باد خورشیدی چیست و چگونه بر روی زمین تأثیر می‌گذارد؟

به گفته ناسا JPL، در نهایت پلاسما آنقدر داغ می‌شود که گرانش خورشید دیگر نمی‌تواند جلوی آن را بگیرد و بنابراین در قالب باد خورشیدی به فضا پرتاب می‌شود و میدان مغناطیسی خورشید را نیز به همراه خود می‌کشاند.
 
پارکر به یاد می‌آورد که نظریه او در آن زمان به‌طور گسترده‌ای مورد انتقاد قرار گرفت. نخستین منتقد مقاله گفت: «خب من پیشنهاد می‌کنم پارکر به کتابخانه برود و قبل از اینکه بخواهد مقاله‌ای در مورد آن بنویسد، این موضوع را خیلی خوب مطالعه کند؛ زیرا این چیزی که نوشته شده، مزخرف محض است».
 
سرانجام سوبرهمانیان چاندراسکار (اخترفیزیکدان که چندین دهه بعد نام او به رصدخانه پرتو ایکس «چاندرا»ی ناسا تبدیل شد)، از این نظریه پشتیبانی به‌عمل آورد.

دانشگاه شیکاگو اظهار می‌دارد اگرچه چاندراسکار به ایده ذرات علاقه‌ای نداشت، اما نظریه پارکر را پذیرفت؛ زیرا نتوانست هیچ مشکلی در محاسبات ریاضی پارکر پیدا کند.
 
سپس در سال ۱۹۶۲ فضاپیمای مارینر ۲ ناسا وجود ذرات باد خورشیدی را در طول سفر خود به زهره شناسایی کرد.
 
علاوه بر جریان‌های ثابت باد خورشیدی، گاهی اوقات خورشید مقادیر زیادی از آن ذرات باردار را در یک حرکت بیرون می‌دهد.

این رویدادها که به‌عنوان پرتاب جرم تاجی (CME) شناخته می‌شوند، می‌توانند باعث ایجاد طوفان‌های ژئومغناطیسی در محیط اطراف زمین شوند که با نمایش‌های زیبای شفق قطبی مرتبط هستند.

اما این رویدادها همچنین می‌توانند شبکه‌های برق، شبکه‌های مخابراتی و ماهواره‌هایی را که به دور سیاره می‌چرخند، ویران کنند.
 

باد خورشیدی تا کجا می‌وزد؟

 
در منظومه شمسی، باد خورشیدی از مدار پلوتو بسیار فراتر می‌رود و یک «حباب» بزرگ به نام «هلیوسفر» تشکیل می‌دهد.
 
طبق بیانیه نهاد فضایی اروپا، نزدیکترین مرز هلیوسفر حدود ۱۰۰ واحد نجومی از خورشید فاصله دارد. لازم به توضیح است که یک واحد نجومی یا AU، برابر است با میانگین فاصله زمین تا خورشید، که تقریباً معادل ۱۵۰ میلیون کیلومتر است.
 
هلیوسفر به‌عنوان یک سپر محافظ عمل می‌کند و در برابر پرتوهای کیهانی متشکل از ذرات پر انرژی که می‌تواند به سلول‌های زنده آسیب برساند، از ما زمینیان محافظت می‌کند. پرتوهای کمیک (Comic) در خارج از منظومه شمسی تولید می‌شوند و شعله آنها تقریباً با سرعت نور منتشر می‌شود.
 
بدون حباب محافظ، این قطعات پرانرژی دائماً زمین را بمباران می‌کردند. ریچارد مارسدن، هلیوفیزیکدان می‌گوید: «بدون هلیوسفر، زندگی مطمئناً به‌طور متفاوتی تکامل می‌یافت؛ و شاید هم اصلاً تکامل پیدا نمی‌کرد».

سرعت باد خورشیدی

 
اگرچه باد خورشیدی به‌طور مداوم از خورشید جریان می‌یابد، ولی ویژگی‌های آن همچون چگالی و سرعت در طول چرخه ۱۱ ساله فعالیت خورشید متفاوت است.
 
در طول این چرخه، تعداد لکه‌های خورشیدی، سطوح تشعشع، و مواد پرتاب‌شده، از بیشینه خورشیدی تا کمینه خورشیدی در نوسان هستند. این تغییرات بر خواص باد خورشیدی از جمله قدرت میدان مغناطیسی آن، سرعت حرکت، دما و چگالی آن تأثیر می‌گذارد.
 
