طوفان خورشیدی چیست و چگونه تجهیزات فضایی و زیرساخت‌های زمینی را تهدید می‌کند؟
علی باقری
۱۰ شهریور ۱۴۰۳
۱۰ شهریور ۱۴۰۳ - ۲۱:۴۱
طوفان خورشیدی پدیده‌ای است که در پی فعالیت‌های شدید خورشید، به‌ویژه خروج جرم از تاج خورشیدی، رخ می‌دهد و مقادیر زیادی از ذرات باردار پرانرژی و تشعشعات را به فضا پرتاب می‌کند. این پدیده تأثیرات گسترده‌ای بر زمین و ساکنان آن دارد که در این گزارش به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.
طوفان خورشیدی چیست؟
در طول فعالیت‌های مغناطیسی شدید خورشید، جریانی از ذرات باردار پرانرژی و تشعشعات به فضا وارد می‌شود. بخشی از این جریان که به سمت زمین حرکت می‌کند، باعث شکل‌گیری طوفان خورشیدی می‌شود. این اتفاق اغلب پس از فوران‌های خورشیدی مانند شراره‌های خورشیدی یا خروج جرم از تاج خورشیدی (CME) رخ می‌دهد. وقتی زمین در مسیر گسترش این فوران‌ها قرار می‌گیرد، با پدیده‌ای به نام طوفان ژئومغناطیسی روبرو می‌شود. در نتیجه، اتمسفر زمین تحت بمباران ذرات پرانرژی و تشعشعات قرار می‌گیرد که اثرات مخربی بر تجهیزات فضایی از جمله ماهواره‌ها می‌گذارد.
مکانیزم رخداد طوفان خورشیدی
برای درک نحوه رخداد طوفان‌های خورشیدی، باید به فعالیت‌های مغناطیسی خورشید توجه کرد. مطالعات دانشمندان نشان می‌دهد قطبش می‌دان مغناطیسی خورشید هر ۱۱ سال یک‌بار دگرگون می‌شود؛ یعنی قطب شمال مغناطیسی به قطب جنوب تبدیل می‌شود و برعکس. این دوره فعالیت مغناطیسی که چرخه خورشیدی نام دارد، ۲۲ سال برای تکمیل یک چرخه کامل طول می‌کشد. دگرگونی می‌دان مغناطیسی می‌تواند در طول هر چرخه، فعالیت‌هایی نظیر لکه‌های خورشیدی، باد خورشیدی، شراره‌ها و فوران‌ها را به وجود آورد.
لکه‌های خورشیدی
لکه‌های خورشیدی نقاطی سرد و تیره بر سطح خورشید هستند که ناشی از اختلال در می‌دان مغناطیسی این ستاره شکل می‌گیرند. دمای سطحی در محل لکه‌ها کمتر از نواحی اطراف است، به همین دلیل تیره‌تر به نظر می‌رسند. قطر این لکه‌ها متغیر است و از ۳۰۰۰ کیلوم‌تر تا ۱۰ برابر این مقدار می‌رسد. بیش از ۵۰ درصد لکه‌ها عمر کمتر از ۴ روز دارند، هرچند برخی بیش از ۱۰۰ روز دوام می‌آورند. هر لکه مرکز یک می‌دان مغناطیسی است و شدت این می‌دان با اندازه لکه تغییر می‌کند.
باد خورشیدی
باد خورشیدی جریان مداوم ذرات باردار پرانرژی، یون‌های سنگین و تشعشعات (گاما، ایکس، فرا‌بنفش و…) است که به طور مداوم و در تمام جهات به فضا ساطع می‌شود. سرعت متوسط این باد ۴۰۰ کیلوم‌تر بر ثانیه برآورد شده است. برهم‌کنش این پلاسما با اتمسفر زمین، پدیده معروف شفق‌های قطبی را به وجود می‌آورد.
