باد خورشیدی چیست و چگونه بر زمین تأثیر می‌گذارد؟

باد خورشیدی جریان پیوسته‌ی پروتون‌ها و الکترون‌ها از بیرونی‌ترین لایه‌ی جوّ خورشید، یعنی کرونا یا تاج خورشیدی است. به‌نقل از مرکز پیش‌بینی آب‌و‌هوای فضایی در اداره‌ی ملی اقیانوسی و جوّی آمریکا، این ذرات باردار با سرعتی درحدود ۴۰۰ تا ۸۰۰ کیلومتر‌بر‌ثانیه در حالت پلاسما در منظومه‌ی شمسی می‌وزند.

وقتی بادهای خورشیدی به زمین می‌رسند، انبوهی از ذرات باردار را درون مگنتوسفر (مغناطیس‌کره) در امتداد خطوط میدان مغناطیسی زمین به‌سمت قطب‌ها می‌فرستند. برهم‌کنش این ذرات با جوّ زمین می‌تواند جلوه‌ی زیبای شفق‌های درخشان را برفراز مناطق قطبی به‌وجود آورد.

یوجین پارکر، اخترفیزیک‌دان پیش‌گام اهل آمریکا، وجود باد خورشیدی را برای نخستین‌بار مطرح کرد. مأموریت کاوشگر خورشیدی پارکر که برای مطالعه‌ی خورشید از نزدیک طراحی شده، نامش را از این دانشمند برجسته گرفته است.

در سال ۱۹۵۷، پارکر به‌عنوان استادیار در دانشگاه شیکاگو مشغول به کار بود که متوجه شد تاج بسیار داغ خورشید ازلحاظ تئوری باید ذرات باردار را با سرعت بسیار زیاد ساطع کند. این گرمای شدید تاج یکی از مرموزترین جنبه‌های رفتار خورشید است و فیزیک‌دانان خورشیدی هنوز به‌طور‌کامل نمی‌دانند چرا بیرونی‌ترین لایه‌ی جوّ خورشید از سطح آن داغ‌تر است.

به‌نقل از آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا، نظریه‌ی پارکر توضیح می‌دهد که در تاج خورشید، دما به ۲ میلیون درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد و پلاسما به‌طور مداوم گرم می‌شود. درنهایت، دمای پلاسما آنقدر افزایش می‌یابد که گرانش خورشید دیگر نمی‌تواند آن را نگه دارد؛ درنتیجه، به‌عنوان باد خورشیدی به فضا پرتاب می‌شود و میدان مغناطیسی خورشید را به‌همراه خود می‌کِشاند.

پارکر در سال ۲۰۱۸ تعریف کرد که از نظریه‌اش در زمان ارائه انتقادهای فراوانی شد. به‌نقل از پارکر، اولین منتقد مقاله‌ی او گفت: «پیشنهاد می‌کنم پارکر پیش از آنکه تلاش کند درباره‌ی موضوعی مقاله بنویسید، به کتابخانه برود و درباره‌ی آن مطالعه کند؛ زیرا این نظریه مزخرف محض است.»

درنهایت اخترفیزیک‌دانانی نظیر سوبرامانیان چاندراسخار، دانشمند آمریکایی هندی‌تبار که چندین دهه بعد نامش روی رصدخانه‌ پرتو ایکس چاندرا ناسا گذاشته شد، به حمایت از نظریه‌ی پارکر برخاستند. به‌نقل از دانشگاه شیگاکو، هرچند چاندراسخار به ایده‌ی ذرات علاقه‌مند نبود، نظریه‌ی پارکر را پذیرفت؛ زیرا نتوانست مشکلی درباره‌ی ریاضیات آن پیدا کند. سپس در سال ۱۹۶۲، فضاپیمای مارینر ۲ ناسا وجود ذرات باد خورشیدی را در طول سفر خود به سیاره‌ی زهره شناسایی کرد.