بنابر داده‌های تارنمای پیش‌بینی هوای فضایی SpaceWeatherLive.com، میانگین سرعت ثابت باد خورشیدی در زمین حدود ۳۰۰ کیلومتر در ثانیه است.
 
باد خورشیدی با سرعت متوسط ۱٫۴ میلیون کیلومتر در ساعت حرکت می‌کند. گفتنی است یک طوفان رده ۵ می‌تواند به سرعت ۲۴۱ کیلومتر در ساعت برسد.
 
در طول پرواز مارینر ۲ بر فراز سیاره ناهید، این فضاپیما نه تنها وجود باد خورشیدی را شناسایی کرد، بلکه دو جریان متمایز باد خورشیدی را نیز تشخیص داد: یکی تند و دیگری کُند. به گفته ناسا، جریان آهسته حدود ۲۱۵ مایل بر ثانیه گزارش شد، در حالی که جریان پرشتاب با دو برابر آن سرعت داشت.
 
منشأ جریان پرشتاب باد خورشیدی، در سال ۱۹۷۳ و با استفاده از تصاویر پرتو ایکس گرفته‌شده از تاج خورشید توسط Skylab شناسایی شد.

علت بادهای پرشتاب خورشیدی، حفره‌های تاجی بودند؛ یعنی مناطق خنک‌تر خورشید با ساختار خط میدان مغناطیسی باز که به باد خورشیدی اجازه می‌دهند با نسبتاً سهولت بیشتری فرار کند.
 
بادهای خورشیدی پرشتاب غیرعادی می‌توانند در طی رویدادهای پرتاب جرم تاجی (CME) ایجاد شوند. بنابر گزارش SpaceWeatherLive.com، در طول پرتاب جرم تاجی، سرعت باد می‌تواند به بیش از ۱۰۰۰ کیلومتر در ثانیه برسد.
 
مأموریت ناسا با نام «اولیس» که در سال ۱۹۹۰ به فضا پرتاب شد، در زمانی که به دور قطب‌های خورشید می‌چرخید، سرنخ‌هایی از منشأ جریان باد آهسته آشکار کرده بود. این امر نشان می‌داد که در دوره‌های کمینه فعالیت خورشیدی، باد خورشیدی عمدتاً از استوای خورشید نشأت می‌گیرد.
 
بنابر بیانیه ناسا در مورد کاوشگر خورشیدی پارکر و تولد باد خورشیدی، همزمان که چرخه خورشیدی به‌سمت بیشینه خود پیش می‌رود، ساختار باد خورشیدی از دو رژیم متمایز (یعنی تند در قطب‌ها و کند در استوا) به یک جریان مخلوط و ناهمگن تغییر می‌کند.
 
کاوشگر خورشیدی پارکر در طول مأموریت هفت ساله خود برای رصد خورشید به بررسی این معما خواهد پرداخت. در واقع این نوید بزرگی برای کسب یک درک جدید و بنیادی است.
 

اثرات باد خورشیدی

 
نیکی فاکس (مدیر بخش هلیوفیزیک در ناسا) می‌گوید: «احساس من این است که اگر خورشید عطسه کند، زمین سرما می‌خورد؛ زیرا به لطف باد خورشیدی، ما همیشه تأثیر اتفاقاتی که در خورشید روی می‌دهد را در زمین احساس می‌کنیم».
 
در زمین، باد خورشیدی زمینه‌ساز نمایش‌های خیره‌کنندهٔ نور شفق در اطراف مناطق قطبی است. در نیمکرهٔ شمالی، این پدیده را شفق‌های شمالی (aurora borealis) می‌دانند و در نیمکرهٔ جنوبی، آن را شفق‌های جنوبی (aurora australis) می‌نامند.
 
اگر سرعت بادهای خورشیدی به اندازه کافی زیاد باشد، در اینصورت طوفان‌های ژئومغناطیسی ایجاد می‌شوند که نسبت به شرایط جوّی فضایی آرام‌تر، می‌توانند منجر به گسترش شفق‌های قطبی نزدیکتر به استوا شوند.
 
طوفان‌های ژئومغناطیسی می‌توانند ماهواره‌ها و شبکه‌های برق را نیز ویران کنند و که برای فضانوردان ساکن در فضا، یک تهدید به‌شمار می‌رود.

