طوفان های مغناطیسی، تهدیدی برای سیاره زمین

خورشید عاملی است که زمین را تبدیل به یک سیاره قابل سکونت کرده است. نور، عنصر مهمی است که گرما و انرژی را برای انسان‌ها در طول سال‌ها تامین کرده است. با این حال برخی از اشعه‌های خورشید اگر کنترل نشوند می‌توانند اثرات جبران ناپذیری را بر روی زمین و ساکنان آن داشته باشند. درست است که مقادیر معمولی ذرات خورشیدی که به مگنتوسفر (مغناطیس سپهر) زمین برخورد می کنند می تواند زیبا باشد، اما مقدار بیش از حد آن که طوفان های مغناطیسی است می تواند فاجعه بار باشد.

دیوید والاس، استادیار بالینی مهندسی برق، دانشگاه ایالتی می سی سی پی خوب به یاد دارد که در 1 و 2 سپتامبر 1859، سیستم های تلگراف در سراسر جهان به طور فاجعه آمیزی شکست خوردند. اپراتورهای تلگراف گزارش دادند که شوک الکتریکی دریافت کرده‌اند، کاغذ تلگراف آتش گرفته و می‌توانند تجهیزات را با باتری‌های قطع شده به کار بیندازند. در طول غروب، شفق قطبی، که بیشتر به عنوان شفق شمالی شناخته می شود، تا جنوب کلمبیا دیده می شود. به طور معمول، این نورها فقط در عرض های جغرافیایی بالاتر، در شمال کانادا، اسکاندیناوی و سیبری قابل مشاهده هستند.

آنچه جهان در آن روز تجربه کرد، که اکنون به عنوان رویداد Carrington شناخته می شود، یک طوفان ژئومغناطیسی عظیم بود. این طوفان‌ها زمانی اتفاق می‌افتند که حباب بزرگی از گاز فوق‌گرم به نام پلاسما از سطح خورشید خارج می‌شود و به زمین برخورد می‌کند. این حباب به عنوان پرتاب جرم تاجی هم شناخته می شوند.

پلاسمای پرتاب جرم تاجی از ابری از پروتون ها و الکترون ها تشکیل شده است که ذرات باردار الکتریکی هستند. هنگامی که این ذرات به زمین می رسند، با میدان مغناطیسی که سیاره را احاطه کرده است، برهم کنش می کنند. این فعل و انفعال باعث انحراف و ضعیف شدن میدان مغناطیسی می شود که به نوبه خود منجر به رفتار عجیب شفق قطبی و سایر پدیده های طبیعی می شود. مهندسین برق که در شبکه برق تخصص داشتند، مطالعات گسترده ای را در این باره انجام دادند  که چگونه طوفان های ژئومغناطیسی همچنین باعث قطع برق و اینترنت خواهند ش و چگونه اثرات زیان بار آن قابل محافظت یا جبران خواهد بود.

طوفان های ژئومغناطیسی چگونه به وجود آمدند؟

رویداد Carrington در سال 1859 بزرگترین گزارش ثبت شده از یک طوفان ژئومغناطیسی است، اما تنها رویداد رخ داده شده نیست. طوفان‌های ژئومغناطیسی اولین بار در اوایل قرن نوزدهم ثبت شده‌اند، و داده‌های علمی از نمونه‌های هسته یخی قطب جنوب شواهدی از طوفان ژئومغناطیسی عظیم‌تری را نشان می‌دهد که در حدود سال ۷۷۴ پس از میلاد رخ داده است که اکنون به عنوان رویداد Miyake شناخته می‌شود. این شعله خورشیدی بزرگترین و سریعترین افزایش کربن 14 را ایجاد کرد که تاکنون ثبت شده است. طوفان های ژئومغناطیسی مقادیر بالایی از پرتوهای کیهانی را در جو فوقانی زمین ایجاد می کنند که به نوبه خود کربن 14 که یک ایزوتوپ رادیواکتیو کربن است را تولید می کند.

