حقيقت شفق قطبي

حقيقت شفق قطبي

شفق قطبي چيست و چگونه تشكيل مي شود؟

نيروهاي لورنتس كه موجب انحراف مسير الكترونها در ميدان هاي مغناطيسي مي شود در بسياري از پديده هاي طبيعي تجلي مي يابند و فقط با ياري گرفتن از اين نيروها توضيح آنها ممكن است. يكي از تماشايي ترين و با شكوهترين پديده ها از اين نوع شفق قطبي است، كه مشخصه عرض هاي جغرافيايي بالا , نزديكي هاي شمال يا جنوب مدار قطبي است. پديده شگفت آور و زيبايي كه در طول شب قطبي طولاني در آسمان ديده مي شود.

آسمان تابان مي شود و نقش هايي با رنگها و شكل هاي گوناگون ديده مي شود. گاهي داراي شكل كمان يكنواخت ، ساكن يا تپنده است و گاهي عبارت است از شمار زيادي پرتو با طول موج هاي متفاوت ، كه مانند پرده ها و نوارها بازي مي كنند و پيچ و تاب مي خورند. رنگ تاباني از سبز مايل به زرد به سرخ و بنفش مايل به خاكستري تغيير مي كند. طبيعت و منشا شفق هاي قطبي زمان درازي به كلي پوشيده مانده بود. تا اينكه به تازگي براي اين راز توضيح رضايت بخشي پيدا شد.

ارتفاع شفق هاي قطبي

قبل از همه , دانشمندان موفق شدند ارتفاعي را كه شفق هاي قطبي ظاهر مي شوند، تعيين كنند. به اين منظور از يك تاباني از دو نقطه به فاصله چند ده كيلومتر از يكديگر عكس گرفتند. به كمك چنين عكس هايي ثابت كردند كه شفق هاي قطبي در ارتفاع 80 تا 100 كيلومتري بالاي زمين (بيشتر اوقات در ارتفاع 100 كيلومتر) ظاهر مي شوند. به اين ترتيب دريافتند كه شفق هاي قطبي تاباني گازهاي رقيق موجود در جو زمين هستند، كه تا اندازه اي به تاباني در لامپ هاي تخليه گاز شبيه مي باشند.

دوره تناوب ظهور شفق هاي قطبي

رابطه جالب بين شفق هاي قطبي و پديده هاي ديگر روشن است. شفق هاي قطبي با دوره هاي متفاوت مشاهده مي شوند. اختلاف دوره هاي شفق قطبي بعضي اوقات به چندين سال مي رسد. مشاهدات چندين ساله آشكار ساخته اند كه دوره هاي زيادي ماكزيمم شفق هاي قطبي به طور مرتب در 11.5 سال تكرار مي شوند . در طول اين مدت ، شماره شفق هاي قطبي نخست سال به سال كاهش مي يابد و سپس شروع مي كند به زياد شدن تا مقدار آن در 11.5 سال از نو به ماكزيمم مي رسد.

ساير پديده هاي زيباي جوي

مشاهده سطح خورشيد ، از خيلي پيش ، وجود لكه هاي تار و نامنظمي را روي قرص آن آشكار ساخته اند كه اغلب شكل و جايشان عوض مي شود، معلوم شده است كه تعداد و مساحت كل اين لكه ها از سالي به سال ديگر ، نه به طور كاتوره اي بلكه با همان دوره 11.5 سال , تغيير مي كنند . در اين فرايند , ماكزيمم لكه هاي خورشيدي ، يا فعاليت خورشيدي ماكزيمم ، همزمان با شفق قطبي ماكزيمم عارض مي شوند و نابودي آنها نيز با هم هماهنگ مي باشد.

تعداد توفان هاي مغناطيسي به ماكزيمم خود مي رسد. در سالهاي اخير رابطه مشابهي بين فعاليت خورشيدي (تعداد لكه هاي خورشيدي) و شرايط انتشار امواج راديويي در لايه هاي بالاي جو اثبات شده است. بنابراين مساله ، علاوه بر معناي نظري محض ، اهميت عملي نيز پيدا كرده است.

فرضيه بيركلند در مورد لكه هاي خورشيدي

بيركلند (B.Birkeland ) دانشمند نروژي با مقايسه نتايج اخير اين فرضيه را مطرح كرد كه لكه هاي خورشيدي ناحيه هايي هستند كه آنها باريكه هاي ذرات باردار (الكترونها) به داخل فضاي اطراف گسيل مي شوند. اين ذرات با رسيدن به لايه هاي بالاي جو زمين ، از طريق برخوردهاي الكترون در اين لايه ها ، مشابه تخليه گاز در لوله ، گازها را به تاباني وا مي دارند. اين الكترون ها همچنين روي ميدان مغناطيسي زمين و شرايط انفجار امواج راديويي مجاور زمين اثر مي گذارند.

يك پرسش و يك پاسخ

اگر نظريه بيركلند درست باشد، چرا شفق هاي قطبي در عرض هاي بالا ، يعني در نواحي نزديك به قطب ها مشاهده مي شوند؟ در صورتيكه مي دانيم پرتوهاي خورشيد تمام سطح زمين را روشن مي كنند. پاسخ اين پرسش را استرمر (Stermer) ، دانشمند نروژي ديگر پيدا كرد. ذرات باردار گسيل شده از خورشيد به جو زمين مي رسند و به درون ميدان مغناطيسي آن نفوذ مي كنند. در آنجا نيروي لورنتس بر آنها اثر مي كند. و آنها را از مسير اوليه خود منحرف مي سازد.

استرمر محاسبات رياضي پيچيده اي انجام داد و مسير اين الكترون ها را در ميدان مغناطيسي زمين حساب كرد. او نشان داد كه ذرات باردار منحرف شده توسط ميدان مغناطيسي زمين ، به يقين فقط به نواحي قطبي كره زمين وارد مي شوند.

كاربرد ويژه نيروي لورنتس

اين نظريه كه در انحراف ذرات باردار در ميدان مغناطيسي زمين نيروي لورنتس را به حساب مي گيرد، با شمار زيادي از نتايج آزمايشگاهي به خوبي همخواني دارد و در حال حاضر پذيرش همگاني يافته است. هر چند به تازگي براي توضيح كمي تمامي اين ديدگاه دشواريهايي بروز كرده است.