طوفان‌های خورشیدی نتیجه فعالیت‌های شدید مغناطیسی در سطح خورشید هستند که طی آن، ذرات باردار با سرعت بالا به سمت زمین حرکت می‌کنند. این ذرات در برخورد با میدان مغناطیسی زمین می‌توانند اثرات منفی بر ارتباطات رادیویی، GPS و عملکرد ماهواره‌ها بگذارند و حتی زیرساخت‌های برق را مختل کنند. با این حال، میدان مغناطیسی زمین مانع اصلی برای جلوگیری از تاثیرات مضر این ذرات است. در نواحی قطبی، این ذرات به جو نفوذ کرده و با برخورد به گازهای موجود در آن، شفق‌های قطبی دیدنی را به وجود می‌آورند که نشان‌دهنده تعامل طبیعت و فناوری است.

 از این رو با علیرضا بیات، کارشناس نجوم به گفت‌وگو نشستیم تا بیشتر درباره طوفان‌های خورشیدی و تاثیر آن‌ها روی ماهواره‌ها و شبکه‌های مخابراتی و ایجاد شفق‌های قطبی بدانیم.

طوفان‌های خورشیدی چگونه شکل می‌گیرند و چه عواملی موجب تقویت یا تضعیف این طوفان‌ها می‌شوند؟

طوفان‌های خورشیدی بر اثر فعالیت‌های مغناطیسی در سطح خورشید شکل می‌گیرند. این فعالیت‌ها باعث ایجاد جریان‌هایی از ذرات باردار پرانرژی و تابش‌های شدید می‌شود که به فضا گسیل می‌شوند. زمانی که سرعت این بادهای خورشیدی افزایش یابد، شدت طوفان ژئومغناطیسی نیز بیشتر می‌شود. در حالت عادی، باد خورشیدی با سرعت ۱.۴ میلیون کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند، اما طوفان‌های شدید می‌توانند این سرعت را تا پنج برابر افزایش دهند. این امر موجب افزایش شدت برخورد ذرات باردار با میدان مغناطیسی زمین و ایجاد طوفان‌های ژئومغناطیسی شدیدتر می‌شود.

چگونه ذرات باردار بادهای خورشیدی در میدان مغناطیسی زمین به تله می‌افتند و به چه شکلی به ایجاد شفق قطبی کمک می‌کنند؟

زمانی که ذرات باردار بادهای خورشیدی به میدان مغناطیسی زمین برخورد می‌کنند، میدان مغناطیسی به‌عنوان یک محافظ عمل کرده و این ذرات را به دام می‌اندازد. این ذرات تنها از نواحی قطبی امکان نفوذ به لایه‌های بالایی جو را دارند. به هنگام برخورد این ذرات باردار با جو زمین، انرژی آن‌ها به شکل نورهای زیبا و رنگارنگ آزاد می‌شود که به شفق‌های قطبی معروف است. این شفق‌ها بیشتر در نواحی قطبی زمین دیده می‌شوند و منظره‌ای خارق‌العاده از نورهای آبی، سبز، قرمز و بنفش به نمایش می‌گذارند.

تأثیر طوفان‌های خورشیدی روی مدار و عملکرد ماهواره‌ها چگونه است و چرا موجب اختلال در مدارهای نزدیک به زمین می‌شوند؟

طوفان‌های خورشیدی می‌توانند موجب ایجاد اختلالات شدیدی در عملکرد ماهواره‌هایی که در مدارهای نزدیک به زمین قرار دارند، شوند. زمانی که انرژی این طوفان‌ها جذب جو زمین می‌شود، جو گرم و منبسط می‌شود. این انبساط لایه ترموسفر، چگالی آن را افزایش داده و موجب افزایش نیروی درگ بر ماهواره‌ها می‌شود. این نیروی اضافی، ماهواره‌ها را تحت فشار قرار داده و آن‌ها را از مسیرشان خارج می‌کند. به همین دلیل ممکن است ماهواره‌ها از کار بیفتند یا مانند آنچه برای برخی از ماهواره‌های استارلینک رخ داد، به اجبار به جو زمین بازگردانده شوند.

چگونه بادهای خورشیدی می‌توانند موجب افزایش سرعت فرسایش مواد محافظتی ماهواره‌ها شوند و به قطعات الکترونیکی آسیب بزنند؟

بادهای خورشیدی به دلیل داشتن ذرات باردار با انرژی بالا می‌توانند به مواد محافظتی ماهواره‌ها آسیب وارد کنند و سبب فرسایش سریع‌تر آن‌ها شوند. این ذرات، ضمن عبور از لایه‌های محافظ، به قطعات الکترونیکی داخل ماهواره نیز نفوذ کرده و باعث ایجاد خطا در عملکرد آن‌ها می‌شوند. این فرسایش و آسیب‌پذیری در طول زمان می‌تواند موجب از کار افتادن ماهواره‌ها شود.

