10 دقیقه
در ماه مه ۲۰۲۴ زمین با یکی از شدیدترین طوفان‌های ژئومغناطیسی در چند دههٔ گذشته مواجه شد. مشاهدات ماهوارهٔ ژاپنی آراسه و شبکه‌های زمینی نشان دادند که چگونه پوشش حفاظتی پلاسمایی سیاره زیر فشار شدید خورشیدی فرورفت و چرا بازسازی آن ساعت‌ها نبود بلکه روزها طول کشید. اندازهگیریهای مستقیم جدید دیدگاه دانشمندان را دربارهٔ تأثیرات آب‌وهوای فضایی بر ماهوارهها، سامانههای GPS و ارتباطات رادیویی دگرگون میکند و نیاز به تقویت پیش‌بینی‌ها و مدل‌سازی‌های فضایی را برجسته ساخت.
دانشمندان برای نخستینبار مشاهدات دقیقی از فشردهشدن پلاسماسفر زمین در اثر یک ابرطوفان خورشیدی ثبت کرده‌اند و نشان داده‌اند که بازگشت به وضعیت طبیعی بیش از چهار روز طول کشید؛ پدیدهای که ناوبری و ارتباطات را تحت تاثیر قرار داد.
در طوفان روز مادر چه رخ داد؟
در بازهٔ زمانی ۱۰–۱۱ می ۲۰۲۴، توالی‌ای از فوران‌های خورشیدی قدرتمند منجر به یک ابرطوفان ژئومغناطیسی شد؛ قوی‌ترین رویدادی که بیش از دو دهه زمین را تحت تاثیر قرار داد. این پدیده که در برخی منابع به نام طوفان گانون یا طوفان روز مادر (Mother's Day storm) شناخته شد، بمبارانی از ذرات باردار و انرژی مغناطیسی را به میدان مغناطیسی زمین وارد کرد و پلاسماسفر—ناحیهٔ پلاسمای سرد و چگال که با سیاره همچرخش است—را فشرده ساخت.
ابرطوفان‌های ژئومغناطیسی نادرند و معمولاً هر ۲۰–۲۵ سال یک‌بار رخ می‌دهند، اما هنگام وقوع اثرات آن‌ها در فضای نزدیک زمین پخش میشود: الکترونیک ماهوارهها ممکن است دچار اشکال شود، دقت GPS کاهش یابد و ارتباطات رادیویی نامطمئن شوند. در این رویداد، شفق‌های قطبی که معمولاً در آسمان‌های قطبی محدود می‌مانند، به مناطق میان‌عرضی مانند ژاپن، مکزیک و بخش‌هایی از اروپا در جنوب کشیده شدند و نمایش‌های نوری چشمگیری را در آسمان شب و دور از قطب‌ها پدید آوردند. این شواهد بصری اهمیت بررسی اثرات طوفان‌های خورشیدی را برای سرویس‌های ناوبری و ارتباطی آشکار کرد.
اندازهگیریهای روبه‌روی آراسه
ماهوارهٔ آراسه (Arase) که توسط آژانس اکتشافات هوافضای ژاپن (JAXA) در ۲۰۱۶ پرتاب شد و در برخی منابع ERG نیز نامیده میشود، مجهز به ابزارهایی برای اندازه‌گیری امواج پلاسما و میدان‌های مغناطیسی در داخل پلاسماسفر است. آراسه که در زمان طوفان مه ۲۰۲۴ در موقعیت مناسبی قرار داشت، مشاهدات مداوم و در محل (in situ) از رفتار پلاسماسفر ارائه کرد و نشان داد که این منطقه به ارتفاع‌هایی فشرده شد که پیش‌تر به این روش مستقیم ثبت نشده بود.
