چرا شفق‌ قطبی به رنگ‌های مختلف دیده می‌شود؟

در هفته‌ای که گذشت، وقوع فوران خورشیدی عظیم و به دنبال آن ایجاد منظره شگفت‌انگیز شفق قطبی توجه بسیاری را به خود جلب کرد. این طوفان خورشیدی عظیم که به اندازه ۱۷ برابر زمین بود، سبب شد ذرات باردار با سرعت حدود ۱.۶ میلیون کیلومتر بر ساعت به اتمسفر برسند و ساکنان زمین پدیده‌ای بی‌نظیر را شاهد باشند.

پدیده شفق قطبی از نظر علمی، زمانی رخ می‌دهد که ذرات باردار خورشیدی به میدان مغناطیسی زمین برخورد کنند و به سمت قطب‌ها بروند. به صورت خلاصه، نوع اتم‌هایی که این ذرات به آن‌ها برخورد می‌کنند، رنگ نور ساطع‌شده را تعیین می‌کند. اما نور خیره‌کننده و جذابی که معمولا فقط در قطب دیده می‌شود، این بار به طرز حیرت‌برانگیزی در بخش‌های زیادی از زمین ظاهر شد.

به گزارش وب‌سایت کانورسیشن، دانشمندان می‌گویند به نظر می‌رسد فعالیت شفق قطبی اکنون به پایان رسیده است. 

اگر شفق قطبی اخیر را در عکس‌ها دیده باشید، احتمالا متوجه‌ شده‌اید که درخشش و رنگ شفق قطبی در این عکس‌ها متفاوت است. اما به راستی چرا این گونه است؟ پاسخ مختصر به این پرسش به اتم‌ها و چگونگی برانگیختگی آن‌‌ها باز می‌گردد.

همان‌طور که گفته شد، شفق‌های قطبی در اثر برخورد ذرات باردار زیراتمی (عمدتا الکترون) به جو زمین ایجاد می‌شوند. این‌ ذرات که از خورشید ساطع می‌شوند، عمدتا بیشتر در زمان‌هایی به سمت زمین هجوم می‌آورند که فعالیت‌های خورشیدی بیشتر است.

میدان مغناطیسی زمین اصولا جو زمین را از هجوم ذرات باردار محافظت می‌کند اما این ذرات در نزدیکی قطب‌‌ها می‌توانند مخفیانه وارد اتمسفر شوند و از چنگال محافظتی میدان مغناطیسی زمین فرار کنند.

 

جو زمین تقریبا ۲۰ درصد اکسیژن و ۸۰ درصد نیتروژن و مقدار کمی چیزهای دیگر از جمله آب، دی‌اکسید کربن و آرگون دارد. زمانی که الکترون‌های پرسرعت به مولکول‌های اکسیژن در اتمسفر بالایی زمین برخورد می‌کنند، مولکول‌های اکسیژن (O2) به اتم‌های منفرد تقسیم می‌شوند. نور فرابنفش خورشید نیز این کار را انجام می‌دهد و اتم‌های اکسیژن تولیدشده می‌توانند با مولکول‌های اکسیژن واکنش دهند تا ازن تولید کنند. ازن همان مولکولی است که از ما در برابر تابش زیان‌بار فرابنفش خورشید محافظت می‌کند.

اما در مورد شفق قطبی، باید گفت که اتم‌های اکسیژن تولیدشده در حالت برانگیخته به سر می‌برند. این به طور کلی اما نه دقیق، چیزی شبیه آتش‌بازی در آسمان است و در اینجا نیز اتم‌های عناصر مختلف زمانی که انرژی می‌گیرند، رنگ‌های متفاوتی از نور تولید می‌کنند. برای مثال اتم‌های مس نور آبی می‌دهند، باریم سبز است و اتم‌های سدیم رنگ زرد‌ــ‌نارنجی تولید می‌کنند. این گسیل‌ها بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی «مجاز» شمرده می‌‌شوند و خیلی سریع اتفاق می‌افتند.

زمانی که یک اتم سدیم در حالت برانگیخته قرار دارد، تنها به مدت حدود ۱۷ میلیاردم ثانیه آنجا باقی می‌ماند و سپس فوتون زرد‌ــ‌نارنجی را به بیرون پرتاب می‌کند.

