گوش سپردن به موسیقیه خورشید

[ICe Angele]

فعالیت شراره های خورشیدی رو به افزایش است و انتظار می رود این فعالیت بین سال های ۲۰۱۲ و ۲۰۱۴ به اوج خود برسد. تقویم برخی از تمدن های باستان مانند «مایا»ها در حدود همین سال ها به پایان می رسد و به همین دلیل، عده ای پایان دنیا را نزدیک می دانند. اما دانشمندان «ناسا» با قاطعیت می گویند که شراره های خورشیدی باعث نابودی زمین نمی شود. یکی از دانشمندان «ناسا» به نام «آنتی پولکنین» می گوید: «سابقه شراره های خورشیدی نشان می دهد که قدرتمندترین آنها هم نمی تواند جو زمین را نابود کند. هیچ راهی وجود ندارد که حتی شدیدترین اختلال های ایجادشده، باعث پایان دنیا شود.» شراره های خورشیدی زمانی ظاهر می شود 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 می شود. به این رویداد اصطلاحا «سی. ام.ای» گفته می شود.

زمانی که این ابرهای عظیم به قسمت بالایی جو برخورد می کنند، پدیده چشم نوازی به نام «شفق قطبی» را به وجود می آورد. این ذرات می توانند باعث اختلال در کار ماهواره ها شوند، شبکه های برق سراسری را مختل کنند و وسایل الکترونیکی را از کار بیندازند. طبق تحقیقات «ناسا» بزرگ ترین «سی. ام.ای» ثبت شده در سال ۱۸۵۹ در «کارینگتون ایونت» اتفاق افتاد و شفق قطبی رنگارنگی را به وجود آورد. شفق های 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 فناوری هایی استفاده می کنیم که بسیار پیشرفته تر از تلگراف هستند. آیا باید نگران باشیم که مبادا شراره های خورشیدی وسایل الکترونیکی ما را از کار بیندازد؟ «پولکنین» معتقد است این نگرانی بی مورد است. این توفان ها باعث خاموشی های جزیی می شوند و حتی ممکن است در کار ماهواره های «جی.پی.اس» اختلال ایجاد کنند. مشکل دیگر متوجه خلبان هاست که تنها راه ارتباطی شان با زمین امواج رادیویی است و تداخل توفان ذرات باردار با امواج رادیویی می تواند 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» می گوید دانشمندان به پیشرفت های زیادی در پیش بینی وقوع شراره ها و توفان های خورشیدی دست یافته اند که به آنها امکان می دهد ماهواره ها را به طور موقت از کار بیندازند تا در اثر توفان های خورشیدی صدمه نبینند. مدیریت صحیح شبکه های تولید و توزیع برق نیز یکی از مهم ترین مسایلی است که باید به آنها توجه کرد تا از وقوع خاموشی های طولانی مدت جلوگیری شود.