خروج جرم از تاج خورشیدی
فوران پرجرمی از باد خورشیدی که معمولا در دوره فعال چرخه مغناطیسی خورشید رخ می‌دهد، CME یا خروج جرم از تاج خورشیدی نامیده می‌شود. در این پدیده، بخشی از پلاسمای تاج خورشید به بیرون پرتاب می‌شود و در ناحیه لکه‌ها اتفاق می‌افتد. همان‌طور که اشاره شد، CME با شکل‌گیری طوفان‌های مغناطیسی همراه است.
شراره‌های خورشیدی
شراره‌های خورشیدی انتشار شدید و موضعی تابش الک‌ترومغناطیسی در جو خورشید هستند که در واقع نوعی انفجار انرژی محسوب می‌شوند. این پدیده در اثر درهم‌تنیدگی می‌دان‌های مغناطیسی خورشید در نزدیکی لکه‌ها شکل می‌گیرد. در نتیجه، تشعشعات الک‌ترومغناطیسی در سراسر طیف – از امواج رادیویی تا اشعه گاما – ساطع می‌شود. شراره‌ها اغلب با CME و سایر پدیده‌های فوران خورشیدی هم‌زمان رخ می‌دهند.
جریان باد خورشیدی با سرعت بالا
جریان باد خورشیدی با شدت بالا (HSS) نیز از پدیده‌هایی است که شرایط را برای وقوع طوفان‌های ژئومغناطیسی فراهم می‌کند. این جریان‌ها با سرعتی بالا‌تر از باد خورشیدی معمول (نزدیک ۵۰۰ تا ۸۰۰ کیلوم‌تر بر ثانیه) گسترش می‌یابند و چگالی کمتری نسبت به باد خورشیدی دارند.
به طور خلاصه، طوفان‌های خورشیدی معمولا در پی باد‌های خورشیدی شدید، انفجار‌ها و فوران‌های خورشیدی رخ می‌دهند. وقتی ذرات باردار این طوفان‌ها به اتمسفر زمین می‌رسند، جریان‌های الک‌تریکی را القا می‌کنند. این جریان‌ها و می‌دان‌های مغناطیسی ناشی از آن‌ها، به تعداد زیادی از تجهیزات الک‌ترونیکی و سیستم‌هایی که دقت آن‌ها به می‌دان‌های مغناطیسی وابسته است، آسیب می‌رسانند. این اختلال در اتمسفر زمین به عنوان طوفان خورشیدی یا طوفان ژئومغناطیسی شناخته می‌شود.
ویژگی‌های طوفان‌های خورشیدی
شدت متوسط طوفان‌های خورشیدی بین ۳۰۰ تا ۳۰۰۰ کیلوم‌تر بر ثانیه و چگالی ذرات باردار آن از ۱ تا ۱۰۰۰ ذره در هر سانتی‌متر مکعب متغیر است. در اوج فعالیت، این چگالی می‌تواند به مقادیر بالا‌تر نیز برسد. ذرات باردار شامل پروتون‌ها (هسته‌های هیدروژن)، الک‌ترون‌ها، ذرات آلفا (هسته هلیوم) و یون‌های سنگین از عناصرمانند کربن، نیتروژن، اکسیژن، آهن و… می‌باشند. علاوه بر ذرات، مقدار زیادی تشعشع (گاما، ایکس، فرا‌بنفش) نیز در طول هر طوفان خورشیدی ساطع می‌شود.
