!!توجه!!
هرگونه استفاده از مطالب این وبلاگ بدون ذکر منبع ممنوع است.
سایتهایی که مرتکب تقلب علمی شده اند
لینک دوستان
 
+ شفق قطبی
نوشته شده توسط مصطفی ، جمعه ۱ شهریور ۱۳۸٧، ٢:۳۸ ‎ب.ظ

مقدمه

از هزاران سال پیش تا کنون ، با غروب آفتاب در گنجینه ای بزرگ از زیبایی و شگفتی به روی انسانها گشوده می شود . درخشش ستارگان در سکوت و تاریکی شب همیشه مایه ی حیرت انسانها بوده است . از این گنجینه ی بزرگ به ساکنان مناطق قطبی سهم بیشتری رسیده است . آنها هر شب پس از غروب آفتاب با پرتوهای رنگارنگی مواجه می شوند که تا طلوع دوباره ی خورشید در آسمان می رقصند .


شفق چیست ؟

شفق قطبی یکی از زیباترین پدیده های طبیعی است . این پدیده به صورت تابشهای رنگارنگ در آسمان مناطق قطبی دیده می شود . شفقی که در مناطق قطبی شمالی اتفاق می افتد با نام آرورا بوریلیس ( aurora Borealis ) شناخته می شود . این اسم از نام الهه سپیده دم ، آرورا و نام یونانی باد شمال ، بوریس گرفته شده است .

شفقها در رنگهای آبی ، بنفش ، قرمز و سبز در آسمان ظاهر می شوند . شفقها شکلهای مختلفی دارند ، گاهی آرام و گاهی بسیار پر حرکتند ، اما می توان آنها را در چند شکل اصلی دسته بندی کرد :

  • کمان ، کمانها بلند هستند . شکلهای منحنی زیبا و با وقاری که از افق تا افق گسترده شده اند . کمانها رایج ترین شکل شفق هستند .
  • تسمه ، یک تسمه بسیار شبیه کمان است با این تفاوت که انحنای بیشتری دارد . یک کمان در آسمان در عرض چند دقیقه به تسمه تبدیل می شود .
  • اشعه ، اشعه ها به شکل رشته ها یا نوارهای کوچک هستند . آنها از کمان پرنورترند و سریع تر تغییر می کنند .
  • تاج ، تاج شکلی از شفق است که در آن پرتوهای شفق بالای سر ناظر به هم می رسند .

شفق قطبی در ارتفاع 100 تا 300 کیلومتری سطح زمین اتفاق می افتد و در حلقه ای بیضی شکل اطراف قطبهای مغناطیسی زمین قابل رویت است . این ناحیه به بیضی شفقی معروف است . شفق اغلب در فصلهای پاییز و بهار اتفاق می افتد . سپتامبر تا اکتبر و مارس تا آوریل بهترین اوقات برای رصد این پدیده ی جذاب و دیدنی هستند .

شهر فایربنکس در مرکز ایالت آلاسکای آمریکا همه ساله میزبان گردشگران زیادی است که به دنبال شفق هستند . نمونه ی دیگر ناحیه ای واقع در شمال غربی کانادا است . این ناحیه جهانگردان زیادی را مخصوصا در تابستان جذب می کند . ماهیگیران و شکارچیان برای تجربه ی شکار حیوانات قطبی به این منطقه می آیند اما جمعیت بسیاری برای دیدن شفق قطبی به آنجا می روند .

اعتقادات و افسانه ها درباره ی شفق قطبی

هزاران سال پیش ساکنان مناطق قطبی پس از غروب آفتاب با پرتوهای رنگارنگی مواجه می شدند که تا طلوع دوباره ی خورشید در آسمان می رقصیدند . آنها در پاسخ به این همه شگفتی آمیخته با ترس به سرودن داستانها و افسانه هایی درباره ی شفق پرداختند . این داستانها با اعتقاداتشان راجع به زندگی و مرگ رابطه ی نزدیکی داشت .

دیدگاههای اسکیمو ها درباره ی مقصد نهایی پس از مرگ به وسعت فضای بین گرینلند تا اسکاتلند است .

