فرادرسشفق قطبی چیست و به چه دلیل رخ می‌دهد؟ — به زبان ساده
در این مطلب در مورد شفق قطبی و ویژگی‌های آن صحبت می‌کنیم. در حقیقت باید گفت شفق قطبی یک نور طبیعی است که در آسمان می‌درخشد. شفق‌های قطبی فقط در شب قابل مشاهده هستند و معمولاً فقط در نواحی پایین قطبی ظاهر می‌شوند. در ادامه ویژگی‌ها و جزئیات بیشتر شفق قطبی را مطالعه و بررسی می‌کنیم.
شفق قطبی چیست؟
شفق قطبی یک پدیده اتفاقی پراکنده و به طور کلی ضعیف است که معمولاً در آسمان شب از مکان‌هایی با عرض‌های جغرافیایی زیاد دیده میشود. این پدیده معمولاً به عنوان نورهای شمالی نیز شناخته میشود. این پدیده ممکن است در ابتدا به صورت یک درخشش کم رنگ و شیری رنگ ظاهر شود. همچنین شفق قطبی در شمال کم و برای چشم انسان بسیار کم نور است و نمی‌تواند هر رنگی را تشخیص دهد اما به اندازه کافی درخشان است تا ابرهای نزدیک افق را نشان دهد.
شفق قطبی یا Aurora ممکن است به شکل قوس‌های مایل به سبز درآید یا پرده‌های تابان و چرخشی از نور زرد-سبز ایجاد کند. در طول چشمگیرترین نمایش‌هایی که از مناطق در عرض جغرافیایی میانی مانند اروپای مرکزی و ایالات متحده قابل مشاهده است، درخشندگی زرشکی بیشتر آسمان را فرا گرفته است. این شکل بود که دانشمندان اروپایی در دهه 1600 را تشویق کرد تا پدیده شفق قطبی را به معنای واقعی کلمه سپیده دم شمالی بنامند، اما شفق قطبی در عرض‌های جغرافیایی جنوبی بالا نیز، جایی که به طور رسمی شفق قطبی سپیده دم جنوبی نامیده میشود نیز رخ می‌دهد.
فرآیندهای مشابهی در هر دو نیمکره نه فقط در زمین، بلکه در سایر سیارات نیز در حال انجام است و امروزه دانشمندان به سادگی از این پدیده به عنوان شفق قطبی یاد می‌کنند. اشکال شبح مانند یک شفق قطبی شامل تکه‌های آرام، نقاب، قوس و پرتوهای سریع و پرده‌ها نیز است.
بسیاری از گزارش‌های تاریخی از نورهای شمالی از مناطق بسیار جنوبی محل معمول آن نیز وجود دارد. در یک رکورد اولیه چین، این پدیده را ابر سرخی که در سراسر آسمان پخش شده است، توصیف میکند. سنکا فیلسوف رومی نوشت که یک شفق قطبی در قرن 37 امپراتور را فریب داد تا نیروهایی را برای كمک به بنياد سوزان اوستیا بفرستد، زیرا كه درخشش آسمان در قسمت اعظم شب ادامه داشت و مانند آتشی وسیع و دودزا و كم نور می‌درخشید. در سال 1583 شفق قطبی که مشابه آتش سوزی در هوا بود هزاران زائر فرانسوی را بسیج کرد تا دعا کنند و از خشم خدا جلوگیری شود. در 15 سپتامبر 1839، یک شفق قطبی آتش نشانان را در سراسر لندن اعزام کرد.
