شفق قطبی چگونه تشکیل می گردد؟ رازهای علمی پایکوبی نور در آسمان شب - پایگاه اینترنتی مأوا

شفق قطبی چیست و چرا از باشکوه ترین عجایب کیهان است؟

به گزارش مجله علمی لایو ساینس (Live Science)، شفق قطبی که در نیمکره شمالی به آن نورهای شمالی یا اورورا بورئالیس (Aurora Borealis) و در نیمکره جنوبی نورهای جنوبی یا اورورا استرالیس (Aurora Australis) گفته می شود، از دوران باستان بشر را به شگفتی واداشته است. نام علمی این پدیده از ترکیب نام اورورا، الهه سپیده دم روم باستان، و بوریاس، خدای یونانی باد شمالی الهام گرفته شده است.

در حالی که در افسانه های قدیمی بومیان اسکاندیناوی شفق را رد پای ارواح یا جرقه دم روباه های افسانه ای می پنداشتند، علم اخترفیزیک مدرن نشان داده است که این پدیده در واقع یک نمایش تعاملی بزرگ میان ستاره مادر ما، خورشید، و سپر محافظ مغناطیسی سیاره زمین است؛ رویدادی که عظمت مکانیک منظومه شمسی را درست همچون شگفتی های پنهان در کهکشان راه شیری چند ستاره دارد؟ پیش چشمان ما به تصویر می کشد.

مراحل گام به گام تشکیل شفق قطبی از تاج خورشید تا آسمان زمین

پیدایش شفق قطبی یک فرایند 4 مرحله ای فوق العاده پیچیده است که در فاصله ای به درازای 150 میلیون کیلومتر میان زمین و خورشید رخ می دهد:

1. پرتاب طوفان های خورشیدی و خروج جرم از تاج خورشید (CME)

خورشید یک کوره هسته ای جوشان با دمای میلیون ها درجه است. میدان های مغناطیسی خورشید گاه دچار پیچش شدید و گره خوردگی می شوند که به فوران های مهیبی به نام طوفان های خورشیدی یا خروج جرم از تاج خورشیدی (Coronal Mass Ejection) می انجامد. طی این فوران ها، میلیاردها تن گاز داغ یونیزه متشکل از الکترون ها و پروتون های پرسرعت (پلاسما) با سرعتی فراتر از 500 تا 1000 کیلومتر بر ثانیه در فضای بین سیاره ای پرتاب می شوند؛ قدرتی هولناک که ستاره های بزرگ کیهان همچون آنچه در بزرگ ترین ستاره دنیا کدام است؟ مطرح می شود، از خود به نمایش می گذارند.

2. برخورد ذرات خورشیدی با مگنتوسفر زمین

حدود 2 تا 3 روز پس از فوران خورشیدی، این توده های باردار الکتریکی به نزدیکی زمین می رسند. سیاره ما خوشبختانه به وسیله یک حباب مغناطیسی نامرئی و قدرتمند به نام مگنتوسفر (Magnetosphere) محافظت می شود. این میدان مغناطیسی بیشتر ذرات کشنده باد خورشیدی را منحرف نموده و مانع از تخریب اتمسفر زمین می شود.

3. راهنمایی ذرات به سمت کمربندهای قطبی (قیف های مغناطیسی)

میدان مغناطیسی زمین شکلی دو قطبی دارد و خطوط این میدان در نواحی قطب شمال و جنوب مغناطیسی همگرا شده و به سمت سطح سیاره متمایل می شوند. بخشی از ذرات باردار پرانرژی خورشید در دم مغناطیسی زمین به دام افتاده و با شتاب زیاد در طول این خطوط میدان به سمت عرض های جغرافیایی بالا (منطقه بیضی شفق یا Auroral Oval) سرازیر می گردند.

4. برخورد، برانگیختگی اتمی و ساطع شدن فوتون های نوری

هنگامی که این الکترون های پرانرژی به لایه های بالای جو زمین (بین 80 تا 600 کیلومتری سطح زمین) وارد می شوند، با اتم ها و مولکول های گازهای تشکیل دهنده جو برخورد می کنند. این تصادم انرژی الکترون ها را به اتم های گاز جوی منتقل نموده و آن ها را برانگیخته (Excited) می سازد. زمانی که این اتم ها دوباره به حالت انرژی پایه و پایدار خود بازمی گردند، انرژی مازاد را به شکل ذرات نوری درخشان به نام فوتون آزاد می کنند که ما آن را به صورت پرده های پایکوبیان نور در آسمان می بینیم.

