دیدن شفق های قطبی

• محمد همایونی
• رصد, منظومه شمسی
• ۱۳۹۸-۰۹-۱۷
• 22 فروردین 1400

شفق‌های قطبی از جمله زیباترین و مسحورکننده‌ترین پدیده‌های نجومی هستند که می‌توان به راحتی آن‌ها را بدون هیچ ابزار و تخصص خاصی مشاهده کرد. البته تنها شرطش آن است که به سرزمین‌های شمالی یا جنوبی در نزدیکی قطب‌های شمال و جنوب کره زمین مسافرت کنیم!

آغوش عاشقانه‌ی نور

مثل رؤیا می‌مانند.

پرده‌هایی رنگ رنگ از جنس نور

آویخته شده در سرسرای آسمان

هر لحظه به رنگی و هر لحظه به شکلی

این‌جا آسمان رؤیاهاست.

سرزمین خیال‌ها و غیرممکن‌هاست.

جایی است که تو می‌توانی دست در این نردبان‌های رنگارنگ

از مرز این دنیای زمینی به آسمان صعود کنی

و در یک جدایی خالص از زندگی زمینی،

صفا و خلوصِ آسمانی بودن را

و

در اوج کیهان بودن را تجربه کنی.

این جا سرزمین‌های شمالی است،

جایی در نزدیکی‌های سرزمین‌های قطبی

در هنگامه‌ای از سرما و یخ و برف…

که خرس‌ها و گوزن‌هایش

قرن‌هاست بازی‌های کودکانه‌ی خود را

زیر این پرده‌های نورانی مشاهده می‌کنند.

شفق‌های قطبی در فرهنگ‌های مختلفی که می‌توانستند آن را ببینند، داستان‌ها و عقاید مخصوص به خودشان را داشته است. به عنوان مثال واژه Aurora نام خدای سپیده‌دم رومیان بوده که از شرق به غرب سفر می‌کرده و خبر آمدن خورشید را اعلام می‌کرده است.

شفق قطبی را چگونه می‌بینیم؟

برای ما که در سرزمین‌های شمالی زندگی نمی‌کنیم و تاکنون با این پدیده مواجه نشده‌ایم، غیرقابل تصور است که شفق‌های قطبی چگونه هستند. اما به لطف عکس‌ها و ویدئوهایی که به خوبی و زیبایی از شفق‌های قطبی ضبط شده‌اند توانسته‌ایم گوشه‌ای از زیبایی‌های آن‌ها را ببینیم.

نورهایی رنگ‌رنگ که همچون نوارها، پرتوها یا پرده‌هایی که در شکل‌های مختلف در آسمان آرام آرام تغییر می‌کنند. با دیدن برخی از آن‌ها به نظر می‌رسد که لایه‌ای نازک از ابرِ روشن آن قسمت آسمان را فراگرفته، ولی ابری در کار نیست بلکه پرده‌ای نورانی است که ستاره‌ها هم در پشت آن دیده می‌شوند.

نورهایی که به نرمی در پهنه آسمان حرکت می‌کنند، انگار که در این اقیانوس بیکران آسمان شناورند! برخی از آن‌ها را آن طور می‌بینیم که انگار از اوج آسمان در بلندای تاریکی شب، آویزان شده و تا بالای سرِ ما امتداد یافته‌اند.

عکس‌ها و فیلم‌های آن‌ها از هرچیز دیگری گویاتر است.

شفق‌های قطبی کجا دیده می‌شوند؟

همانطور که از اسم آن‌ها مشخص است، این پدیده‌های اسرارآمیز مخصوص سرزمین‌های قطبی است. شمال و جنوبش هم فرقی نمی‌کند؛ در سرزمین‌هایی که در مجاورت هر دو قطب زمین هستند، می‌توان در بیشتر ایام سال آن‌ها را مشاهده کرد. در عرض‌های جغرافیایی بالاتر از ۶۰ درجه می‌توان آن‌ها را دید.

البته از آن جهت که انسان‌های کمتری در نزدیکی قطب جنوب ساکن هستند،اکثر گزارش‌ها و مشاهده‌ها و فیلم و عکس‌ها از سرزمین‌های شمالی است. و به همین دلیل هم هست که شفق‌های قطبی را نورهای شمالی هم نام گذاشته‌اند.

در واقع برای مردمی که در عرض‌های جغرافیایی بالا و نزدیک به قطب شمال زندگی می‌کنند، شفق‌های قطبی یک پدیده طبیعی و معمولی است. حتی برخی از شفق‌های درخشان را می‌توان برفراز شهرها نیز مشاهده کرد. هرچند که دیدن آن‌ها در مکان‌های عاری از آلودگی نوری چیز دیگری است.

