طوفان های خورشیدی علت اصلی نابودی ماهواره ها

در چهارم فوریه سال 2022، SpaceX در پرتابی 49 ماهواره را به عنوان بخشی از پروژه استارلینک ایلان ماسک به فضا پرتاب کرد که تعداد زیادی از آنها چند روز بعد در مدار زمین سوختند. علت شکست بیش از 50 میلیون دلاری، طوفان های ژئو مغناطیسی ناشی از خورشید اعلام شده بود. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد طوفان های خورشیدی و اثرات مخرب آن ها تا پایان مطلب با های فن تک همراه باشید.

طوفان های ژئومغناطیسی زمانی رخ می دهند که آب و هوای فضا با زمین برخورد می کند و با آن در تعامل است. آب و هوای فضا ناشی از نوسانات درون خورشید است که الکترون ها، پروتون ها و سایر ذرات را به فضا منفجر می کند. ما در اینجا خطراتی را که آب و هوای فضا برای دارایی های مبتنی بر فضا ایجاد می کند و اینکه چگونه دانشمندان می توانند مدل ها و پیش بینی آب و هوای فضا را برای محافظت در برابر این خطرات بهبود بخشند، بررسی می کنیم.
زمانی که آب و هوای فضا به زمین می رسد، فرآیندهای پیچیده زیادی را آغاز می کند که می تواند برای هر چیزی در مدار دردسرهای زیادی ایجاد کند. و مهندسان برای درک بهتر این خطرات و دفاع از ماهواره ها در برابر آنها تلاش می کنند.
چه چیزی باعث آب و هوای فضا می شود؟

خورشید همیشه مقدار ثابتی از ذرات باردار را در فضا آزاد می کند، به این باد خورشیدی می گویند. باد خورشیدی میدان مغناطیسی خورشیدی را نیز به همراه دارد. گاهی اوقات، نوسانات موضعی در خورشید، انفجارهای شدید غیرمعمولی از ذرات را در جهت خاصی پرتاب می کند. 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 رایج طوفان های ژئومغناطیسی، پرتاب جرم تاجی هستند، انفجار پلاسما از سطح خورشید و باد خورشیدی که از سوراخ های تاجی می گریزد - نقاطی با چگالی کم در جو بیرونی خورشید.
سرعت رسیدن پلاسمای پرتاب شده یا باد خورشیدی به زمین عامل مهمی است - هر چه سرعت بیشتر باشد، طوفان ژئومغناطیسی قوی تر است. به طور معمول، باد خورشیدی تقریباً با سرعت 900000 مایل در ساعت (1.4 میلیون کیلومتر در ساعت) حرکت می کند. اما رویدادهای قوی خورشیدی می توانند بادها را تا پنج برابر سریعتر آزاد کنند.
قوی ترین طوفان ژئومغناطیسی ثبت شده توسط یک پرتاب جرم تاجی در سپتامبر 1859 ایجاد شد. هنگامی که جرم ذرات به زمین برخورد کردند، موج های الکتریکی در خطوط تلگراف ایجاد کردند که اپراتورها را شوکه کرد و در برخی موارد شدید، ابزارهای تلگراف را آتش زد. تحقیقات نشان می دهد که اگر طوفان ژئومغناطیسی به این بزرگی امروز به زمین بیفتد، تقریباً 2 تریلیون دلار خسارت وارد می کند.

شکل 1 میدان مغناطیسی زمین به عنوان سپری عمل می کند که بیشتر بادهای خورشیدی را جذب می کند.

یک سپر مغناطیسی

انتشارات از خورشید، 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 بشر بسیار کار می کند.
اولین چیزی که باد خورشیدی با نزدیک شدن به زمین به آن برخورد می کند، 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 می کند، جرم، انرژی و تکانه را به این لایه منتقل می کند.
مگنتوسفر می تواند بیشتر انرژی را از سطح روزانه باد خورشیدی جذب کند. اما در طول طوفان های قوی، می تواند بیش از حد بارگیری شود و انرژی اضافی را به لایه های بالایی جو زمین در نزدیکی قطب ها منتقل کند. این تغییر جهت انرژی به قطب ها همان چیزی است که منجر به رویدادهای شفق قطبی می شود، اما همچنین باعث ایجاد تغییراتی در جو فوقانی می شود که می تواند به دارایی های فضایی آسیب برساند.

