ناهنجاری جنوب آتلانتیک و پیامدهای آن برای ماهواره ها

در گستره آسمان میان آمریکای جنوبی و جنوب‌غربی آفریقا یک نقطه ضعف کنجکاو و در حال گسترش در سپر مغناطیسی زمین وجود دارد. این ناحیه که به‌عنوان ناهنجاری جنوب آتلانتیک (SAA) شناخته می‌شود، یک گستره وسیع با شدت مغناطیسی کمتر است که برای ساکنان روی زمین خطر مستقیمی ایجاد نمی‌کند، اما برای فضاپیماها و ماهواره‌ها مشکلات عملی قابل‌توجهی پدید می‌آورد و پنجره‌ای نادر برای دانشمندان فراهم می‌سازد تا رفتار موتور مغناطیسی سیاره‌مان را مطالعه کنند. این ناحیه بخشی از مطالعات میدان مغناطیسی زمین و تاثیرات تابش فضایی بر مدار پایین زمین (LEO) است و اهمیتش در حفظ عملکرد ماهواره‌ها و شبکه‌های فضایی روزافزون است.

What the South Atlantic Anomaly is — and why it matters to satellites

ناهنجاری جنوب آتلانتیک یک لکه بزرگ در میدان مغناطیسی زمین است که در آن میدان به‌طور غیرمعمولی ضعیف‌تر از نواحی اطراف به‌نظر می‌رسد. این میدان از دیناموی زمین ناشی می‌شود — جریان‌های آشفتهٔ آهن مذاب در هستهٔ بیرونی — و معمولاً میدان مغناطیسی زمین را به‌صورت یک دیپول قابل‌تقریب شبیه به یک آهنربای میله‌ای مدل‌سازی می‌کنند. با این حال، میدان واقعی ترکیبی پیچیده از منابع متعدد و ناهمگونی‌ها است و SAA یکی از برجسته‌ترین این ناهمگونی‌هاست که مدل‌سازی دقیق آن نیازمند داده‌های ماهواره‌ای و شبیه‌سازی‌های پیشرفته است.

از منظر عملی، ضعیف‌تر بودن میدان مغناطیسی در ناحیه جنوب آتلانتیک اجازه می‌دهد ذرات پرانرژی باردار از خورشید و کمربندهای تابشی ون آلن بیش‌تر به مدار پایین زمین نفوذ کنند. ماهواره‌ها، CubeSatها و حتی ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) به‌طور منظم از این منطقه عبور می‌کنند. هنگامی که الکترونیک داخل فضاپیماها با پرتوهای پروتون خورشیدی و ذرات پرانرژی برخورد می‌کند، ممکن است خطاهای گذرا (SEU)، فساد داده، یا در بدترین حالت، آسیب دائمی به سخت‌افزار رخ دهد. این تاثیرات شامل تکرات سیگنال، ریست‌های ناگهانی، خطاهای حافظه و افزایش نرخ خطا در سنسورها یا مدارهای قدرت می‌شوند. برای کاهش ریسک، اپراتورهای فضاپیما گاهی اوقات پیش از عبور از ناهنجاری سیستم‌های حساس را به حالت ایمن می‌برند، عملیات پرخطر را زمان‌بندی می‌کنند، یا از اجزای مقاوم در برابر تابش استفاده می‌کنند.

The anomaly is changing: growth, drift and splitting

آژانس‌های فضایی مانند ناسا و مأموریت‌های بین‌المللی که میدان ژئومغناطیسی را ردیابی می‌کنند تغییرات مهمی در SAA را طی سال‌های اخیر ثبت کرده‌اند. از حدود سال 2014، این ناحیه به‌طور چشمگیری گسترش یافته — تقریباً معادل نیمهٔ وسعت قارهٔ اروپا — و شدت مغناطیسی آن باز هم ضعیف‌تر شده است. رصدها نشان می‌دهند که SAA همچنین به‌تدریج جابه‌جا می‌شود؛ پژوهشگران با استفاده از سنجش‌های متعدد از جمله داده‌های CubeSat و دیگر ابزارها این مهاجرت را تأیید کرده‌اند و دریافتند که مرزها و ساختار داخلی ناحیه با زمان تغییر می‌کنند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

گسترش ناهنجاری مغناطیسی آتلانتیک جنوبی و پیامدها

ماهواره‌هایی که میدان مغناطیسی زمین را ردیابی می‌کنند، از گسترش یک «فرورفتگی» در سپر مغناطیسی سیاره...