در حالی‌که پلاسماسفر معمولاً تا حدود ۴۴,۰۰۰ کیلومتر بالای زمین گسترده است، آراسه مشاهده کرد که مرز بیرونی آن در مدت نه ساعت به تقریباً ۹,۶۰۰ کیلومتر فروکش کرد—حدود یک‌پنجم گسترهٔ معمولی. این انقباض ناگهانی و پرشدن تدریجی بعدی، شفاف‌ترین تصویر تاکنون از چگونگی بازسازی محیط پلاسمایی محافظ ماهوارهها و سامانههای زمینی در مواجهه با تحریک خورشیدی شدید را فراهم میکند. چنین تغییرات شدیدی در ساختار پلاسماسفر برای اپراتورهای ماهوارهای، طراحان سخت‌افزار فضایی و تحلیل‌گران ریسک اهمیت عملیاتی زیادی دارد.
چگونه دانشمندان دادههای ماهوارهای و زمینی را ترکیب کردند
پژوهشگران اندازهگیریهای ذرات و میدان‌های آراسه را با شبکه‌ای از گیرنده‌های GPS زمینی و دیگر ابزارهای مشاهدهٔ یونوسفر ترکیب کردند تا تغییرات چگالی یونی را دنبال کنند. یونوسفر—لایهٔ بالایی جو زمین که غنی از ذرات باردار است—منبع یون‌هایی است که به بالا رانده شده و پس از اختلال‌ها پلاسماسفر را دوباره پر میکنند. با پایش هم‌زمان این دو لایه، دانشمندان نه تنها فشردگی پلاسماسفر را مشاهده کردند، بلکه فرایندهای فیزیکی و شیمیایی را نیز ثبت نمودند که موجب تأخیر در بازسازی شد.
ابزارهای زمینی شامل شبکه‌های TEC (کل الکترون عمودی) مبتنی بر GPS، مگنتومترهای میدانی، رادیومترهای جوی و رصدخانه‌های نوری شفق بودند که با اندازه‌گیری تغییرات میدان مغناطیسی، انتقال تراکم الکترون و نمایش‌های نوری شفق کمک کردند تا یک تصویر یکپارچه از تعامل میان مغناطوسفر، یونوسفر و ترموسفیر ساخته شود. این ترکیب چندمنظورهٔ داده‌ها، از اهمیت حیاتی برای درک جریان‌های پلاسمایی، مرز پلاسماسفر (plasmapause) و مسیرهای بازپر شدن پلاسما برخوردار است.
یک شفق کم‌عرضهٔ نادر که در ریکوبِتسو، ژاپن در جریان ابرطوفان مه ۲۰۲۴ ثبت شد؛ قوی‌ترین طوفان در بیش از ۲۰ سال که فشردگی شدید پلاسماسفر زمین را موجب شد و برای نخستینبار از طریق اندازهگیریهای مستقیم ماهوارهای مستندسازی گردید.
چرا بازسازی بیش از چهار روز طول کشید؟
پس از فشار اولیه، انتظار می‌رفت پلاسماسفر ظرف یکی دو روز بازپر شود. اما بازسازی بیش از چهار روز به طول انجامید—طولانی‌ترین زمان پرشدن که آراسه از زمان آغاز رصد این ناحیه در ۲۰۱۷ ثبت کرده است. تیم پژوهشی علت تاخیر را به پدیدهای موسوم به «طوفان منفی» (negative storm) ربط داد که باعث کاهش چگالی ذرات در یونوسفر در مناطق وسیع میشود.
طوفان‌های منفی زمانی رخ می‌دهند که گرمایش شدید ناشی از انرژی خورشیدی شیمی جو بالایی را تغییر دهد. در این مورد، گرمایش در نواحی قطبی به‌تدریج منجر به کاهش گستردهٔ یونهای اکسیژن (O+) در یونوسفر شد. این یونهای اکسیژن معمولاً در تولید یونهای سبکتر هیدروژن (H+) نقش دارند که به سمت بالا صعود کرده و پلاسماسفر را دوباره پر میکنند. با کاهش این منبع، نرخ بازپر شدن پلاسماسفر به‌شدت کاهش یافت.
