تأثیر طوفان های خورشیدی بر سرنوشت ماهواره های استارلینک

طوفان‌های خورشیدی و آینده ماهواره‌های استارلینک

شبکه ماهواره‌ای استارلینک اسپیس‌ایکس اخیراً با افزایش قابل توجه خروج ماهواره‌ها از مدار روبرو شده که مستقیماً ناشی از فعالیت بالای خورشیدی است. پژوهش جدیدی به سرپرستی دکتر دنی اولیویرا از مرکز پروازهای فضایی گادارد ناسا، ارتباط قوی میان اوج فعالیت‌های خورشیدی و نرخ بازگشت ماهواره‌های استارلینک به جو زمین را نشان می‌دهد. این مطالعه به ما کمک می‌کند تا بهتر متوجه شویم که رفتار خورشید چگونه می‌تواند بر پویایی منظومه‌های ماهواره‌ای در مدار پایین زمین (LEO) تأثیر بگذارد.

چرخه خورشیدی چیست؟

خورشید دارای یک چرخه طبیعی ۱۱ ساله است که با نوسانات فعالیت مغناطیسی همراه است. با ادامه این چرخه، تعداد لکه‌های خورشیدی، شراره‌ها و پرتاب جرم از تاج خورشیدی (CME) افزایش یافته و در مرحله‌ای به نام بیشینه خورشیدی به اوج خود می‌رسد. بیست‌وپنجمین چرخه خورشیدی که از سال ۲۰۱۹ آغاز شده، فعالیتی قوی‌تر از پیش‌بینی‌ها داشته و موجب بروز طوفان‌های خورشیدی شدیدتر شده که نه تنها شفق‌های قطبی دیدنی بلکه تأثیرات گسترده‌ای بر زیرساخت ماهواره‌ها در مدار زمین بر جای گذاشته است.

تأثیر فعالیت خورشیدی بر جو زمین

در دوره‌های فعالیت شدید خورشیدی، ذرات و انرژی برخاسته از طوفان‌های خورشیدی با لایه‌های فوقانی جو زمین برخورد می‌کنند. اگرچه این اختلالات به نمایش شفق‌های قطبی منجر می‌شود، اما همزمان دمای جو فوقانی را افزایش داده و باعث انبساط آن می‌شود. این فرایند موجب افزایش چگالی جو در ارتفاع ماهواره‌هایی مانند استارلینک و در نتیجه افزایش مقاومت هوا می‌گردد. بنابراین ماهواره‌هایی که در مدار پایین زمین فعالیت می‌کنند، مجبورند سوخت بیشتری برای حفظ ارتفاع مصرف کنند وگرنه به تدریج ارتفاع خود را از دست داده و وارد جو می‌شوند و می‌سوزند.

استارلینک: آزمایشگاهی طبیعی برای پایش زوال مداری

اسپیس‌ایکس از سال ۲۰۱۹ بیش از ۸۸۰۰ ماهواره استارلینک را به مدار فرستاده که هزاران نمونه از آن‌ها فعال هستند. این آمار بی‌سابقه، به پژوهشگران فرصت کم‌نظیری برای مطالعه تاثیر کشش جوی ناشی از فعالیت خورشیدی بر منظومه‌های بزرگ ماهواره‌ای فراهم آورده است.

تیم تحقیق دکتر اولیویرا بین سال‌های ۲۰۲۰ تا ۲۰۲۴ تعداد ۵۲۳ ورود مجدد ماهواره‌های استارلینک به جو را بررسی کردند. نتایج آن‌ها نشان می‌دهد همزمان با افزایش فعالیت‌های شدید خورشیدی در این چرخه، نرخ بازگشت ماهواره‌های استارلینک به جو هم افزایش یافته است. آنها در تحلیل خود می‌نویسند: «ما به وضوح نشان دادیم که شدت بالای فعالیت خورشیدی در این چرخه، تأثیرات قابل توجهی بر نرخ خروج ماهواره‌های استارلینک از مدار داشته است.»

