شفق قطبی چیست؟
شفق قطبی، نمایش رنگارنگی از نورها در آسمان شب است که به‌واسطه خورشید و قطب‌های مغناطیسی کره زمین ایجاد می‌شود. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که بادهای خورشیدی با گازهای موجود در لایه «مگنتوسفر» زمین واکنش می‌دهند. مگنتوسفر یکی ار لایه‌های الکترومعناطیسی زمین است که تعامل با بادهای خورشیدی در آن صورت می‌گیرد. ذرات حاوی بار الکتریکی اطراف زمین در این لایه وجود دارند و از ورود ذرات خورشیدی آسیب‌زا به زمین جلوگیری می‌کنند؛ با این حال، گاهی بادهای خورشیدی از مگنتوسفر عبور می‌کنند و برخورد ذرات باردار خورشیدی با ذرات باردار زمین منجر به یونیزه شدن مولکول‌های موجود در جو و نمایشی زیبا از شفق‌های قطبی می‌شود. با اینکه این پدیده در شب بهتر دیده می‌شود، منشا شکل‌گیری شفق قطبی «خورشید» است.
شفق‌های قطبی در مناطق شمالگان و جنوبگان، در مدارهای ۶۶٫۵ درجه به بالا قابل‌مشاهده هستند. نام دیگر این پدیده در شمال «شفق شمالی» است و در جنوب به آن «نورهای جنوبی» نیز گفته می‌شود. شفق‌های قطبی به‌ندرت در مدارهای بین استوا تا ۶۶٫۵ درجه شمالی یا جنوبی رویت می‌شوند.
تفاوت شفق و فلق قطبی چیست؟
پیش از طلوع خورشید نور ضعیفی در سمت شرق آسمان مشاهده می‌شود که از آن با نام «صبح کاذب» یا «فلق» یاد می‌کنند؛ پس از غروب خورشید نیز تا مدتی نوری در آسمان دیده می‌شود که به آن «شفق» می‌گویند. این روشنایی آسمان ناشی از تابش نور خورشید به ذرات غبار پراکنده در جو زمین و انعکاس آن است. به عبارتی، در برخورد این نور با ذرات غبار، پدیده شکست نور رخ می‌دهد که منجر به شفق یا فلق می‌شود؛ اما «شفق قطبی» پدیده متفاوتی است که در اثر برخورد طوفان‌های خورشیدی با ذرات گاز موجود در جو و به‌طور معمول در نزدیکی قطب‌های شمال و جنوب رخ می‌دهد. پیدایش فلق (در هنگام طلوع خورشید) و شفق (در هنگام غروب خورشید) ممکن است دلایل گوناگونی داشته باشد:
- فلق شهری
فلق شهری، هنگام صبح و پیش از طلوع خورشید آغاز می‌شود؛ زمانی که مرکز هندسی خورشید ۶ درجه زیر خط افق است و با طلوع خورشید به پایان می‌رسد. در هنگام غروب، مجدد این پدیده آغاز می‌شود و زمانی پایان می‌یابد که مرکز هندسی خورشید دوباره ۶ درجه زیر خط افق قرار بگیرد. در هنگام وقوع فلق شهری اگر مه یا محدودیت‌های دیگر نباشند، درخشان‌ترین ستاره‌ها و سیارات دیده می‌شوند و افق و اجرام زمینی قابل تشخیص هستند. در چنین شرایطی نیازی به نور مصنوعی نیست.
- فلق دریایی
فلق دریایی در دو نوبت یک بار در هنگام طلوع و بار دیگر در زمان غروب خورشید رخ می‌دهد؛ هنگامی که مرکز هندسی خورشید ۱۲ درجه زیر خط افق است. به‌طور کلی، نام فلق دریایی به دریانوردانی اشاره دارد که می‌توانند از طریق ستاره‌های شناخته‌شده، خوانش‌های نجومی قابل‌اعتمادی انجام دهند. در هنگام فلق دریایی هنوز افق را می‌توان دید و بدون مه و سایر محدودیت‌ها، خطوط کلی اجرام زمینی را تشخیص داد؛ اما سایر مشاهدات در فضای باز بدون نور مصنوعی امکان‌پذیر نیست.
