بالفعل في ختام برنامج أبولو ، قررت ناسا إطلاق أول محطة مدارية (للولايات المتحدة الأمريكية) في الفضاء. كان كل شيء يسير على ما يرام ، والمهمة الثالثة (
Skylab-4 ) ، التي انتهت في فبراير 1974 ، أعدت المحطة للحفظ عن طريق رفع مدارها بمقدار 11 كم (حتى 433x455 كم). وفقًا لتوقعات النشاط الشمسي لوكالة ناسا ، كان من المفترض أن تظل المحطة في مدارها حتى عام 1983 ، عندما كانت رحلة
المكوك الثالثة ترفع مدارها مرة أخرى. ولكن سرعان ما أصبح واضحًا أن الدورة الشمسية الحالية ستكون أقوى مما كان متوقعًا. في سبتمبر 1977 ،
تقرر إرسال مهمة بدون طيار إلى المحطة لرفع المدار ، وفي أكتوبر 1979 كان من المفترض أن تطير ، ولكن للأسف: غادرت المحطة مدارها بالفعل في 11 يوليو من هذا العام.
كان هذا أكبر نتيجة لتأثير الطقس الفضائي على الأنشطة البشرية (وربما أكبر خطأ في تقدير وكالة ناسا في التوقعات لتاريخها بالكامل) ، مما أدى إلى خسارة المحطة بقيمة 2.5 مليار دولار. الحدث الثاني ، في شدة ، تحول إلى انقطاع التيار الكهربائي لمدة 9 ساعات في مقاطعة كيبيك (كندا) في عام 1989 ، مما أثر على 6 ملايين شخص (يقدر الضرر بنحو
30 مليون دولار ). في استمرار المقال حول
النشاط الشمسي ، سأتحدث عن كيفية تأثير طقس الفضاء (وهو مظهره) على النشاط البشري.
بطريقة أو بأخرى ، ترتبط معظم مظاهر طقس الفضاء بالمجال المغناطيسي للأرض ، لذلك أقترح البدء بفحص هيكلها:
الغلاف المغناطيسي للأرض
يبدأ تفاعل الرياح الشمسية (والانبعاثات الإكليلية) مع المجال المغناطيسي للأرض على مسافة حوالي 10 أقطار نصف قطر ، وهي تشكل موجة صدمة رأسية. عند هذه النقطة ، يتم منع تدفق الجسيمات المتأينة بسرعة تفوق سرعة الصوت إلى حد كبير إلى سرعة الصوت دون الصوتي ، ويتكثف. خلال الحد الأدنى من دورة 11 عامًا ، تتحرك موجة الصدمة بعيدًا عن الأرض (بسبب ضعف تدفق الرياح الشمسية) ، خلال الحد الأقصى الذي تقترب فيه من الأرض.
في منطقة ماغنوبوز ، يكون المجال المغناطيسي للأرض متفوقًا أخيرًا في قوة المجال الشمسي ، وتبدأ الجسيمات المشحونة في التحرك على طول خطوط الحث (يوجد مغناطيسي بين هذه المناطق). على الجانب الآخر من الشمس يوجد ذيل مغناطيسي يمكن تتبعه إلى ألف نصف قطر أرضي.
يؤدي ميل محور الأرض (23 درجة) ، وانحراف القطبين المغنطيسيين الأرضيين عن هذا الخط (11 درجة أخرى) إلى حقيقة أن
ثنائي القطب المغناطيسي للأرض يميل نسبة إلى مستوى مسير الشمس بحوالي ± 35 درجة في الدورة (لا يظهر هذا في الرسم التخطيطي).
معظم الجسيمات المشحونة تغلف المجال المغناطيسي بحرية ، ولكن في الأوقات التي تؤدي فيها الاضطرابات الخارجية للمجال إلى
إعادة توصيل المجال المغناطيسي ، يتم التخلص من الجسيمات المشحونة إلى الحدبات القطبية ، وفي نفس الوقت تشكيل
الشفق ). المادة التي تم التقاطها بهذه الطريقة هي المصدر الرئيسي للجسيمات المشحونة في الغلاف البلازمي للأرض (المناطق التي تحتوي على البلازما الباردة).
