طوفان خورشیدی چیست و چه خطراتی برای زمین دارد؟
طوفان خورشیدی پدیده‌ای است که درنتیجه فعالیت‌های شدید خورشیدی، به‌ویژه خروج تاج خورشیدی، رخ می‌دهد. این پدیده مقادیر زیادی از ذرات باردار پرانرژی و تشعشعات را منتشر می‌کند. طوفان خورشیدی تأثیراتی بر زمین و ساکنان آن دارد که در ادامه به آن می‌پردازیم.
طوفان خورشیدی چیست؟
طی فعالیت‌های مغناطیسی شدید خورشید، جریانی از ذرات باردار پرانرژی و تشعشعات وارد فضا می‌شود. بخشی از این جریان که به زمین می‌رسد، سبب ایجاد طوفان خورشیدی می‌شود. این پدیده اغلب پس از فوران‌های خورشیدی مانند گسیل شراره‌های خورشیدی یا خروج جرم از تاج خورشیدی (CME) رخ می‌دهد. وقتی زمین در مسیر انتشار این فوران‌ها قرار می‌گیرد، اصطلاحاً با طوفان ژئومغناطیسی روبه‌رو می‌شود. در پی این طوفان، اتمسفر زمین با ذرات باردار پرانرژی و تشعشعات بمباران می‌شود که اثرات نامطلوبی بر تجهیزات فضایی مثل ماهواره‌ها دارد.
طوفان خورشیدی چگونه رخ می‌دهد ؟
برای پاسخ به این سؤال ابتدا باید نگاهی بیندازیم بر فعالیت مغناطیسی خورشید.
طبق مطالعات دانشمندان، قطبش میدان مغناطیسی خورشید هر 11 سال یک بار تغییر می‌کند؛ به‌عبارت ساده‌تر، قطب شمال مغناطیسی خورشید هر 11 سال یک بار قطب جنوب مغناطیسی می‌شود و بالعکس. به این دوره فعالیت مغناطیسی خورشید « چرخه خورشیدی » می‌گویند و 22 سال طول می‌کشد تا یک چرخه کامل شود. تغییر میدان مغناطیسی می‌تواند طی هر چرخه باعث ایجاد فعالیت‌های مغناطیسی خورشیدی، مثل لکه‌های خورشیدی، باد خورشیدی، شراره‌های خورشیدی و فوران‌ها شود.
لکه‌های خورشیدی
لکه‌های خورشیدی در واقع نقاط سرد و تاریک روی سطح خورشیدند که به‌دلیل اختلال در میدان مغناطیسی این ستاره ایجاد می‌شوند. دمای سطحی خورشید در محل لکهها کمتر از سایر نواحی است؛ به همین دلیل لکهها تیره به نظر می‌رسند. این لکهها قطرهای متفاوتی (از 3000 کیلومتر تا 10 برابر این رقم) دارند. بیش از 50 درصد این لکهها کمتر از 4 روز عمر می‌کنند اما گاهی لکه‌هایی مشاهده می‌شوند که بیش از 100 روز دوام می‌آورند. هر لکه مرکز میدانی مغناطیسی است و شدت این میدان با اندازه لکه تغییر می‌کند.
باد خورشیدی
باد خورشیدی جریانی پیوسته از ذرات باردار پرانرژی، یون‌های سنگین و تشعشعات (گاما، ایکس، فرابنفش و…) است که پیوسته و در تمام جهات به فضا ساطع می‌شود. باد خورشیدی با سرعت متوسط 400 کیلومتر بر ثانیه منتشر می‌شود. برهم‌کنش این پلاسما با اتمسفر زمین سبب ایجاد پدیده معروف شفق‌های قطبی می‌شود.
خروج جرم از تاج خورشیدی
یک فوران پُرجرم از باد خورشیدی که معمولاً در دوره فعال چرخه مغناطیسی خورشید اتفاق می‌افتد، « CME » یا « خروج جرم از تاج خورشیدی » نام دارد که طی آن، بخشی از پلاسمای تاج خورشید به بیرون پرتاب می‌شود. این پدیده در ناحیه لکهها رخ می‌دهد. همان‌طور که گفته شد، CME همراه ایجاد طوفان‌های مغناطیسی است.
