هنگامی که از زمین به خورشید نگاه می‌کنیم، آن را ستاره‌ای آرام و پایدار در نظر می‌گیریم، اما سطح خورشید بسیار متلاطم‌تر از آن است که به نظر می‌رسد. آبشاری از گازهای بسیار داغ، برج‌های بلندی از آتش ساخته‌اند. یکی از بزرگ‌ترین انفجارهای بزرگ در منظومه‌شمسی، در سطح خورشید رخ می‌دهد یا خواهد داد. امروزه با استفاده از پیشرفت تکنولوژی می‌توانیم سطح خورشید را به راحتی از زمین مشاهده کنیم. از این رو، مشاهده و پیش‌بینی طوفان خورشیدی دور از دسترش نخواهد بود. در این مطلب، در مورد طوفان خورشیدی یا طوفان ژئومغناطیسی به زبان ساده صحبت و اثرات آن را بر زندگی روی زمین بررسی می‌کنیم. همچنین، در مورد بزرگ‌ترین طوفان خورشیدی و زمان طوفان بعدی صحبت خواهیم کرد.

فهرست مطالب این نوشته

طوفان خورشیدی چیست ؟

شاید فکر کنید خورشید، ستاره‌ای پایدار و بدون هیچ رخداد مهمی در سطح آن است. اما خورشید، همان آتش زیر خاکستر است. در پشت این آرامش ظاهری، طوفانی بزرگ در حال جمع کردن نیرو است. در روز اول سپتامبر سال ۱۸۵۹ میلادی معادل دهم شهریور سال ۱۲۳۸ شمسی، ستاره‌شناسی انگلیسی به نام «ریچارد کرینگتون» (Richard Carrington) متوجه نشانه‌هایی از تلاطم و آشوب در سطح خورشید شد. این آغاز یکی از بزرگ‌ترین طغیان‌های خورشیدی ثبت شده تا آن زمان بود. آبشارهای سوزانی با طولی بیش از ده‌ها هزار کیلومتر به فضا پرتاب شدند. برج‌‌هایی از گازهای سوزان به صورت امواج دریا به سمت بالا حرکت کردند. دمای گازهای سوزان به بیش از میلیون‌ها درجه سلسیوس رسید. در میان این آشفتگی، ناحیه تاریک و عجیبی ظاهر شد. این ناحیه تاریک، خوشه‌هایی از لکه‌های خورشیدی با اندازه‌ای در حدود ۲۰ برابر زمین است. خورشید از این ناحیه فوران می‌کند. دانشمندان به این فوران، پرتاب جرم تاجی می‌گویند. پس از این فوران، بیش از میلیاردها تن ذرات خورشیدی به سمت ما پرتاب می‌شوند. براساس زمان مشاهدات کرینگتون و تخمین دانشمندان، انفجارهای خورشیدی با سرعتی در حدود هشت میلیون کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کنند.

ذرات باردار قرار گرفته در انفجارهای خورشیدی، مولکول‌های اکسیژن و نیتروژن در لایه بالایی جو زمین را برانگیخته می‌کنند. در اثر این برانگیختگی، نورهای رنگارنگی به نام شفق قطبی ،به هنگام شب در آسمان دیده می‌شوند. به طور معمول، شفق‌های قطبی در قطب‌ها قابل‌مشاهده هستند.

شفق قطبی

طوفان خورشیدی بعدی چه زمانی است ؟

این بخش را با سوال ساده‌ای آغاز می‌کنیم، اگر فضا علیه ما عمل کند، چه اتفاقی خواهد افتاد؟ هنگامی که به پایان جهان و علت‌های ممکن برای رخ دادن آن فکر می‌کنیم، شهاب‌سنگ‌ها و برخورد آن‌ها به زمین نخستین علتی است که به ذهن می‌رسد. اما علت دیگری وجود دارد که کمتر به آن توجه می‌شود، طوفان خورشیدی. این احتمال می‌رود که طوفان خورشیدی سهمگینی تا سال ۲۰۲۵ به زمین برخورد کند. آیا این اتفاق واقعا رخ می‌دهد؟ در اوایل سال ۲۰۲۱ میلادی، خبرها وجود نخستین طوفان فضایی را تایید کردند. در واقع این اتفاق جذاب و دیدنی در ماه آگوست سال ۲۰۱۴ میلادی در قطب شمال و به عنوان توده‌ای چرخان با طولی در حدود ۹۷۰ کیلومتر و سرشار از الکترون، ثبت شد. گرچه عبور این توده در حدود هشت ساعت به طول انجامید، اما کمتر کسی متوجه حضور آن شد. این طوفان، تنها تداخل اندکی با تعداد کمی از ماهواره‌ها داشت. به جز این مورد، اتفاق مهم دیگری رخ نداد.

اما نکته‌ای که باید به آن توجه شود آن است که این اتفاق‌ها به صورت دوره‌ای، رخ می‌دهند. دانشمندان معتقد هستند که طوفان بعدی در سال ۲۰۲۵ میلادی اتفاق خواهد افتاد. از طوفان بعدی چه انتظاری باید داشته باشیم؟ بر طبق نظر برخی از دانشمندان، اثرات طوفان بعدی ممکن است بسیار بیشتر و سهمگین‌تر باشد. از این واقعیت نمی‌توان فرار کرد که طوفان فضایی یکی از اتفاق‌های مربوط به آب و هوا در فضا است که سیاره ما را تحت‌تاثیر قرار خواهد داد. هر اتفاقی در لایه بالایی جو زمین را می‌توان به خورشید ربط داد. خورشید شاید یکی از مهم‌ترین بخش‌های منظومه‌شمسی باشد، اما هنوز بخش زیادی از آن به صورت معما باقی مانده است. در دهه‌های اخیر و با پیشرفت تکنولوژی، دانشمندان توانسته‌اند خورشید را با جزییات بیشتری مطالعه کنند، بنابراین بیشتر از هر زمان دیگری می‌دانند که چگونه انرژی خورشیدی، سوخت سیاره ما را تامین می‌کند. خورشید هر اندازه برای ما مفید باشد، از خطرات سهمگین آن نمی‌توان چشم‌پوشی کرد.

مطلب پیشنهادی:
میدان مغناطیسی — به زبان ساده
شروع مطالعه

اگر میدان مغناطیسی و جو زمین وجود نداشتند، جهان بسیار متفاوت‌تر از آن‌ چیزی بود که امروزه مشاهده می‌کنیم. شاید حتی زندگی روی زمین شکل نمی‌گرفت. در ماه سپتامبر سال ۲۰۲۰ میلادی، گروهی از دانشمندان از سازمان فضایی آمریکا (The National Aeronautics and Space Administration | NASA) و سازمان ملی اقیانوسی و جوی (National Oceanic and Atmospheric administration | NOAA) اطلاعاتی در مورد چرخه خورشیدی ۲۵ منتشر کردند. دانشمندان فرض کردند، پس از این چرخه، از کمینه فعالیت خورشیدی عبور کرده‌ایم. زمان کمترین فعالیت خورشیدی در ماه دسامبر سال ۲۰۱۹ میلادی بود. فعالیت خورشیدی پس از این تاریخ، به تدریج افزایش یافت. از این‌رو، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که وارد چرخه جدید فعالیت خورشیدی شده‌ایم. بر طبق چرخه خورشیدی ۲۵، زمان بعدی بیشینه فعالیت خورشیدی، ماه جولای سال ۲۰۲۵ میلادی خواهد بود. در این زمان، فعالیت خورشیدی به قله خود می‌رسد. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که فعالیت خورشیدی چیست. فعالیت خورشیدی به تعداد لکه‌های خورشیدی قابل‌مشاهده روی سطح خورشید، بستگی دارد. لکه‌های خورشیدی ناحیه‌های تاریک‌تر و موقتی روی سطح خورشید هستند.

