الفلك

لماذا يحدث الشفق القطبي فقط في المناطق القطبية؟

لماذا يحدث الشفق القطبي فقط في المناطق القطبية؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لماذا يحدث الشفق القطبي فقط في القطبين الشمالي والجنوبي. لماذا لا تحدث في خط الاستواء أو في أي مكان لهذا الأمر؟


السبب هو المجال المغناطيسي العالمي للأرض. ألقِ نظرة على الصورة أدناه والتي تُظهر تمثيلًا لشكل خطوط المجال المغناطيسي حول الأرض.

ما تراه أعلاه هو ما يُعرف باسم المجال المغناطيسي ثنائي القطب. والسبب هو أن هناك قطبين مغناطيسيين (Di يعني اثنين) ، وهما القطب الشمالي والقطب الجنوبي. هذا مشابه تمامًا لمغناطيس قضيب عملاق ربما تكون قد لعبت به في فصل العلوم. يمكنك أن ترى هنا أن خطوط المجال تترك القطب المغناطيسي الجنوبي وتتحرك حولها ، صاعدة إلى القطب الشمالي المغناطيسي. لا تغادر خطوط المجال حقًا من خط الاستواء أو تدخله.

لكن لماذا يعني هذا حدوث الشفق القطبي عند القطبين؟ لأنه وفقًا لنظرية الكهرومغناطيسية ، تُجبر الجسيمات المشحونة على السفر فقط على طول خطوط المجال المغناطيسي. لا يمكنهم السفر عبرهم أو التحرر منهم. بمجرد أن يعلقوا ، فإنهم عالقون (هذا ليس صحيحًا بنسبة 100 ٪ ولكن لأغراض هذه الإجابة ، هو كذلك). لاحظ أن الجسيمات يمكن أن تنتقل إلى الأمام والخلف على حد سواء على خطوط المجال. إنهم ليسوا مجبرين على السير في اتجاه خط المجال فقط. هذا يعني أن الموقع الأساسي الذي يمكن أن تدخل فيه هذه الجسيمات المشحونة إلى الغلاف الجوي للأرض هو المكان الذي تميل فيه خطوط المجال إلى ضرب الغلاف الجوي وقد لاحظنا بالفعل أن هذا الموقع كان القطب المغناطيسي الشمالي والجنوبي (والذي يقع بالصدفة بالقرب من الشمال والجنوب الماديين. عمود).

الشفق القطبي بحد ذاته ما هو إلا انبعاثات من غلافنا الجوي استجابة لقصفها بجزيئات عالية الطاقة. لتجميع كل هذا ، إليك ما يحدث: تطلق الشمس كميات هائلة من الطاقة وأطنانًا من الجسيمات المشحونة. تصطدم بعض هذه الجسيمات المشحونة بالمجال المغناطيسي للأرض وتعلق فيه ، وتُجبر على السفر على طول خطوط المجال المغناطيسي. ثم يتم تقييدهم بعد ذلك في المقام الأول لضرب الغلاف الجوي للأرض في القطبين المغناطيسيين حيث تثير طاقتهم الشديدة الغلاف الجوي ، مما يؤدي إلى إصدار الضوء في صفائح حمراء وخضراء متلألئة. لا يمكن أن يحدث الشفق القطبي عند خط الاستواء لمجرد عدم وجود جزيئات كافية يمكنها أن تضرب الغلاف الجوي هناك لتسبب الشفق القطبي.

على الرغم من ذلك ، قد نرى يومًا ما الشفق القطبي عند خط الاستواء. المجال المغناطيسي للأرض غير ثابت ويتحرك بمرور الوقت. كل 450.000 سنة تقريبًا يتقلب الحقل تمامًا. لقد مر حوالي 750،000 سنة منذ الانعكاس الأخير ، لذا من المقرر أن يكون هناك واحد قريبًا (وسرعان ما أعني في بضعة آلاف أو عشرات الآلاف من السنين). أثناء الانقلاب ، بينما تكون الأقطاب المغناطيسية فوق خط الاستواء ، سترى الشفق القطبي هناك.


أورورا (علم الفلك)

الشفق القطبي (الشفق القطبية أو الشفق، يغني.: الشفق القطبي) هي عروض ضوئية ملونة مختلفة ، والتي عادة ما يتم ملاحظتها في سماء الليل ، لا سيما في المنطقة القطبية. لذلك يسميها بعض العلماء "الشفق القطبي" (أو "الشفق القطبي"). في خطوط العرض الشمالية ، يُعرف باسم الشفق القطبي، سميت على اسم إلهة الفجر الرومانية ، أورورا ، والاسم اليوناني للرياح الشمالية ، بورياس. غالبًا ما يظهر على شكل وهج أخضر (أو أحيانًا أحمر خافت) ، كما لو كانت الشمس تشرق من اتجاه غير عادي. يُطلق على الشفق القطبي أيضًا اسم الأضواء الشمالية [القطبية]، كما هو مرئي فقط في سماء الشمال من نصف الكرة الشمالي. غالبًا ما يحدث الشفق القطبي من سبتمبر إلى أكتوبر ومن مارس إلى أبريل.

نظيرتها الجنوبية ، الشفق القطبي/الأضواء الجنوبية [القطبية]، له خصائص مماثلة. أستراليس هي الكلمة اللاتينية التي تعني "الجنوب".

معرفة إضافية موصى بها

اختبار الحساسية اليومي

دليل مهارات المختبر الأساسية

كيف يتم فحص الماصات بسرعة؟


إخلاء المسؤولية: يتم الاحتفاظ بالمواد التالية على الإنترنت لأغراض الأرشفة.


