طوفان خورشیدی چیست؟ – به زبان ساده + توضیح اثرات

هنگامی که از زمین به خورشید نگاه می‌کنیم، آن را ستاره‌ای آرام و پایدار در نظر می‌گیریم، اما سطح خورشید بسیار متلاطم‌تر از آن است که به نظر می‌رسد. آبشاری از گازهای بسیار داغ، برج‌های بلندی از آتش ساخته‌اند. یکی از بزرگ‌ترین انفجارهای بزرگ در منظومه‌شمسی، در سطح خورشید رخ می‌دهد یا خواهد داد. امروزه با استفاده از پیشرفت تکنولوژی می‌توانیم سطح خورشید را به راحتی از زمین مشاهده کنیم. از این رو، مشاهده و پیش‌بینی طوفان خورشیدی دور از دسترش نخواهد بود. در این مطلب، در مورد طوفان خورشیدی یا طوفان ژئومغناطیسی به زبان ساده صحبت و اثرات آن را بر زندگی روی زمین بررسی می‌کنیم. همچنین، در مورد بزرگ‌ترین طوفان خورشیدی و زمان طوفان بعدی صحبت خواهیم کرد.

طوفان خورشیدی چیست ؟

شاید فکر کنید خورشید، ستاره‌ای پایدار و بدون هیچ رخداد مهمی در سطح آن است. اما خورشید، همان آتش زیر خاکستر است. در پشت این آرامش ظاهری، طوفانی بزرگ در حال جمع کردن نیرو است. در روز اول سپتامبر سال ۱۸۵۹ میلادی معادل دهم شهریور سال ۱۲۳۸ شمسی، ستاره‌شناسی انگلیسی به نام «ریچارد کرینگتون» (Richard Carrington) متوجه نشانه‌هایی از تلاطم و آشوب در سطح خورشید شد. این آغاز یکی از بزرگ‌ترین طغیان‌های خورشیدی ثبت شده تا آن زمان بود. آبشارهای سوزانی با طولی بیش از ده‌ها هزار کیلومتر به فضا پرتاب شدند. برج‌‌هایی از گازهای سوزان به صورت امواج دریا به سمت بالا حرکت کردند. دمای گازهای سوزان به بیش از میلیون‌ها درجه سلسیوس رسید. در میان این آشفتگی، ناحیه تاریک و عجیبی ظاهر شد. این ناحیه تاریک، خوشه‌هایی از لکه‌های خورشیدی با اندازه‌ای در حدود ۲۰ برابر زمین است. خورشید از این ناحیه فوران می‌کند. دانشمندان به این فوران، پرتاب جرم تاجی می‌گویند. پس از این فوران، بیش از میلیاردها تن ذرات خورشیدی به سمت ما پرتاب می‌شوند. براساس زمان مشاهدات کرینگتون و تخمین دانشمندان، انفجارهای خورشیدی با سرعتی در حدود هشت میلیون کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کنند.

ذرات باردار قرار گرفته در انفجارهای خورشیدی، مولکول‌های اکسیژن و نیتروژن در لایه بالایی جو زمین را برانگیخته می‌کنند. در اثر این برانگیختگی، نورهای رنگارنگی به نام شفق قطبی ،به هنگام شب در آسمان دیده می‌شوند. به طور معمول، شفق‌های قطبی در قطب‌ها قابل‌مشاهده هستند.

