طوفان خورشیدی چیست و چه خطراتی برای زمین دارد؟
۱ دقیقه خوانده شدهطوفان خورشیدی پدیده ای است که در نتیجه فعالیت شدید خورشیدی، به ویژه جهش تاج خورشیدی رخ می دهد. این پدیده مقادیر زیادی ذرات باردار پرانرژی و تشعشع آزاد می کند.
بر اساس گزارش دیجیاتو که توسط مجله فوربس گزارش شده است، طوفان خورشیدی اثراتی بر روی زمین و ساکنان آن دارد که در ادامه با جزئیات بیشتر در مورد آن صحبت خواهیم کرد.
طوفان خورشیدی چیست؟
در طول فعالیت های مغناطیسی شدید خورشید، جریانی از ذرات باردار پرانرژی و تشعشع وارد فضا می شود. بخشی از این جریان که به زمین می رسد باعث ایجاد طوفان خورشیدی می شود. این پدیده اغلب پس از انفجارهای خورشیدی مانند شعله های خورشیدی یا پرتاب جرم تاجی (CME) رخ می دهد. هنگامی که زمین در مسیر این انفجارها قرار می گیرد، چیزی را تجربه می کند که به آن طوفان ژئومغناطیسی می گویند. پس از این طوفان، جو زمین در معرض ذرات باردار پرانرژی و تشعشعاتی قرار می گیرد که بر تجهیزات فضایی مانند ماهواره ها تأثیر منفی می گذارد.
طوفان خورشیدی چگونه رخ می دهد؟
برای پاسخ به این سوال ابتدا باید به فعالیت مغناطیسی خورشید نگاه کنیم.
طبق مطالعات دانشمندان، قطبیت میدان مغناطیسی خورشید هر 11 سال یکبار تغییر می کند. به عبارت ساده تر، قطب شمال مغناطیسی خورشید هر 11 سال یک بار به قطب جنوب مغناطیسی تبدیل می شود و بالعکس. این دوره از فعالیت مغناطیسی خورشید «چرخه خورشیدی» نامیده می شود و یک چرخه 22 سال طول می کشد. یک میدان مغناطیسی در حال تغییر می تواند باعث فعالیت مغناطیسی خورشیدی در طول هر چرخه شود، مانند لکه های خورشیدی، بادهای خورشیدی، شراره های خورشیدی و انفجارها.
لکه های خورشیدی
لکه های خورشیدی لکه های سرد و تیره ای روی سطح خورشید هستند که در نتیجه اختلال در میدان مغناطیسی این ستاره ایجاد می شوند. دمای سطح خورشید در برخی مناطق کمتر از مناطق دیگر است. به همین دلیل است که لکه ها تیره به نظر می رسند. این لکه ها قطرهای متفاوتی دارند (از 3000 کیلومتر تا 10 برابر این عدد). بیش از 50 درصد از این لکه ها کمتر از 4 روز باقی می مانند، اما گاهی لکه هایی وجود دارند که بیش از 100 روز باقی می مانند. هر نقطه مرکز یک میدان مغناطیسی است و شدت این میدان با اندازه لکه تغییر می کند.
باد خورشیدی
باد خورشیدی جریان پیوسته ای از ذرات باردار پرانرژی، یون های سنگین و تشعشعات (پرتوهای گاما، اشعه ایکس، تابش فرابنفش و غیره) است که به طور پیوسته در همه جهات به فضا منتشر می شود. باد خورشیدی با سرعت متوسط 400 کیلومتر بر ثانیه گسترش می یابد. برهمکنش این پلاسما با جو زمین باعث ایجاد پدیده معروف شفق قطبی می شود.
جریان جرم از تاج خورشیدی
انفجار عظیم باد خورشیدی که معمولاً در طول دوره فعال چرخه مغناطیسی خورشید رخ می دهد، CME یا پرتاب جرم تاجی نامیده می شود که در آن بخشی از پلاسمای تاجی به بیرون پرتاب می شود. این پدیده در ناحیه لکه ها رخ می دهد. همانطور که قبلا ذکر شد، CME ها با ایجاد طوفان های مغناطیسی مرتبط هستند.
