شفق قطبی چگونه تشکیل می‌شود؟ رازهای علمی رقص نور در آسمان شب
شفق قطبی چگونه تشکیل می‌شود؟ این پدیده شگفت‌انگیز طبیعی ناشی از برخورد ذرات باردار پرانرژی خورشیدی (بادهای خورشیدی) با گازهای اکسیژن و نیتروژن در لایه‌های فوقانی جو زمین (یونسفر) است. میدان مغناطیسی زمین (مگنتوسفر) این ذرات باردار را به سوی قطب‌های شمال و جنوب هدایت می‌کند؛ در نتیجه برانگیختگی اتم‌ها، پرده‌هایی مواج از نورهای سبز، سرخ و بنفش در آسمان شب می‌رقصند.
شفق قطبی چیست و چرا از باشکوه‌ترین 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 می‌شود، از دوران باستان بشر را به شگفتی واداشته است. نام علمی این پدیده از ترکیب نام «اورورا»، الهه سپیده‌دم روم باستان، و «بوریاس»، خدای یونانی باد شمالی الهام گرفته شده است.
در حالی که در افسانه‌های قدیمی بومیان اسکاندیناوی شفق را رد پای ارواح یا جرقه دم روباه‌های افسانه‌ای می‌پنداشتند، علم اخترفیزیک مدرن نشان داده است که این پدیده در واقع یک نمایش تعاملی عظیم میان ستاره مادر ما، خورشید، و سپر محافظ مغناطیسی سیاره زمین است؛ رویدادی که عظمت مکانیک منظومه شمسی را درست همانند شگفتی‌های پنهان در کهکشان راه شیری چند ستاره دارد؟ پیش چشمان ما به تصویر می‌کشد.
مراحل گام‌به‌گام تشکیل شفق قطبی از تاج خورشید تا آسمان زمین
پیدایش شفق قطبی یک فرایند ۴ مرحله‌ای فوق‌العاده پیچیده است که در فاصله‌ای به درازای ۱۵۰ میلیون کیلومتر میان زمین و خورشید رخ می‌دهد:
۱. پرتاب طوفان‌های خورشیدی و خروج جرم از تاج خورشید (CME)
خورشید یک کوره هسته‌ای جوشان با دمای میلیون‌ها درجه است. میدان‌های مغناطیسی خورشید گاه دچار پیچش شدید و گره‌خوردگی می‌شوند که به فوران‌های مهیبی به نام طوفان‌های خورشیدی یا خروج جرم از تاج خورشیدی (Coronal Mass Ejection) می‌انجامد. طی این فوران‌ها، میلیاردها تن گاز داغ یونیزه متشکل از الکترون‌ها و پروتون‌های پرسرعت (پلاسما) با سرعتی فراتر از ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه در فضای بین‌سیاره‌ای پرتاب می‌شوند؛ قدرتی هولناک که ستاره‌های عظیم کیهان همانند آنچه در بزرگ‌ترین ستاره جهان کدام است؟ مطرح می‌شود، از خود به نمایش می‌گذارند.
۲. برخورد ذرات خورشیدی با مگنتوسفر زمین
حدود ۲ تا ۳ روز پس از فوران خورشیدی، این توده‌های باردار الکتریکی به نزدیکی زمین می‌رسند. سیاره ما خوشبختانه توسط یک حباب مغناطیسی نامرئی و قدرتمند به نام مگنتوسفر (Magnetosphere) محافظت می‌شود. این میدان مغناطیسی بیشتر ذرات کشنده باد خورشیدی را منحرف کرده و مانع از تخریب اتمسفر زمین می‌گردد.
۳. هدایت ذرات به سمت کمربندهای قطبی (قیف‌های 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 می‌شوند. بخشی از ذرات باردار پرانرژی خورشید در دم مغناطیسی زمین به دام افتاده و با شتاب زیاد در طول این خطوط میدان به سمت عرض‌های جغرافیایی بالا (منطقه بیضی شفق یا Auroral Oval) سرازیر می‌گردند.
۴. برخورد، برانگیختگی اتمی و ساطع شدن فوتون‌های نوری
هنگامی که این الکترون‌های پرانرژی به لایه‌های بالای جو زمین (بین ۸۰ تا ۶۰۰ کیلومتری سطح زمین) وارد می‌شوند، با اتم‌ها و مولکول‌های گازهای تشکیل‌دهنده جو برخورد می‌کنند. این تصادم انرژی الکترون‌ها را به اتم‌های گاز جوی منتقل کرده و آن‌ها را برانگیخته (Excited) می‌سازد. زمانی که این اتم‌ها دوباره به حالت انرژی پایه و پایدار خود بازمی‌گردند، انرژی مازاد را به شکل ذرات نوری درخشان به نام فوتون آزاد می‌کنند که ما آن را به صورت پرده‌های رقصان نور در آسمان می‌بینیم.