دانشمندان می‌گویند وقتی این ذرات پرانرژی در ارتفاع ۳۰۰ کیلومتری وارد جو زمین می‌شوند، به دلیل وجود اتم‌های گوناگون و میزان مختلف برانگیختگی آن‌ها احتمال ایجاد برخی رنگ‌های طیف نور مرئی بیشتر است. هر یک از این رنگ‌ها به خطوط عمده طیف خاصی مربوط می‌شوند. برای نمونه مولکول‌های اکسیژن متمایل به ایجاد نور سرخ یا زرد، تک‌اتم‌های اکسیژن متمایل به ایجاد نور سبز و اتم‌های نیتروژن متمایل به تولید نور بنفش‌اند.

از نظر تاریخی مدت زمان زیادی طول کشید تا دانشمندان متوجه شوند که نور سبز شفق قطبی از اتم‌های اکسیژن ناشی می‌شوند. پیش از آن، درخشش زرد‌ــ‌نارنجی سدیم در دهه ۱۸۶۰ شناخته شده بود، اما تا دهه ۱۹۲۰ طول کشید تا بالاخره دانشمندان کانادایی دریافتند که رنگ سبز شفق به دلیل وجود اکسیژن است.

این را نیز باید در نظر بگیریم که نور قرمز تنها در ارتفاعات بالا ظاهر می‌شود؛ یعنی جایی که برخورد با اتم‌ها و مولکول‌های دیگر کم اتفاق می‌افتد. همچنین، از آنجا که مقدار کمی اکسیژن آنجا وجود دارد، نور قرمز فقط در شفق‌های قطبی شدید (مانند نمونه اخیر) ظاهر می‌شود.

 

به طور خلاصه می‌توان گفت که سبز رایج‌ترین رنگی است که در شفق قطبی دیده می‌شود و قرمز دومین رنگ رایج محسوب می‌شود. البته همان گونه که در شفق قطبی اخیر شاهد بودیم، طبیعتا رنگ‌‌های دیگری نیز وجود دارند. رنگی نظیر سرخابی در ارتفاعات کم و از مولکول‌های نیتروژن یونیزه‌شده ایجاد می‌شود.

دانشمندان می‌گویند اگر شفق به قدر کافی روشن باشد، همه این رنگ‌ها را می‌توان با چشم غیرمسلح نیز مشاهده کرد. با این حال، این نورها در لنز دوربین خود را با شدت بیشتری نشان می‌دهند. برای این موضوع دو دلیل وجود دارد. اول اینکه دوربین‌ها از مزیت نوردهی طولانی برخوردارند، به این معنی که می‌توانند نسبت به چشم ما زمان بیشتری را برای جمع‌آوری نور به منظور تولید تصویر صرف کنند و در نتیجه می‌توانند در شرایط کم‌نور هم تصویر بسازند.

دوم اینکه حسگرهای رنگی در چشمان ما در تاریکی خیلی خوب کار نمی‌کنند‌ــ بنابراین در شرایط کم نور، ما تا حد زیادی همه‌چیز را سیاه و سفید می‌بینیم. اما دوربین‌ها چنین محدودیتی ندارند.

پدیده خروج جرم از تاج خورشیدی (CME) که از اواخر روز جمعه ۱۰ مه (۲۱ اردیبهشت) در ساعت ۰۲:۵۴ بامداد به وقت شرق ایالات متحده آغاز شد و تا ۱۲ مه (۲۳ اردیبهشت) ادامه یافت، از نظر شدت در کلاس اکس ۳.۹ (X3.9) بود. فوران‌های خورشیدی اساسا به پنج کلاس ای (A)، بی (B)، سی (C)، ام (M) و اکس (X) تقسیم می‌شوند که هر کدام از کلاس پیش از خود ۱۰ برابر قوی‌ترند و طوفان خورشیدی اخیر از جمله قدرتمندترین طوفان‌های خورشیدی در کلاس اکس به شمار می‌رفت.

اگر تماشای این مناظر زیبا در آسمان را از دست‌ داده‌اید، زیاد نگران نباشید. چرا که خورشید در حال نزدیک شدن به اوج چرخه لکه‌های خورشیدی ۱۱ ساله‌اش است و دوره‌های شفق قطبی شدید احتمالا طی یک سال آینده بازخواهند گشت.