إن أهمية المجال المغناطيسي من حيث حماية الكوكب ورواد الفضاء من الآثار الضارة للشمس مبالغ فيها إلى حد كبير. لذا فإن المريخ (الذي ليس لديه مجال مغناطيسي كامل) ، أثناء عملية
التبديد يفقد
حوالي 8.5 طن من غلافه الجوي يوميًا ، بينما تخسر الأرض
حوالي 90 طنًا . إن حماية رواد الفضاء من الأشعة الكونية الشمسية هي 200 - 10000 مرة ، لكن الحماية ضد الانبعاثات الإكليلية هي فقط 10-20 مرة (مع حماية أقل ، تتوافق الأحداث ذات الشدة الأكبر). هذا لا يمكن مقارنته بحماية الغلاف الجوي ، وهو أمر ضخم من حيث الحجم.
أحزمة إشعاع الأرض
يتكون حزام الإشعاع الخارجي بشكل رئيسي من الإلكترونات ، مع طاقات عدة عشرات من
keV ، ويمتد على مسافة 13-60 ألف كم من الأرض. يتكون الحزام الداخلي بشكل رئيسي من بروتونات ذات طاقات لعشرات من مركبات MeV ، ويمتد على مسافة 1-6 ألف كيلومتر ، ولكن في مناطق الشذوذ المغناطيسي يمكن لهذا الحزام أن "يتدلى" بشكل ملحوظ:
وأهم هذه الحالات الشاذة هو شذوذ جنوب الأطلسي (
SAA ) ، حيث ينخفض حزام الإشعاع الداخلي إلى ارتفاع 200 كيلومتر. وهو المصدر الرئيسي للفشل في السواتل ذات المدار المنخفض ، ويسهم بنسبة كبيرة في تشعيع رواد الفضاء (حوالي 15-20٪).
المصدر الرئيسي للجزيئات في أحزمة إشعاع الأرض هو جسيمات الرياح الكونية التي تخترق هناك من خلال الحدبات القطبية. ومع ذلك ، هناك عدد من المصادر الأخرى: تفاعل
الأشعة الكونية المجرية مع جسيمات الغلاف الجوي يشكل تدفقات الجسيمات الثانوية (مما يجعل المساهمة الرئيسية للبروتونات بطاقة 20-30 MeV ، والإلكترونات بطاقة 0.1-1 GeV) ؛ الأشعة الكونية غير الطبيعية (والتي تكون ذرات مفردة أو مضاعفة الشحنة بطاقة تتراوح من 10-20 MeV) ؛ التوهجات الشمسية (المساهمة في البروتونات ذات الطاقات فوق 1 MeV) ؛ الأيونوسفير (جسيمات ذات طاقات تصل إلى عدة مئات من keV).
التوهجات الشمسية والكتل الإكليلية
تنتشر التوهجات الشمسية بسرعة الضوء وتصل إلى الأرض في 8.5 دقيقة. تصل الأشعة الكونية الشمسية إلى الأرض في غضون ساعات قليلة. ومع ذلك ، فإن المصدر الرئيسي للعواصف المغناطيسية (الانبعاثات الإكليلية) ينتشر في المتوسط بسرعة 470 كم / ثانية ، مع سرعة قصوى تزيد قليلاً عن 3000 كم / ثانية ، مما يعطي وقت وصول العاصفة الرئيسية إلى الأرض في نطاق 0.5-5 أيام.