طوفان خورشیدی بعدی چه زمانی است ؟

این بخش را با سوال ساده‌ای آغاز می‌کنیم، اگر فضا علیه ما عمل کند، چه اتفاقی خواهد افتاد؟ هنگامی که به پایان جهان و علت‌های ممکن برای رخ دادن آن فکر می‌کنیم، شهاب‌سنگ‌ها و برخورد آن‌ها به زمین نخستین علتی است که به ذهن می‌رسد. اما علت دیگری وجود دارد که کمتر به آن توجه می‌شود، طوفان خورشیدی. این احتمال می‌رود که طوفان خورشیدی سهمگینی تا سال ۲۰۲۵ به زمین برخورد کند. آیا این اتفاق واقعا رخ می‌دهد؟ در اوایل سال ۲۰۲۱ میلادی، خبرها وجود نخستین طوفان فضایی را تایید کردند. در واقع این اتفاق جذاب و دیدنی در ماه آگوست سال ۲۰۱۴ میلادی در قطب شمال و به عنوان توده‌ای چرخان با طولی در حدود ۹۷۰ کیلومتر و سرشار از الکترون، ثبت شد. گرچه عبور این توده در حدود هشت ساعت به طول انجامید، اما کمتر کسی متوجه حضور آن شد. این طوفان، تنها تداخل اندکی با تعداد کمی از ماهواره‌ها داشت. به جز این مورد، اتفاق مهم دیگری رخ نداد.

اما نکته‌ای که باید به آن توجه شود آن است که این اتفاق‌ها به صورت دوره‌ای، رخ می‌دهند. دانشمندان معتقد هستند که طوفان بعدی در سال ۲۰۲۵ میلادی اتفاق خواهد افتاد. از طوفان بعدی چه انتظاری باید داشته باشیم؟ بر طبق نظر برخی از دانشمندان، اثرات طوفان بعدی ممکن است بسیار بیشتر و سهمگین‌تر باشد. از این واقعیت نمی‌توان فرار کرد که طوفان فضایی یکی از اتفاق‌های مربوط به آب و هوا در فضا است که سیاره ما را تحت‌تاثیر قرار خواهد داد. هر اتفاقی در لایه بالایی جو زمین را می‌توان به خورشید ربط داد. خورشید شاید یکی از مهم‌ترین بخش‌های منظومه‌شمسی باشد، اما هنوز بخش زیادی از آن به صورت معما باقی مانده است. در دهه‌های اخیر و با پیشرفت تکنولوژی، دانشمندان توانسته‌اند خورشید را با جزییات بیشتری مطالعه کنند، بنابراین بیشتر از هر زمان دیگری می‌دانند که چگونه انرژی خورشیدی، سوخت سیاره ما را تامین می‌کند. خورشید هر اندازه برای ما مفید باشد، از خطرات سهمگین آن نمی‌توان چشم‌پوشی کرد.

اگر میدان مغناطیسی و جو زمین وجود نداشتند، جهان بسیار متفاوت‌تر از آن‌ چیزی بود که امروزه مشاهده می‌کنیم. شاید حتی زندگی روی زمین شکل نمی‌گرفت. در ماه سپتامبر سال ۲۰۲۰ میلادی، گروهی از دانشمندان از سازمان فضایی آمریکا (The National Aeronautics and Space Administration | NASA) و سازمان ملی اقیانوسی و جوی (National Oceanic and Atmospheric administration | NOAA) اطلاعاتی در مورد چرخه خورشیدی ۲۵ منتشر کردند. دانشمندان فرض کردند، پس از این چرخه، از کمینه فعالیت خورشیدی عبور کرده‌ایم. زمان کمترین فعالیت خورشیدی در ماه دسامبر سال ۲۰۱۹ میلادی بود. فعالیت خورشیدی پس از این تاریخ، به تدریج افزایش یافت. از این‌رو، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که وارد چرخه جدید فعالیت خورشیدی شده‌ایم. بر طبق چرخه خورشیدی ۲۵، زمان بعدی بیشینه فعالیت خورشیدی، ماه جولای سال ۲۰۲۵ میلادی خواهد بود. در این زمان، فعالیت خورشیدی به قله خود می‌رسد. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که فعالیت خورشیدی چیست. فعالیت خورشیدی به تعداد لکه‌های خورشیدی قابل‌مشاهده روی سطح خورشید، بستگی دارد. لکه‌های خورشیدی ناحیه‌های تاریک‌تر و موقتی روی سطح خورشید هستند.