للحصول على فيديو رائع مدته دقيقتان للشفق القطبي ، انقر هنا
بقلم ديفيد ب. ستيرن من حديث تم تقديمه في أنكوريج ، ألاسكا ، 11 أغسطس 2002
الشفق النموذجي (ديك هاتشينسون & # 169)

تُعرف ألاسكا بأنها مكان جيد لمشاهدة الشفق القطبي ، المعروف أيضًا باسم "الشفق القطبي". في الأصل ، سُميت الظاهرة "Aurora Borealis" باللاتينية تعني "الفجر الشمالي" ، حيث قد تظهر في الولايات الـ 48 السفلى أو في وسط أوروبا (في المناسبات النادرة عندما يحدث ذلك) على أنها توهج في الأفق الشمالي ، كما لو كانت الشمس تشرق من الاتجاه الخاطئ. لكن النصف الجنوبي من الكرة الأرضية له نفس الظاهرة ، حيث يأتي التوهج من الجنوب ، لذلك يفضل العلماء تسميته ببساطة "الشفق القطبي".

لا يرى معظم زوار ألاسكا الشفق قط ، لأنهم يأتون في الصيف ، عندما نادرًا ما تكون السماء مظلمة بدرجة كافية. يدعي سكان ألاسكا أن السماء تصبح مظلمة بما يكفي لرؤية النجوم في 16 أغسطس فقط ، وهو الوقت الذي يبرز فيه الشفق القطبي. بعد هذا التاريخ ، سيكون أفضل رهان لك هو الذهاب إلى فيربانكس - وبما أن الشفق القطبي الأكثر سطوعًا يحدث في منتصف الليل تقريبًا (أو بعد ذلك ، نظرًا لمنطقة ألاسكا الزمنية) ، فقد تضطر إلى البقاء مستيقظًا لفترة طويلة. ربما يكون من الأفضل إذن أن تطلب من الموظف الليلي في فندقك الاتصال بك إذا أصبح عرض جيد مرئيًا.

المظهر وعلاقتها بالمغناطيسية

كيف تبدو؟ في أغلب الأحيان ، ترى شرائط بيضاء مخضرة تمتد عبر السماء ، تقريبًا من الشرق إلى الغرب ، وعادة ما تكون بها موجات. في فيربانكس يمكن أن تكون فوق رؤوسهم ، في شمال النرويج أو السويد أيضًا ، وأحيانًا في وينيبيغ. إلى الجنوب من هذه الشرائط تميل إلى أن تكون بالقرب من الأفق الشمالي. وإذا نظرت إليها عن كثب ، ستلاحظ أنها تحتوي على العديد من الأشعة المتوازية ، التي تعمل عبر عرضها (انظر الصورة أدناه).

شيئين حول تلك الأشعة. أولاً ، تتلاشى الأضواء الساطعة بينما تضيء الألوان الباهتة بدلاً من ذلك - مثل اللهب في الموقد ، وفاتن تمامًا. بعض الشفق القطبي أحمر غامق ، وقد يكون مجرد توهج عديم الشكل - أو قد يكون له أشعة أيضًا. وثانيًا ، يرتبط اتجاه تلك الأشعة بمغناطيسية الأرض.

الشفق - نقش خشبي بواسطة فريدجوف نانسن

يعرف أي شخص استخدم البوصلة أن الأرض مغناطيس عملاق. عادة ما تشير إبرة البوصلة إلى إحدى نقطتين ، الأقطاب المغناطيسية للأرض ، الواقعة بالقرب من القطبين الجغرافيين. ولكن نظرًا لتركيب إبرة البوصلة أفقيًا ، فإنها لا تظهر كل شيء. في الواقع ، لا تشير القوة المغناطيسية إلى الشمال فحسب ، بل تميل أيضًا إلى الأرض. تشير إبر البوصلة المتوازنة بعناية على محور أفقي ("إبر تراجع") إلى هذا الاتجاه المائل ، عندما يُسمح لها بالتأرجح في مستوى عمودي من الشمال إلى الجنوب. في الواقع ، تصبح الزاوية أكثر حدة كلما اقترب المرء من القطب المغناطيسي. عند القطب تكون القوة عمودية. تتبع أشعة الشفق بأمانة هذا الاتجاه المائل.

منطقة الشفق القطبي

كان هذا دليلًا على أن الشفق القطبي كان مرتبطًا بمغناطيسية الأرض. تم العثور على الدليل الآخر من خلال الاحتفاظ بعلامات تبويب حول عدد المرات التي شوهد فيها الشفق القطبي في مواقع مختلفة. اتضح أن العامل المهم هو المسافة من القطب المغناطيسي. يتم فصل هذا القطب عن القطب الجغرافي ، مما يشير إلى محور دوران الأرض ، وهو حاليًا في المحيط المتجمد الشمالي ، شمال التربة الكندية. إن حقيقة نزوحها باتجاه أمريكا تعني أن الأمريكيين ليسوا مضطرين للذهاب إلى أقصى الشمال لرؤية الشفق كما يفعل ، على سبيل المثال ، سكان سيبيريا ، على الجانب الآخر من الكرة الأرضية. المواقع التي تبعد حوالي 1500 ميل عن القطب المغناطيسي هي الأماكن التي يُرى فيها الشفق القطبي بشكل متكرر: بعيدًا أو قريبًا من القطب المغناطيسي ، فإنها تصبح أكثر ندرة (فهي نادرة جدًا في القطب المغناطيسي نفسه). فيربانكس ، ألاسكا ، على حافة "المنطقة الشفقية" ، تكون نقطة مراقبة جيدة.

ما تراه عادة هناك هو تلك الستائر والشرائط الهادئة. لكن ليس دائما. في بعض الأحيان يغيرون شكلهم بسرعة أو يتقدمون أو يتراجعون أو ينتفخون بطريقة عنيفة ، كما أنهم يصبحون ساطعين للغاية. يطلق العلماء على مثل هذا الانفجار النشط والعنيف "عاصفة شفقية فرعية" ، ولا تزال الأقمار الصناعية تدرس إطلاق الطاقة ، في الفضاء البعيد ، والتي تسببها. إذا كنت محظوظًا ، فقد ترى أيضًا "هالة" - موجة من الأشعة تشع في جميع الاتجاهات. هذا ناجم عن المنظور - مثل غروب الشمس خلف سحابة - وهذا يعني أن أشعة الشفق تصل إلى السماء.