يعتمد التطور الإضافي للأحداث بقوة على اتجاه المجال المغناطيسي للقذف الإكليلي: إذا كان محاذاة مع المجال المغناطيسي للأرض ، فإن تدفق الجسيمات المشحونة في معظمها يلفها ببساطة ؛ إذا تم توجيهها في اتجاهين متعاكسين ، يبدأ تدفق الجسيمات في التباطؤ بشكل مكثف ، بينما يضغط في نفس الوقت على موجة صدمة الرأس أقرب إلى الأرض (يصل إلى نصف قطر الأرض 6-8 في المتوسط). في حالات
أقوى العواصف المغنطيسية الأرضية ، يمكن الضغط على موجة الصدمة تقريبًا إلى الغلاف الجوي نفسه:
العواصف المغنطيسية
يمكن أن تحدث من 0 إلى 8 عواصف مغنطيسية جغرافية في الشهر (اعتمادًا على فترة دورة 11 عامًا). إن اضطرابات المجال المغناطيسي التي تم إنشاؤها أثناء العاصفة غير متساوية ، وتنمو من الحد الأدنى عند خط الاستواء إلى الحد الأقصى عند خطوط العرض 62-67 درجة. يبلغ متوسط قوة مدخلات الطاقة في الغلاف المغناطيسي (من خلال الرياح الشمسية) 3 * 10
11 واط (وهذا ترتيب أقل من إنتاج
الكهرباء الحالي في العالم). في هذه الحالة ، يمكن أن تصل الطاقة الإجمالية
لعاصفة مغناطيسية جغرافية واحدة إلى 2 * 10
21 J ، ولكن إطلاقها يستمر لعدة أيام ، لذا فإن الاضطرابات المغناطيسية أثناء العواصف ضعيفة إلى حد ما. لكن التيارات المستحثة جغرافيًا (
GIT ) الناتجة عنها في خطوط توصيل طويلة يمكن أن تصل إلى عشرات ومئات الأمبيرات ، مما يؤدي إلى عدد من التأثيرات غير المرغوب فيها:
في خطوط الكهرباء ، يمكن لهذه التيارات الضالة أن تؤدي إلى زيادة تسخين المحولات ، وتقليل كفاءتها ، وحتى الفشل (كانت الحالة الأكثر أهمية هي كيبيك ،
13 مارس 1989 ). في حالة خطوط الاتصال - يمكن أن يتسبب ذلك في حدوث تشويش ، حتى فقد الاتصال بالكامل لعدة ساعات / أيام (حدثت الحالة الأكثر أهمية في
1-2 سبتمبر ، 1859 ، قبل 23 عامًا من ظهور
أول محطة كهرباء في العالم ، لذلك لم يكن الضرر كبيرًا جدًا) . في حالة خطوط الأنابيب ، يمكن أن يسبب هذا انخفاضًا في فعالية
الحماية الكاثودية المصممة لمكافحة التآكل (هذا التأثير تراكمي في الطبيعة ، ولا يظهر على الفور). في حالة السكك الحديدية ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تعطيل مختلف الأتمتة المتصلة بمسار السكك الحديدية.
ومع ذلك ، فإن هذه التيارات ليست متسامحة ، وأخذها في الاعتبار أثناء تصميم الخطوط الموصلة ، إلى جانب الأساليب الفنية المختلفة - تسمح لك بتجنب تعطل المعدات حتى في حالة العواصف المغنطيسية الأرضية الأكثر شدة. تؤدي العواصف أيضًا إلى ظاهرة أخرى مثيرة للاهتمام:
الشفق
يؤدي الإفراط في ملء "المصيدة المغناطيسية" للأرض أثناء القذف الإكليلي إلى ترسيب الجسيمات المشحونة في الغلاف الجوي ، في مناطق أقطاب الأرض. في مواجهة ذرات الغلاف الجوي ، تتسبب في
تأينها ، وهذه الذرات تنبعث منها الضوء بالفعل. في الغلاف الجوي للأرض ، تكون ذرات النيتروجين والأكسجين مسؤولة بشكل أساسي عن هذه العملية ، التي تحدد اللون الأخضر للشفق ، على
الكواكب الأخرى ، يمكن أن يكون لون الشفق مختلفًا تمامًا (بسبب التكوين المختلف للغلاف الجوي).