اگر یکی از توفان های عظیم خورشیدی به زمین برخورد کند، می تواند باعث قطع ارتباطات شود و هزاران نفر را هفته ها یا ماه ها در خاموشی مطلق فرو برد. توفان های خورشیدی می توانند در «مگنتوسفر» زمین جریان الکتریکی اضافی ایجاد کنند. («مگنتوسفر» فضای اطراف کره زمین است که تحت تاثیر میدان مغناطیسی آن قرار دارد.) شبکه برق در مقابل این جریان های اضافی آسیب پذیر است چرا که این جریان ها می توانند 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) می گوید: «نگرانی ما این است که اگر در اثر توفان های 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 می کشد و اگر یک شبکه سراسری بخواهد یک ترانسفورماتور جدید سفارش بدهد، این سفارش حدود شش ماه تا یک سال بعد در اختیارش قرار می گیرد.» با نزدیک شدن به بیشینه فعالیت خورشیدی که یک دوره تقریبا ۱۱ساله است، خطر جدی تر می شود. پیش بینی می شود توفان های شدیدتری هم در سال ۲۰۱۳ اتفاق بیفتد. دانشمندان سعی می کنند با استفاده از جدیدترین ماهواره های رصد خورشید و مدل های کامپیوتری، پیش بینی های مربوط به وقوع توفان های خورشیدی را با بیشترین دقت ممکن انجام دهند. دست اندرکاران شبکه های برق نیز در حال برنامه ریزی برای مقابله با خطرات ناشی از این توفان ها و پیامدهای احتمالی آن برای شبکه هستند. آنها بدترین حالت ممکن را در نظر می گیرند تا تحت هیچ شرایطی غافلگیر نشوند. «لوردان» می گوید: «توفان های ژئومغناطیسی به ندرت اتفاق می افتد ولی اثرات شدیدی بر جای می گذارد. وقتی می خواهیم خطرات احتمالی را که متوجه شبکه است، تخمین بزنیم، باید از خودمان بپرسیم قدرت توفانی که قرار است به شبکه برسد، چقدر است؟ معتقدم داده های جدید و سناریوهای احتمالی نشان می دهند 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 جریان ها، اصطلاحا بادهای خورشیدی می گویند. ولی گاهی اوقات خورشید فعالیت مغناطیسی بسیار شدیدی از خود نشان می دهد که باعث تولید توفان های عظیم پلاسما می شود. (پلاسما حالتی از ماده است که در آن ذرات به جای اتم های خنثی، به صورت مجموعه ای از یون ها و الکترون ها هستند. به عبارت دیگر انرژی زیاد، اتم ها را به هسته و الکترون تجزیه می کند م.) یکی از دانشمندان هوافضا به نام «جو کانچز» در این باره می گوید: «توفان خورشیدی، شبیه سوت قطار باری است.» این توفان های عظیم، در اثر فوران ماده از تاج خورشید به وجود می آیند. این فوران، همان توده های بسیار بزرگ ابری شکل پلاسماست که در زمان فعالیت های شدید سطح خورشید از جو بالایی آن که «تاج خورشید» نام دارد، می گریزد. 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 می کنند و امکان دارد از کنار زمین عبور کنند یا برخوردی کاملا جزیی با آن داشته باشند. «کانچز» می گوید: «ما برای خورشید از هیچ جایگاه ویژه ای برخوردار نیستیم. گاهی اوقات خورشید فوران می کند که در نتیجه آن مقدار زیادی انرژی گسیل می شود. با این وجود «پولکنین» می گوید: «اگر این ابرها به سمت جو زمین حرکت کنند، می توانند حامل میلیاردها تن ذره باردار باشند که با سرعت دوهزار کیلومتر بر ثانیه در حرکتند. وقتی این ابر به مگنتوسفر زمین می رسد، ذرات باردار آن به میدان مغناطیسی زمین برخورد می کنند. این مساله به تولید جریان های الکتریکی با قدرت چند میلیون آمپر منجر می شود. در این حالت شبکه برق گسترده روی زمین مانند آنتن عمل می کند و این جریان فوق العاده قدرتمند را به خطوط انتقال نیرو تزریق می کند. این توفان ها بر شبکه های سراسر دنیا تاثیرگذار خواهند بود.» ولی بیشترین خطر متوجه شبکه های انتقال برق در ارتفاعات خواهد بود چرا که شدیدترین جریان ها از طرف قطب شمال و جنوب به زمین برخورد می کند و در سطح آن پراکنده می شود. درواقع قطب ها مانند قیف هایی عمل می کنند که این جریان ها را در شبکه جهانی برق پراکنده می کنند. برای مثال در سال ۱۹۸۹ سیستم انتقال نیروگاه آبی «کبک» در کانادا به دلیل وقوع یک توفان خورشیدی از کار افتاد. آن ماجرا، میلیون ها نفر را حدود ۹ ساعت از دسترسی به برق محروم کرد. توفان های خورشیدی سال ۲۰۰۳ هم باعث خاموشی هایی در شهر «مالمو» سوئد شد. همان توفان، ترانسفورماتورهایی را هم در آفریقای جنوبی از کار انداخت. «ریچ لوردان» می گوید: «نیروگاه های سراسری کانادا به شدت تحت تاثیر جریان های مغناطیسی زمین هستند چرا که به قطب شمال مغناطیسی زمین نزدیک ترند. همین مساله باعث می شود آسیب پذیری آنها در مقابل جریان های خورشیدی محک بخورد تا اصلاحات لازم اعمال شود. نیروگاه های اروپا و منبع تغذیه الکتریکی آفریقای جنوبی موسوم به «اسکم» هم با همکاری ناسا، خود را برای توفان خورشیدی پیش رو آماده می کنند.

