تعتمد صناعة المساحات المزدهرة وجمعية التكنولوجيات بشكل متزايد على شبكات الكهرباء والطيران والاتصالات – كلها عرضة للتهديد نفسه: الطقس الفضائي.
يشمل الطقس الفضاء أي اختلافات في بيئة الفضاء بين الشمس والأرض. يُطلق على نوع واحد شائع من حدث الطقس الفضائي طرد كتلة التاجية بين الكواكب.
هذه القذف هي حزم من الحقول المغناطيسية والجزيئات التي تنشأ من الشمس. يمكنهم السفر بسرعات تصل إلى 1،242 ميلًا في الثانية (2000 كيلومتر في الثانية) وقد تسبب عواصف مغناطيسية جغرافية.
أنها تخلق شاشات شاشات أورورا جميلة – مثل الأضواء الشمالية التي يمكنك رؤيتها أحيانًا في السماء – ولكن يمكنها أيضًا تعطيل عمليات الأقمار الصناعية ، وإغلاق الشبكة الكهربائية وفضح رواد الفضاء على متن مهام الطاقم المستقبلية على القمر والمريخ إلى جرعات الإشعاع المميتة.
أنا خبير في الفيزياء الطليفية وخبير الطقس الفضائي ، ويقود فريقي تطوير كوكبة من القمر الصناعي من الجيل التالي تسمى SWIFT ، والتي تم تصميمها للتنبؤ بأحداث الطقس الفضائية المحتملة مقدمًا. هدفنا هو التنبؤ بالطقس المتطرف في الفضاء بشكل أكثر دقة وأكثر.
مخاطر الطقس الفضائي
تشكل المصالح التجارية الآن جزءًا كبيرًا من استكشاف الفضاء ، مع التركيز على السياحة الفضائية ، وبناء شبكات الأقمار الصناعية ، والعمل على استخراج الموارد من القمر والكويكبات القريبة.
الفضاء هو أيضا مجال حاسم للعمليات العسكرية. توفر الأقمار الصناعية قدرات أساسية للتواصل العسكري والمراقبة والملاحة والذكاء.
نظرًا لأن دول مثل الولايات المتحدة تنمو لتعتمد على البنية التحتية في الفضاء ، فإن أحداث الطقس الشديدة تشكل تهديدًا أكبر. اليوم ، يهدد الطقس الفضائي ما يصل إلى 2.7 تريليون دولار أمريكي في الأصول على مستوى العالم.
في سبتمبر 1859 ، تسبب أقوى حدث الطقس المسجل ، والمعروف باسم حدث كارينجتون ، في حرائق في أمريكا الشمالية وأوروبا عن طريق خطوط التلغراف الفائقة. في أغسطس 1972 ، ضرب حدث آخر يشبه كارينجتون رواد الفضاء يدور حول القمر. يمكن أن تكون جرعة الإشعاع قاتلة. في الآونة الأخيرة ، في فبراير 2022 ، فقدت SpaceX 39 من 49 من سواتل Starlink التي تم إطلاقها حديثًا بسبب حدث الطقس المعتدل.
شاشات الطقس الفضاء اليوم
تعتمد خدمات الطقس الفضائية اعتمادًا كبيرًا على الأقمار الصناعية التي تراقب الرياح الشمسية ، والتي تتكون من خطوط حقل مغناطيسي وجزيئات قادمة من الشمس ، وتوصيل ملاحظاتهم إلى الأرض. يمكن للعلماء بعد ذلك مقارنة تلك الملاحظات مع السجلات التاريخية للتنبؤ بالطقس الفضائي واستكشاف كيفية استجابة الأرض للتغيرات المرصودة في الرياح الشمسية.
يحمي المجال المغناطيسي للأرض بشكل طبيعي الكائنات الحية والأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض من معظم الآثار الضارة لطقس الفضاء. ومع ذلك ، قد تضغط أحداث الطقس في الفضاء الشديدة – أو في بعض الحالات ، تقشر الدرع المغناطيسي للأرض.
تتيح هذه العملية جزيئات الرياح الشمسية الوصول إلى بيئتنا المحمية – الغلاف المغناطيسي – فضح الأقمار الصناعية ورواد الفضاء على متن محطات الفضاء إلى ظروف قاسية.