آیا طوفان خورشیدی می‌تواند باعث قطع اینترنت جهانی شود ؟

«بکی چمبرز» (Becky Chambers) در کتاب «To Be Taught, If Fortunate» صحنه‌ای را توصیف می‌کند که در آن طوفان خورشیدی سهمگینی منجر به قطع اینترنت جهانی شده است و گروهی از فضانوردان، تنها و سردرگم در فضا گیر افتاده‌اند و هیچ راهی برای تماس با خانوده‌هایشان ندارند. تصور این صحنه بسیار ترسناک است، اما آیا این اتفاق در واقعیت می‌تواند رخ دهد؟ احتمال رخ دادن آن چه مقدار است؟ بله، ممکن است اتفاق بیفتد، ولی باید طوفان خورشیدی بسیار بزرگ و سهمگین باشد. بر طبق نظریه فیزیک‌دانی به نام «متیو اونز» (Mathew Owens) از دانشگاه «ریدینگ» (Reading University) در انگلستان، احتمال وقوع این اتفاق تقریبا غیرممکن است. اما احتمال قطعی شبکه‌های برق، دور از ذهن نیست. در واقع، این اتفاق در مقیاس کوچک‌تر، سال‌ها قبل رخ داده است.

کتاب
کتاب To Be Taught, If Fortunate

همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، طوفان خورشیدی هنگامی رخ می‌دهد که خورشید، انفجار بسیار شدیدی از تابش الکترومغناطیسی را رها می‌کند. این اختلال، امواجی از انرژی را به سمت بیرون پرتاب خواهد کرد و بر سیاره‌های دیگر، مانند زمین، در منظومه‌شمسی تاثیر خواهد گذاشت. پس از برهم‌کنش امواج الکترومغناطیسی تابشی با میدان مغناطیسی، اثرات مختلفی مشاهده می‌شوند:

  • جریان‌های الکتریکی در لایه بالایی جو زمین، ایجاد می‌شوند و به اطراف حرکت می‌کنند. بنابراین، هوا شروع به گرم شدن می‌کند. طوفان خورشیدی می‌تواند سبب ایجاد شفق‌های قطبی بسیار زیبایی در نواحی قطبی شود. اما جدا از زیبایی منحصربه‌فرد منظره ایجاد شده، سیگنال‌های رادیویی و GPS ممکن است دچار اختلال شوند.
  • هنگامی که دمای لایه فوقانی جو بالا می‌رود، همانند گل ختمی باد می‌کند. در نتیجه، نیروی درگ اضافه‌ای به ماهواره‌های قرار گرفته در مدارهای نزدیک به زمین وارد می‌شود.
مطلب پیشنهادی:
شفق قطبی چیست و به چه دلیل رخ می‌دهد؟ — به زبان ساده
شروع مطالعه

اثرهای دیگر طوفان خورشیدی، بیشتر زمینی هستند. طوفان خورشیدی در لایه بالایی جو، جریان‌های الکتریکی قوی را ایجاد می‌کند. به دلیل القای الکترومغناطیسی، جریان در لایه بیرونی زمین نیز به وجود می‌آید. این جریان با رساناهای الکتریکی قرار گرفته روی زمین، مانند شبکه‌های توزیع برق، تداخل می‌کنند و منجر به قطعی برق سراسری می‌شوند. مشابه چنین اتفاقی در ۱۳ مارس سال ۱۹۸۹ میلادی معادل 22 اسفند سال ۱۳۶۷ شمسی در استان «کبک» (Quebec) در کانادا رخ داد. بر طبق داده‌های منتشر شده توسط ناسا، قطعی برق در این استان در حدود ۱۲ ساعت به طول انجامید. اخیرا، شراره‌های خورشیدی در حدود ۴۰ ماهواره استارلینک را از کار انداخت. خوشبختانه، از کار افتادن این تعداد ماهواره‌های استارلینک برای ایجاد اختلال در دسترسی به اینترنت جهانی، کافی نیست.

برای آن‌که اینترنت جهانی به طور کامل از دسترس خارج شود، طوفان خورشیدی باید با کابل‌های نوری بسیار بلندِ زیر اقیانوس‌ها که متصل‌کننده قاره‌ها به یکدیگر هستند، تداخل داشته باشد. در مسیر این کابل‌ها، هر ۵۰ تا ۱۴۵ کیلومتر، تکرار‌کننده‌ای برای تقویت سیگنال آن‌ها قرار داده شده است. توجه به این نکته مهم است که خود کابل‌ها به دلیل طوفان خورشیدی آسیب نمی‌بینند، بلکه تکرارکننده‌های قرار گرفته در مسیر، از آسیب‌های احتمالی ناشی از طوفان خورشیدی در امان نیستند. از بین رفتن تنها یک تکرارکننده برای از کار انداختن تمام کابل، کافی است. اگر تعداد زیادی کابل از بین بروند، اتفاق مهمی به نام «آخرالزمان اینترنتی» (Internet apocalypse) ممکن است رخ دهد.

قطع اینترنت جهانی می‌تواند بسیار فاجعه‌آمیز باشد. هر چیزی، از بازار سهام گرفته تا سیستم پزشکی و ارتباط بین افراد، را تحت‌تاثیر قرار خواهد داد. چند راه برای محافظت از اینترنت در برابر طوفان خورشیدی سهمگین بعدی وجود دارند:

  • تقویت شبکه‌ها برق، ماهواره‌ها و کابل‌های زیر دریا در برابر جریان عبوری بیش از حد از آن‌ها.
  • پیش‌بینی طوفان خورشیدی از قبل.

آیا طوفان خورشیدی بعد منجر به قطع کامل اینترنت جهانی می شود ؟

بر طبق مطالعه انجام شده در سپتامبر سال ۲۰۲۱ میلادی، ارتباط کابل‌های نوری متصل‌کننده کشورهای مختلف به یکدیگر می‌تواند ماه‌ها قطع شود. دلیل این موضوع، همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، به طوفان خورشیدی برمی‌گردد. زمین، همواره در معرض آبشاری از ذرات باردار از سمت خورشید (بار خورشیدی) بوده است. اما میدان مغناطیسی زمین تا حدی از صدمات ناشی از باد خورشیدی جلوگیری می‌کند. در واقع، میدان مغناطیسی زمین، ذرات باردار رسیده را به سمت قطب‌های زمین پرتاب می‌کند و سبب به وجود آمدن شفق‌های قطبی می‌شود.

اما برخی اوقات، شاید قرنی یک‌بار، بار خورشیدی به طوفان خورشیدی تبدیل می‌شود. پژوهش‌های جدید نشان می‌دهند که وزش طوفان خورشیدی سهمگینی در چند سال آینده می‌تواند منجر به اختلالی بسیار بزرگی در زندگی مدرن امروزی شود و پدیده‌ای به نام اینترنت آخرالزمانی رخ دهد. «سانگیثا ابدو جیوثی« (Sangeetha Abdu Jyothi) پروفسور دانشگاه کالیفرنیا، مقاله‌ای را در این مورد در آگوست سال ۲۰۲۱ به چاپ رساند. او در مقاله خود می‌گوید، در پاندمی کرونا دیدیم که جهان هیچ آمادگی منظمی برای مقابله با آن نداشت. شرایط مشابهی نیز برای قطعی اینترنت به صورت جهانی وجود خواهد داشت.

قسمتی از مشکل آن است که طوفان‌های خورشیدی (پرتاب جرم تاجی) تقریبا نادر هستند. بر طبق محاسبات انجام شده در مقاله جیوثی، احتمال تاثیر مستقیم طوفان خورشیدی شدید بر زمین، بین ۱/۶ درصد تا ۱۲ درصد در هر دهه است. تاکنون تنها دو طوفان خورشیدی با چنین مشخصاتی ثبت شده‌اند:

  • اولین طوفان در سال ۱۸۵۹ میلادی ثبت شد. این حادثه که آن را به عنوان «اتفاق کارینگتون» (Carrington Event) می‌شناسند، اختلال ژئومغناطیسی بسیار شدیدی را در سطح زمین ایجاد کرد. به گونه‌ای که خطوط تلگراف آتش گرفتند و شفق‌‌های قطبی که تنها در قطب مشاهده می‌شدند، در نزدیکی استوا، در کلمبیا، دیده شدند.
  • دومین طوفان در سال ۱۹۲۱ میلادی به ثبت رسیده است.

