العواصف الشمسية تهدد مستقبل الأقمار الصناعية

تأثير تلوث المناخ على الأقمار الصناعية

توصلت دراسة جديدة إلى أن الأقمار الصناعية، بما في ذلك تلك المستخدمة في نظام تحديد المواقع العالمي والاتصالات، ستواجه مخاطر أكبر في العقود القادمة خلال العواصف المغناطيسية الأرضية التي تسببها الشمس بسبب تأثير التلوث المناخي على الغلاف الجوي للأرض.

من المرجح أن يؤدي تزايد حجم ثاني أكسيد الكربون الذي يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الكوكب في الغلاف الجوي العلوي إلى جعل الهواء أقل كثافة، في حين أن العواصف المغناطيسية الأرضية لها تأثير معاكس: قد تتسبب التغيرات السريعة في الكثافة الناتجة عن ذلك في حدوث مشاكل خطيرة لعمليات الأقمار الصناعية.

تأتي هذه الدراسة، التي نُشرت في مجلة "رسائل البحوث الجيوفيزيائية"، في وقت يتزايد فيه اعتماد العالم على شبكات الأقمار الصناعية في كل شيء بدءاً من الوصول إلى الإنترنت إلى الملاحة، فضلاً عن التطبيقات العسكرية.

العواصف الجيومغناطيسية وتأثيرها على الاتصالات

تحدث العواصف الجيومغناطيسية عندما تتفاعل الجسيمات المشحونة من الشمس مع الغلاف الجوي العلوي للأرض. ويتمثل تأثيرها الأكثر وضوحاً في الشفق الذي يضيء السماء بالضوء الأخضر والأرجواني والوردي. لكن العواصف القوية يمكن أن تعيث فساداً في عمليات الأقمار الصناعية والاتصالات.

فهي يمكن أن تزيد من كثافة الهواء في هذه الطبقات العليا الرقيقة، مما يجعل من الصعب على الأقمار الصناعية الحفاظ على سرعتها وارتفاعها وربما تجعلها تغرق، مما يقلل من عمرها التشغيلي.

ووجد الباحثون، باستخدام حاسوب عملاق لنمذجة التغيرات في الغلاف الجوي للأرض بأكمله، أن العواصف المغناطيسية الأرضية في وقت لاحق من هذا القرن والتي ستكون بنفس شدة العواصف التي تحدث اليوم ستسبب ارتفاعات أكبر في كثافة الغلاف الجوي لأن الغلاف الجوي العلوي للأرض سيكون أقل كثافة بشكل عام.

وقال المؤلف الرئيسي نيكولاس بيداتيلا من المركز الوطني لأبحاث الغلاف الجوي: "بالنسبة لصناعة الأقمار الصناعية، هذا سؤال مهم بشكل خاص بسبب الحاجة إلى تصميم الأقمار الصناعية لظروف جوية محددة".

كيف تؤثر العواصف على كثافة الهواء

وقال بيداتيلا إن وجود غلاف جوي أقل كثافة يعني أن الأقمار الصناعية في المستقبل ستواجه سحباً أقل، وهذا يمكن أن يطيل من عمرها، كما أنه سيؤدي إلى تفاقم مشكلة وجود المزيد من المخلفات الفضائية في المدار الأرضي المنخفض.

Loading image...

كان العلماء يعرفون بالفعل أن الغلاف الجوي العلوي من المرجح أن يصبح أقل كثافة مع ارتفاع درجة حرارة المناخ، مع انخفاض تركيز الجسيمات غير المؤينة مثل الأكسجين والنيتروجين. ويرجع ذلك جزئيًا إلى كيفية تأثير التركيزات الأعلى لثاني أكسيد الكربون على درجات الحرارة في الغلاف الجوي العلوي، والذي يؤثر بدوره على كثافة الهواء.

دراسة حالة: العاصفة المغناطيسية في مايو

لكن هذه الدراسة تفتح آفاقاً جديدة من خلال إظهار مدى تغير كثافة الغلاف الجوي خلال العواصف المغناطيسية الأرضية القوية.

استخدم الباحثون العاصفة المغناطيسية الأرضية القوية في مايو الماضي كدراسة حالة. في ذلك الوقت، تفاعلت سلسلة من المقذوفات الكتلية الإكليلية القوية من الشمس مع الغلاف الجوي للأرض، مما أدى إلى تعطيل وحتى إتلاف الأقمار الصناعية وأدى إلى عروض رائعة للشفق القطبي الشمالي في أقصى الجنوب بشكل غير عادي.

تحليل استجابة الغلاف الجوي للعواصف

قام العلماء بتحليل كيفية استجابة الغلاف الجوي لنفس الحدث في سنوات مختلفة: 2040 و 2061 و 2084.

ولإجراء التجربة، استخدموا حاسوبًا فائقًا يمكنه محاكاة الغلاف الجوي للأرض بأكمله، بما في ذلك الطبقات العليا الرقيقة لإظهار كيف يمكن للتغيرات في تكوين المستويات الدنيا أن تغير الخصائص على ارتفاعات أعلى بكثير.

وقد وجد الباحثون أنه بحلول وقت لاحق من هذا القرن، سيكون الغلاف الجوي العلوي أقل كثافة بنسبة 20% إلى 50% في ذروة عاصفة شمسية مشابهة لعاصفة 2024. سيكون التغير النسبي أكبر، حيث ستنتقل الكثافة من تضاعف الكثافة خلال مثل هذا الحدث إلى ثلاثة أضعاف محتملة.

التغيرات المستقبلية في كثافة الغلاف الجوي

ويمكن أن يؤدي هذا الاختناق السريع في كثافة الغلاف الجوي إلى إلحاق الضرر بشبكات الأقمار الصناعية الحرجة وبالتالي التسبب في مشاكل للمجتمع على سطح الأرض.

وقال بيداتيلا إنه كلما كان الارتفاع أكبر، كلما كان التأثير أكبر على مدار القمر الصناعي: "إذا كان لديك زيادة كبيرة حقاً في الكثافة، فإن القمر الصناعي سينخفض نوعاً ما بالقرب من الأرض."

التأثيرات على تصميم الأقمار الصناعية

وأضاف أن الأقمار الصناعية التي يتم تصميمها اليوم تحتاج إلى أخذ هذه التأثيرات المتعلقة بتغير المناخ في الاعتبار، بدلاً من أن تستند هندستها على الحسابات التاريخية.

وقال: "قد تعتقد، 'حسناً، بالنسبة لهذا الحجم من العاصفة (المغناطيسية الأرضية)، أتوقع استجابة هذه الكثافة'. ولكن بعد 30 عامًا من الآن، سيكون لهذا الحجم من العاصفة حجم استجابة مختلف محتمل".