کدام طوفان‌های خورشیدی می‌توانند حیات موجودات زمین را دگرگون کنند؟

طوفان‌های خورشیدی در مقیاس بزرگ می‌توانند بر سیستم‌های الکتریکی و ارتباطی تاثیر گذاشته و زندگی مردم را با اختلال‌‌ گسترده‌ای روبرو کنند.

در تاریخ 1 و 2 سپتامبر سال 1859 میلادی، سیستم‌های تلگراف در سراسر جهان به‌طور فاجعه‌آمیزی از کار افتادند. اپراتورهای تلگراف گزارش‌هایی مبنی بر دریافت شوک الکتریکی را منتشر کردند، کاغذ تلگراف آتش گرفت و صرفا توانستند تجهیزات را به‌وسیله باتری‌هایی که قطع شده بود، به کار بی‌اندازند.

در طول غروب، شفق قطبی، که بیشتر به‌عنوان شفق شمالی شناخته می‌شود، تا جنوب کلمبیا قابل رویت است. به‌طور معمول، این نورها فقط در عرض‌های جغرافیایی بالاتر، یعنی در شمال کانادا، اسکاندیناوی و سیبری قابل مشاهده هستند.

آنچه جهان در آن روز که اکنون به‌عنوان واقعه کارینگتون شناخته می‌شود، تجربه کرد؛ یک طوفان خورشیدی عظیم بود. این طوفان‌ها زمانی اتفاق می‌افتند که حباب بزرگی از گاز فوق‌گرم به‌نام پلاسما از سطح خورشید خارج شده و به زمین برخورد می‌کند. این حباب به‌عنوان پرتاب جرم تاجی شناخته می‌شود.

پلاسمای پرتاب جرم تاجی از ابر حاصل از پروتون‌ها و الکترون‌ها تشکیل شده که ذرات باردار الکتریکی هستند. هنگامی‌که این ذرات به زمین می‌رسند، با میدان مغناطیسی که سیاره را احاطه کرده، برهم‌کنش می‌کنند.

این فعل و انفعال باعث انحراف و تضعیف میدان مغناطیسی می‌شود که در نوع خود منجر به رفتار عجیب شفق قطبی و سایر پدیده‌های طبیعی خواهد شد. به‌عنوان یک مهندس برق که در شبکه برق تخصص دارد، اینکه چگونه طوفان‌های مغناطیسی باعث قطع برق و اینترنت می‌شوند و هم‌چنین چگونگی محافظت در برابر تهدیدات ناشی از آن، محل مطالعه و بحث است.

طوفان‌های خورشیدی خطرساز

واقعه Carrington در سال 1859، بزرگ‌ترین گزارش ثبت شده از یک طوفان ژئومغناطیسی است، اما به‌عنوان یک رویداد مجزا تلقی نمی‌شود.

طوفان‌های ژئومغناطیسی از اوایل قرن نوزدهم مورد ثبت قرار گرفته و داده‌های علمی به‌دست آمده از نمونه‌های هسته یخی قطب جنوب، شواهدی از یک طوفان ژئومغناطیسی در ابعادی عظیم‌تر را نشان می‌دهد که در حدود سال 774 پس از میلاد رخ داده که اکنون به‌عنوان واقعه میاکی شناخته می‌شود. این شعله خورشیدی بزرگ‌ترین و سریع‌ترین فرآیند را در افزایش کربن 14 ایجاد کرده که تاکنون ثبت شده است. طوفان‌های ژئومغناطیسی مقادیر بالایی از پرتوهای کیهانی را در اتمسفر بالای زمین ایجاد می‌کنند، در نتیجه تولید کربن 14 اتفاق می‌افتد که یک ایزوتوپ رادیواکتیو کربن محسوب می‌شود.

یک طوفان ژئومغناطیسی دیگر نیز با ابعادی 60 درصد کوچک‌تر از واقعه میاکی در حدود سال 993 پس از میلاد رخ داد. نمونه‌های هسته یخ شواهدی را نشان داده‌اند که ثابت می‌کند طوفان‌های ژئومغناطیسی در مقیاس بزرگ با شدت‌های مشابه رویدادهای میاکی و کارینگتون به‌‌طور متوسط هر 500 سال یک‌بار اتفاق می‌افتند.