● مشکلات مربوط به جریان متناوب و مستقیم

از نظر فنی، جریان ایجادشده توسط نیروی ژئومغناطیسی زمین ضعیف تر از جریان هایی است که در شرایط عادی از نیروگاه ها وارد شبکه می شود. برای انتقال برق به نقاط دوردست باید ولتاژ را افزایش و سپس در مقصد، کاهش دهیم تا از تلفات انرژی ناشی از مقاومت کابل های انتقال جلوگیری کنیم. «لوردان» می گوید: «مشکل اینجاست که جریان حاصل از توفان های خورشیدی، جریان مستقیم است در حالی که سیستم های انتقال برق برای جریان های متناوب طراحی شده اند.» جریان مستقیم اضافی در ترانسفورماتور باعث اشباع الکتریکی و در نتیجه داغ شدن آن می شود. سیستم های حفاظتی ترانسفورماتورها از بین می روند و اجزای تشکیل دهنده آنها به سرعت فرسوده می شوند. هر ترانسفورماتوری می تواند میزان محدودی حرارت را تحمل کند و اگر حرارت از آستانه تحمل ترانسفورماتور بیشتر شود، آن را از کار می اندازد. در این هنگام ترانسفورماتور شروع به مصرف توان واکنشی (راکتیو) سیستم می کند. (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 نمی دهد م) «لوردان» می گوید: «در جریان برق یک سیستم، دو توان وجود دارد. یکی توان واقعی است مانند توان مصرفی یک لامپ که واحد اندازه گیری آن «وات» است و دیگری توان غیرواقعی یا واکنشی که واحد اندازه گیری آن «وار» است. توان واکنشی هنگامی تولید می شود که جریان و ولتاژ هم فاز نیستند. این توان را باید با دقت کنترل کرد تا ولتاژ در خطوط انتقال ثابت بماند. وقتی توفان خورشیدی اتفاق می افتد، ترانسفورماتورهای اشباع شده توان واکنشی بیشتری نسبت به ظرفیت دستگاه های کنترل کننده جریان، مصرف می کنند. همین مساله باعث افت ولتاژ می شود و دیگر امکان تزریق توان مورد نیاز به خطوط انتقال وجود ندارد. حتی بدون وقوع افت ولتاژ شدید هم، ولتاژ نوسانی سیستم انتقال می تواند باعث عدم ثبات شبکه شود و عملکرد ترانسفورماتورها، خازن ها و دیگر تجهیزات نیروگاه های برق را مختل کند.


● سپر ماهواره ای

«ناسا» در سال ۲۰۰۷ کار روی پروژه سپر ماهواره ای را با همکاری موسسه «ای.پی.آر.آی» آغاز کرد. این پروژه از داده های چندین رصدخانه خورشیدی برای شبیه سازی کامپیوتری استفاده می کند. در واقع کامپیوترهای فوق پیشرفته در پیش بینی توفان های خورشیدی به کمک دانشمندان آمده اند. سپر ماهواره ای، جریان ثابتی از داده ها را از ماهواره هایی مانند «ماهواره رصدی خورشید و هلیوفیزیک» (اس.اُ.اچ.اُ) و «رصدخانه روابط کیهانی خورشیدی» (استریو) جمع آوری می کند. «پولکنین» می گوید: «وقتی اپراتور ماهواره، فورانی در سطح خورشید مشاهده می کند، می تواند پارامترهای سه گانه، شامل اندازه، سرعت و جهت آن را محاسبه کند.» مدل به دست آمده می تواند 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» می گوید: «اگر اپراتورها چند روز قبل از وقوع توفان از آن آگاه شوند، می توانند تعمیرات خطوط اصلی انتقال را به تاخیر بیندازند و از این طریق وسعت شبکه را افزایش دهند. آنها همچنین می توانند به منظور حفظ پایداری شبکه، سیستم های ذخیره بیشتری را وارد شبکه کنند. اگر ترانسفورماتورها با مشکلی مواجه شوند، اپراتورها می توانند 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 نمی رساند. البته این اقدام، آخرین ترفند اپراتورهاست چرا که از کار انداختن کل سیستم باعث خاموشی های موقت می شود. «لوردان» می گوید: «هدف صنعت برق، تامین نیروی برق به شکلی قابل اطمینان، بی خطر و مقرون به صرفه است. نیروگاه ها سیستم را به دقت زیر نظر دارند و تلاش می کنند در زمان توفان هم به درستی کار کنند. اگر سیستم نیروگاه ها 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 می تواند تعداد محدودی از آنها را به مدار بازگرداند ولی اگر صدها ترانسفورماتور از کار بیفتد، بخش های صنعتی قطعات یدکی را به سرعت به مکان های مورد نیاز انتقال می دهند. اتحادیه اروپا در حال کار روی یک پروژه هشدار توفان های خورشیدی به نام «اسپیس کست» است که پیش بینی می شود تا ماه می ۲۰۱۲ عملیاتی شود.