در طول این طوفان‌ها، فضانوردان در ایستگاه فضایی بین‌المللی باید به‌دنبال سرپناه بروند. همچنین تمام پیاده‌روی‌های فضایی متوقف می‌شوند و ماهواره‌های حساس خاموش می‌شوند تا زمانی که طوفان تشعشعی سپری شود.
 
اسپیس‌ایکس قبلاً آسیب‌هایی را مشاهده کرده که آب‌وهوای فضا می‌تواند وارد کند، یعنی در ماه فوریه سال ۲۰۲۲ که طوفان ژئومغناطیسی، ۴۰ ماهواره استارلینک به ارزش بیش از ۵۰ میلیون دلار را نابود کرد.
 
همانطور که ماهواره‌های استارلینک در مدارهای بسیار کم‌ارتفاع (۱۰۰ تا ۲۰۰ کیلومتر) رها می‌شوند، برای غلبه بر نیروی پسا (drag) به موتورهای سوار بر خود متکی هستند و خود را تا ارتفاع نهایی حدود ۵۵۰ کیلومتر بالا می‌برند.
 
در طول یک طوفان ژئومغناطیسی، جوّ زمین انرژی طوفان‌ها را جذب می‌کند، گرم می‌شود و سپس منبسط می‌شود و به‌سمت بالا می‌رود که این امر سبب می‌گردد ترموسفر (که از حدود ۸۰ کیلومتر تا تقریباً ۱۰۰۰ کیلومتر بالای سطح زمین گسترش می‌یابد)، تا حد قابل توجهی متراکم‌تر شود.
 
ترموسفر متراکم‌تر به معنای کشش بیشتر است که می‌تواند برای ماهواره‌ها مشکل‌ساز باشد. در ماه فوریه سال ۲۰۲۲ دسته‌ای از ماهواره‌های استارلینک که به‌تازگی به فضا پرتاب شده بودند، نتوانستند بر نیروی کشش افزایش‌یافته ناشی از طوفان ژئومغناطیسی غلبه کنند و دوباره به زمین سقوط کردند و در نهایت در جوّ سوختند.
 
آب و هوای خورشیدی می‌تواند عواقب بسیار سهمگینی در پی داشته باشد، بنابراین افزایش درک، نظارت و پیش‌بینی ما از چنین رویدادهایی بسیار مهم است. دانشمندان برای درک بهتر آب و هوای فضا و بهبود پیش‌بینی آن به مطالعه باد خورشیدی می‌پردازند.
 
ناسا می‌گوید: «ما نمی‌توانیم از شرایط آب و هوای فضا چشم‌پوشی کنیم، اما می‌توانیم اقدامات مناسبی برای محافظت از خود اتخاذ نماییم».
 

دانشمندان چگونه باد خورشیدی را مطالعه می‌کنند؟

 
مأموریت‌های هلیوفیزیک، به مطالعه خورشید و تأثیر آن بر منظومه شمسی می‌پردازند؛ از جمله اثرات باد خورشیدی.
 
به گفته ناسا، هدف از این مأموریت‌ها «درک همه موارد است؛ از نحوه شکل‌گیری جوّ سیاره‌ها گرفته تا اینکه چگونه آب و هوای فضا می‌تواند بر فضانوردان و فناوری نزدیک به زمین تاثیرگذار باشد؛ و تا قوانین فیزیک که در محدوده نزدیک به ما در فضا حاکم هستند».
 
گفتنی است درک محیط خورشیدی کار ساده‌ای نیست و به همین دلیل است که ناوگان کاملی از مأموریت‌های فضایی برای درک خورشید ما و رفتار آن وجود دارد. این مأموریت‌ها را می‌توان در مجموع به‌عنوان یک رصدخانه واحد، یا رصدخانه سامانه هلیوفیزیک (HSO) در نظر گرفت.
 
این رصدخانه متشکل از چندین فضاپیمای خورشیدی برای بررسی هلیوسفر، زمین‌فضا و سیاره‌هاست؛ از جمله کاوشگر خورشیدی پارکر (مأموریتی جسورانه است برای «لمس کردن» خورشید)، رصدخانه خورشیدی و هلیوسفر یا SOHO (تلاش مشترک میان ناسا و آژانس فضایی اروپا)، رصدخانه روابط زمینی خورشیدی یا STEREO متشکل از دو رصدخانه تقریباً یکسان، یکی جلوتر از مدار زمین و دیگری در عقب، و همینطور مدارگرد خورشیدی آژانس فضایی اروپا که برای نخستین بار مناطق قطبی ناشناخته خورشید را مورد کاوش قرار می‌دهد.