویر، شامل تصاویر حرفه‌ای‌تر از خورشیدگرفتگی در اختیارشان قرار بگیرد، تا بتوانند محصول کامل‌تر و دقیقی‌تری تولید کنند. آنها امیدوارند این مگامووی ویژگی‌های تاج خورشید (هاله خورشید) را آشکار کند. از جمله فوران پلاسمای داغ که از دید ناظر زمینی اطراف قرص ماه پرتاب می‌شود، و با تصویربرداری افراد مختلف در طول مسیر کسوف تکمیل‌تر خواهد شد.

او می‌گوید: «این بار ما واقعا انتظار داریم بتوانیم آن فوران‌ها و ویژگی‌های در حال تغییر هاله خورشید را ببینیم». معمولا مطالعه چنین رویدادهایی به شدت دشوار است، مگر برای تلسکوپ‌هایی با طراحی ویژه و یا فضاپیماهایی که قادرند خورشید را بپوشانند. اما یک خورشیدگرفتگی کامل به ناظران بسیار زیادی امکان انجام این کار را می‌دهد. این رویداد به خصوص از یک جنبه دیگر هم مورد توجه است. زیرا خورشید در حال رسیدن به دوره اوج چرخه فعالیت خود است که هر یازده سال یک بار تکمیل می‌شود. هنوز دلیل وجود این چرخه به طور کامل برای ما مشخص نیست.

پتیکولاس می‌گوید: «این خورشیدگرفتگی از نظر شمار افرادی که در مسیر کسوف کامل قرار می‌گیرند، خورشیدگرفتگی بسیار بزرگتری محسوب می‌شود. این پروژه واقعا روی این موضوع حساب کرده است، و من امیدوارم حدود ۵۰۰ داوطلب تصاویری را بارگذاری کنند».

برای بسیاری از کسانی که روی سطح زمین هستند، وضعیت هوا می تواند عامل تعیین‌کننده‌ای باشد که آیا واقعا خواهند توانست کسوف کامل را ببینند یا خیر. زیرا ابرها همیشه می‌توانند تجربه دیدن خورشید را ضایع کنند. یکی از راه‌های اجتناب از این مساله، پرواز به آسمان‌ها است. یعنی دقیقا کاری که ناسا قصد دارد با دو هواپیمای «دابلیوبی-۵۷» خود انجام دهد. این هواپیماها با پرواز در ارتفاع ۱۵ کیلومتری از سطح زمین، از ساحل مکزیک مسیر کسوف کامل را دنبال می‌کنند، هفت دقیقه تاریکی را تجربه خواهند کرد و به ابزاری مجهز هستند که می‌توانند با آن به مطالعه خورشید بپردازند.

امیر کاسپی از موسسه تحقیقات جنوب‌غربی در کلورادو با استفاده از یک دوربین مادون قرمز که روی هواپیما نصب شده، یکی از این مطالعات را رهبری می‌کند. هرچند او شخصا برای مطالعه تاج‌ خورشید سوار این هواپیما نخواهد بود. یکی از عجایب تاج این است که حرارت آن در مقایسه با دمای سطح خورشید که فقط ۵ هزار درجه سانتیگراد است، به میلیون‌ها درجه می‌رسد، و البته هنوز دلیلی برای توضیح کامل این پدیده در دست نیست.

کاسپی فکر می‌کند که ممکن است ارتباطی بین پرتاب‌های پلاسما از خورشید که به آن زبانه یا برجستگی گفته می‌شود، با خود تاج وجود داشته باشد. برجستگی خورشیدی در اصل توده‌ای از پلاسما است که از سطح بیرون جهیده است. دمای این برجستگی‌ها تا ۳۰ هزار درجه سانتیگراد می‌رسد که نسبت به تاج بسیاری خنک‌تر است، اما می‌تواند در مادون قرمز به روشنی پرتوافشانی کند. کاسپی می‌گوید: «ما سعی داریم به این سوال پاسخ دهیم که چه چیزی عامل این پرتوافشانی است. زیرا با توجه به این تفاوت عظیم دما، آنها نمی‌توانند از یک مکانیسم پیروی کنند». یک پاسخ به این سوال می‌تواند به نحوه پیچیدن و چرخش میدان‌های مغناطیسی بر فراز سطح خورشید مربوط شود.

اگر فکر می‌کنید موشک‌ها و هواپیما برای رصد کردن خورشیدگرفتگی کافی نیستند، آنجلا دجاردینز از دانشگاه ایالتی مونتانا رهبری ۵۳ تیم از دانشجویان در سراسر ایالات متحده را برعهده خواهد داشت که قرار است در قالب «پروژه سراسری بالون خورشیدگرفتگی» ۶۰۰ بالون را به درون جو بفرستند. این بالون‌ها تا ارتفاع ۳۵ کیلومتری بالا می‌روند، و با استفاده از ابزارهایی که دارند قادر خواهند بود چگونگی واکنش جو و آب‌وهوای زمین را نسبت به شرایط در حال تغییر خورشیدگرفتگی نشان دهند.

برخی از این ابزارها برای مطالعه امواج گرانشی هستند، امواج فشاری (امواج پی) که در نتیجه تغییر دما در جو حرکت می‌کنند. دجاردینز می‌گوید: «مثل امواجی می‌ماند که بر اثر پرتاب شدن یک سنگ در یک حوضچه ایجاد می‌شوند». از سایر ابزارهای موجود در بالون‌ها برای سنجش رطوبت، جهت و سرعت باد استفاده می‌شود تا هر تغییری که بر اثر خورشیدگرفتگی در آنها ایجاد می‌شود را ثبت کنند. دجاردینز می‌گوید: «در اختیار داشتن ۶۰۰ بالون پرنده برای سنجش وضعیت جوی منبع فوق‌العاده با ارزشی از داده‌ها محسوب می‌شود. ما انتظار داریم حداقل دوازده مقاله در نتیجه داده‌هایی که گردآوری می‌کنیم منتشر شود. حتی دوربین‌هایی روی بالون‌ها نصب شده که خورشیدگرفتگی را به صورت زنده برای زمین مخابره می‌کنند».

با وجودیکه کسوف کامل آمریکا در سال ۲۰۱۷ توانست اشتیاق عموم مردم و دانشمندان را جلب کند، انتظار می‌رود خورشیدگرفتگی کامل در سال ۲۰۲۴، با توجه به گستردگی مناطق تحت پوشش و دانش ما از آنچه که این بار انتظارش را می‌کشیم، به مراتب بیشتر از رویداد پیشین مورد مشاهده و مطالعه قرار بگیرد.

هارتستون-رز می‌گوید: «فکر می‌کنم این بار مردم بیشتر هیجان‌زده‌ هستند. ۲۰۱۷ به شکل غیرمنتظره‌ای جالب بود. خورشیدگرفتگی ۲۰۲۴ در بخش‌های وسیع‌تری از آمریکا رخ می‌دهد و با توجه به اینکه خورشید در یک چرخه شگفت‌انگیز پرتاب به سر می‌برد، حتی زیباتر هم می‌شود. تاج خورشید این بار فوق‌العاده خواهد بود».