شفق‌های قطبی در دو بیضی بزرگ و درخشان با مرکزیت قطب‌های مغناطیسی شمال و جنوب زمین قرار دارند. برخورد بین گازهای جوی و باران الکترون‌ها و پروتون‌ها که توسط میدان مغناطیسی زمین هدایت می‌شوند بیضی‌ها را معمولاً بین ارتفاعات 100 تا 250 کیلومتر (62 تا 155 مایل) درخشان میکند. هر گاز هنگام بمباران یک رنگ مشخص می‌دهد به عنوان مثال اتم‌های اکسیژن برانگیخته، نور زرد-سبز را روشن می‌کنند و این رنگی است که بیشتر از رنگ‌های دیگر مشاهده میشود. نیتروژن که مولکولی یونیزه است نور آبی و بنفش را ساطع میکند و این‌ها رنگ‌هایی هستند که چشم انسان نسبت به آن‌ها کمتر حساس است. در ارتفاعات پایین‌تر مولکول‌های برانگیخته نیتروژن و اکسیژن با رنگ قرمز روشن می‌درخشند. این سه رنگ اصلی در کنار هم رنگ‌های بی شمار یک شفق قطبی را ایجاد می‌کنند. برای بررسی دیگر ویژگی‌های شفق قطبی باید بدانیم باد خورشیدی چیست؟ به این سوال در ادامه پاسخ می‌دهیم.
باد خورشیدی چیست؟
باد خورشیدی پلاسما و ذرات خورشید را به فضا منتقل میکند. اگر چه این باد ثابت است اما خواص آن ثابت نیست.
علت بارش ذرات باردار که باعث ایجاد نورهای شمالی یا شفق قطبی می‌شوند، چیست؟
منبع بارش این ذرات باردار در باد خورشیدی نهفته است. در حقیقت یک جریان سریع ذرات وجود دارد که دائماً از خورشید جریان می‌یابد و میدان مغناطیسی خورشید را به فضا منتقل میکند. باد خورشیدی که معمولاً با سرعت 400 کیلومتر بر ثانیه حرکت میکند، از میدان مغناطیسی زمین عبور میکند و آن را به شکل حباب یا حفره‌ای طولانی در می‌آورد و طرف خورشیدی آن را فشرده میکند و سمت شب خود را بسیار فراتر از مدار ماه می‌کشاند.
تحت شرایط خاصی، میدان مغناطیسی باد خورشیدی می‌تواند با زمین ادغام شده و جریان‌های الکتریکی ایجاد کند که پروتون‌ها و الکترون‌ها را به اتمسفر قطبی هدایت میکند. رویدادهای قدرتمند روی خورشید میتوانند تغییرات عظیمی در باد خورشیدی ایجاد کنند و سرعت و چگالی آن را افزایش داده و تأثیر آن را بر روی زمین افزایش دهند.
درک اینکه چگونه میدان مغناطیسی زمین به چنین رویدادهایی واکنش نشان می‌دهد، اکنون مورد توجه بسیاری از تحقیقات خورشیدی و فضایی قرار گرفته است. ما به طور فزاینده به فناوری‌هایی وابسته هستیم که به تغییرات محیط فضا بسیار حساس هستند، تغییراتی که در مجموع آب و هوای فضا نامیده می‌شوند.
داستان Galaxy 4 که یک ماهواره ارتباطی بود و بسیار مورد استفاده قرار می‌گرفت، به عنوان مثال خوبی در این زمینه عمل میکند. این ماهواره در ساعت 22 در 19 ماه می 1998، در حالی که در مدار زمین ثابت و بالای مرکز ایالات متحده قرار داشت، سیستم‌های کنترل اولیه و پشتیبان خود را از دست داد. در آن زمان، Galaxy 4 حدود 80 درصد از کل ترافیک پیجر ایالات متحده را اداره می‌کرد. کنترل کننده‌ها دیگر نمی‌توانستند ارتباط پایداری بین ماهواره و زمین برقرار کنند و در نتیجه خدمات پیجر به 45 میلیون مشتری از بین رفت. محققان بر این باورند که این حادثه به این دلیل رخ داده است که دنباله‌ای از رویدادهای خورشیدی حدود دو هفته قبل از خرابی، یک ابر بسیار پرانرژی از الکترون‌ها ایجاد کرد که باعث خرابی ماهواره شد.