هل الشفق القطبي نادر؟ يعتمد على مكان وجودك! إذا كان منزلك في فيربانكس ، أو في ترومسو ، النرويج ، أو فورت تشرشل ، كندا - لا على الإطلاق. لن تراها كل مساء ، لكنها موجودة بشكل متكرر بما فيه الكفاية. في واشنطن العاصمة ، أو لندن ، أو بكين ، على أية حال ، إنه حدث نادر ، لا يُرى إلا عندما تخلق الشمس "ظروفًا عاصفة". في مثل هذه المناسبات - خاصة بالقرب من ذروة دورة البقع الشمسية التي تبلغ 11 عامًا - ترسل الشمس سحابة كثيفة من الغاز الساخن ، الذي يؤدي وصوله إلى اضطراب البيئة المغناطيسية للأرض وينتج ما يسمى بـ "العاصفة المغناطيسية" (مزيد من التفاصيل ، مزيد من أدناه).

توسع العواصف المغناطيسية المنطقة الشفقية إلى مواقع أبعد عن القطب المغناطيسي - مثل واشنطن أو لندن أو بكين - كما تخلق الشفق القطبي الساطع. إذا حدث هذا في ليلة صافية ، يمكن للمقيمين في تلك المدن رؤية الشفق القطبي ، لكنه علاج نادر بالنسبة لهم. على اليمين توجد صورة قمر صناعي للشفق الممتد إلى "الولايات الـ 48 السفلى" بالولايات المتحدة (ملاحظة فلوريدا ، موضحة بأضواء المدينة الخاصة بها). في وقت لاحق من ذلك اليوم ، في آذار (مارس) 1989 ، انتشر الشفق القطبي في الواقع جنوبًا ، لكن لم يكن هناك قمر صناعي في وضع يمكنه من تصويره في ذلك الوقت. الصورة التالية أدناه هي لشفق قطبي عام 2001 شوهد في بورسيلفيل ، فيرجينيا.


-->

إلكترونات الشفق القطبي

بالنسبة للمراقبين الأوائل ، وحتى القرن العشرين ، كان الشفق القطبي لغزًا كبيرًا. لم يتم حل كل شيء حتى الآن - ولكن بفضل الأقمار الصناعية إلى حد كبير ، لدينا فهم جيد للطريقة التي يتم بها إنتاج الشفق القطبي.

السؤال الأول - ما مدى ارتفاعها؟ من خلال مقارنة الصور المأخوذة من مواقع منفصلة ، تم العثور على ارتفاع حوالي 60 ميلًا للشفق الأخضر ، وما يصل إلى ضعف الارتفاع بالنسبة للشفق الأحمر. قادت أدلة من هذا القبيل العلماء إلى استنتاج أن "شيئًا ما هناك" كان يطلق علينا حزمًا من الإلكترونات السريعة ، مثل تلك التي ترسم الصورة داخل أنبوب الصورة التلفزيونية. في التلفزيون ، تصطدم الإلكترونات بشاشة ، وتتوقف ، وتتحول طاقتها إلى ضوء. يحدث شيء مشابه مع الإلكترونات التي تسبب الشفق القطبي: تصطدم بالذرات الموجودة في الأطراف العلوية من الغلاف الجوي ، وتتخلى عن طاقتها لتلك الذرات وتتسبب في إصدارها للضوء.

وما هي الإلكترونات؟ جسيمات صغيرة ذات شحنة كهربائية سالبة ، موجودة في جميع المواد. يوجد في مركز كل ذرة نواة تحتوي على كل كتلتها تقريبًا وتحمل دائمًا شحنة كهربائية موجبة. تجذب الشحنة الموجبة الإلكترونات وتربطها ، وينتج النوعان معًا ذرة عادية ، محايدة كهربائيًا ، بدون شحنة زائدة من أي نوع. الذرات مثل هذا تكوّن أنا وأنت وأي شيء يمكننا رؤيته على الأرض.

الشفق القطبي الأحمر فوق فيرجينيا ، 5 نوفمبر 01. التفاصيل هنا
ومع ذلك ، يمكن لأشعة الشمس أن تفصل الإلكترونات عن ذرات الغاز الموجودة في الفضاء (أو في الأطراف العلوية من الغلاف الجوي) ، إلى إلكترونات حرة سالبة و "أيونات" موجبة ، والذرات التي تفتقد إلكترونًا أو أكثر. ولأن هذا الغاز مخلخل للغاية ، فقد يستغرق الأمر وقتًا طويلاً جدًا قبل أن يجد الإلكترون نواة شاغرة ويعيد الاتحاد مرة أخرى. لذلك ، الإلكترونات الحرة وفيرة هناك. ومع ذلك ، فإن الإلكترونات التي تتحرك بسرعة 1/10 من سرعة الضوء ، مثل تلك الموجودة في الشفق القطبي ، تحتاج إلى تفسير أفضل. سوف نصل إلى ذلك ، بمرور الوقت.

ينبعث اللونان الأخضر والأحمر من ذرات الأكسجين بعد أن تصطدم بالإلكترونات السريعة. ينبعث كل عنصر من ألوانه المميزة ، وبالنسبة للأكسجين المخلخل ، يظهر لنا اللون الأخضر أو ​​الأحمر. عادة ، يوجد تأخير 0.5-1 ثانية بين الاصطدام والانبعاث (في هذه الحالة - ليس في محيط أكثر كثافة!) ، وهذا هو السبب في أن أشعة الشفق القطبي تتألق وتتلاشى ببطء شديد. إن حزمة الإلكترونات التي "تثير" ذرات الأكسجين قد تدوم فقط لجزء صغير من الثانية ، ولكن الشفق اللاحق يستمر 0.5-1 ثانية أو أكثر.

