ايتنا - آب و هوای نامساعد خورشیدی باعث سقوط ماهواره‌ها از مدار می‌شود

در اواخر سال ۲۰۲۱ اپراتورهای صورت فلکی سوارم آژانس فضایی اروپا (ESA) متوجه چیزی نگران‌کننده شدند: ماهواره‌هایی که میدان مغناطیسی اطراف زمین را اندازه‌گیری می‌کنند، با سرعت غیرمعمول و سریع به‌سمت جوّ فرو رفتند و سرعت آنها ۱۰ برابر سریع‌تر از قبل بود.

این تغییر با شروع چرخه جدید خورشیدی همزمان شد و کارشناسان فکر می‌کنند ممکن است آغاز سال‌های دشواری برای فضاپیماهایی باشد که به دور سیاره ما می‌چرخند.

به گزارش ایتنا و به نقل از اسپیس، آنیا استروم (مدیر مأموریت Swarm ESA) می‌گوید: «در پنج تا شش سال گذشته، ماهواره‌ها حدود دو و نیم کیلومتر در سال منحرف می‌شدند و فرو می‌رفتند. اما از ماه دسامبر سال گذشته، آنها عملاً در حال سقوط هستند. نرخ این انحراف و فرورفتگی بین ماه‌های دسامبر و آوریل ۲۰ کیلومتر در سال بوده است».

گفتنی است ماهواره‌هایی که به دور زمین می‌چرخند، همیشه با کشش (drag) اتمسفر باقی‌مانده مواجه می‌شوند، که به تدریج فضاپیما را کند می‌کند و در نهایت باعث می‌شود دوباره به سمت سیاره سقوط کنند.

البته آنها معمولاً از این به اصطلاح «ورود دوباره» جان سالم به در نمی‌برند و در جوّ می‌سوزند. این کشش اتمسفر، کنترل‌کننده‌های ایستگاه فضایی بین‌المللی را مجبور می‌کند تا برای حفظ مدار ۴۰۰ کیلومتری ایستگاه در بالای زمین، مانورهای منظم «راه‌اندازی مجدد» انجام دهند.

این کشش همچنین به پاکسازی محیط نزدیک به زمین از زباله‌های فضایی کمک می‌کند. دانشمندان می‌دانند که شدت این کشش به فعالیت خورشیدی بستگی دارد؛ یعنی به مقدار باد خورشیدی که توسط خورشید وزیده می‌شود که بسته به چرخه ۱۱ ساله خورشیدی متفاوت است.

تازه‌ترین چرخه، که به‌طور رسمی در ماه دسامبر سال ۲۰۱۹ به پایان رسید، حالتی نسبتاً خفته داشت؛ چرا که لکه‌های خورشیدی ماهانه تعداد کمتری داشتند و حداقل مدت‌زمان برای انجام هرگونه فعالیتی نیز افزایش پیدا کرده بود.

اما از پاییز گذشته، این ستاره از خواب بیدار شده است، بادهای خورشیدی بیشتری به بیرون می‌فرستد و لکه‌های خورشیدی، شعله‌های خورشیدی و پرتاب‌های جرم تاجی با سرعت رو به رشدی در پیش گرفته است. جوّ فوقانی زمین نیز تأثیرات آن را احساس کرده است.

استروم می‌گوید: «قوانین فیزیکی پیچیده‌ای وجود دارند که ما هنوز به‌طور کامل در لایه‌های بالایی جوّ که در آن با باد خورشیدی برهم‌کنش می‌کند، به آنها پی نبرده‌ایم. ما می‌دانیم که این فعل و انفعال باعث بالا آمدن جوّ می‌شود؛ بدان معنا که هوای متراکم‌تر به سمت بالا و به ارتفاعات بالاتر منتقل می‌شود».

هوای متراکم‌تر به معنای کشش بیشتر ماهواره‌ها است. حتی با وجود اینکه این چگالی هنوز در ۴۰۰ کیلومتری بالای زمین بسیار اندک است، اما افزایش ناشی از بالا آمدن اتمسفر به اندازه‌ای است که عملاً برخی از ماهواره‌های در مدار پایین را به شدت پایین بیاورد.

استروم اظهار می‌دارد: «تقریباً مانند دویدن در خلاف جریان باد است؛ یعنی انجام کاری سخت در اثر کشش. بدین‌ترتیب سرعت ماهواره‌ها کند می‌گردد و وقتی سرعتشان کم شود، فرو می‌افتند یا به اصطلاح غرق می‌شوند.»

صورت فلکی Swarm که در سال ۲۰۱۳ به فضا پرتاب شد، متشکل از سه ماهواره است که دو ماهواره در ارتفاع ۴۳۰ کیلومتری، حدود ۳۰ کیلومتر بالاتر از ایستگاه فضایی بین‌المللی قرار دارند و به دور زمین می‌چرخند.