راز رنگ‌های 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 رنگ‌های شفق را نمایش می‌دهد:
| رنگ شفق قطبی | گاز دخیل در برخورد | ارتفاع تقریبی در اتمسفر | فراوانی و شرایط رصد |
|---|---|---|---|
| سبز فسفری (شایع‌ترین رنگ) | اکسیژن اتمی (Atomic Oxygen) | ۱۰۰ تا ۲۴۰ کیلومتری سطح زمین | در اغلب شب‌های رصد شفق دیده می‌شود زیرا چشم انسان به این طول موج (۵۵۷ نانومتر) بیشترین حساسیت را دارد. |
| سرخ یا یاقوتی تیره | اکسیژن اتمی در ارتفاعات بسیار بالا | ۲۴۰ تا ۶۰۰ کیلومتری جو | بسیار نادر؛ تنها در زمان طوفان‌های خورشیدی فوق‌العاده شدید پدید می‌آید زیرا چگالی گاز در آن ارتفاع کم است. |
| آبی و بنفش | نیتروژن مولکولی یونیزه (N2+) | ۸۰ تا ۱۰۰ کیلومتری (پایین‌ترین لایه) | در لبه‌های پایینی پرده‌های شفق و حین شتاب‌های ناگهانی ذرات پرانرژی خورشید مشاهده می‌گردد. |
| صورتی و ارغوانی روشن | ترکیب نیتروژن و اکسیژن در حاشیه پایینی | حدود ۹۰ تا ۱۱۰ کیلومتری | معمولاً همراه با امواج سرعتی و حرکت موجی شفق‌ها پدیدار می‌شود. |
بیشتر بدانید: صدای شفق قطبی؛ توهم یا واقعیت علمی؟
ساکنان مناطق قطبی از دیرباز ادعا می‌کردند که در شب‌های شفق صدای خفیفی شبیه به ترق‌توروق یا خش‌خش برگ‌ها را می‌شنوند. دانشمندان دانشگاه آلتو فنلاند در سال ۲۰۱۲ با میکروفون‌های فوق‌حساس اثبات کردند که در ارتفاع ۷۰ متری از سطح زمین، لایه وارونگی حرارتی بار الکتریکی ناشی از طوفان خورشیدی را ذخیره کرده و با تخلیه ملایم الکتریسیته ساکن صدایی آرام تولید می‌کند.
بهترین مکان‌ها و شرایط برای رصد شفق قطبی در جهان
برای دیدن شفق قطبی، باید در «کمربند بیضی شفق» (عرض‌های جغرافیایی ۶۰ تا ۷۵ درجه شمالی یا جنوبی) حضور داشته باشید. این مناطق اغلب از سردترین سرزمین‌های مسکونی زمین هستند، مناطقی که شرایط اقلیمی آن‌ها با داده‌های ثبت‌شده در سردترین نقطه جهان کجاست؟ همپوشانی دارد:
- ترومسو و سوالبارد (نروژ): پایتخت جهانی رصد شفق با زیرساخت‌های توریستی فوق‌العاده.
- لاپلند (فنلاند و سوئد): اقامتگاه‌های ایگلوهای شیشه‌ای که امکان تماشای رقص نور را در اتاق گرم فراهم می‌کنند.
- ریکیاویک و پارک ملی واتنایوکول (ایسلند): مناظر آتشفشانی و یخچال‌های طبیعی همراه با شفق‌های رویایی.
- فیربنکس در آلاسکا و یلونایف در کانادا: بهترین مناطق قاره آمریکا با آسمانی فوق‌العاده تاریک و بدون آلودگی نوری.
نکته مهم: چرخه ۱۱ ساله خورشید و اوج طوفان‌های خورشیدی
فعالیت مغناطیسی خورشید از یک چرخه ۱۱ ساله (Solar Cycle) پیروی می‌کند. در دوره اوج خورشیدی (Solar Maximum)، تعداد لکه‌های خورشیدی و فوران‌های شدید به حداکثر می‌رسد؛ پدیده‌ای که باعث می‌شود شفق‌های قطبی نه تنها پرنورتر شوند، بلکه گاهی تا عرض‌های جغرافیایی پایین‌تر در اروپا و آمریکای شمالی نیز دیده شوند.
آیا در سیارات دیگر منظومه شمسی نیز شفق قطبی رخ می‌دهد؟
بر پایه داده‌های ارسالی تلسکوپ فضایی جیمز وب و هابل، شفق قطبی رویدادی مختص زمین نیست. هر سیاره‌ای که دارای اتمسفر و میدان مغناطیسی فعال باشد، میزبان شفق‌های قطبی خواهد بود:
- مشتری (ژوپیتر): به دلیل میدان مغناطیسی ۲۰ هزار برابر قوی‌تر از زمین، دارای دائمی‌ترین و درخشان‌ترین شفق‌های فرابنفش در منظومه شمسی است که قمر آتشفشانی «آیو» نیز با پرتاب گوگرد آن را تقویت می‌کند.
- زحل (کیوان): شفق‌های باشکوه زحل در قطب‌ها با بادهای خورشیدی گسترده و ذرات هیدروژن ملتهب تعامل دارند.
- اورانوس و نپتون: به دلیل کج بودن غیرعادی محور مغناطیسی این دو غول یخی، شفق‌های آن‌ها در مناطقی نامتقارن و شبیه به نوارهای تکه‌تکه ظاهر می‌شوند.
ترفند طلایی: عکاسی حرفه‌ای از شفق قطبی با موبایل
اگر فرصت سفر به مناطق 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 ۳ تا ۵ ثانیه بگذارید، ایزو (ISO) را روی ۸۰۰ تا ۱۶۰۰ تنظیم کنید و حتماً از سه‌پایه استفاده نمایید تا لرزش دست تصویر را تار نکند.
نکات پایانی و جمع‌بندی کاربردی
شفق قطبی زیباترین یادآور رابطه عمیق و دینامیک زمین با ستاره خورشید است. این پرده‌های نورانی رقصان تجسم فیزیکی برخوردهایی میکروسکوپی در مقیاس اتمی هستند که به یمن سپر مغناطیسی زمین حیات را از تابش‌های مرگبار محافظت کرده و در عین حال شاهکاری هنری بر بوم تیره شب خلق می‌نمایند.