در بعضی مناطق باور بر این بود که ارواح انسانها پس از مرگ به سطوح مختلفی می روند و آخرت افراد به رفتارهایشان در زندگی و چگونگی مرگ بستگی دارد . از نظر آنان کسی که در حال بیماری یا به مرگ طبیعی بمیرد یا در زندگی اش فرد خوبی نباشد در جای بدی قرار می گیرد . این جای بد می تواند اعماق دریاها یا مرکز زمین یا جایی تاریک و پر از طوفان و کولاک باشد . ارواح کسانی که به قتل رسیده اند یا خودکشی کرده اند ، حیواناتی که شکار شده اند و زنانی که هنگام تولد فرزند مرده اند در جای خوب قرار می گیرند . این جای خوب بالاترین درجه ی آسمان یعنی شفق قطبی است . آنجا جای شادی است و از سرما و کولاک خبری نیست . همیشه روشن است و شکار حیوانات بسیار آسان است .

یک نظر رایج درباره ی شفق قطبی این بود که شفق نتیجه ی توپ بازی ارواح انسانها در آسمان با جمجمه ی شیر ماهی است و جریانهای نور نشان دهنده ی کشمکش ارواح است . اسکیمو های جزیره ی نونیواک نظری خلاف این داشتند . آنها توپ بازی ارواح شیرماهی ها با جمجمه ی انسان را عامل شفق قطبی می دانستند .

یکی از داستانهای مربوط به شفق در میان اسکیموها داستانی است که کاوشگری به نام ارنست دبلیو هاوکس در کتابش به نام اسکیموی لابرادور آورده است .در این داستان اینگونه آمده است :

(( انتهای جهان و آنسوی دریاها چاه عمیقی است که جهان را از همه طرف در بر گرفته است و یک پل تنگ و خطرناک که از بالای این چاه می گذرد جهان را به آسمانها پیوند می دهد . آسمان گنبد بزرگی از ماده ای سخت است که زمین در مرکز آن قرار دارد . روی این گنبد سوراخهایی است که ارواح از آنجا به آسمان حقیقی گذر می کنند . ارواحی که در آسمانها زندگی می کنند مشعلهایی برای راهنمایی ورودیهای جدید روشن می کنند تا ارواح جدید بتوانند آسان از روی پل باریک عبور کنند . نور این مشعلها شفق قطبی است . ))

سرخپوستان کانادای شرقی و جنوب آلاسکا شفق قطبی را ارواح رقصان انسانها در آسمان می دانستند . سرخپوستان ساکن وینسکونسین شفق را نشانه ی جنگ و طاعون می دانستند . اسکیموهایی که در پایین رود یوکون ساکن بودند عقیده داشتند که شفق رقص حیواناتی نظیر آهو ، شیرماهی ، ماهی قزل آلا و خاویار در پهنه ی آسمان است . اسکیموهای بارو در میان اسکیمو ها تنها گروهی بودند که برای دفاع از خود در برابر شفق باخود چاقو حمل می کردند .

در قرون وسطی مردم عقیده داشتند که شفق به خاطر جنگاوران آسمانی اتفاق می افتد . از نظر آنها سربازی که جان خود را به پادشاه و کشورش تقدیم کرده بود به عنوان پاداش اجازه می یافت که تا ابد با آسمان پیکار کند و شفق قطبی نفس این جنگاوران است هنگامی که می خواهند جنگ با آسمان را از سر بگیرند . ابن فضلان ، جهانگرد مسلمان که در قرون وسطی به اروپا سفر کرده بود در سفرنامه اش از شفق قطبی به عنوان یکی از عجایب آنجا نام برده است .

هنوز هم خرافات و اعتقادات زیادی درباره ی شفق در میان مردم رایج است . عده ای گمان می کنند که اگر برای شفقها دست تکان دهید فعالیتشان بیشتر می شود و پایین می آیند و شما را به آسمان می برند یا اگر به آنها نگاه کنید کور می شوید . عده ای هم خیال می کنند که وقتی شفق شدید باشد می توان صدای ترق و تروق آن را شنید . یک تصور رایج این است که شفق فقط در سرما اتفاق می افتد در حالی که شفق به آب و هوا کاری ندارد و برای دیدن آن یک آسمان تاریک و بی ابر کافیست .

