چگونه طوفان‌های خورشیدی می‌توانند به راحتی ماهواره‌ها را نابود کنند!!

در 4 فوریه 2022، اسپیس‌ایکس 49 ماهواره را به عنوان بخشی از پروژه اینترنتی استارلینک ایلان ماسک به فضا پرتاب کرد که بیشتر آنها چند روز بعد در جو سوختند. علت این شکست بیش از 50 میلیون دلاری، طوفان ژئومغناطیسی ناشی از خورشید بود.

طوفان‌های ژئومغناطیسی زمانی رخ می‌دهند که آب و هوای فضایی با زمین برخورد می‌کند و با آن در تعامل است. آب و هوای فضا ناشی از نوسانات درون خورشید است که الکترون‌ها، پروتون‌ها و سایر ذرات را به فضا منفجر می‌کند.

من خطراتی را که آب و هوای فضا برای دارایی‌های مبتنی بر فضا ایجاد می‌کند و این امر را مطالعه می‌کنم چگونه دانشمندان می‌توانند مدل‌ها و پیش‌بینی آب و هوای فضا را برای محافظت در برابر این خطرات بهبود بخشند.

زمانی که آب و هوای فضایی به زمین می‌رسد، فرآیندهای پیچیده زیادی را آغاز می‌کند که می‌تواند برای هر چیزی در مدار دردسرهای زیادی ایجاد کند و مهندسانی مانند من برای درک بهتر این خطرات و دفاع از ماهواره‌ها در برابر آنها تلاش می‌کنند.

چه چیزی باعث آب و هوای فضایی می‌شود؟

خورشید همیشه مقدار ثابتی از ذرات باردار را در فضا آزاد می‌کند. به این ذرات باد خورشیدی می‌گویند. باد خورشیدی میدان مغناطیسی خورشیدی را نیز به همراه دارد.

گاهی اوقات، نوسانات موضعی در خورشید، انفجارهای شدید غیرمعمولی از ذرات را در یک جهت خاص پرتاب می‌کند. اگر زمین در مسیر بادهای خورشیدی تقویت‌شده ناشی از یکی از این رویدادها قرار گیرد و مورد اصابت قرار بگیرد، با یک طوفان ژئومغناطیسی مواجه می‌شوید.

دو عامل متداول طوفان‌های ژئومغناطیسی عبارتند از: پرتاب جرم تاجی – انفجار پلاسما از سطح خورشید – و باد خورشیدی فرار می‌کند.

سرعت رسیدن پلاسمای پرتاب شده یا باد خورشیدی به زمین عامل مهمی است – هر چه سرعت بیشتر باشد، طوفان ژئومغناطیسی قوی‌تر است. به طور معمول، باد خورشیدی تقریباً با سرعت 900000 مایل در ساعت (1.4 میلیون کیلومتر در ساعت) حرکت می‌کند. اما رویدادهای قوی خورشیدی می‌توانند بادها را تا پنج برابر سریعتر آزاد کنند.

قوی‌ترین طوفان ژئومغناطیسی ثبت شده توسط یک پرتاب جرم تاجی در سپتامبر 1859 ایجاد شد. هنگامی که جرم ذرات به زمین برخورد کردند، موج‌های الکتریکی مشکلی در خطوط تلگراف ایجاد کردند که اپراتورها را شوکه کرد و در برخی موارد شدید، ابزارهای تلگراف دچار آتش‌سوزی شد.

تحقیقات نشان می‌دهد که اگر طوفان ژئومغناطیسی به این بزرگی امروز به زمین برسد، تقریباً 2 تریلیون دلار خسارت به بار خواهد آورد.

یک سپر مغناطیسی

انتشارات خورشیدی، از جمله باد خورشیدی، برای هر گونه حیاتی که به اندازه کافی بدشانس باشد که مستقیماً در معرض آنها قرار گیرد، بسیار خطرناک است. خوشبختانه میدان مغناطیسی زمین برای محافظت از بشریت بسیار خوب کار می‌کند.