سومین ماهواره Swarm تا حدودی بالاتر دور زمین می‌گردد؛ در حدود ۵۱۵ کیلومتر بالاتر از سطح زمین. استروم بیان می‌کند دو فضاپیمایی که مدار پایین‌تری داشتند، بیشتر از ماهواره‌های بلندتر مورد اصابت نور خورشید قرار گرفتند.

گفتنی است وضعیت دو ماهواره پایینی آنقدر مخاطره‌آمیز شد که تا ماه مه، اپراتورها مجبور شدند برای نجات این ماهواره‌ها، ارتفاع آنها را با استفاده از نیروی محرکه هواپیما افزایش دهند.

ماهواره‌های Swarm ESA تنها فضاپیمایی نیستند که با بدتر شدن آب‌وهوای فضا دست‌وپنجه نرم می‌کنند. در ماه فوریه، شرکت اسپیس‌ایکس ۴۰ ماهواره کاملاً جدید استارلینک را که درست پس از پرتاب مورد اصابت طوفان خورشیدی قرار گرفتند، از دست داد.

در طی چنین طوفان‌هایی، ماهواره‌ها به‌طور ناگهانی به ارتفاعات پایین‌تر سقوط می‌کنند. هرچه مدار ماهواره‌ها در هنگام برخورد طوفان خورشیدی کمتر باشد، خطر ناتوانی فضاپیما بیشتر می‌شود و اپراتورها با درماندگی به تماشای سقوط این فضاپیما در جوّ می‌پردازند.

ماهواره‌های استارلینک دارای مدار عملیاتی ۵۵۰ کیلومتری هستند که بالاتر از منطقه‌ای است که در معرض خطر قرار دارد. اما موشک‌های فالکون ۹ پس از پرتاب، دسته‌های ماهواره‌ها را در ارتفاع بسیار پایین و تنها در حدود ۳۵۰ کیلومتر بالاتر از زمین قرار می‌دهند.

سپس شرکت اسپیس‌ایکس مدار ماهواره‌ها را با استفاده از واحدهای نیروی محرکه درون‌ساخت در ماهواره‌ها، بالا می‌برد. این شرکت می‌گوید این رویکرد مزایایی دارد؛ زیرا هر ماهواره که پس از پرتاب با مشکلات فنی مواجه شود، به سرعت به زمین باز می‌گردد و به زباله‌های فضایی مزاحم تبدیل نمی‌شود.

با این حال، رفتار فزاینده و غیرقابل پیش‌بینی خورشید، این ماهواره‌ها را در برابر حوادث ناگوار آسیب‌پذیر می‌کند.

فضای جدید و خورشید غیرقابل پیش‌بینی

استروم می‌گوید همه فضاپیماهای با ارتفاع حدود ۴۰۰ کیلومتر از سطح زمین، احتمالاً با مشکل مواجه خواهند شد. این فضاپیماها شامل ایستگاه فضایی بین‌المللی نیز می‌شوند که برای شناور ماندن باید مانورهای تقویت مجدد مکرر انجام دهد.

همچنین صدها کیوب‌ست یا ماهواره مکعبی کوچکی که در دهه گذشته در مدار پایین زمین قرار گرفته‌اند نیز در معرض چنین خطراتی قرار دارند.

استروم می‌افزاید: «بسیاری از این ماهواره‌های جدید سامانه‌های محرکه ندارند. آنها راهی برای بلند شدن ندارند؛ به این معنی که در مدار عمر کوتاه‌تری خواهند داشت».

بر حسب تصادف (یا اصطلاحاً شانس مبتدی)، شروع انقلاب فضایی جدید، در طول همان چرخه خورشیدی خفته رخ داد.

این اپراتورهای جدید اکنون با نخستین بیشینه خورشیدی روبرو هستند. اما داستان به همینجا ختم نمی‌شود.

فعالیت خورشید در سال گذشته بسیار شدیدتر از آن چیزی بود که پیش‌بینی‌کنندگان هوای خورشیدی می‌پنداشتند؛ چرا که لکه‌های خورشیدی بیشتر بودند، پرتاب‌های جرم تاجی بیشتر شد و بادهای خورشیدی بیشتری به سیاره ما برخورد می‌کردند.

هیو لوئیس (استاد مهندسی و علوم فیزیکی در دانشگاه ساوتهمپتون در بریتانیا که رفتار ماهواره‌ها را در مدار پایین زمین مطالعه می‌کند)، می‌گوید: «فعالیت خورشیدی بسیار بالاتر از میزانی است که به‌طور رسمی پیش‌بینی شده است.

در واقع، فعالیت فعلی در حال حاضر کاملاً به سطح بیشینه پیش‌بینی‌شده برای این چرخه خورشیدی نزدیک است و ما هنوز دو تا سه سال با بیشینه خورشیدی فاصله داریم.»