پژوهشگران

در طول تاریخ این سوال برای بسیاری از ناظران پیش آمده که حقیقت شفق قطبی چیست و چگونه به وجود می آید . در میان این پرسشگران کسانی بوده اند که برای یافتن پاسخ مسیر علم را برگزیدند .در ادامه با عده ای از این محققان آشنا می شویم .

آندرز سلسیوس ، صاحب مقیاس دمای سلسیوس . او یک ستاره شناس سوئدی بود . سلسیوس در آپسالا در سوئد متولد شد . او از سال 1730 تا 1744 پروفسور نجوم دانشگاه آپسالا بود و در خلال این سالها برای انجام رصدهای قابل توجهی به آلمان ، ایتالیا و فرانسه سفر کرد . در سال 1733 او مجموعه ای از 316 رصد از شفق قطبی را که خودش و دیگران انجام داده بودند منتشر کرد .

الیاس لومیس ، پروفسور فلسفه ی طبیعی دانشگاه یال ، در سال 1860 نقشه ی فراوانی شفقها در مناطق قطبی را تهیه کرد . طبق نقشه ی فراوانی او شفق در کمربند میانی از سایر نقاط بیشتر است و بیش از 80 شب در سال شفق در این نواحی اتفاق می افتد .

دانشمند آلمانی هرمان فریتز هم در سال 1881 یک نقشه ی فراوانی شفق در مناطق قطبی تهیه کرد . طبق نقشه ی او بیشترین فراوانی 100 شب شفق در سال است و در مرکز الگو شفق کمتر است .

کریستین بیرکلند ، در کریستیانیا ( السوی امروزی ) در نروژ به دنیا آمد . او نخستین مقاله ی علمی اش را در سن 18 سالگی نوشت . او سفرهای زیادی را به مناطق شمالی نروژ سازماندهی کرد و شبکه ای از رصدخانه ها را در مناطق شفقی برای جمع آوری اطلاعات مغناطیسی زمین بنانهاد .
از نتایج سفر به مناطق شمالی نروژ به دست آمدن الگوی جریانهای الکتریکی زمین در مناطق قطبی از روی اندازه گیری های مغناطیسی بود .

بیرکلند شیشه های پرتو کاتدی را برای مطالعه ی تاثیر میدان مغناطیسی زمین بر پرتوهای کاتدی توسعه داد . یکی از آزمایشهای او که به ترلا معروف است آزمایشی است که در آن میدان مغناطیسی زمین را شبیه سازی می کند .در این آزمایش او یک توپ مغناطیسی را که نماد زمین است در یک جعبه ی شیشه ای خلا آویزان کرد و پرتوهای الکترونی را به آن تاباند . او از این آزمایش نتیجه گرفت که یک دسته پرتو الکترونی که در مسیر راست به طرف زمین می آیند به دو قطب مغناطیسی آن متمایل می شوند و دو حلقه ی نورانی در قطبها به وجود می آورند .

او بیان کرد که شفق قطبی هم می تواند از راهی مشابه این به وجود آید . او نظریه ای ارائه کرد که طبق آن الکترونها از لکه های خورشیدی سطح خورشید خارج می شوند و به سمت زمین می آیند و توسط میدان مغناطیسی زمین به طرف نواحی قطبی هدایت می شوند و شفق مرئی را ایجاد می کنند .

کارل استرمر هم دانشمندی نروژی و ادامه دهنده ی راه بیرکلند بود . او درباره ی شفق ها تحقیق کرد و با محاسبات نظری وجود کمربند وان آلن را پیش بینی کرد . او ارتفاع شفقهای قطبی را از راه مقایسه ی تصاویر آنها حدود 80 تا 130 کیلومتر حساب کرد .

هانس گستا آلفون ، فیزیکدان سوئدی و یکی از پایه گذاران فیزیک پلاسما بود . او در نورکوپینگ سوئد متولد شد . آلفون در دانشگاه آپسالا تحصیل کرد و پس از فارغ التحصیلی به عنوان استاد در آنجا پذیرفته شد و تا سال 1937 آنجا ماند و سپس به امریکا رفت . در سال 1939 آلفون نظریه ای را مطرح کرد که طوفانهای خورشیدی را به شفق قطبی مربوط می نمود . بنابر نظریه ی او طوفانهای ژئومغناطیسی زمانی اتفاق می افتند که پلاسمای جاری از خورشید به جو بالایی زمین وارد شود . برخورد ذرات باردار پلاسمای خورشیدی و مولکولهای آزاد در جو انرژیی به صورت تابشهای مرئی که همان شفق قطبی است آزاد می کند .
آلفون در تئوری خود یک تقریب ریاضی معرفی کرد که امروزه فیزیکدانان به طور گسترده ای برای محاسبه ی حرکت پیچیده ی ذرات باردار در میدان مغناطیسی از آن استفاده می کنند . آلفون روی حرکت سیال با رفتار الکتریکی در میدان مغناطیسی هم کار کرد .