آیا طوفان خورشیدی می‌تواند باعث قطع اینترنت جهانی شود ؟

«بکی چمبرز» (Becky Chambers) در کتاب «To Be Taught, If Fortunate» صحنه‌ای را توصیف می‌کند که در آن طوفان خورشیدی سهمگینی منجر به قطع اینترنت جهانی شده است و گروهی از فضانوردان، تنها و سردرگم در فضا گیر افتاده‌اند و هیچ راهی برای تماس با خانوده‌هایشان ندارند. تصور این صحنه بسیار ترسناک است، اما آیا این اتفاق در واقعیت می‌تواند رخ دهد؟ احتمال رخ دادن آن چه مقدار است؟ بله، ممکن است اتفاق بیفتد، ولی باید طوفان خورشیدی بسیار بزرگ و سهمگین باشد. بر طبق نظریه فیزیک‌دانی به نام «متیو اونز» (Mathew Owens) از دانشگاه «ریدینگ» (Reading University) در انگلستان، احتمال وقوع این اتفاق تقریبا غیرممکن است. اما احتمال قطعی شبکه‌های برق، دور از ذهن نیست. در واقع، این اتفاق در مقیاس کوچک‌تر، سال‌ها قبل رخ داده است.

همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، طوفان خورشیدی هنگامی رخ می‌دهد که خورشید، انفجار بسیار شدیدی از تابش الکترومغناطیسی را رها می‌کند. این اختلال، امواجی از انرژی را به سمت بیرون پرتاب خواهد کرد و بر سیاره‌های دیگر، مانند زمین، در منظومه‌شمسی تاثیر خواهد گذاشت. پس از برهم‌کنش امواج الکترومغناطیسی تابشی با میدان مغناطیسی، اثرات مختلفی مشاهده می‌شوند:

• جریان‌های الکتریکی در لایه بالایی جو زمین، ایجاد می‌شوند و به اطراف حرکت می‌کنند. بنابراین، هوا شروع به گرم شدن می‌کند. طوفان خورشیدی می‌تواند سبب ایجاد شفق‌های قطبی بسیار زیبایی در نواحی قطبی شود. اما جدا از زیبایی منحصربه‌فرد منظره ایجاد شده، سیگنال‌های رادیویی و GPS ممکن است دچار اختلال شوند.
• هنگامی که دمای لایه فوقانی جو بالا می‌رود، همانند گل ختمی باد می‌کند. در نتیجه، نیروی درگ اضافه‌ای به ماهواره‌های قرار گرفته در مدارهای نزدیک به زمین وارد می‌شود.

اثرهای دیگر طوفان خورشیدی، بیشتر زمینی هستند. طوفان خورشیدی در لایه بالایی جو، جریان‌های الکتریکی قوی را ایجاد می‌کند. به دلیل القای الکترومغناطیسی، جریان در لایه بیرونی زمین نیز به وجود می‌آید. این جریان با رساناهای الکتریکی قرار گرفته روی زمین، مانند شبکه‌های توزیع برق، تداخل می‌کنند و منجر به قطعی برق سراسری می‌شوند. مشابه چنین اتفاقی در ۱۳ مارس سال ۱۹۸۹ میلادی معادل 22 اسفند سال ۱۳۶۷ شمسی در استان «کبک» (Quebec) در کانادا رخ داد. بر طبق داده‌های منتشر شده توسط ناسا، قطعی برق در این استان در حدود ۱۲ ساعت به طول انجامید. اخیرا، شراره‌های خورشیدی در حدود ۴۰ ماهواره استارلینک را از کار انداخت. خوشبختانه، از کار افتادن این تعداد ماهواره‌های استارلینک برای ایجاد اختلال در دسترسی به اینترنت جهانی، کافی نیست.

