Bão Mặt Trời phá hủy các vệ tinh trong không gian như thế nào?

Bão địa từ xảy ra khi thời tiết không gian tác động vào Trái Đất, do các dao động bên trong Mặt trời làm nổ các electron, proton và các hạt khác vào không gian. Đã có nhiều nghiên cứu từ các nhà khoa học về những hiểm họa do thời tiết không gian gây ra, đối với tài sản trong không gian. Các mô hình dự đoán nó cũng ngày càng được cải thiện để bảo vệ con người.

Khi thời tiết không gian tác động đến Trái Đất, nó sẽ kích hoạt nhiều quá trình phức tạp có thể gây ra rắc rối và hậu quả nghiêm trọng cho bất cứ thứ gì nằm trong quỹ đạo. Các kỹ sư không gian vẫn đang làm việc để hiểu rõ hơn về những rủi ro này, cũng như cách bảo vệ vệ tinh trước tác động của bão địa từ.

Nguyên nhân gây ra bão địa từ là gì?

Mặt trời luôn phóng ra một lượng ổn định các hạt mang điện vào không gian, được gọi là gió mặt trời và nó cũng mang theo từ trường mặt trời. Một số trường hợp, các dao động cục bộ trên Mặt trời sẽ ném các vụ nổ hạt mạnh bất thường đi theo một hướng cụ thể. Nếu Trái Đất vô tình nằm trong đường đi của gió mặt trời tăng cường, được tạo ra bởi một trong những vụ nổ này và bị va đập, thì bạn chắc chắn sẽ gặp phải một cơn bão địa từ.

Hai nguyên nhân chính và phổ biến nhất được cho là gây ra bão địa từ gồm: một là các vụ giải phóng ra lượng vật chất cực quang (CME) - là vụ ổ plasma từ bề mặt Mặt trời. Thứ hai là gió mặt trời thoát ra qua các lỗ cực quang - các điểm có mật độ thấp trong bầu khí quyển bên ngoài của Mặt trời.

Tốc độ mà plasma phóng ra hoặc gió Mặt trời đến Trái đất là một yếu tố quan trọng để tạo ra những tác động nặng nhẹ của bão địa từ. Tốc độ càng nhanh thì bão địa từ càng mạnh. Thông thường, gió mặt trời sẽ di chuyển với vận tốc khoảng 900.000 dặm/giờ (1,4 triệu km / giờ). Nhưng các sự kiện mặt trời mạnh khác cũng có thể giải phóng gió nhanh gấp 5 lần.

Cơn bão địa từ mạnh nhất được ghi nhận vào tháng 9 năm 1859, khi khối lượng của các hạt va chạm vào Trái Đất. Chúng gây ra các dòng điện trong các đường dây điện báo khiến người vận hành bị sốc, thậm chí trong một số trường hợp nghiêm trọng nhất, chúng làm cháy cả các thiết bị điện báo. Những nghiên cứu từ các nhà khoa học cho thấy nếu một cơn bão địa từ có cường độ như vậy tấn công Trái đất ngày hôm nay, nó sẽ gây ra thiệt hại khoảng 2 nghìn tỷ USD.

Một lá chắn từ tính sẽ bảo vệ Trái Đất

Những dạng khí thải từ mặt trời, bao gồm cả gió Mặt Trời, sẽ cực kỳ nguy hiểm đối với bất kỳ sự sống nào trên Trái Đất không may tiếp xúc trực tiếp với nó. Tuy nhiên, may mắn cho chúng ta là từ trường của Trái Đất có thể bảo vệ loài người theo nhiều cách. Từ quyển là bức tường đầu tiên mà gió Mặt Trời tác động khi nó đến gần Trái Đất, vùng bao quanh bầu khí quyển của Trái đất chứa đầy plasma được tạo thành từ các electron và ion. Từ quyển bị chi phối bởi từ trường mạnh của hành tinh, khi gió mặt trời chạm vào từ quyển, nó sẽ truyền khối lượng, năng lượng và động lượng vào lớp này.

Từ quyển có thể hấp thụ hầu hết năng lượng từ gió Mặt Trời hằng ngày, nhưng đối với những cơn bão mạnh, nó có thể bị quá tải và truyền năng lượng dư thừa đến các lớp của bầu khí quyển Trái đất gần các cực. Sự chuyển hướng năng lượng tới các cực này là nguyên nhân dẫn đến những hiện tượng cực quang kỳ lạ. nhưng nó cũng gây ra những thay đổi trong tầng khí quyển có thể gây hại cho các tài sản không gian.

Bão địa từ gây nguy hiểm như thế nào với các vệ tinh trong không gian 

Các cơn bão địa từ có thể đe dọa đến các vệ tinh theo nhiều cách khác nhau, đó là những vệ tinh quanh quỹ đạo phục vụ con người trên mặt đất hàng ngày. Khi bầu khí quyển hấp thụ năng lượng từ các cơn bão từ, nó sẽ nóng lên và mở rộng ở phần phía trên. Sự giãn nở này cũng là tăng đáng kể mật độ nhiệt khí quyển, lớp khí quyển kéo dài từ 80 đến 1000 km trên bề mặt Trái Đất. Mật độ cao hơn đồng nghĩa với nhiều lực cản hơn, và đó có thể là một vấn đề đối với các vệ tinh. 