استروم ضمن تأیید این مشاهدات می‌گوید: «چرخه خورشیدی ۲۵ که اکنون وارد آن می‌شویم، در حال حاضر به شدت رو به افزایش است.

ما نمی‌دانیم آیا این بدان معنی است که با چرخه خورشیدی بسیار سهمگینی روبرو خواهیم شد یا خیر؛ چرا که می‌تواند کند شود و می‌تواند به یک چرخه خورشیدی بسیار ضعیف تبدیل شود. اما در حال حاضر، به سرعت در حال افزایش است».

پاکسازی مدارها

با اینکه فعالیت شدید خورشیدی برای اپراتورهای ماهواره‌ای خبر بدی است (چرا که شاهد کاهش طول عمر مأموریت‌های خود خواهند بود و حتی ماهواره‌های دارای پیشرانه داخل فضاپیما نیز به دلیل نیاز به افزایش ارتفاع مکرر سوختشان بسیار سریعتر تمام می‌شود)، اما این وضعیت بر فضای اطراف زمین اثرات تصفیه و پاکسازی مناسبی خواهد داشت.

علاوه بر افزوده شدن صدها ماهواره جدید در دهه گذشته، این منطقه از فضا مملو از مقدار نگران‌کننده‌ای از زباله‌های فضایی (یعنی ماهواره‌های قدیمی، مراحل پرتاب موشک و قطعات مورد اصابت قرار گرفته) است.

محققانی مانند لوئیس مدت‌ها هشدار داده‌اند که آشغال‌های موجود در سراسر کره زمین، ایمنی خدمات ماهواره‌ای را تهدید می‌کنند و اپراتورها را مجبور می‌سازند تا مانورهای اجتنابی مکرر انجام دهند.

علاوه بر این، این زباله‌ها ممکن است باعث ایجاد یک موقعیت غیرقابل کنترل شوند که با عنوان «سندرم کسلر» شناخته می‌شود و منظور از آن یک آبشار غیرقابل توقف از برخوردهاست؛ همانطور که در فیلم برنده اسکار سال ۲۰۱۳ با نام «گرانش» نیز به تصویر کشیده شد.

لوئیس می‌گوید: «به‌طور کلی، افزایش فعالیت خورشیدی – و تأثیر آن بر اتمسفر فوقانی – از منظر زباله‌های فضایی خبر خوبی است، زیرا طول عمر مداری زباله‌ها را کاهش می‌دهد و زمینه‌ساز «خدمات تمیز کردن» مفیدی خواهد شد».

به گفته جاناتان مک داول (کارشناس زباله‌های فضایی در مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونیان)، این اثر مثبت اکنون نیز قابل مشاهده است؛ زیرا قطعات تولیدشده توسط آزمایش موشک ضدماهواره روسیه در ماه نوامبر سال ۲۰۲۱ اکنون بسیار سریعتر از قبل سقوط می‌کنند. با این حال، این فرآیند پاکسازی یک جنبه منفی نیز دارد.

لوئیس اظهار می‌دارد: «افزایش نرخ پوسیدگی اجسام زباله را می‌توان تقریباً مانند باران دانست. زمانی که فعالیت خورشیدی زیاد باشد، میزان «باران» بیشتر است و مأموریت‌ها در ارتفاعات پایین‌تر به‌طور بالقوه جریان بیشتری از زباله‌ها را تجربه خواهند کرد.»

شار و جریان بیشتر زباله به معنای نیاز به مانورهای اجتناب از سوختن سوخت مکرر و افزایش موقت خطر برخورد است که به‌طور بالقوه می‌تواند قطعات خطرناک‌تری ایجاد کند.

استروم و همکاران وی در حال حاضر سرگرم افزایش مدار دو ماهواره Swarm مدار پایین به میزان ۴۵ کیلومتر هستند. او می‌افزاید ممکن است ماهواره‌ها در اواخر امسال به تنظیمات بیشتری نیاز داشته باشند.

هدف، کمک به این مأموریت است که در حال حاضر در نهمین سال خود و فراتر از عمر برنامه‌ریزی شده اولیه خود قرار دارد تا بتواند از چرخه خورشیدی عبور کند. اینکه این گروه پژوهشی موفق شود این کار را به انجام برساند یا نه، تا حد زیادی به رفتار خورشید بستگی دارد.

استروم در پایان می‌گوید: «ما هنوز هم مقداری سوخت داریم که امیدواریم از چرخه خورشیدی دیگری عبور کنیم. اگر چرخه خورشیدی مثل الان رشد کند، قبل از اتمام این چرخه، سوخت مصرف خواهد شد. ولی اگر کمی کند شود، ممکن است این میزان سوخت را برای چرخه خورشیدی ذخیره کنیم».