گم شدن ماهواره‌ها در صورت وقوع یک طوفان خورشیدی بزرگ

کارشناسان می‌گویند خطر برخورد میان ماهواره‌ها پس از وقوع یک طوفان خورشیدی بزرگ بسیار زیاد خواهد بود و ماهواره‌ها ممکن است گم شوند و یافتن آنها می‌تواند هفته‌ها طول بکشد.

کد خبر: ۴۸۲۷۰۱

تاریخ: ۰۶ مرداد ۱۴۰۱ - ۰۳:۵۱

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از اسپیس، در اکتبر ۲۰۰۳، پس از برخورد یک طوفان خورشیدی بزرگ به زمین، کنترل‌کننده‌های ماهواره‌ای مسیر صدها فضاپیما را برای چندین روز از دست دادند. اکنون کارشناسان نگرانند که با افزایش تعداد ماهواره‌ها و زباله‌هایی که در نزدیک به این بیست سال به دور زمین می‌چرخند، طوفان خورشیدی بزرگ بعدی بتواند فضای نزدیک زمین را برای هفته‌ها به هرج و مرج بکشاند.

شبکه نظارت فضایی ایالات متحده(SSN) در حال حاضر حدود ۲۰ هزار جرم بزرگتر از ۴ اینچ(۱۰ سانتی‌متر) را در مدار نزدیک زمین، یعنی منطقه‌ای از فضا در ارتفاع زیر ۶۲۰ مایل(۱۰۰۰ کیلومتر) ردیابی می‌کند. برخی از این اشیاء، ماهواره‌های عملیاتی هستند، اما بیشتر آنها فضاپیماهای از کار افتاده، قسمت‌های موشک‌های پرتاب شده و تکه‌های زباله ایجاد شده در اثر برخوردها هستند.

کارشناسان SSN از اندازه‌گیری‌های راداری برای نگهداری فهرستی استفاده می‌کنند که به آنها امکان می‌دهد مکان‌هایی که این اشیاء در فضا هستند را بررسی کنند و مسیر آنها را در آینده ترسیم کنند. بنابراین هنگامی که دو جرم به عنوان مثال یک قطعه زباله فضایی و یک ماهواره به نظر می‌رسد که به طور خطرناکی به یکدیگر نزدیک می‌شوند، اپراتور ماهواره یک هشدار دریافت می‌کند و در برخی موارد، مانورهای اجتنابی را برای جلوگیری از تصادف و برخورد انجام می‌دهد.

اما یک مشکل وجود دارد. موقعیت این اجرام همیشه دقیق نیست و این عدم قطعیت در طول طوفان‌های خورشیدی افزایش می‌یابد و گاهی اوقات تا حدی پیش می‌رود که پیش‌بینی دقیق در مورد یک برخورد، غیرممکن می‌شود.

"تام برگر" فیزیکدان خورشیدی و مدیر مرکز فناوری هوای فضایی در دانشگاه "کلرادو بولدر" می‌گوید: در بزرگترین طوفان‌های خورشیدی، خطاها در مسیرهای مداری آنقدر بزرگ می‌شوند که اساساً فهرست اجرام مداری از درجه اعتبار ساقط می‌شود. این اشیاء می‌توانند ده‌ها کیلومتر از آخرین موقعیت‌هایی که توسط رادار شناسایی شده‌اند، دور باشند و اساساً گم شوند و تنها راه‌حل این است که دوباره آنها را با رادار پیدا کنیم.

تغییرات غیر قابل پیش‌بینی

این عدم قطعیت، نتیجه تغییرات چگالی ترموسفر زمین -لایه بالایی جو در ارتفاعات ۱۰۰ تا ۶۰۰ کیلومتری- است. گازهای نازک در آن ارتفاعات با ذرات ساطع شده از خورشید در پرتاب جرم تاجی(CMEs)، فوران‌های بزرگ پلاسمای مغناطیسی شده از جو فوقانی خورشید موسوم به تاج خورشیدی برهم‌کنش می‌کنند. این فعل و انفعالات، ترموسفر را گرم و آن را متورم می‌کند. گازهای متراکم‌تر از ارتفاعات پایین‌تر به سمت بالا حرکت می‌کنند، جایی که ماهواره‌ها ناگهان نیروی کشش قوی‌تری را تجربه می‌کنند که سرعت آنها را تغییر می‌دهد و آنها را به سمت زمین می‌کشد.

"برگر" که نگرانی‌های خود را در مقاله‌ای به نام «پرواز در عدم اطمینان» تشریح کرد که در سال ۲۰۲۰ در مجله Space Weather منتشر شد، تنها کسی نیست که نگران تأثیرات یک طوفان خورشیدی بزرگ است.