طوفان ژئومغناطیسی 60 درصد کوچکتر از رویداد Miyake در حدود سال 993 پس از میلاد رخ داد. همانطور که می‌بینید طوفان‌های زئومغناطیسی ان طور که بشر می‌پندارد هم نادر و یا غیر قابل اتفاق نیستند و هر آن ممکن است که باز هم رخ دهد و زندگی همه مردم را تحت الشعاع قرار بدهد. نمونه‌های تحقیقات انجام شده بر روی هسته یخ های قطبی شواهدی را نشان داده‌اند که نشان می‌دهد طوفان‌های ژئومغناطیسی در مقیاس بزرگ با شدت‌های مشابه رویدادهای میاک و کارینگتون به طور متوسط ​​هر 500 سال یک بار رخ می‌دهند.

تحقیقات درباره طوفان‌های مغناطیسی در حال رسیدن به نقطه عطف خودش است به طوری که امروزه اداره ملی اقیانوسی و جوی از مقیاس طوفان های ژئومغناطیسی برای اندازه گیری قدرت این فوران های خورشیدی استفاده می کند. مقیاس G  همان مقیاس اندازه‌گیری شدت برای طوفان‌های مغناطیسی است این مقیاس را می‌تواند با مقیاس‌های دیگری همانند ریشتر مقایسه کرد. این مقیاس دارای رتبه بندی از 1 تا 5 است که  G1 جزئی و  G5 شدید است. رویداد Carrington  می توانست رتبه  G5 را کسب کند.

وقتی رویداد Carrington را با رویداد Miyake مقایسه می کنید موضوع هولناک‌تر به نظر می‌رسد. دانشمندان توانستند قدرت رویداد کارینگتون را بر اساس نوسانات میدان مغناطیسی زمین که به وسیله رصدخانه های آن زمان ثبت شده بود، تخمین بزنند. هیچ راهی برای اندازه گیری نوسانات مغناطیسی رویداد Miyake وجود نداشت. یعنی عملا دانشمندان هنوز نمی‌دانند که آیا رویدادهای مغناطیسی با شدت بیشتر هم می‌تواند رخ دهد یا حتی رخ داده است یا خیر. در عوض، دانشمندان افزایش کربن 14 را در حلقه‌های درختان از آن دوره زمانی اندازه‌گیری کردند. رویداد Miyake باعث افزایش 12 درصدی کربن 14 شد. در مقایسه، رویداد Carrington کمتر از 1٪ افزایش کربن 14 را ایجاد کرد، بنابراین رویداد Miyake احتمالاً با شدت بسیار بیشتری از رویداد G5 Carrington غظیم‌تر و ترسناک‌تر بوده است.

طوفان های مغناطیسی چه اثری بر زمین و ساکنین آن می‌گذارند؟

امروزه، یک طوفان ژئومغناطیسی با همان شدت رویداد کارینگتون، بسیار بیشتر از سیم های تلگراف تأثیر می گذارد و می تواند فاجعه بار باشد. با وابستگی روزافزون به برق و فناوری های نوظهور، هر گونه اختلال می تواند منجر به تریلیون ها دلار ضرر مالی و خطر زندگی وابسته به سیستم ها شود. طوفان بر اکثر سیستم های الکتریکی  که مردم هر روز از آنها استفاده می کنند، تأثیر می گذارد.

طوفان های ژئومغناطیسی جریان های القایی ایجاد می کنند که از طریق شبکه الکتریکی جریان می یابد. شدت این جریان های القای ژئومغناطیسی  که می تواند بیش از 100 آمپر باشد، به اجزای الکتریکی متصل به شبکه مانند ترانسفورماتورها، رله ها و سنسورها جریان می یابد. صد آمپر معادل خدمات برقی است که به بسیاری از خانواده ها ارائه می شود. جریان هایی با این اندازه می تواند باعث آسیب داخلی در قطعات شود و منجر به قطع برق در مقیاس بزرگ شود.

