طوفان‌های خورشیدی چگونه می‌توانند ماهواره‌ها را به آسانی نابود کنند؟

در تاریخ ۴ فوریه‌ی ۲۰۲۲، اسپیس ایکس ۴۹ ماهواره را به‌عنوان بخشی از پروژه‌ی اینترنتی استارلینک ایلان ماسک به فضا فرستاد که اغلب آن‌ها چند روز بعد در جو سوختند. دلیل این حادثه که به بیش از ۵۰ میلیون دلار خسارت انجامید، طوفان ژئومغناطیسی خورشیدی بود.

طوفان‌های ژئومغناطیسی زمانی رخ می‌دهند که آب و هوای فضایی با زمین برخورد کند و با آن واکنش دهد. آب و هوای فضایی بر اثر نوسان‌های خورشید به وجود می‌آید که به انتشار الکترون‌، پروتون و دیگر ذرات به داخل فضا منجر می‌شود. وقتی آب‌وهوای فضایی با زمین برخورد کند زمینه‌ساز فرآیندهای پیچیده‌ای می‌شود که می‌توانند برای هر جسمی در مدار دردسرساز باشند. مهندسان به‌دنبال درک بهتر این خطرها و دفاع از ماهواره‌ها دربرابر آن‌ها هستند.

خورشید گاهی مقادیر عظیمی از ذرات را در رویدادهای فعالی مثل شراره‌های خورشیدی و دفع تاج خورشیدی به داخل فضا منتشر می‌کند.

خورشید همیشه مقادیر ثابتی از ذرات باردار را به داخل فضا منتشر می‌کند. به این ذرات باد خورشیدی گفته می‌شود. باد خورشیدی میدان مغناطیسی خورشیدی را حمل می‌کند. گاهی اوقات نوسان‌های محلی خورشید فوران‌های شدیدی ذرات در یک جهت خاص را به‌دنبال دارند. اگر زمین در مسیر باد خورشیدی شدیدی باشد که در این رویدادها تولید می‌شود، در اصطلاح می‌گویند با طوفان ژئومغناطیسی روبه‌رو شده است. دو علت متداول طوفان‌های ژئومغناطیسی، دفع تاج خورشیدی (انفجار پلاسمایی از سطح خورشید) و باد خورشیدی هستند که از لکه‌های کم تراکم در جو فوقانی خورشید به داخل فضا می‌گریزند.

سرعت پلاسمای دفع شده یا باد خورشیدی هنگام رسیدن به زمین معیار مهمی است. هرچقدر سرعت باد خورشیدی بیشتر باشد، طوفان ژئومغناطیسی شدیدتر خواهد بود. در حالت عادی، باد خورشیدی با سرعت دقیق ۱٫۴ میلیون کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند؛ اما طوفان‌های شدید خورشیدی می‌توانند تا پنج برابر سریع‌تر باشند.

شدیدترین طوفان ژئومغناطیسی ثبت‌شده به دلیل دفع تاج خورشیدی در تاریخ سپتامبر ۱۸۵۹ رخ داد. ذرات با برخورد به زمین باعث اختلال الکتریکی در خطوط تلگرام شدند که اپراتورها را شگفت‌زده کردند و در برخی نمونه‌های شدیدتر حتی به آتش‌سوزی دستگاه‌های تلگراف انجامیدند. براساس پژوهش‌ها اگر طوفان ژئومغناطیسی با این شدت امروز با زمین برخورد کند نزدیک به ۲ تریلیون دلار خسارت به‌دنبال خواهد داشت.

میدان مغناطیسی زمین مانند سپری بخش زیادی از بادهای خورشیدی را جذب می‌کند

انتشار ذرات خورشیدی از جمله باد خورشیدی به‌شدت برای هرگونه حیات بدشانس که درمعرض خطر مستقیم آن قرار داشته باشد، خطرناک است. بااین‌حال میدان مغناطیسی زمین کاملاً از انسان‌ها دربرابر این خطر محافظت می‌کند. اولین چیزی که طوفان خورشیدی در مسیر زمین با آن برخورد می‌کند، مگنتوسفر (مغناطیس‌سپهر) است. این منطقه که جو زمین را احاطه کرده، با پلاسمای ساخته‌شده از الکترون‌ها و یون‌ها پر شده و میدان مغناطیسی قوی زمین بر آن مسلط است. وقتی باد خورشیدی با مگنتوسفر برخورد کند، جرم، انرژی و تکانه را به این لایه منتقل می‌کند.

مگنتوسفر می‌تواند بخش زیادی از انرژی روزانه‌ی بادهای خورشیدی را جذب کند؛ اما وقوع طوفان‌های خورشیدی ممکن است باعث سرریز شدن انرژی شود و انرژی اضافی را به لایه‌های بالایی جو زمین در نزدیکی قطب‌ها منتقل کند. این تغییر مسیر انرژی به قطب‌ها به رویدادهای چشمگیر شفق قطبی منجر می‌شود، اما درعین‌حال می‌تواند جو فوقانی زمین را تغییر دهد.

لایه‌های مختلف جو زمین با شدت متفاوتی تحت تأثیر طوفان‌های خورشیدی قرار می‌گیرند.