"بیل مورتاگ" هماهنگ‌کننده برنامه مرکز پیش‌بینی آب و هوای فضایی(SWPC) در اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده(NOAA) می‌گوید: وقتی ما یک رویداد بسیار بزرگ را می‌بینیم و گرمای شدید جو را می‌بینیم، ماهواره‌ها در جایی که قرار است باشند، نخواهند بود.

وی افزود: کشش فوق‌العاده‌ای روی فضاپیماها وجود خواهد داشت و این کشش در یک مکان معین در ارتفاع معین یکنواخت نخواهد بود و در طول زمان با دینامیک خارق‌العاده طوفان خورشیدی تغییر خواهد کرد. مطمئناً این یک چالش در این رویداد بزرگ خواهد بود.

ماهواره‌های خارج از کنترل

خوشبختانه چنین طوفان‌های خورشیدی قدرتمندی اغلب اتفاق نمی‌افتند. از زمان طوفان‌های اکتبر ۲۰۰۳ که به "طوفان‌های هالووین" مشهور شده‌اند، زمین از یک دوره هوای فضایی نسبتاً معتدل برخوردار بوده است. با این حال، در سال ۲۰۱۲، سیاره ما تنها ۹ روز با برخورد یک پرتاب جرم تاجی بزرگ فاصله داشت که می‌توانست طوفان خورشیدی قرن را رقم بزند.

با این حال، نرخ نسبتاً پایین این رویدادها باعث نشده تا کارشناسان آسوده خاطر باشند، زیرا می‌ترسند اگر کنترل موقعیت مداری ماهواره‌ها را در محیط شلوغ فضای امروزی از دست بدهند، اتفاقات ناگواری رخ دهد.

"برگر" می‌گوید، زمانی که طوفان‌های هالووین در سال ۲۰۰۳ رخ داد، تنها حدود ۵۰۰۰ شیء ردیابی شده در مدار نزدیک زمین وجود داشت و با وجود از دست دادن کنترل بر وضعیت، هیچ برخوردی گزارش نشد. این در حالی است که تعداد اجرام در این منطقه‌ی آسیب‌پذیر از فضا از سال ۲۰۰۳ تاکنون چهار برابر شده است و خطر سقوط مداری را به همراه دارد.

"برگر" می‌گوید: یک اپراتور ماهواره‌ای معمولی ممکن است در حال حاضر ۳۰ تا ۵۰ درصد از زمان خود را صرف مقابله با هشدارهای برخورد کند. اپراتورهای ماهواره‌ای در مدار نزدیک زمین در حال حاضر روزانه تقریباً یک هشدار دریافت می‌کنند و حدود یک هشدار در هر هفته به اندازه کافی جدی است که بتوان آن را با جزئیات بیشتری تجزیه و تحلیل کرد و تقریباً هر چند هفته یک بار باید برای کاهش احتمال برخورد مانور انجام شود. اما در گذشته اینطور نبود.

با عدم قطعیت بسیار زیاد در مورد موقعیت ماهواره‌ها و زباله‌های فضایی بر اثر یک طوفان خورشیدی بزرگ، اپراتورهای فضاپیماها ممکن است به سادگی تسلیم شوند و دست روی دست بگذارند و منتظر باشند تا شبکه نظارت فضایی بتواند تک تک این اجرام را دنبال کند.

اغلب ماهواره‌های مدرن مجهز به گیرنده‌های GPS هستند که اپراتورها را قادر می‌سازد تا حدودا از موقعیت ماهواره‌ها با خبر باشند، اگر چه طوفان‌های خورشیدی می‌توانند موجب خاموشی GPS و عدم دقت قابل توجه در خوانش موقعیت‌ها شوند. اما زباله‌های فضایی فاقد GPS هستند و فقط با رادار قابل شناسایی هستند.

"برگر" می‌گوید، حتی با افزایش سرمایه‌گذاری در رادارهای ردیاب جدید و ظهور بازیگران تجاری در زمینه پایش زباله‌های فضایی در سال‌های اخیر ممکن است هفته‌ها طول بکشد تا کاتالوگ بسیار بزرگ‌تری از امروز به طور کامل تشکیل شود.

سندرم کسلر

در هفته‌های پس از وقوع یک طوفان خورشیدی بزرگ، اپراتورهای فضاپیماها به احتمال زیاد خواب خوبی نخواهند داشت و این فقط راجع به خطر آسیب به هر یک از فضاپیماها نیست. اکنون چندین سال است که جامعه ایمنی فضایی، زنگ خطر را در مورد میزان فزاینده زباله‌ها در مدار نزدیک زمین به صدا در آورده است. این زباله‌ها همراه با افزایش تعداد ماهواره‌های عملیاتی در دهه گذشته و در نتیجه‌ی ظهور صورت‌های فلکی ماهواره‌ای مانند ماهواره‌های اینترنتی "استارلینک" متعلق به شرکت "اسپیس‌ایکس"، پایداری عملیات مداری را تهدید می‌کنند.