یک طوفان ژئومغناطیسی سه برابر کوچکتر از رویداد Carrington در کبک، کانادا، در مارس 1989 رخ داد. طوفان باعث فروپاشی شبکه الکتریکی هیدرو-کبک شد در طول طوفان، جریان های القای مغناطیسی بالا به یک ترانسفورماتور در نیوجرسی آسیب رساند و قطع کننده های مدار شبکه را از کار انداخت. در این حالت، قطع برق منجر به قطع برق 5 میلیون نفر به مدت 9 ساعت شد. چنین موضوعی توانست یک ضرر چند صد میلیاردی را به کسب و کارهای مختلف وارد کند و این موضوع باعث وحشت همگانی شده بود چرا که هیچکس نمی‌دانست که آیا باز هم می‌توانند بدون خطر از مزایای برق استفاده کنند یا خیر.

قطع شدن اتصالات، پیامد هولناک طوفان های مغناطیسی

علاوه بر خرابی های سیستم های الکتریکی، ارتباطات در مقیاس جهانی نیز مختل می شود. ارائه دهندگان خدمات اینترنت ممکن است از کار بیفتند، که به نوبه خود توانایی سیستم های مختلف برای برقراری ارتباط با یکدیگر را از بین می برد. سیستم های ارتباطی با فرکانس بالا مانند رادیو زمین به هوا، موج کوتاه و کشتی به ساحل مختل خواهند شد. ماهواره‌هایی که در مدار اطراف زمین قرار دارند ممکن است به وسیله جریان‌های القایی ناشی از طوفان ژئومغناطیسی که تخته‌های مدار آنها را می‌سوزاند آسیب ببینند. این امر منجر به اختلالات در تلفن های ماهواره ای، اینترنت، رادیو و تلویزیون خواهد شد.

همچنین با برخورد طوفان های ژئومغناطیسی به زمین، افزایش فعالیت خورشیدی باعث انبساط جو به بیرون می شود. این انبساط چگالی جوی را که ماهواره ها در آن در حال چرخش هستند تغییر می دهد. جو با چگالی بالاتر باعث ایجاد کشش در ماهواره می شود که سرعت آن را کاهش می دهد. و اگر به مداری بالاتر هدایت نشود، می تواند دوباره به زمین سقوط کند که این موضوع هم یکی از همان چیزهایی است که می‌تواند خطر های مالی و جانی را در پی داشته باشد.

یکی دیگر از حوزه‌های اختلال که به طور بالقوه بر زندگی روزمره تأثیر می‌گذارد، سیستم‌های ناوبری است. تقریباً هر نوع حمل و نقل، از اتومبیل گرفته تا هواپیما، از GPS برای ناوبری و ردیابی استفاده می کند. حتی سیستم های دستی مانند تلفن‌های همراه، ساعت‌های هوشمند و برچسب‌های ردیابی به سیگنال‌های GPS ارسال شده از ماهواره‌ها متکی هستند. سیستم های نظامی برای هماهنگی به شدت به GPS وابسته هستند. سایر سیستم‌های کشف نظامی مانند رادارهای فرا افق و سیستم‌های تشخیص زیردریایی ممکن است مختل شوند، که دفاع ملی را با مشکل مواجه می‌کند.

از نظر اینترنت، یک طوفان ژئومغناطیسی در مقیاس رویداد Carrington می تواند جریان های القای ژئومغناطیسی را در کابل های زیردریایی و زمینی ایجاد کند که نقطه مرکزی اینترنت و همچنین مراکز داده ای را تشکیل می دهد که اطلاعات را ذخیره و پردازش می کنند. این موضوع می‌تواند به صورت کلی بر بسیاری از جنبه‌ای زندگی و حتی دولت‌ها اثرگذار باشد. طوفان مغناطیسی در ابعاد گسترده همه چیز از ایمیل و پیام های متنی گرفته تا مجموعه داده های علمی و ابزارهای هوش مصنوعی. این به طور بالقوه کل شبکه را مختل می کند و از اتصال سرورها به یکدیگر جلوگیری می کند.