برای آن‌که اینترنت جهانی به طور کامل از دسترس خارج شود، طوفان خورشیدی باید با کابل‌های نوری بسیار بلندِ زیر اقیانوس‌ها که متصل‌کننده قاره‌ها به یکدیگر هستند، تداخل داشته باشد. در مسیر این کابل‌ها، هر ۵۰ تا ۱۴۵ کیلومتر، تکرار‌کننده‌ای برای تقویت سیگنال آن‌ها قرار داده شده است. توجه به این نکته مهم است که خود کابل‌ها به دلیل طوفان خورشیدی آسیب نمی‌بینند، بلکه تکرارکننده‌های قرار گرفته در مسیر، از آسیب‌های احتمالی ناشی از طوفان خورشیدی در امان نیستند. از بین رفتن تنها یک تکرارکننده برای از کار انداختن تمام کابل، کافی است. اگر تعداد زیادی کابل از بین بروند، اتفاق مهمی به نام «آخرالزمان اینترنتی» (Internet apocalypse) ممکن است رخ دهد.

قطع اینترنت جهانی می‌تواند بسیار فاجعه‌آمیز باشد. هر چیزی، از بازار سهام گرفته تا سیستم پزشکی و ارتباط بین افراد، را تحت‌تاثیر قرار خواهد داد. چند راه برای محافظت از اینترنت در برابر طوفان خورشیدی سهمگین بعدی وجود دارند:

• تقویت شبکه‌ها برق، ماهواره‌ها و کابل‌های زیر دریا در برابر جریان عبوری بیش از حد از آن‌ها.
• پیش‌بینی طوفان خورشیدی از قبل.

آیا طوفان خورشیدی بعد منجر به قطع کامل اینترنت جهانی می شود ؟

بر طبق مطالعه انجام شده در سپتامبر سال ۲۰۲۱ میلادی، ارتباط کابل‌های نوری متصل‌کننده کشورهای مختلف به یکدیگر می‌تواند ماه‌ها قطع شود. دلیل این موضوع، همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، به طوفان خورشیدی برمی‌گردد. زمین، همواره در معرض آبشاری از ذرات باردار از سمت خورشید (بار خورشیدی) بوده است. اما میدان مغناطیسی زمین تا حدی از صدمات ناشی از باد خورشیدی جلوگیری می‌کند. در واقع، میدان مغناطیسی زمین، ذرات باردار رسیده را به سمت قطب‌های زمین پرتاب می‌کند و سبب به وجود آمدن شفق‌های قطبی می‌شود.

اما برخی اوقات، شاید قرنی یک‌بار، بار خورشیدی به طوفان خورشیدی تبدیل می‌شود. پژوهش‌های جدید نشان می‌دهند که وزش طوفان خورشیدی سهمگینی در چند سال آینده می‌تواند منجر به اختلالی بسیار بزرگی در زندگی مدرن امروزی شود و پدیده‌ای به نام اینترنت آخرالزمانی رخ دهد. «سانگیثا ابدو جیوثی« (Sangeetha Abdu Jyothi) پروفسور دانشگاه کالیفرنیا، مقاله‌ای را در این مورد در آگوست سال ۲۰۲۱ به چاپ رساند. او در مقاله خود می‌گوید، در پاندمی کرونا دیدیم که جهان هیچ آمادگی منظمی برای مقابله با آن نداشت. شرایط مشابهی نیز برای قطعی اینترنت به صورت جهانی وجود خواهد داشت.

فیلم آموزش فیزیک 2 دانشگاه – جامع و با نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

قسمتی از مشکل آن است که طوفان‌های خورشیدی (پرتاب جرم تاجی) تقریبا نادر هستند. بر طبق محاسبات انجام شده در مقاله جیوثی، احتمال تاثیر مستقیم طوفان خورشیدی شدید بر زمین، بین ۱/۶ درصد تا ۱۲ درصد در هر دهه است. تاکنون تنها دو طوفان خورشیدی با چنین مشخصاتی ثبت شده‌اند:

• اولین طوفان در سال ۱۸۵۹ میلادی ثبت شد. این حادثه که آن را به عنوان «اتفاق کارینگتون» (Carrington Event) می‌شناسند، اختلال ژئومغناطیسی بسیار شدیدی را در سطح زمین ایجاد کرد. به گونه‌ای که خطوط تلگراف آتش گرفتند و شفق‌‌های قطبی که تنها در قطب مشاهده می‌شدند، در نزدیکی استوا، در کلمبیا، دیده شدند.
• دومین طوفان در سال ۱۹۲۱ میلادی به ثبت رسیده است.