در آن‌ سال‌ها، اینترنت به صورت امروزی وجود نداشت. اما امروزه، تقریبا هر آنچه در اطراف خود می‌بینیم، به طور مستقیم یا غیرمستقیم به اینترنت وابسته هستند. مطالعات زیادی در مورد تاثیرات طوفان خورشیدی سهمگین بر اینترنت، وجود ندارند. خبر خوب آن است که اتصالات اینترنتی محلی و منطقه‌ای خیلی در خطر قطع شدن به دلیل طوفان خورشیدی نیستند. زیرا، همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، کابل‌های فیبر نوری تحت‌تاثیر جریان‌های القایی به دلیل طوفان خورشیدی قرار نمی‌گیرند. اما قضیه کابل‌های قرار گرفته زیر دریا به دلیل قرار گرفتن تکرارکننده‌ها در مسیر آن‌ها، فرق دارد. دلیل این موضوع به تاثیر جریان‌های ژئومغناطیسی بر تکرار‌کننده‌ها مربوط می‌شود.

اتفاق کرینگتون

آیا طوفان خورشیدی را می‌ توانیم پیش بینی کنیم ؟

پیش‌بینی طوفان‌های خورشیدی کار بسیار مشکلی است. دلیل این موضوع آن است که طوفان‌های خورشیدی هزاران سال است که ادامه دارند، اما تکنولوژی لازم برای پیش‌بینی آن‌ها تنها چند دهه است که به وجود آمده‌اند. تکنولوژی امروزی می‌تواند طوفان خورشیدی را تنها دو روز قبل از برخورد به زمین، پیش‌بینی کند. این پیش‌بینی با استفاده از فعالیت لکه‌های خورشیدی انجام می‌شود. لکه‌های خورشیدی ناحیه‌های تاریکی با فعالیت پلاسمایی بالا، روی سطح خورشید هستند.

توجه به این نکته مهم است که ردیابی طوفان‌های خورشیدی با طوفان‌های معمولی روی زمین، بسیار متفاوت است. برای ردیابی طوفان خورشیدی به نشا‌نه‌های دیگری، مانند محل قرار گرفتن خورشید در سیکل (چرخه) خورشیدی، توجه می‌کنند. ناسا و سازمان فضایی اروپا به دنبال راه‌هایی برای انجام این پیش‌بینی با استفاده از داده‌های تاریخی و مشاهدات انجام شده هستند. بر طبق داده‌های جمع‌آوری شده توسط NOAA، چرخه خورشید در حدود ۱۱ سال به طول می‌انجامد و در این مدت فعالیت خورشید از بیشترین مقدار به کمترین مقدار می‌رسد. قله بعدی فعالیت خورشیدی در سال ۲۰۲۵ رخ می‌دهد. گرچه، از آنجا که فعالیت‌های خورشید در سال‌های اخیر خیلی شدید نبوده‌اند، پژوهشگران را به این فکر می‌اندازد که شاید خورشید در دوره طولانی با فعالیت کمتر باشد. خورشید از دهه ۹۰ میلادی تا امروز، تقریبا آرام بوده است.

چرخه خورشیدی چیست ؟

هنگامی که از زمین به خورشید نگاه می‌کنیم، آن را ستاره‌ای آرام و بدون تغییر تصور می‌کنیم. اما حقیقت، بسیار متفاوت‌تر از تصور ما است. علاوه بر تغییرات ناگهانی روی سطح این ستاره، خورشید معمولا الگوی منظمی از تغییرات را دنبال می‌کند. به این الگو، چرخه لکه خورشیدی گفته می‌شود. زمان هر چرخه در حدود ۱۱ سال طول می‌کشد، اما ثابت نیست و بین ۸ تا ۱۴ سال متغیر است. همچنین، شدت هر چرخه نسبت به چرخه دیگر می‌تواند بسیار متفاوت باشد.

تعداد لکه‌های خورشیدی در هر چرخه نشانه خوبی برای نشان دادن میزان فعالیت خورشیدی هستند. تعداد این لکه‌ها در هر چرخه ابتدا از کم به زیاد و سپس به کم، تغییر می‌کند. هنگامی که تعداد لکه‌های خورشید به نسبت کم باشد، فعالیت خورشیدی، کمینه و هنگامی که تعداد آن‌ها به نسبت زیاد باشد، فعالیت خورشیدی، بیشینه است. محل لکه‌های خورشید در هر چرخه، تغییر می‌کنند. هنگامی که فعالیت خورشیدی بیشینه باشد، این لکه‌های در عرض جغرافیایی میانه قرار دارند و با کم شدن فعالیت خورشیدی، به خط استوای خورشید، نزدیک می‌شوند. گاهی در کمترین فعالیت‌ خورشیدی، هیچ لکه‌ای روی سطح آن مشاهده نمی‌شود. در مقابل، تعداد لکه‌ها با افزایش فعالیت خورشیدی، زیاد می‌شود و در بیشینه فعالیت، تعداد آن‌ها بسیار زیاد خواهد شد.

چرخه خورشیدی

تعداد لکه‌های خورشید بسیار مهم است، زیرا آن‌ها نشانه‌های شهودی از محل ظهور میدان‌های مغناطیسی قوی از درون خورشید هستند. این میدان‌های مغناطیسی، شراره‌های خورشیدی و پرتاب جرم تاجی را تقویت می‌کنند. این دو پدیده تاثیر زیادی بر زمین و دیگر سیاره‌های منظومه‌شمسی می‌گذارند. افزایش تعداد لکه‌های خورشید سبب افزایش فرکانس و شدت شراره‌های خورشیدی و پرتاب جرم تاجی می‌شود. چرخه ۱۱ ساله خورشید، نشانه چرخه‌ای طولانی‌تر (۲۲ سال) به نام چرخه خورشیدی یا چرخه تگرگی است که بر میدان مغناطیسی خورشید تاثیر می‌گذارد.

قطب‌های خورشید هر ۱۱ سال یک‌بار می‌چرخند و قطب شمال، قطب جنوب و قطب جنوب، قطب شمال می‌شود. بنابراین، هر ۲۲ سال یک‌بار قطب‌های خورشید به مکان اولیه خود در شروع چرخه بازمی‌گردند. تغییر قطب‌های خورشیدی به دلیل حرکت پیچیده میدان مغناطیسیِ درون خورشید است. این میدان، به طور پیوسته، منقبض یا منبسط می‌شود. بنابراین، مواد داخل خورشید به صورت حباب، از مرکز آن بیرون می‌آیند. اما حرکت دقیق این میدان هنوز به طور کامل مشخص نشده است. از آنجا که چرخه لکه خورشیدی، بدون در نظر گرفتن جهت قطب‌های خورشید، الگوی مشابهی را دنبال می‌کند، مدت زمان آن نصف زمان چرخه خورشیدی است.

توجه به این نکته مهم است که دو چرخه با یکدیگر متفاوت هستند. در بیشتر موارد، از چرخه لکه خورشید به عنوان چرخه خورشیدی یاد می‌شود. بنابراین، تفکیک این دو گاهی گمراه‌کننده است. در سال ۲۰۱۰، فعالیت خورشیدی در حال نزدیک شدن به بیشترین مقدار خود بود و سرانجام در سال ۲۰۱۳ به بیشترین مقدار خود رسید. بنابراین، در آن سال شراره‌های خورشیدی و پرتاب جرم تاجی بیشتر از سال‌های قبل، مشاهده شدند. فعالیت خورشید در سال ۲۰۲۰ میلادی به کمترین مقدار خود رسید. بر طبق پژوهش‌های انجام شده در آن سال، شدت فعالیت خورشید در چرخه لکه خورشید بین سال‌های ۲۰۲۰ تا ۲۰۳۰ میلادی، نسبت به چرخه‌های دیگر بسیار کمتر است.

لکه خورشیدی

شراره های خورشیدی چیست ؟

حلقه‌های بزرگِ انرژی مغناطیسی، به شکل قوس‌هایی از لکه‌های خورشید بیرون می‌آیند. این حلقه‌های پیچ‌خورده و ناپایدار به دنبال راهی برای تخلیه انرژی هستند. بنابراین، بمبی مغناطیسی ایجاد می‌کنند که به سرعت منفجر می‌شود. این بمب چگونه ایجاد می‌شود؟ یکی از میدان‌های مغناطیسی، انرژی را در خود ذخیره می‌کند و میدان مغناطیسی دیگری را به تصاحب درمی‌آورد. دو میدان به یکدیگر نگاه می‌کنند و می‌گویند، اگر به هم متصل شویم، چه اتفاقی رخ می‌دهد. این کار انجام می‌شود و در اثر اتصال آن‌ها، انفجار مهیبی رخ می‌دهد و مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شود. به این انفجار مهیب، شراره‌ خورشیدی گفته می‌شود. قدرت این انفجار به اندازه‌ای زیاد است که گویی میلیون‌ها بمب اتم در یک لحظه منفجر شده‌اند. شراره‌های خورشیدی با سرعتی برابر ۷۲۴۲۰۴۸ کیلومتر بر ساعت به بیرون از آن فوران و مقدار قابل‌توجهی انرژی آزاد می‌کنند.

