شفق قطبی چیست؟

شفق قطبی یک پدیده‌ی نورانی، متحرک و طبیعی است که در آسمان شب جلوه‌گری می‌کند.. این پدیده‌ی زیبا تقریباً هر  شب در نزدیکی قطب شمال و جنوب ( عرض‌های جغرافیایی بالاتر از 66.5 ) قابل مشاهده است که در شمال، با نام شفق شمالی و در جنوب با نام نورهای جنوبی شناخته می‌شود.

این پدیده‌ی شگفت‌انگیز را می‌توان با چشم غیرمسلح در مناطق مشخصی از کره‌ی زمین (مثلا کشورهای حوزه‌ی اسکاندیناوی، شمال کانادا، بخش‌هایی از آمریکا و روسیه) و به دور از آلودگی نوری مشاهده کرد.

شفق‌های قطبی و باد خورشیدی

خورشید عامل اصلی ایجاد شفق قطبی‌ست.

این تک‌ستاره‌ی منظومه‌ی شمسی، از گازهای بسیار داغ و ذرات باردار الکتریکی(یون‌ها) تشکیل شده است. یون‌هایی که به طور مداوم از سطح خورشید به فضا پرتاب می‌گردند، باد خورشیدی خوانده می‌شوند. در واقع بادهای خورشیدی، همان پلاسمایی است که در فضا جریان دارد. پلاسما حالتی از ماده، گاز یونیزه‌شده‌ای است که همه یا بخش قابل توجهی از اتم‌های آن یک یا چند الکترون از دست داده و به کاتیون تبدیل شده است و در هاله‌ی خورشید، هسته‌ی ستارگان و شعاع نور یافت می‌شود.
وقتی  بادهای خورشیدی که از جنس پلاسما و ذرات باردار هستند، از طرف خورشید به همه‌ی جهات ساطع و  به  زمین نزدیک می‌شوند، با میدان مغناطیسی زمین برخورد می‌کنند.

زمین، به علت داشتن هسته‌ای حاوی آهن و نیکل مذاب و حرکت وضعی‌اش(حرکت زمین به دور خودش) به یک آهنربای غول‌پیکر تبدیل شده است؛ و مگنتوسفر، میدان مغناطیسی اطراف کره‌ی زمین است که از سیاره‌ی مادر ما در برابر جریانات مداوم بادهای خورشیدی محافظت می‌کند. مگنتوسفر در اثر وزش بادهای خورشیدی مرتعش می‌شود و شکل و گستره‌ی آن پیوسته تغییر می‌یابد اما از هم نمی‌پاشد. میدان مغناطیسی زمین مرئی نیست اما جهت‌گیری آن را می‌توان با خطوط فرضی نشان داد.

بدون این سپر مغناطیسی، بادهای خورشیدی امکان حیات را بر روی زمین برمی‌چیدند.

اگرچه از تاثیرات  بیشتر بادهای خورشیدی بر زمین، توسط مگنتوسفر جلوگیری و بیشتر ذرات یونی آن ها در این میدان منحرف می‌شوند، اما برخی از آن ها برای مدت کوتاهی در مناطق  حلقه‌ای شکلی در اطراف سیاره‌ی ما‌ به دام می‌افتند.

این مناطق، در ناحیه‌ای از جو به نام «یونوسفر»، در اطراف قطب‌های ژئومغناطیسی زمین قرار گرفته‌اند. قطب‌های ژئومغناطیسی، محورکج  میدان مغناطیسی زمین را مشخص می‌کنند. آنها در فاصله‌ی تقریبی 1300 کیلومتری از قطب‌‌های جغرافیایی  قرار دارند، اما به آرامی در حال حرکت هستند.

از بخش فوقانی مزوسفر (سومین لایه‌ی تشکیل‌دهنده‌ی جو زمین) تا ارتفاع تقریبی 1000 کیلومتری اتمسفر زمین، بار الکتریکی شدیدی حاکم است که به علت وجود یون‌ها و الکترون‌های آزاد است. در حقیقت پرتوهای پرانرژی خورشید که از فضای خارج به لایه‌های بالایی اتمسفر وارد می‌شوند باعث شکستن پیوند بین مولکول‌ها و یا یونیزاسیون اتم‌ها می‌شوند.

