شفق قطبی

شفق قطبی

یکی از تماشایی‌ترین و با شکوهترین پدیده‌ها شفق قطبی است، که مشخصه عرضهای جغرافیایی بالا , نزدیکیهای شمال یا جنوب مدار قطبی است. پدیده شگفت آور و زیبایی که در طول شب قطبی طولانی در آسمان دیده می‌شود.

آسمان تابان می‌شود و نقشهایی با رنگها و شکلهای گوناگون دیده می‌شود. گاهی دارای شکل کمان یکنواخت ، ساکن یا تپنده است و گاهی عبارت است از شمار زیادی پرتو با طول موجهای متفاوت ، که مانند پرده‌ها و نوارها بازی می‌کنند و پیچ و تاب می‌خورند. رنگ تابانی از سبز مایل به زرد به سرخ و بنفش مایل به خاکستری تغییر می‌کند. طبیعت و منشأ شفقهای قطبی زمان درازی به کلی پوشیده مانده بود. تا اینکه به تازگی برای این راز توضیح رضایت بخشی پیدا شد.عرضهای بالای زمین ، آسمان شب ، بصورت درخشانی به شکل متحرک روشن می‌شود که شفق قطبی نامیده می‌شود. آنها شفاف هستند و می‌توان ستاره‌ها را از داخل آنها مشاهده کرد. اغلب نور آنها به قدری می‌درخشد که می‌توان نوشته ای را خواند و رنگ آنها همیشه سبز مایل به زرد نیست. شفق قطبی شمالی و شفق قطبی جنوبی را می‌توان در هر شب روشن مشاهده کرد و شدت نور آنها متغیر بوده و تابع تعدادی پارامتر است. راه شیری توسط یک شفق قطبی روشن ، دیده نمی‌شود.همچنین آشکار است که شفق قطبی به هنگام روز بوجود می‌آید، بطوری که نور آن همواره در اتمسفر عرضهای بالا انتشار می‌یابد. وجود شفق قطبی چندین قرن است که مورد شناسایی قرار گرفته است. در اوایل تصور می‌شد که شفق قطبی ناشی از بازتاب نور خورشید توسط یخهای فطبی است. نظریه دیگری عبارت از روشن شدن آسمان توسط خدایان بوده است. امروزه نظریه ذرات باردار شتاب‌دار مسئول این پدیده شناخته شده‌اند.

شفق قطبیعلم فیزیک – شفق قطبی

ارتفاع شفقهای قطبی

قبل از همه ، دانشمندان موفق شدند ارتفاعی را که شفقهای قطبی ظاهر می‌شوند، تعیین کنند. به این منظور از یک تابانی از دو نقطه به فاصله چند ده کیلومتر از یکدیگر عکس گرفتند. به کمک چنین عکسهایی ثابت کردند که شفقهای قطبی در ارتفاع ۸۰ تا ۱۰۰ کیلومتری بالای زمین (بیشتر اوقات در ارتفاع ۱۰۰ کیلومتر) ظاهر می‌شوند. به این ترتیب دریافتند که شفقهای قطبی تابانی گازهای رقیق موجود در جو زمین هستند، که تا اندازه‌ای به تابانی در لامپ های تخلیه گاز شبیه می‌باشند.