علاوه‌بر جریان‌های پیوسته‌ی باد خورشیدی، گاهی‌ اوقات خورشید مقادیر زیادی از آن ذرات باردار را در یک حرکت دفع می‌کند. این رویدادها که با عنوان خروج جرم از تاج خورشید (CME) شناخته می‌شوند، می‌توانند طوفان‌های ژئومغناطیسی مرتبط با نمایش شفق‌های قطبی زیبا را در محیط اطراف زمین به‌وجود آورند؛ اما می‌توانند موجب خرابی در شبکه‌های برق و شبکه‌های مخابراتی و ماهواره‌هایی شوند که به دور زمین در گردش هستند.

باد خورشیدی متشکل از ذرات بارداری است که مگنتوسفر زمین را بمباران می‌کند.

باد خورشیدی در منظومه‌ی شمسی بسیار فراتر از مدار پلوتو را درمی‌نوردد و حباب بزرگی به نام هلیوسفر را تشکیل می‌دهد. به‌نقل از آژانس فضایی اروپا، هلیوسفر به‌شکل کیسه‌ی بادنمای طویلی است که به‌همراه خورشید حرکت می‌کند و نزدیک‌ترین مرز آن تقریباً صد واحد نجومی (AU) از خورشید فاصله دارد. یک واحد نجومی متوسط فاصله‌ی زمین تا خورشید یا تقریباً معادل ۱۵۰ میلیون کیلومتر است.

هلیوسفر به‌عنوان سپر محافظ عمل و از ما دربرابر پرتوهای کیهانی تشکیل‌شده از ذرات پرانرژی محافظت می‌کند که می‌توانند به سلول‌های زنده آسیب برسانند. پرتوهای کیهانی خارج از منظومه‌ی شمسی ما تولید می‌شوند و تقریباً با سرعت نور در امتداد فضا زبانه می‌کشند. بدون حباب محافظ، این ذرات پرانرژی زمین را به‌طورمداوم بمباران می‌کردند. ریچاد مارسدن، هلیوفیزیک‌دان در آژانس فضایی اروپا می‌گوید: «بدون هلیوسفر حیات قطعاً به‌شکل متفاوتی تکامل می‌یافت یا شاید اصلا تکامل پیدا نمی‌کرد.»

این تصویر گیف داده‌های پرداز‌ش‌شده‌ی کامپیوتری از باد خورشیدی را به صورت بصری نشان می‌دهد.

هرچند باد خورشیدی به‌طورمداوم از خورشید جریان می‌یابد، ویژگی‌های آن مانند چگالی و سرعت در طول چرخه‌ی ۱۱ ساله‌ی فعالیت خورشید متفاوت است. در طول این چرخه، شمار لکه‌های خورشیدی و سطح تابش و مواد خارج‌شده از بیشینه‌ی خورشیدی به کمینه‌ی خورشیدی نوسان می‌کند. این تغییرات بر ویژگی‌های باد خورشیدی ازجمله قدرت میدان مغناطیسی، سرعت حرکت، دما و چگالی آن تأثیر می‌گذارد.

به‌نقل از وب‌سایت spaceweatherlive.com که آب‌وهوای فضایی را پیش‌بینی می‌کند، میانگین سرعت باد خورشیدی تقریباً ۳۰۰ کیلومتر‌بر‌ثانیه (۱٫۱ میلیون کیلومتر‌بر‌ساعت) است. در مقام مقایسه، توفند (تندباد دریایی) دسته‌ی ۵ می‌تواند با سرعت ۲۴۱ کیلومتر‌بر‌ساعت محیط اطرافش را درنوردد.

در طول پرواز مارینر ۲ از کنار زهره، فضاپیما نه‌تنها به وجود باد خورشیدی پی برد؛ بلکه دو جریان متمایز از باد خورشیدی، یکی سریع و دیگری کُند را نیز شناسایی کرد. سرعت جریان کُند نزدیک به ۳۴۹ کیلومتر‌بر‌ثانیه گزارش شد؛ درحالی‌که جریان سریع با دو برابر این سرعت حرکت می‌کند.

منشأ جریان سریع باد خورشیدی در سال ۱۹۷۳ با استفاده از تصاویر پرتو ایکس گرفته‌شده از تاج خورشید از ایستگاه فضایی اسکای‌لب شناسایی شد. حفره‌های تاجی یا مناطق خنک‌تر خورشید با ساختار خطوط باز میدان مغناطیسی که امکان انتشار نسبتاً راحت‌تر را به باد خورشیدی می‌دهند، عامل شکل‌گیری بادهای سریع خورشیدی هستند.

