طوفان خورشیدی چیست؟

طوفان خورشیدی پدیده‌ای است که درنتیجه فعالیت‌های شدید خورشیدی، به‌ویژه خروج تاج خورشیدی رخ می‌دهد. این پدیده مقادیر زیادی از ذرات باردار پرانرژی و تشعشعات را منتشر می‌کند. طوفان خورشیدی تاثیراتی بر زمین و ساکنان آن دارد که در ادامه ی پست به آن را میپردازیم

طوفان خورشیدی چیست؟ طی فعالیت‌های مغناطیسی شدید خورشید، جریانی از ذرات باردار پرانرژی و تشعشعات وارد فضا می‌شود. بخشی از این جریان که به زمین می‌رسد، سبب ایجاد طوفان خورشیدی می‌شود. این پدیده اغلب پس از فوران‌های خورشیدی مانند گسیل شراره‌های خورشیدی یا خروج جرم از تاج خورشیدی (CME) رخ می‌دهد. وقتی زمین در مسیر انتشار این فوران‌ها قرار می‌گیرد، اصطلاحاً با طوفان ژئومغناطیسی روبه‌رو می‌شود. در پی این طوفان، اتمسفر زمین با ذرات باردار پرانرژی و تشعشعات بمباران می‌شود که اثرات نامطلوبی بر تجهیزات فضایی مثل ماهواره‌ها دارد.

طوفان خورشیدی چگونه رخ می دهد؟ برای پاسخ به این سؤال ابتدا باید نگاهی بیندازیم بر فعالیت مغناطیسی خورشید. طبق مطالعات دانشمندان، قطبش میدان مغناطیسی خورشید هر ۱۱ سال یک بار تغییر می‌کند؛ به‌عبارت ساده‌تر، قطب شمال مغناطیسی خورشید هر ۱۱ سال یک بار قطب جنوب مغناطیسی می‌شود و بالعکس. به این دوره فعالیت مغناطیسی خورشید «چرخه خورشیدی» می‌گویند و ۲۲ سال طول می‌کشد تا یک چرخه کامل شود. تغییر میدان مغناطیسی می‌تواند طی هر چرخه باعث ایجاد فعالیت‌های مغناطیسی خورشیدی، مثل لکه‌های خورشیدی، باد خورشیدی، شراره‌های خورشیدی و فوران‌ها شود.

لکه‌های خورشیدی لکه‌های خورشیدی در واقع نقاط سرد و تاریک روی سطح خورشیدند که به‌دلیل اختلال در میدان مغناطیسی این ستاره ایجاد می‌شوند. دمای سطحی خورشید در محل لکه‌ها کمتر از سایر نواحی است؛ به همین دلیل لکه‌ها تیره به نظر می‌رسند. این لکه‌ها قطر‌های متفاوتی (از ۳۰۰۰ کیلومتر تا ۱۰ برابر این رقم) دارند. بیش از ۵۰ درصد این لکه‌ها کمتر از ۴ روز عمر می‌کنند، اما گاهی لکه‌هایی مشاهده می‌شوند که بیش از ۱۰۰ روز دوام می‌آورند. هر لکه مرکز میدانی مغناطیسی است و شدت این میدان با اندازه لکه تغییر می‌کند.

باد خورشیدی باد خورشیدی جریانی پیوسته از ذرات باردار پرانرژی، یون‌های سنگین و تشعشعات (گاما، ایکس، فرابنفش و...) است که پیوسته و در تمام جهات به فضا ساطع می‌شود. باد خورشیدی با سرعت متوسط ۴۰۰ کیلومتر بر ثانیه منتشر می‌شود. برهم‌کنش این پلاسما با اتمسفر زمین سبب ایجاد پدیده معروف شفق‌های قطبی می‌شود.

خروج جرم از تاج خورشیدی یک فوران پُرجرم از باد خورشیدی که معمولاً در دوره فعال چرخه مغناطیسی خورشید اتفاق می‌افتد، «CME» یا «خروج جرم از تاج خورشیدی» نام دارد که طی آن، بخشی از پلاسمای تاج خورشید به بیرون پرتاب می‌شود. این پدیده در ناحیه لکه‌ها رخ می‌دهد. همان‌طور که گفته شد، CME همراه ایجاد طوفان‌های مغناطیسی است.