دوره تناوب ظهور شفق های قطبی

رابطه جالب بین شفقهای قطبی و پدیده‌های دیگر روشن است. شفقهای قطبی با دوره‌های متفاوت مشاهده می‌شوند. اختلاف دوره‌های شفق قطبی بعضی اوقات به چندین سال می‌رسد. مشاهدات چندین ساله آشکار ساخته‌اند که دوره‌های زیادی ماکزیمم شفقهای قطبی بطور مرتب در ۱۱٫۵ سال تکرار می‌شوند . در طول این مدت ، شماره شفقهای قطبی نخست سال به سال کاهش می‌یابد و سپس شروع می‌کند به زیاد شدن تا مقدار آن در ۱۱٫۵ سال از نو به ماکزیمم می‌رسد.
شفق قطبی چیست؟
قبل از اینکه بتوانیم به ماهیت شفق قطبی پی ببریم، باید اطلاعاتی درمورد فضای اطراف زمین داشته باشیم. در این فضا چیزهای زیادی هست که ما نمی توانیم آنها را ببینیم. یکی از آنها هوایی است که ما تنفس میکنیم که به آن Atmosphere گویند. Atmosphere مخلوطی از گازهای مختلف است. بیشتر شامل اکسیژن، نیتروژن و مقادیری هیدروژن، هلیم و …
یکی از چیزهای دیگر که ما قادر به دیدن آن نیستیم، میدان مغناطیسی است که زمین را احاطه کرده. اگر تا به حال با یک آهنربای میله ای و مقداری براده آهن بازی کرده باشید، الگوهای منحنی شکل را که براده های آهن میسازند دیده اید. درواقع آهنربای زمین در اعماق هسته آن جای دارد. ازآنجا که ما قادر به دیدن میدان مغناطیسی زمین نیستیم، آنرا بصورت یک سری خطوط منحنی نمایش میدهیم. این خطوط درمحل قطبین زمین به آن وارد و از آن خارج میشوند.هرجا که خطوط به هم نزدیکترند، میدان قویتر است و برعکس.
سومین چیز نامرئی در فضای اطراف زمین پلاسما است. پلاسما مجموعه ای از ذرات باردار است. درواقع الکترون ها و یون های مثبت همواره میدان مغناطیسی زمین را احاطه کرده اند. ذرات باردار در یک میدان مغناطیسی در راستای خاصی حرکت میکنند. آنها درواقع بوسیله میدان مغناطیسی به جهات خاصی هدایت میشوند. این ذرات چنان در راستای میدان مغناطیسی زمین حرکت میکنند که گویی این میدان یک سیم رساناست.ماده اصلی تشکیل دهنده شفق قطبی همین ذرات باردارند

