اگر قطب‌های مغناطیسی زمین معکوس شوند، چه بلایی بر سر ماهواره‌ها می‌آید؟

خلاصه:

• در حال حاضر حدود ۱۵هزار ماهواره فعال در مدار پایین زمین وجود دارند و اگرچه احتمال معکوس‌شدن قطب‌های مغناطیسی در آینده‌ی نزدیک کم است، این پدیده دور از ذهن نیست.
• میدان مغناطیسی زمین محافظت حیاتی در برابر تشعشعات فضایی ارائه می‌دهد و ماهواره‌ها بدون آن در معرض خطر بیشتری قرار می‌گیرند که می‌تواند به کاهش عمر مفیدشان منجر شود.
• ماهواره‌های کوچک‌تر به‌طور خاص به میدان مغناطیسی برای مسیریابی متکی هستند و ضعف یا معکوس‌شدن این میدان، جهت‌یابی آن‌ها را مختل می‌کند.
• حفظ جهت‌گیری ماهواره‌ها نیز با مشکل مواجه می‌شود؛ چرا که بسیاری از آن‌ها از میله‌های گشتاور برای کنترل تکانه زاویه‌ای استفاده می‌کنند و در صورت فقدان میدان مغناطیسی، تخلیه‌ی این تکانه دشوارتر خواهد شد.
• پس از معکوس‌شدن قطب‌ها و بازگشت میدان مغناطیسی به جهت مخالف، ماهواره‌ها احتمالاً می‌توانند به عملکرد عادی خود ادامه دهند، اما چالش اصلی، گذر از دوره‌ی ضعف میدان مغناطیسی است که طول آن هنوز نامشخص است.

ما اکنون حدود ۱۵هزار ماهواره فعال در مدار پایین زمین قرار داده‌ایم. با وجود اینکه احتمال معکوس شدن قطب‌های مغناطیسی زمین در آینده‌ی نزدیک کم است، شواهد زمین‌شناسی نشان می‌دهد اتفاقی دور از ذهن نیست و نمی‌توانیم به طور دقیق پیش‌بینی کنیم چه هشداری قبل از آن دریافت خواهیم کرد. این موضوع سوال مهمی را مطرح می‌کند: اگر چنین تغییری در آینده‌ی نزدیک رخ دهد، چه تاثیری بر زیرساخت‌های حیاتی وابسته به ماهواره‌ها خواهد داشت؟

زمین توسط یک میدان مغناطیسی احاطه شده است که از هسته‌ی آن منشا می‌‌گیرد و ما را در برابر انواع پدیده‌های جوی فضایی محافظت می‌کند. بسیاری از دانشمندان معتقدند بدون این میدان، حیات بر روی زمین غیرممکن می‌شد. هنگامی که سنگ‌های غنی از آهن از گدازه‌های آتشفشانی سرد می‌شوند، جهت میدان مغناطیسی حاکم در آن زمان را به خود می‌گیرند و پس از سردشدن، این جهت را حفظ می‌کنند. این ویژگی به ما امکان می‌دهد تغییرات گذشته‌ی جهت و قدرت میدان مغناطیسی زمین را ردیابی کنیم و نشان می‌دهد میدان مغناطیسی گاهی اوقات به طور ناگهانی معکوس می‌شود.

علت دقیق معکوس شدن‌ها هنوز به طور کامل مشخص نیست، اما فراوانی وقوع آن‌ها در طول زمان متفاوت بوده است. در برخی دوره‌ها، این پدیده هر صدهزار سال یک بار رخ داده، در حالی که در دوران کرتاسه (حدود ۳۷ میلیون سال پیش) هیچ وارونگی‌ای ثبت نشده است. در دوران جدیدتر، نرخ وقوع این پدیده حدوداً هر ۲۵۰هزار سال یک بار تخمین زده می‌شود، بنابراین احتمال وقوع آن در این قرن بسیار پایین است.

پس از معکوس شدن، میدان مغناطیسی تقریباً به حالت عادی باز می‌گردد، با این تفاوت که جهت آن برعکس می‌شود. این موضوع می‌تواند برای حیواناتی که از میدان مغناطیسی زمین برای مسیریابی در سفرهای طولانی استفاده می‌کنند، گیج‌کننده باشد، اما شواهد نشان می‌دهد آن‌ها توانسته‌اند از این پدیده جان سالم به در ببرند و گونه‌های مهاجر، بسیاری از وارونگی‌های قبلی را پشت سر گذاشته‌اند.

