در چنین شرایطی، جو زمین منبسط میشود؛ به این معنا که ماهوارههایی که در مدار نزدیک زمین (LEO) قرار دارند، با مقاومت بیشتری روبهرو میشوند. این مقاومت باعث کاهش ارتفاع تدریجی مدار آنها میشود؛ پدیدهای که به آن «فروپاشی مداری» میگویند. یکی از پژوهشگران پیشنهاد میکند که میتوان طراحی ماهوارهها را به گونهای تغییر داد تا آسیبپذیری آنها کاهش یابد.
مرزی مشخص میان پایان جو زمین و آغاز فضای بیرونی وجود ندارد. با افزایش ارتفاع، چگالی لایههای جوی کاهش مییابد و حتی در مدار نزدیک زمین، ماهوارهها از میان لایهای بسیار رقیق از جو فوقانی زمین عبور میکنند. همین موضوع باعث ایجاد نیروی مقاومت و در نتیجه اندکی افت مداری میشود؛ افتی که معمولاً نگرانکننده نیست.
اما در زمان طوفان ژئومغناطیسی، ذرات پرانرژی خورشیدی با برخورد به ترموسفر (دومین لایه بالایی جو، درست در زیر اگزوسفر) باعث گرم شدن و انبساط آن میشوند. ترموسفر از ارتفاع حدود ۸۰ کیلومتری شروع میشود و تا حدود ۷۰۰ کیلومتر ادامه دارد. نام این لایه از خاصیت جذب گرمای خورشید گرفته شده است. در هنگام طوفانهای خورشیدی، دمای آن بیشتر شده و انبساط بیشتری پیدا میکند. به همین دلیل، ماهوارهها معمولاً از ورود به بخشهای پایینی این لایه خودداری کرده و در ارتفاعی بالاتر از ۴۰۰ کیلومتر قرار میگیرند. اما در جریان یک طوفان خورشیدی، حتی این ارتفاع نیز میتواند چالشبرانگیز شود.
پژوهش جدیدی نشان میدهد که اگرچه پیشبینی دقیقتر طوفانهای خورشیدی بخشی از راهحل است، طراحی متفاوت ماهوارهها نیز میتواند مؤثر باشد. این پژوهش با عنوان «طوفانهای ژئومغناطیسی و فروپاشی مداری ماهوارهها» توسط یوشیتا باروآ از مؤسسه آموزش و پژوهش علوم هند انجام شده است.
باروآ مینویسد: «طوفان ژئومغناطیسی باعث انتقال انرژی باد خورشیدی به جو زمین میشود که منجر به گرم شدن ژولی و انبساط ترموسفر خواهد شد. این پدیده پیامدهای مهمی برای طول عمر ماهوارههای مدار نزدیک زمین دارد.»
او در مقالهاش تأثیر انواع مختلف طوفانهای ژئومغناطیسی بر ماهوارهها را بررسی کرده و همچنین به طراحی ماهوارهها و روشهایی برای کاهش اثرات این طوفانها پرداخته است.
رویدادهای پرانرژی مختلفی در سطح خورشید رخ میدهد که باعث شکلگیری «آبوهوای فضایی» میشوند. شرارههای خورشیدی، فورانهای تاج خورشیدی (CME)، ذرات پرانرژی خورشیدی (SEP) و جریانهای پرسرعتی که از حفرههای تاج خورشیدی منتشر میشوند، همگی تأثیرات متفاوتی بر جو زمین دارند. این جریانهای پرسرعت که با سرعتی بین ۴۰۰ تا ۸۰۰ کیلومتر در ثانیه حرکت میکنند، نواحی تعامل جریان (SIR) و نواحی تعامل همچرخشی (CIR) را تشکیل میدهند.
اعتبار تصویر: باروآ و همکاران، ۲۰۲۵.
در این پژوهش، دادههای ماهوارههای Swarm متعلق به آژانس فضایی اروپا (ESA) مورد بررسی قرار گرفتهاند. در سال ۱۳۹۴، دو طوفان ژئومغناطیسی زمین را تحت تأثیر قرار دادند که یکی از آنها بسیار قدرتمند و ناشی از یک CME بود.
اعتبار تصویر: باروآ و همکاران، ۲۰۲۵.
همچنین دادههای مربوط به یک طوفان خورشیدی متوسط دیگر در همان سال و تأثیر آن بر ماهواره Swarm C تحلیل شدهاند. این طوفان توسط یک جریان CIR ایجاد شده بود.
در مقاله آمده است: «در طوفانهای ژئومغناطیسی با شدت مشابه، طوفانهای ناشی از CIR میتوانند نسبت به CMEها اثر مخربتری بر عمر مداری ماهوارهها داشته باشند.»
پژوهشگران همچنین ضریب بالستیک (BC) ماهوارهها را بررسی کردهاند؛ پارامتری که با در نظر گرفتن جرم، سطح مقطع عمود بر مسیر حرکت و نیروی مقاومت هوایی تعیین میشود و با واحد کیلوگرم بر متر مربع (kg/m²) سنجیده میشود. هرچه ضریب بالستیک بالاتر باشد، ماهواره مقاومت کمتری در برابر جو خواهد داشت و فروپاشی مداری کمتری را تجربه خواهد کرد.
برای بررسی تأثیر طراحی بر ضریب بالستیک، پژوهشگران مدلسازیهایی انجام دادند. باروآ مینویسد: «ابتدا مدار ماهواره Swarm C را در طوفان ۲۹ شهریور ۱۳۹۴ شبیهسازی کردیم و آن را با دادههای واقعی مقایسه کردیم. کاهش ارتفاع مداری شبیهسازیشده در ارتفاع ۴۵۵ کیلومتری برابر با ۱۷٫۲۸ متر بود که با داده واقعی ۱۹٫۳۵ متر همخوانی دارد.»
او همچنین تأثیر همان طوفان را بر ایستگاه فضایی بینالمللی (ISS) مدلسازی کرد. ضریب بالستیک ایستگاه فضایی بسیار پایینتر است و طبق مدلسازی، در این طوفان مدار آن ۵۴٫۴۴ متر کاهش پیدا میکرد. باروآ مینویسد: «ضریب بالستیک Swarm C برابر ۳۰۳٫۹ کیلوگرم بر متر مربع است، در حالی که برای یک ماهواره مشابه ISS تنها ۱۰۰ کیلوگرم بر متر مربع است، که این تفاوت باعث کاهش مداری بیشتر در دومی میشود.»
وزن ماهوارههای Swarm تنها ۳۶۹ کیلوگرم است، در حالی که ایستگاه فضایی بینالمللی حدود ۴۵۰,۰۰۰ کیلوگرم وزن دارد. ابعاد Swarm C حدود ۹٫۱ × ۱٫۵ × ۰٫۸۵ متر است، در حالی که ISS ابعادی در حدود ۱۰۹ × ۷۳ متر دارد.
پژوهشگران خواستار نظارت بهتر بر طوفانهای ژئومغناطیسی و پیشبینی دقیقتر آنها شدهاند. باروآ نیز با تأکید بر اهمیت طراحی مناسب ماهوارهها، به این درخواستها پیوسته است.
او در پایان مینویسد: «پژوهش ما بر اهمیت پایش و پیشبینی آبوهوای فضایی و ارزیابی اثرات آن بر فناوریهای فضایی انسانمحور تأکید دارد. ویژگیهای فیزیکی ماهوارهها، بهویژه ضریب بالستیک آنها، تأثیر قابلتوجهی بر طول عمر مداریشان دارد.»