شراره های خورشیدی
این پدیده در واقع انتشار شدید و نسبتاً موضعی تابش الکترومغناطیسی در جو خورشید است که منجر به نوعی انفجار انرژی می شود. شراره ها به دلیل درهم تنیدگی میدان های مغناطیسی خورشید در نزدیکی لکه ها ایجاد می شوند. در نتیجه این پدیده، تابش الکترومغناطیسی در سراسر طیف الکترومغناطیسی – از امواج رادیویی تا امواج گاما – ساطع می شود. شراره ها اغلب با پرتاب های تاج و سایر پدیده های شعله ور خورشیدی همراه هستند.
سرعت جریان باد خورشیدی زیاد است
جریان باد پرسرعت خورشیدی یا HSS نیز یکی از پدیده هایی است که شرایط را برای وقوع طوفان های ژئومغناطیسی ایجاد می کند. HSS ها با سرعت های بالاتر از باد خورشیدی (حدود 50-800 کیلومتر بر ثانیه) منتشر می شوند و شدت کمتری نسبت به باد خورشیدی دارند.
به طور خلاصه، طوفان های خورشیدی معمولاً توسط بادهای شدید خورشیدی، شعله ها و فوران ها ایجاد می شوند. وقتی ذرات باردار طوفان به جو زمین می رسند، جریان های الکتریکی تولید می کنند. این جریان الکتریکی و میدان های مغناطیسی ناشی از آن به بسیاری از دستگاه ها و تجهیزات الکترونیکی آسیب می زند که اندازه گیری صحیح آنها به میدان های مغناطیسی بستگی دارد. ما این اختلال در جو زمین را به عنوان «طوفان خورشیدی» یا «طوفان ژئومغناطیسی» می شناسیم.
طوفان های خورشیدی چه ویژگی هایی دارند؟
میانگین سرعت طوفان های خورشیدی معمولاً بین 300 تا 3000 کیلومتر در ثانیه است و چگالی ذرات باردار آنها بین 1 تا 1000 ذره در سانتی متر مکعب است. در زمان اوج فعالیت، این شدت می تواند به مقادیر بالاتری برسد. این ذرات باردار شامل پروتون ها (هسته های هیدروژن)، الکترون ها، ذرات آلفا (هسته هلیوم) و یون های سنگین عناصری مانند کربن، نیتروژن، اکسیژن، آهن و غیره هستند. علاوه بر ذرات، مقدار زیادی تشعشع (اشعه گاما، اشعه ایکس و اشعه ماوراء بنفش) نیز با هر طوفان خورشیدی ساطع می شود.
خطرات طوفان های خورشیدی
با افزایش تشعشعات یونیزان در فضای نزدیک به زمین، طوفان ها می توانند باعث اختلالات الکتریکی و رایانه ای، نقص سخت افزاری و آسیب به سلول های خورشیدی شوند. هنگامی که ذرات پرانرژی با ماهواره ها یا انسان ها در فضا برخورد می کنند، می توانند به جسمی که با آن برخورد می کنند نفوذ کنند و باعث آسیب به قطعات عایق، نیمه هادی ها و مدارهای الکترونیکی و حتی آسیب رساندن به DNA انسان شوند. از جمله این آسیب ها می توان به تخریب ساختار قطعات، خرابی های ناگهانی، تخلیه الکترواستاتیکی، افزایش دمای تجهیزات، کاهش عمر مفید تجهیزات، ایجاد اعوجاج در عملکرد آن و ایجاد انواع نویز اشاره کرد. به همین دلیل تجهیزات فضایی و لباس فضانوردان باید در برابر تشعشعات و ذرات باردار مقاوم باشند.