شراره‌های خورشیدی
این پدیده در واقع انتشار نسبتاً شدید و موضعی تابش الکترومغناطیسی در جو خورشید است که منجر به نوعی انفجار انرژی می‌شود. شراره‌ها در اثر درهم‌تنیدگی میدان‌های مغناطیسی خورشید در نزدیکی لکهها ایجاد می‌شوند. در نتیجه این پدیده تشعشعات الکترومغناطیسی در سراسر طیف الکترومغناطیسی –از امواج رادیویی تا گاما– ساطع می‌شود. شراره‌ها اغلب با CME و سایر پدیده‌های فوران خورشیدی همراه هستند.
جریان باد خورشیدی با سرعت بالا
جریان باد خورشیدی با سرعت بالا یا HSS نیز یکی از پدیده‌هایی است که شرایط را برای وقوع طوفان‌های ژئومغناطیسی ایجاد می‌کند. HSSها با سرعت بالاتر از سرعت باد خورشیدی (حدود 50 تا 800 کیلومتر بر ثانیه ) منتشر می‌شوند و چگالی کمتری نسبت به باد خورشیدی دارند.
پس به‌طور خلاصه، می‌توان گفت طوفان‌های خورشیدی معمولاً در نتیجه بادهای خورشیدی شدید، انفجارها و فوران‌های خورشیدی رخ می‌دهند. هنگامی که ذرات باردار طوفان‌ها به اتمسفر زمین می‌رسند، جریان‌های الکتریکی را پدید می‌آورند. این جریان الکتریکی و نیز میدان‌های مغناطیسی حاصل از آن‌ها، به بسیاری از تجهیزات الکترونی و تجهیزاتی که سنجش صحیح آن‌ها به میدان‌های مغناطیسی بستگی دارد، آسیب می‌رساند. این اختلال در اتمسفر زمین را « طوفان خورشیدی » یا « طوفان ژئومغناطیسی » می‌شناسیم.
طوفان‌های خورشیدی چه ویژگی‌هایی دارند؟
معمولاً سرعت متوسط طوفان‌های خورشیدی ۳۰۰ تا ۳۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه و چگالی ذرات باردار آن ۱ تا ۱۰۰۰ ذره در هر سانتی‌متر مکعب متغیر است. در زمان اوج فعالیت، این چگالی می‌تواند به مقادیر بالاتری نیز برسد. این ذرات باردار شامل پروتون‌ها (هسته‌های هیدروژن)، الکترون‌ها، ذرات آلفا (هسته هلیوم) و یون‌های سنگین از عناصری مانند کربن، نیتروژن، اکسیژن، آهن و… هستند. علاوه‌بر ذرات، همراه هر طوفان خورشیدی مقدار زیادی تشعشع (گاما، ایکس، فرابنفش) نیز ساطع می‌شود.
خطرات طوفان خورشیدی
طوفان‌ها با افزایش تابش‌های یونیزه‌کننده در فضای نزدیک به زمین می‌توانند باعث بروز آشفتگی‌های الکتریکی و محاسباتی، ناهنجاری‌های سخت‌افزاری و تخریب سلول‌های خورشیدی شوند. هنگامی که ذرات پرانرژی با ماهواره‌ها یا انسان‌ها در فضا برخورد می‌کنند، می‌توانند با نفوذ به جسمی که با آن برخورد می‌کنند، سبب آسیب به قطعات دی‌الکتریک، نیمه‌رساناها و مدارهای الکترونی، حتی آسیب به DNA انسان شوند. تخریب ساختار قطعات، شکست‌های ناگهانی، دشارژهای الکترواستاتیکی، افزایش دمای تجهیزات، کاهش عمر مفید تجهیزات و ایجاد ناهنجاری در عملکرد آن‌ها و ایجاد انواع نویز ازجمله این آسیب‌ها هستند؛ به همین دلیل تجهیزات فضایی و لباس فضانوردان باید نسبت به تشعشعات و ذرات باردار مقاوم‌سازی شوند.
شبکه‌های برق نیز به‌شدت تحت‌تأثیر طوفان‌های خورشیدی قرار دارند؛ طوفان‌ها می‌توانند باعث ایجاد جریان‌های القایی ژئومغناطیسی در شبکه‌های برق شوند. این جریان‌ها می‌توانند به ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات الکتریکی آسیب برسانند و اختلالات و خاموشی‌های گسترده ایجاد کنند.