- فلق نجومی
فلق نجومی همچون سایر فلق‌ها در دو نوبت طلوع و غروب رخ می‌دهد؛ زمانی که مرکز هندسی خورشید ۱۸ درجه زیر خط افق است. در فلق نجومی نور آسمان به‌حدی ضعیف است که اکثر افراد آسمان را کاملا تاریک می‌دانند؛ به‌خصوص در نزدیکی شهر یا حومه آن که آلودگی نوری وجود دارد. در فلق نجومی افق قابل تشخیص نیست و ستارگان و سیارات نسبتا کم نور را در نبود آلودگی نوری می‌توان با چشم غیر مسلح دید؛ اما برای آزمایش محدودیت دید انسان، خورشید باید بیشتر از ۱۸ درجه زیر خط افق باشد. در شرایط فلق نجومی می‌توان منابع نور نقطه‌ای همچون ستارگان یا سیارات را مطالعه کرد؛ هرچند برای مطالعه منابع نور پراکنده همچون کهکشان‌ها، سحابی‌ها و خوشه‌های کروی باید در زیر آسمان کاملا تاریک بود.
همان طور که واضح است، علت وقوع انواع فلق و شفق با پدیده «شفق قطبی» کاملا تفاوت دارد و هرکدام از این پدیده‌ها در علم نجوم طبق الگوی متفاوتی اتفاق می‌افتند.
علت پیدایش شفق قطبی
خورشید علاوه بر گرما و نور، انرژی زیاد و ذرات کوچک دیگری نیز به‌سمت زمین می‌فرستد. میدان مغناطیسی اطراف زمین از آن در برابر بیشتر انرژی‌ها و ذرات محافظت می‌کند؛ اما خورشید همواره انرژی یکسانی ارسال نمی‌کند.
خورشید، توپی از گازهای بسیار داغ است؛ گازهایی که از ذرات باردار الکتریکی به نام یون تشکیل شده‌اند. این یون‌های باردار به‌صورت جریانی دائمی از سطح خورشید جدا می‌شوند. این جریان دائمی را بادهای خورشیدی می‌نامند. زمانی که این بادها شدت پیدا می‌کنند، از آن‌ها با نام طوفان خورشیدی یا «خروج جرم از تاج خورشید» (coronal mass ejection) نیز یاد می‌کنند. بادها و طوفان‌های خورشیدی با میدان مغناطیسی زمین برخورد می‌کنند. بدون میدان‌های مغناطیسی بادهای خورشیدی می‌توانند جو شکننده زمین را از میان ببرند و حیات روی زمین را به خطر اندازند.
به‌طور معمول، میدان‌های مغناطیسی اطراف زمین به جهت محافظت و حفظ حیات کره، جلوی بیشتر بادهای خورشیدی را می‌گیرند. طوفان‌های خورشیدی حجم زیادی از ذرات باردار را با سرعت بالایی در فضا پخش می‌کنند. اگرچه بسیاری از این بادها و طوفان‌ها توسط لایه مگنتوسفر مسدود می‌شوند، برخی از یون‌ها برای مدت کوتاهی در فضایی حلقه‌ای شکل در ناحیه‌ای به نام یونوسفر (Ionosphere) در اطراف جو زمین به دام می‌افتند. برخورد این بادها با میدان‌های مغناطیسی، آن‌ها را به‌سمت قطب‌های شمال و جنوب و یونوسفر منحرف می‌کنند. این اتفاق منجر به‌شکل‌گیری کمربند تابشی به نام «وان آلن» می‌شود. این کمربند تابشی ذرات مضر برای کره زمین را به خود جذب می‌کند.