رویدادهای گذرا بر روی خورشید میتوانند ابرهای ذرات سریع را ایجاد کنند که تاثیر باد خورشیدی را بر روی زمین بسیار تشدید میکند. شعله‌های خورشیدی ممکن است ساعت‌ها مواد را از سطح خورشید منفجر کنند. مناطقی که سوراخ‌های تاجی نامیده می‌شوند، سیلاب‌های وسیعی از باد خورشیدی را ایجاد می‌کنند و ممکن است ماه‌ها طول بکشند. با این حال شگفت انگیزترین اثرات آب و هوایی فضا، زمانی بوجود می‌آید که ابرهای عظیمی از مواد از جو خورشیدی فوران کرده و به سمت زمین حرکت می‌کنند. دانشمندان این فوران ها را بیرون انداختن توده تاج یا CME می‌نامند.
در حقیقت باید گفت که قسمتی از میدان مغناطیسی خورشید دچار یک اختلال ناگهانی میشود و مانند یک نوار لاستیکی کشیده شده و می‌پیچد تا زمانی که با صدای خاصی موجب انفجار شود. در این صورت بیش از یک میلیارد تن ماده از خورشید با سرعت 2000 کیلومتر در ثانیه دور میشود. وقتی یک CME به حباب مغناطیسی زمین برخورد میکند به سمتی از زمین که به روی خورشید است نزدیکتر میشود و تغییرات ناگهانی را ایجاد میکند. در نتیجه یک طوفان ژئومغناطیسی در حقیقت افزایش ذرات در جو زمین است.
گاهی اوقات یک CME سریع از یک یا چند CME که در راه هستند پیشی می‌گیرد و ادغام می شود و منجر به ایجاد یک CME آدم خوار میشود که می‌تواند تأثیر ویژه‌ای داشته باشد. طوفان‌های بسیار قوی باعث می‌شوند که بیضی‌های شفق قطبی گسترش یافته و از مکان‌های عادی خود به سمت جنوب حرکت کنند و بدین ترتیب نورهای شمالی را در عرض‌های جغرافیایی بسیار کمتر از حالت عادی به تماشاگران آسمان می‌رساند.
یکی از مهمترین فضاپیماهای موجود در ناوگان که اکنون برای نظارت بر خورشید اختصاص داده شده رصدخانه خورشیدی و هلیوسفری (SOHO) است که پروژه مشترک ناسا و ESA است. در دسامبر 1995 این فضاپیما به فضا پرتاب شد و در مدار خود حول یک نقطه پایدار پویا در فاصله 1/5 میلیون کیلومتر (932000 مایل) به سمت خورشید و زمین قرار گرفت. این فضاپیما از آن نقطه دید بی وقفه‌ای به خورشید دارد.
«پال برکه»، یکی از محققین پروژه SOHO می‌گوید، دو ابزار روی SOHO برای نظارت مداوم در زمان واقعی طوفان‌های خورشیدی که بر آب و هوای فضا تأثیر می‌گذارد بسیار ارزشمند هستند. این دو تلسکوپ تصویربرداری ماوراء بنفش (EIT)، که تصاویری از سطح خورشید در طول موج‌های فرابنفش بسیار دور که توسط جو زمین مسدود شده‌اند، زاویه بزرگ و طیف سنجی (LASCO) که به دنبال حباب‌های عظیم ذرات باردار و میدان مغناطیسی درگیر شده که نشان دهنده CME است، ارائه می‌دهد. قبل از بهره برداری SOHO تنها 27 درصد از طوفان‌های مغناطیسی عمده به درستی پیش بینی شده بود و اکثر پیش بینی‌ها هشدارهای کاذب بودند. بین سالهای 1996 تا 1997، SOHO بیش از دوازده CME را شناسایی کرد. برکه می گوید بیش از 85 درصد از این CMEها طوفان‌های مغناطیسی بزرگی ایجاد کردند و تنها 15 درصد از این طوفان‌ها پیش بینی نشده بود. از آنجا که طوفان‌های ژئومغناطیسی میتوانند بر ارتباطات رادیویی و سیگنال‌های ناوبری تأثیر بگذارند و حتی خطاهایی را در موقعیت‌های تعیین شده توسط شبکه ماهواره‌ای موقعیت یابی جهانی ایجاد کنند، با افزایش وابستگی ما به چنین فناوری، اطلاع قبلی به طور فزاینده‌ای اهمیت می‌یابد.