عوامل شفق قطبی

پیش از آنکه به چگونگی پدید آمدن شفق قطبی بپردازیم باید با عوامل آن آشنا شویم . عاملهای مرئی و نامرئی زیادی در فضا دست به دست هم می دهند تا رنگهای زیبای شفق را به وجود آورند . این عوامل عبارتند از : خورشید و میدان مغناطیسی آن ، بادهای خورشیدی و جریان پلاسما ، میدان مغناطیسی زمین و جو زمین .

بحث درباره ی همه ی این عوامل ما را از موضوع اصلی دور می کند پس سعی می کنم به اختصار درباره ی عوامل اصلی توضیح دهم .

لکه های خورشیدی ، نقاط تاریک بر سطح خورشید هستند . تیرگی این لکه ها به این دلیل است که دمایشان 1000 تا 2000 کلوین از دمای سایر نقاط سطح خورشید کمتر است و کمتر تابش می کنند . هر لکه خورشیدی را می توان به دوقسمت تقسیم کرد : قسمت مرکزی که سایه نام دارد و ناحیه ی اطراف آن که نیمسایه است و از سایه روشن تر است . اندازه ی هرلکه ی خورشیدی به طور متوسط یکی دو برابر قطر زمین است . لکه ها معمولا یکی دو هفته دوام می آورند و دسته دسته اند .

مطالعات و مشاهدات نشان می دهند که شدت میدان مغناطیسی خورشید در لکه ها ی خورشیدی تقریبا 1000 برابر شدت میدان مغناطیسی در سایر نقاط است . بنابراین می توان نتیجه گرفت که اختلالات میدان مغناطیسی خورشید عامل شکل گیری لکه ها است .

تعداد لکه های سطح خورشید به طور متناوب تغییر می کند . تعداد لکه ها هر 11 سال ماکزیمم می شود . این دوره ی 11 ساله را چرخه ی لکه ی خورشیدی می نامند .زمانی که تعداد لکه های خورشیدی ماکزیمم است فعالیت سطح خورشید بیشتر است ، در این حالت خورشید را خورشید فعال می نامند . برعکس هنگامی که تعداد لکه های خورشیدی مینیمم است فعالیت خورشید کاهش پیداکرده و خورشید آرام است .

نموداری که به نمودار پروانه ای موسوم است متناوب بودن تعداد لکه های خورشیدی را به خوبی نشان می دهد . یک محور این نمودار نشان دهنده ی زمان و محور دیگر نشان دهنده ی عرض جغرافیایی لکه روی سطح خورشید است . با رسم این نمودار در طول یک چرخه ی لکه ی خورشیدی شکلی شبیه پروانه به دست می آید به همین دلیل این نمودار را نمودار پروانه ای نامیده اند .

چرخه ی لکه ی خورشیدی رابطه ی نزدیکی با شفق قطبی دارد : شدت شفق قطبی هم مانند تعداد لکه های خورشیدی هر سال ماکزیمم می شود . با مقایسه ی نمودار فراوانی لکه های خورشیدی و شفق قطبی می توان به همزمان بودن مینیمم و ماکزیممشان پی برد بنابراین دیگر تردیدی در دخالت خورشید در شفق قطبی باقی نمی ماند .