شمال روسیه، کشورهای شمالی اروپا، ایسلند، آلاسکا و شمال کانادا، از جمله مکان‌هایی هستند که شفق‌های قطبی بسیار خودنمایی می‌کنند. بنابراین برای دیدن شفق‌های قطبی یا باید ساکن سرزمین‌های شمالی باشیم یا به آن‌جا مسافرت کنیم.

البته در نمیکره جنوبی از مناطق بسیار کمتری می‌توان این نورهای زیبای جنوبی را دید: قاره منجمد جنوبگان، نیوزلند، جنوب استرالیا، شیلی و آرژانتین؛ مناطقی است که شفق‌های جنوبی از آن‌جاها دیده می‌شوند.

اما این نورهای رقصان قطبی چگونه ایجاد می‌شوند و چرا فقط در سرزمین‌های شمالی دیده می‌شوند؟ علت حرکت‌های و رنگ‌های مختلف آن‌ها چیست؟ در بخش‌های بعد به این موضوعات می‌پردازیم.

بررسی علمی ایجاد شفق‌های قطبی

سرنخ این پدیده رویایی را باید در ۱۵۰ میلیون کیلومتر دورتر از زمین، یعنی خورشید جستجو کرد! به عبارت دقیق‌تر اتفاقاتی که در مرکز خورشید می‌افتند سرچشمه شفق‌های قطبی هستند.

حکایت این نورهای عاشقانه، سلسله‌ی گیسوانی است که سررشته آن در قلب خورشید و زلف‌های پریشان آن در بند قطب‌های منجمد زمین!

ماجرا به زبان ساده (که کمی هم مفصل خواهد بود) از این قرار است:

تولید انرژی در مرکز خورشید

تمام انرژی تابش شده از خورشید توسط واکنش‌هایی هسته‌ای که در مرکز (هسته) خورشید اتفاق می‌افتند، به وجود می‌آیند که به آن‌ها واکنش‌های همجوشی هسته‌ای گفته می‌شود. در مرکز خورشید که سرشار از هسته‌های اتم هیدروژن است، به علت دما و فشار بسیار بالا؛ هسته‌های هیدروژن با هم ترکیب می‌شوند و به هسته‌های اتم هلیوم تبدیل می‌شوند. البته فرآیندها و واکنش‌هایی که در آن‌جا اتفاق می‌افتند به همین سادگی نیست و چندین دسته واکنش‌های زنجیره‌ای پیچیده برای این ترکیب و تبدیل اتفاق می‌افتند.

واکنش‌های همجوشی هسته‌ای در آن قسمت مرکزی به نام هسته اتفاق می‌افتند. سپس انرژی‌های تولید شده مسیر پیچیده و طولانی‌ای را باید بپیمایند تا به سطح خورشید رسیده و در فضا منتشر شوند.

ماحصل این واکنش‌های همجوشی هسته‌ای، تولید مقادیر عظیم انرژی (فوتون‌ها) است. سرچشمه انرژی هر ستاره‌ای همین واکنش‌ها در مرکز ستاره است. البته در کنار این تولید انرژی، ذرات باردار و پرانرژی بسیاری هم تولید می‌شوند. این فوتون‌ها (انرژی‌های تابشی) و ذرات پرانرژی باید لایه‌های مختلف خورشید را طی کنند تا به سطح آن برسند و از آن‌جا روانه فضا شوند.

در نهایت از سطح خورشید پرتوهای نور در حالت‌های مختلف (پرتوهای گاما و ایکس و فرابنفش تا نور مرئی و فروسرخ و امواج رادیویی) به فضا تابش می‌شوند. این فوتون‌ها همگی به صورت موج هستند که به آن‌ها امواج الکترومغناطیسی می‌گوییم.

بادهای خورشیدی

در کنار این پرتوهای تابشی، حجم بسیار عظیمی از ذرات مادی هم به فضا پرتاب (یا گسیل) می‌شوند که به آن‌ها بادهای خورشیدی گفته می‌شود. این ذرات بیشتر شامل نوترینوها، الکترون‌ها و پروتون‌ها، به همراه یون‌های مختلف هستند که به غیر از نوترینوها، مابقی دارای بار الکتریکی مثبت یا منفی هستند و از آن جهت که سرعت‌های بسیار بالایی دارند، انرژی‌های زیادی هم با خود خواهند داشت.

بادهای خورشیدی همواره از سطح خورشید به خارج می‌وزند ولی مقدار و شدت آن‌ها متغیر است که بستگی به چرخه ۱۱ ساله فعالیت‌های خورشید دارد. مواقعی که طوفان‌هایی بر سطح خورشید فعال شوند، میزان و شدت این بادهای خورشیدی هم افزایش می‌یابد.