خطوط الشفق القطبي والمجال المغناطيسي

وما الذي يربط نمط الشفق القطبي بمنطقة القوى المغناطيسية للأرض - "المجال المغناطيسي" للأرض ، كما تُعرف تلك المنطقة؟ لمثل هذه المنطقة الممتدة إلى الفضاء ، هناك حاجة إلى طريقة ملائمة لوصفها هناك. يتم توفير مثل هذه الطريقة عن طريق خطوط المجال المغناطيسي ، أو كما كان يطلق عليها ذات مرة ، "خطوط القوة المغناطيسية".

من المحتمل أنك رأيت رسمًا لخطوط المجال لشريط مغناطيسي. ينتشرون من أحد الأقطاب ، وينحنون في منحنيات كبيرة ، ثم يتقاربون في القطب الآخر. النمط المغناطيسي بالقرب من الأرض يشبه ذلك أيضًا - يبدو الأمر كما لو أن الأرض بها قضيب مغناطيسي صغير (لكن قوي جدًا!) في مركزها: الخطوط تخرج من المنطقة القريبة من القطب المغناطيسي الجنوبي ، لتصل إلى أعظمها. مسافات فوق خط الاستواء ، ثم تتقارب مرة أخرى بالقرب من القطب المغناطيسي الشمالي.

لتحديد خطوط المجال بشكل أكثر دقة ، تخيل أن لديك إبرة بوصلة معلقة في الفضاء ، قادرة على إخبارنا بالاتجاه الدقيق للقوة المغناطيسية ، في 3 أبعاد. ستشير هذه الإبرة دائمًا في اتجاه خط المجال المغناطيسي في موقعه. تتلاقى هذه الخطوط شمال خط الاستواء باتجاه المنطقة القريبة من القطب المغناطيسي الشمالي ، تمامًا مثل تلك الموجودة في قضيب المغناطيس.

بيركلاند وتيريلا.

العودة إلى الشفق. بين عامي 1895 و 1907 ، حاول الفيزيائي النرويجي كريستيان بيركلاند دراسة سلوكه في المختبر. داخل حجرة زجاجية مفرغة ، قام بتركيب كرة بداخلها مغناطيس - أطلق عليها اسم "terrella" ، وهي كلمة لاتينية تعني "الأرض الصغيرة" - ووجه نحوها شعاع من الإلكترونات. ولدهشته وإشباعه ، وجه المغناطيس الشعاع مباشرة إلى رقعة حول الأقطاب المغناطيسية لمجسمه الصغير ، مما أدى إلى توهج مرئي هناك. ربما كان يعتقد - آها ، هكذا يتم ذلك!

اتضح (وتخطيت كثيرًا) أن الإلكترونات السالبة والأيونات الموجبة على حد سواء يتم توجيهها في الفضاء بواسطة خطوط المجال المغناطيسي. تميل حولها بشكل حلزوني ، وفي الوقت نفسه تنزلق على طولها ، مثل الخرز على سلك. ولأن خطوط حقل بيركلاند وصلت إلى تيريلا بالقرب من أقطابها المغناطيسية ، فقد سقطت إلكتروناته. وبالمثل ، توجه خطوط المجال المغناطيسي للأرض إلكترونات الشفق القطبي لتهبط في المنطقة الشفقية. لا عجب أن أشعة الشفق تشير إلى مثل هذه الخطوط! تم إنتاج كل منها بواسطة شعاع من الإلكترونات ، وامتدت على خط المجال الخاص بها وصولاً إلى الغلاف الجوي. لكن من أين بدأت تلك الإلكترونات؟

إكليل الشمس والرياح الشمسية

تتطلب العمليات الفيزيائية عادةً مصدرًا للطاقة لدفعها. فكر في الطاقة كنوع من المال ، يدفع مقابل كل عملية فيزيائية! يحتاج أي جسم يتحرك بسرعة كبيرة إلى طاقة للقيام بذلك - "طاقته الحركية" - وإذا كان الشفق القطبي يحتوي على حزم من الإلكترونات تتحرك بسرعة 1/10 من سرعة الضوء ، فلا بد أن شيئًا ما قد دفع الثمن ، ولا بد أنه يوفر الطاقة .

ليس من المستغرب أنها الشمس. في الواقع ، لم لا؟ بعد كل شيء ، تعمل الشمس تقريبًا على تشغيل كل عملية على الأرض: الطعام الذي نأكله ، والفحم والبنزين الذي نحرقه ، والرياح التي تهب والمطر الذي يسقي الأرض - لن يكون هناك شيء بدون الطاقة التي يوفرها ضوء الشمس. مع ذلك ، مع الشفق ، لا يكون ضوء الشمس ، بل هو شيء أكثر دقة ، ما يسمى بالرياح الشمسية.

خلال الكسوف الكلي للشمس يمكن للمرء أن يرى الطبقة الخارجية من الغلاف الجوي ، الهالة ، وهالة متوهجة حول الشمس المظلمة. اتضح (من خلال فحص ضوءها) أن الهالة شديدة الحرارة - حوالي مليون درجة مئوية ، ما يقرب من 2 مليون فهرنهايت. سوف تمزق هذه الحرارة الشديدة الإلكترونات من أي ذرة ، وتحول الهالة إلى "حساء" من الأيونات الحرة والإلكترونات الحرة ، وهو غاز غريب يعرف باسم "البلازما" والذي (من بين أشياء أخرى) يوصل الكهرباء. إذا كنت تستخدم أنابيب الفلورسنت ، أو شاهدت أضواء النيون - فإن البلازما الموجودة بداخلها (ليست ساخنة مثل الهالة) هي التي تحمل التيار الكهربائي وتنتج ضوءها.

إن بلازما الهالة شديدة السخونة لدرجة أن جاذبية الشمس تجعلها أسيرة. بدلاً من ذلك ، يتمدد باستمرار بعيدًا عن الشمس وينفجر على شكل رياح شمسية ، ويملأ النظام الشمسي ويصل إلى الأرض ، وما وراء مدار بلوتو. ومع ذلك ، فإن المجال المغناطيسي للأرض هو عقبة لا تستطيع الرياح الشمسية اختراقها. مثل نهر يلتقي صخرة ، ينقسم ويتحول ليجري حوله. حول الأرض يتكون تجويف محمي من الرياح الشمسية ويعرف باسم الغلاف المغناطيسي للأرض. ومثلما تترك صخرة في النهر وراءها درعًا طويلًا محميًا خلفها ، فإن الفضاء المغناطيسي للأرض له ذيل طويل على الجانب الليلي - يسميه البعض "الذيل المغناطيسي" للأرض.