خطرات طوفان خورشیدی
طوفان‌ها با افزایش تابش‌های یونیزه‌کننده در فضای نزدیک به زمین، می‌توانند باعث آشفتگی‌های الک‌تریکی و محاسباتی، ناهنجاری‌های سخت‌افزاری و تخریب سلول‌های خورشیدی شوند. وقتی ذرات پرانرژی با ماهواره‌ها یا انسان‌ها در فضا برخورد می‌کنند، می‌توانند با نفوذ به اجسام، به قطعات دی‌الک‌تریک، نیمه‌رسانا‌ها و مدار‌های الک‌ترونیکی آسیب برسانند و حتی DNA انسان را تخریب کنند. تخریب ساختار قطعات، خرابی‌های ناگ‌هانی، دشارژ‌های الک‌ترواستاتیکی، افزایش دمای تجهیزات، کاهش عمر مفید و ایجاد نویز از جمله این آسیب‌ها هستند. به همین دلیل تجهیزات فضایی و لباس فضانوردان باید در برابر تشعشعات و ذرات باردار مقاوم‌سازی شوند.
شبکه‌های برق نیز به شدت تحت تأثیر طوفان‌های خورشیدی قرار دارند. این طوفان‌ها می‌توانند جریان‌های القایی ژئومغناطیسی در شبکه‌های برق ایجاد کنند که به ترانسفورماتور‌ها و سایر تجهیزات الک‌تریکی آسیب می‌رسانند و باعث اختلالات و خاموشی‌های گسترده می‌شوند.
طوفان‌های خورشیدی می‌توانند در سیستم‌های ارتباطی هوایی و ناوبری ماهواره‌ای مانند GPS نیز اختلال ایجاد کنند. در هر طوفان خورشیدی، تشعشعات و ذرات پرانرژی در برخورد با جوی زمین، اتم‌ها و مولکول‌ها را یونیزه کرده و الک‌ترون‌های آزاد تولید می‌کنند. این الک‌ترون‌ها لایه‌ای در زیر یونوسفر می‌سازند که می‌تواند امواج رادیویی با فرکانس بالا را جذب کرده و برقراری ارتباط رادیویی را دشوار یا غیر‌ممکن نماید.
به طور کلی، خسارت‌های مخرب طوفان‌های خورشیدی بر تجهیزات، زیان‌های اقتصادی و اجتماعی قابل توجه‌ی به همراه دارد. با این حال، با بهره‌گیری از اقدامات پیشگیرانه و مدیریت ریسک، می‌توان اثرات منفی را کاهش داد و از تجهیزات و سیستم‌های حیاتی محافظت کرد. رصد و پیش‌بینی دقیق، طراحی مقاوم و بهره‌گیری از سیستم‌های پشتیبان از جمله راهکار‌های موثر در این حوزه هستند.
آیا می‌توان وقوع طوفان خورشیدی را پیش‌بینی کرد؟
پیش‌بینی طوفان‌ها کار ساده‌ای نیست. دانشمندان امروزه توانسته‌اند به طور نسبی دقیق چرخه فعالیت‌های خورشیدی را محاسبه کنند، اما این فعالیت‌ها بسیار پیچیده و پویا هستند و مدل‌سازی دقیق آن‌ها دشوار است. امکان دارد این فعالیت‌ها به طور ناگ‌هانی دگرگون شوند که در این صورت پیش‌بینی دشوار‌تر می‌شود.
با این حال، با ابزار‌ها و مدل‌های موجود که اخترشناسان تدوین کرده‌اند، می‌توان احتمال وقوع و شدت طوفان‌های خورشیدی را تا حدی برآورد کرد. دانشمندان در سازمان‌های فضایی کشور‌های مختلف، با بهره‌گیری از داده‌های رصد مداوم لکه‌های خورشیدی و گسترش مدل‌سازی طوفان‌ها و بررسی اثرات آن‌ها بر زمین، هشدار‌های زودهنگام برای وقوع طوفان‌های خورشیدی صادر می‌کنند. این هشدار‌ها به اپراتور‌های ماهواره‌ها، شبکه‌های برق و سایر زیرساخت‌های حساس کمک می‌کند تا اقدامات لازم برای کاهش اثرات منفی را به کار گیرند.
ماهواره‌های سولار داینامیک (SDO)، سوهو (SOHO)، آیریس (IRIS)، پارکر، سولار اوربیت، هینود و استریو (STEREO) از جمله کاوشگر‌هایی هستند که برای رصد خورشید و فعالیت‌های خورشیدی در مدار قرار دارند.