شراره‌ های خورشیدی

لکه های خورشید چیست ؟

در مطالب بالا، در جاهای مختلفی از عبارت لکه‌های خورشید استفاده کردیم. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که این لکه‌ها چه هستند و چگونه تشکیل می‌شوند. لکه‌های خورشید، ناحیه‌های تاریکی روی سطح آن با دمایی کمتر نسبت به محیط اطراف هستند. باید به این نکته توجه داشته باشید که تاریکی آن‌ها مطلق نیست. این لکه‌ها شبیه عکس ضد نوری است که گاهی می‌اندازید. امروزه، لکه‌های خورشید را به عنوان مرکز فعالیت خورشیدی می‌شناسند که شراره‌های خورشیدی در آن‌ها متمرکز شده‌اند.

تنها نیمی از لکه‌ها، بیشتر از دو روز عمر می‌کنند و تنها یک‌دهم آن‌ها عمری بیشتر از ۱۱ روز دارند. اما برخی از لکه‌ها ممکن است بیش از چند ماه باقی بمانند. اندازه‌ لکه‌ها بسیار بزرگ است و اندازه عرض و طول آن‌ها می‌تواند به هزاران کیلومتر برسد. اگر توپی جامد به اندازه زمین، داخل یکی از لکه‌های خورشید بیفتد، همانند سوختن چوب‌پنبه در آتش، داخل لکه ناپدید می‌شود.

اندازه لکه های خورشیدی

دو لکه خورشیدی به نام‌های NOAA 2753 و NOAA 2754 در روز ۲۴ دسامبر سال ۲۰۱۹ میلادی در نیمکره‌های شمالی و جنوبی خورشید، مشاهده شدند. این لکه‌ها توسط رصدخانه دینامیک خورشیدی ناسا کشف شدند. همچنین، لکه‌های مشابهی در حدود یک‌ ماه قبل از این تاریخ، یعنی روز چهاردهم نوامبر سال ۲۰۱۹ میلادی، کشف شده بودند. برای نخستین بار در ۲۰ سال، فاصله‌ای ۴۰ روزه ایجاد شده بود. بر طبق نظر ستاره‌شناسان، این فاصله ۴۰ روزه می‌توانست آغازگر مرحله کمینه فعالیت خورشیدی باشد. در این مرحله، فعالیت خورشیدی به کمترین مقدار خود می‌رسد.

شکل‌گیری لکه‌های NOAA 2753 و NOAA 2754 می‌تواند نشانه آغاز چرخه جدیدی باشد. طول این چرخه نیز همانند چرخه‌های قبل در حدود ۱۱ سال خواهد بود. این چرخه، ۲۵امین چرخه خورشید است. بر طبق داده‌های منتشر شده توسط ناسا، چرخه ۱۱ ساله خورشید به دلیل چرخش آن به دور محورش ایجاد می‌شود. به این نکته توجه داشته باشید که خورشید به طور کامل جامد نیست و از پلاسمای گازی تشکیل شده است. به همین دلیل، دوره تناوب چرخش خورشید در قسمت‌های مختلف آن متفاوت است.

دوره تناوب آن در استوا کمتر از ۲۵/۵ روز زمینی و در نزدیکی قطب‌ها برابر ۳۸ روز زمینی است. تفاوت سرعت چرخش خورشید در عمق و سطح آن سبب تغییر تدریجی قطب‌های میدان‌های مغناطیسی قوی خورشید می‌شود. در این حالت، تعداد لکه‌های خورشید تا بازآرایی مجدد قطب‌های میدان مغناطیسی خورشید، افزایش می‌یابد. سپس، فعالیت خورشیدی کاهش می‌یابد و لکه‌های کمتری روی سطح خورشید، تشکیل می‌شوند. در این هنگام، فعالیت خورشیدی به کمترین مقدار خود می‌رسد. اما به این نکته توجه داشته باشد که در این حالت، میدان مغناطیسی چرخان، ساکن نیست و چرخه بار دیگر، تکرار خواهد شد.

در ابتدا، ناحیه‌های تاریک با قطبیت معکوس در فاصله نسبتا زیادی از استوای خورشید و در عرض جغرافیایی بین ۲۵ تا ۳۰ درجه، ظاهر می‌شوند. اما لکه‌های باقی‌مانده از چرخه قبل، در مکان متفاوتی نسبت به لکه‌های جدید و در فاصله کمتری نسبت به استوا، مشاهده می‌شوند. لکه‌های جدید و لکه‌های باقی‌مانده از چرخه قبل می‌توانند تا چند ماه در کنار یکدیگر، باقی بمانند. بر طبق پیش‌بینی‌های انجام شده، فعالیت خورشیدی در بیست‌و‌پنجمین چرخه خورشید در سال‌های ۲۰۲۵ یا ۲۰۲۶ میلادی به بیشینه مقدار خود خواهد رسید. سپس، میزان این فعالیت در حدود سال ۲۰۳۱ به کمینه مقدار خود می‌رسد. دانشمندان در مورد اثرات محتمل این چرخه بر زمین، هشدار داده‌اند.

لکه‌های بزرگ و پیچیده روی سطح خورشید منجر به وقوع سه نوع رخداد می‌شوند:

  • انتشار تشعشعات از سطح خورشید که به آن شراره‌های خورشید گفته می‌شود.
  • اتفاقات قدرتمند پروتون
  • خروج جرم از تاج خورشیدی

هر یک از این رخدادها به تنهایی می‌تواند منجر به وقوع اتفاقات فاجعه‌آمیزی شود. اتفاق مشابهی نخستین روزهای ماه سپتامبر سال ۱۸۵۹ میلادی رخ داد. کرینگتون، شراره بسیار بزرگی را روی خورشید مشاهده کرد. این شراره سبب ایجاد پرتاب جرم بسیار بزرگی از تاج خورشیدی شد. در نتیجه، بزرگ‌ترین و قدرتمندترین طوفان ژئومغناطیسی در تاریخ بشریت، روی زمین رخ داد. در آن روز سیستم تلگراف در سراسر اروپا از کار افتاد و بسیاری از مرکز‌های تلگراف به دلیل افزایش بسیار زیادِ مقدار ولتاژ، آتش گرفتند. همچنین، در آن زمان شفق‌های قطبی نه‌تنها در قطب‌های شمال و جنوب، بلکه در سراسر زمین مشاهده شدند.

طوفان زئومغناطیسی

طوفان خورشیدی در آن زمان، تاثیر زیادی روی زندگی انسان‌ها نگذاشت، زیرا زندگی در آن زمان، به اندازه امروز، وابسته به الکتریسیته نبود. در سال ۱۹۸۰ میلادی، طوفان ژئومغناطیسی دیگری رخ داد. این طوفان در حدود ۵ مرتبه از طوفان کرینگتون ضعیف‌تر بود و تنها محدوده‌ای از کانادا را تحت‌تاثیر قرار داد. گرچه طوفان سال ۱۹۸۹ ضعیف‌تر بود، اما اثرات قابل‌توجهی بر جا گذاشت. در استان کبک در کانادا با شش میلیون جمعیت، برق به طور کامل به مدت ۱۲ ساعت، قطع شد. فروشگاه‌های مختلف، مترو، شغل‌های بزرگ و کوچک و فرودگاه‌ها از دسترس خارج شدند. اما کانادا تنها کشوری نبود که تحت‌تاثیر این طوفان قرار گرفت. شهرهای دیگری از آمریکا نیز تحت‌تاثیر آن قرار گرفتند.

