اگر قطبهای مغناطیسی زمین معکوس شوند، چه بلایی بر سر ماهوارهها میآید؟
زومیت: در حال حاضر حدود ۱۵۰۰۰ ماهواره فعال در مدار پایین زمین وجود دارد و اگرچه احتمال معکوس شدن قطب های مغناطیسی در آینده نزدیک کم است، اما این پدیده دور از ذهن نیست.
میدان مغناطیسی زمین سپر حیاتی در برابر تشعشعات فضایی ایجاد می کند و بدون آن ماهواره ها در معرض خطر بیشتری قرار دارند که می تواند عمر مفید آنها را کوتاه کند.
ماهواره های کوچکتر به ویژه برای ناوبری به میدان مغناطیسی متکی هستند و یک میدان مغناطیسی ضعیف یا معکوس جهت گیری آنها را مختل می کند.
حفظ جهت گیری ماهواره ها نیز دشوار است. زیرا بسیاری از آنها از میله های گشتاور برای کنترل تکانه زاویه ای استفاده می کنند و در صورت عدم وجود میدان مغناطیسی تخلیه این تکانه دشوارتر خواهد بود.
پس از معکوس شدن قطب ها و بازگشت میدان مغناطیسی به جهت مخالف، احتمالا ماهواره ها می توانند به عملکرد عادی خود ادامه دهند، اما چالش اصلی عبور از دوره میدان مغناطیسی ضعیف است که طول آن هنوز مشخص نیست.
ما اکنون حدود ۱۵۰۰۰ ماهواره فعال را در مدار پایین زمین قرار داده ایم. اگرچه احتمال معکوس شدن قطب های مغناطیسی زمین در آینده نزدیک کم است، اما شواهد زمین شناسی نشان می دهد که دور از ذهن نیست و ما نمی توانیم به طور دقیق پیش بینی کنیم که چه هشداری را قبل از وقوع آن دریافت خواهیم کرد. این یک سوال مهم را مطرح می کند: اگر چنین تغییری در آینده نزدیک رخ دهد، چه تاثیری بر زیرساخت های حیاتی وابسته به ماهواره ها خواهد داشت؟
زمین توسط میدان مغناطیسی احاطه شده است که از هسته آن سرچشمه می گیرد و از ما در برابر انواع پدیده های جوی فضایی محافظت می کند. بسیاری از دانشمندان بر این باورند که بدون این میدان، زندگی بر روی زمین غیرممکن خواهد بود. هنگامی که سنگ های غنی از آهن حاصل از گدازه های آتشفشانی سرد می شوند، جهت میدان مغناطیسی غالب در آن زمان را به خود می گیرند و پس از سرد شدن این جهت را حفظ می کنند. این ویژگی به ما امکان می دهد تغییرات گذشته در جهت و قدرت میدان مغناطیسی زمین را ردیابی کنیم و نشان می دهد که گاهی اوقات میدان مغناطیسی به طور ناگهانی معکوس می شود.
علت دقیق معکوس ها هنوز به طور کامل شناخته نشده است، اما فراوانی آنها در طول زمان متفاوت بوده است. در برخی دوره ها این پدیده هر ۱۰۰۰۰۰ سال یک بار رخ می دهد، در حالی که در دوره کرتاسه (حدود ۳۷ میلیون سال پیش) هیچ وارونگی ثبت نشده است. در زمان های اخیر میزان وقوع این پدیده حدوداً هر ۲۵۰۰۰۰ سال یک بار تخمین زده می شود، بنابراین احتمال وقوع آن در قرن حاضر بسیار کم است.
پس از برگشت، میدان مغناطیسی تقریباً به حالت عادی بازگشته است، با این تفاوت که جهت آن معکوس شده است. این می تواند برای حیواناتی که از میدان مغناطیسی زمین برای هدایت سفرهای طولانی استفاده می کنند گیج کننده باشد، اما شواهد نشان می دهد که آنها توانسته اند از این پدیده جان سالم به در ببرند و گونه های مهاجر از بسیاری از وارونگی های قبلی جان سالم به در برده اند.
مهم ترین سوال این است که در طول فرآیند معکوس شدن قطب مغناطیسی چه اتفاقی می افتد. به نظر می رسد که این پدیده نمی تواند آنی باشد، بنابراین باید دوره ای وجود داشته باشد که میدان مغناطیسی ضعیف یا غیر فعال شود. به دلیل وابستگی حیات به میدان مغناطیسی زمین، بسیاری از مردم هنگام یادگیری معکوس ها نگران می شوند و گاهی اوقات فاجعه را پیش بینی می کنند.
اگرچه تلاشهایی برای تاریخگذاری وارونگیهای گذشته به رویدادهای انقراض جمعی انجام شده است، این ارتباط هنوز مورد بحث است. اگر معکوسها نرخ انقراض را افزایش دهند، این افزایش چندان قابل توجه نیست و احتمالاً تأثیر آن روی بیشتر موجودات ناچیز است. این نشان می دهد که دوره میدان مغناطیسی ضعیف احتمالا طولانی نیست.