مهم‌ترین سوال این است که چه اتفاقی در طول فرآیند معکوس‌شدن قطب‌های مغناطیسی رخ می‌دهد. به نظر می‌رسد این پدیده نمی‌تواند آنی باشد، بنابراین باید دوره‌ای وجود داشته باشد که میدان مغناطیسی ضعیف یا غیرفعال شود. با توجه به وابستگی حیات به میدان مغناطیسی زمین، بسیاری از افراد هنگام آگاهی از معکوس‌شدن‌ها نگران می‌شوند و گاهی اوقات وقوع فاجعه را پیش‌بینی می‌کنند.

هرچند تاکنون تلاش‌هایی برای همزمان‌کردن زمان وقوع وارونگی‌های گذشته با رویدادهای انقراض دسته‌جمعی انجام شده، این ارتباط هنوز مورد بحث است. اگر معکوس شدن‌ها نرخ انقراض را افزایش دهند، این افزایش چندان قابل‌توجه نیست و احتمالاً تأثیر آن بر بیشتر موجودات زنده ناچیز است. این موضوع نشان می‌دهد که دوره‌ی ضعف میدان مغناطیسی احتمالاً طولانی نیست.

معکوس‌شدن‌ها ممکن است در مقیاس زمانی زمین‌شناسی کوتاه باشند، اما اگر چنین پدیده‌ای در طول عمر ما رخ دهد، می‌توانیم پیامدهای متفاوتی را مشاهده کنیم. برای مثال، ماهواره‌های محافظت‌نشده ممکن است عمر کوتاه‌تری داشته باشند.

همه ماهواره‌ها به یک اندازه تحت تأثیر قرار نخواهند گرفت. ماهواره‌های کوچک که به عنوان ماهواره مینیاتوری (کیوب‌ست) شناخته می‌شوند، برای مسیریابی به میدان مغناطیسی زمین متکی هستند. این ماهواره‌ها مجهز به دستگاه‌های مغناطیس‌سنج هستند که جهت میدان مغناطیسی را در سه بعد اندازه‌گیری می‌کنند و از این اطلاعات برای حفظ زاویه‌ی مناسب استفاده می‌کنند، اگرچه حسگرهای دیگری نیز به آن‌ها کمک می‌کنند. اگر میدان مغناطیسی بسیار ضعیف باشد، کیوب‌ست‌ها نمی‌توانند جهت خود را تعیین کنند.

ماهواره‌های مدرن با اندازه‌ی مناسب معمولاً برای تعیین دقیق جهت‌گیری خود در فضا (نسبت به یک نقطه ثابت) از ردیاب‌های ستاره استفاده می‌کنند. همچنین، ماهواره‌هایی که در مدارهای پایین‌تر از سامانه‌های ناوبری ماهواره‌ای جهانی (GNSS) فعالیت می‌کنند، برای سنجش موقعیت و سرعتشان نسبت به زمین، به سیستم‌های GNSS مجهز هستند. ماهواره‌های با مدار بالاتر نیز توسط ایستگاه‌های زمینی ردیابی می‌شوند.

در سال‌های اخیر تعداد ماهواره‌های کیوب‌ست با کاهش هزینه‌های پرتاب افزایش یافته است، اما در حال حاضر وابستگی اصلی ما به ماهواره‌های بزرگ‌تر همچنان پابرجا است.

توجه به این نکته ضروری است که بدون مگنتوسفر (لایه‌ی محافظ میدان مغناطیسی)، ماهواره‌های مدار پایین زمین در معرض سطوح بالاتری از تشعشعات قرار خواهند گرفت. این تشعشعات به سرعت باعث خاموش‌شدن تمام ماهواره‌ها نمی‌شود، اما می‌تواند افزایش نرخ خرابی و کاهش عمر آن‌ها را به‌دنبال داشته باشد. حتی عبور از ناحیه ناهنجاری جنوب اقیانوس اطلس که در آن میدان مغناطیسی زمین ضعیف‌تر است، مشکلاتی ایجاد می‌کند که گاهی اوقات باعث خاموش‌شدن عملیات‌های غیرضروری می‌شود.