الصورة مأخوذة بواسطة
جاك فيشر من
وحدة كوبول في محطة الفضاء الدولية
لا يؤدي تأثير الجسيمات المشحونة إلى توهج جميل فحسب ، بل يؤدي أيضًا إلى حجب شبه كامل
لاتصالات الموجات القصيرة في المناطق القطبية لمدة تصل إلى عدة أيام (بسبب انقطاع في عملية انعكاس الإشارة من الأيونوسفير). تؤثر هذه التأثيرات أيضًا على إشعاع طول الموجة الأقصر: وبالتالي ، فإن إبطاء عملية
انتشار الموجات العشرية عبر الأيونوسفير يؤدي إلى حقيقة أن دقة
أنظمة الملاحة الساتلية يمكن أن تنخفض بترتيب من الحجم (حتى 50 م) في هذه المناطق.
الصناعة الثانية ، من حيث تعرض موظفيها للإشعاع ، ليست نووية (كما قد يعتقد الكثير) ، ولكن
الطيران : على ارتفاعات
الطيران المدني (حوالي 10 كيلومترات) ، فإن معظم الغلاف الجوي ، الذي يحمي جميع أنواع
الأشعة الكونية جيدًا ، يقع تحت تصرفك. ولكن على الرغم من ذلك ، فإن متوسط الجرعة لموظفي الطيران في الولايات المتحدة هو فقط
3.01 ملي سيفرت في السنة (والتي لا تزال أقل 6.5 مرات من معاييرنا ، وأقل مرتين من معايير الاتحاد الأوروبي). بالنسبة للركاب العاديين ، الذين لا يقضون جزءًا كبيرًا من حياتهم في السماء ، في معظم الحالات ليس هناك ما يدعو للخوف.
ومع ذلك ، خلال العاصفة المغنطيسية الأرضية ، يمكن أن يتغير الوضع بشكل كبير: الجسيمات المشحونة التي تخترق الغلاف الجوي تولد
bremsstrahlung ، والتي لا تزال آمنة على سطح الأرض ، ولكن على ارتفاعات الرحلة ، يزداد إشعاع الخلفية بشكل كبير ، ويجب على المرء أن يحسبها. هذا يؤدي إلى حقيقة أن مسارات الطيران ، التي تمر بالقرب من قطبي الأرض ، خلال هذه الفترات الزمنية يمكن أن تتحول بشكل كبير نحو خط الاستواء (وهذا يرجع أيضًا إلى الرغبة في تجنب تلك المناطق التي قد يتعطل فيها الاتصال بالطائرات). لحسن الحظ ، هذا النوع من الرحلات هو بالفعل قليل جدًا (بيانات عام 2009):
لغرض حساب الجرعة التي يمكنك تلقيها أثناء الرحلة ، أصدرت
إدارة الطيران الفيدرالية الأمريكية طلبًا خاصًا.
التأثير على الأرض
يتغير إجمالي لمعان الشمس خلال دورة 11 عامًا بنسبة 0.1٪ فقط ، ومع ذلك ، في مناطق محددة ، يمكن أن تكون التغييرات أعلى بكثير: على سبيل المثال ، يمكن أن تكون التغييرات في النطاق فوق البنفسجي للطيف 6-8٪ ، وتؤدي إلى زيادة في إنتاج الأوزون في الغلاف الجوي للأرض (كونها غازات دفيئة) خلال الارتفاعات الشمسية. من ناحية أخرى ، ترافق هذه الفترة الزمنية زيادة في الشفق حيث يمكن للجسيمات المشحونة أن تخترق ارتفاعات تصل إلى 25-30 كم وتتسبب في تدمير الأوزون في المناطق القطبية (حتى 20 ٪ من إجمالي التركيز في حدث واحد).