ناحیه یونوسفر در اطراف قطب‌های ژئومغناطیسی زمین قرار گرفته است. این قطب‌ها محور میدان مغناطیسی زمین را مشخص می‌کنند و در فاصله ۱۳۰۰ کیلومتری قطب‌های جغرافیایی زمین در حرکت هستند.
در ناحیه یونوسفر گازهای بسیار داغ که متشکل از یون‌های باردار هستند، با گازهای موجود در اتمسفر همچون اکسیژن و نیتروژن واکنش می‌دهند. در این برخوردها اتم‌های موجود در جو زمین برانگیخته می‌شوند و از خود نور ساطع می‌کنند.
زیباترین شفق‌های قطبی زمان اتفاق می‌افتد که بادهای خورشیدی با بیشترین سرعت بوزند. در این صورت، برخوردهای بیشتری با اتم‌های موجود در جو زمین رخ می‌دهند. در نتیجه این برخوردها تابش‌ها بیشتر نمایان می‌شوند و منظره شفق قطبی منحصربه‌فردتر خواهد شد. در طول این برخوردها، هاله‌ای درخشان در اطراف قطب‌های جغرافیایی زمین شکل می‌گیرد. شفق‌های قطبی به‌طور معمول در فاصله ۹۷ تا هزار کیلومتری از سطح زمین اتفاق می‌افتند و طول آن‌ها تا هزاران کیلومتر می‌رسد.
با وجود پیشرفت‌های علمی بسیار در علم «هلیوفیزیک» (Heliophysics) و جو، ابعاد زیادی از پدیده شفق قطبی پنهان مانده است. هلیوفیزیک علمی است که به مطالعه فیزیک خورشید و ارتباط آن با منظومه شمسی می‌پردازد.
تا سال ۲۰۲۱ و انتشار مقاله‌ای در مجله «Nature Communications»، دانشمندان هنوز نمی‌دانستند که ذرات پر انرژی باد خورشیدی چگونه با سرعت ۷۲ میلیون کیلومتر در ساعت حرکت می‌کنند. در ژوئن همان سال با کشف پدیده‌ای به نام امواج آلفون منشا سرعت بالای آن‌ها کشف شد. امواج آلفون به‌دلیل نیرو‌های الکترومغناطیس در پلاسما شکل می‌گیرند؛ این امواج طول موج پایین و قدرت بالایی دارند و ذرات خورشیدی در راستای این امواج در جو زمین حرکت می‌کنند و به سرعت شتاب می‌گیرند.
چرا در شفق قطبی رنگ‌های مختلف می‌بینیم؟
شفق قطبی به رنگ‌های مختلفی در آسمان ظاهر می‌شود. این تغییر رنگ به چند علت رخ می‌دهد. ارتفاع برخورد یون‌های خورشید با اتم‌های موجود در اتمسفر و نوع این اتم‌ها از عوامل تاثیرگذار روی رنگ شفق‌های قطبی هستند. به‌طور معمول، در نتیجه واکنش این یون‌ها با اکسیژن، نورهای خیره‌کننده سبز و زرد و گاهی آبی؛ در نتیجه واکنش با نیتروژن نورهایی مایل به قرمز و آبی و در نتیجه برخورد این یون‌ها با اتم‌های هیدروژن و هلیوم شفق‌های آبی و بنفش ایجاد می‌کند.
در ارتفاع برخورد، طول موج نور تابیده‌شده اهمیت بالایی دارد. شفق‌های قطبی رایج به رنگ‌های سبز و آبی هستند که حاصل برخورد یون‌های خورشیدی با اتم‌های اکسیژن در ارتفاع پایین هستند. در ارتفاع بالاتر همین برخورد می‌تواند منجر به درخششی قرمز شود؛ اگرچه چشم ما به‌ندرت این طیف الکترومغناطیس را تشخیص می‌دهد.