میدان مغناطیسی زمین در مقابله با اثرات طوفان‌های خورشیدی تا چه حد موثر است و چرا برخی نقاط بیشتر تحت تاثیر قرار می‌گیرند؟

میدان مغناطیسی زمین همچون یک سپر طبیعی در برابر طوفان‌های خورشیدی عمل می‌کند و از نفوذ ذرات باردار به سطح زمین جلوگیری می‌کند. این میدان بیشتر در نواحی نزدیک به استوا قوی‌تر است و اجازه نمی‌دهد ذرات به لایه‌های پایین جو نفوذ کنند. با این حال، در نواحی قطبی که خطوط مغناطیسی به‌طور عمودی وارد و خارج می‌شوند، امکان نفوذ این ذرات بیشتر است. از این رو، نواحی قطبی بیشترین تاثیر را از طوفان‌های خورشیدی می‌پذیرند و شاهد پدیده‌هایی چون شفق‌های قطبی هستند.

چه نوع اختلالاتی در شبکه‌های مخابراتی و اینترنت به علت فعالیت‌های خورشیدی رخ می‌دهد و این اختلالات تا چه مدت می‌توانند ادامه داشته باشند؟

طوفان‌های خورشیدی می‌توانند موجب ایجاد اختلال در شبکه‌های مخابراتی و اینترنت شوند. این اختلالات به دلیل تاثیرات طوفان بر امواج رادیویی رخ می‌دهند که ماهواره‌ها از آن‌ها برای برقراری ارتباط با زمین استفاده می‌کنند. طوفان‌های شدید ممکن است سیگنال‌ها را دچار خطا کنند و در نتیجه داده‌ها با اشتباه به زمین ارسال شوند. این اختلالات می‌توانند از چند ساعت تا چند روز ادامه داشته باشند و بسته به شدت طوفان و وضعیت تجهیزات ارتباطی متفاوت باشند.

تأثیر طوفان‌های خورشیدی روی سیستم‌های GPS و ناوبری چقدر است و این اختلالات چه پیامدهایی برای کاربران زمینی دارد؟

سیستم‌های GPS به شدت تحت تاثیر طوفان‌های خورشیدی قرار می‌گیرند. ذرات باردار و تابش‌های حاصل از این طوفان‌ها می‌توانند سیگنال‌های GPS را مختل کنند و در نتیجه موقعیت‌یابی دچار خطا شود.

این اختلالات به‌ویژه برای حمل‌ونقل هوایی و دریایی که وابسته به GPS هستند، چالش‌برانگیز است و ممکن است در تعیین مسیر و موقعیت دچار مشکل شوند.

 نقش ماهواره‌های نظارت بر فعالیت‌های خورشیدی چیست و چگونه می‌توانند به پیش‌بینی طوفان‌های خورشیدی کمک کنند؟

ماهواره‌های نظارتی همچون ACE و DSCOVR که توسط ناسا و مراکز پیش‌بینی هوای فضایی توسعه یافته‌اند، نقش مهمی در پیش‌بینی طوفان‌های خورشیدی دارند. این ماهواره‌ها با رصد تاج خورشید و فعالیت‌های مغناطیسی آن، می‌توانند حدود یک ساعت پیش از رسیدن طوفان به زمین هشدار دهند. این هشدارها به سازمان‌ها کمک می‌کنند تا تجهیزات خود را خاموش کرده و شبکه‌های در معرض خطر را موقتا از مدار خارج کنند.

آیا تغییرات در فعالیت‌های خورشیدی می‌تواند به گرم شدن یا سرد شدن جو زمین کمک کند و به طور کلی چه تاثیری بر اقلیم سیاره ما دارد؟

تغییرات فعالیت‌های خورشیدی، به‌ویژه در طولانی‌مدت، می‌توانند بر جو و اقلیم زمین تاثیر بگذارند. طوفان‌های شدید خورشیدی می‌توانند باعث گرم شدن لایه‌های جوی زمین و در نتیجه تاثیر بر تغییرات اقلیمی شوند. با افزایش تابش‌های خورشیدی، امکان ذوب یخ‌های قطبی نیز بیشتر می‌شود که بر افزایش سطح آب دریاها و تغییرات اقلیمی موثر است.

چرا طوفان‌های خورشیدی باعث تقویت شفق‌های قطبی می‌شوند و این فرایند چگونه از طریق تعامل بین ذرات باردار خورشیدی و میدان مغناطیسی زمین رخ می‌دهد؟

طوفان‌های خورشیدی به دلیل برخورد ذرات باردار با میدان مغناطیسی زمین، باعث ایجاد شفق‌های قطبی می‌شوند. این ذرات تنها از قطب‌های مغناطیسی می‌توانند وارد جو شوند و در آنجا با مولکول‌های جوی برخورد کنند که باعث آزادسازی انرژی به‌صورت نورهای رنگارنگ می‌شود. از این رو، شفق‌های قطبی در نواحی قطبی زمین مشاهده می‌شوند. در شرایط طوفان‌های شدیدتر، این شفق‌ها ممکن است در عرض‌های جغرافیایی پایین‌تر نیز قابل مشاهده باشند و منظره‌های زیبایی را برای ساکنان آن مناطق به نمایش بگذارند.