یک پاسخ کوتاه به این سوال که شفق قطبی چگونه بوجود می آید این است که ذرات باردار پر انرژی (اغلب -e) تحت تاثیر میدان مغناطیسی زمین شتاب میگیرند. این شتاب گیری در لایه های فوقانی جو انجام میشود. جایی که این ذرات با اتم های گاز برخورد میکنند و این برخورد باعث میشود که اتم ها از خود نور ساطع کنند. اما اگر کمی دقیق تر به قضیه نگاه کنیم، متوجه میشویم که یکی از عوامل اصلی در بوجود امدن شفق قطبی، پدیده ای موسوم به طوفان خورشیدی یا بادهای خورشیدی است. خورشید هم مثل زمین جو دارد و نیز یک میدان مغناطیسی قوی که تا فواصل دوراز خورشید گسترده شده. جو خورشید از هیدروژن و هیدروژن از ذرات بنیادی اتم ها ساخته شده. الکترون ها و پروتون ها ذراتی هستند که بطور دائمی از خورشید میجوشند و با سرعت بسیار زیاد به بیرون جو خورشید رانده میشوند. مجموعه این ذرات پرانرژی و میدان مغناطیسی خورشید را طوفان یا باد خورشیدی گویند.
این بادهای خورشیدی بطور دائمی میدان مغناطیسی زمین را تحت فشار قرار میدهند و باعث تغییر شکل آن میشوند. درست مثل اینکه به سطح یک حباب صابون با شدت تمام فوت کنیم.این میدان فشرده شده در اطراف زمین، Magnetosphere نام دارد.
میدان مغناطیسی زمین از جهتی که به سمت خورشید است، یعنی نیمه روز زمین فشرده میشود. چون بادهای خورشیدی در آن جهت به زمین میرسند. همچنین این میدان فشرده شده در اطراف زمین، مثل رد یک کشتی بطول زیاد ادامه پیدا میکند که به آن اصطلاحا Magnetotail گویند. جهت این کشیدگی در خلاف جهتی است که خورشید آنجاست.  انقباض میدان مغناطیسی زمین نیاز به صرف انرژی دارد. درست مثل اینکه بخواهیم یک بادکنک پر از باد را فشرده کنیم. جزئیات این فرآیند هنوز شناخته نشده ولی چیزی که معلوم است این است که انرژی دریافتی از خورشید مرتبا در لایه Magnetosphere افزایش می یابد و این عامل ایجاد شفق قطبی است.
نیروی رانش بزرگ
ذرات باردار خورشیدی بطور دائمی وارد قسمت دم Magnetosphere شده و دوباره بسوی خورشید حرکت میکنند. هنگامی که همه شرایط لازم فراهم باشد، افزایش فشار بادهای خورشیدی یک ولتاژ الکتریکی بین قطب های زمین و Magnetotail ایجاد میکند. درست مثل ولتاژ دوسر یک باتری. با این تفاوت که این ولتاژ به ده هزار ولت هم میرسد. این ولتاژ بالا الکترون ها را که بسیار سبک اند به سمت قطب ها شتاب میدهد درست مثل سیستم داخلی یک تلویزیون CRT (اشعه کاتدی). این ذرات شتابدار در راستای خطوط میدان مغناطیسی زمین و در قطب های شمال و جنوب متمرکز میشوند. بتدریج مقادیر قابل توجهی الکترون در لایه های بالایی Atmosphere که اصطلاحا به آن ionosphere میگویند جمع میشود.
در ionosphere الکترون های شتابدار بشدت با اتم های گاز برخورد میکنند و این برخورد باعث افزایش انرژی اتم های گاز میشود. اتم های گاز هم با بدست آوردن مقادیر زیادی انرژی برانگیخته میشوند و پس از آن برای بازگشت به حالت پایه این انرزی را بصورت نور پس میدهند. میتوان گفت روند تشکیل شفق قطبی تا حد زیادی مشابه تابلوهای نئون است. با این تفاوت که درمورد شفق قطبی بجای تیوپ گاز، لایه ionosphere را داریم و جریان بجای سیم از میدان مغناطیسی میگذرد.
 نتیجه این فرآیندهای فیزیکی پدیده ای پرده مانند در آسمان است که ارتفاع پایین ترین لایه آن از سطح دریا ۶٠ یا ٧٠ مایل است و این حدود ده برابر بالاتر از ارتفاع پرواز یک هواپیمای جت است.

  این پدیده طبق گزارش های مستند غالبا در عرض جغرافیایی ۶٧ درجه شمالی و ۶٧ درجه جنوبی و به پهنای ۶ درجه دیده میشود. یکی از بهترین نواحی برای دیدن شفق قطبی منطقه آلاسکا است.

  شفق قطبی در تمام دیگر سیارات منظومه خورشیدی هم اتفاق می افتد. شفق قطبی در سیارات مجاور زمینفقط به رنگ قرمز ظاهر میشود چون جو این سیاره ها فقط هیدروژن دارد و اکسیژن ندارد.   این پدیده در نیمکره شمالی به Aurora Borealis و در نیمکره جنوبی به Aurora  Australis معروف است.

شفق قطبیعلم فیزیک – شفق قطبی

     تشکیل شفق قطبی نشان میدهد که جو زمین میتواند انرژی را ذخیره کند.

  نوع و شدت رنگ شفق قطبی بستگی به عوامل گوناگونی دارد. مثلا رنگ سبز مایل به زرد را اتم های اکسیژن در ارتفاع ۶٠ مایلی میسازند. رنگ قرمز هم نتیجه برخورد اتم های اکسیزن در ارتفاع ٢٠٠ مایلی است. یون های نیتروژن رنگ آبی را بوجود می آورند و ملکولهای نیتروژن خنثی رنگ ارغوانی را میسازند.

  شفق قطبی میتواند باعث اختلال در ارتباطات و خطوط انتقال نیرو و فرسایش شبکه لوله کشی شود

شفق قطبی ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، علم فیزیک

منتشرشده توسط

دیدگاهتان را بنویسید

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