شفق قطبي چيست و چگونه بوجود مي آيد؟

يکي از تماشايي‌ترين و با شکوهترين پديده‌ها شفق قطبي است، که مشخصه عرضهاي جغرافيايي بالا , نزديکيهاي شمال يا جنوب مدار قطبي است. پديده شگفت آور و زيبايي که در طول شب قطبي طولاني در آسمان ديده مي‌شود.
آسمان تابان مي‌شود و نقشهايي با رنگها و شکلهاي گوناگون ديده مي‌شود. گاهي داراي شکل کمان يکنواخت ، ساکن يا تپنده است و گاهي عبارت است از شمار زيادي پرتو با طول موجهاي متفاوت ، که مانند پرده‌ها و نوارها بازي مي‌کنند و پيچ و تاب مي‌خورند. رنگ تاباني از سبز مايل به زرد به سرخ و بنفش مايل به خاکستري تغيير مي‌کند. طبيعت و منشأ شفقهاي قطبي زمان درازي به کلي پوشيده مانده بود. تا اينکه به تازگي براي اين راز توضيح رضايت بخشي پيدا شد.عرضهاي بالاي زمين ، آسمان شب ، بصورت درخشاني به شکل متحرک روشن مي‌شود که شفق قطبي ناميده مي‌شود. آنها شفاف هستند و مي‌توان ستاره‌ها را از داخل آنها مشاهده کرد. اغلب نور آنها به قدري مي‌درخشد که مي‌توان نوشته ای را خواند و رنگ آنها هميشه سبز مايل به زرد نيست. شفق قطبي شمالي و شفق قطبي جنوبي را مي‌توان در هر شب روشن مشاهده کرد و شدت نور آنها متغير بوده و تابع تعدادي پارامتر است. راه شيري توسط يک شفق قطبي روشن ، ديده نمي‌شود.همچنين آشکار است که شفق قطبي به هنگام روز بوجود مي‌آيد، بطوري که نور آن همواره در اتمسفر عرضهاي بالا انتشار مي‌يابد. وجود شفق قطبي چندين قرن است که مورد شناسايي قرار گرفته است. در اوايل تصور مي‌شد که شفق قطبي ناشي از بازتاب نور خورشيد توسط يخهاي فطبي است. نظريه ديگري عبارت از روشن شدن آسمان توسط خدايان بوده است. امروزه نظريه ذرات باردار شتاب‌دار مسئول اين پديده شناخته شده‌اند.

ارتفاع شفقهاي قطبي

قبل از همه ، دانشمندان موفق شدند ارتفاعي را که شفقهاي قطبي ظاهر مي‌شوند، تعيين کنند. به اين منظور از يک تاباني از دو نقطه به فاصله چند ده کيلومتر از يکديگر عکس گرفتند. به کمک چنين عکسهايي ثابت کردند که شفقهاي قطبي در ارتفاع 80 تا 100 کيلومتري بالاي زمين (بيشتر اوقات در ارتفاع 100 کيلومتر) ظاهر مي‌شوند. به اين ترتيب دريافتند که شفقهاي قطبي تاباني گازهاي رقيق موجود در جو زمين هستند، که تا اندازه‌اي به تاباني در لامپ هاي تخليه گاز شبيه مي‌باشند.

