ظاهرة الشفق القطبي (الاورورا)

هل تسمعوا عن ظاهرة الشفق القطبي (الاورورا)
تعتبر ظاهرة الشفق القطبي من الظواهر الطبيعية التي تظهر في السماء من أجمل الظواهر التي يعرفها علماء وهواة الفلك.

ويستمتع هواة الفلك بمشاهدة وتصوير هذه الظاهرة الطبيعية ، وتحمل هذه الظاهرة اسما آخر هو الأضواء الشمالية أو الفجر القطبي ، فهي عروض خلابة لمناظر ملونة على الشاشة السماوية الكبيرة في اتجاهي الشمال والجنوب القطبيين ويأخذ أسمه لأنه يظهر بعد غروب الشمس أو قبل طلوعها عند منطقتي القطبين الشمالي والجنوبي ، ويكون في بعض الأحيان على شكل أقواس أو تجعدات جميلة ، وأحيانا أخرى على شكل أشعة براقة تستمر للحظات أو ساعات أو ربما حتى الفجر ، ومن النادر جددا أن يتشابه شفقان في زمانين أو مكانين ولكن قد يأخذان نمطا متقاربا من الأشكال ، وعادة يظهر العرض الشفقي بعد غروب الشمس حيث يحتل الأفق الشمالي قوس شفاف يستمر لمدة نصف ساعة ثم يبدأ بالتحرك عاليا في السماء آخذا في اللمعان كلما ارتفع اكثر ، ويبدأ بالتكون خلفه قوسا آخر جديد يكون منفصلا عن سابقه ، وهكذا يستمر تكون الأقواس .. ، وبينما تأخذ هذه الأقواس في الارتفاع تتولد بينها انثناءات وحلقات تصبح بعد حين لامعة ثم بعد ذلك تبدأ تتلاشى .


وللشفق القطبي شكلان أساسيان هما الشكل الشريطي والشكل الغيمي ، وعادة ما يبدأ العرض الشفقي في السماء بشكله الشريطي لعدة مئات من الكيلو مترات ، ويبلغ عرضه شرقا وغربا عدة آلاف من الكيلو مترات حيث يظهر ذلك واضحا عند مقارنته مع خلفية النجوم التي تبدو صغيرة مقارنة بمساحته العظيمة ، أما سمكه فيصل إلى عدة الأمتار فقط ، وتسمى الإنثناءات التي تتكون نتيجة ارتفاع الشفق في السماء بالأقواس الشعاعية

وبازدياد النشاط الشفقي تنطبق الإنثناءات الكبيرة على الصغيرة منها مكونة ما يسمى بالزمر الشعاعية والتي يصل عرضها إلى عشرات الكيلو مترات ، وفي ازدياد آخر للنشاط ينبعث من الزمر الشعاعية لون وردي ويصبح عرضها عدة آلاف من الكيلومترات ، وحالما يتوقف النشاط الشفقي يعاود الشفق شكله الشريطي وتختفي كل الإنثناءات التي كانت موجودة أو يتحول الشفق إلى الشكل الغيمي غير المنظم ويظهر الشفق القطبي بألوان مختلفة يغلب عليها اللون الأخضر والأحمر والأزرق والأصفر ، وأما بقية الألوان فهي مزيج من الألوان الأساسية
كيف يحدث الشفق القطبي



لمعرفة كيفية حدوث الشفق القطبي علينا معرفة ماذا يحدث على سطح الشمس وماذا يحدث حول الأرض وكيف تتفاعل نواتج الحدثين ، فالشمس تتكون من ثلاث طبقات وهي الضوئية واللونية والإكليل ، وخلال أوج النشاط الشمسي في دورته كل إحدى عشر سنة يكثر على سطح الشمس ما يعرف بالبقع الشمسية الموجودة في الطبقة الضوئية ، وهذه البقع هي علامة للنشاط الشمسي وهي اضطرابات في المجال المغناطيسي للشمس وتظهر دائما في مجموعات تدوم ساعات أو أيام أو ربما شهر كامل ، ويرافق البقع الشمسية ما يعرف بالنتوءات الشمسية والتي هي عبارة عن انفجارات تحدث على سطح الشمس وترتفع مسافة 500.000 كم عن سطح الشمس ويمكن رؤيتها خلال الكسوف الكلي للشمس وتعتبر جزءا من الطبقة اللونية

إلا أن الصياخد تعتبر من النتوءات الأشد قوة وانفجارا وتظهر بلونها الأبيض قريبة من البقع الشمسية ، وتمتلك الواحدة منها طاقة تعادل مليوني مليار طن من مادة(تي- أن- تي)