شبکه های برق نیز به شدت تحت تأثیر طوفان های خورشیدی قرار گرفته اند. طوفان ها می توانند باعث ایجاد جریان های مغناطیسی در شبکه های برق شوند. این جریان ها می تواند به ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات الکتریکی آسیب برساند و باعث اختلالات و قطع برق گسترده شود.
طوفان های خورشیدی همچنین می توانند ارتباطات آب و هوا و سیستم های ناوبری ماهواره ای مانند سیستم موقعیت یابی جهانی (GPS) را مختل کنند. با هر طوفان خورشیدی، تشعشع و ذرات پرانرژی به جو زمین برخورد می کنند و اتم ها و مولکول ها را یونیزه می کنند و الکترون های آزاد ایجاد می کنند. این الکترون ها لایه ای را در زیر یونوسفر تشکیل می دهند که می تواند امواج رادیویی با فرکانس بالا را جذب کند و ارتباط بی سیم را دشوار یا غیرممکن کند.
به طور کلی، آسیب های مخرب ناشی از طوفان های خورشیدی به تجهیزات، خسارات اقتصادی و اجتماعی زیادی را به دنبال خواهد داشت. با این حال، با استفاده از اقدامات پیشگیرانه و مدیریت ریسک، می توان اثرات منفی را به حداقل رساند و از تجهیزات و سیستم های حیاتی محافظت کرد. نظارت و پیش بینی دقیق، طراحی مقاوم و استفاده از سیستم های پشتیبانی از جمله راهکارهای موثر در این زمینه است.
آیا می توان طوفان های خورشیدی را پیش بینی کرد؟
پیش بینی طوفان کار آسانی نیست. امروزه دانشمندان توانستهاند چرخه فعالیت خورشیدی را با دقت نسبتاً محاسبه کنند، اما این فعالیتها بسیار پیچیده، پویا و مدلسازی دقیق هستند. این فعالیت ها همچنین ممکن است به طور ناگهانی تغییر کنند. در این صورت پیش بینی مشکل تر می شود.
با این حال، با استفاده از ابزارها و مدل های فعلی پیشنهاد شده توسط ستاره شناسان، می توان احتمال و شدت طوفان های خورشیدی را تا حدودی تخمین زد. دانشمندان آژانسهای فضایی در کشورهای مختلف با استفاده از دادههای بهدستآمده از پایش مستمر لکههای خورشیدی و توسعه مدلسازی طوفانها و اثرات آن بر روی زمین، هشدارهای اولیه درباره وقوع طوفانهای خورشیدی صادر میکنند. این هشدارها به اپراتورهای ماهواره ها، شبکه های برق و سایر زیرساخت های حساس کمک می کند تا اقدامات لازم را برای کاهش اثرات منفی این طوفان ها انجام دهند.
ماهواره های Solar Dynamics (SDO)، SOHO، IRIS، Parker، Solar Orbit، Hinode و Stereo از جمله کاوشگرهایی هستند که برای مطالعه خورشید و نظارت بر فعالیت های خورشیدی در مدار هستند.
قوی ترین طوفان های خورشیدی در دو دهه گذشته
در 2 آگوست 1403، کاوشگر خورشیدی آژانس فضایی اروپا شاهد یک شعله خورشیدی بسیار قدرتمند X14 از سمت دور خورشید بود. X14 قوی ترین شراره خورشیدی در 20 سال گذشته و قوی ترین در چرخه خورشیدی فعلی است. این شراره بسیار بزرگتر از شراره های خورشیدی قبلی بود.
از آنجایی که این انفجار در طرف دیگر خورشید رخ داد، تأثیر قابل توجهی بر سیاره ما نداشت. با این حال، کاوشگر در موقعیتی بود که این انفجار را ثبت کرد. این انفجار همچنین با خروج جرم از تاج خورشیدی همراه بود.