در آن‌ سال‌ها، اینترنت به صورت امروزی وجود نداشت. اما امروزه، تقریبا هر آنچه در اطراف خود می‌بینیم، به طور مستقیم یا غیرمستقیم به اینترنت وابسته هستند. مطالعات زیادی در مورد تاثیرات طوفان خورشیدی سهمگین بر اینترنت، وجود ندارند. خبر خوب آن است که اتصالات اینترنتی محلی و منطقه‌ای خیلی در خطر قطع شدن به دلیل طوفان خورشیدی نیستند. زیرا، همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، کابل‌های فیبر نوری تحت‌تاثیر جریان‌های القایی به دلیل طوفان خورشیدی قرار نمی‌گیرند. اما قضیه کابل‌های قرار گرفته زیر دریا به دلیل قرار گرفتن تکرارکننده‌ها در مسیر آن‌ها، فرق دارد. دلیل این موضوع به تاثیر جریان‌های ژئومغناطیسی بر تکرار‌کننده‌ها مربوط می‌شود.

آیا طوفان خورشیدی را می‌ توانیم پیش بینی کنیم ؟

پیش‌بینی طوفان‌های خورشیدی کار بسیار مشکلی است. دلیل این موضوع آن است که طوفان‌های خورشیدی هزاران سال است که ادامه دارند، اما تکنولوژی لازم برای پیش‌بینی آن‌ها تنها چند دهه است که به وجود آمده‌اند. تکنولوژی امروزی می‌تواند طوفان خورشیدی را تنها دو روز قبل از برخورد به زمین، پیش‌بینی کند. این پیش‌بینی با استفاده از فعالیت لکه‌های خورشیدی انجام می‌شود. لکه‌های خورشیدی ناحیه‌های تاریکی با فعالیت پلاسمایی بالا، روی سطح خورشید هستند.

توجه به این نکته مهم است که ردیابی طوفان‌های خورشیدی با طوفان‌های معمولی روی زمین، بسیار متفاوت است. برای ردیابی طوفان خورشیدی به نشا‌نه‌های دیگری، مانند محل قرار گرفتن خورشید در سیکل (چرخه) خورشیدی، توجه می‌کنند. ناسا و سازمان فضایی اروپا به دنبال راه‌هایی برای انجام این پیش‌بینی با استفاده از داده‌های تاریخی و مشاهدات انجام شده هستند. بر طبق داده‌های جمع‌آوری شده توسط NOAA، چرخه خورشید در حدود ۱۱ سال به طول می‌انجامد و در این مدت فعالیت خورشید از بیشترین مقدار به کمترین مقدار می‌رسد. قله بعدی فعالیت خورشیدی در سال ۲۰۲۵ رخ می‌دهد. گرچه، از آنجا که فعالیت‌های خورشید در سال‌های اخیر خیلی شدید نبوده‌اند، پژوهشگران را به این فکر می‌اندازد که شاید خورشید در دوره طولانی با فعالیت کمتر باشد. خورشید از دهه ۹۰ میلادی تا امروز، تقریبا آرام بوده است.

فیلم آموزش فیزیک عمومی 2 – حل مساله

کلیک کنید

چرخه خورشیدی چیست ؟

هنگامی که از زمین به خورشید نگاه می‌کنیم، آن را ستاره‌ای آرام و بدون تغییر تصور می‌کنیم. اما حقیقت، بسیار متفاوت‌تر از تصور ما است. علاوه بر تغییرات ناگهانی روی سطح این ستاره، خورشید معمولا الگوی منظمی از تغییرات را دنبال می‌کند. به این الگو، چرخه لکه خورشیدی گفته می‌شود. زمان هر چرخه در حدود ۱۱ سال طول می‌کشد، اما ثابت نیست و بین ۸ تا ۱۴ سال متغیر است. همچنین، شدت هر چرخه نسبت به چرخه دیگر می‌تواند بسیار متفاوت باشد.