هرچه قدرت طوفان خورشیدی بیشتر باشد، تاثیر آن روی زمین بسیار بیشتر خواهد بود. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، این طوفان می‌تواند الکتریسیته و اینترنت را به شدت تحت‌تاثیر قرار دهد و باعث قطعی آن‌ها شود. افزایش مقدار ولتاژ به بیشتر از حد قابل‌قبول منجر به آتش‌سوزی شبکه‌های توزیع برق خواهد شد. بنابراین، بسیاری از سیستم‌های ارتباطی و حمل‌ونقل با نبود الکتریسیته از کار خواهند افتاد و در یک کلام، زندگی غیرممکن می‌شود. آیا نبود الکتریسیته و اینترنت، تنها رخدادهای برخورد طوفانی خورشیدی شدید با زمین خواهد بود؟ خیر. بلایای طبیعی مانند طوفان‌های سهمگین، زلزله و جزرومدهای بسیار بزرگ، از دیگر نتایج برخورد طوفان خورشیدی با زمین هستند. طوفان بسیار قدرتمندی در سال ۲۰۱۷ در تگزاس رخ داد. وقوع این طوفان به طوفان خورشیدی ربط داده شد. همزمان با طوفان شدید در تگزاس، سیل شدیدی در هوستون و زلزله‌ای به بزرگی ۸/۲ ریشتر در جنوب مکزیک، اتفاق افتاد.

زلزله شدید در جنوب مکزیک

توجه به این نکته مهم است که طوفان خورشیدی، سبب وقوع شفق‌های قطبی بسیار زیبایی در آسمان، بین سال‌های ۲۰۱۷ تا ۲۰۱۹ شد. یکی از این شفق‌ها به شکل اژدهایی در سریال بازی تاج و تخت بود. دلیل به وجود آمدن شفق‌های قطبی، برخورد ذره‌های باردار در شراره‌های خورشیدی با لایه بالایی جو زمین است. توجه به این نکته مهم است که هیچ راهی برای جلوگیری از تشکیل لکه‌های خورشیدی و شکل‌گیری طوفان خورشیدی وجود ندارد. اما با استفاده از تکنولوژی‌های پیشرفته می‌توان وقوع طوفان خورشیدی را قبل از برخورد آن با زمین، پیش‌بینی کرد.

شفق قطبی به شکل اژدها

بزرگ‌ترین تلسکوپ خورشیدی استفاده شده برای پیش‌بینی زمان وقوع طوفان خورشیدی، «تلسکوپ خورشیدی دانیال کی اینویی» (Daniel K. Inouye Solar Telescope | DKIST)، نام دارد. عکس‌های گرفته شده از خورشید توسط این تلسکوپ، وضوح بسیار بالایی دارند. یکی از واضح‌ترین عکس‌های گرفته شده از خورشید توسط تلسکوپ DKIST در تصویر زیر نشان داده شده است. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌شود، سطح خورشید همانند ذرت کاراملی با ساختار سلول مانند است که از پلاسمای جوشان تشکیل می‌شود. به دلیل حرکت پلاسمای جوشان، گرما از درون خورشید به سطح آن منتقل می‌شود. پلاسمای خورشیدی مشابه تعداد زیادی سلول است که اندازه هر کدام در حدود اندازه ایالت تگزاس در آمریکا است. در آینده‌ای نه چندان دور، ستاره‌شناسان با استفاده از تلسکوپ DKIST اطلاعات بسیار بیشتری در مورد فعالیت خورشیدی به‌دست می‌آورند.

سطح خورشید

خروج جرم از تاج خورشیدی چیست ؟

در مطالب بالا، در مورد طوفان خورشیدی، شراره‌های خورشیدی، لکه خورشید و خروج جرم از تاج خورشیدی، صحبت کردیم. شاید از خود پرسیده باشید خروج جرم از تاج خورشیدی چیست. قبل از توضیح در مورد خروج جرم از تاج خورشیدی، در مورد حلقه‌های تاجی صحبت می‌کنیم.

حلقه های تاجی چیست ؟

حلقه‌های تاجی در تصویر زیر نشان داده شده‌اند. اندازه آن‌ها در سطح خورشید، بسیار کوچک به نظر می‌رسد، اما در سطح زمین، بسیار بزرگ خواهند بود. به هنگام زیاد شدن فعالیت خورشیدی، میدان مغناطیسی سبب پرتاب مواد از سطح خورشید به بیرون می‌شود. این مواد به شکل حلقه‌های آتشین از سطح خورشید بلند می‌شوند و پس از رسیدن به ارتفاع مشخصی، به سطح آن بازمی‌گردند.

حلقه تاجی

گاهی مواد سطح خورشید به جای تشکیل حلقه، با جمع شدن در کنار یکدیگر، حباب بزرگی را تشکیل می‌دهند و با سرعت بسیار زیادی به بیرون از سطح خورشید پرتاب می‌شود. این موضوع به دلیل دمای بسیار بالای ناحیه اطراف خورشید و میدان بسیار قوی در سطح آن، رخ می‌دهد. با نزدیک شدن این مواد به سطح زمین، اتفاقات بسیار جالبی رخ می‌دهند. توجه به این نکته مهم است که مواد جدا شده از سطح خورشید، گازهای یونیزه شده یا پلاسما هستند.

میدان مغناطیسی اطراف زمین، از آن در برابر بادهای خورشیدی محافظت می‌کند. با نزدیک شدن ماده پلاسمای چرخان جدا شده از خورشید به سطح زمین، دو اتفاق می‌توانند رخ دهند:

  • ماده پلاسمای چرخان، میدان مغناطیسی دارد. اگر جهت میدان مغناطیسی آن با جهت میدان مغناطیسی زمین، یکسان باشد، شفق قطبی اتفاق می‌افتد. زیرا ذرات باردار مثبت و منفی داخل پلاسما پس از برخورد به میدان مغناطیسی زمین، به اطراف پراکنده و سبب ایجاد شفق قطبی می‌شوند.
  • اگر جهت میدان مغناطیسی ماده پلاسمای چرخان جدا شده از سطح خورشید مخالف جهت میدان مغناطیسی زمین باشد، برهم‌کنش میدان‌های مغناطیسی به گونه‌ای خواهد بود که اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند. بنابراین، در این لحظه اثر محافظتی میدان مغناطیسی زمین به کمترین مقدار خود می‌رسد و مقدار بسیار زیادی از ماده پلاسما به ماهواره‌ها و سطح زمین برخورد می‌کنند و اثرات زیان‌باری به جا خواهند ماند.

پرتاب جرم تاجی

در مطالب بالا در مورد خروج جرم از تاج خورشیدی و دمای بسیار بالای این منطقه صحبت کردیم. در این بخش، ابتدا در مورد تاج خورشیدی صحبت می‌کنیم و در ادامه، در مورد دمای بسیار بالای آن توضیح می‌دهیم.

تاج خورشیدی چیست ؟

خورشید توسط پوششی از گازها به نام جو، احاطه شده است. به بیرونی‌ترین بخش جو خورشید، تاج خورشیدی گفته می‌شود. این بخش معمولا به دلیل نور بسیار زیاد خورشید، پنهان شده است. بنابراین، مشاهده آن بدون استفاده از تجهیزات ویژه، امکان‌پذیر نخواهد بود. اما به هنگام خورشیدگرفتگی کامل، تاج خورشیدی را می‌توان به آسانی مشاهده کرد.

مشاهده تاج خورشیدی به هنگام خورشیدگرفتگی کامل
مشاهده تاج خورشیدی به هنگام خورشیدگرفتگی کامل

چرا دمای تاج خورشیدی بسیار بالا است ؟

در تصویر بالا، تاج خورشیدی در تصویر گرفته شده از خورشیدگرفتگی کامل، به زیبایی مشاهده می‌شود. بزرگ‌ترین اتفاقات عجیب نجوم در تاج خورشیدی رخ داده‌اند. تاج خورشیدی بیرونی‌ترین لایه جو خورشید است و دمای آن صدها برابر دمای سطح خروشید است. دمای سطح خورشید در حدود ۵۵۰۰ درجه سلسیوس است، در حالی که دمای تاج خورشیدی بین یک تا چهار میلیون درجه سیلیوس است. چرا؟

پژوهش‌های زیادی برای پاسخ به این چرا انجام شده است. دانشمندان حوزه نجوم برای آن‌که واقعا بدانند چرا دمای تاج خورشیدی از دمای سطح آن بسیار بالاتر است، کاوشگری را به نزدیکی خورشید فرستاده‌اند. تاج خورشیدی به اندازه‌ای نازک است که در حالت عادی به دلیل نور زیاد خورشید دیده نمی‌شود. بنابراین، آن را می‌توان تنها به هنگام خورشیدگرفتگی مشاهده کرد. تاج خورشیدی، همانند خورشید، از پلاسما تشکیل شده است.