طوفان‌های خورشیدی همچنین می‌توانند در سیستم‌های ارتباطی هوایی و ناوبری ماهواره‌ای مانند GPS اختلال ایجاد کنند. با هر طوفان خورشیدی، تشعشعات و ذرات پرانرژی در برخورد با جو زمین، اتم‌ها و مولکول‌ها را یونیزه کرده و الکترون‌های آزاد به وجود می‌آورند. این الکترون‌ها لایه‌ای زیر یونوسفر می‌سازند که می‌تواند امواج رادیویی با فرکانس بالا را جذب و ارتباط رادیویی را دشوار یا غیرممکن کنند.
درکل، آسیب مخرب طوفان‌های خورشیدی بر تجهیزات، زیان‌های اقتصادی و اجتماعی بسیاری به‌دنبال خواهد داشت. بااین‌حال، با استفاده از اقدامات پیشگیرانه و مدیریت ریسک، می‌توان تأثیرات منفی را کاهش داد و از تجهیزات و سیستم‌های حیاتی محافظت کرد. رصد و پیش‌بینی دقیق، طراحی مقاوم و استفاده از سیستم‌های پشتیبان ازجمله راهکارهای مؤثر در این زمینه هستند.
آیا می‌توان وقوع طوفان خورشیدی را پیش‌بینی کرد؟
پیش‌بینی طوفان‌ها کار ساده‌ای نیست؛ دانشمندان امروزه توانسته‌اند نسبتاً دقیق چرخه فعالیت‌های خورشیدی را محاسبه کنند اما این فعالیت‌ها بسیار پیچیده و پویا هستند و مدل‌سازی دقیق آن‌ها دشوار است. همچنین ممکن است این فعالیت‌ها ناگهانی تغییر کنند؛ دراین‌صورت پیش‌بینی دشوارتر می‌شود.
بااین‌حال با ابزارهای موجود و مدل‌هایی که اخترشناسان پیشنهاد داده‌اند، می‌توان احتمال وقوع و شدت طوفان‌های خورشیدی را تا حدی تخمین زد. دانشمندان در سازمان‌های فضایی کشورهای مختلف، با استفاده از داده‌هایی که از رصد پیوسته لکه‌های خورشیدی و توسعه مدل‌سازی طوفان‌ها و بررسی اثرات آن‌ها بر زمین حاصل می‌شود، هشدارهای زودهنگام برای وقوع طوفان‌های خورشیدی صادر می‌کنند. این هشدارها به اپراتورهای ماهواره‌ها، شبکه‌های برق و سایر زیرساخت‌های حساس کمک می‌کند اقدامات لازم برای کاهش تأثیرات منفی این طوفان‌ها به کار گیرند.
ماهواره‌های سولار داینامیک (SDO)، سوهو (SOHO)، آیریس (IRIS)، پارکر، سولار اوربیت، هینود (Hinode) و استریو (STEREO) ازجمله کاوشگرهایی هستند که برای بررسی خورشید و رصد فعالیت‌های خورشیدی در مدار قرار قرار دارند.
قدرتمندترین طوفان‌های خورشیدی در 2 دهه اخیر
2 مردادماه 1403، فضاپیمای مدارگرد خورشیدی آژانس فضایی اروپا شاهد فوران شراره خورشیدی بسیار قدرتمندی از کلاس X14 از سمت دور خورشید بود. X14 قدرتمندترین شراره خورشیدی طی حدود 20 سال گذشته و قوی‌ترین در چرخه خورشیدی کنونی است. این شراره بسیار بزرگ‌تر از شراره خورشیدی قبلی بود.
براساس گزارش فوربز، ازآن‌جایی‌که این فوران در سمت دیگر خورشید رخ داد، تأثیر چندانی بر سیاره ما نداشت؛ بااین‌حال مدارگرد در موقعیتی قرار داشت که می‌توانست این فوران را ثبت کند. این فوران با خروج جرم از تاج خورشیدی نیز همراه بود.