از منظر فیزیک پلاسما، بازپر شدن پلاسماسفر نتیجهٔ ترکیبی از منابع یونوسفری (مانند انتشار و تولید شیمیایی یون‌ها)، حرکت‌های هم‌دوران و انتقال پلاسما به‌واسطهٔ نیروهای مغناطیسی و فشار است. در این رویداد، نه‌تنها منبع یون کاهش یافته بود، بلکه جریان‌های همرفت و دینامیک میدان مغناطیسی نیز طوری تغییر یافت که مانع از بازگشت سریع یون‌ها شد. این زنجیرهٔ علت و معلولی—از فشردگی شدید مغناطوسفر تا گرمایش قطبی و تغییرات شیمیایی یونوسفر—یک توضیح مکانیکی برای تاخیر در بازیابی فراهم می‌آورد و فرآیندهایی را که پیش‌تر تنها بهصورت جداگانه دیده شده بودند به هم پیوند میدهد.
تاثیرات بر ماهوارهها، ناوبری و پیش‌بینی
پیامدهای عملی اختلال چندروزه در پلاسماسفر قابل توجه است. در زمان طوفان، چندین ماهواره گزارش داده‌اند که دچار ناهنجاری‌های الکتریکی یا از دست دادن تلهمتری شدند؛ خطاهای موقعیت‌یابی GPS افزایش یافت و ارتباطات کوتاه‌برد موج کوتاه (HF) دچار اختلال شد. برای ناوبری هوایی، کشتیرانی و زیرساختهای حیاتی که به دقت ناوبری و زمانبندی وابسته‌اند، این اختلالات می‌تواند به ریسک‌های عملیاتی گسترده‌تری بینجامد.
در سطح سخت‌افزاری، جریان‌های الکتریکی القا شده و شارژ سطحی می‌توانند منجر به رویدادهای تک‌ذره‌ای (SEU) یا تخریب تجهیزاتی شوند. همچنین در لایه‌های پایین‌تر مدار زمین، تغییرات در چگالی جو و ترموسفریک ممکن است در برخی ماهواره‌های LEO در افزایش درگ (drag) تاثیرگذار باشد که نیاز به مانورهای نگهداری مداری را افزایش میدهد. همهٔ این‌ها هزینه‌های عملیاتی و خطرات عملکردی را برای اپراتورهای نظامی، تجاری و علمی تشدید میکند.
از منظر پیش‌بینی، مشاهدات جدید یک نقطه‌کور در مدل‌های فعلی را برجسته می‌سازند: بسیاری از مدل‌های عملیاتی تحریک اولیه را پیش‌بینی میکنند اما تاثیر تغییرات شیمیایی در جو فوقانی را در فرایند بازیابی دست‌کم می‌گیرند. وارد کردن فرایندهای جفت‌شونده—شامل مغناطوسفر، یونوسفر و شیمی ترموسفری—در مدل‌های پیش‌بینی آب‌وهوای فضایی می‌تواند هشدارها و اقدامات کاهش ریسک برای اپراتورهای ماهوارهای و ارائه‌دهندگان خدمات موقعیت‌یابی را بهبود دهد. در عمل، این به معنی استفاده از دادههای ترکیبی ماهوارهای و زمینی، شبیه‌سازی‌های پیوسته و روش‌های هم‌پیوندی داده-محور است.
دیدگاه کارشناسی
«اندازهگیریهای مستقیم از ماموریتی مانند آراسه بی‌قیمت‌اند چون تغییرات سریع و موضعی را ثبت میکنند که مدل‌های کلی ممکن است از دست بدهند»، دکتر النا مورالس، فیزیک‌دان فضایی که در این مطالعه شرکت نداشت، می‌گوید. «دیدن اینکه پلاسماسفر تا کمتر از ۱۰,۰۰۰ کیلومتر فشرده شد و سپس برای بازسازی دست‌وپا می‌زند، نشان میدهد سیستم چقدر به هم پیوسته است—از فوران‌های خورشیدی تا شیمی جو. این نکته‌ها راهنمایی میکنند که روی کدام بخش‌ها برای بهبود پایش و ارتقای مدل تمرکز کنیم.»