● تلاش برای عدم غافلگیری

قابلیت عکس العمل در مقابل توفان خورشیدی، مانند همه بلایای طبیعی دیگر، در درجه اول به دقت مشاهدات و تلاش برای پیش بینی واقعه احتمالی بستگی دارد. همچنین باید مراقب بود که این توانایی بر اساس علم فیزیک و واقعیات برآمده از آن استوار باشد. «کانچز» می گوید: «کار مشکل تری 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 ته گرد است. حالا برای تجسم فاصله میان زمین و خورشید باید توپ بسکتبال را در یک طرف زمین بسکتبال و ته سوزن ته گرد را در طرف دیگر آن قرار دهیم.» به علاوه، کسانی که وضعیت جوی فضا را پیش بینی می کنند، 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 می کند یا خیر. «کانچز» ادامه می دهد: «قدرت یک «سی. ام.ای» تابعی است از میزان پلاریزه شدن میدان مغناطیسی زمین که به وسیله پلاسما احاطه می شود. درجه پلاریزه شدن تعیین می کند که یک توفان، زودگذر است یا بسیار قدرتمند. توفان های قوی تر، جریان های مغناطیسی شدیدتری القا می کنند. ولی این اطلاعات زمانی به دست می آید که توفان به نزدیکی زمین رسیده باشد. گاهی اوقات می توان در مراکز رصد فعالیت های خورشیدی مشاهده کرد که خورشید، ناگهان یک گلوله از ذرات باردار را مانند یک ضربه «چرخشی» در فوتبال به سمت ما پرتاب می کند. (ضربه چرخشی ضربه ای است که توپ ابتدا در مسیر حرکت می کند و سپس مسیرش به طور ناگهانی تغییر می کند م) اگر از خورشید به زمین نگاه کنیم، خودمان را در میان ماهواره های «سوهو»، «استریو»، «نوا آ» و «گوئز» سرگردان و بی پناه می بینم. هنوز هم منتظریم یکی از ۱۰ یا ۲۰ «سی. ام.سی» خورشید که فعلا در تصاویر ماهواره ای از آنها خبری نیست، به ما برخورد کند.» دانشمندان رصدخانه های خورشیدی موفق به رصد برخی از رویدادهای مهم سطح خورشید نمی شوند و این رویدادها از چشم شان پنهان می ماند. این امکان نیز وجود دارد که رویدادهای ثبت شده با خطا همراه باشند. در ۲۱ ژوئن ۲۰۱۱ دانشمندان دچار خطای عجیبی شدند. «کانچز» ماجرا را این طور توضیح می دهد: «همه تجهیزات ما نشان می دادند که یک «سی. ام.ای» در حال حرکت به سمت زمین است. موضوع مثل روز روشن بود و کوچک ترین تردیدی وجود نداشت. هشدارهای لازم را مخابره کردیم، ولی کاشف به عمل آمد که هیچ توفانی در کار نیست.»

● عصر جدید در پیش بینی وضعیت جوی فضا

ماهواره هایی نظیر «رصدخانه دینامیک خورشیدی ناسا (اس.اُ.دی) که به تازگی به فضا پرتاب شده است، می تواند پاسخ بسیاری از سوالات را بدهد. این ماهواره به صورت ۲۴ ساعته در حال رصد خورشید با وضوح تصویر بسیار بالاست و عکس هایی به فاصله چند دهم ثانیه و در طول موج های مختلف از خورشید می گیرد. «پولکنین» می گوید: یکی از اهداف «اس.اُ.دی» این است که کلید حل معمای فوران های خورشیدی را در اختیارمان بگذارد. گروه «اس.اُ.دی» نمی تواند زمان وقوع فوران ها را پیش بینی کند ولی می تواند آنها را رصد کند و امکان پیش بینی توفان را به ما بدهد. ما هم اکنون از دیدگاه پیش بینی شرایط جوی در فضا، دوران بسیار هیجان انگیزی را سپری می کنیم. برای اولین بار در تاریخ می توانیم یک تا دو روز مانده به توفان های خورشیدی آنها را پیش بینی و خورشید را از طریق ماهواره رصد کنیم. اولین بار است که مدل های کامل و توان محاسباتی لازم برای استفاده آن مدل ها را در اختیار داریم. «کانچز» معتقد است مهم ترین جنبه پیش بینی وضعیت جوی فضا و کاهش اثرات مخرب آن، ارتباط و همکاری سازنده است. او می گوید: «باید در مورد خورشید، بهترین آموزش های ممکن ارائه شود. در تمام سطوح حکومتی از جمله «ستاد مدیریت حوادث غیرمترقبه»، این طرز تفکر وجود دارد که باید به مطلوب ترین نحو ممکن در مورد وضعیت جوی فضا با یکدیگر در ارتباط باشیم.»