تاثیر فعالیت خورشیدی بر ایمنی ماهواره‌ها و مدیریت زباله‌های فضایی

با پر شدن فضای اطراف زمین از ماهواره‌های متعدد، دانشمندان تاثیر فعالیت‌های شدید خورشیدی بر ایمنی و عمر ماهواره‌ها را با دقت بیشتری بررسی می‌کنند. پژوهش‌های جدید نگرانی رو به افزایشی را برجسته می‌کند: طوفان‌های خورشیدی قوی باعث بازگشت زودهنگام و با سرعت بیشتر ماهواره‌های استارلینک شرکت اسپیس‌ایکس به جو زمین شده‌اند؛ موضوعی که ریسک افزایش زباله‌های فضایی را دو چندان می‌کند.

چرخه فعالیت خورشیدی تقریباً هر ۱۱ سال تکرار می‌شود و در زمان اوج این چرخه، معروف به ماکسیمم خورشیدی، تعداد لکه‌ها و طوفان‌های خورشیدی به بیشترین حد خود می‌رسد. در سال‌های اخیر، خورشید به این اوج نزدیک شده که منجر به افزایش قابل توجه طوفان‌های ژئومغناطیسی، و آشفتگی‌های عمده در میدان مغناطیسی زمین شده است. همزمان، راه‌اندازی سریع هزاران ماهواره جدید—به ویژه پروژه‌های بزرگی مانند منظومه ماهواره‌ای استارلینک—مدیریت محیط مداری و جلوگیری از ایجاد زباله فضایی را بسیار چالش‌برانگیز کرده است.

تیمی به سرپرستی دنی اولیویرا در مرکز فضایی گادارد ناسا بین سال‌های ۲۰۲۰ تا ۲۰۲۴، زمان اوجگیری فعالیت‌های خورشیدی و ماکسیمم خورشیدی اکتبر ۲۰۲۴، الگوهای بازگشت ماهواره‌های استارلینک را بررسی کردند. این تحلیل با استفاده از روش‌های پیشرفته آماری نشان داد که در دوره‌های فعالیت شدید خورشیدی و ژئومغناطیسی، نرخ کاهش ارتفاع و ورود مجدد ماهواره‌ها به جو به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.

نتایج پژوهش نشان می‌دهد طوفان‌های ژئومغناطیسی با گرم و منبسط کردن لایه‌های بالایی جو زمین، مقاومت اتمسفری را افزایش می‌دهند و باعث می‌شوند ماهواره‌هایی چون استارلینک سریع‌تر ارتفاع از دست بدهند. این پدیده طول عمر عملیاتی مورد انتظار ماهواره‌ها را که معمولاً پنج سال است، در شرایط شدید آب و هوای فضایی تا ۱۰ تا ۱۲ روز کاهش می‌دهد. دکتر اولیویرا توضیح می‌دهد: «افزایش فعالیت ژئومغناطیسی موجب تسریع روند سقوط مداری می‌شود، یعنی ماهواره‌ها زودتر و با سرعت بیش‌تر وارد جو می‌شوند.»

از دست دادن حتی ۱۰ تا ۱۲ روز کنترل عملیاتی ممکن است توانایی اسپیس‌ایکس را برای اجرای ورود کنترل‌شده برای ماهواره‌های استارلینک به شدت کاهش دهد. ورود مجدد ماهواره‌ها به جو با سرعت بالا احتمال باقی ماندن تکه‌هایی روی زمین را—که نگرانی مهمی در ایمنی ماهواره‌ها و کاهش زباله‌های فضایی است—افزایش می‌دهد. اگرچه تصور بر این است که سرعت بالای ورود باعث سوختن کامل ماهواره در جو می‌شود، اما یافته‌های اولیه اولیویرا نشان می‌دهد که در مورد استارلینک، فرود سریع‌تر می‌تواند زمان کافی برای سوخت کامل ماهواره ایجاد نکند و امکان رسیدن قطعات بزرگ‌تر به سطح زمین را به وجود آورد.