با وجود امکان طراحی ماهواره‌ها به منظور افزایش مقاومت در برابر تشعشعات، همان‌طور که در کاوشگرهای فضایی مشاهده می‌شود، افزودن لایه‌های محافظتی اضافی پس از استقرار ماهواره در مدار، اثربخشی محدودی خواهد داشت. در نتیجه، احتمال کاهش تدریجی عملکرد ماهواره‌ها وجود دارد.

مشکل کمتر آشکار، اما احتمالاً مهم‌تر، این است که ماهواره‌های فعلی از میدان مغناطیسی برای حفظ جهت‌گیری مناسب خود استفاده می‌کنند.

ماهواره‌ها با استفاده از چرخ‌های واکنشی برای حفظ جهت‌گیری خود تلاش می‌کنند، اما این چرخ‌ها به دلیل تجمع تکانه زاویه‌ای اضافی نیازمند تخلیه‌ی دوره‌ای آن هستند. دستگاه‌هایی تحت عنوان مگنتورکر یا میله‌های گشتاور، میدان مغناطیسی تولید می‌کنند و از برهم‌کنش این میدان با میدان مغناطیسی زمین برای دفع ممان اضافی بهره می‌برند. از آنجا که ایجاد این میدان تنها به یک عنصر مغناطیسی و منبع تغذیه (معمولاً پنل‌های خورشیدی) نیاز دارد، بسیاری از ماهواره‌ها صرفاً از این روش برای کنترل جهت‌گیری استفاده می‌کنند. در صورت فقدان میدان مغناطیسی زمین، تکانه زاویه‌ای به‌طور پیوسته افزایش یافته و می‌تواند به بروز اختلال در عملکرد ماهواره منجر شود.

برخی از ماهواره‌ها مجهز به پیشرانه‌ها برای کنترل تکانه زاویه‌ای هستند، اما این روش نیازمند مصرف سوخت است که امکان تجدید آن در فضا وجود ندارد. ماهواره‌هایی که هم از مگنتورکر و هم از پیشرانه استفاده می‌کنند، در طول فرآیند معکوس‌شدن قطب‌های مغناطیسی با سرعت بیشتری سوخت خود را مصرف خواهند کرد. درمقابل، ماهواره‌هایی که صرفاً به مگنتورکر متکی هستند، در صورت تداوم طولانی‌مدت دوره ضعف میدان مغناطیسی زمین، با چالش‌های عملیاتی جدی مواجه می‌شوند.

فعالیت‌های خورشیدی باعث افزایش سرعت فرسایش ماهواره‌های مدار پایین می‌شوند، زیرا جو در ارتفاعات بالاتر متراکم‌تر شده و اصطکاک بیشتری ایجاد می‌کند. فقدان میدان مغناطیسی زمین می‌تواند این اثر اصطکاکی را تشدید کند، اما میزان تأثیر نهایی بستگی به همزمانی معکوس‌شدن قطب‌های مغناطیسی با اوج یا فرود چرخه‌ی خورشیدی دارد.

هنگامی که معکوس شدن کامل شود و میدان مغناطیسی به جهت مخالف بازگردانده شود، نباید مشکل خاصی وجود داشته باشد. همان محافظت در برابر تشعشعات ارائه خواهد شد و ماهواره‌ها می‌توانند از میدان مغناطیسی معکوس برای دفع تکانه به همان اندازه استفاده کنند که از میدان اصلی استفاده می‌کردند. آن‌هایی که برای مسیریابی به میدان مغناطیسی متکی هستند، ممکن است به دستورالعمل‌های جدیدی نیاز داشته باشند، اما تغییر مثبت به منفی در کد باید آسان باشد.

به عبارت دیگر، چالش این است که ماهواره‌ها بتوانند از معکوس‌شدن جان سالم به در ببرند، نه اینکه پس از آن زنده بمانند. برای دانستن اینکه آن‌ها چگونه عمل خواهند کرد، سوال اصلی این است که دوره‌ی ضعف میدان مغناطیسی چه مدت طول خواهد کشید و این چیزی است که ما هنوز نمی‌دانیم، زیرا دانش ما از رویدادهای قبلی به اندازه‌ی کافی دقیق نیست تا بتوانیم آن را تعیین کنیم.