شراره قدرتمند X14
ابتدای سال جاری نیز طوفان خورشیدی بی‌سابقه‌ای اتفاق افتاد. اواخر اردیبهشت 1403، اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده آمریکا (NOAA) از رسیدن زودتر از حد انتظار طوفان خورشیدی قدرتمند و نادری به زمین خبر داد که قدرتمندترین طوفان ژئومغناطیسی در 2 دهه اخیر محسوب می‌شد. در آن زمان، « ایلان ماسک »، مدیرعامل اسپیس‌ایکس، اعلام کرد به‌دلیل این طوفان، فشار زیادی به ماهواره‌های استارلینک آمده است و عملکرد اینترنت ماهواره‌ها دچار افت شده است. در گذشته (2022) نیز طوفان خورشیدی دیگری ده‌ها ماهواره استارلینک را از بین برده بود.
22 بهمن 1401 هم خورشید شراره بزرگی از کلاس ایکس منتشر کرد که بر اثر آن، طوفان خورشیدی نسبتاً قدرتمندی به وجود آمد. این طوفان بخشی از ارتباطات رادیویی را در آمریکای جنوبی دچار اختلال کرد.
آیا گرمی 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 روی جو زمین تأثیر بگذارند و در برخی موارد باعث تغییرات موقتی در دما یا شرایط جوی شوند. اما گرم شدن جهانی عمدتاً ناشی از فعالیت‌های انسانی، مانند انتشار گازهای گلخانه‌ای و عوامل طبیعی دیگر مانند تغییر در فعالیت آتشفشانی و چرخه‌های طبیعی آب‌وهواست. بررسی‌ها نشان داده‌اند طی یک قرن گذشته، خورشید سهمی کمتر از 15 درصد در افزایش دمای جهان داشته است.
بااین‌حال برخی مطالعات نشان داده‌اند پرتوها و ذرات باردار پرانرژی با برخورد به اتمسفر زمین می‌توانند منجر به کاهش سطح ازن استراتوسفری شوند. این مسئله می‌تواند بر رفتار لایه‌های زیرین تأثیر بگذارد و سبب گرمایش محلی شود. همچنین جو زمین انرژی حاصل از طوفان‌های خورشیدی را جذب می‌کند، گرم می‌شود و به‌سمت بالا گسترش می‌یابد. این انبساط چگالی یکی از لایه‌های اتمسفر زمین به نام « گرماسپهر » را کاهش می‌دهد که به‌نوبه‌خود می‌تواند بر تغییرات دمایی زمین تأثیر بگذارد. علاوه‌براین، اوج چرخه خورشیدی و افزایش لکهها با افزایش بارندگی در مناطقی از جهان و فشار فوق‌طبیعی سطح دریا در اواسط عرض جغرافیایی شمالی و جنوبی اقیانوس آرام مرتبط بوده است.
به گفته دانشمندان، فوران‌های خورشیدی کوتاه‌مدت بر رویدادهای آب‌وهوایی تأثیر نمی‌گذارد اما تغییرات طولانی‌مدت ممکن است بر آب‌و‌هوای زمین تأثیر بگذارد. بااین‌حال گفته می‌شود میزان انرژی دریافتی زمین از خورشید پایدار است و فعالیت خورشیدی در یک چرخه تقریباً یازده‌ساله حدود یک‌دهم درصد تغییر می‌کند.
به‌طورکلی، اگرچه فعالیت‌های خورشیدی می‌توانند بر شرایط جوی تأثیر بگذارند، نقش آن‌ها در گرم شدن جهانی به‌اندازه‌ای نیست که بتواند عامل اصلی در نظر گرفته شود. تحقیقات بیشتری در این زمینه درحال انجام است تا ارتباطات دقیق‌تری بین این عوامل شناسایی شود.
جمع‌بندی
در این مطلب، طوفان‌های خورشیدی را بررسی و مرور کردیم که طوفان خورشیدی در نتیجه فعالیت‌های مغناطیسی خورشید رخ می‌دهد. همچنین با چند مورد از این فعالیت‌ها آشنا شدیم. در ادامه، نگاهی به تأثیر طوفان‌های خورشیدی بر تجهیزات ماهواره‌ای و زمین انداختیم. درنهایت به چند مورد از قدرتمندترین طوفان‌های خورشیدی در 2 دهه اخیر اشاره کردیم.