راز رنگ های مختلف شفق قطبی؛ چرا شفق گاهی سبز، سرخ یا بنفش است؟

رنگ شفق قطبی به دو عامل حیاتی بستگی دارد: نوع گاز موجود در جو و ارتفاع وقوع برخورد. جدول زیر مکانیزم دقیق فیزیکی پدید آمدن رنگ های شفق را نمایش می دهد:

بیشتر بدانید: صدای شفق قطبی؛ توهم یا واقعیت علمی؟

ساکنان منطقه ها قطبی از دیرباز ادعا می کردند که در شب های شفق صدای خفیفی شبیه به ترق توروق یا خش خش برگ ها را می شنوند. دانشمندان دانشگاه آلتو فنلاند در سال 2012 با میکروفون های فوق حساس اثبات کردند که در ارتفاع 70 متری از سطح زمین، لایه وارونگی حرارتی بار الکتریکی ناشی از طوفان خورشیدی را ذخیره نموده و با تخلیه ملایم الکتریسیته ساکن صدایی آرام فراوری می نماید.

برترین مکان ها و شرایط برای رصد شفق قطبی در دنیا

برای تماشا شفق قطبی، باید در کمربند بیضی شفق (عرض های جغرافیایی 60 تا 75 درجه شمالی یا جنوبی) حضور داشته باشید. این منطقه ها اغلب از سردترین سرزمین های مسکونی زمین هستند، منطقه های که شرایط اقلیمی آن ها با داده های ثبت شده در سردترین نقطه دنیا کجاست؟ همپوشانی دارد:

• ترومسو و سوالبارد (نروژ): مرکز دنیای رصد شفق با زیرساخت های توریستی فوق العاده.
• لاپلند (فنلاند و سوئد): اقامتگاه های ایگلوهای شیشه ای که امکان تماشای پایکوبی نور را در اتاق گرم فراهم می کنند.
• ریکیاویک و پارک ملی واتنایوکول (ایسلند): منظره ها آتشفشانی و یخچال های طبیعی همراه با شفق های رویایی.
• فیربنکس در آلاسکا و یلونایف در کانادا: برترین منطقه ها قاره آمریکا با آسمانی فوق العاده تاریک و بدون آلودگی نوری.

نکته مهم: چرخه 11 ساله خورشید و اوج طوفان های خورشیدی

فعالیت مغناطیسی خورشید از یک چرخه 11 ساله (Solar Cycle) پیروی می نماید. در دوره اوج خورشیدی (Solar Maximum)، تعداد لکه های خورشیدی و فوران های شدید به حداکثر می رسد؛ پدیده ای که باعث می شود شفق های قطبی نه تنها پرنورتر شوند، بلکه گاهی تا عرض های جغرافیایی پایین تر در اروپا و آمریکای شمالی نیز دیده شوند.

آیا در سیارات دیگر منظومه شمسی نیز شفق قطبی رخ می دهد؟

بر پایه داده های ارسالی تلسکوپ فضایی جیمز وب و هابل، شفق قطبی رویدادی مختص زمین نیست. هر سیاره ای که دارای اتمسفر و میدان مغناطیسی فعال باشد، میزبان شفق های قطبی خواهد بود:

• مشتری (ژوپیتر): به علت میدان مغناطیسی 20 هزار برابر قوی تر از زمین، دارای دائمی ترین و درخشان ترین شفق های فرابنفش در منظومه شمسی است که قمر آتشفشانی آیو نیز با پرتاب گوگرد آن را تقویت می نماید.
• زحل (کیوان): شفق های باشکوه زحل در قطب ها با بادهای خورشیدی گسترده و ذرات هیدروژن ملتهب تعامل دارند.
• اورانوس و نپتون: به علت کج بودن غیرعادی محور مغناطیسی این دو غول یخی، شفق های آن ها در منطقه های نامتقارن و شبیه به نوارهای تکه تکه ظاهر می شوند.

ترفند طلایی: عکاسی حرفه ای از شفق قطبی با موبایل

اگر فرصت سفر به منطقه ها قطبی را یافتید، برای عکاسی از شفق قطبی دوربین گوشی خود را روی حالت Night Mode یا Pro Mode قرار دهید، سرعت شاتر (Exposure) را روی 3 تا 5 ثانیه بگذارید، ایزو (ISO) را روی 800 تا 1600 تنظیم کنید و حتماً از سه پایه استفاده نمایید تا لرزش دست تصویر را تار نکند.

نکات پایانی و جمع بندی کاربردی

شفق قطبی زیباترین یادآور رابطه عمیق و دینامیک زمین با ستاره خورشید است. این پرده های نورانی پایکوبیان تجسم فیزیکی برخوردهایی میکروسکوپی در مقیاس اتمی هستند که به یمن سپر مغناطیسی زمین حیات را از تابش های مرگبار محافظت نموده و در عین حال شاهکاری هنری بر بوم تیره شب خلق می کنند.