طوفان خورشیدی پدیده‌ای است که در نتیجه فعالیت‌های مغناطیسی شدید خورشید، به ویژه خروج تاج خورشیدی رخ می‌دهد و مقادیر زیادی ذرات باردار پرانرژی و تشعشعات را در فضا منتشر می‌کند؛ وقتی زمین در مسیر انتشار این فوران‌ها قرار می‌گیرد، اصطلاحا با «طوفان خورشیدی» یا «طوفان ژئومغناطیسی» روبه‌رو می‌شود. در پی این طوفان، اتمسفر زمین با ذرات باردار پرانرژی و تشعشعات بمباران می‌شود که اثرات نامطلوبی بر تجهیزات الکترونیکی و فضایی مثل ماهواره‌ها دارد.
طوفان خورشیدی چگونه رخ می‌دهد؟
طبق مطالعات دانشمندان، قطب میدان مغناطیسی خورشید هر ۱۱ سال یک بار تغییر می‌کند؛ به عبارت ساده‌تر، قطب شمال مغناطیسی خورشید هر ۱۱ سال یک بار قطب جنوب مغناطیسی می‌شود و بالعکس که به آن «چرخه خورشیدی» می‌گویند و ۲۲ سال طول می‌کشد تا یک چرخه کامل شود.
تغییر میدان مغناطیسی طی هر چرخه می‌تواند باعث ایجاد فعالیت‌های مغناطیسی خورشیدی، مثل لکه‌های خورشیدی، باد خورشیدی یونوسفر (Ionosphere)، شراره‌های خورشیدی و فوران‌ها شود.
لکه‌های خورشیدی
لکه‌های خورشیدی در واقع نقاط سرد و تاریک روی سطح خورشیدند که به دلیل اختلال در میدان مغناطیسی این ستاره ایجاد می‌شوند. دمای سطحی خورشید در محل لکه‌ها کمتر از سایر نواحی است و به همین دلیل لکه‌ها تیره به نظر می‌رسند. این لکه‌ها قطر‌های متفاوتی از ۳ هزار کیلومتر تا ۱۰ برابر آن را 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 تشعشعاتی چون گاما، ایکس، فرابنفش و غیره است که پیوسته و در تمام جهات با سرعت متوسط ۴۰۰ کیلومتر بر ثانیه در فضا منتشر می‌شود. برهم‌کنش این پلاسما با اتمسفر زمین سبب ایجاد پدیده معروف شفق‌های قطبی می‌شود.
جریان باد خورشیدی با سرعت بالا (HSS) شرایط را برای وقوع طوفان‌های ژئومغناطیسی ایجاد می‌کند که با سرعت بالاتر از سرعت باد خورشیدی در حدود ۵۰ تا ۸۰۰ کیلومتر بر ثانیه منتشر می‌شوند و چگالی کمتری نسبت به باد خورشیدی دارند.
خروج جرم از تاج خورشیدی
خروج جرم از تاج خورشیدی (CME) در اثر فوران پرجرم از باد خورشیدی در دوره فعال چرخه مغناطیسی خورشید در ناحیه لکه‌ها اتفاق می‌افتد.
شراره‌های خورشیدی
این پدیده در واقع انتشار نسبتا 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.
طوفان‌های خورشیدی چه ویژگی‌هایی دارند؟
معمولا سرعت متوسط طوفان‌های خورشیدی ۳۰۰ تا ۳ هزار کیلومتر بر ثانیه و چگالی ذرات باردار آن ۱ تا هزار 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 غیره هستند. علاوه بر 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 و 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 از جمله این آسیب‌ها هستند؛ به همین دلیل تجهیزات فضایی و لباس فضانوردان باید نسبت به تشعشعات و ذرات باردار مقاوم‌سازی شوند.
شبکه‌های برق نیز به شدت تحت تاثیر 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.
طوفان‌های خورشیدی همچنین می‌توانند در سامانه‌های 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 باد خورشیدی می‌سازند که می‌تواند امواج رادیویی با فرکانس بالا را جذب و ارتباط رادیویی را دشوار یا غیرممکن کنند.
در کل، آسیب مخرب طوفان‌های خورشیدی بر تجهیزات، زیان‌های اقتصادی و اجتماعی بسیاری به دنبال خواهد داشت. با این حال، با استفاده از اقدامات پیشگیرانه و مدیریت ریسک، می‌توان تاثیرات منفی را کاهش داد و از تجهیزات و سامانه‌های حیاتی محافظت کرد. رصد و پیش‌بینی دقیق، طراحی مقاوم و استفاده از سامانه‌های پشتیبان از جمله راهکار‌های موثر در این زمینه هستند.
آیا می‌توان وقوع طوفان خورشیدی را پیش‌بینی کرد؟
پیش‌بینی طوفان‌ها کار ساده‌ای نیست. دانشمندان امروزه توانسته‌اند نسبتا دقیق چرخه فعالیت‌های خورشیدی را محاسبه کنند، اما این فعالیت‌ها بسیار پیچیده و مدل‌سازی دقیق آن‌ها دشوار است؛ همچنین ممکن است این فعالیت‌ها ناگهانی تغییر کنند که در این صورت پیش‌بینی دشوارتر می‌شود؛ با این حال با ابزار‌های موجود و مدل‌هایی که اخترشناسان پیشنهاد داده‌اند، می‌توان احتمال وقوع و شدت طوفان‌های خورشیدی را تا حدی تخمین زد.