بیرون ریختن جرم تاج، شعله‌های خورشیدی و سوراخ‌های تاجی در قسمت فعال لکه‌های خورشیدی در یک چرخه 11 ساله بیشتر اتفاق افتاده است. این چرخه در سال 2000 به اوج خود رسید و حداکثر ثانویه آن در سال 2002 رخ داد. این بدان معناست که فعالیت خورشیدی پس از آن به صورت نزولی است و تا سال 2006 به کاهش خود ادامه داده است. پس از آن فعالیت به تدریج افزایش یافته زیرا خورشید در اوایل یا بعد از سال 2010 به حداکثر فعالیت خود رسیده است.
به طور کلی شانس دیدن و مشاهده شفق قطبی به ویژه در کانادا و ایالات متحده چندان پایین نیست. از آنجا که قطب مغناطیسی شمالی در آمریکای شمالی قرار دارد، بیضی شفق قطبی به جنوب آنجا می‌رسد. این بدان معناست که ناظران در عرض جغرافیایی معین در آمریکای شمالی شانس بیشتری برای دیدن شفق قطبی نسبت به آن‌ها در عرض جغرافیایی مشابه در اروپا یا آسیا دارند. به عنوان مثال دو شهر رم و شیکاگو در عرض جغرافیایی 42 درجه قرار دارند، اما رم به طور متوسط یک شفق قطبی در هر دهه دارد در حالی که شیکاگو می‌تواند هر ساله حدود 10 مورد را ببیند.
در تصویر ۳، ماهواره Dynamics Explorer 1 (DE-1) شفق قطبی عظیمی را که در 14 مارس 1989 بر فراز مناطق قطبی جنوب زمین رخ داد، ثبت کرد. دانشمندان این تصویر را در امتداد خطوط میدان مغناطیسی ترسیم کرده‌اند تا نمایی از مناطق قطبی شمال (بالا) ایجاد کنند. این تقریبی است که اگر این ماهواره بر فراز نیمکره شمالی قرار داشت، بیضوی شفق قطبی چگونه به نظر می‌رسید.
فعالیت‌های جوی نورهای شمالی یا شفق قطبی گاهی اوقات تأثیر عمیقی بر زندگی روزمره دارد. «الیاس لومیس» (Elias Loomis) محقق آمریکایی (1811-1889)، می‌نویسد: در شفق قطبی 2 سپتامبر 1859، جریان برق بر روی سیم‌های تلگراف آنقدر ثابت و قوی بود که اپراتورها در چندین خط موفق به استفاده از آن‌ها برای ارسال تلگراف به عنوان جایگزینی برای باتری شدند و برای مدتی پیام‌ها صرفاً بر روی جریانات شفق قطبی منتقل شدند.
بیضوی شفق که به سرعت در حال تغییر و گسترش است می‌تواند جریان‌های الکتریکی را در دیگر رساناهای بلند نیز ایجاد کند. نمونه‌ای که در گروه تحقیقات بر روی آب و هوایی فضا، افسانه‌ای شده است در مارس 1989، هنگامی که یک منطقه خورشیدی بسیار فعال رکوردهای بیش از 30 سال را شکسته بود، رخ داد و در آن فعالیت شفق قطبی تا جنوب جامائیکا مشاهده شد. در کبک، کانادا جریان‌های ناشی از شفق قطبی از طریق هفت خازن 100 تنی که توسط اداره برق هیدرو کبک کار می‌کردند عبور کرده و باعث شد رله‌های محافظ آن‌ها شرایط اضافه بار را تشخیص دهند. هنگامی که رله‌ها شروع به کار کردند و دستگاه‌ها را از خط خارج کردند، حدود نیمی از نیروی الکتریکی موجود کبک با آن‌ها همراه شد. کمتر از یک دقیقه بعد کل سیستم توزیع برق خراب شد و حدود 6 میلیون نفر بیش از 9 ساعت بدون برق ماندند.
