شفق قطبی چطور به‌وجود می‌آید؟

هم‌نشینی با علم > شاید ندانید > شفق قطبی چطور به‌وجود می‌آید؟

تاریخ انتشار: ۶ دی ۱۳۹۹

پدیده‌ی زیبای شفق قطبی بیشتر در آسمان نواحی‌ قطبی زمین دیده می‌شود. این پدیده چطور به‌‌وجود می‌آید؟ چرا در ناحیه‌های نزدیک به قطب‌های زمین بیشتر به‌وجود می‌آید؟ چه چیزی باعث می‌شود که رنگ‌های مختلفی داشته باشند؟
1-aurora-borealis-744351_1920

شفق‌های قطبی نورهای رنگارنگی هستند که با طرح‌های مختلفی در آسمان شب و بیشتر در ناحیه‌های قطبی دیده می‌شوند. به وجود آمدن شفق قطبی روی زمین به عوامل مختلفی بستگی دارد. خاصیت مغناطیسی یا آهنربایی سیاره‌ی ما زمین، ذرات باردار و پرانرژی که خورشید به اطراف می‌فرستد و اتم‌های جوّ ِ زمین همگی در به‌وجود آوردن این پدیده‌ی زیبا موثرند. اما چطور؟

 

زمین، آهن‌ربایی ضعیف و بزرگ

خاصیت مغناطیسی زمین را می‌شناسیم. شاید بسیاری از ما با قطب‌نما کار کرده باشیم. قطب‌نما آهن‌ربای کوچکی است که روی سوزنی سوار شده است و می‌تواند آزادانه بچرخد. خاصیت مغناطیسی یا همان آهن‌ربایی زمین باعث چرخش آهنر‌بای قطب‌نما می‌شود، البته خاصیت مغناطیسی زمین بسیار ضعیف است. اندازه‌گیری‌ها نشان می‌‌دهد که خاصیت مغناطیسی زمین از آهن‌رباهای معمولی که روی یخچال می‌چسبانیم، چند‌صد بار ضعیف‌تر است! اما زمین چطور خاصیت مغناطیسی پیدا کرده است؟

2-compass-5261062_1920

خاصیت مغناطیسی زمین از ما در برابر ذرات پرانرژی که از بیرون زمین می‌آیند محافظت می‌کند.

زمین هسته‌‌ای جامد دارد که از آهن و مقداری عناصر دیگر تشکیل شده است. این هسته را هسته‌ای بیرونی احاطه کرده است که از فلزات مذاب است. یکی از عوامل مهم در ایجاد مغناطیس زمین این است که جریان فلز مذاب در هسته‌ی بیرونی زمین دائم در حرکت است و با حرکت ذرات باردار که درون این جریان فلز مذاب هستند، میدان مغناطیسی یا همان خاصیت آهن‌ربایی زمین به‌وجود می‌آید. مغناطیس زمین بسیار ضعیف است ولی همین مغناطیس ضعیف از ما در برابر ذرات پرانرژی که از خورشید می‌آیند محافظت می‌کند.

 

ذرات پرانرژی خورشید و نورهای زیبای شفق قطبی

خورشید دائم ذرات بارداری را با انرژی زیاد به اطراف پخش می‌کند. این ذرات عمدتاً از جنس الکترون و پروتون هستند و وقتی به زمین می‌رسند اغلب آنها در دام مغناطیس زمین می‌افتند. در اثر این اتفاق دور خطوط آهنربای زمین می‌چرخند و به سمت قطب‌های زمین می‌روند. در ناحیه‌های قطبی شدت میدان مغناطیسی زمین ضعیف‌تر است و بعضی از این ذرات باردار وارد جوّ شده و با اتم‌های گازهای جوّی برخورد می‌کنند. در اثر این برخورد الکترون از اتم‌ها کنده می‌شود و اتم‌ها برانگیخته می‌شوند و با طول‌موج‌های مختلفی تابش می‌کنند که به صورت نورهای رنگی در آسمان دیده می‌شود. این نورهای رنگی همان شفق‌های قطبی هستند که در ناحیه‌های قطبی زمین دیده می‌شود.

در سیاره‌های دیگر منظومه‌ی شمسی که جوّ و میدان مغناطیسی داشته باشند هم شفق قطبی به‌وجود می‌آید.

3-northern-lights-5499703

رنگ شفق قطبی به نوع اتم‌ها و مولکول‌های جوّ و ارتفاع محل برخورد ذرات باردار با اتم‌های جوّ بستگی دارد. مثلاً برخورد ذرات باردار با اکسیژن در ارتفاع حدود صد کیلومتر از سطح زمین نور سبز ایجاد می‌کند و اگر در ارتفاع‌های بالاتر جو برخورد کنند نور قرمز ایجاد می‌شود. اگر ذرات باردار با اتم‌های نیتروژن برخورد کنند رنگ‌های آبی یا ارغوانی به‌وجود می‌آورند. برخورد ذرات باردار با جوّ بیشتر در ارتفاع حدود ۱۰۰ کیلومتر از سطح زمین رخ می‌دهد ولی در ارتفاع بین ۸۰ کیلومتر تا ۲۵۰ کیلومتر از سطح زمین هم ممکن است رخ بدهد. به طور معمول دیدن شفق‌های قطبی در نیم‌کره‌ی شمالی در ناحیه‌ای به دور قطب شمال و در جاهایی مانند شمال کانادا، ایسلند، آلاسکا، جنوب گرینلند، شمال سوئد و نروژ و سیبری ممکن است و در نیم‌کره‌ی جنوبی در حلقه‌ای به دور قطب جنوب امکان دارد دیده شود که بیشتر در اقیانوس قرار دارد.

وقتی فعالیت‌های خورشید زیاد می‌شود، شدت گسیل ذرات باردار از خورشید افزایش می‌یابد. در این زمان‌ها شفق‌های قطبی در عرض‌های جغرافیاییِ پایین‌تر زمین، مانند نیوزلند یا جنوب شیلی یا آرژانتین هم دیده می‌شوند.

4-799px-Aurora_on_Saturn
NASA Hubble, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons

پدیده‌ی شفق قطبی فقط در زمین روی نمی‌دهد. در سیاره‌های دیگر منظومه‌ی شمسی که جوّ و میدان مغناطیسی داشته باشند هم شفق قطبی به وجود می‌آید. تصویر بالا، شفق قطبی در سیاره‌ی زحل را نشان می‌دهد. این تصویر را تلسکوپ فضایی هابل متعلق به سازمان فضایی ایالات متحده و سازمان فضایی اروپا گرفته است.