بادهای خورشیدی در فضای اطراف خورشید و در کل پهنه منظومه شمسی منتشر می‌شوند و پس از مدتی هم به زمین می‌رسند. انرژی‌ها و تعداد ذرات این بادهای خورشیدی به قدری زیاد است که اگر مستقیما وارد جوّ زمین شوند، به سرعت حیات و زندگی موجودات زنده را دچار آسیب جدی و نابودی می‌کنند.

یک طرح ساده از تقابل بادهای خورشیدی با میدان مغناطیسی زمین. دقت کنید که مقیاس‌ها اصلا واقعی نیستند.

اما وجود یک سپر محافظتی در فضای اطراف زمین مانع این نفوذ خطرناک و مرگ‌آفرین می‌شود. این سپر چیزی نیست جز میدان مغناطیسی زمین که تا هزاران کیلومتر در اطراف زمین گسترده شده و جلوی نفوذ بادهای خورشیدی خطرناک را هم می‌گیرد.

میدان محافظ

بادهای خورشیدی چون ذره‌های باردار ِ متحرک هستند، براساس قوانین فیزیک الکترومغناطیس، وقتی با یک میدان مغناطیسی مواجه می‌شوند نیروهای مغناطیسی در جهت‌های خاصی به آن‌ها وارد می‌شود. در اثر این نیروها بخش عظیمی از آن‌ها از زمین دور می‌شوند، به عبارتی میدان مغناطیسی زمین (که به آن مغناط‌کره یا مغناط‌سپهر هم گفته می‌شود) آن‌ها را پس می‌زند.

اما بخشی از آن‌ها که انرژی زیادتری دارند، به این سپر مغناطیسی نفوذ می‌کنند و در دام خطوط میدان مغناطیسی زمین می‌افتند. به علت سازوکارهای مغناطیسی و جهت نیروهایی که میدان مغناطیسی به این ذرات باردار وارد می‌کنند، آن‌ها در یک مسیر مارپیچی به دور خطوط میدان مغناطیسی زمین گیرمی‌افتند و به سوی قطب‌های مغناطیسی زمین هدایت می‌شوند.

به مقیاس کنار تصویر در عکس بالا نگاه کنید‏، بادهای خورشیدی در فاصله‌های بیش از ۵۰ هزار کیلومتری از زمین توسط میدان مغناطیسی آن از زمین دور می‌شوند. خطوط منحنی آبی رنگ، نمایی از خطوط میدان مغناطیسی زمین است که در تقابل با بادهای خورشیدی، دچار تغییر شکل شده‌اند. در مقیاس این عکس، جوّ زمین یک لایه بسیار نازک چسبیده کره زمین است که قابل تشخیص نیست!

دقت کنید که خطوط میدان مغناطیسی زمین به هزاران کیلومتر فراتر از جوّ زمین کشیده شده‌اند و ذرات باد خورشیدی در اولین مواجهه با آن‌ها هنوز با جوّ زمین فاصله زیادی دارند.

حرکت ذرات پرانرژی بادهای خورشیدی در این مسیرهای مارپیچی طولانی، مقدار زیادی از سرعت و انرژی آن‌ها را کاهش می‌دهد، به نحوی که هنگام برخورد به جوّ زمین برفراز قطب‌های شمال و جنوب، دیگر خطرناک نیستند. البته همچنان انرژی قابل توجهی دارند.

بیشتر این انرژی باقی‌مانده‌شان را هم در برخورد با اتم‌های اکسیژن و نیتروژنی که در لایه‌های بالایی (فوقانی) جوّ موجود است از دست می‌دهند و دیگر آسیبی برای حیات و زندگی موجودات زنده نخواهند داشت.

ایجاد شفق‌های قطبی

حالا بعد از این همه توضیحات (که البته سعی کردم خیلی خلاصه و به دور از مباحث تخصصی بیان کنم!) داریم به شفق‌های قطبی نزدیک می‌شویم. در واقع، ذرات بادهای خورشیدی وقتی به اتم گازهای آن بالاهای جوّ برمی‌خورند، انرژی خودشان را به الکترون ِ اتم‌های نیتروژن و اکسیژن می‌دهند و باعث برانگیختگی (یا تحریک) این گازها می‌شوند.

در اصطلاح فیزیکی اتم‌های تحریک شده حالتی از اتم هستند که الکترون‌های آن‌ها در سطح انرژی بالاتر از حالت معمولی خود قرار گرفته‌اند. اما این الکترون‌ها نمی‌توانند به صورت دائمی در حالت برانگیخته بمانند و به مدارهای اصلی‌شان بازمی‌گردند. در این حین، انرژی اضافه خودشان را به صورت پرتوهای نور تابش می‌کنند.