ولكن على الرغم من إبعاد الرياح الشمسية ، إلا أنها تمكنت من نقل بعض الطاقة الكهربية إلى الغلاف المغناطيسي ، عن طريق الاحتكاك بها - على وجه الخصوص ، إلى منطقة الذيل. اسمحوا لي أن أقول هنا على الفور ، أن الذيل هو المكان الذي يبدو أن معظم إلكترونات الشفق القطبي تأتي منه ، ولهذا السبب يميل ألمع الشفق القطبي في فيربانكس إلى الظهور في منتصف الليل تقريبًا - حتى في فصل الشتاء في القطب الشمالي عندما تكون السماء مظلمة في معظم الأوقات الأخرى ، جدا.

في المنزل ، يتم نقل الطاقة عن طريق التيارات الكهربائية التي تتدفق من المنافذ الكهربائية إلى المصابيح والأجهزة والتلفزيون. تصل طاقة الرياح الشمسية أيضًا إلى الغلاف المغناطيسي (جزئيًا على الأقل) عن طريق التيارات الكهربائية. رصدت الأقمار الصناعية تلك التيارات بالقرب من الأرض: فهي تتدفق داخل وخارج المنطقة الشفقية ، على طول خطوط المجال المغناطيسي - للدائرة الرئيسية ، في الجانب الصباحي من منتصف الليل ، على الجانب المسائي ، الفرعان المتصلان (منذ أي يجب إغلاق الدوائر الكهربائية!) من خلال الغلاف الجوي العالي الذي (كما هو مذكور) يوصل الكهرباء. ربما يقول المرء أننا ما زلنا نبحث عن مكان القابس.

مكتب البريد الأمريكي يكرم Polar Aurora (2007)

ربما لم يكن الوضع مظلما تماما. يعرف الكثير. لكن الصورة الكاملة - حيث يمكننا القول "يجب أن يكون الأمر كذلك ، لا توجد طريقة أخرى" - التي ما زلنا نفتقر إليها.

حزام الإشعاع

& nbsp هناك حاجة إلى مزيد من التفاصيل ، وهي عملية تسمى الانعكاس ، والتي بدونها قد لا يكون للأرض شفق قطبي ولا أحزمة إشعاعية.

تم اكتشاف الأحزمة الإشعاعية بواسطة أول قمر صناعي أمريكي ، Explorer 1 و Explorer 3. في أكتوبر 1957 ، صدم الاتحاد السوفيتي الولايات المتحدة بإطلاقه بشكل غير متوقع قمرين صناعيين "سبوتنيك" ، بينما دخلت "فانجارد" الولايات المتحدة في "سباق الفضاء" ، "تحطمت النيران أثناء الإطلاق ، على مرأى من الكاميرات. تم استرداد مكانة الولايات المتحدة المترهلة قليلاً في أوائل عام 1958 عندما اكتشفت الأدوات الموجودة على متن الأقمار الصناعية المذكورة أعلاه ، والتي صممها وتشغيلها فريق جامعة أيوا تحت قيادة جيمس فان ألين ، حزامًا دائمًا من الأيونات المحاصرة يحيط بالأرض. لقد تبين أنها بروتونات - نواة ذرية لذرات الهيدروجين تم تجريدها من إلكترونها الفردي.

في وقت سابق زُعم أن الإلكترونات أو البروتونات تميل إلى الاسترشاد بخطوط المجال المغناطيسي ، مثل الخرز على السلك.كان للجسيمات التي وجهت جسيمات حزام الإشعاع شكل نموذجي - خرجت من المنطقة القطبية الجنوبية للأرض ، ووصفت قوسًا عريضًا عبر خط الاستواء ، وعادت إلى الأرض بالقرب من القطب الشمالي.

ولكن إذا كان التشابه مع الخرز على السلك كاملاً - ألن تنزلق الجسيمات المحاصرة إلى نهايات تلك الأسلاك ، ثم تصطدم بالأرض وتضيع؟ صحيح تمامًا - باستثناء أن القياس ليس مثاليًا. تتعرض نهايات هذه الخطوط أيضًا لقوة مغناطيسية أقوى بكثير ، حيث تكون أقرب إلى الأرض من الأجزاء الأخرى ، ويمكن إظهار ذلك لصد تلك "الخرزات". من خلال طرد الإلكترونات والأيونات المحاصرة من مناطق القوة المغناطيسية القوية ، تتجنب الوصول إلى الغلاف الجوي. وبدلاً من أن يتم استيعابهم ، فإنهم "ينعكسون" ذهابًا وإيابًا - في بعض الحالات ، لسنوات!

التيارات الكهربائية للشفق القطبي

نفس العملية ضرورية أيضًا للشفق القطبي. لقد ذكرنا بالفعل تيارات كهربائية كبيرة تتدفق من الذيل إلى المناطق القطبية والعودة مرة أخرى ، تتدفق على طول خطوط المجال المغناطيسي ، باتجاه الأرض في الجانب الصباحي من منتصف الليل ، متجهة على الجانب المسائي (للدائرة الرئيسية - توجد أيضًا ثانوية) . تم رسم الخرائط لأول مرة في عام 1973 من قبل اثنين من العلماء الأمريكيين ، الزمودا وجيم ويليامسون - ليس من خلال مهمة أبحاث فضائية مدعومة جيدًا ، ولكن باستخدام تجربة صغيرة وركوب "ظهر" مع قمر صناعي ملاحي للبحرية الأمريكية . تُعرف هذه التيارات الآن باسم "تيارات بيركلاند" ، تكريمًا للنرويجي الذي أطلق أشعة إلكترونية على مغناطيس في الفراغ.