X14 نورانی قدرتمند
طوفان خورشیدی بی سابقه در ابتدای سال جاری رخ داد. در پایان ماه می 1403 هجری شمسی، اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده (NOAA) ورود طوفان خورشیدی قدرتمند و کمیاب را زودتر از حد انتظار به زمین اعلام کرد که قوی ترین طوفان ژئومغناطیسی در دو سال گذشته به حساب می آمد. قراردادها در آن زمان ایلان ماسک، مدیرعامل اسپیس ایکس اعلام کرد که به دلیل این طوفان فشار زیادی بر روی ماهواره های استارلینک وارد شد و عملکرد اینترنت ماهواره ای کاهش یافت. در گذشته (2022)، طوفان خورشیدی دیگری ده ها ماهواره Starlink را نابود کرد.
در 22 فوریه 1401 خورشید نیز یک شعله بزرگ کلاس X منتشر کرد که باعث ایجاد یک طوفان خورشیدی نسبتاً قدرتمند شد. طوفان باعث اختلال در برخی ارتباطات رادیویی در آمریکای جنوبی شد.
آیا گرمای بیسابقه هوا در سالهای اخیر مربوط به فعالیتهای اخیر خورشیدی است؟
تأثیر فعالیت های خورشیدی بر دمای کلی زمین و تغییرات آب و هوایی بسیار پیچیده است. تغییرات در چرخه های خورشیدی می تواند جو زمین را تحت تاثیر قرار دهد و در برخی موارد باعث تغییرات موقتی در دما یا شرایط آب و هوایی شود. اما گرم شدن کره زمین عمدتاً توسط فعالیت های انسانی مانند انتشار گازهای گلخانه ای و سایر عوامل طبیعی مانند تغییرات در فعالیت های آتشفشانی و چرخه های طبیعی آب و هوا ایجاد می شود. مطالعات نشان داده است که در طول قرن گذشته، خورشید کمتر از 15 درصد در افزایش دمای کره زمین نقش داشته است.
با این حال، برخی مطالعات نشان داده اند که برخورد پرتوها و ذرات باردار پرانرژی به جو زمین می تواند منجر به کاهش سطح ازن استراتوسفر شود. این مشکل می تواند بر رفتار لایه های زیرین تأثیر بگذارد و باعث گرم شدن موضعی شود. جو زمین نیز انرژی حاصل از طوفان های خورشیدی را جذب می کند، گرم می شود و به سمت بالا منبسط می شود. این انبساط باعث کاهش چگالی یکی از لایه های جو زمین به نام ترموسفر می شود که به نوبه خود می تواند بر تغییرات دمای زمین تأثیر بگذارد. علاوه بر این، اوج چرخه خورشیدی و افزایش لکه های خورشیدی با افزایش بارندگی در بخش هایی از جهان و فشار غیرعادی سطح دریا در عرض جغرافیایی میانی اقیانوس آرام شمالی و جنوبی همراه بوده است.
به گفته دانشمندان، شعله های کوتاه مدت خورشیدی بر رویدادهای آب و هوایی تأثیر نمی گذارد، اما تغییرات طولانی مدت ممکن است بر آب و هوای زمین تأثیر بگذارد. با این حال، گفته می شود مقدار انرژی دریافتی زمین از خورشید ثابت است و فعالیت خورشیدی در یک چرخه تقریباً یازده ساله حدود یک دهم درصد تغییر می کند.
به طور کلی، اگرچه فعالیت های خورشیدی می توانند بر شرایط جوی تأثیر بگذارند، نقش آنها در گرمایش جهانی به اندازه ای نیست که بتوان آن را عامل اصلی در نظر گرفت. تحقیقات بیشتری در این زمینه برای تعیین ارتباط دقیقتر بین این عوامل در حال انجام است.
خلاصه
در این مقاله به بررسی و بررسی طوفان های خورشیدی که در نتیجه فعالیت مغناطیسی خورشید رخ می دهند، پرداختیم. ما نیز با برخی از این فعالیت ها آشنا شدیم. در ادامه نگاهی به تأثیر طوفان های خورشیدی بر تجهیزات زمینی و ماهواره ها انداختیم. در نهایت به برخی از قدرتمندترین طوفان های خورشیدی در دو دهه گذشته اشاره کردیم.