وإذا ما شوهدت خلال الكسوف الشمسي فإنه ترتفع فوق سطح الشمس ولكنه نادرا ما ترى إذ أنها لا تدوم سوى بضعة دقائق ، الصياخد هي المسئولة عن إرسال الأشعة السينية وأشعة جاما والأشعة المرئية بالإضافة إلى شلالات من المن البروتونات وال الإلكترونات ذات الطاقة العالية جدا والتي تتدفق في كل ثانية باتجاه المجموعة الشمسية ، وفوق الطبقة اللونية التي تمتد حوالي عشرة آلاف كيلو متر يأتي الإكليل الشمسي الذي يمتد مسافة تقدر بعشرة أضعاف قطر الشمس إلى الخارج ، وهو عبارة عن الذرات الفردية المتناثرة إلى أعلى من سطح الشمس



وبينما تتحرك هذه الجسيمات باتجاه الخارج فإن الإكليل يحتل حجما أكبر وأكبر ويصبح أقل كثافة ، ونتيجة لذلك فإن إضاءته تخف إلى أن تتلاشى كليا ، وهذا لا يعني أن الجسيمات المشحونة قد توقفت عن المسير ، بل إنها تمتد حتى تغمر الكواكب والمشتري وزحل وربما تصل بلوتو وعندها تأخذ اسما جديدا هو الرياح الشمسية ، وتتغذى الرياح الشمسية بشكل رئيسي من الصياخد بحيث تتكون من البروتونات والإلكترونات ذات الطاقة العالية ، وتصل درجة حرارة الإكليل إلى ما يقارب المليون درجة مئوية



المجال المغناطيسي للأرض وأحزمة فان ألن الإشعاعية



تمثل الأرض قطعة مغناطيسية ذات قطب مغناطيسي شمالي يقع قرب القطب الجنوبي الجغرافي وآخر جنوبي يقع قرب القطب الشمالي الجغرافي وتنتشر بينهما خطوط المجال المغناطيسي المتجهة من القطب الجنوبي الجغرافي باتجاه الشمال الجغرافي ، ويميل المحور المغناطيسي عن المحور الجغرافي للأرض بمقدار 11.6 درجة ، فيمر بذلك أربعمائة كيلو متر بعيدا عن مركز الأرض ، وينتهي بنقطتين على سطحهما تدعيان القطبين المغناطيسيين ، وتقع الشمالية منها شمال جرينلند وبالتحديد عند خط طول 69 درجة غربا وخط عرض 78.5 درجة شمالا ، ولكن نتيجة للرياح الشمسية القادمة باتجاه الأرض فإن المجال المغناطيسي ينحصر داخل تجويف عظيم يدعى الغلاف المغناطيسي يحيط بالأرض على شكل مذنب فتقوم بضغط خطوط المجال المغناطيسي بشكل حاد نحو الشمس بينما تمتد خارجة بالاتجاه المعاكس مشكلة ذيلا مغناطيسيا طويلا يصل إلى حوالي ستة ملايين كيلومتر


وعند وصول الجسيمات المشحونة إلى الأرض فإنها تقع في أسر المجال المغناطيسي فتبدأ بالتردد في حركة لولبية الشكل بين نقطتين قريبتين من القطبين المغناطيسيين عند خطي عرض 70- 75 درجة شمالا وجنوبا وبسرعة كبيرة تتراوح بين ( 0.1-3 ) كم/ث بحيث تتدفق الإلكترونات شرقا البروتونات غربا حول الأرض مشكلة أحزمة ذات مقطع هلالي تدعى أحزمة فان ألن الإشعاعية نسبة إلى العالم الفيزيائي " جيمس فان ألن "

الذي كان أول من تنبأ بحساباته بشكل هذه الأحزمة بعد النتائج التي جاءت بها مركبتا الفضاء " إكسبلورر 1 & 3 " سنة 1985م ، فهناك حزامان ، الأول صغير نسبيا وقريب بحيث يبعد ثلاثة آلاف كيلومتر فقط عن سطح الأرض ويتكون يشكل أساسي من بروتونات ذات طاقة عالية ، والثاني أبعد وأكبر حيث يبعد حوالي 20.000 ألف كيلومتر عن سطح الأرض ويتكون بشكل رئيسي من بروتونات وإلكترونات ذات طاقة منخفضة



***


تكون الشفق



عند حدوث النشاط الشمسي فإن ظهور البقع الشمسية يعني وجود المئات من الصياخد الملتهبة التي تصل درجة حرارتها إلى أكثر من عشرة آلاف درجة مئوية وبهذا فأنها تبعث بمختلف إشعاعاتها فتزيد من حدة الإكليل الشمسي الذي يرى من خلال الكسوف الكلي للشمس كألسنة لهب مبتعدة عنها