پلاسما ، گازی که از ذرات مثبت و منفی مانند الکترون و پروتون تشکیل شده باشد پلاسما نام دارد . تاج خورشیدی که دمای آن 2 میلیون کلوین است به طور پیوسته جریانی از پلاسمای داغ و رقیق را در همه ی جهات در منظومه ی شمسی می پراکند . به این پلاسمای داغ و رقیق که از خورشید به اطراف جریان می یابد باد خورشیدی می گویند . شدت باد خورشیدی زمانی که خورشید فعال است افزایش می یابد  . بادهای خورشیدی دائما در اطراف زمین در جریان اند و می توان گفت زمین در پلاسما غوطه ور است . بادهای خورشیدی به طور متوسط با سرعت 400 کیلومتر بر ثانیه و چگالی 5 یون بر سانتی متر مکعب به زمین می رسند . حدودا 3 روز طول می کشد تا ذرات بادهای خورشیدی از خورشید به زمین برسند .

بادهای خورشیدی میدان مغناطیسی خورشید را در سراسر منظومه ی شمسی گسترش می دهند . این میدان میدان مغناطیسی میان سیاره ای و به اختصار IMF نامیده می شوند . شدت این میدان 2 تا 5 نانوتسلا است . خطوط میدان IMF باز هستند به این معنا که دوباره به هم نمی رسند و در فضا گسترش می یابند . خطوط میدان IMF از خورشید شروع می شوند و در فضا امتداد می یابند . سطح بین خطوط میدان IMF صفحه ای است که با نام صفحه ی جریانهای بین سیاره ی شناخته می شود و مرز میان قطب شمال و جنوب IMF است . این ورقه یک صفحه ی تخت نیست بلکه به خاطر چرخش خورشید به دور خودش به شکل گرداب در می آید .

جو و میدان مغناطیسی زمین ، لایه ی نازکی از گاز چون پوست سیب زمین را در بر گرفته است . این لایه جو زمین نام دارد . 75 درصد جو زمین را نیتروژن و 23 درصد آن را اکسیژن تشکیل می دهد . پس می توان گفت نیتروژن و اکسیژن عناصر اصلی سازنده ی جو هستند . جو زمین لایه های مختلفی دارد که یونسفر یکی از آنهاست . این لایه بر اثر تابشهای خورشیدی یونیده است . این لایه پوسته ی داخلی مگنتوسفر زمین را تشکیل می دهد . زمین میدانی مغناطیسی دارد . قطبهای این میدان قطبهای شمال و جنوب مغناطیسی زمین هستند . قطب شمال مغناطیسی زمین در کانادا واقع است . محور مغناطیسی زمین با محور چرخش زمین زاویه ای 10 در جه ی می سازد . شدت میدان مغناطیسی در سطح زمین 30000 تا 60000 نانو تسلا است و با افزایش ارتفاع شدت آن کاهش می یابد . مگنتوسفر زمین ناحیه ای اطراف زمین است که حرکت بادها و ذرات باردار در آن جا تحت کنترل میدان مغناطیسی زمین قرار دارد . مگنتوسفر بر خلاف نامش کاملا غیر کروی است . اگر باد خورشیدی وجود نداشت مگنتوسفر شبیه میدان یک آهنربای میله ای بود اما باد خورشیدی شکل مگنتوسفر را تغییر می دهد . باد خورشیدی مگنتوسفر را در طرفی که رو به خورشید است فشرده می کند و آن را در قسمت شب کشیده می سازد . قسمت کشیده شده ی مگنتوسفر که دهها کیلومتر در فضا امتداد می یابد دنباله ی مغناطیسی یا مگنتوتیل نام دارد .

چگونه ؟

به طور کلی می توان گفت شفق قطبی از برخورد ذرات باردار پلاسمای خورشیدی با اتم ها و مولکول های جو زمین به وجود می آید . با برخورد ذرات بادهای خورشیدی به مولکولهای جو ، مولکولهای جو تحریک می شوند و 1000 تا 15000 الکترون ولت نرژی دریافت می کنند . الکترونها کمی پس از برانگیخته شدن دوباره به حالت پایدار بر می گردند و انرژی اضافه را به صورت تابشهای مرئی یا نامرئی آزاد می کنند . تابشهای مرئی شفق از روی زمین به راحتی قابل رویت هستند اما تابشهای X و فرابنفش باید از فضا دیده شوند چون جو زمین بسیاری از تابشها را جذب می کند . رنگهای قرمز و سبز در شفق قطبی نتیجه ی تحریک شدن اکسیژن و رنگهای بنفش و آبی نتیجه ی تحریک شدن نیتروژن هستند .

منابع ،