دکتر آتسوکی شین‌بوری و همکارانش در دانشگاه ناگویا تاکید کردند که ترکیب مجموعه‌دادهای ماهوارهای و زمینی کلید تشخیص رویداد بوده است. تحلیل آن‌ها که در مجلهٔ Earth, Planets and Space منتشر شده است، هم یک رویداد معیار برای جامعهٔ علمی فراهم می‌آورد و هم محدودیت‌های جدیدی برای مدل‌هایی که سعی در شبیه‌سازی سناریوهای شدید آب‌وهوای فضایی دارند، معرفی میکند.
نگاهی به آینده: پایش و تاب‌آوری
استراتژی‌های آتی برای کاهش آسیب‌پذیری شامل گسترش پایش در محل از پلاسماسفر، بهبود شبکه‌های جهانی حسگر یونوسفری و افزایش اشتراک‌گذاری داده‌ها در زمان واقعی میان آژانس‌های فضایی و اپراتورهای تجاری ماهواره خواهد بود. توسعهٔ کلان‌داده، تحلیل‌پیشگویانه و یادگیری ماشینی می‌تواند در ترکیب سریع داده‌ها و تولید هشدارهای عملیاتی موثر باشد. همچنین لازم است مدل‌سازی‌های نوین به‌گونه‌ای پیش رود که تاثیر انرژی و گرمای وارد شده به جو فوقانی بر شیمی آن را دقیق‌تر شبیه‌سازی کند؛ زیرا همین تغییرات شیمیایی هستند که سرعت بازگشت محیط فضایی به حالت عادی را تعیین میکنند.
برای عموم مردم، طوفان روز مادر یک نمایش نادر آسمانی بود؛ برای دانشمندان و اپراتورها، یادآور این واقعیت که رویدادهای خورشیدی نادر می‌توانند اثرات سراسری و بلندمدتی بر سامانههای تکنولوژیک داشته باشند. با نوسان فعالیت خورشیدی در چرخهٔ ۱۱ ساله، درس‌های مه ۲۰۲۴ راهنمایی خواهند کرد که چگونه پایش، پیش‌بینی و پاسخ به طوفان‌های بزرگ‌تر آینده را سازمان‌دهی کنیم: از تقویت سخت‌افزار و طرح‌های پشتیبان تا توسعهٔ شبکه‌های مشاهدهٔ جفت‌شده و به‌کارگیری مدل‌های پیوندی و داده‌محور.
در مجموع، رویداد مه ۲۰۲۴ یک یادآوری قوی از اهمیت سرمایه‌گذاری در زیرساختهای پایش فضایی، پژوهش‌های بنیادی در فیزیک پلاسما و شیمی جو، و همکاری بین‌المللی برای کاهش ریسک‌های وابسته به آب‌وهوای فضایی بود. ترکیب دادههای آراسه با سنجه‌های زمینی و تحلیل‌های مدل‌سازی باعث شد تا تصویر جامع‌تری از پویایی‌های پلاسماسفر شکل گیرد—چالشی که برای ارتقای امنیت و تداوم خدمات ناوبری، مخابرات و عملیات فضایی حیاتی است.
منبع: scitechdaily
نظرات
نووا_ای
خیلی دراماتیزه شده بنظرم، اما داده‌ها مهمن. کاش بیشتر روی راهکارهای عملی تاکید میشد، کمتر شعار
مهران
گزارش متوازن و فنیه؛ فقط امیدوارم همکاری بین‌المللی بهتر بشه، چون این چیزا به تنهایی حل نمیشه
استروست
یه بار تو پروژه دانشگاه همین مشکلات رو دیدم، وقتی پلاسماسفر بهم میریزه GPS آدمو زمین‌گیر میکنه، خاطره‌انگیز ولی ترسناک
توربوک
این آمار رو از کجا گرفتن؟ همه‌چی به آراسه ختم میشه؟ شاید داده‌ها جاهای دیگه هم باشن، کسی منبع دیگه دید؟
دیتاپالس
وای، شفق تا ژاپن و مکزیک؟ این جدی بود، فکر نمیکردم اثرش تا این حد باشه... نگران ماهواره‌هام شدم الان
ارسال نظر