معظم الأقمار الصناعية التي تراقب باستمرار مدار الطقس المرتبط بالأرض بالقرب من الكوكب. يتم وضع بعض الأقمار الصناعية في مدار منخفض الأرض ، على بعد حوالي 100 ميل (161 كيلومترًا) فوق سطح الأرض ، في حين أن البعض الآخر في مدار جغرافي ، على بعد حوالي 25000 ميل (40،000 كيلومتر).
في هذه المسافات ، تظل الأقمار الصناعية داخل الدرع المغناطيسي الواقي للأرض ويمكن أن تقيس بشكل موثوق استجابة الكوكب لظروف الطقس الفضائية. ومع ذلك ، لدراسة المزيد مباشرة من الرياح الشمسية الواردة ، يستخدم الباحثون أقمار صناعية إضافية تقع في أعلى المنبع – مئات الآلاف من الأميال من الأرض.
تدير كل من الولايات المتحدة والوكالة الفضائية الأوروبية والهند الأقمار الصناعية التي تراقب الطقس الفضائي الموجود حول L1 Lagrange Point – ما يقرب من 900000 ميل (1450،000 كم) من الأرض – حيث توازن الجاذبية في الشمس والموازنة الأرضية. من هذه النقطة ، يمكن أن توفر شاشات الطقس الفضاء ما يصل إلى 40 دقيقة من التحذير المسبق للأحداث الشمسية الواردة.
تحذير مسبق من طقس الفضاء
إن زيادة وقت التحذير إلى ما بعد 40 دقيقة – وقت التحذير الحالي – من شأنه أن يساعد مشغلي الأقمار الصناعية ومخططي الشبكات الكهربائية ومديري الطيران ورواد الفضاء وضباط قوة الفضاء بشكل أفضل لأحداث الطقس في الفضاء الشديد.
على سبيل المثال ، خلال العواصف المغنطيسية الجيومانية ، يرتفع الجو ويتوسع ، مما يزيد من السحب على الأقمار الصناعية في مدار الأرض المنخفض. مع تحذير مسبق كافي ، يمكن للمشغلين تحديث حسابات السحب الخاصة بهم لمنع الأقمار الصناعية من التنازل والحرق خلال هذه الأحداث. من خلال حسابات السحب المحدثة ، يمكن لمشغلي الأقمار الصناعية استخدام أنظمة دفع الأقمار الصناعية للمناورة أعلى في المدار.
يمكن أن تغير شركات الطيران طرقها لتجنب تعريض الركاب والموظفين لجرعات الإشعاع العالية خلال العواصف المغنطيسية الجيولوجية. ويمكن تنبيه رواد الفضاء في المستقبل في الطريق إلى القمر أو العمل على سطح القمر أو المريخ ، والذي يفتقر إلى الحماية من هذه الجسيمات ، مسبقًا للتغطية.
سيقدر عشاق أورورا أيضًا الحصول على مزيد من الوقت للوصول إلى وجهات المشاهدة المفضلة لديهم.
حدود التحقيق في الطقس الفضائي
لقد قمت أنا وفريقي بتطوير كوكبة قمر صناعي جديد للفضاء ، أطلق عليها اسم Frontier. سوف يضع Swift ، لأول مرة ، مراقبة الطقس الفضائية خارج نقطة L1 ، على بعد 1.3 مليون ميل (2.1 مليون كيلومتر) من الأرض. هذه المسافة ستسمح للعلماء بإبلاغ صانعي القرار بأي أحداث الطقس الفضائية المرتبطة بالأرض حتى ما يقرب من 60 دقيقة قبل الوصول.
لا يمكن للأقمار الصناعية ذات أنظمة الدفع الكيميائية والكهربائية التقليدية الحفاظ على مدار في هذا الموقع – أبعد من الأرض فما أقرب إلى الشمس – لفترة طويلة. هذا لأنهم سيحتاجون إلى حرق الوقود بشكل مستمر لمواجهة سحب الجاذبية للشمس.
لمعالجة هذه المشكلة ، قضى فريقنا عقودًا في تصميم وتطوير نظام دفع جديد. تم تصميم حلنا للوصول إلى مسافة أقرب إلى أشعة الشمس من نقطة L1 التقليدية ، والعمل هناك بشكل موثوق لأكثر من عقد من الزمان من خلال تسخير مورد وفيرة وموثوقة – أشعة الشمس.