اولین چیزی که باد خورشیدی با نزدیک شدن به زمین به آن برخورد می‌کند، مگنتوسفر است. این ناحیه اطراف جو زمین با پلاسمای ساخته شده از الکترون و یون پر شده است. میدان مغناطیسی قوی سیاره بر آن مسلط است. هنگامی که باد خورشیدی به مگنتوسفر برخورد می‌کند، جرم، انرژی و تکانه را به این لایه منتقل می‌کند.

مگنتوسفر می‌تواند بیشتر انرژی را از سطح روزانه باد خورشیدی جذب کند. اما در طول طوفان‌های شدید، می‌تواند بیش از حد بارگذاری شود و انرژی اضافی را به لایه‌های بالایی جو زمین در نزدیکی قطب‌ها منتقل کند. این تغییر جهت انرژی به قطب‌ها همان چیزی است که منجر به رویدادهای شفق قطبی می‌شود، اما همچنین باعث ایجاد تغییراتی در جو فوقانی می‌شود که می‌تواند خطرات برای وسایلی وجود بیاورد که در مدار هستند.

طوفان‌های ژئومغناطیسی به چند روش مختلف ماهواره‌های در حال گردش را تهدید می‌کنند که روزانه به مردم روی زمین خدمت می‌کنند

وقتی جو انرژی حاصل از طوفان‌های مغناطیسی را جذب می‌کند، گرم می‌شود و به سمت بالا منبسط می‌شود. این انبساط به طور قابل توجهی چگالی ترموسفر را افزایش می‌دهد (لایه‌ای از جو که از حدود 50 مایل (80 کیلومتر) تا تقریباً 600 مایل (1000 کیلومتر) بالاتر از سطح زمین امتداد دارد). چگالی بیشتر به معنای کشش بیشتر است که می‌تواند برای ماهواره‌ها مشکل ساز باشد.

این وضعیت دقیقاً همان چیزی است که منجر به از بین رفتن ماهواره استارلینک اسپیس‌ایکس در ماه فوریه شد.

ماهواره‌های استارلینک توسط راکت‌های فالکون 9 به مداری در ارتفاع پایین پرتاب می‌شوند (معمولاً جایی بین 60 تا 120 مایل (100 تا 200 کیلومتر) بالاتر از سطح زمین).

سپس ماهواره‌ها از موتورهای خود استفاده می‌کنند تا به آرامی بر نیروی پسا غلبه کنند و خود را تا ارتفاع نهایی خود یعنی تقریباً 350 مایل (550 کیلومتر) برسانند.

آخرین دسته از ماهواره‌های استارلینک در حالی که هنوز در مدار بسیار پایین زمین بود با یک طوفان ژئومغناطیسی مواجه شد. موتورهای آن‌ها نتوانستند بر کشش زیاد غلبه کنند و  به آرامی شروع به سقوط به سمت زمین کردند و در نهایت در جو سوختند.

کشش تنها یکی از خطراتی است که آب و هوای فضایی برای دارایی‌های مبتنی بر فضا ایجاد می‌کند.

افزایش قابل توجه الکترون‌های پرانرژی در مگنتوسفر در طوفان‌های ژئومغناطیسی قوی به این معنی است که الکترون‌های بیشتری به محافظ یک فضاپیما نفوذ کرده و در قطعات الکترونیکی آن انباشته می‌شوند. این تجمع الکترون‌ها می‌تواند در اصل یک صاعقه کوچک تخلیه شود و به الکترونیک آسیب برساند.

تشعشعات نافذ یا ذرات باردار در مگنتوسفر – حتی در طوفان‌های ژئومغناطیسی خفیف – می‌توانند سیگنال خروجی دستگاه‌های الکترونیکی را تغییر دهند. این پدیده می‌تواند باعث ایجاد خطا در هر بخشی از سیستم الکترونیکی فضاپیما شود و اگر خطا در مورد مهمی رخ دهد، کل ماهواره ممکن است از کار بیفتد.