شاید حتی شگفت‌انگیزتر از گسترش و جابه‌جایی، شواهد منتشرشده حول و حوش سال 2020 بودند که نشان می‌داد SAA ممکن است در حال تقسیم‌شدن به دو مرکز حداقل شدت باشد — دو "سلول" مجزا درون گسترهٔ بزرگ‌تر ضعیف‌شده. این تغییر مورفولوژیکی مدل‌سازی و پیش‌بینی رفتار آیندهٔ ناحیه را پیچیده می‌کند، زیرا مدل‌های مرسوم مبتنی بر یک حداقل منفرد دیگر کافی نیستند و لازم است مولفه‌های چندمرکزی و تعاملات زمانی-مکانی در نظر گرفته شوند. برای اپراتورهای ماهواره، این بدان معناست که نقشه‌های حفاظتی و زمان‌بندی عبور باید بازبینی و به‌روزرسانی شوند تا از افزایش ریسک‌های ناگهانی جلوگیری شود.

Satellite data suggesting the SAA is dividing

Who’s watching and how

• مرکز فضایی گودارد ناسا و تیم‌های هلیوفیزیک با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای و مدل‌ها ناهنجاری را ردیابی می‌کنند؛ تحلیل‌های آنها شامل پیگیری تغییرات زمانی، تعیین موقعیت حداقل‌های میدان و ارزیابی تأثیر بر تابش فضایی است.
• ماموریت Swarm آژانس فضایی اروپا (ESA) — یک صورت فلکی متشکل از سه ماهواره — نقشه‌برداری با وضوح بالا از میدان ژئومغناطیسی ارائه می‌دهد و تغییرات متفاوت بر فراز آفریقا در مقایسه با آمریکای جنوبی را برجسته کرده است. داده‌های Swarm برای تفکیک مؤلفه‌های میدان داخلی و خارجی و تصحیح مدل‌ها حیاتی است.
• شبکه‌های شناختی از ماهواره‌های کوچک (CubeSats) به‌طور فزاینده‌ای در اعتبارسنجی مدل‌های میدان و پایش نوسانات کوتاه‌مدت اهمیت پیدا کرده‌اند؛ نمونه‌های توزیع‌شده از مشاهدات محلی می‌توانند ساختارهای فرعی و تغییرات آنی را آشکار سازند.

What causes the SAA? Deep-Earth dynamics and surface signatures

در هستهٔ مسئلهٔ SAA دیناموی زمین قرار دارد. منبع غالب میدان، حرکت آهن مذاب در هستهٔ بیرونی است که هزاران کیلومتر زیر پای ما جریان دارد. این جریان‌ها با ترکیبی از همرفت، چرخش کوروایلیسی و اثرات مغناطواکنشی شکل می‌گیرند و میدان مغناطیسی سیاره را تولید می‌کنند. با این حال، ساختارهای عمیق‌تر می‌توانند این میدان را تعدیل کنند. یک ناحیهٔ عظیم و با چگالی بالاتر در زیر قارهٔ آفریقا — که از نظر لرزه‌نگاری به‌عنوان استان بزرگ سرعت برش پایین آفریقا (LLSVP) شناخته می‌شود و نزدیک مرز هسته-پوشش واقع است — به‌عنوان عامل احتمالی ایجاد اختلال در جریان‌های هسته و به‌تبع آن تغییر در میدان تولیدشده مطرح است.

ژئوفیزیک‌دانانی مانند تری ساباکا و ویجیا کوانگ در مرکز فضایی گودارد ناسا NAA را نتیجهٔ تعاملات پیچیدهٔ چندین مؤلفهٔ میدان توصیف می‌کنند. به‌ویژه، یک ناحیهٔ محلی با قطبیت معکوس یا کاهش‌یافته در منطقهٔ SAA رشد کرده است که باعث تضعیف میدان کلی در محل و تولید حداقل برجسته‌ای می‌شود که در فضا اندازه‌گیری می‌کنیم. برای درک چگونگی شکل‌گیری و توسعه این ساختارها، ترکیب مدل‌های دیناموی هسته، داده‌های ژئوفیزیکی زمین‌ساختی و مشاهدات مغناطیسی ماهواره‌ای ضروری است.

Recent discoveries and long-term perspective

تحقیقات جدید همچنان تصویر ما را دقیق‌تر می‌کنند. مطالعه‌ای در سال 2016 به رهبری هلیوفیزیک‌دان ناسا، اشلی گریلی، جابه‌جایی آهستهٔ SAA را نشان داد، در حالی که مشاهدات CubeSat در 2021 حرکت و ساختار داخلی را تأیید کردند. یک مطالعهٔ زمین‌شناسی در 2020 پیشنهاد کرد الگوی پشتیبان SAA ممکن است در طول میلیون‌ها سال تکرار شود، که این امر نشان می‌دهد ناهنجاری ممکن است یک واقعهٔ کوتاه‌مدت و ناشایع نباشد بلکه یک ویژگی بلندمدت در تاریخ مغناطیسی زمین باشد. به‌طور مهم، این پژوهش‌ها نشان می‌دهند SAA احتمالاً پیش‌نشانهٔ مستقیم یک وارونگی ژئومغناطیسی جهانی نیست — وارونگی‌هایی که در مقیاس‌های زمانی زمین‌شناختی رخ می‌دهند و معمولاً معلول یک ناحیهٔ واحد نیستند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

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...