قدرتمند‌ترین طوفان‌های خورشیدی در دو دهه اخیر
در ۲ مردادماه ۱۴۰۳، فضاپیمای مدارگرد خورشیدی آژانس فضایی اروپا شاهد فوران شراره خورشیدی بسیار قدرت‌مندی از کلاس از سمت دور خورشید بود. این شراره قدرتمند‌ترین شراره خورشیدی طی نزدیک به ۲۰ سال گذشته و قوی‌ترین در چرخه خورشیدی جاری محسوب می‌شود و بسیار بزرگ‌تر از شراره قبلی بود.
بر اساس گزارش فوربز، از آنجا که این فوران در سمت دیگر خورشید رخ داده بود، تأثیر چندانی بر سیاره ما نداشت. با این حال، مدارگرد در موقعیتی قرار داشت که می‌توانست این فوران را ثبت کند. این فوران با خروج جرم از تاج خورشیدی نیز همراه بود.
<figcaption class="wp-element-caption"شراره قوی X14ابتدای سال جاری نیز طوفان خورشیدی بی‌سابقه‌ای رخ داد. اواخر اردیبهشت ۱۴۰۳، اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده (NOAA) از رسیدن سریع‌تر از انتظار طوفان خورشیدی قوی و نادری به زمین خبر داد که قدرتمند‌ترین طوفان ژئومغناطیسی در دو دهه اخیر محسوب می‌شد. در آن زمان، ایلان ماسک، مدیرعامل اسپیس‌ایکس، اعلام کرد که به دلیل این طوفان، فشار زیادی به ماهواره‌های استارلینک وارد شده و کارکرد این‌ترنت ماهواره‌ای دچار کاهش شده است. در سال ۲۰۲۲ نیز یک طوفان خورشیدی دیگر ده‌ها ماهواره استارلینک را از بین برده بود.
در ۲۲ بهمن ۱۴۰۱ نیز خورشید شراره بزرگی از کلاس انتشار کرد که در اثر آن، طوفان خورشیدی نسبتا قدرت‌مندی به وجود آمد. این طوفان بخشی از ارتباطات رادیویی را در آمریکای جنوبی دچار اختلال کرد.
آیا گرمای بی‌سابقه هوا در سال‌های گذشته به فعالیت‌های اخیر خورشید مربوط می‌شود؟
تأثیر فعالیت‌های خورشیدی بر دمای کلی زمین و تغییرات آب‌وهوایی بسیار پیچیده است. تغییرات در چرخه‌های خورشیدی می‌توانند بر جو زمین تأثیر بگذارند و در برخی موارد باعث تغییرات موقتی در دما یا شرایط جوی شوند. اما گرمایش جهانی عمدتا ناشی از فعالیت‌های انسانی، نظیر انتشار گاز‌های گلخانه‌ای و عوامل طبیعی دیگر مانند تغییرات در فعالیت آتشفشانی و چرخه‌های طبیعی آب‌وهوا است. مشاهدات نشان داده‌اند طی یک قرن گذشته، خورشید سهمی کمتر از ۱۵ درصد در افزایش دمای جهان داشته است.
با این حال، برخی مطالعات نشان داده‌اند پرتو‌ها و ذرات باردار پرانرژی با برخورد به اتمسفر زمین می‌توانند باعث کاهش سطح ازن استراتوسفری شوند. این موضوع می‌تواند بر حرکت لایه‌های زیرین تأثیر بگذارد و باعث گرمایش محلی شود. جو زمین انرژی حاصل از طوفان‌های خورشیدی را جذب کرده، گرم می‌شود و به سمت بالا گسترش می‌یابد. این انبساط چگالی یکی از لایه‌های اتمسفر به نام گرماسفر را کاهش می‌دهد که به نوبه خود می‌تواند بر تغییرات دمایی زمین تأثیر بگذارد. علاوه بر این، اوج چرخه خورشیدی و افزایش لکه‌ها با افزایش بارندگی در برخی مناطق جهان و ناهنجاری‌های سطح دریا در عرض‌های می‌انی شمال و جنوب اقیانوس آرام مرتبط بوده است.