شراره‌های خورشیدی این پدیده در واقع انتشار نسبتاً شدید و موضعی تابش الکترومغناطیسی در جو خورشید است که منجر به نوعی انفجار انرژی می‌شود. شراره‌ها در اثر درهم‌تنیدگی میدان‌های مغناطیسی خورشید در نزدیکی لکه‌ها ایجاد می‌شوند. در نتیجه این پدیده تشعشعات الکترومغناطیسی در سراسر طیف الکترومغناطیسی –از امواج رادیویی تا گاما– ساطع می‌شود. شراره‌ها اغلب با CME و سایر پدیده‌های فوران خورشیدی همراه هستند

جریان باد خورشیدی با سرعت بالا جریان باد خورشیدی با سرعت بالا یا HSS نیز یکی از پدیده‌هایی است که شرایط را برای وقوع طوفان‌های ژئومغناطیسی ایجاد می‌کند. HSS‌ها با سرعت بالاتر از سرعت باد خورشیدی (حدود ۵۰ تا ۸۰۰ کیلومتر بر ثانیه) منتشر می‌شوند و چگالی کمتری نسبت به باد خورشیدی دارند. پس به‌طور خلاصه، می‌توان گفت طوفان‌های خورشیدی معمولاً در نتیجه باد‌های خورشیدی شدید، انفجار‌ها و فوران‌های خورشیدی رخ می‌دهند. هنگامی که ذرات باردار طوفان‌ها به اتمسفر زمین می‌رسند، جریان‌های الکتریکی را پدید می‌آورند. این جریان الکتریکی و نیز میدان‌های مغناطیسی حاصل از آن‌ها، به بسیاری از تجهیزات الکترونی و تجهیزاتی که سنجش صحیح آن‌ها به میدان‌های مغناطیسی بستگی دارد، آسیب می‌رساند. این اختلال در اتمسفر زمین را «طوفان خورشیدی» یا «طوفان ژئومغناطیسی» می‌شناسیم.

طوفان‌های خورشیدی چه ویژگی‌هایی دارند؟ معمولاً سرعت متوسط طوفان‌های خورشیدی ۳۰۰ تا ۳۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه و چگالی ذرات باردار آن ۱ تا ۱۰۰۰ ذره در هر سانتی‌متر مکعب متغیر است. در زمان اوج فعالیت، این چگالی می‌تواند به مقادیر بالاتری نیز برسد. این ذرات باردار شامل پروتون‌ها (هسته‌های هیدروژن)، الکترون‌ها، ذرات آلفا (هسته هلیوم) و یون‌های سنگین از عناصری مانند کربن، نیتروژن، اکسیژن، آهن و... هستند. علاوه‌بر ذرات، همراه هر طوفان خورشیدی مقدار زیادی تشعشع (گاما، ایکس، فرابنفش) نیز ساطع می‌شود.

خطرات طوفان خورشیدی طوفان‌ها با افزایش تابش‌های یونیزه‌کننده در فضای نزدیک به زمین می‌­توانند باعث بروز آشفتگی‌های الکتریکی و محاسباتی، ناهنجاری­‌های سخت­‌افزاری و تخریب سلول­‌های خورشیدی شوند. هنگامی که ذرات پرانرژی با ماهواره‌ها یا انسان‌ها در فضا برخورد می‌کنند، می‌توانند با نفوذ به جسمی که با آن برخورد می‌کنند، سبب آسیب به قطعات دی­‌الکتریک، نیمه­‌رسانا‌ها و مدار‌های الکترونی، حتی آسیب به DNA انسان شوند. تخریب ساختار قطعات، شکست­‌های ناگهانی، دشارژ‌های الکترواستاتیکی، افزایش دمای تجهیزات، کاهش عمر مفید تجهیزات و ایجاد ناهنجاری در عملکرد آن‌ها و ایجاد انواع نویز ازجمله این آسیب‌ها هستند؛ به همین دلیل تجهیزات فضایی و لباس فضانوردان باید نسبت به تشعشعات و ذرات باردار مقاوم‌سازی شوند. شبکه‌های برق نیز به‌شدت تحت‌تأثیر طوفان‌های خورشیدی قرار دارند؛ طوفان‌ها می‌توانند باعث ایجاد جریان‌های القایی ژئومغناطیسی در شبکه‌های برق شوند. این جریان‌ها می‌توانند به ترانسفورماتور‌ها و سایر تجهیزات الکتریکی آسیب برسانند و اختلالات و خاموشی‌های گسترده ایجاد کنند.

خطرات طوفان خورشیدی طوفان‌های خورشیدی همچنین می‌توانند در سیستم‌های ارتباطی هوایی و ناوبری ماهواره‌ای مانند GPS اختلال ایجاد کنند. با هر طوفان خورشیدی، تشعشعات و ذرات پرانرژی در برخورد با جو زمین، اتم‌ها و مولکول‌ها را یونیزه کرده و الکترون‌های آزاد به وجود می‌آورند. این الکترون‌ها لایه‌ای زیر یونوسفر می‌سازند که می‌تواند امواج رادیویی با فرکانس بالا را جذب و ارتباط رادیویی را دشوار یا غیرممکن کنند.