دوره تناوب ظهور شفق هاي قطبي

رابطه جالب بين شفقهاي قطبي و پديده‌هاي ديگر روشن است. شفقهاي قطبي با دوره‌هاي متفاوت مشاهده مي‌شوند. اختلاف دوره‌هاي شفق قطبي بعضي اوقات به چندين سال مي‌رسد. مشاهدات چندين ساله آشکار ساخته‌اند که دوره‌هاي زيادي ماکزيمم شفقهاي قطبي بطور مرتب در 11.5 سال تکرار مي‌شوند . در طول اين مدت ، شماره شفقهاي قطبي نخست سال به سال کاهش مي‌يابد و سپس شروع مي‌کند به زياد شدن تا مقدار آن در 11.5 سال از نو به ماکزيمم مي‌رسد.
شفق قطبي چيست؟
قبل از اينکه بتوانيم به ماهيت شفق قطبي پي ببريم، بايد اطلاعاتي درمورد فضاي اطراف زمين داشته باشيم. در اين فضا چيزهاي زيادي هست که ما نمي توانيم آنها را ببينيم. يکي از آنها هوايي است که ما تنفس ميکنيم که به آن Atmosphere گويند. Atmosphere مخلوطي از گازهاي مختلف است. بيشتر شامل اکسيژن، نيتروژن و مقاديري هيدروژن، هليم و ...
يکي از چيزهاي ديگر که ما قادر به ديدن آن نيستيم، ميدان مغناطيسي است که زمين را احاطه کرده. اگر تا به حال با يک آهنرباي ميله اي و مقداري براده آهن بازي کرده باشيد، الگوهاي منحني شکل را که براده هاي آهن ميسازند ديده ايد. درواقع آهنرباي زمين در اعماق هسته آن جاي دارد. ازآنجا که ما قادر به ديدن ميدان مغناطيسي زمين نيستيم، آنرا بصورت يک سري خطوط منحني نمايش ميدهيم. اين خطوط درمحل قطبين زمين به آن وارد و از آن خارج ميشوند.هرجا که خطوط به هم نزديکترند، ميدان قويتر است و برعکس.
سومين چيز نامرئي در فضاي اطراف زمين پلاسما است. پلاسما مجموعه اي از ذرات باردار است. درواقع الکترون ها و يون هاي مثبت همواره ميدان مغناطيسي زمين را احاطه کرده اند. ذرات باردار در يک ميدان مغناطيسي در راستاي خاصي حرکت ميکنند. آنها درواقع بوسيله ميدان مغناطيسي به جهات خاصي هدايت ميشوند. اين ذرات چنان در راستاي ميدان مغناطيسي زمين حرکت ميکنند که گويي اين ميدان يک سيم رساناست.ماده اصلي تشکيل دهنده شفق قطبي همين ذرات باردارند