به قول دانشمندان، فوران‌های خورشیدی کوتاه‌مدت بر رویداد‌های آب‌وهوایی تأثیر نمی‌گذارند اما تغییرات طولانی‌مدت می‌تواند بر آب‌وهوی زمین تأثیر بگذارد. با این حال، مقدار انرژی دریافتی زمین از خورشید پایدار است و فعالیت خورشیدی در یک چرخه تقریبا یازده‌ساله نزدیک به یک‌دهم درصد دگرگون می‌شود.
به طور کلی، اگرچه فعالیت‌های خورشیدی می‌توانند بر شرایط جوی تأثیر بگذارند، نقش آن‌ها در گرمایش جهانی به اندازه‌ای نیست که بتواند عامل اصلی در نظر گرفته شود. تحقیقات بیش‌تری در این حوزه در حال انجام است تا ارتباطات دقیق‌تری بین این عوامل شناسایی شود.
جمع‌بندی
در این گزارش، طوفان‌های خورشیدی مورد بررسی قرار گرفتند که در نتیجه فعالیت‌های مغناطیسی خورشید رخ می‌دهند. با چند مورد از این فعالیت‌ها آشنا شدیم و تأثیر طوفان‌های خورشیدی بر تجهیزات ماهواره‌ای و زمینی را بررسی کردیم. در پایان به چند مورد از قدرتمند‌ترین طوفان‌های خورشیدی در دو دهه اخیر اشاره شد.
سوالات متداول
طوفان خورشیدی چیست؟ طوفان خورشیدی پدیده‌ای است که در نتیجه فعالیت‌های شدید خورشید رخ می‌دهد و جریانی از ذرات باردار پرانرژی و تشعشعات را به سمت زمین سرازیر می‌کند.
طوفان خورشیدی چه اثری بر زمین دارد؟ از جمله اثرات می‌توان به اختلال در می‌دان مغناطیسی زمین، اختلال در سیستم‌های ارتباطی و ناوبری، آسیب به شبکه‌های برق، آسیب‌های ناشی از تشعشعات برای فضانوردان، از کار انداختن تجهیزات ماهواره‌ای و تخریب قطعات الک‌ترونیکی اشاره کرد.
آیا طوفان خورشیدی قابل پیش‌بینی است؟ پیش‌بینی زمان دقیق وقوع طوفان‌های خورشیدی کار دشواری است، اما دانشمندان می‌توانند با بهره‌گیری از ابزار‌ها و مدل‌های گوناگون، احتمال وقوع و شدت این طوفان‌ها را برآورد کنند.
آیا طوفان خورشیدی برای انسان خطرناک است؟ مگنتوسفر زمین ما را در برابر ورود تشعشعات و ذرات پرانرژی خورشیدی محافظت می‌کند، اما طوفان‌های خورشیدی می‌تواند به فضانوردان و تجهیزات فضایی آسیب برسانند.
آیا فعالیت‌های خورشیدی باعث افزایش دمای کره زمین خواهد شد؟ فعالیت‌های خورشیدی می‌توانند بر شرایط جوی تأثیر بگذارند، اما نقش آن‌ها در گرمایش جهانی به اندازه‌ای نیست که بتواند عامل مهم در نظر گرفته شود. گرمایش جهانی عمدتا ناشی از فعالیت‌های انسانی، نظیر انتشار گاز‌های گلخانه‌ای و عوامل طبیعی دیگر مانند تغییرات در فعالیت آتشفشانی و چرخه‌های طبیعی آب‌وهوا است.