بر اثر یونیزاسیون، الکترون آزاد می‌شود و باقیمانده اتم، به‌صورت یون در می‌آید؛ به همین علت این لایه از جو را یونوسفر نامیده‌اند. شدت یونیزاسیون در تمام ارتفاعات یونسفر یکسان نیست؛ بنابراین لایه‌های متفاوت با تراکم الکترون و یون متفاوت با ارتفاعات مجاور خود در یونوسفر وجود دارد. یون‌سپهر یا یونوسفردر بالاترین لایهی جو قرار دارد. این لایه پرتوهای خطرناک فرابنفش و پرتو ایکس خورشید را جذب کرده و مانند سقفی از ورود آن ها به زمین جلوگیری می‌نماید تا زندگی بر روی کره زمین امکان‌پذیر گردد.

در محل یونوسفر، یون‌های موجود در بادهای خورشیدی با اتم‌های اکسیژن و نیتروژن جو زمین برخورد می‌کنند. انرژی آزاد شده در طول این برخوردها  باعث  ایجاد هاله‌ی درخشان  رنگارنگ   اطراف  قطب‌ها  می‌شود  که همان شفق  قطبی‌ست. بیشتر شفق‌های قطبی در فاصله‌ی تقریبی97-1000 کیلومتر بالاتر از سطح زمین  رخ می‌دهند.

فعال‌ترین شفق‌ها زمانی اتفاق می‌افتند که زمین با بادهای خورشیدی شدیدتری برخورد داشته باشد.
دمای خورشید اغلب با لکه‌های خورشیدی اندازه‌گیری می‌شود. لکه‌های خورشیدی سردترین مناطق خورشید هستند و به صورت  نقاطی تیره بر سطح سفید و داغ آن ظاهر می‌شوند. شراره‌های خورشیدی و پرتاب جرم از تاج، با لکه‌های خورشیدی مرتبط هستند. فعالیت لکه‌های خورشیدیدر یک چرخه 11 ساله ردیابی می‌شود.

شفق‌های درخشان و ثابت در طول فعالیت لکه‌های خورشیدی بیشتر، قابل مشاهده هستند. وجود لکه‌های بیشتر بر سطح خورشید، بیانگر فعالیت شدیدتر خورشید است.
طوفان‌های خورشیدی شدید، گاهی اوقات می‌توانند در سیستم مخابراتی و ارتباطی زمین اختلال ایجاد کنند. یا حتی می‌توانند  ماهواره‌های ارتباطی را از کار بیاندازند.

رنگ آمیزی شفق قطبی 

شفق قطبی در ساعات مختلف شب، رنگ‌های متفاوتی دارد. رنگ‌های شفق بسته به ارتفاع و نوع اتم‌های درگیر، متفاوت است. اگر یون‌ها به اتم‌های اکسیژن در اتمسفر بالا  برخورد  کنند، این برهمکنش یک درخشش قرمزرنگ ایجاد می‌کند که نشانگر یک شفق قطبی غیرعادی است.

این پدیده‌ی نورانی در آسمان، متحرک است و اهالی کانادا، آن را ارواح رقصان می‌نامند.

آشناترین شفق قطبی به رنگ سبز- زرد است؛ زمانی که یون‌ها در ارتفاعات پایین‌تر به  اکسیژن برخورد می‌کنند.  نور  مایل به قرمز و آبی که اغلب در حاشیه‌های پایینی شفق‌های قطبی ظاهر می‌شود،  توسط یون‌هایی  تولید  می‌گردد که به اتم‌های نیتروژن برخورد می‌کنند. یون‌هایی که با اتم‌های هیدروژن و هلیوم  برخورد می‌کنند،  می‌توانند شفق‌های آبی و بنفش را ایجاد کنند؛ اگرچه چشمان ما به ندرت می‌تواند این بخش از طیف الکترومغناطیسی را تشخیص دهد.

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد این پدیده‌ی نوری مرموز، دانشمندان ماهواره‌هایی را به فضا پرتاب کرده‌اند  که  به طور ویژه برای مطالعه‌ی شفق‌های قطبی طراحی شده اند.

شفق قطبی در دیگر سیارات

در مشتری و زحل قطب‌های مغناطیسی قوی‌تری نسبت به زمین وجود دارد و هر دو آن‌ها کمربند تشعشع بزرگی دارند که شفق‌های قطبی به مراتب واضح‌تری را تجربه می‌کنند.

در اورانوس و نپتون نیز شفق قطبی مشاهده می‌شود.

منابع شفق قطبی

https://www.space.com/juno-jupiter-mission-strange-auroras

https://spaceplace.nasa.gov/aurora/

https://education.nationalgeographic.org/resource/aurora/

https://daneshyari.com/isi/articles/ionosphere

نویسنده: فروغ موسوی‌فرد