کارشناسان فکر می‌کنند که مراحل اولیه به اصطلاح "سندرم کسلر"(Kessler syndrome)، یک آبشار غیرقابل توقف از برخوردها خواهد بود که می‌تواند محیط مداری را چنان ناامن کند که غیرقابل استفاده شود.

سندرم کسلر که با نام اثر کسلر نیز شناخته می‌شود، آبشارهایی از تصادف و ریزش است که توسط "دونالد جی کسلر" دانشمند ناسا در سال ۱۹۷۸ پیشنهاد شده‌ است. سندرم کسلر شامل سناریویی است که در آن چگالی اشیاء در مدار نزدیک زمین(LEO) به اندازه کافی بالا می‌رود که برخورد بین اشیاء می‌تواند یک آبشار ایجاد کند که در آن هر برخورد موجب ایجاد زباله فضایی می‌شود که احتمال برخورد بیشتر را افزایش می‌دهد.

یکی از نتایج این اثر این است که توزیع زباله در مدار می‌تواند فعالیت‌های فضایی و استفاده از ماهواره‌ها در مدارهای خاص را برای چندین نسل غیرممکن کند. در سال ۲۰۰۹ میلادی، "کسلر" در مقالاتی خاطرنشان ساخت که محیط زباله‌ها به دلیل ناپایداری، باعث می‌شود که هر تلاشی برای دست‌یابی به محیطی محدود و کوچک از زباله‌ها(حتی اگر فاقد رشد و گسترش زباله‌های جدید باشد) بدون از بین بردن منابع زباله‌های گذشته و به واسطه به وقوع‌ پیوستن مقوله‌ای همچون "ویژگی دومینو" تقریباً ناممکن باشد.

بنابراین چند برخورد در طول یک دوره هرج و مرج در پی یک طوفان خورشیدی قدرتمند ممکن است به راحتی این اتفاق را رقم بزند و سپس در بدترین حالت، سناریویی شبیه به داستان فیلم "گرانش"(Gravity) محصول سال ۲۰۱۳ که برنده جایزه اسکار شد، می‌تواند رخ دهد که جهان با درماندگی آن را نظاره‌گر خواهد بود.

"برگر" در این باره می‌گوید: بدون پیشرفت‌های قابل توجه در مدیریت ترافیک فضایی و فناوری پیش‌بینی آب‌وهوای فضایی، این خطر واقعی وجود دارد که به سطوح فزاینده تصادمات آبشاری برسیم که می‌تواند دامنه مدار نزدیک زمین را برای دهه‌ها یا احتمالاً قرن‌ها غیرقابل استفاده کند.

وی افزود: چنین وضعیتی عواقب مخربی برای پیش بینی آب و هوا، اطلاعات مبتنی بر فضا و تجارت فضایی خواهد داشت.

راه چاره

مسئله این است که بالاخره یک طوفان خورشیدی قدرتمند ایجاد خواهد شد و همه‌ی این اتفاقات اگر چاره‌ای اندیشیده نشود، در نهایت رخ خواهند داد. "برگر" امیدوار است که اگر حداقل تا پنج سال آینده از یک مورد جان سالم به در بردیم، جامعه پیش‌بینی آب و هوای فضایی بتواند مدل‌های خود را از اتمسفر زمین بهبود بخشد تا تغییرات کشش ناشی از رویدادهای جوی فضا را توضیح دهد.

چنین مدل‌هایی به نوبه خود، اپراتورهای فضاپیماها و شبکه نظارت فضایی را قادر می‌سازند تا اشیاء موجود در فضا را با سطح اطمینان کافی حتی در میانه‌ی قوی‌ترین تحولات ژئومغناطیسی ناشی از طوفان‌های خورشیدی ردیابی کنند.

سال گذشته اداره ملی جوی و اقیانوسی(NOAA) چیزی را معرفی کرد که آن را "مدل کل جو" نامید. این مدل، مدل رایج پیش‌بینی آب و هوای فضا را تا ارتفاع حدود ۶۰۰ کیلومتر رساند.

"زو وی فنگ" دانشمند هواشناسی فضایی در NOAA در یک مصاحبه اعتراف کرد که تاکنون، فقدان اندازه‌گیری در این ارتفاعات، دقت و قابلیت اطمینان خروجی مدل را محدود می‌کرده است.