معکوسها ممکن است در مقیاسهای زمانی زمینشناسی کوتاه باشند، اما اگر چنین پدیدهای در طول عمر ما رخ دهد، میتوانیم عواقب متفاوتی را مشاهده کنیم. به عنوان مثال، ماهواره های محافظت نشده ممکن است طول عمر کمتری داشته باشند.
همه ماهواره ها به یک اندازه تحت تأثیر قرار نمی گیرند. ماهواره های کوچک که به عنوان ماهواره های مینیاتوری (cubesats) شناخته می شوند، برای ناوبری به میدان مغناطیسی زمین متکی هستند. این ماهوارهها مجهز به مغناطیسسنجهایی هستند که جهت میدان مغناطیسی را به صورت سه بعدی اندازهگیری میکنند و از این اطلاعات برای حفظ زاویه مناسب استفاده میکنند، البته سنسورهای دیگری نیز به آنها کمک میکنند. اگر میدان مغناطیسی خیلی ضعیف باشد، مکعب ها نمی توانند جهت خود را تعیین کنند.
ماهواره های مدرن با اندازه مناسب معمولاً از ردیاب های ستاره ای برای تعیین دقیق جهت گیری خود در فضا (نسبت به یک نقطه ثابت) استفاده می کنند. همچنین، ماهوارههایی که در مدارهای پایینتر از سیستمهای ماهوارهای ناوبری جهانی (GNSS) کار میکنند، مجهز به سیستمهای GNSS برای اندازهگیری موقعیت و سرعت خود نسبت به زمین هستند. ماهواره های دارای مدارهای بالاتر نیز توسط ایستگاه های زمینی ردیابی می شوند.
در سالهای اخیر با کاهش هزینههای پرتاب، تعداد ماهوارههای CubeSat افزایش یافته است، اما در حال حاضر وابستگی اولیه ما به ماهوارههای بزرگتر باقی مانده است.
توجه به این نکته ضروری است که بدون مگنتوسفر (لایه محافظ میدان مغناطیسی)، ماهواره های مدار پایین زمین در معرض سطوح بالاتر تشعشع قرار می گیرند. این تشعشعات به سرعت همه ماهواره ها را خاموش نمی کنند، اما می توانند منجر به افزایش میزان خرابی و کاهش عمر آنها شوند. حتی عبور از ناهنجاری اقیانوس اطلس جنوبی، جایی که میدان مغناطیسی زمین ضعیف تر است، مشکلاتی را ایجاد می کند که گاهی اوقات عملیات غیرضروری را متوقف می کند.
اگرچه می توان ماهواره هایی را برای افزایش مقاومت در برابر تشعشع طراحی کرد، همانطور که در کاوشگرهای فضایی دیده می شود، افزودن لایه های محافظ اضافی پس از قرار گرفتن ماهواره در مدار، کارایی محدودی خواهد داشت. در نتیجه احتمال کاهش تدریجی عملکرد ماهواره ها وجود دارد.
مشکل کمتر آشکار، اما احتمالاً مهمتر، این است که ماهوارههای فعلی از یک میدان مغناطیسی برای حفظ جهتگیری مناسب خود استفاده میکنند.
ماهواره ها سعی می کنند جهت خود را با استفاده از چرخ های واکنش حفظ کنند، اما این چرخ ها به دلیل انباشته شدن تکانه زاویه ای اضافی نیاز به تخلیه دوره ای دارند. دستگاه هایی به نام مگنتورکر یا میله های گشتاور میدان مغناطیسی تولید می کنند و از برهمکنش این میدان با میدان مغناطیسی زمین برای حذف گشتاور اضافی استفاده می کنند. از آنجایی که تولید این میدان فقط به یک عنصر مغناطیسی و یک منبع انرژی (معمولاً پنل های خورشیدی) نیاز دارد، بسیاری از ماهواره ها از این روش صرفاً برای کنترل جهت گیری استفاده می کنند. در غیاب میدان مغناطیسی زمین، تکانه زاویه ای به طور مداوم افزایش می یابد و می تواند منجر به اختلال در عملکرد ماهواره شود.
برخی از ماهواره ها مجهز به رانشگر برای کنترل حرکت زاویه ای هستند، اما این روش نیاز به مصرف سوخت دارد که در فضا قابل تجدید نیست. ماهواره هایی که از آهنربا و رانشگر استفاده می کنند، سوخت خود را با سرعت بیشتری در طی فرآیند معکوس کردن قطب مغناطیسی می سوزانند. از سوی دیگر، ماهوارههایی که صرفاً به مغناطیسگر متکی هستند، اگر دوره ضعیف بودن میدان مغناطیسی زمین برای مدت طولانی ادامه یابد، با چالشهای عملیاتی جدی مواجه خواهند شد.
به عبارت دیگر، چالش این است که ماهوارهها از معکوس جان سالم به در ببرند، نه زنده ماندن از آن. برای اینکه بدانیم چگونه کار خواهند کرد، سوال اصلی این است که دوره تضعیف میدان مغناطیسی چقدر طول می کشد و این چیزی است که ما هنوز نمی دانیم، زیرا دانش ما از رویدادهای قبلی به اندازه کافی برای تعیین آن دقیق نیست.