کارهای اضافی گزارش‌شده در 2024 ارتباط نوسانات SAA را با تغییرات در الگوهای شفقی نشان دادند و ثابت کردند که تغییرات میدان تأثیرات قابل‌تشخیصی بر نشانه‌های هوافضایی (space weather) دارد که در جو بالایی و در نمایش‌های شفقی مشاهده‌پذیر است. این همبستگی‌ها به ما کمک می‌کنند رابطهٔ میان تغییرات در میدان داخلی زمین و تاثیرات آن بر جو و محیط نزدیک-فضا (near-Earth space) را بهتر درک کنیم.

How scientists and engineers respond

پایش SAA هم یک اولویت علمی و هم یک نیاز عملیاتی است. برای اپراتورهای ماهواره، استراتژی‌های کاهش خطر شامل زمان‌بندی عملیات حساس به دور از عبور از ناهنجاری، قرار دادن ابزارها در حالت ایمن، استفاده از قطعات سخت‌افزاری مقاوم در برابر تابش (radiation-hardened)، و ایجاد افزونگی در سیستم‌های حیاتی است. علاوه بر این، استفاده از تکنیک‌های نرم‌افزاری مانند کدهای تصحیح خطا (ECC)، تراشه‌های با حافظه رزرو و تایمرهای نگهبان (watchdog) برای کاهش اثر SEUها و خطاهای گذرا متداول است.

برای جامعهٔ علمی، مشاهدات پیوسته از مأموریت‌هایی مانند Swarm، ماهواره‌های ناسا و صورت‌فلکی‌های توزیع‌شدهٔ CubeSatها داده‌های لازم را برای بهبود مدل‌های ژئومغناطیسی و پیش‌بینی تغییرات فراهم می‌آورند. از آنجا که SAA با آهنگ کند ولی قابل‌پیش‌بینی نامشخصی در شکل، شدت و موقعیت تغییر می‌کند، پایش هماهنگ بلندمدت و بین‌المللی ضروری است. این اندازه‌گیری‌ها ضمن بهبود نقشه‌های میدان مغناطیسی، پشتیبانی حیاتی برای سیستم‌های ناوبری، ارتباطات و اکتشاف فضایی فراهم می‌کنند که به نقشه‌های دقیق میدان مغناطیسی وابسته‌اند.

Expert Insight

«ناهنجاری جنوب آتلانتیک برای ما یک آزمایشگاه طبیعی فراهم می‌آورد تا مدل‌های دیناموی زمین را آزمون کنیم و راهکارهای بهتری برای محافظت از فضاپیماها در برابر وضعیت‌های آب‌وهوای فضایی توسعه دهیم،» دکتر مایا سینگ، فیزیک‌دان فضایی که در برنامه‌ریزی مأموریت‌های ماهواره‌ای فعالیت می‌کند، می‌گوید. «ردیابی تغییرات ظریف در SAA به مهندسان کمک می‌کند تا محافظت در برابر تابش را بهتر طراحی کنند و به فیزیک‌دانان امکان می‌دهد تعاملات هسته–پوشش را درک کنند. این یک معمای کند اما با پیامدهای عملی زیاد برای ماهواره‌ها در مدار پایین زمین است.»

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

تعامل منحصر به فرد میدان مغناطیسی و اکسیژن: راز قابلیت سکونت زمین

توانایی زمین برای پشتیبانی از حیات پیچیده، حاصل ترکیب ویژگی‌های بی‌نظیر سیاره‌ای مانند جو غنی از...

خلاصه آنکه، SAA در تقاطع فیزیک عمیق زمین و عملیات مدرن فضایی قرار دارد. این ناحیه زندگی روی زمین را تهدید نمی‌کند، اما نشان می‌دهد فرآیندهای در مقیاس سیاره‌ای چگونه می‌توانند فناوری‌هایی را که انسان‌ها بالای اتمسفر به آن وابسته‌اند تحت تأثیر قرار دهند. ادامهٔ رصدهای بین‌المللی و پژوهش‌های چندرشته‌ای برای باز کردن راز دلایل این ناهنجاری و محافظت از فضاپیماها در مواجهه با تکامل آن ضروری خواهد بود — به‌ویژه با رشد صنایع فضایی تجاری و افزایش تعداد ماهواره‌ها در مدارهای پایین زمین.