در عین حال، اکنون که خورشید پس از یک دوره خواب طولانی بیدار شده و لکه‌های خورشیدی، شراره‌های خورشیدی و پرتاب جرم تاجی بیشتری تولید می‌کنند، اپراتورهای فضاپیماها احساس فشار بیشتری نسبت به قبل می‌کنند.

به عنوان مثال در ماه فوریه، شرکت "اسپیس‌ایکس" ۴۰ ماهواره کاملاً جدید "استارلینک" را در اثر یک طوفان ژئومغناطیسی نسبتاً خفیف از دست داد. آژانس فضایی اروپا نیز در اوایل سال جاری گزارش داد که ماهواره‌های "سوارم"(Swarm) که میدان مغناطیسی زمین را از ارتفاع حدود ۴۳۰ کیلومتری اندازه‌گیری می‌کنند، از دسامبر ۲۰۲۱ به میزان ۱۰ برابر سریع‌تر از تمام سال‌های از زمان پرتاب‌شان در سال ۲۰۱۳ مختل شده‌اند.

"اسپیس‌ایکس" پس از از دست دادن ماهواره‌های خود موافقت کرد که داده‌هایی را در مورد کشش تجربه شده توسط ماهواره‌های خود به NOAA ارائه دهد تا به تنظیم دقیق مدل‌های پیش‌بینی کمک کند. به گفته "برگر"، چنین همکاری‌هایی بین اپراتورهای ماهواره‌ای و آژانس‌های فضایی دولتی و خصوصی می‌تواند راه مفیدی برای پیشرفت باشد.

"برگر" که تیمش با NOAA در توسعه مدل‌ها همکاری می‌کند، گفت: انبوه ماهواره‌های مجهز به GPS مانند استارلینک از این نظر می‌توانند یک مزیت باشند. جی‌پی‌اس داده‌های مداری دقیقی را به شما می‌دهد که می‌توان از آن برای استنباط چگالی جو فوقانی زمین استفاده کرد. این نقاط داده درست مانند مدل‌های آب‌وهوای زمین، به ما کمک می‌کنند تا مدل خود را با شرایط واقعی مطابقت دهیم. اگر مطمئن شویم که مدل به طور مداوم شرایط واقعی را دنبال می‌کند، امیدواریم بتوانیم پیش‌بینی‌ها را به سطح ۶ تا ۱۲ ساعت آینده با سطح دقت مناسبی برسانیم.

غیر قابل پیش‌بینی

با این حال کارشناسان هشدار می‌دهند که یک طوفان خورشیدی قدرتمند می‌تواند در هر زمان و با هشدار اولیه‌ای که چندی قبل از وقوع آن صادر می‌شود، رخ دهد. "طوفان هالووین" در سال ۲۰۰۳ که طی آن ده‌ها ماهواره به طور موقت گم شدند، در حالی که چرخه ۱۱ ساله فعالیت خورشید در حال کاهش بود و به سمت حداقل می‌رفت، رخ داد.

اگرچه خورشید از آغاز در فواصل منظم پرتاب‌های جرم‌های تاجی را به زمین داشته است، اما اخیراً بشر به فناوری‌هایی وابسته شده است که در برابر چنین طغیان‌هایی آسیب‌پذیر هستند.

دو طوفان خورشیدی شدید که در تاریخ شناسایی شده‌اند، هر دو قبل از شروع دوره اکتشافات فضایی رخ داده‌اند. رویداد موسوم به "کارینگتون"(Carrington) در سال ۱۸۵۹ شفق‌های قطبی را ایجاد کرد که در سراسر دریای کارائیب قابل مشاهده بود و شبکه‌های تلگراف را در سراسر اروپا و آمریکا از دسترس خارج کرد.

سپس در ماه مه سال ۱۹۲۱، "طوفان راه آهن نیویورک" چندین مرکز تلگراف در سراسر جهان از جمله یک ایستگاه راه آهن در نیویورک را به آتش کشید.

هر دوی این طوفان‌ها تا حدی قوی‌تر از "طوفان هالووین" بودند که در سال ۲۰۰۳ به وقوع پیوست.

"برگر" می‌گوید: اگر چیزی شبیه طوفان سال ۱۹۲۱ امروز رخ دهد، می‌تواند تأثیر بسیار جدی بر عملیات مداری، نه فقط برای چند ساعت یا چند روز، بلکه برای چندین هفته داشته باشد و از آنجایی که می‌دانیم بالاخره با یک طوفان بزرگ مواجه خواهیم شد، باید تحقیقاتی را برای بهبود مدل‌ها انجام دهیم و مطمئن شویم که آنها می‌توانند تغییراتی را که در این طوفان‌های ژئومغناطیسی اتفاق می‌افتد بهتر از آنچه اکنون می‌توانند، پیش‌بینی کنند.