سپر مصنوعی در برابر خورشید؛ ایده «کیسه هوای مداری» برای مهار طوفانهای فضایی
وقتی فورانهای شدید از سطح خورشید به سمت زمین پرتاب میشوند، فقط منظرهای زیبا از شفقهای قطبی در آسمان ایجاد نمیکنند، بلکه میتوانند پیامدهای جدی و پرهزینهای هم داشته باشند. این انفجارهای خورشیدی هنگام برخورد با میدان مغناطیسی زمین، میتوانند سامانههای الکترونیکی ماهوارهها را مختل و جریانهای القایی قدرتمندی در سطح زمین ایجاد کنند که به شبکههای برق آسیب میزنند و حتی آنها را از کار میاندازند.
برآوردها نشان میدهد طوفان خورشیدی بسیار شدید، در حد رویداد تاریخی کارینگتون در سال ۱۸۵۹، که از قدرتمندترین طوفانهای خورشیدی ثبتشده است، میتواند صرفاً در بخش شبکههای برق بیش از سه تریلیون دلار خسارت بهبار آورد.
با وجود این تهدید بالقوه، ابزارهای دفاعی بشر تاکنون محدود به دو مورد بوده است: پیشبینی بهتر وضعیت آبوهوای فضایی و طراحی فناوریهای مقاومتر برای ماهوارهها و زیرساختهای زمینی. اما اکنون گروهی از فیزیکدانان فضایی پیشنهاد دادهاند که باید به جای انتظار و محافظت غیرمستقیم، به سراغ مداخله فعال رفت و شدت طوفانهای خورشیدی را در زمان وقوع کاهش داد.
ایده مطرحشده، طرحی با نام استورموال (StormWall) را معرفی میکند. در این طرح، مجموعهای از ماهوارهها پیش از رسیدن طوفان خورشیدی به زمین، صدها تُن گاز را در فضای نزدیک زمین آزاد میکنند. شبیهسازیهای رایانهای نشان میدهد این کار میتواند شدت طوفان بزرگ خورشیدی را حتی تا بیش از ۵۰ درصد کاهش دهد. دنیل ولینگ، فیزیکدان فضایی در دانشگاه میشیگان و یکی از نویسندگان پژوهش، این ایده را به نصب «کیسه هوا در مگنتوسفر» تشبیه کرده است.
طوفانهای خورشیدی میتوانند با ایجاد جریانهای القایی شدید، شبکههای برق و ماهوارهها را دچار اختلال گسترده کنند
مگنتوسفر یا سپر مغناطیسی زمین، ناحیهای از فضاست که توسط میدان مغناطیسی زمین شکل گرفته و مانند سپری در برابر ذرات باردار خورشیدی عمل میکند. این ذرات که به آنها «باد خورشیدی» گفته میشود، جریان دائمی از ذرات باردار هستند که از خورشید خارج میشوند. در شرایط عادی، سپر محافظ بیشتر این ذرات را منحرف میکند، اما در طوفانهای شدید خورشیدی، این سد میتواند دچار شکست شود.
در چنین شرایطی، میدان مغناطیسی زمین با میدان مغناطیسی خورشید پیوند مجدد برقرار میکند. این پدیده باعث میشود انرژی و ذرات پرانرژی بهجای منحرف شدن، وارد محیط مغناطیسی زمین شوند.
ورود ذرات باردار خورشیدی پیامدهای متعددی دارد. در فضا، آنها میتوانند به مدار الکترونیکی ماهوارهها آسیب بزنند یا حتی فضانوردان را درمعرض خطر قرار دهند. همچنین انرژی آنها باعث گرمشدن و انبساط لایههای بالایی جو زمین میشود؛ اتفاقی که افزایش اصطکاک جوی و کشیدهشدن سریعتر ماهوارهها به سمت زمین را بهدنبال دارد.
اختلالات در سطح زمین نیز میتوانند جریانهای الکتریکی شدیدی در خطوط رسانا ایجاد کنند. این جریانها در شبکههای برق و ترانسفورماتورها جریان پیدا میکنند و باعث خاموشیهای گسترده میشوند.
بااینحال، زمین لایه حفاظتی طبیعی دیگری هم دارد که البته بینقص نیست. در ناحیهای درست بیرون از جو زمین، حلقهای از گازهای یونیزه و نسبتاً سرد وجود دارد که به آن «پلاسمای حلقهای» گفته میشود. این ناحیه بخشی از ذرات خود را هنگام وقوع طوفانهای خورشیدی به سمت بیرون، یعنی در جهت خورشید، جابهجا میکند.
این جابهجایی در عمل باعث میشود نوعی «بار اضافی» در سیستم میدان مغناطیسی زمین بهوجود آید و درنتیجه روند بازپیوند مغناطیسی کندتر شود؛ همان فرآیندی که در آن میدان مغناطیسی زمین در برابر باد خورشیدی تضعیف میشود. دیوید سیبک، رئیس بخش هلیوفیزیک در مرکز پرواز فضایی گادرد ناسا این اثر را به حالتی تشبیه میکند که انگار «وزنهای سنگین و بیحرکت» به سیستم اضافه شده باشد؛ چیزی شبیه بار مرده که حرکت کل ساختار را کندتر میکند.
ایده استورموال تلاش میکند همین اثر طبیعی را تقویت کند. در طرح اولیه، شش موشک فوق سنگین، مانند استارشیپ اسپیسایکس یا لانگ مارچ ۹ چین، فضاپیماهایی در اندازه اتوبوس کوچک را به مدار زمینآهنگ، در ارتفاع حدود ۳۶هزار کیلومتری زمین پرتاب میکنند. این مدار بسیار بالاتر از ایستگاه فضایی بینالمللی قرار دارد، اما همچنان درون محدوده میدان مغناطیسی زمین است.
هدف طرح پیشنهادی استورموال کاهش شدت طوفانهای خورشیدی پیش از رسیدن به زمین است
فضاپیماها مخازنی بزرگ از گازهایی مانند لیتیوم، باریم یا سدیم و حتی در برخی سناریوها آبنمک حمل میکنند. هنگامی که سامانههای پایش، وقوع طوفان خورشیدی خطرناک را تشخیص دهند، این مخازن تخلیه و نور خورشید باعث یونیزه شدن سریع مواد و تبدیل آنها به پلاسما میشود. سپس این پلاسما به سمت بخش روز زمین کشیده شده و در روند بازپیوند مغناطیسی اختلال ایجاد میکند. براساس برآورد پژوهشگران، آزادسازی حدود ۴۰۰ تن از این مواد میتواند شدت یک طوفان ژئومغناطیسی شدید را بیش از ۶۰ درصد کاهش دهد.
بااینحال، سامانه مورد بحث نیز مانند کیسه هوا در خودرو، پس از هر بار استفاده نیاز به جایگزینی و بازسازی خواهد داشت. اما پژوهشگران استدلال میکنند که با توجه به وابستگی شدید تمدن مدرن به برق، ارتباطات و اینترنت، سرمایهگذاری در چنین سامانهای میتواند منطقی باشد. اگر طوفان بسیار شدیدی بتواند زیرساختهای برق و اینترنت را برای سالها از کار بیندازد، پیامد آن برای جامعه انسانی بسیار عمیق و ویرانگر خواهد بود.
مطالعه در مجله Space Weather منتشر شده است.