این خاموشی می‌توانست بیشتر نیز گسترش یابد. «پال برکه» (Paal Brekke) می‌گوید: حوضچه‌های نیرو که به کل شمال شرقی ایالات متحده خدمت می‌کرد به طرز فاجعه باری نزدیک به خاموش شدن و از دست دادن توانایی خود بودند. فراتر از مشکلات مربوط به الکتریسیته و برق، جریان‌های القایی میتوانند اتصال را در خطوط لوله نفت نیز تضعیف کرده و موج مضر برق را در کابل‌های مخابراتی ایجاد کنند.
یک شفق قطبی برای ناظر یک پدیده جذاب و شگفت انگیز است، همچنین این پدیده یادآور نیروهای قدرتمند و انرژی‌های فوق العاده‌ای است که به طور معمول در محل کار فقط چند کیلومتر بالاتر از سر ما کار می‌کنند.
حقایقی جالب در رابطه با شفق قطبی
شفق قطبی که به عنوان نورهای شمالی شناخته میشود، نمایشی زنده از تعامل میدان مغناطیسی زمین با ذرات باردار خورشید است. این پدیده زیبا است و ارزش زمان گذاشتن در یک شب سرد و بازدید از عرض‌های شمالی (یا جنوبی) بالا را دارد.
شفق‌های قطبی بر قطب‌های مغناطیسی زمین قرار دارند و در یک منطقه تقریباً دایره‌ای شکل در اطراف آن‌ها قابل مشاهده هستند. از آنجا که قطب‌های مغناطیسی و جغرافیایی یکسان نیستند و بر روی هم منطبق نیستند، گاهی اوقات شفق‌های قطبی دورتر از آنچه که انتظار می‌رود در جنوب مشاهده می‌شوند در حالی که در جاهای دیگر دورتر از انتظار در شمال قرار دارند.
در نیمکره شمالی منطقه شفق قطبی در امتداد سواحل شمالی سیبری، اسکاندیناوی، ایسلند، قسمت جنوبی گرینلند و شمال کانادا و آلاسکا قرار دارد. شفق‌های قطبی در منطقه جنوب نیز قابل مشاهده هستند اما احتمال کمتری دارد که هر چه دورتر بروید رخ دهند. منطقه شفق قطبی نیمکره جنوبی بیشتر بر روی قطب جنوب یا اقیانوس جنوبی قرار دارد. برای دیدن نورهای جنوبی (یا شفق قطبی) باید به تاسمانی بروید. گاهی اوقات این پدیده در جنوب آرژانتین یا فالکلند نیز مشاهده میشود نادر هستند. در اینجا برخی از حقایق خیره کننده در مورد این نمایش‌های نوری را معرفی می‌کنیم:
چرا شفق قطبی شامل رنگ‌های متفاوت است؟
نمایشگرهای شفق قطبی هنگامی ایجاد می‌شوند که پروتون‌ها و الکترون‌ها از سطح خورشید خارج شده و به میدان مغناطیسی زمین برخورد می‌کنند. از آنجا که ذرات باردار هستند به صورت مارپیچ در امتداد خطوط میدان مغناطیسی، پروتون‌ها در یک جهت و الکترون‌ها در جهت دیگر حرکت می‌کنند. این ذرات به نوبه خود به جو نیز برخورد می‌کنند. همچنین از آنجا که ذرات باردار خطوط میدان مغناطیسی را دنبال می‌کنند، اکثر آن‌ها گازهای جو را به صورت حلقه‌ای در اطراف قطب‌های مغناطیسی و جایی که خطوط میدان مغناطیسی به هم می‌رسند، وارد می‌کنند.