خطاهای کوچک رایج و معمولاً قابل رفع هستند، اما خرابی‌های کلی، هرچند نادر، اتفاق می‌افتند.

در نهایت، طوفان‌های ژئومغناطیسی می‌توانند توانایی ماهواره‌ها برای برقراری ارتباط با زمین با استفاده از امواج رادیویی را مختل کنند. به عنوان مثال، بسیاری از فناوری‌های ارتباطی، مانند جی‌پی‌اس، بر امواج رادیویی متکی هستند. جو همیشه امواج رادیویی را تا حدی منحرف می‌کند، بنابراین مهندسان هنگام ساختن سیستم‌های ارتباطی این اعوجاج را تصحیح می‌کنند.

اما در طول طوفان‌های ژئومغناطیسی، تغییرات در یونوسفر – معادل باردار ترموسفر که تقریباً در همان محدوده ارتفاع قرار دارد – نحوه حرکت امواج رادیویی را در آن تغییر می‌دهد. کالیبراسیون‌های موجود برای یک جو آرام در طول طوفان‌های ژئومغناطیسی اشتباه می‌شوند.

برای مثال، قفل کردن روی سیگنال‌های جی‌پی‌اس را دشوار می‌کند و می‌تواند موقعیت‌یابی را تا چند متر از بین ببرد. برای بسیاری از صنایع – هوانوردی، دریانوردی، رباتیک، حمل و نقل، کشاورزی، نظامی، و سایر صنایع – خطاهای موقعیت یابی جی‌پی‌اس چند متری به سادگی قابل تحمل نیستند. سیستم های رانندگی خودران نیز به موقعیت‌یابی دقیق نیاز دارند.

چگونه از آب و هوای فضا محافظت کنیم؟

ماهواره‌ها برای عملکرد بیشتر دنیای مدرن بسیار مهم هستند و حفاظت از دارایی‌های فضایی در برابر آب و هوای فضایی یک حوزه مهم تحقیقاتی است.

برخی از خطرات را می‌توان با محافظت از وسایل الکترونیکی در برابر تشعشعات یا توسعه موادی که در برابر تشعشعات مقاوم‌تر هستند به حداقل رساند. اما در برابر طوفان ژئومغناطیسی قدرتمند تنها می‌توان محافظت بسیار زیادی داشت.

توانایی پیش‌بینی دقیق طوفان‌ها، حفاظت پیشگیرانه از ماهواره‌ها و سایر دارایی‌ها را تا حد معینی با خاموش کردن وسایل الکترونیکی حساس یا تغییر جهت ماهواره‌ها برای محافظت بهتر ممکن می‌سازد.

اما در حالی که مدل‌سازی و پیش‌بینی طوفان‌های ژئومغناطیسی به طور قابل توجهی در چند سال گذشته بهبود یافته است، پیش‌بینی‌ها اغلب اشتباه هستند.

اداره ملی اقیانوسی و جوی هشدار داده بود که به دنبال پرتاب جرم تاجی، یک طوفان ژئومغناطیسی “احتمالا” در روز قبل یا روز پرتاب استارلینک فوریه رخ می‌دهد. ماموریت به هر حال پیش رفت.

خورشید مانند کودکی است که اغلب عصبانی می‌شود ولی برای ادامه زندگی ضروری است، اما وضعیت دائمی در حال تغییر آن همه چیز را چالش برانگیز می‌کند.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

An Expert Explains How Solar Storms Can So Easily Destroy Satellites

PIYUSH MEHTA, THE CONVERSATION

6 MARCH 2022

https://www.sciencealert.com/solar-storms-can-easily-destroy-satellites-an-expert-explains-how-we-can-protect-them-from-space-weather