امروزه اداره ملی اقیانوسی و جوی از مقیاس طوفان‌های ژئومغناطیسی برای اندازه‌گیری قدرت این فوران‌های خورشیدی استفاده می‌کند. “مقیاس G” دارای رتبه‌ بندی 1 تا 5 بوده که G1 جزئی و G5 شدید به‌حساب می‌آید. بنابراین واقعه کارینگتون در این میان، می‌توانست با توجه به شدت، رتبه G5 را کسب کند.

وقتی اتفاق کارینگتون را با رویداد میاکی مقایسه می‌کنیم، همه‌چیز ترسناک‌تر می‌شوند. دانشمندان توانسته‌اند قدرت طوفان کارینگتون را بر اساس نوسانات میدان مغناطیسی زمین که توسط رصدخانه‌های آن زمان ثبت شده بود، تخمین بزنند. در آن زمان، هیچ راه دقیقی برای اندازه‌گیری نوسانات مغناطیسی طوفان میاکی وجود نداشت. در عوض، دانشمندان میزان افزایش کربن 14 را در حلقه‌های درختان از آن دوره زمانی اندازه‌گیری کردند.

واقعه Miyake باعث افزایش 12 درصدی کربن 14 شد. در مقام مقایسه، واقعه کارینگتون سهمی 1 درصدی در افزایش میزان کربن 14 داشته، بنابراین طوفان میاکی احتمالا سطح G5 را در رویداد کارینگتون کوچک‌تر می‌کند.

قدرت ویران‌گر

امروزه، یک طوفان خورشیدی با همان شدت رویداد کارینگتون، تاثیری بسیار مخرب‌تر از سیم‌های تلگراف را به بار می‌آورد و می‌تواند بسیار فاجعه‌بار باشد. با وابستگی روزافزون به برق و فناوری‌های نوظهور، هرگونه اختلال می‌تواند به تریلیون‌ها دلار ضرر مالی و خطرهای محیطی وابسته به سیستم‌ها منجر شوند. این طوفان بر اکثر سیستم‌های الکتریکی که مردم به‌طور روزمره از آنها استفاده می‌کنند، تاثیر می‌گذارد.

طوفان‌‌های خورشیدی، جریان‌های القایی ایجاد می‌کنند که از طریق شبکه الکتریکی جریان می‌یابند. جریان‌های القای ژئومغناطیسی حاصل از آن، می‌توانند به بیش از 100 آمپر برسند که به اجزای الکتریکی متصل به شبکه مانند ترانسفورماتورها، رله‌ها و سنسورها جریان پیدا می‌کنند.

صد آمپر معادل خدمات برقی است که به بسیاری از خانواده‌ها ارائه می‌شود. جریان‌هایی با این اندازه می‌توانند باعث آسیب داخلی در قطعات شده و منجر به قطع برق در مقیاس گسترده شوند.

یک طوفان خورشیدی سه برابر کوچک‌تر از رویداد کارینگتون در کبک کانادا، در سال 1989 رخ داد. این طوفان باعث فروپاشی شبکه الکتریکی هیدرو-کبک شد.

در طول آن طوفان، جریان‌های القای مغناطیسی بالا به یک ترانسفورماتور در نیوجرسی آسیب رساند و قطع‌کننده‌های مدار شبکه را از کار انداخت. در نتیجه این اتفاق، برق 5 میلیون نفر به مدت 9 ساعت قطع شد.

قطع شدن اتصالات

علاوه بر خرابی‌های الکتریکی، ارتباطات در مقیاس جهانی نیز مختل می‌شوند. سرویس‌های ارائه‌دهنده اینترنت ممکن است از کار بیفتند که در نوع خود توانایی سیستم‌های مختلف برای برقراری ارتباط با یکدیگر را از بین خواهد برد. سیستم‌های ارتباطی با فرکانس بالا مانند رادیو زمین به هوا، موج کوتاه و کشتی به ساحل نیز مختل خواهند شد.

ماهواره‌هایی که در مدار اطراف زمین هستند، احتمالا توسط جریان‌های القایی ناشی از طوفان ژئومغناطیسی، به‌وسیله سوزانده شدن تخته‌های مدار آسیب خواهند دید. این امر منجر به اختلال در تلفن، اینترنت، رادیو و تلویزیون‌‌های مبتنی بر ماهواره می‌شود.