بادهای خورشیدی که به‌طرز غیرعادی سریع هستند، می‌توانند در جریان رویدادهای خروج جرم از تاج خورشید ایجاد شوند. در جریان این رویدادها، سرعت باد می‌تواند به بیش از هزار کیلومتر‌بر‌ثانیه برسد. با وجود سرعت‌های خیره‌کننده‌ای که جریان‌های سریع باد خورشیدی می‌توانند بدان دست یابند، این بادهای خورشیدی کُندتر هستند که دانشمندان را به حیرت واداشته‌اند. جیم کلیمچاک، فیزیک‌دان خورشیدی در مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا در مریلند می‌گوید: «باد خورشیدی کُند از بسیاری جهات رازی بزرگ‌تر است.»

خروج جرم از تاج خورشید از نگاه رصدخانه خورشیدی و هلیوسفری (SOHO).

کاوشگر فضایی اولیس ناسا که در سال ۱۹۹۰ پرتاب شد، هنگام پرواز در اطراف قطب‌های خورشید برخی سرنخ‌ها را درباره‌ی منشأ جریان کُند باد خورشیدی فاش کرد. این فضاپیما دریافت که در جریان دوره‌های حداقل فعالیت خورشید، باد خورشیدی عمدتاً از استوای خورشید منشأ می‌گیرد.

به‌نقل از ناسا، همان‌طورکه چرخه‌ی خورشیدی به‌سمت حداکثر فعالیت پیش می‌رود، ساختار باد خورشیدی از دو رژیم متمایز (سریع در قطب‌ها و کُند در استوا) به جریانی مخلوط و ناهمگن تغییر می‌کند. کاوشگر خورشیدی پارکر ناسا در طول مأموریت هفت‌ساله‌اش این راز خورشید را بررسی خواهد کرد. کلیمچاک پارکر را نویدبخش ارائه‌ی دانش بنیادین جدید دراین‌باره می‌داند.

اثرهای ستاره‌ی بادخیز ما در سرتاسر منظومه‌ی شمسی احساس می‌شود. نیکی فاکس، مدیر واحد هلیوفیزیک در مقر ناسا می‌گوید: «احساس من این است که اگر خورشید عطسه کند، زمین سرما می‌خورد؛ زیرا ما همیشه تأثیر اتفاقاتی که روی خورشید رخ می‌دهد، به‌لطف باد خورشیدی احساس می‌کنیم.»

در زمین، باد خورشیدی عامل شکل‌گیری شفق‌های خیره‌کننده در اطراف مناطق قطبی است. در نیم‌کره‌ی شمالی این پدیده را شفق شمالی و در نیم‌کره‌ی جنوبی شفق جنوبی می‌نامند. اگر سرعت بادهای خورشیدی به‌اندازه‌ی کافی زیاد باشد، ممکن است طوفان‌های ژئومغناطیسی شکل بگیرند. این طوفان‌ها می‌توانند شفق‌های قطبی را در‌‌مقایسه‌با شرایط جوّی آرام‌تر فضایی، تا نزدیک‌تر به استوا منبسط کنند.

رویدادهای خروج جرم از تاج خورشید می‌توانند طوفان‌هایی ژئومغناطیسی را به‌وجود آورند که به شکل‌گیری شفق‌های خیره‌کننده نظیر این نمونه در آلاسکا منجر می‌شوند.

طوفان‌های ژئومغناطیسی نیز می‌توانند ماهواره‌ها و شبکه‌های برق را از کار بیندازند و فضانوردان را تهدید کنند. در طول این طوفان‌ها، فضانوردان حاضر در ایستگاه فضایی بین‌المللی باید به‌دنبال سرپناه بروند و تا وقتی طوفان تابش‌ها گذر نکرده باشد، تمام پیاده‌روی‌های فضایی متوقف و ماهواره‌های حساس خاموش می‌شوند.