هنگامی که در فاصله نزدیکی از آتش (منبع گرما) ایستاده‌اید گرمای آن را به خوبی احساس می‌کنید. هرچه از آتش دورتر شوید، گرمای کمتری را احساس خواهید کرد. به طور مشابه، انتظار می‌رود با فاصله گرفتن از خورشید به عنوان منبع گرمایی، دما کمتر شود. اما در تاج خورشیدی دما بیشتر از سطح خورشید است، یعنی با فاصله گرفتن از خورشید، دما افزایش یافته است. بنابراین، ستاره‌شناسان معتقد هستند که فرایند گرمایی متفاوتی در تاج خورشیدی اتفاق می‌افتد.

گرمایش موجی، یکی از ایده‌های پرطرفدار برای توجیه بالاتر بودن دمای تاج خورشیدی نسبت به سطح آن، است. بر طبق این ایده، تلاطم سطح خورشید، موج‌های بسیار قدرتمندی از انرژی را ایجاد می‌کند. این موج‌ها از سطح خورشید به سمت تاج خورشیدی، پرتاب می‌شوند. این امواج همانند امواج دریا حرکت می‌کنند. اما در اینجا، به جای آب، الکترون‌ها و یون‌های موجود در پلاسما به اطراف حرکت می‌کنند. توجه به این نکته مهم است که ذرات باردار متحرک، میدان مغناطیسی تولید می‌کنند. میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط ذرات باردار، دقیقا مانند آن‌ها حرکت نمی‌کند. اما جهت و قدرت آن می‌تواند با حرکت موج، تغییر کند. همچنین، میدان مغناطیسی مقداری انرژی اضافی به موج می‌دهد. بر طبق این فرضیه، تمام انرژی امواج با دور شدن آن‌ها از خورشید به گرما تبدیل می‌شود. اما این فرضیه برای توجیه دمای بسیار بالای تاج خورشیدی، کافی نیست.

در سال ۲۰۱۱، پژوهشی در مورد ناحیه انتقال خورشید انجام شد. این ناحیه قسمتی از جو خورشید و زیر تاج خورشیدی است. بر طبق یافته‌های به‌دست آمده در این پژوهش، گرمایش موجی می‌تواند برای رساندن دمای تاج خورشیدی به زیر محدوده دمایی آن (یک میلیون درجه سلسیوس) کافی باشد. اما هنگامی که فعالیت خورشیدی بسیار زیاد باشد، دمای تاج تا چهار میلیون درجه سلسیوس افزایش می‌یابد. بنابراین، دلیل دیگری باید برای رسیدن دما به چهار میلیون درجه سلسیوس وجود داشته باشد. فرضیه دیگری برای این معما به نام «اتصال مجدد مغناطیسی» (Magnetic Reconnection) وجود دارد. اتصال مجدد مغناطیسی زمانی رخ می‌دهد که بسته‌های مغناطیسی در پلاسمای خورشید به یکدیگر متصل شوند و مقدار قابل‌توجهی انرژی آزاد کنند. به این بسته‌ها، حوزه‌های مغناطیسی گفته می‌شود.

هنگامی که فلزات و سنگ‌های روی زمین، مغناطیسی می‌شوند، این پدیده رخ می‌دهد. اما از آنجا که حوزه‌های مغناطیسی در مواد جامد قرار گرفته‌اند، برهم‌کنش آن‌ها با یکدیگر به طور کامل متفاوت است. خورشید، داستان کاملا متفاوتی دارد. خورشید به جای ماده جامد، از پلاسما ساخته شده است. پلاسما در خورشید به راحتی به اطراف حرکت می‌کند، بنابراین حوزه‌های مغناطیسی در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند. از این‌رو، اتفاقات عجیبی رخ می‌دهند. در حالت کلی، هنگامی که میدان‌های مغناطیسی با یکدیگر ترکیب می‌شوند، نتیجه را می‌توانیم پیش‌بینی کنیم. اما در اتصال مجدد مغناطیسی، شرایط به طور کامل متفاوت است. در این حالت، عامل‌های موثر بسیاری وجود دارند که در حالت عادی با آن‌ها برخورد نداریم.

خورشید سیستمی سرشار از پلاسمای متحرک و بسیار پیچیده است. بنابراین، درک کاملی از قوانین حاکم بر آن نداریم. نکته‌ای که با اطمینان می‌دانیم آن است که دو حوزه مغناطیسی با جهت‌گیری مخالف، پس از برخورد با یکدیگر از بین می‌روند و مقدار قابل‌توجهی انرژی گرمایی آزاد می‌شود. این انرژی ممکن است برای بالا بردن دمای ناحیه تاج خورشیدی و رساندن آن به دمای ۴ میلیون درجه سلسیوس، کافی باشد. ممکن است دلیل‌های متعدد دیگری برای بالا بودن دمای تاج خورشیدی وجود داشته باشند که در حال حاضر، اطلاعی از آن‌ها نداریم.

ناسا برای آن‌که اطلاعات بیشتری در مورد تاج خورشیدی به‌دست آورد، کاوشگری به نام «کاوشگر خورشیدی پارکر» (Parker Solar Probe) را تابستان سال ۲۰۱۸ میلادی به سمت خورشید فرستاد. این کاوشگر در فاصله ۶ میلیون کیلومتری خورشید قرار دارد و از تجهیزات پیشرفته‌ای برای مطالعه گرمای تاج خورشیدی، مغناطیس، و دینامیک پلاسما، تشکیل شده است.

کاوشگر پارکر

پلاسما چیست ؟

در مطالب بالا گفتیم خورشید از حالت جدیدی از ماده به نام پلاسما ساخته شده است. در این بخش، پلاسما را به زبان ساده توضیح می‌دهیم. اگر به یخ به اندازه کافی گرما دهیم، به آب (حالت مایع) تبدیل می‌شود. در این حالت می‌گوییم که یخ از حالت جامد به مایع تغییر کرده است. به بیان دیگر، حالت یخ پس از افزایش دما، تغییر می‌کند. ذرات در جامد در جای خود نسبتا ثابت هستند و هر ذره در فاصله نزدیکی نسبت به ذره مجاور خود قرار گرفته است. بنابراین، مواد جامد شکل و حجم مشخصی دارند. ذرات در مایع با یکدیگر برهم‌کنش دارند و می‌توانند در کنار یکدیگر به راحتی حرکت کنند. از این‌رو، مایع حجم مشخصی دارد، اما داخل هر ظرفی ریخته شود، شکل‌ آن را به خود می‌گیرد.

مایع

هنگامی که دمای آب را تا ۱۰۰ درجه سلسیوس افزایش می‌دهیم، به بخار آب (حالت گاز) تبدیل می‌شود. فاصله ذرات از یکدیگر در حالت گاز، نسبت به حالت جامد و مایع، بیشتر است و شکل و حجم آن نسبت به ظرفی که در آن قرار دارد، تغییر خواهد کرد. اگر به گرم کردن شکل گازی برخی از مواد ادامه دهیم، تغییر حالت دیگر می‌تواند رخ دهد. در این حالت، ماده از شکل گازی به شکل دیگری از ماده به نام پلاسما تبدیل می‌شود.

برای آن‌که ماده‌ای از حالت گازی به پلاسما تبدیل شود، گرمای بسیار زیادی لازم است. اگر مقدار گرمای داده شده به ماده به اندازه کافی زیاد باشد، الکترون‌ها می‌تواند از اتم متصل به آن جدا شوند. بنابراین، الکترون آزاد و یون مثبت خواهیم داشت. تعداد الکترون‌های آزاد و یون‌های مثبت در پلاسما با یکدیگر برابر هستند، در نتیجه، پلاسما از نظر الکتریکی خنثی است. همچنین، پلاسما به دلیل حضور تعداد زیادی الکترون آزاد می‌تواند به راحتی جریان الکتریکی را از خود عبور دهد. از این رو، یکی از تفاوت‌های اصلی پلاسما با گاز، رسانندگی الکتریکی پلاسما در برابر گاز است. بیشتر ستاره‌ها، مانند خورشید، به شکل پلاسما وجود دارند.