دانشمندان در سازمان‌های فضایی کشور‌های مختلف، با استفاده از داده‌هایی که از رصد پیوسته لکه‌های خورشیدی و توسعه مدل‌سازی طوفان‌ها و بررسی اثرات آن‌ها بر زمین حاصل می‌شود، هشدار‌های زودهنگام برای وقوع طوفان‌های خورشیدی صادر می‌کنند. این هشدار‌ها به اپراتور‌های ماهواره‌ها، شبکه‌های برق و سایر زیرساخت‌های حساس کمک می‌کند اقدامات لازم برای کاهش تاثیرات منفی این طوفان‌ها به کار گیرند.
ماهواره‌های سولار داینامیک (SDO)، سوهو (SOHO)، آیریس (IRIS)، پارکر (Parker)، سولار اوربیتر (Solar Orbiter)، هینود (Hinode) و استریو (STEREO) از جمله کاوشگر‌هایی هستند که برای بررسی خورشید و رصد فعالیت‌های آن در مدار قرار دارند.
قدرتمندترین طوفان‌های خورشیدی در ۲ دهه اخیر
۲مرداد۱۴۰۳، فضاپیمای مدارگرد خورشیدی آژانس فضایی اروپا (ESA) شاهد فوران شراره خورشیدی بسیار قدرتمندی از کلاس X14 از سمت دور خورشید بود. X14 قدرتمندترین شراره خورشیدی طی حدود ۲۰ سال گذشته و قوی‌ترین در چرخه خورشیدی کنونی است. این شراره بسیار بزرگ‌تر از شراره خورشیدی قبلی بود.
از آنجایی که این فوران در سمت دیگر خورشید رخ داد، تاثیر چندانی بر سیاره زمین نداشت؛ با این حال مدارگرد در موقعیتی قرار داشت که می‌توانست این فوران را ثبت کند و این فوران با خروج جرم از تاج خورشیدی نیز همراه بود.
اواخر اردیبهشت۱۴۰۳، اداره ملی اقیانوسی و جوی ایالات متحده آمریکا (NOAA) از رسیدن زودتر از حد انتظار طوفان خورشیدی قدرتمند و نادری به زمین خبر داد که قدرتمندترین طوفان ژئومغناطیسی در ۲ دهه اخیر محسوب می‌شد. در آن زمان، ایلان ماسک (Elon Musk)، مدیرعامل اسپیس‌ایکس، اعلام کرد به دلیل این طوفان، فشار زیادی به ماهواره‌های استارلینک (Starlink) آمده است و عملکرد اینترنت ماهواره‌ها دچار افت شده است. در سال ۲۰۲۲ نیز طوفان خورشیدی دیگری ده‌ها ماهواره استارلینک را از بین برده بود.
۲۲بهمن۱۴۰۱ هم خورشید شراره بزرگی از کلاس ایکس منتشر کرد و بر اثر آن، طوفان خورشیدی نسبتا قدرتمندی به وجود آمد که بخشی از ارتباطات رادیویی را در آمریکای جنوبی دچار اختلال کرد.
تاثیر فعالیت‌های اخیر خورشید در گرمی بی‌سابقه هوا
تغییرات در چرخه‌های خورشیدی می‌توانند روی جو زمین تاثیر بگذارند و در برخی موارد باعث تغییرات موقتی در دما یا شرایط جوی شوند، اما گرم شدن جهانی عمدتا ناشی از فعالیت‌های انسانی، مانند انتشار گاز‌های گلخانه‌ای و عوامل طبیعی دیگر مانند تغییر در فعالیت آتشفشانی و چرخه‌های طبیعی آب و هواست. طبق بررسی‌ها در طی یک قرن گذشته، خورشید سهمی کمتر از ۱۵ درصد در افزایش دمای جهان داشته است.
با این حال برخی مطالعات نشان داده‌اند پرتو‌ها و ذرات باردار پرانرژی با برخورد به اتمسفر زمین می‌توانند منجر به کاهش سطح ازن استراتوسفری (stratosphere) شوند که می‌تواند بر رفتار لایه‌های زیرین تاثیر بگذارد و سبب گرمایش محلی شود؛ همچنین جو زمین انرژی حاصل از طوفان‌های خورشیدی را جذب می‌کند، گرم می‌شود و به سمت بالا گسترش می‌یابد.
این انبساط چگالی یکی از لایه‌های بالایی اتمسفر زمین به نام گرم‌‌سپهر یا ترموسفر (Thermosphere) را کاهش می‌دهد که به نوبه خود می‌تواند بر تغییرات دمایی زمین تاثیر بگذارد. علاوه بر این، اوج چرخه خورشیدی و افزایش لکه‌ها با افزایش بارندگی در مناطقی از جهان و فشار فوق طبیعی سطح دریا در اواسط عرض جغرافیایی شمالی و جنوبی اقیانوس آرام مرتبط بوده است.
به گفته دانشمندان، فوران‌های خورشیدی کوتاه مدت بر رویداد‌های آب‌وهوایی تاثیر نمی‌گذارد، اما تغییرات طولانی مدت ممکن است بر آب و هوای زمین تاثیر بگذارد. با این حال میزان انرژی دریافتی زمین از خورشید پایدار است و فعالیت خورشیدی در یک چرخه تقریبا یازده‌ساله حدود یک‌دهم درصد تغییر می‌کند.
به طور کلی، اگرچه فعالیت‌های خورشیدی می‌توانند بر شرایط جوی تاثیر بگذارند، نقش آن‌ها در گرم شدن جهانی به اندازه‌ای نیست که بتواند عامل اصلی در نظر گرفته شود.