والإكليل يعني الريح الشمسية القوية التي تغمر المجموعة الشمسية ، فعند وصولها الأرض تمتلئ أحزمة فان ألن بالجسيمات المشحونة من بروتونات وإلكترونات تفيض الأحزمة بها ، ونتيجة للسرعة التي تتحرك بها هذه الجسيمات المشحونة فإنها عندما تصل إلى نقطتي القطبين لا تقف لترتد بالاتجاه المعاكس ، وإنما تستمر في اختراق تلك المنطقة التي هي تقاطع الغلاف الأيوني للأرض مع الجسيمات المنفلتة من الأحزمة مكونة شكلا بيضاويا حول نقطة القطب المغناطيسي يدعى النطاق الشفقي وخاصة إذا نظرنا إليه من أعلى الفضاء


والإلكترونات هي الجسيمات المعنية هنا حيث تمتلك طاقات عالية جدا نتيجة تسريعها على طول الذيل المغناطيسي باتجاه الأرض وعند اختراقها الغلاف الأيوني الأرضي الذي يتكون من مختلف العناصر وفي مقدمتها النيتروجين والهيدروجين فإنها تتصادم مع ذرات هذه العناصر فتهيج إلكتروناتها إلى مستويات طاقة أعلى ، وبرجوعها تنبعث الإشعاعات الضوئية بألوانها المختلفة


فالمسئول عن اللونين الأزرق والبنفسجي مثلا هو النيتروجين وكلها ذرات مهيجة ، ويتخذ النطاق الشفقي الشكل البيضاوي كما ذكرنا ، وفي حال ازدياد النشاط الشمسي وحدوث عاصفة شمسية فإن هذا النطاق يتمدد باتجاه خط الاستواء حتى يصل خطوط عرض تصل إلى 35 درجة شمالا أو جنوبا وعنده يمكن لسكان تلك المناطق التمتع بمشاهدة العروض الشفقية كما حدث عام 1989م في ولاية فكتوريا باستراليا والتي تقع على خط عرض 35 درجة جنوبا عندما حدثت عاصفة شمسية
بعد ثلاثين عاماً من حيرة العلماء


الشفق القطبي يكشف الأسرار





في أي الأماكن من الفضاء يتشكل الشفق القطبي؟ تساؤل يطرحه علماء الفيزياء والفضاء منذ 30 سنة

لكن وكالة ناسا الفضائية أرادت وضع حد نهائي لهذا التساؤل، بعد ان ارسلت في فبراير/شباط الماضي الى الفضاء خمسة أقمار اصطناعية، ويطلق على هذه الحملة اسم ثيميس “ربة العدل عند الاغريق”، والواقع أن ثمة فرضيتين تفسران حدوث هذه الظاهرة احداهما تقول إنها تتشكل على ارتفاع 60 ألف كم، فوق سطح الأرض، والأخرى تشير الى تكونها على مسافة أبعد من ذلك وتبلغ 150 ألف كم.



والهدف من ارسال هذه الأقمار الكشف عن أقل تدفق للجسيمات، واقل تغير في المجال المغناطيسي، يحدث عند هذه الابعاد.



وفي الوقت نفسه، هناك سبع محطات موزعة بين كندا والألسكا لرصد السماء، أثناء حدوث الظاهرة لا سيما أن المحطات مزودة بكاميرات غاية في الحساسية، علاوة على ذلك، زودت وكالة ناسا بعض التلاميذ المتميزين في المدارس الأمريكية، بأجهزة لقياس التغير في المجال المغناطيسي عند حدوث الظاهرة، ويقول آلان روو البحث من مركز دراسات البيئة الأرضية والكوكبية إن هذه المحاولة هي المرة الأولى التي يتمكن فيها الباحثون من مشاهدة ظاهرة الشفق القطبي، في اللحظة نفسها من الأرض والفضاء، وبالتالي فهم الظاهرة بمجملها.



يذكر أن المختبر التابع لهذا المركز هو الذي قام بتصنيع الهوائيات المغناطيسية على متن ثيميس.



ويبدو أن وكالة ناسا كانت تضع خطة أخرى بخصوص دراسة الظاهرة، فالباحثون في الوكالة يرون أن فهم آلية حدوث الشفق القطبي، سيمكنهم من وضع برامج محاكاة رقمية قادرة على استباق، وابل الجسيمات الشمسية التي يعتقد أنها أصل الظاهرة.



ويشير ديفيد سيبك المسؤول العلمي عن هذه البعثة لدى وكالة ناسا، الى أن وراء هذه العروض الضوئية الجميلة متعددة الألوان، تختفي معركة حامية الوطيس بين المجال المغناطيسي للأرض وتلك الجسيمات الخطرة المقبلة الينا من الشمس جراء الرياح الشمسية القوية، والمعروف أن تلك الجسيمات عالية الخطورة بالنسبة لرواد الفضاء والاجهزة العاملة في الفضاء كالمركبات الفضائية والأقمار الاصطناعية، علاوة على احداثها لاضطرابات شديدة في عمليات الاتصال الرادياوية على الأرض، الى درجة انها تتسبب في تعطيلها بشكل كلي في بعض الأماكن.