مطلب پیشنهادی:
پلاسما در فیزیک — به زبان ساده
شروع مطالعه

طوفان خورشیدی ممکن است به دلیل خروج جرم عظیمی از ذرات باردار از تاج خورشیدی و حرکت آن به سمت زمین یا برخورد شراره‌های خورشیدی به زمین رخ دهد. ذرات باردار ممکن است تحت‌تاثیر میدان مغناطیسی زمین قرار بگیرند و پدیده زیبای شفق قطبی را به وجود بیاورند. از این رو، در ادامه رفتار ذره باردار در میدان مغناطیسی را با جزییات بیشتری بررسی می‌کنیم.

ذره باردار در میدان مغناطیسی

فرض کنید میدان مغناطیسی یکنواختی داریم که جهت آن به سمت داخل صفحه است. پروتونی را در نظر بگیرید که در جهت عمود بر میدان و به سمت بالا حرکت می‌کند. بنابراین، سرعت حرکت پروتون بر میدان مغناطیسی عمود است. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که مسیر حرکت پروتون در میدان مغناطیسی چگونه است؟ آیا به حرکت در مسیر مستقیم ادامه می‌دهد یا مسیر آن از خط راست، منحرف می‌شود؟

ذره باردار در میدان مغناطیسی
ذره باردار در میدان مغناطیسی

برای به‌دست آوردن مسیر حرکت هر ذره‌ای، باید نیروهای وارد شده بر آن را محاسبه کنیم. نیروی وارد شده بر هر ذره بارداری در میدان مغناطیسی با استفاده از معادله لورنتس، به‌دست می‌آید:

 $$\overrightarrow{F} = q ( \overrightarrow{V} \times \overrightarrow{B} )$$

در رابطه بالا:

  • $$\overrightarrow{V}$$ سرعت حرکت پروتون یا هر ذره بارداری در میدان مغناطیسی است.
  • $$ \overrightarrow{B}$$ میدان مغناطیسی است.
  • q، مقدار بار ذره باردار است.

برای به‌دست آوردن جهت نیروی وارد شده بر پروتون، از حاصل‌ضرب خارجی سرعت و میدان مغناطیسی استفاده می‌کنیم. برای انجام این کار از قانون دست راست به صورت زیر کمک می‌گیریم:

  • دست راست خود را به گونه‌ای قرار می‌دهیم که جهت چهار انگشت در راستای سرعت ذره باشد.
قانون دست راست در راستای میدان
  • سپس، چهار انگشت را به گونه‌ای خم می‌کنیم که در راستای میدان مغناطیسی قرار بگیرند. در اینجا، راستای میدان مغناطیسی به سمت داخل صفحه است. بنابراین، چهار انگشت به صورت زیر خم می‌شوند.
تعیین جهت نیرو
  • نیروی وارد شده بر پروتون در راستای شصتِ دست راست خواهد بود. بنابراین، جهت نیرو در اینجا، به سمت چپ است.
جهت نیروی لورنتس

سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چه اتفاقی برای پروتون رخ خواهد داد؟ مسیر حرکت آن از خط راست منحرف می‌شود. به بیان دیگر، مسیر حرکت آن به جای خط راست، منحنی می‌شود. بنابراین، جهت سرعت آن پس از گذشت مدت زمان مشخصی به صورت نشان داده شده در تصویر زیر خواهد بود. به این نکته توجه داشته باشید که اندازه سرعت تغییر نمی‌کند، اما جهت آن تغییر خواهد کرد. چرا؟ زیرا نیروی وارد شده بر ذره بر سرعت، عمود است، بنابراین نیرو، مولفه‌ای در راستای سرعت ندارد.

تغییر جهت سرعت

در این حالت، نیرو در چه جهتی قرار دارد؟ برای به‌دست آوردن جهت نیرو، بار دیگر از قانون دست راست استفاده می‌کنیم. دست راست خود را به گونه‌ای در صفحه قرار می‌دهیم که چهار انگشت، جهت سرعت را نشان دهند. سپس، انگشتان خود را در راستای میدان مغناطیسی (داخل صفحه) خم می‌کنیم. جهت شصت، راستای نیرو را نشان می‌دهد. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌شود، نیرو، دیگر افقی و به سمت چپ نیست، بلکه با زاویه‌ مشخصی نسبت به خط افقی قرار گرفته است.

تغییر جهت سرعت

با دنبال کردن مسیر حرکت پروتون در میان مغناطیسی به نکته جالبی می‌رسیم. جهت نیروی وارد بر آن همواره به سمت نقطه‌ مرکزی است. بنابراین، این‌گونه به نظر می‌رسد که پروتون مسیری دایره‌ای را طی می‌کند. بنابراین، نیروی F را می‌توانیم به عنوان نیروی مرکزگرا در نظر بگیریم. در نتیجه، هنگامی که سرعت حرکت بر میدان مغناطیسی عمود باشد، ذره روی مسیر دایره‌ای حرکت می‌کند.

در ادامه، فرض کنید جهت خطوط میدان مغناطیسی به سمت راست است و پروتون به سمت پایین، حرکت می‌کند. در این حالت نیز میدان مغناطیسی و سرعت حرکت ذره بر یکدیگر، عمود هستند. نیرو در چه جهتی بر ذره وارد می‌شود؟ قبل از دیدن پاسخ، کمی فکر کنید. مشابه حالت قبل، دست راست خود را به صورتی قرار می‌دهیم که چهار انگشت در راستای سرعت پروتون و به سمت پایین باشد. سپس، چهار انگشت را به گونه‌ای می‌چرخانیم که در راستای میدان مغناطیسی قرار بگیرند. به جهت انگشت شصت در تصویر زیر دقت کنید. انگشت شصت به سمت خارج صفحه است.

مثال دوم

در این حالت نیز پروتون روی مسیر دایره‌ای حرکت می‌کند، اما مرکز دایره خارج از صفحه قرار دارد. در ادامه، حالت کلی‌تری را در نظر می‌گیریم. فرض کنید سرعت ذره بر میدان مغناطیسی عمود نیست و پروتون با زاویه مشخصی نسبت به میدان، حرکت می‌کند. سرعت حرکت ذره را به دو مولفه، تجزیه می‌کنیم:

  • مولفه عمود بر میدان مغاطیسی
  • مولفه موازی با میدان مغناطیسی

اکنون، مسیر حرکت ذره را برای هر یک از دو مولفه به‌دست می‌آوریم.

  1. مولفه موازی میدان مغناطیسی: نیروی وارد بر ذره در میدان مغناطیسی به صورت $$\overrightarrow{F} = q ( \overrightarrow{V} \times \overrightarrow{B} )$$ نوشته می‌شود. از آنجا که سرعت و میدان، موازی یکدیگر هستند، حاصل‌ضرب خارجی آن‌ها برابر صفر خواهد بود. بنابراین، بر مولفه موازی هیچ نیرویی وارد نمی‌شود. از این‌رو، اگر ذره‌ای در راستای موازی میدان مغناطیسی، بر روی خط راست حرکت کند، به مسیر حرکت خود بدون انحراف ادامه می‌دهد.
  2. مولفه عمود بر میدان مغناطیسی: مولفه عمودی سرعت تلاش می‌کند تا مسیر حرکت ذره را از خط راست، به دایره تبدیل کند.

با ترکیب کردن اثر دو مولفه، ذره روی دایره‌ای حرکت می‌کند که در خلاف جهت میدان پیش می‌رود. بنابراین، ذره روی مسیر مارپیچی حرکت خواهد کرد.

مسیر مارپیچی

در نتیجه، مسیر کلی ذره باردار در میدان مغناطیسی به شکل مارپیچ است. همان‌طور که در تصویر بالا مشاهده می‌شود، محور مسیر مارپیچی، خطوط میدان مغناطیسی است. همچنین، صفحات دایره‌ها بر خطوط میدان، عمود هستند.

مثال حرکت الکترون در میدان مغناطیسی

میدان مغناطیسی دلخواهی را به صورت نشان داده شده در تصویر زیر در نظر بگیرید. اگر الکترونی داخل این میدان به سمت بالا حرکت کنید، مسیر حرکت آن را به‌دست آورید.