تتحول التيارات على طول خطوط المجال المغناطيسي في الفضاء إلى أن تحملها الإلكترونات بالكامل تقريبًا - تنحدر نحو الأرض غربًا في منتصف الليل ، وترتفع مرة أخرى شرقها (كونها سالبة ، فإن تدفقها يعاكس تيار التيار). في ضوء ما لوحظ قبل قليل حول "قوة المرآة" التي تصد الجسيمات المحاصرة من مناطق المجال المغناطيسي الشديد ، قد يتساءل المرء جيدًا كيف تؤثر هذه القوة على تدفق الإلكترونات التي تحمل تلك التيارات.

عندما تتحرك الإلكترونات لأعلى ، فإن قوة المرآة ليست مشكلة - على العكس من ذلك ، فهي تساعد في دفع الإلكترونات بعيدًا عن الأرض ، باتجاه الحقول المغناطيسية الأضعف. ومع ذلك ، فهي قصة مختلفة حيث تنزل الإلكترونات. مع جزيئات حزام الإشعاع ، تبقيها قوة المرآة بعيدًا عن الغلاف الجوي بأمان - ولكن هنا ، تصل هذه الإلكترونات بشكل أفضل إلى الطبقات العليا من الغلاف الجوي (حيث يمكن للتيار أن يستمر أفقيًا إلى الفرع الآخر). إذا لم يكن الأمر كذلك ، فإن الدائرة الكهربائية تظل مغلقة!

إذن ماذا يحدث؟ لن تتدفق أي تيارات كهربائية في منازلنا ما لم يدفعها نوع من الضغط الكهربائي - وهو ضغط نسميه "الجهد". في المنزل يقيس 110 فولت ، متوسط ​​القيمة (في الواقع يتقلب ، كونه AC). تحتوي التيارات الفضائية أيضًا على جهد يدفعها ، مثل 40000 فولت.

في المنزل ، إذا تم وضع عائق في الدائرة - مقاومة كهربائية ، مثل المصباح الكهربائي - يتركز الجهد هناك للمساعدة في دفع التيار عبر عنق الزجاجة. نفس الشيء في الفضاء! هناك عنق الزجاجة هو قوة المرآة في نهايات خط المجال ، وللتغلب عليها ، يتركز ما يقرب من 5000-15000 فولت هناك ، مما يدفع تلك الإلكترونات من خلالها. يعمل الجهد على تسريعها إلى حوالي 1/10 من سرعة الضوء ، وعندما تصطدم بأعلى الغلاف الجوي ، فإنها تنتج وهجًا ساطعًا. هذا هو الشفق القطبي!

العواصف والمقلاع

أورورا لوحظ بها
كاميرا تصوير
على متن DE-1
حسنًا - على الأقل ، نوع واحد من الشفق القطبي. توجد أنواع أخرى أيضًا. "حلقة النار" الرائعة حول القطب المغناطيسي ، المعروضة على صور من الأقمار الصناعية (مثل الموجودة هنا ، على اليسار) ، هي في الواقع نوع مختلف. إنه خافت جدًا بحيث لا يمكن للعين رؤيته ، ولكن يمكن للمركبة الفضائية رؤيته بسهولة.

لكن الأقواس اللامعة التي نراها من الأرض ترتبط عادةً بتيارات كهربائية تتدفق من الأرض إلى الفضاء - إلى مكان ما في الفضاء. (قد يكون الأمر محيرًا ، ولكن هناك تقاليد قديمة تقول أن التيارات تتدفق من (+) إلى (-). لذلك ، عندما تنخفض الإلكترونات السالبة ، تتدفق التيارات التي تحملها لأعلى.) لإعادة التلخيص ، يجب أن تتغلب الإلكترونات على " قوة المرآة "للحقل المغناطيسي القوي بالقرب من الأرض ، والتي تحاول إبعادها ، وهي تفعل ذلك بتركيز الجهد.

والدليل موجود. تكون قوة المرآة هي الأقوى بالقرب من الأرض ، حيث تكون شدة المجال المغناطيسي في أعلى مستوياتها ، لذلك يتوقع المرء أن يكون الجهد أكبر هناك أيضًا. ونظرًا لأن هذا الجهد هو مصدر طاقة الإلكترونات الشفقية ، فلا ينبغي أن يكتسبها إلا بالقرب من الأرض. في الواقع ، تُظهر الأقمار الصناعية أن هذه الإلكترونات تتسارع فقط بالقرب من الأرض ، في آخر 2-5000 ميل قبل أن تضرب.

ليست كل هذه التيارات مرتبطة مباشرة بالرياح الشمسية. يبدو أن نوعًا شديد السطوع والعنف من الأقواس الشفقية - المرتبط بـ "العواصف الشفقية الفرعية" المذكورة سابقًا - يتم إنتاجه (جزئيًا أو كليًا) داخل الذيل المغناطيسي. في مثل هذه الحالات ، يتصرف الذيل قليلاً مثل المقلاع. تسحب الرياح الشمسية خطوط مجالها وتمددها إلى أقصى حد. ثم ، عندما يتم إطلاقها وترتد إلى الوراء ، فإنها تخلق (لفترة من الوقت - لنقل نصف ساعة إلى ساعة) تيارات كهربائية قوية ، والعديد والعديد من الإلكترونات الشفقية.

تلك البقع الشمسية

تبعث الشمس ضوء الشمس ، وتنتج الهالة الساخنة الرياح الشمسية ، مصدر طاقة الشفق القطبي. لكن الشمس أيضًا مغناطيسية - مع مجال مغناطيسي قطبي واسع النطاق (يشبه قليلاً الأرض) ، بالإضافة إلى البقع الشمسية ، وهي مناطق متماسكة من المغناطيسية المركزة. تؤثر هذه أيضًا على الشفق القطبي - من خلال المجال المغناطيسي بين الكواكب ، الذي تنفذه الرياح الشمسية من الشمس (لن تدخل في ذلك) ، ومن خلال العواصف المغناطيسية العرضية.

