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 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.

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.

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.

هوا عمدتاً از اتم‌های نیتروژن و اکسیژن تشکیل شده است، اکسیژن در ارتفاعات شفق قطبی که از حدود 60 کیلومتر به بالا شروع می‌شود و تا 600 کیلومتر ادامه دارد به جزء بزرگتری تبدیل می‌شود. وقتی ذرات باردار به این اتم‌ها برخورد می‌کنند، انرژی می‌گیرند. سرانجام این ذرات آرام می‌شوند، انرژی را از دست می‌دهند و فوتون‌هایی با طول موج خاص آزاد می‌شوند. اتم‌های اکسیژن نور سبز و گاهی قرمز منتشر می‌کنند، در حالی که نیتروژن بیشتر نارنجی یا قرمز است.

آیا می‌توان زمان به وقوع پیوستن یک شفق قطبی را پیش بینی کرد؟ یکی از دشوارترین مشکلات در فیزیک خورشیدی، دانستن شکل میدان مغناطیسی در پرتاب جرم تاج (CME) است که اساساً یک حباب عظیم از ذرات باردار است که از خورشید بیرون زده شده است. چنین CMEهایی میدان‌های مغناطیسی خود را دارند. مشکل این است که تقریباً غیرممکن است که بگوییم میدان CME چه جهتی در زمان برخورد دارد و یک ضربه یا یک طوفان مغناطیسی دیدنی و شفق قطبی خیره کننده که با این برخورد ایجاد می‌شود در کدام نقطه رخ می‌دهد. در حال حاضر راهی برای اطلاع از قبل برای شفق قطبی وجود ندارد.