نگاهی دقیق‌تر به ورود مجدد ماهواره‌ها به جو

اولین نمونه‌های خروج استارلینک بر اثر کشش جوی در سال ۲۰۲۰ با دو ماهواره بود. اما با افزایش شدت فعالیت خورشیدی، ارقام جهشی داشت: ۷۸ ماهواره در ۲۰۲۱، ۹۹ در ۲۰۲۲، ۸۸ در ۲۰۲۳ و به طرز چشمگیری ۳۱۶ ماهواره در سال ۲۰۲۴ مجدداً وارد جو شدند. این گروه با انطباق زمان‌بندی این اتفاقات با شرایط ژئومغناطیسی، اثر طوفان‌های خورشیدی بر فضای پیرامون زمین را مورد سنجش قرار دادند. جالب اینکه، حدود ۷۲ درصد این ورودهای مجدد ماهواره‌ها در بازه‌هایی با آشفتگی ژئومغناطیسی خفیف رخ داده و نه در خلال قوی‌ترین طوفان‌ها.

پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که بسیاری از ماهواره‌ها قربانی تاثیر پیوسته و دائمی کشش جوی در طول چند ماه شده‌اند، نه تنها رخدادهای شدید و ناگهانی فضایی. ماهواره‌هایی که در طول طوفان‌های خورشیدی شدید سقوط کرده‌اند، با سرعت بیشتری مدار خود را از دست داده‌اند که نشان می‌دهد باید هر دو نوع شرایط جوی را در طراحی ماموریت‌های ماهواره‌ای لحاظ کرد.

تاثیرات بر طراحی فضاپیماها و آینده ناوگان ماهواره‌ای

این یافته‌ها زنگ هشداری برای کل صنعت فضایی و علوم مرتبط با منظومه‌های ماهواره‌ای هستند. شبکه استارلینک اسپیس‌ایکس، به خاطر مقیاس عظیم خود، داده‌های ارزشمندی برای مدل‌سازی ارتباط میان چرخه خورشیدی و پدیده‌های زوال مداری فراهم می‌کند. دانشمندان می‌گویند: «در پژوهش کشش جوی روی ماهواره‌ها، اکنون به نقطه بسیار هیجان‌انگیزی رسیده‌ایم؛ چون هم تعداد ماهواره‌ها در مدار پایین زمین و هم فعالیت خورشیدی در بالاترین سطح تاریخی قرار دارند.»

با استفاده از داده‌های دقیق استارلینک در زمینه تغییرات ارتفاع، سرعت و سایر شاخص‌های محیطی، کارشناسان به دنبال ساخت مدل‌های پیش‌بینی بهتر جهت برآورد میزان کشش جوی در پدیده‌های ژئومغناطیسی متوسط و شدید هستند. این مدل‌ها می‌توانند به عملیات ماهواره‌ای ایمن‌تر، کاهش ریسک ورود زودهنگام ماهواره‌ها و جلوگیری از برخورد زنجیره‌ای ماهواره‌ها (مانند اثر کسسلر) کمک کند.

افق آینده: آمادگی برای خورشید فعال

با نزدیک بودن به اوج فعالیت خورشیدی، درک ارتباط میان شرایط فضایی و بازگشت ماهواره‌ها به جو زمین اهمیت دوچندانی یافته است. پژوهش دکتر اولیویرا و همکاران نه تنها دانش ما پیرامون اثرات فیزیک خورشید بر ماهواره‌ها را گسترش می‌دهد، بلکه بر طراحی سامانه‌های فضایی آینده نیز تاثیرگذار است. تحقیقات ادامه‌دار در این زمینه نقشی کلیدی در حفاظت از دارایی‌های فضایی و اطمینان از ارائه پایدار خدمات ماهواره‌ای - از اینترنت جهانی تا پایش زمین - فراهم می‌آورد، حتی با وجود رفتارهای پیش‌بینی‌ناپذیر خورشید.

جمع‌بندی

افزایش بی‌سابقه ورود مجدد ماهواره‌های استارلینک نشانگر تاثیر واقعی فعالیت خورشیدی بر زیرساخت امروزی ماهواره‌هاست. با حضور گسترده بشر در مدار پایین زمین، شناخت تاثیر چرخه‌های خورشیدی بر پایداری ماهواره‌ها از همیشه مهم‌تر شده است. پژوهش‌هایی که از داده‌های شبکه‌های بزرگ ماهواره‌ای مانند استارلینک بهره می‌برند، توان پیش‌بینی و انعطاف‌پذیری عملیاتی ما را ارتقا داده و مدار پایین زمین را برای ماموریت‌های آینده ایمن‌تر و پایدارتر می‌سازند.