تعداد لکه‌های خورشیدی در هر چرخه نشانه خوبی برای نشان دادن میزان فعالیت خورشیدی هستند. تعداد این لکه‌ها در هر چرخه ابتدا از کم به زیاد و سپس به کم، تغییر می‌کند. هنگامی که تعداد لکه‌های خورشید به نسبت کم باشد، فعالیت خورشیدی، کمینه و هنگامی که تعداد آن‌ها به نسبت زیاد باشد، فعالیت خورشیدی، بیشینه است. محل لکه‌های خورشید در هر چرخه، تغییر می‌کنند. هنگامی که فعالیت خورشیدی بیشینه باشد، این لکه‌های در عرض جغرافیایی میانه قرار دارند و با کم شدن فعالیت خورشیدی، به خط استوای خورشید، نزدیک می‌شوند. گاهی در کمترین فعالیت‌ خورشیدی، هیچ لکه‌ای روی سطح آن مشاهده نمی‌شود. در مقابل، تعداد لکه‌ها با افزایش فعالیت خورشیدی، زیاد می‌شود و در بیشینه فعالیت، تعداد آن‌ها بسیار زیاد خواهد شد.

تعداد لکه‌های خورشید بسیار مهم است، زیرا آن‌ها نشانه‌های شهودی از محل ظهور میدان‌های مغناطیسی قوی از درون خورشید هستند. این میدان‌های مغناطیسی، شراره‌های خورشیدی و پرتاب جرم تاجی را تقویت می‌کنند. این دو پدیده تاثیر زیادی بر زمین و دیگر سیاره‌های منظومه‌شمسی می‌گذارند. افزایش تعداد لکه‌های خورشید سبب افزایش فرکانس و شدت شراره‌های خورشیدی و پرتاب جرم تاجی می‌شود. چرخه ۱۱ ساله خورشید، نشانه چرخه‌ای طولانی‌تر (۲۲ سال) به نام چرخه خورشیدی یا چرخه تگرگی است که بر میدان مغناطیسی خورشید تاثیر می‌گذارد.

قطب‌های خورشید هر ۱۱ سال یک‌بار می‌چرخند و قطب شمال، قطب جنوب و قطب جنوب، قطب شمال می‌شود. بنابراین، هر ۲۲ سال یک‌بار قطب‌های خورشید به مکان اولیه خود در شروع چرخه بازمی‌گردند. تغییر قطب‌های خورشیدی به دلیل حرکت پیچیده میدان مغناطیسیِ درون خورشید است. این میدان، به طور پیوسته، منقبض یا منبسط می‌شود. بنابراین، مواد داخل خورشید به صورت حباب، از مرکز آن بیرون می‌آیند. اما حرکت دقیق این میدان هنوز به طور کامل مشخص نشده است. از آنجا که چرخه لکه خورشیدی، بدون در نظر گرفتن جهت قطب‌های خورشید، الگوی مشابهی را دنبال می‌کند، مدت زمان آن نصف زمان چرخه خورشیدی است.

توجه به این نکته مهم است که دو چرخه با یکدیگر متفاوت هستند. در بیشتر موارد، از چرخه لکه خورشید به عنوان چرخه خورشیدی یاد می‌شود. بنابراین، تفکیک این دو گاهی گمراه‌کننده است. در سال ۲۰۱۰، فعالیت خورشیدی در حال نزدیک شدن به بیشترین مقدار خود بود و سرانجام در سال ۲۰۱۳ به بیشترین مقدار خود رسید. بنابراین، در آن سال شراره‌های خورشیدی و پرتاب جرم تاجی بیشتر از سال‌های قبل، مشاهده شدند. فعالیت خورشید در سال ۲۰۲۰ میلادی به کمترین مقدار خود رسید. بر طبق پژوهش‌های انجام شده در آن سال، شدت فعالیت خورشید در چرخه لکه خورشید بین سال‌های ۲۰۲۰ تا ۲۰۳۰ میلادی، نسبت به چرخه‌های دیگر بسیار کمتر است.