اینترنت جهانی به وسیله شبکه‌ای از کابل‌ها که از اقیانوس‌های جهان عبور می‌کنند، در سراسر جهان برقرار شده است.

زمان کافی برای مقابله با این مشکل وجود دارد؟

فقط زمان زیادی است که زمین به وسیله طوفان ژئومغناطیسی دیگری مورد اصابت قرارنگرفته است و رخ دادن مجدد این اتفاق می‌تواند پیامدهای نگران‌کننده ای را به دنبال داشته باشد چنان که اگر کنترل نشود آسیب‌های وارده بر سیستم ارتباطی بر روی زمین چنان زیاد خواهد بود که برای برقراری ارتباط مجدد باید زیرساخت‌های اینترنت را از ابتدا پایه ریزی کرد و این موضوع هم به نوبه خود یک موضوع تهدید امیز برای جهانی محسوب می‌شود که هر ثانیه در حال پیشرفت و حرکت است.

یک طوفان به اندازه رویداد Carrington می‌تواند برای سیستم‌های الکتریکی و ارتباطی در سراسر جهان بسیار آسیب‌رسان باشد با قطعی‌هایی که تا هفته‌ها طول می‌کشد و بسیاری از کارها دیگر روند سابق خود را طی نمی‌کنند. موضوع اینترنت می‌تواند یک فاجعه بین المللی را تقریبا برای هر کسب و کاری به وجود بیاورد چرا که زندگی هر شخصی به صورت کم یا زیاد به اینترنت وابسته است و نبود ان می‌تواند باعث مشکلات بسیاری برای افراد مختلف در سر تا سر این کره خاکی بشود.

اگر طوفان به اندازه رویداد Miyake باشد، نتایج برای جهان فاجعه بار خواهد بود و قطعی های احتمالی ماه ها به طول می انجامد. آیا شما می‌توانید جهان را ماه‌ها بدون برق یا اینترنت تصور کنید؟ این موضوع می‌تواند یک فاجعه در تاریخ تکنولوژی باشد و خسارت‌های ان برای افراد بسیاری جبران ناپذیر تلقی شود. حتی با وجود هشدارهای هواشناسی فضا مرکز پیش بینی آب و هوای فضایی NOAA، جهان فقط چند دقیقه تا چند ساعت فرصت خواهد داشت تا خود را برای بزرگترین قطع دسترسی در تاریخ آماده کند و راهی برای زندگی بدون اینترنت و برق پیدا کند بی ان که بداند این مضووع تا چه اندازه ممکن است که طولانی شود و چه جنبه های پنهانی از زندگی او تحت تاثیر این موضوع قرار خواهد گرفت.

جمع بندی نهایی

نویسنده معتقد است که ادامه تحقیق در مورد راه‌های محافظت از سیستم‌های الکتریکی در برابر اثرات طوفان‌های ژئومغناطیسی حیاتی است، برای مثال با نصب دستگاه‌هایی که می‌توانند از تجهیزات آسیب‌پذیر محافظت کنند.

مانند ترانسفورماتورها و با توسعه استراتژی‌هایی برای تنظیم بارهای شبکه در هنگام طوفان‌های خورشیدی می‌تواند تا حد بسیار زیادی کمک کننده باشد به این صورت که اگر در هنگام طراحی یا ساخت تجهیزات احتمالا کوچکی مانند رخ دادن همین اتفاق در نظر گرفته شود انموقع بسیاری از نگرانی‌های موجود در این باره کاهش خواهد یافت.

این موضوع چیزی است که ما به صورت گسترده شاهد آن نیستیم و  بسیاری حتی از احتمال وقوع مجدد آن بی‌خبرند در حال ضربه زدن به طور خلاصه، مهم است که اکنون برای به حداقل رساندن اختلالات ناشی از رویداد بعدی Carrington کار کنید. و خطرات ناشی از آن را کاهش بدهیم تا مشکلات کمتری به وجود بیاید.