لقد سمع معظم الناس عن البقع الشمسية - العلامات القاتمة على الشمس (تظهر مجموعة البقع الشمسية على اليسار). يرتفع عددهم وينخفض ​​مع دورة غير منتظمة تبلغ حوالي 11 عامًا ، وتكهن بعض الناس (ليس بشكل مقنع جدًا) بأنها تتناسب مع صعود وهبوط المناخ وسوق الأسهم والحرب وغير ذلك.

لاحظ عالم فلك هاو هذه الدورة لأول مرة في عام 1843 - بعد أكثر من قرنين من اكتشاف البقع الشمسية لأول مرة (بواسطة جاليليو وآخرين). لقد أخطأ علماء الفلك تمامًا ، تاركين الأمر لهينريش شواب ، وهو صيدلي ألماني وعالم فلك هاوٍ. بحث شواب عن كوكب يدور حول الشمس داخل مدار عطارد ، أطلق عليه مؤقتًا اسم "فولكان". أنت ترى النجوم فقط في الليل ، لذلك لاكتشاف نجم قريب جدًا من الشمس ، فأنت تحتاج إما إلى كسوف كلي للشمس ، أو تبحث عن بقعة مظلمة تتقاطع أمام قرص الشمس.

بحث شواب عن تلك البقعة كل يوم مشمس ، ولكي يميزها عن البقع الشمسية (التي تدور مع الشمس وتتحرك ببطء أكثر) ، احتفظ بعلامات تبويب على البقع الشمسية أيضًا. في 17 عامًا لم يجد كوكبًا ، لكنه اكتشف بدلاً من ذلك أن عدد البقع الشمسية يرتفع وينخفض ​​في دورة منتظمة.

كما لوحظ ، تبين أن البقع الشمسية كانت مغناطيسية بشكل مكثف. ويقترن بها إنفجارات من الطاقة المغناطيسية ، والتي تقذف غيومًا سريعة من البلازما - أسرع من الرياح الشمسية المعتادة - في جميع الاتجاهات. إحدى علامات الانفجارات هي التوهجات ، والإشراق المفاجئ الذي يخلق أيضًا فيضانًا من الأشعة السينية. (هذه ليست خطرة على رواد الفضاء ، لكن البروتونات السريعة التي يتم إخراجها في نفس الوقت يمكن أن تكون كذلك). وهناك سبب آخر هو "القذف الجماعي الإكليلي" ، وهو عبارة عن فقاعات كبيرة من الغاز المنبعث من الشمس ، تم الإبلاغ عنها في عام 1973 من قبل رواد الفضاء في محطة الفضاء "سكاي لاب".

مهما كان سببها ، تصل هذه السحب أحيانًا بالقرب من الأرض وتثير غلافها المغناطيسي في عاصفة مغناطيسية. والنتيجة ، كما لوحظ ، هي شفق قطبي لامع ، مدفوع إلى مواقع أبعد بكثير عن القطبين. لهذا السبب ، عادة في السنوات التي تقترب من ذروة دورة البقع الشمسية ، يحصل الكثير من الناس على لمحة عن الشفق القطبي.

الشفق الاصطناعي

كل ما سبق هو مجرد نظرة عامة قصيرة وسطحية لعلم الشفق القطبي - ولن أحاول حتى معالجة العلم والأدب. اسمحوا لي أن أختتم بعرضين غريبين نوعًا ما - الشفق القطبي الاصطناعي والشفق القطبي على الكواكب الأخرى.

الشفق القطبي ، كما قيل ، ناتج عن حزم من الإلكترونات تضرب الغلاف الجوي العالي. لذا ، إذا ركبنا مسدسًا إلكترونيًا على مكوك الفضاء أو على مركبة فضائية أخرى ، ووجهناه لأسفل - هل يمكننا إنشاء شفق قطبي؟

من حيث المبدأ ، نعم ، ولكن من الناحية العملية ليس من السهل مطابقة الطبيعة الأم. تذكر أن جميع شاشات الشفق تقع على ارتفاع 60 ميلاً على الأقل فوق رؤوسنا. يتطلب الأمر قدرًا كبيرًا من القوة لإنشاء توهج مرئي من تلك المسافة - خاصةً ، توهجًا بحجم قوس شفقي !. تم إجراء التجارب - لا سيما تجربة "Arkad" الفرنسية السوفيتية فوق شمال روسيا (وبعضها أيضًا من قبل الولايات المتحدة) ، وتم اكتشاف نقاط ضوئية ، لكن الأمر استغرق أدوات حساسة لرؤيتها.

ومع ذلك ، توجد طرق أخرى أكثر جذرية - مثل تفجير قنبلة نووية فوق الغلاف الجوي ، لأن القنبلة تنتج أعدادًا كبيرة من الإلكترونات السريعة. تم اقتراح مثل هذه الانفجارات من قبل عالم يوناني غير تقليدي يُدعى نيكولاس كريستوفيلوس. بدأ كمهندس في تصميم أنظمة المصاعد ، لكن اهتمامه الحقيقي يكمن في المجالات المغناطيسية وحركة الأيونات والإلكترونات فيها. قاده اهتمامه إلى اكتشاف فكرة مهمة في تصميم مسرعات الأبحاث النووية ، تُعرف باسم "التركيز القوي". كتب إلى جامعة كولومبيا في الولايات المتحدة ، واصفًا ما فعله ، لكن العلماء هناك لم يولوا اهتمامًا كافيًا لأفكار مهندس المصاعد في أثينا. أرسلوا ردًا مهذبًا وأسقطوا الفكرة. بعد بضع سنوات ، جاء روسي بمفهوم مماثل.

ومع ذلك ، تذكرت القوات الجوية الأمريكية كريستوفيلوس ودعته إلى هذا البلد. نظرًا لأنه كان مهتمًا باحتجاز الجسيمات ، اقترح كريستوفيلوس إنشاء حزام إشعاع صناعي حول الأرض ، عن طريق تفجير قنبلة نووية صغيرة فوق الغلاف الجوي.