وكان الباحث “تساو جين بين” في مركز الفضاء والبحوث التطبيقية التابع لأكاديمية العلوم الصينية، قال عن هذه الظاهرة: “كان الاعتقاد السائد لوقت طويل أن الشفق القطبي ينجم عن غازات مؤينة تقذف من سطح الشمس بسرعة عالية، لكن هذا الاعتقاد بات غير صحيح، بعد أن تمكن الباحثون من جمع البيانات من أربعة اقمار اصطناعية لدحض هذه الفكرة.



ويشير الباحث تساو الى أن الباحثين وجدوا أن الشفق الذي ينجم عن الغازات الشمسية المؤينة ضعيف جداً، ولا يكاد يرى بالعين المجردة، لكن الشفق القطبي الجميل الذي يسطح في ظلمات الليل ناجم في الواقع عن العواصف المغناطيسية الجزئية، وتبين للفريق العلمي ان الانبعاثات والتيارات فائقة السرعة الناتجة عن الغازات المكهربة والمعروفة بالتيارات الحجمية الانفجارية “بي بي إف”، ناشئة عن العواصف المغناطيسية الجزئية، وتسير التيارات بشكل لولبي تحت حدود المجال المغناطيسي الأرضي، وتصطدم بالذرات المنتشرة على ارتفاع 100 كم الأمر الذي يؤدي الى تشكل الشفق القطبي.



واشار البروفيسور بوتسوين في كلية علوم الأرض والفضاء بجامعة بكين الى أن اكتشاف منشأ وأصل ظاهرة الشفق، سيساعد البشرية على فهم الطقس في الفضاء، وهو عامل مهم لضمان نجاح وأمن وسلامة مهمات استكشفاف الفضاء عبر المركبات الفضائية بما في ذلك رواد الفضاء ايضاً.



وتنطلق تدفقات مستمرة من الجسيمات “بروتونات والكترونات” من سطح الشمس وبسرعة تصل الى 400 كم في الثانية وهو ما يطلق عليه بالرياح الشمسية، وبالطبع تصل هذه الجسيمات “البلازما” الى كل جسم على الأرض، كما لو كانت اشعاعات رادياوية نشطة “مشعة”، لكن الدرع الواقية للأرض “مجالها المغناطيسي” هو الذي يمنعها من تدمير ما تمر عليه، وعندما تمر الرياح الشمسية على المجال المغناطيسي، فإنها تثني خطوطه المحيطة بجانبي الأرض كما يمر الماء في الأنهار حول قطعة حجر.



يذكر أن الدرع المغناطيسية المحيطة بالأرض تعاني من عيبين فعند القطبين يتخذ المجال المغناطيسي شكلاً يشبه القمع، حيث تتجمع فيه الجسيمات التي كان يعتقد لفترة طويلة أنها تصل الى الغلاف الجوي لتشكل الشفق القطبي، لكن الواقع أن الأمر أكثر تعقيداً من ذلك، فلدى اقتراب هذه الجسيمات من الأرض، فإن المجال المغناطيسي يقوم بطردها بعيداً عن الأرض، إلا أن الجسيمات تتجمع في المنطقة الضعيفة في هذا المجال والمعروفة بالذيل المغناطيسي.



وتتجمع الجسيمات “البلازما” على مدى ساعات عدة في هذه المنطقة حيث تتقارب خطوط المجال المغناطيسي من بعضها وتصبح طبقة البلازما أشد كثافة، وأكثر دقة، وشيئاً فشيئاً تنفجر هذه الطبقة، كما لو كانت كيساً مملوءاً، وذلك كل 3 ساعات في المتوسط ويطلق عليها الزوبعة التحتية، مكونة ما يعرف بالشفق القطبي، وهو مهد هذه الظاهرة، بالتحديد، وتندفع الجسيمات “البلازما” نحو الأرض الى أن تصل الى منطقة بيضاوية الشكل حول القطبين الشمالي والجنوبي، وذلك بين خطي عرض 65 75 درجة.
وعلى ارتفاعات شاهقة من الغلاف الجوي يدخل وابل من الجسيمات بسرعة 40 ألف كم في الثانية، ويصطدم في ذرات الأوكسجين والآزوت، وعلى مدى هذه الاصطدامات، تفقد الجسيمات من سرعتها، لكنها تولد انبعاثات من الفوتونات الضوئية يعتمد لونها على طبيعة الذرة وسرعة الاصطدام، وعندما تشاهد من الأرض يلاحظ أن مسارات هذه الفوتونات تظهر على هيئة خطوط ملونة، تقع على ارتفاعات تتراوح بين 80 و400 كم. ويولد الالكترون على الارتفاعات العالية لوناً أحمر عندما يصطدم بذرة الأوكسجين.