طريقة أخرى مثبتة للتأثير على الغلاف الجوي هي الغيوم (وإن لم يكن تأثيرًا مباشرًا ، ولكن غير مباشر). يبدو مثل هذا: تيار من الأشعة الكونية المجرة ، يتصادم مع جزيئات الغلاف الجوي ، يشكل أمطارًا من الجسيمات الثانوية ، يتم ملاحظة الحد الأقصى منها في منطقة الحد العلوي من
التروبوسفير . تصبح هذه الجسيمات الثانوية نقاط تكثيف لبخار الماء في الغلاف الجوي ، مما يؤدي إلى تكوين
الغيوم . الغيوم - تقلل من متوسط شفافية جونا. ونتيجة لذلك ، خلال الحد الأقصى للطاقة الشمسية ، تزداد شفافية الغلاف الجوي ، وخلال الحد الأدنى تنخفض.
خلال تجربة 10 سنوات
"CLOUD" (التي أجريت في
CERN ) ، وجد أنه على الرغم من أن الأشعة الكونية تساهم بشكل كبير في تكوين الغيوم ، فإن تأثيرها بعيد عن التأثير الوحيد: يمكن إنشاء مصادر النوى للتكثيف أثناء التفاعلات الكيميائية المختلفة لحمض الكبريتيك ، الأمونيا والمركبات العضوية التي تطلقها الكائنات الحية في الهواء وفي عملية النشاط البشري.
التأثير على رواد الفضاء
بالنسبة للمركبات ذات المدار المنخفض ، تشكل الاختلافات في كثافة الغلاف الجوي العلوي خلال دورة 11 عامًا أكبر تهديد: لارتفاع حوالي 150 كم ، يكون تأثير الشمس على كثافة الغلاف الجوي ضئيلًا ، ولكن من هذا الارتفاع يبدأ في النمو ، ويصل إلى اختلاف في ترتيب الحجم بين الطاقة الشمسية الحد الأدنى والأقصى (في الحد الأقصى اتضح أنه أكثر كثافة بسبب زيادة كثافة الرياح الشمسية ، والأشعة فوق البنفسجية). قد يتسبب هذا في
زيادة الأجهزة للمناورات المدارية للحفاظ على مدارها من 4 مرات في السنة (خلال الحد الأدنى للطاقة الشمسية) ، إلى مرة واحدة في 2-3 أسابيع (خلال الحد الأقصى).
مقارنة بين عمر KORONAS-I (أعلاه) و KORONAS-F (أدناه) ، الذي تم
إطلاقه في مدار قطبي بارتفاع حوالي 500 كم ، بالقرب من الحد الأدنى والحد الأقصى
للدورة الشمسية 23
، على التوالي.
تهديد آخر هو الشعلات والقذف الإكليلي ، مما يخلق عبء إشعاعي على رواد الفضاء والأجهزة الآلية. تحدث غالبًا أثناء الدورة الشمسية القصوى. ومع ذلك ، إلى جانب ذلك ، يزداد تدفق الرياح الشمسية ، مما يجعل
الغلاف الشمسي أكثر كثافة ، ويزيد حجمه قليلاً (التي تم تسجيل
نبضاتها من قبل
فوييجرز ). هذا ، بدوره ، يزيد من فحص تدفق الأشعة الكونية المجرية (التي تأتي إلى النظام الشمسي من الخارج) ، ويقلل من تدفقها. لذا فإن الجرعة الإجمالية للإشعاع التي يتلقاها رواد الفضاء في مدار الأرض المنخفض تنخفض حتى خلال الحد الأقصى للطاقة الشمسية:
تشكل الكهرباء الساكنة تهديدًا منفصلاً للجهاز ، والذي يحدث عندما يتم قصفها بواسطة الإلكترونات التي تصل إلينا بالرياح الشمسية ، والانبعاثات الإكليلية ، أو تصب من حزام الإشعاع الخارجي أثناء اضطرابات المجال المغناطيسي للأرض.