اسپیس ایکس قبلا آسیب‌هایی که آب‌وهوای فضایی می‌تواند وارد کند، مشاهده کرده بود؛ درست وقتی طوفانی ژئومغناطیسی ۴۰ ماهواره‌ی استارلینک به ارزش بیش از ۵۰ میلیون دلار را در فوریه‌ی ۲۰۲۲ نابود کرد. ماهواره‌های استارلینک حین رهاسازی در مدارهای بسیار کم‌ارتفاع (بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ کیلومتر)، برای غلبه بر نیروی درگ موتورهایشان را روشن می‌کنند و خود را ارتفاع نهایی تقریباً ۵۵۰ کیلومتری بالا می‌برند.

در جریان طوفان ژئومغناطیسی، جوّ زمین انرژی طوفان‌ها را جذب می‌کند و گرم می‌شود و به‌سمت بالا منبسط می‌شود؛ اتفاقی که متراکم‌ترشدن چشمگیر ترموسفر را به‌دنبال دارد. ترموسفر چهارمین لایه‌ی جوّ زمین است که از تقریباً ۸۰ کیلومتری تا حدود هزارکیلومتری فراز سطح زمین گسترش می‌یابد.

ترموسفر متراکم‌تر به‌معنای نیروی درگ بیشتری است که می‌تواند برای ماهواره‌ها مشکل‌ساز باشد. در فوریه‌ی ۲۰۲۲، دسته‌ای از ماهواره‌های استارلینک که به‌تازگی در مدار رها شده بودند، نتوانستند بر کشش به‌شدت افزایش‌یافته‌‌ی ناشی از طوفان ژئومغناطیسی غلبه کنند؛ درنتیجه شروع به سقوط به‌‌سمت زمین کردند و در‌نهایت در جوّ سوختند.

آب‌وهوای خورشیدی می‌تواند عواقب بسیار گرانی به‌دنبال داشته باشد؛ ازاین‌رو، افزایش درک و نظارت و پیش‌بینی ما از چنین رویدادهایی مهم است. دانشمندان متخصص بادهای خورشیدی در تلاش برای شناخت بیشتر آب‌وهوای فضایی و بهبود پیش‌بینی‌ها در این زمینه هستند. ناسا می‌گوید: «نمی‌توانیم آب‌وهوای فضایی را نادیده بگیریم؛ اما می‌توانیم اقدامات مناسب برای محافظت از خود انجام دهیم.»

رصدخانه سامانه هلیوفیزیک متشکل از ناوگانی از فضاپیماهایی است که برای مطالعه‌ی منظومه‌ی شمسی پویای ما طراحی شده‌اند.

مأموریت‌های هلیوفیزیک خورشید و تأثیر آن بر منظومه‌ی شمسی ازجمله اثرهای بادهای خورشیدی را مطالعه می‌کنند. به‌نقل از ناسا، هدف از این مأموریت‌ها درک همه‌چیز است؛ از نحوه‌ی شکل‌گیری جوّ سیاره‌ها و چگونگی تأثیر آب‌وهوای فضایی بر فضانوردان و فناوری‌های نزدیک زمین گرفته تا شناخت فیزیک حاکم بر محله‌ی کیهانی ما در فضا.

درک محیط خورشیدی دستاورد ساده‌ای نیست؛ به‌همین‌دلیل، ناوگان کاملی از فضاپیماها با هدف درک خورشید و رفتار آن مشغول فعالیت هستند. این مأموریت‌ها را می‌توان درمجموع به‌عنوان رصدخانه‌ای واحد به نام رصدخانه سامانه هلیوفیزیک (HSO) در نظر گرفت.

رصدخانه‌ی سامانه‌ی هلیوفیزیک از چندین فضاپیمای خورشیدی، هلیوسفری، زمین‌فضایی و سیاره‌ای تشکیل شده است؛ ازجمله کاوشگر خورشیدی پارکر با هدف جسورانه‌ی لمس خورشید، رصدخانه‌ی خورشیدی و هلیوسفری (SOHO) که مأموریت مشترک ناسا و آژانس فضایی اروپا است، رصدخانه‌ی روابط زمینی خورشیدی (STEREO) که از دو رصدخانه‌ی تقریباً یکسان تشکیل شده است و مدارگرد خورشیدی آژانس فضایی اروپا که برای نخستین‌بار مناطق قطبی ناشناخته‌ی خورشید را کاوش می‌کند.