ستستخدم Swift نظام دفع fuelless يسمى الشراع الشمسي للوصول إلى مداره. الشراع الشمسي هو سطح عاكس الشعر-محاكاة مرآة رقيقة جدًا-يمتد حوالي ثلث ملعب كرة قدم. إنه يوازن بين قوة الجزيئات الخفيفة القادمة من الشمس ، مما يدفعها بعيدًا ، مع جاذبية الشمس التي تجذبها إلى الداخل.
في حين أن المراكب الشراعية تسخر المصعد الناتج عن الرياح التي تتدفق فوق أشرعة منحنية للتحرك عبر الماء ، فإن الشراع الشمسي يستخدم زخم الفوتونات من أشعة الشمس ، ينعكس من شراعه الكبير اللامع ، لدفع المركبة الفضائية عبر الفضاء. يستغل كل من المراكب الشراعية والإبحار الشمسي نقل الطاقة من بيئاتهم لدفع الحركة دون الاعتماد على المدعى عليهم التقليديين.
يمكن أن يمكّن الشراع الشمسي سريعًا من إدخال مدار Sub-L1 غير مستقر دون خطر نفاد الوقود.
أطلقت ناسا بنجاح أول شراع للطاقة الشمسية في عام 2010. هذا العرض التوضيحي في الفضاء ، المسمى Nanosail-D2 ، ظهرت على مسافة 107 قدم مربع (10 م2 ) الإبحار ووضع في مدار منخفض الأرض. في نفس العام ، أطلقت وكالة الفضاء اليابانية مهمة شراعية شمسية أكبر ، Ikaros ، التي نشرت 2110 قدمًا2 (196 م2 ) الإبحار في الريح الشمسية ونجاح فينوس يدور حولها.
تابعت جمعية الكواكب وناسا إطلاق اثنين من الأشرعة في مدار الأرض المنخفض: Lightail ، بمساحة 344 قدمًا2 (32 م2 ) ، ونظام الإبحار الشمسي المركب المتقدم ، بمساحة 860 قدم2 (80 م2 ).
سيتم تجهيز مهمة Swift Team Sail Sail Displation ، Solar Cruiser ، بإبحار أكبر بكثير – سيكون لها مساحة 17793 قدمًا2 (1،653 م2 ) وإطلاقها في وقت مبكر من عام 2029. لقد نجحنا في نشر ربع الإبحار على الأرض في أوائل العام الماضي.
لنقله إلى الفضاء ، سيقوم الفريق بطي بدقة وحزم الإبحار بإحكام داخل علبة صغيرة. سيكون التحدي الأكبر للتغلب عليه هو نشر الإبحار مرة واحدة في الفضاء واستخدامه لتوجيه القمر الصناعي على طول مسارها المداري.
إذا نجحت ، فإن Solar Cruiser سوف يمهد الطريق أمام كوكبة سويفت المكونة من أربعة أقمار صناعية. ستشمل الكوكبة قمرًا صناعيًا واحدًا مزودًا بدفع الشراع ، ويتم وضعه في مدار يتجاوز L1 ، وثلاثة أقمار صناعية أصغر مع دفع كيميائي في المدار في L1 Lagrange Point.
سيتم إيقاف الأقمار الصناعية إلى أجل غير مسمى في L1 وخارجها ، وجمع البيانات في الرياح الشمسية دون انقطاع. يمكن لكل من الأقمار الصناعية الأربعة مراقبة الرياح الشمسية من مواقع مختلفة ، مما يساعد العلماء على التنبؤ بشكل أفضل كيف يمكن أن يتطور قبل الوصول إلى الأرض.
نظرًا لأن الحياة الحديثة تعتمد أكثر على البنية التحتية للفضاء ، فإن الاستمرار في الاستثمار في التنبؤ بالطقس الفضائي يمكن أن يحمي كل من التقنيات القائمة على الفضاء والأرض.
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: Mojtaba Akhavan-Tafti ، جامعة ميشيغان
اقرأ المزيد:
Mojtaba Akhavan-Tafti يتلقى تمويل من ناسا. وهو المحقق الرئيسي لحدود التحقيق في الطقس الفضائي (SWIFT).