الأخطر هي السواتل
المستقرة بالنسبة إلى
الأرض ، التي يمتد مدارها (الذي يبلغ قطره 6.6 الأرض) خلال العواصف المغنطيسية الأرضية الكبيرة إلى ما وراء رأس موجة الصدمة (أمامها). وبالتالي ، يضطرون إلى المرور بشكل دوري عبر أكثر المناطق اضطرابًا في الغلاف المغناطيسي للأرض ، ويظهرون تدفقًا مباشرًا للانبعاثات الكتلية التاجية. هذا يفرض قيودًا صارمة على مقاومة الإشعاع
لقاعدة البيانات الأولية للأجهزة ، والحاجة إلى النظر بعناية خاصة في الحماية ضد الكهرباء الساكنة ، حيث يجب أن توجد الأجهزة في هذا المدار لعقود.
توقعات الطقس الفضائية
أكثر التنبؤات البعيدة المستخدمة في الممارسة هي 45 و 27 يومًا. على الرغم من دقتها المنخفضة ، إلا أنها تستخدم بالفعل في التخطيط لأنشطة رواد الفضاء: فهي تعتمد على توزيع عملهم بحيث يخرج رواد الفضاء إلى الفضاء الخارجي في الوقت الذي تتجه فيه الشمس إلينا في المنطقة الأقل نشاطًا (مع أقل عدد من البقع).
تصل دقة التنبؤ لمدة 3 أيام بالفعل إلى 30-50 ٪ ، ولكن لا يمكن الحصول على الدقة القصوى (حوالي 95 ٪ وأعلى) إلا من خلال توقعات الساعة التي يتم الحصول عليها من الأقمار الصناعية عند نقطة لاغرانج L
1 (1.5 مليون كيلومتر من الأرض نحو الشمس). الآن هناك اثنان من هذه الأقمار الصناعية: أطلقت
ACE في 25 أغسطس 1997 ، وجهاز
DSCOVR ، الذي تم إطلاقه مؤخرًا في المدار (9 فبراير 2015). تنتج مؤشرات الدقة المنخفضة هذه عن حقيقة أن المجال المغناطيسي بين الكواكب الذي أنشأته الشمس الدورية هو في طبيعة الهيكل الحلزوني:
ويمكن للكتل الإكليلية (التي ينحرف عنها هذا المجال المغناطيسي) ، في اللحظة الأخيرة ، أن "تبحر" حول الأرض ، أثناء التقاطها على هذا الجهاز. مشكلة الحصول على توقعات دقيقة لمدة 3 أيام هي عدم تجانس هذا المجال المغناطيسي ، مما يعقد مهمة التنبؤ بانتشار القذف التاجي.
قصة دينيس روجوف ، موظف بمعهد أبحاث القطب الشمالي وأنتاركتيكا ، عن طقس الفضاء.خدمات تعقب الشمس ، بلدان مختلفة:
مركز NOAA للتنبؤ بالطقس الفضائي (الولايات المتحدة الأمريكية):
http://www.swpc.noaa.gov/برنامج التوعية الفضائية التابع لوكالة الفضاء الأوروبية (الاتحاد الأوروبي):
http://swe.ssa.esa.int/مشروع مشترك بين
Roscosmos و
LPI (روسيا):
www.tesis.lebedev.ruمشروع قسم فيزياء البلازما الفضائية ،
IKI RAS (روسيا):
www.spaceweather.ruمركز تحليل تأثير الشمس (بلجيكا):
sidc.oma.beالمكتب الأسترالي
للقياس :
www.sws.bom.gov.auخدمة طقس الفضاء الدولية (ISES):
www.spaceweather.orgوزارة الموارد الطبيعية الكندية:
www.spaceweather.gc.caمنظمة تجارية منفصلة
www.spaceweather.com