يک پاسخ کوتاه به اين سوال که شفق قطبي چگونه بوجود مي آيد اين است که ذرات باردار پر انرژي (اغلب -e) تحت تاثير ميدان مغناطيسي زمين شتاب ميگيرند. اين شتاب گيري در لايه هاي فوقاني جو انجام ميشود. جايي که اين ذرات با اتم هاي گاز برخورد ميکنند و اين برخورد باعث ميشود که اتم ها از خود نور ساطع کنند. اما اگر کمي دقيق تر به قضيه نگاه کنيم، متوجه ميشويم که يکي از عوامل اصلي در بوجود امدن شفق قطبي، پديده اي موسوم به طوفان خورشيدي يا بادهاي خورشيدي است. خورشيد هم مثل زمين جو دارد و نيز يک ميدان مغناطيسي قوي که تا فواصل دوراز خورشيد گسترده شده. جو خورشيد از هيدروژن و هيدروژن از ذرات بنيادي اتم ها ساخته شده. الکترون ها و پروتون ها ذراتي هستند که بطور دائمي از خورشيد ميجوشند و با سرعت بسيار زياد به بيرون جو خورشيد رانده ميشوند. مجموعه اين ذرات پرانرژي و ميدان مغناطيسي خورشيد را طوفان يا باد خورشيدي گويند.
اين بادهاي خورشيدي بطور دائمي ميدان مغناطيسي زمين را تحت فشار قرار ميدهند و باعث تغيير شکل آن ميشوند. درست مثل اينکه به سطح يک حباب صابون با شدت تمام فوت کنيم.اين ميدان فشرده شده در اطراف زمين، Magnetosphere نام دارد.
ميدان مغناطيسي زمين از جهتي که به سمت خورشيد است، يعني نيمه روز زمين فشرده ميشود. چون بادهاي خورشيدي در آن جهت به زمين ميرسند. همچنين اين ميدان فشرده شده در اطراف زمين، مثل رد يک کشتي بطول زياد ادامه پيدا ميکند که به آن اصطلاحا Magnetotail گويند. جهت اين کشيدگي در خلاف جهتي است که خورشيد آنجاست.  انقباض ميدان مغناطيسي زمين نياز به صرف انرژي دارد. درست مثل اينکه بخواهيم يک بادکنک پر از باد را فشرده کنيم. جزئيات اين فرآيند هنوز شناخته نشده ولي چيزي که معلوم است اين است که انرژي دريافتي از خورشيد مرتبا در لايه Magnetosphere افزايش مي يابد و اين عامل ايجاد شفق قطبي است.
نيروي رانش بزرگ
ذرات باردار خورشيدي بطور دائمي وارد قسمت دم Magnetosphere شده و دوباره بسوي خورشيد حرکت ميکنند. هنگامي که همه شرايط لازم فراهم باشد، افزايش فشار بادهاي خورشيدي يک ولتاژ الکتريکي بين قطب هاي زمين و Magnetotail ايجاد ميکند. درست مثل ولتاژ دوسر يک باتري. با اين تفاوت که اين ولتاژ به ده هزار ولت هم ميرسد. اين ولتاژ بالا الکترون ها را که بسيار سبک اند به سمت قطب ها شتاب ميدهد درست مثل سيستم داخلي يک تلويزيون CRT (اشعه کاتدي). اين ذرات شتابدار در راستاي خطوط ميدان مغناطيسي زمين و در قطب هاي شمال و جنوب متمرکز ميشوند. بتدريج مقادير قابل توجهي الکترون در لايه هاي بالايي Atmosphere که اصطلاحا به آن ionosphere ميگويند جمع ميشود.
در ionosphere الکترون هاي شتابدار بشدت با اتم هاي گاز برخورد ميکنند و اين برخورد باعث افزايش انرژي اتم هاي گاز ميشود. اتم هاي گاز هم با بدست آوردن مقادير زيادي انرژي برانگيخته ميشوند و پس از آن براي بازگشت به حالت پايه اين انرزي را بصورت نور پس ميدهند. ميتوان گفت روند تشکيل شفق قطبي تا حد زيادي مشابه تابلوهاي نئون است. با اين تفاوت که درمورد شفق قطبي بجاي تيوپ گاز، لايه ionosphere را داريم و جريان بجاي سيم از ميدان مغناطيسي ميگذرد.
 نتيجه اين فرآيندهاي فيزيکي پديده اي پرده مانند در آسمان است که ارتفاع پايين ترين لايه آن از سطح دريا ٦٠ يا ٧٠ مايل است و اين حدود ده برابر بالاتر از ارتفاع پرواز يک هواپيماي جت است.

  اين پديده طبق گزارش هاي مستند غالبا در عرض جغرافيايي ٦٧ درجه شمالي و ٦٧ درجه جنوبي و به پهناي ٦ درجه ديده ميشود. يکي از بهترين نواحي براي ديدن شفق قطبي منطقه آلاسکا است.

  شفق قطبي در تمام ديگر سيارات منظومه خورشيدي هم اتفاق مي افتد. شفق قطبي در سيارات مجاور زمينفقط به رنگ قرمز ظاهر ميشود چون جو اين سياره ها فقط هيدروژن دارد و اکسيژن ندارد.   اين پديده در نيمکره شمالي به Aurora Borealis و در نيمکره جنوبي به Aurora  Australis معروف است.

     تشکيل شفق قطبي نشان ميدهد که جو زمين ميتواند انرژي را ذخيره کند.

  نوع و شدت رنگ شفق قطبي بستگي به عوامل گوناگوني دارد. مثلا رنگ سبز مايل به زرد را اتم هاي اکسيژن در ارتفاع ٦٠ مايلي ميسازند. رنگ قرمز هم نتيجه برخورد اتم هاي اکسيزن در ارتفاع ٢٠٠ مايلي است. يون هاي نيتروژن رنگ آبي را بوجود مي آورند و ملکولهاي نيتروژن خنثي رنگ ارغواني را ميسازند.

  شفق قطبي ميتواند باعث اختلال در ارتباطات و خطوط انتقال نيرو و فرسايش شبکه لوله کشي شود