Tình huống này cũng là nguyên nhân dẫn đến sự sụp đổ của vệ tinh SpaceX Starlink vào tháng Hai. Các vệ tinh Starlink được tên lửa Falcon 9 thả xuống quỹ đạo ở tầm thấp, chỉ cách từ 100 đến 200 km so với bề mặt Trái đất. Sau đó, các vệ tinh sử dụng động cơ trên tàu để từ từ vượt qua lực cản và tự nâng mình lên độ cao cuối cùng khoảng 550 km. Tuy nhiên, loạt vệ tinh Starlink mới nhất đã gặp phải một cơn bão địa từ khi vẫn ở quỹ đạo Trái đất rất thấp. Những động cơ của họ không thể vượt qua được lực cản đã gia tăng đáng kể và các vệ tinh bắt đầu từ từ rơi về phía Trái đất và cuối cùng bốc cháy trong bầu khí quyển.

Lực cản chỉ là một trong nhiều mối nguy hiểm mà thời tiết không gian gây ra cho các tài sản trên không gian. Sự gia tăng đáng kể các điện tử năng lượng cao trong từ quyển của các cơn bão địa từ mạnh, có nghĩa là nhiều điện tử sẽ quyển qua lớp che chắn trên tàu vũ trụ và tích tự bên trang các thiết bị điện tử của nó. Sự tích tự điện tử này khi đủ lớn có thể phóng điện dưới dạng những tia sét nhỏ và làm hỏng các thiết bị điện tử. 

Bên cạnh đó, bức xạ thâm nhập hoặc các hạt tích điện bên trong từ quyển, ngay cả trong những cơn bão địa từ nhẹ, cũng có thể khiến các thiết bị điện tử thay đổi tín hiệu đầu ra. Hiện tượng này nhìn chung sẽ gây ra lỗi trong bất kỳ bộ phận não của hệ thống điện tử trong các con tàu vũ trụ, chẳng may lỗi xảy ra ở một bộ phận quan trọng nào đó, toàn bộ vệ tinh sẽ bị hỏng. Những lỗi nhỏ thường phổ biến hơn và có thể sửa chữa được, nhưng các lỗi về toàn bộ vẫn có thể xảy ra, mặc dù ít gặp gơn.

Mối nguy hiểm cuối cùng được xem xét, đó là việc bão địa từ có thể làm gián đoạn khả năng liên lạc của vệ tinh với Trái đất bằng sóng vô tuyến, chẳng hạn như GPS dựa trên sóng vô tuyến. Bầu khí quyển luôn làm biến dạng sóng vô tuyến ở số lượng nhất định, vì thể các kỹ sư đã cố gắng khắc phục sự biến dạng này khi xây dựng hệ thống thông tin liên lạc.

Nhưng trong những cơn bão địa từ, những thay đổi trong tầng điện ly - là tầng mang điện tích tương đương với khí quyển trải dài gần như cùng một phạm vi độ cao, sẽ thay đổi cách sóng vô tuyến truyền qua nó. Các hiệu chuẩn tại chỗ cho bầu không khí yên tĩnh sẽ bị lệch chuẩn khi có bão địa từ tác động vào. Chẳng hạn như bão địa từ sẽ gây khó khăn cho việc khóa tín hiệu GPS và có thể làm lệch định vị vài mét. Còn đối với nhiều ngành công nghiệp như hàng không, hàng hải, chế tạo người máy, giao thông vận tải, nông nghiệp, quân sự - sai số định vị GPS vài mét đơn giản là không thể sửa chữa được. Ngoài ra hệ thống lái xe tự hành cũng sẽ yêu cầu định vị chính xác.

Có cách nào để bảo vệ các vệ tinh trước bão địa từ không?

Vệ tinh có vai trò cực kỳ quan trọng đối với phần lớn thế giới hiện đại trong hoạt động của nó, việc bảo vệ các tài sản không gian khỏi bão địa từ cũng là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Vì thế, nếu có thể giảm thiểu một số rủi ro bằng cách che chắn thiết bị điện tử khỏi những bức xạ hoặc phát triển các vật liệu có khả năng chống bức xạ cao hơn. Với sự phát triển của công nghệ vũ trụ hiện đại, con người đã có thể thực hiện nhiều biện pháp che chắn có thể được thực hiện khi đối mặt với một cơn bão địa từ mạnh mẽ.

Bên cạnh đó, khả năng dự báo chính xác các cơn bão có thể bảo vệ các vệ tinh cũng như tài sản khác ở một mức độ nhất định bằng cách tắt các thiết bị điện tử nhạy cảm hoặc định hướng lại các vệ tinh để được chúng được an toàn hơn. Tuy nhiên, hiện nay, các dự báo nãy vẫn không có hiệu quả lắm. Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia Mỹ cũng đã cảnh báo rằng, sau vụ phóng vật chất cực quang, một cơn bão địa từ "có khả năng" xảy ra vào một ngày trước hoặc đúng vào ngày phóng vệ tinh Starlink. 

Mặt Trời được ví như "một đứa trẻ" với những trận "tam bành" có thể xảy ra thường xuyên, cũng như cuộc sống của chúng ta vẫn luôn phải tiếp diễn. Tuy vậy, "tính cách" thường xuyên thay đổi của nó khiến cho mọi hoạt động của con người trở nên khó khăn hơn.