این پرتوهای نور هستند که می‌شوند همان نورِ شفق‌های قطبی!

مشابه همین پدیده را در زندگی معمولی بسیار دیده‌ایم! لامپ‌های مهتابی نمونه ساده‌ای از این پدیده برانگیختگی است. لامپ‌های نئون هم که به رنگ‌های مختلف در تابلوهای تبلیغاتی استفاده می‌شدند به همین صورت نورافشانی می‌کنند.

چون گازهای مختلف، انرژی‌های مختلفی را جذب می‌کنند، و از طرفی ترازهای انرژی الکترون‌ها هم انرژی‌های مختلفی می‌توانند داشته باشند، پس طول موج‌های گوناگونی از نور در آن لایه‌های فوقانی جوّ زمین تابش خواهد شد. و به این سبب است که نورها با رنگ‌های مختلف سبز، آبی، بنفش و صورتی در شفق‌های قطبی دیده می‌شوند.

رنگ شفق‌ها

اتم‌های اکسیژن برانگیخته به رنگ‌های مختلفی تابش می‌کنند که درخشان‌ترین آن‌ها قرمز و سبز است. تمام شفق‌های سبز نشان از حضور اتم‌های اکسیژن دارند.
مولکول‌های نیتروژن برانگیخته هم به رنگ‌های قرمز، آبی و بنفش تابش می‌کنند.
میزان فراوانی این گازها در ارتفاعات مختلف از سطح زمین هم متفاوت است. بنابراین، ترکیب و تداخل اتم‌ها و مولکول‌های اکسیژن و نیتروژن با هم و تغییر چگالی متناسب با ارتفاع آن‌ها موجب ظهور رنگ‌ها و شکل و طرح‌های زیبایی می‌شود که شفق‌های قطبی به نمایش می‌گذارند.

الان می‌توانیم به راحتی درک کنیم که چرا این نورهای اعجاب انگیز؛ در پهنه آسمان حرکت می‌کنند، تغییر شکل می‌دهند و رنگ‌های مختلف را نمایش می‌دهند. همه به علت جریان و جابه‌جایی گازهای اکسیژن و نیتروژنی است که در آن لایه‌های بالایی جوّ زمین، تحت برخورد ذرات بادهای خورشید قرار می‌گیرند.

معمولا شفق‌ها در ارتفاع ۹۰ تا ۱۵۰ کیلومتر بالاتر از سطح زمین به وجود می‌آیند؛ البته مواردی هم بوده که تا ارتفاع ۱۰۰۰ کیلومتری مشاهده شده است.

هرچند که علت ایجاد شفق قطبی بادهای خورشیدی است ومیزان شدت این بادها هم به فعالیت‌های خورشید بستگی دارند؛ ولی نمی‌توان یک پیش‌بینی دقیق بلندمدت از وقوع و شدت آن‌ها داشت. البته می‌توان از طریق سایت‌ها و اپلیکیشن‌های خاصی در بازه‌های زمانی یکی دو روزه، پیش‌بینی‌های قابل قبولی از شدت شفق‌ها به دست آورد.

میزان و شدت شفق‌های قطبی کاملا به فعالیت‌های خورشیدی گره خورده است که آن هم یک دوره حدود ۱۱ ساله دارد. هر زمان که خورشید در اوج فعالیت‌هایش باشد، تعداد و شدت شفق‌های قطبی هم افزایش می‌یابد. البته موارد زیادی هم گزارش شده که در زمانِ آرامی خورشید، شفق‌های پرنوری مشاهده شده‌اند.

نکته‌ای دیگر این که خیلی به ندرت اتفاق می‌افتد که در زمان‌های اوج فعالیت خورشیدی، شدت بادهای خورشیدی به قدری زیاد شوند که نور شفق‌ها را تا عرض‌های جغرافیایی میانی و حتای نزدیک استوا هم بتوان مشاهده کرد.

به یاد دارم در یکی از شب‌های دوران نوجوانی (اوائل دهه ۷۰) هنگامی که مشغول مشاهده ستارگان و آسمان شب بودم، لایه‌هایی نازک و نورانی را در سمت شمال آسمان مشاهده کردم. نور آن‌ها خفیف بود و نمی‌توانستم رنگ خاصی برایشان تشخیص دهم، ولی حرکت‌های آرام‌شان مشخص بود. احتمال زیاد می‌دهم که آن‌ها یکی از این شفق‌های نادر بوده‌اند!

نویسنده: محمد همایونی

محمد همایونی

کارشناس و مدرس نجوم هستم و اعتقاد دارم که «یک ستاره شناس این جهان را مکانی زیباتر برای زندگی می‌بیند!» و جهت ترویج آن فعالیت می‌کنم.