هم‌چنین، با برخورد طوفان‌های ژئومغناطیسی به زمین، افزایش فعالیت خورشیدی باعث انبساط جو به بیرون می‌شود. این انبساط چگالی، جوی را که ماهواره‌ها در آن در حال چرخش هستند را تغییر خواهد داد. اتمسفر با چگالی بالاتر سبب ایجاد کشش در ماهواره‌ها شده که باعث کاهش سرعت آن می‌شود و اگر به مداری بالاتر هدایت نشود، ممکن است دوباره به زمین سقوط کند.

یکی دیگر از حوزه‌های اختلال که به‌طور بالقوه بر زندگی روزمره مردم تاثیر می‌گذارد، سیستم‌های ناوبری است. تقریبا هر نوع حمل‌ونقل، از اتومبیل گرفته تا هواپیما، از GPS برای ناوبری و ردیابی استفاده می‌کند. حتی دستگاه‌های دستی مانند تلفن‌های همراه، ساعت‌های هوشمند و برچسب‌های ردیابی به سیگنال‌های GPS ارسال شده از ماهواره متکی هستند.

از سوی دیگر، سیستم‌های نظامی برای هماهنگی، به شدت به GPS وابسته هستند. سایر سیستم‌های کشف نظامی مانند رادارهای فرا افق و سیستم‌های تشخیص زیردریایی نیز ممکن است با اختلال روبرو شوند که در نتیجه آن، می‌تواند مسئله دفاع ملی را با مشکل مواجه کند.

از جنبه اتصال اینترنت، یک طوفان خورشیدی در مقیاس واقعه کارینگتون، می‌تواند جریان‌هایی ژئومغناطیسی در کابل‌های زیردریایی و زمینی ایجاد کند که ستون فقرات اینترنت و هم‌چنین مراکز داده‌ای را تشکیل می‌دهند و وظیفه ذخیره و پردازش همه چیز از ایمیل و پیام‌های متنی تا مجموعه داده‌های علمی و ابزارهای هوش مصنوعی را برعهده دارد. این اتفاق به‌طور بالقوه می‌تواند کل شبکه را مختل کرده و از اتصال سرورها به یکدیگر جلوگیری می‌کند.

طوفان‌های خورشیدی بزرگ بعدی در راه هستند

وقوع یک طوفان ژئومغناطیسی عظیم دیگر، مسئله‌ای است که دیر یا زود مجددا اتفاق خواهد افتاد و صرفا به زمان بستگی دارد. یک طوفان در ابعاد واقعه کارینگتون می‌تواند به سیستم‌های الکتریکی و ارتباطی در سراسر جهان و قطعی‌هایی که تا هفته‌ها طول می‌کشد، آسیب‌هایی شدید را وارد کند.

اگر ابعاد طوفان به اندازه واقعه میاکی باشد، نتایج برای جهان فاجعه‌بار خواهد بود و قطعی‌های احتمالی تا ماه‌ها به طول می‌انجامد. حتی با وجود هشدارهای هواشناسی فضایی از سوی مرکز پیش‌بینی آب و هوای فضایی NOAA نیز جهان فقط در بازه چند دقیقه تا چند ساعت فرصت واکنش خواهد داشت.

این اعتقاد وجود دارد که ادامه تحقیق در مورد راه‌هایی برای محافظت از سیستم‌های الکتریکی در برابر اثرات طوفان‌های ژئومغناطیسی حیاتی است، برای مثال با نصب دستگاه‌هایی که می‌توانند از تجهیزات آسیب‌پذیر مانند ترانسفورماتورها محافظت کنند و با توسعه استراتژی‌هایی برای تنظیم بارهای شبکه، زمانی که طوفان های خورشیدی در شرف وقوع هستند، می‌توان تا حدی از خسارات و تهدیدات ناشی از این طوفان‌ها جلوگیری کرد. به‌طور خلاصه، آمادگی و گفتگوهای پیشگیرانه برای به‌حداقل رساندن اختلالات ناشی از واقعه بزرگ بعدی، حائز اهمیت است.