مهندسان شرکت اسپیس‌ایکس ماهواره‌های استارلینک را به گونه‌ای طراحی کرده‌اند که در هنگام ورود به جو کاملاً بسوزند، اما نمونه‌های اخیر نشان داده‌اند این اتفاق همیشه رخ نمی‌دهد. برای مثال، در سال ۲۰۲۴ یک قطعه ۲.۵ کیلوگرمی زباله ماهواره استارلینک در یک مزرعه‌ در ساسکچوان کانادا سقوط کرد. اسپیس‌ایکس ضمن پذیرش امکان نظری وقوع چنین مواردی، اطمینان می‌دهد که ریسک برای انسان‌ها، هواپیماها یا کشتی‌ها بسیار ناچیز است.

طبق گفته جاناتان مک‌داول، ستاره‌شناس دانشگاه هاروارد، هم‌اکنون بیش از ۷۵۰۰ ماهواره استارلینک در مدار زمین قرار دارند و برنامه‌هایی برای افزایش این تعداد به بالای ۴۲۰۰۰ عدد وجود دارد. دفعات ورود مجدد ماهواره‌ها که قبلاً هفتگی بود، به سرعت به سوی رویدادی روزانه پیش می‌رود. دنی اولیویرا می‌گوید: «برای اولین بار در تاریخ، شاهد وجود چنین تعداد زیاد ماهواره به طور هم‌زمان در مدار هستیم. شناخت تاثیرات متغیر فعالیت خورشیدی بر عمر مداری و نحوه ورود ماهواره‌ها به جو، اکنون اهمیت بالایی یافته است.»

این تحقیقات که به صورت پیش‌چاپ در پایگاه arXiv منتشر شده و در انتظار داوری علمی است، بر نیاز حیاتی به داده‌های دقیق‌تر درباره تعامل بین آب و هوای فضایی و عملیات ماهواره‌ای تاکید دارد. انبساط و گرم شدن لایه‌های بالایی جو در دوره‌های طوفان ژئومغناطیسی، علاوه بر کوتاه کردن عمر ماهواره‌های مدار پایین زمین، بر مدیریت اجتناب از تصادف و فرآیندهای ورود مجدد نیز تاثیر منفی می‌گذارد. از سوی دیگر، افزایش مقاومت جوی در این رویدادها، ریسک و غیرقابل پیش‌بینی بودن ورود تکه‌های ماهواره به زمین را بیشتر می‌کند.

برای مقابله با این چالش‌ها، متخصصان ترکیب پیش‌بینی‌های بز‌مان واقعی آب و هوای فضایی و مدل‌های فعالیت ژئومغناطیسی را در استراتژی‌های عملیاتی ماهواره‌ها توصیه می‌کنند. با افزایش تعداد منظومه‌های ماهواره‌ای، تدوین سیاست‌ها و فرآیندهای ردیابی دقیق برای حفظ ایمنی محیط مداری، پیشگیری از برخوردها و کاهش ریسک زباله‌های فضایی ضروری است.

جمع‌بندی: با رشد بی‌سابقه پرتاب ماهواره‌ها و شلوغ شدن مدار زمین، درک تاثیر فعالیت خورشیدی بر طول عمر ماهواره‌ها و روند ورود آن‌ها به جو زمین به اولویت اساسی صنعت فضایی و نهادهای نظارتی تبدیل شده است. یافته‌های اولیویرا و همکارانش، پیچیدگی و پویایی رابطه بین طوفان‌های خورشیدی و سرنوشت ماهواره‌های مداری را روشن می‌کند و بر ضرورت تدوین راهکارهای هوشمند کاهش ریسک برای استفاده پایدار و ایمن از فضا برای ارتباطات، پژوهش و اتصال جهانی تاکید دارد.