طوفان‌های ژئومغناطیسی به شیوه‌های مختلف ماهواره‌های موجود در مدار زمین را متوقف می‌کنند. وقتی جو زمین انرژی حاصل از طوفان‌های مغناطیسی را جذب می‌کند، گرم می‌شود و به سمت بالا توسعه پیدا می‌کند. این انبساط به شکل چشمگیری چگالی ترموسفر را کاهش می‌دهد. ترموسفر لایه‌ای از جو زمین است که از ارتفاع ۸۰ کیلومتری تا ۱۰۰۰ کیلومتری بالای سطح زمین کشیده شده است. چگالی بالاتر به معنی نیروی درگ بیشتر است که می‌تواند برای ماهواره‌ها مشکل‌ساز شود.

این موقعیت دقیقاً همان رویدادی است که به نابودی ماهواره‌های استارلینک اسپیس ایکس در ماه فوریه منجر شد. ماهواره‌های استارلینک با استفاده از موشک فالکون ۹ در مداری کم‌ارتفاع، معمولاً ۱۰۰ و ۲۰۰ کیلومتری فراز سطح زمین رها می‌شوند. سپس ماهواره‌ها از موتورهای مستقل خود برای غلبه بر نیروی درگ و بالا کشیدنشان تا ارتفاع نهایی تقریبی ۵۵۰ کیلومتری استفاده می‌کنند.

آخرین دسته‌ی ماهواره‌های استارلینک در مدار پایین زمین با طوفان ژئومغناطیسی روبه‌رو شدند. موتورهای آن‌ها نتوانستند بر نیروی شدید درگ غلبه کنند و در نهایت به سمت زمین سقوط کردند و در جو سوختند. نیروی درگ، تنها یکی از خطرها آب‌وهوای فضایی بر منابع مستقر در فضا است. افزایش چشمگیر الکترون‌های پرانرژی در مگنتوسفر در حین طوفان‌های شدید خورشیدی به معنی نفوذ تعداد بیشتری از الکترون‌ها به سپر فضاپیما و انباشته‌ شدن آن‌ها در قطعات الکترونیکی آن‌ها است. انبوه الکترون‌ها می‌تواند مانند برخوردهای کوچک صاعقه تخلیه‌ی بار کند و به قطعات الکترونیکی آسیب بزند.

ماهواره‌های استارلینک به صورت گروهی در مدار مستقر می‌شوند. ۴۰ دستگاه از این ماهواره‌ها در اوایل فوریه‌ی امسال به دلیل طوفان ژئومغناطیسی از بین رفتند.

نفوذ پرتوها یا ذرات باردار به داخل مگنتوسفر حتی در طول طوفان‌های متوسط ژئومغناطیسی می‌تواند سیگنال خروجی دستگا‌ه‌های الکترونیکی را تغییر دهد. این پدیده می‌تواند به بروز خطا در هر بخشی از سیستم الکترونیکی فضاپیما منجر شود و در صورتی که این خطا در یکی از بخش‌های مهم رخ دهد، کل ماهواره دچار اختلال می‌شود. خطاهای کوچک متداول و تعمیرشدنی هستند و خطاهای کامل، نادر و جبران‌ناپذیرند.

این تغییرات می‌تواند قفل‌ کردن سیگنال‌های GPS را دشوار سازد و برای مثال چند متر خطا را به‌دنبال داشته باشد. برای بسیاری از صنایع مثل هوانوردی، دریانوردی، رباتیک، حمل و نقل، کشاورزی، صنایع نظامی و بسیاری از صنایع دیگر، خطای چند متری موقعیت‌یابی GPS به هیچ عنوان پذیرفتنی نیست. سیستم‌های هدایت خودکار هم به موقعیت‌یابی دقیق نیاز دارند.

ماهواره‌ها برای عملکرد صحیح دنیای مدرن اهمیت دارند و محافظت از منابع فضایی دربرابر آب‌وهوای فضایی هم بخش مهمی از پژوهش‌ها است. بخشی از ریسک‌ها را می‌توان با محافظت از قطعات الکترونیکی دربرابر پرتوها یا توسعه‌ی مواد مقاوم کاهش داد؛ اما باید اقدامات محافظتی بیشتری را در مواجهه با طوفان قدرتمند ژئومغناطیسی انجام داد.

توانایی پیش‌بینی دقیق طوفان‌ها امکان محافظت پیشگیرانه از ماهواره‌ها و دیگر منابع را با خاموش کردن قطعات حساس یا جهت‌گیری ماهواره‌ها می‌دهد؛ اما با اینکه مدلسازی و پیش‌بینی طوفان‌های ژئومغناطیسی به شکل چشمگیری در طول چند سال گذشته بهبود یافته است اغلب پیش‌بینی‌ها اشتباه پیش می‌روند. اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده درباره‌ی احتمال دفع مواد از تاج خورشیدی یک روز قبل از پرتاب استارلینک هشدار داده بود، اما این مأموریت در هر صورت انجام شد.

خورشید مانند کودکی است که گاهی خشمگین می‌شود. وجود آن برای ادامه‌ی حیات لازم است، اما گاهی تغییر رفتار آن می‌تواند مشکل‌ساز شود.