خطرات موجود در مدار

طوفان های ژئومغناطیسی با چند روش مختلف ماهواره های در حال چرخش را که روزانه به مردم روی زمین خدمت می کنند، تهدید می کند. وقتی جو انرژی حاصل از طوفان های مغناطیسی را جذب می کند، گرم می شود و به سمت بالا منبسط می شود. این انبساط به طور قابل توجهی چگالی ترموسفر را افزایش می دهد، لایه ای 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 می تواند برای ماهواره ها مشکل ساز باشد.

Figure 2 ماهواره های استارلینک به صورت دسته ای منتشر می شوند و 40 ماهواره در اوایل فوریه به دلیل طوفان ژئومغناطیسی نابود شدند.

وضعیت او دقیقاً همان چیزی است که منجر به از بین رفتن ماهواره SpaceX Starlink در ماه فوریه شد. ماهواره‌های استارلینک توسط موشک‌های فالکون 9 به مداری با ارتفاع کم، معمولاً در فاصله 60 تا 120 مایلی (100 تا 200 کیلومتری) بالای سطح زمین پرتاب می‌شوند. سپس ماهواره‌ها از موتورهای داخل هواپیما 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 ماهواره های استارلینک در حالی که هنوز در مدار بسیار پایین زمین بود با یک طوفان ژئومغناطیسی مواجه شد. موتورهای آن‌ها نتوانستند بر کشش مغناطیسی به ‌طور قابل توجهی غلبه کنند و ماهواره‌ها به آرامی شروع به سقوط به سمت زمین کردند و در نهایت در جو سوختند.
نیروی کشش تنها یکی از خطراتی است که آب و هوای فضا برای دارایی های مبتنی بر فضا ایجاد می کند. افزایش قابل توجه الکترون‌های پرانرژی در لایه 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 قطعات 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 می تواند 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، طوفان های ژئومغناطیسی می توانند توانایی ماهواره ها برای برقراری ارتباط با زمین با استفاده از امواج رادیویی را مختل کنند. به عنوان مثال، بسیاری از فناوری‌های ارتباطی، مانند GPS، بر امواج رادیویی متکی هستند. جو همیشه امواج رادیویی را تا حدی منحرف می کند، بنابراین مهندسان هنگام ساخت سیستم های ارتباطی این امواج را تصحیح می کنند. اما در طول طوفان های ژئومغناطیسی، تغییرات در یونوسفر - معادل باردار ترموسفر که تقریباً در همان محدوده ارتفاع قرار دارد، نحوه حرکت امواج رادیویی را در آن تغییر می دهد. کالیبراسیون های موجود برای یک جو آرام در طول طوفان های ژئومغناطیسی اشتباه می شوند.

چگونه از آب و هوای فضا محافظت کنیم؟
ماهواره ها برای عملکرد بیشتر دنیای مدرن بسیار مهم هستند و حفاظت از دارایی های فضایی در برابر آب و هوای فضایی یک امر مهم است.
برخی از خطرات را می توان با محافظت از وسایل الکترونیکی در برابر تشعشعات یا توسعه موادی که در برابر تشعشعات مقاوم تر هستند به حداقل رساند. اما در برابر طوفان ژئومغناطیسی قدرتمند تنها می توان 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 در چند سال گذشته به طور قابل توجهی بهبود یافته است، پیش‌بینی‌ها اغلب اشتباه هستند. اداره ملی اقیانوس و جوی هشدار داده بود که به دنبال یک پرتاب جرم تاج، یک طوفان ژئومغناطیسی "احتمالا" در روز قبل یا روز پرتاب استارلینک فوریه رخ می دهد. ماموریت به هر حال پیش رفت. خورشید مانند کودکی است که اغلب عصبانی می شود. برای ادامه زندگی ضروری است، اما وضعیت دائمی در حال تغییر آن همه چیز را چالش برانگیز می کند.