مثال

پاسخ

ابتدا، سرعت را به دو مولفه تجزیه می‌کنیم:

  1. مولفه موازی میدان مغناطیسی
  2. مولفه عمود بر خطوط میدان مغناطیسی

همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، مولفه موازی میدان،، تلاش می‌کند الکترون را در راستای میدان و روی خط راست، حرکت دهد. برای مولفه عمود بر میدان، از قانون دست راست استفاده می‌کنیم و جهت نیرو را به سمت داخل صفحه به‌دست می‌آوریم. اما باید به این نکته توجه داشته باشیم که بار الکتریکی الکترون، منفی است. از این‌رو، باید جهت نیرو را معکوس کنیم. در نتیجه، جهت نیرو به سمت خارج صفحه خواهد بود. به طور مشابه، مرکز دایره نیز به سمت خارج از صفحه است. مسیر حرکت الکترون در این میدان به صورت زیر به‌دست می‌آید:

مسیر حرکت الکترون در میدان مغناطیسی

پرسش: چرا شفق قطبی، تنها در قطب‌های شمال و جنوب مشاهده می‌شوند؟

پاسخ: دلیل این موضوع به میدان مغناطیسی زمین مربوط می‌شود. ذرات باردار در طوفان خورشیدی دوست دارند از میدان مغناطیسی زمین عبور کنند. اما همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، این ذرات در میدان مغناطیسی به دام می‌افتند و در مسیر مارپیچ شروع به حرکت می‌کنند تا به قطب شمال یا جنوب می‌رسند. ذرات باردار نمی‌توانند به مسیر خود در قطب ادامه دهند و وارد جو زمین می‌شوند. این ذرات در قطب‌ها با جو زمین، واکنش می‌دهند و سبب به وجود آمدن شفق‌های قطبی می‌شوند.

مطلب پیشنهادی:
قانون دست راست در فیزیک — به زبان ساده
شروع مطالعه

سوالات رایج در مورد طوفان خورشیدی

تا اینجا، می‌دانیم طوفان خورشیدی چیست و چه تاثیری ممکن است بر زمین داشته باشد. در ادامه، سوالات رایجی را در مورد این پدیده اسرارآمیز پاسخ می‌دهیم.

فعالیت خورشیدی چیست؟

شراره‌های خورشیدی، خروج جرم از تاج خورشیدی، طوفان خورشیدی با سرعت زیاد و ذرات پرانرژی خورشیدی، شکل‌های مختلف فعالیت خورشیدی هستند. میدان مغناطیسی نقش مهمی در هدایت فعالیت‌های مختلف خورشیدی دارد.

آیا تمام فعالیت‌های خورشیدی بر زمین تاثیر می‌گذارند ؟

فعالیت خورشیدی را می‌توانیم به چهار نوع تقسیم کنیم:

  • شراره‌های خورشیدی: شراره‌های خورشیدی از فوتون ساخته شده‌اند، بنابراین تنها هنگامی می‌توانند بر زمین تاثیر بگذارند که به طور مستقیم به آن برخورد کنند.
  • خروج جرم از تاج خورشیدی: ابرهای بسیار بزرگی از پلاسما و میدان مغناطیسی از خورشید به سمت بیرون فوران می‌کنند. این ابرها می‌توانند در تمام جهت‌ها حرکت کنند و به مسیر خود در آن جهت ادامه دهند. هر ابر تنها هنگامی می‌تواند بر زمین تاثیر بگذارد که مسیر حرکت آن به سمت زمین باشد.
  • طوفان خورشیدی با سرعت بالا: طوفان‌های خورشیدی از محلی در خورشید به نام حفره‌های تاجی می‌آیند. این حفره‌ها در هر جایی از سطح خورشید می‌توانند تشکیل شوند. اگر طوفان خورشیدی از حفره‌ای در نزدیکی استوای خورشید بیاید، با احتمال بسیار زیادی به زمین برخورد خواهد کرد.
  • ذرات پرانرژی خورشیدی: این ذرات، ذراتی باردار با انرژی بسیار زیادی هستند. در ابتدا تصور می‌شد که این ذرات توسط امواج ضربه‌ای شکل گرفته به هنگام خروج جرم از تاج خورشیدی و شراره‌های خورشیدی، رها می‌شوند. ذرات باردار می‌توانند در امتداد خطوط میدان مغناطیسی حرکت کنند، بنابراین تنها ذراتِ قرار گرفته در امتداد خطوط میدان، بر آن تاثیر خواهند گذاشت.
پرتاب جرم از تاج خورشیدی

طوفان ژئومغناطیسی چیست ؟

زمین در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری از خورشید قرار nhvnو همواره در معرض انفجارهای عظیم خورشیدی بوده است و خواهد بود. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم این انفجارها به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند:

  1. خروج جرم از تاج خورشیدی:‌ جرم عظیم خارج شده از تاج خورشیدی از تعداد بسیار زیادی ذرات باردار تشکیل شده است. این ذرات در حدود هشت روز پس از خروج از سطح خورشید، به زمین می‌رسند.
  2. شراره‌های خورشیدی: ‌این شراره‌ها سرشار از انرژی و اشعه ایکس هستند و پس از حدود هشت دقیقه، به زمین می‌رسند.

میدان مغناطیسی زمین، از آن در برابر این ذرات باردار و اشعه ایکس محافظت می‌کند. حرکت شراره‌های خورشیدی و ذرات باردار به سمت زمین، سبب برهم‌کنش آن‌ها با لایه بیرونی میدان مغناطیسی زمین می‌شود. بنابراین، پدیده‌ای به نام طوفان ژئومغناطیسی یا طوفان خورشیدی رخ می‌دهد.

فعالیت خورشیدی کمینه و بیشینه چیست‌ ؟

کمینه فعالیت خورشیدی هنگامی رخ می‌دهد که تعداد لکه‌های خورشید بسیار کم باشد. در مقابل، بیشینه فعالیت خورشیدی هنگامی رخ می‌دهد که تعداد لکه‌های سیاه ظاهر شده در سطح خورشید بسیار زیاد باشد. در این مدت، فعالیت در سطح خورشید به بیشینه مقدار خود می‌رسد و احتمال وقوع طوفان خورشیدی و تاثیر مستقیم آن بر زمین، بسیار زیاد خواهد بود. در دوره کمینه فعالیت خورشیدی ممکن است تا چند روز هیچ لکه‌ای روی سطح خورشید ظاهر نشود.

قدرت باد خورشیدی نسبت به قدرت باد روی زمین چه مقدار است ؟

باد خورشیدی در مقایسه با باد روی زمین، بسیار ضعیف است. اما سرعت آن نسبت به سرعت وزیدن باد روی زمین بسیار بیشتر و در حدود، ۱/۶ میلیون کیلومتر بر ساعت است. چگالی باد خورشیدی در حدود ۱۰۰ ذره بر ۱۶ سانتی‌متر مکعب است. بنابراین، فشار باد خورشیدی بر حسب نانوپاسکال بیان می‌شود. در حالی‌که فشار جوی در زمین برابر ۱۰۰ کیلوپاسکال و فشار بادهای سطحی در حدود ۱۰۰ پاسکال است. در نتیجه، بادهای خورشیدی در حدود ۱۰۰۰ میلیون مرتبه ضعیف‌تر از بادهای روی زمین هستند.

چه کسی برای نخستین بار لکه‌ های خورشید را مشاهده کرد ؟

گالیله، نخستین کسی بود که لکه‌های خورشیدی را مشاهده کرد.

قدرت شراره‌ خورشیدی چه مقدار است‌ ؟

قدرت شراره‌ خورشیدی به اندازه‌ای است که می‌تواند انرژی موردنیاز آمریکا را به مدت ده هزار سال، تامین کند.

جمع‌بندی

در این مطلب، در مورد طوفان خورشیدی و اثرات آن روی زمین صحبت کردیم. قوی‌ترین طوفان خورشیدی در سال ۱۸۵۹ میلادی، منطقه وسیعی از اروپا را تحت‌تاثیر قرار داد و منجر به قطع تلگراف در سراسر اروپا شد. طوفان خورشیدی بعدی در سال ۱۹۸۹ میلادی رخ داد و برق استان کبک در کانادا را به طور کامل قطع کرد. طوفان خورشیدی به دو دلیل ایجاد می‌شوند:

  1. خروج جرم از تاج خورشیدی
  2. شراره‌های خورشیدی

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۱۳ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«مهدیه یوسفی» دانش‌آموخته مقطع دکتری نانوفناوری است. از جمله مباحث مورد علاقه او فیزیک، نانوفناوری و نقاشی است. او در حال حاضر، در زمینه آموزش‌های فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *