گوش سپردن به موسیقی خورشید

آشنایی با ویژگی های شراره های خورشیدی و آثار زیانبار آن

فعالیت شراره‌های خورشیدی رو به افزایش است و انتظار می‌رود این فعالیت بین سال‌های ۲۰۱۲ و ۲۰۱۴ به اوج خود برسد. تقویم برخی از تمدن‌های باستان مانند «مایا»ها در حدود همین سال‌ها به پایان می‌رسد و به همین دلیل، عده‌ای پایان دنیا را نزدیک می‌دانند. اما دانشمندان «ناسا» با قاطعیت می‌گویند که شراره‌های خورشیدی باعث نابودی زمین نمی‌شود. یکی از دانشمندان «ناسا» به نام «آنتی پولکنین» می‌گوید: «سابقه شراره‌های خورشیدی نشان می‌دهد که قدرتمندترین آنها هم نمی‌تواند جو زمین را نابود کند. هیچ راهی وجود ندارد که حتی شدیدترین اختلال‌های ایجادشده، باعث پایان دنیا شود.» شراره‌های خورشیدی زمانی ظاهر می‌شود که انرژی الکترومغناطیسی عظیمی به یکباره از جو خورشید آزاد شود. ممکن است در اثر این اتفاق، جرم عظیمی از تاج خورشید به بیرون پرتاب شود که در آن صورت، میلیاردها تن ذره باردار در فضا پراکنده می‌شود. به این رویداد اصطلاحا «سی.‌ام.ای» گفته می‌شود.

زمانی که این ابرهای عظیم به قسمت بالایی جو برخورد می‌کنند، پدیده چشم‌نوازی به نام «شفق قطبی» را به وجود می‌آورد. این ذرات می‌توانند باعث اختلال در کار ماهواره‌ها شوند، شبکه‌های برق سراسری را مختل کنند و وسایل الکترونیکی را از کار بیندازند. طبق تحقیقات «ناسا» بزرگ‌ترین «سی.‌ام.ای» ثبت‌شده در سال ۱۸۵۹ در «کارینگتون ایونت» اتفاق افتاد و شفق قطبی رنگارنگی را به وجود آورد. شفق‌های قطبی معمولا فقط در نواحی نزدیک به قطب شمال و جنوب قابل رویت هستند، ولی شفق قطبی مزبور، به قدری شدید بود که حتی در کمربند میانی کره زمین هم دیده شد. این توفان ذرات باردار، شبکه تلگراف و وسایل الکترونیکی آن زمان را از کار انداخت.

امروزه ما از فناوری‌هایی استفاده می‌کنیم که بسیار پیشرفته‌تر از تلگراف هستند. آیا باید نگران باشیم که مبادا شراره‌های خورشیدی وسایل الکترونیکی ما را از کار بیندازد؟ «پولکنین» معتقد است این نگرانی بی‌مورد است. این توفان‌ها باعث خاموشی‌های جزیی می‌شوند و حتی ممکن است در کار ماهواره‌های «جی.پی.اس» اختلال ایجاد کنند. مشکل دیگر متوجه خلبان‌هاست که تنها راه ارتباطی‌شان با زمین امواج رادیویی است و تداخل توفان ذرات باردار با امواج رادیویی می‌تواند این راه ارتباطی را مسدود کند. ولی ناسا معتقد است خورشید با همه عظمتش این توانایی را ندارد که یک گلوله آتشین بزرگ را از فاصله ۱۵۰میلیون کیلومتری به سمت زمین شلیک و آن را نابود کند. «پولکنین» می‌گوید دانشمندان به پیشرفت‌های زیادی در پیش‌بینی وقوع شراره‌ها و توفان‌های خورشیدی دست یافته‌اند که به آنها امکان می‌دهد ماهواره‌ها را به‌طور موقت از کار بیندازند تا در اثر توفان‌های خورشیدی صدمه نبینند. مدیریت صحیح شبکه‌های تولید و توزیع برق نیز یکی از مهم‌ترین مسایلی است که باید به آنها توجه کرد تا از وقوع خاموشی‌های طولانی‌مدت جلوگیری شود.

اگر یکی از توفان‌های عظیم خورشیدی به زمین برخورد کند، می‌تواند باعث قطع ارتباطات شود و هزاران نفر را هفته‌ها یا ماه‌ها در خاموشی مطلق فرو برد. توفان‌های خورشیدی می‌توانند در «مگنتوسفر» زمین جریان الکتریکی اضافی ایجاد کنند. («مگنتوسفر» فضای اطراف کره زمین است که تحت‌تاثیر میدان مغناطیسی آن قرار دارد.) شبکه برق در مقابل این جریان‌های اضافی آسیب‌پذیر است چرا که این جریان‌ها می‌توانند وارد خطوط انتقال برق فشار قوی شده و باعث داغ شدن بیش از حد ترانسفورماتورها و حتی سوختن آنها شوند. «ریچ لوردان» مدیر ارشد شبکه سراسری و انتقال برق در موسسه تحقیقات برق (ای.پی.آر.آی) می‌گوید: «نگرانی ما این است که اگر در اثر توفان‌های خورشیدی، چند ترانسفورماتور از شبکه خارج شود، جایگزین کردن آنها کار مشکل و زمانبری است. ترانسفورماتورها وسایل بسیار بزرگی هستند. حتی اگر یک ترانسفورماتور یدک در اختیار داشته باشیم، اتصال آن به شبکه حدود دو ماه طول می‌کشد و اگر یک شبکه سراسری بخواهد یک ترانسفورماتور جدید سفارش بدهد، این سفارش حدود شش‌ماه تا یک سال بعد در اختیارش قرار می‌گیرد.» با نزدیک شدن به بیشینه فعالیت خورشیدی که یک دوره تقریبا ۱۱ساله است، خطر جدی‌تر می‌شود. پیش‌بینی می‌شود توفان‌های شدیدتری هم در سال ۲۰۱۳ اتفاق بیفتد. دانشمندان سعی می‌کنند با استفاده از جدیدترین ماهواره‌های رصد خورشید و مدل‌های کامپیوتری، پیش‌بینی‌های مربوط به وقوع توفان‌های خورشیدی را با بیشترین دقت ممکن انجام دهند. دست‌اندرکاران شبکه‌های برق نیز در حال برنامه‌ریزی برای مقابله با خطرات ناشی از این توفان‌ها و پیامدهای احتمالی آن برای شبکه هستند. آنها بدترین حالت ممکن را در نظر می‌گیرند تا تحت هیچ شرایطی غافلگیر نشوند. «لوردان» می‌گوید: «توفان‌های ژئومغناطیسی به ندرت اتفاق می‌افتد ولی اثرات شدیدی بر جای می‌گذارد. وقتی می‌خواهیم خطرات احتمالی را که متوجه شبکه است، تخمین بزنیم، باید از خودمان بپرسیم قدرت توفانی که قرار است به شبکه برسد، چقدر است؟ معتقدم داده‌های جدید و سناریوهای احتمالی نشان می‌دهند که عملکرد سیستم انتقال برق در زمان توفان خورشیدی مختل نخواهد شد.»

● به صدای سوت خورشیدی گوش کنید

خورشید همواره در حال پرتاب ذرات باردار به اطراف است که به این جریان‌ها، اصطلاحا بادهای خورشیدی می‌گویند. ولی گاهی اوقات خورشید فعالیت مغناطیسی بسیار شدیدی از خود نشان می‌دهد که باعث تولید توفان‌های عظیم پلاسما می‌شود. (پلاسما حالتی از ماده است که در آن ذرات به جای اتم‌های خنثی، به صورت مجموعه‌ای از یون‌ها و الکترون‌ها هستند. به عبارت دیگر انرژی زیاد، اتم‌ها را به هسته و الکترون تجزیه می‌کند-م.) یکی از دانشمندان هوافضا به نام «جو کانچز» در این‌باره می‌گوید: «توفان خورشیدی، شبیه سوت قطار باری است.» این توفان‌های عظیم، در اثر فوران ماده از تاج خورشید به وجود می‌آیند. این فوران، همان توده‌های بسیار بزرگ ابری‌شکل پلاسماست که در زمان فعالیت‌های شدید سطح خورشید از جو بالایی آن‌که «تاج خورشید» نام دارد، می‌گریزد. البته این هرگز به این معنا نیست که هر فوران ماده از تاج خورشید، نشانه اتفاق ناگواری است. ابرهای پلاسما به خط کاملا مستقیم حرکت می‌کنند و امکان دارد از کنار زمین عبور کنند یا برخوردی کاملا جزیی با آن داشته باشند. «کانچز» می‌گوید: «ما برای خورشید از هیچ جایگاه ویژه‌ای برخوردار نیستیم. گاهی اوقات خورشید فوران می‌کند که در نتیجه آن مقدار زیادی انرژی گسیل می‌شود. با این وجود «پولکنین» می‌گوید: «اگر این ابرها به سمت جو زمین حرکت کنند، می‌توانند حامل میلیاردها تن ذره باردار باشند که با سرعت دوهزار کیلومتر بر ثانیه در حرکتند. وقتی این ابر به مگنتوسفر زمین می‌رسد، ذرات باردار آن به میدان مغناطیسی زمین برخورد می‌کنند. این مساله به تولید جریان‌های الکتریکی با قدرت چند میلیون آمپر منجر می‌شود. در این حالت شبکه برق گسترده روی زمین مانند آنتن عمل می‌کند و این جریان فوق‌العاده قدرتمند را به خطوط انتقال نیرو تزریق می‌کند. این توفان‌ها بر شبکه‌های سراسر دنیا تاثیرگذار خواهند بود.» ولی بیشترین خطر متوجه شبکه‌های انتقال برق در ارتفاعات خواهد بود چرا که شدیدترین جریان‌ها از طرف قطب شمال و جنوب به زمین برخورد می‌کند و در سطح آن پراکنده می‌شود. درواقع قطب‌ها مانند قیف‌هایی عمل می‌کنند که این جریان‌ها را در شبکه جهانی برق پراکنده می‌کنند. برای مثال در سال ۱۹۸۹ سیستم انتقال نیروگاه آبی «کبک» در کانادا به دلیل وقوع یک توفان خورشیدی از کار افتاد. آن ماجرا، میلیون‌ها نفر را حدود ۹ ساعت از دسترسی به برق محروم کرد. توفان‌های خورشیدی سال ۲۰۰۳ هم باعث خاموشی‌هایی در شهر «مالمو» سوئد شد. همان توفان، ترانسفورماتورهایی را هم در آفریقای جنوبی از کار انداخت. «ریچ لوردان» می‌گوید: «نیروگاه‌های سراسری کانادا به شدت تحت‌تاثیر جریان‌های مغناطیسی زمین هستند چرا که به قطب شمال مغناطیسی زمین نزدیک‌ترند. همین مساله باعث می‌شود آسیب‌پذیری آنها در مقابل جریان‌های خورشیدی محک بخورد تا اصلاحات لازم اعمال شود. نیروگاه‌های اروپا و منبع تغذیه الکتریکی آفریقای جنوبی موسوم به «اسکم» هم با همکاری ناسا، خود را برای توفان خورشیدی پیش رو آماده می‌کنند.

● مشکلات مربوط به جریان متناوب و مستقیم

از نظر فنی، جریان ایجادشده توسط نیروی ژئومغناطیسی زمین ضعیف‌تر از جریان‌هایی است که در شرایط عادی از نیروگاه‌ها وارد شبکه می‌شود. برای انتقال برق به نقاط دوردست باید ولتاژ را افزایش و سپس در مقصد، کاهش دهیم تا از تلفات انرژی ناشی از مقاومت کابل‌های انتقال جلوگیری کنیم. «لوردان» می‌گوید: «مشکل اینجاست که جریان حاصل از توفان‌های خورشیدی، جریان مستقیم است در حالی‌که سیستم‌های انتقال برق برای جریان‌های متناوب طراحی شده‌اند.» جریان مستقیم اضافی در ترانسفورماتور باعث اشباع الکتریکی و در نتیجه داغ شدن آن می‌شود. سیستم‌های حفاظتی ترانسفورماتورها از بین می‌روند و اجزای تشکیل‌دهنده آنها به سرعت فرسوده می‌شوند. هر ترانسفورماتوری می‌تواند میزان محدودی حرارت را تحمل کند و اگر حرارت از آستانه تحمل ترانسفورماتور بیشتر شود، آن را از کار می‌اندازد. در این هنگام ترانسفورماتور شروع به مصرف توان واکنشی (راکتیو) سیستم می‌کند. (توان واکنشی، توانی است که همواره در سیستم انتقال، در حال رفت و برگشت است ولی میانگین مقدار آن برابر صفر است و کاری انجام نمی‌دهد-م) «لوردان» می‌گوید: «در جریان برق یک سیستم، دو توان وجود دارد. یکی توان واقعی است مانند توان مصرفی یک لامپ که واحد اندازه‌گیری آن «وات» است و دیگری توان غیرواقعی یا واکنشی که واحد اندازه‌گیری آن «وار» است. توان واکنشی هنگامی تولید می‌شود که جریان و ولتاژ هم‌فاز نیستند. این توان را باید با دقت کنترل کرد تا ولتاژ در خطوط انتقال ثابت بماند. وقتی توفان خورشیدی اتفاق می‌افتد، ترانسفورماتورهای اشباع‌شده توان واکنشی بیشتری نسبت به ظرفیت دستگاه‌های کنترل‌کننده جریان، مصرف می‌کنند. همین مساله باعث افت ولتاژ می‌شود و دیگر امکان تزریق توان مورد نیاز به خطوط انتقال وجود ندارد. حتی بدون وقوع افت ولتاژ شدید هم، ولتاژ نوسانی سیستم انتقال می‌تواند باعث عدم ثبات شبکه شود و عملکرد ترانسفورماتورها، خازن‌ها و دیگر تجهیزات نیروگاه‌های برق را مختل کند.

● سپر ماهواره‌ای

«ناسا» در سال ۲۰۰۷ کار روی پروژه سپر ماهواره‌ای را با همکاری موسسه «ای.پی.آر.آی» آغاز کرد. این پروژه از داده‌های چندین رصدخانه خورشیدی برای شبیه‌سازی کامپیوتری استفاده می‌کند. در واقع کامپیوترهای فوق‌پیشرفته در پیش‌بینی توفان‌های خورشیدی به کمک دانشمندان آمده‌اند. سپر ماهواره‌ای، جریان ثابتی از داده‌ها را از ماهواره‌هایی مانند «ماهواره رصدی خورشید و هلیوفیزیک» (اس.اُ.اچ.اُ) و «رصدخانه روابط کیهانی-خورشیدی» (استریو) جمع‌آوری می‌کند. «پولکنین» می‌گوید: «وقتی اپراتور ماهواره، فورانی در سطح خورشید مشاهده می‌کند، می‌تواند پارامترهای سه‌گانه، شامل اندازه، سرعت و جهت آن را محاسبه کند.» مدل به دست‌آمده می‌تواند یک تا دو روز قبل از رسیدن توفان خورشیدی به «ای.پی.آر.آی»، هشدار لازم را به اپراتورهای صنعت برق آمریکای شمالی مخابره کند. «پولکنین» می‌گوید: «اگر اپراتورها چند روز قبل از وقوع توفان از آن آگاه شوند، می‌توانند تعمیرات خطوط اصلی انتقال را به تاخیر بیندازند و از این طریق وسعت شبکه را افزایش دهند. آنها همچنین می‌توانند به منظور حفظ پایداری شبکه، سیستم‌های ذخیره بیشتری را وارد شبکه کنند. اگر ترانسفورماتورها با مشکلی مواجه شوند، اپراتورها می‌توانند ظرفیت آنها را کاهش دهند یا آنها را از مدار خارج کنند. اگر توفان خیلی شدید باشد اقدام نهایی، از کار انداختن کل شبکه خواهد بود. در صورت خاموش بودن سیستم، جریان مستقیم اضافی به ترانسفورماتورها آسیب نمی‌رساند. البته این اقدام، آخرین ترفند اپراتورهاست چرا که از کار انداختن کل سیستم باعث خاموشی‌های موقت می‌شود. «لوردان» می‌گوید: «هدف صنعت برق، تامین نیروی برق به شکلی قابل اطمینان، بی‌خطر و مقرون به صرفه است. نیروگاه‌ها سیستم را به دقت زیر نظر دارند و تلاش می‌کنند در زمان توفان هم به درستی کار کنند. اگر سیستم نیروگاه‌ها به دلیل افت ولتاژ از کار بیفتد، باید منتظر پایان توفان بمانیم تا بتوانیم سیستم پشتیبان را فعال کنیم. اگر ترانسفورماتورها از کار بیفتند، سیستم می‌تواند تعداد محدودی از آنها را به مدار بازگرداند ولی اگر صدها ترانسفورماتور از کار بیفتد، بخش‌های صنعتی قطعات یدکی را به سرعت به مکان‌های مورد نیاز انتقال می‌دهند. اتحادیه اروپا در حال کار روی یک پروژه هشدار توفان‌های خورشیدی به نام «اسپیس کست» است که پیش‌بینی می‌شود تا ماه می ۲۰۱۲ عملیاتی شود.

● تلاش برای عدم غافلگیری

قابلیت عکس‌العمل در مقابل توفان خورشیدی، مانند همه بلایای طبیعی دیگر، در درجه اول به دقت مشاهدات و تلاش برای پیش‌بینی واقعه احتمالی بستگی دارد. همچنین باید مراقب بود که این توانایی بر اساس علم فیزیک و واقعیات برآمده از آن استوار باشد. «کانچز» می‌گوید: «کار مشکل‌تری هم پیش‌ رو داریم چرا که سیستم جوی فضا بسیار گسترده است. اگر خورشید را تا اندازه یک توپ بسکتبال کوچک کنیم، زمین در مقایسه با آن به اندازه ته یک سوزن ته‌گرد است. حالا برای تجسم فاصله میان زمین و خورشید باید توپ بسکتبال را در یک طرف زمین بسکتبال و ته سوزن ته‌گرد را در طرف دیگر آن قرار دهیم.» به‌علاوه، کسانی که وضعیت جوی فضا را پیش‌بینی می‌کنند، هنوز هم همه اطلاعات لازم را در اختیار ندارند تا بتوانند با قطعیت اعلام کنند که توفان در شرف وقوع، از نوعی است که در میدان الکترومغناطیسی زمین، جریان الکتریکی القا می‌کند یا خیر. «کانچز» ادامه می‌دهد: «قدرت یک «سی.‌ام.ای» تابعی است از میزان پلاریزه شدن میدان مغناطیسی زمین که به وسیله پلاسما احاطه می‌شود. درجه پلاریزه شدن تعیین می‌کند که یک توفان، زودگذر است یا بسیار قدرتمند. توفان‌های قوی‌تر، جریان‌های مغناطیسی شدیدتری القا می‌کنند. ولی این اطلاعات زمانی به دست می‌آید که توفان به نزدیکی زمین رسیده باشد. گاهی اوقات می‌توان در مراکز رصد فعالیت‌های خورشیدی مشاهده کرد که خورشید، ناگهان یک گلوله از ذرات باردار را مانند یک ضربه «چرخشی» در فوتبال به سمت ما پرتاب می‌کند. (ضربه چرخشی ضربه‌ای است که توپ ابتدا در مسیر حرکت می‌کند و سپس مسیرش به طور ناگهانی تغییر می‌کند-م) اگر از خورشید به زمین نگاه کنیم، خودمان را در میان ماهواره‌های «سوهو»، «استریو»، «نوا آ» و «گوئز» سرگردان و بی‌پناه می‌بینم. هنوز هم منتظریم یکی از ۱۰ یا ۲۰ «سی.‌ام.سی» خورشید که فعلا در تصاویر ماهواره‌ای از آنها خبری نیست، به ما برخورد کند.» دانشمندان رصدخانه‌های خورشیدی موفق به رصد برخی از رویدادهای مهم سطح خورشید نمی‌شوند و این رویدادها از چشم‌شان پنهان می‌ماند. این امکان نیز وجود دارد که رویدادهای ثبت‌شده با خطا همراه باشند. در ۲۱ ژوئن ۲۰۱۱ دانشمندان دچار خطای عجیبی شدند. «کانچز» ماجرا را این‌طور توضیح می‌دهد: «همه تجهیزات ما نشان می‌دادند که یک «سی.‌ام.ای» در حال حرکت به سمت زمین است. موضوع مثل روز روشن بود و کوچک‌ترین تردیدی وجود نداشت. هشدارهای لازم را مخابره کردیم، ولی کاشف به عمل آمد که هیچ توفانی در کار نیست.»

● عصر جدید در پیش‌بینی وضعیت جوی فضا

ماهواره‌هایی نظیر «رصدخانه دینامیک خورشیدی ناسا (اس.اُ.دی) که به تازگی به فضا پرتاب شده است، می‌تواند پاسخ بسیاری از سوالات را بدهد. این ماهواره به صورت ۲۴ ساعته در حال رصد خورشید با وضوح تصویر بسیار بالاست و عکس‌هایی به فاصله چند دهم ثانیه و در طول موج‌های مختلف از خورشید می‌گیرد. «پولکنین» می‌گوید: یکی از اهداف «اس.اُ.دی» این است که کلید حل معمای فوران‌های خورشیدی را در اختیارمان بگذارد. گروه «اس.اُ.دی» نمی‌تواند زمان وقوع فوران‌ها را پیش‌بینی کند ولی می‌تواند آنها را رصد کند و امکان پیش‌بینی توفان را به ما بدهد. ما هم‌اکنون از دیدگاه پیش‌بینی شرایط جوی در فضا، دوران بسیار هیجان‌انگیزی را سپری می‌کنیم. برای اولین‌بار در تاریخ می‌توانیم یک تا دو روز مانده به توفان‌های خورشیدی آنها را پیش‌بینی و خورشید را از طریق ماهواره رصد کنیم. اولین‌بار است که مدل‌های کامل و توان محاسباتی لازم برای استفاده آن مدل‌ها را در اختیار داریم. «کانچز» معتقد است مهم‌ترین جنبه پیش‌بینی وضعیت جوی فضا و کاهش اثرات مخرب آن، ارتباط و همکاری سازنده است. او می‌گوید: «باید در مورد خورشید، بهترین آموزش‌های ممکن ارائه شود. در تمام سطوح حکومتی از جمله «ستاد مدیریت حوادث غیرمترقبه»، این طرز تفکر وجود دارد که باید به مطلوب‌ترین نحو ممکن در مورد وضعیت جوی فضا با یکدیگر در ارتباط باشیم.»

ترجمه: مسعود توکلی

www.NationalGeographic.com

www.wtsp.com