لم يشك أحد في وجود حزام إشعاع طبيعي دائم ، لكن بعض القنابل النووية الصغيرة انفجرت بواسطة سلاح الجو الأمريكي في أعالي الغلاف الجوي بالقرب من هاواي. لقد خلقوا توهجات في السماء بألوان الشفق ، والناس في هونولولو أهد وأحد فوقهم - لدي ذاكرة قاتمة أن "الحياة" حتى ركضت صورة. لذلك أعد كريستوفيلوس قنبلته (ليتم إطلاقها على صاروخ) ، بينما أعدت روسيا سبوتنيك واستعد فان ألين للمستكشفين 1 و 3.

تم إطلاق سبوتنيك في أكتوبر 1957 ، وتم إطلاق Explorer 1 في اليوم الأخير من يناير 1958 ، وتم وصف الحزام الإشعاعي المكتشف حديثًا في مايو ، وتم تفجير 3 قنابل من "Project Argus" في أغسطس وسبتمبر 1958 ، فوق امتداد فارغ جنوب المحيط الأطلسي. لم تخل أي ملاحظة بسرية المشروع ، ولم تخبر أي صحيفة عنه في ذلك الوقت. لكن إلكترونات القنبلة تم توجيهها بواسطة خطوط المجال المغناطيسي الخاصة بها إلى نهايتها الأخرى ، بالقرب من جزر الأزور ، وأنتجت شفقًا قطبيًا ساطعًا شاهده المراقبون على متن السفن المتمركزة هناك عمداً. استمرت "الأحزمة الإشعاعية الاصطناعية" من القنابل حوالي أسبوعين وتم مراقبتها بواسطة Explorer 4 ، الذي صنعه Van Allen لهذا الغرض.

بعد أربع سنوات ، قررت القوات الجوية الأمريكية تكرار التجربة على نطاق واسع غرب هاواي ، باستخدام قنبلة هيدروجينية ، أقوى بحوالي 1000 مرة. هذه المرة تم توجيه الإلكترونات الشفقية نحو ساموا - بالقرب من خط الاستواء ، في منطقة لم يُر فيها الشفق قط. لكن الانفجار كان قريبًا جدًا من خط الاستواء ، في منطقة كان فيها الاصطياد أكثر كفاءة. ظل الحزام الإشعاعي معلقًا لسنوات ، وليس أسابيع ، وسرعان ما دمر 3 أقمار صناعية (بما في ذلك قمر صناعي بريطاني أطلقته ناسا للتو) ، من خلال تحطيم الألواح الشمسية وحرمانها من الطاقة. قام الاتحاد السوفيتي أيضًا بتفجير قنابل هيدروجينية في الفضاء ، ولكن في العام التالي أدى إلى حظر التجارب الدولية وانتهت كل هذه التجارب.

الكواكب الأخرى

أظهرت مركبة الفضاء التابعة لوكالة ناسا أن الكواكب العملاقة - المشتري وزحل وأورانوس ونبتون - كلها مغناطيسية ولديها أحزمة إشعاعية. كوكب المشتري ، الأكبر ، يتفوق عليهم جميعًا - "مغناطيسه المركزي" أقوى بحوالي 20.000 مرة من مغناطيسنا. كما أن لديها شفقًا تم تصويره بواسطة تلسكوب هابل المداري (انظر هنا للحصول على صورة حديثة). أصلهم (على الأقل أصل الأقوى) مثير للاهتمام.

كما لوحظ ، يرتبط شفق الأرض بالتيارات الكهربائية ، وكذلك كوكب المشتري. كوكب المشتري له 4 أقمار كبيرة (كبيرة مثل أقمارنا أو أكبر) ، والأعمق ، آيو ، مكان غريب وجحيم ، حيث يتم تسخين باطنه بواسطة المد والجزر ، مما ينتج عنه براكين كبريتية وبحيرات منصهرة. ونتيجة لذلك ، فإنه (أو الغلاف الجوي المحيط به) يوصل الكهرباء ، وبينما تدور البيئة المغناطيسية للمشتري خلفه (تمامًا كما تتدفق الرياح الشمسية عبر الأرض) ، يتم إنتاج تيارات كهربائية على طول خطوط المجال التي تربطه بالمشتري.

نحن نعرف عن تلك التيارات لأن فوييجر 1 اقترب منها في عام 1979 ولاحظ النمط المغناطيسي الذي أنتجه. ونحن نعلم أن الشفق المرصود ناتج عن تلك التيارات ، لأنه تم تعيين بنية المجال المغناطيسي للمشتري. باستخدام هذا التعيين لتتبع خطوط المجال المغناطيسي من Io إلى سطح الكوكب ، يصل المرء بالضبط إلى النقاط التي يُرى فيها الشفق القطبي.


درس هنري بريشر المناطق القطبية والجليدية في العالم منذ عام 1960 ، عندما تم تعيينه ليكون مراقبًا للشفق القطبي في محطة بيرد ، أنتاركتيكا. تم بناء هذه المحطة في مكان اعتقد العلماء فيه أن الشفق القطبي ، أو الأضواء الجنوبية ، سيكون أكثر وضوحًا. تم أيضًا وضع محطة أبحاث هالي ، وهي جزء من المسح البريطاني لأنتاركتيكا الواقعة على الجرف الجليدي برنت ، لتوفير فرص لرصد الشفق القطبي.

الباحث: هنري بريشر
الجامعة / المنظمة: مركز بيرد بولار للأبحاث في جامعة ولاية أوهايو
موقع البحث: كولومبوس ، أوهايو (وأنتاركتيكا!)

ما هي الشفق القطبي؟

الشفق القطبي طبيعي & # 8220 عروض الضوء & # 8221 التي تحدث حيث يتم سحب الجسيمات المشحونة من الشمس (يشار إليها باسم & # 8220solar wind & # 8221) وتدور في الغلاف الجوي ، تجذبها الأرض & # 8217s المجال المغناطيسي. يمكنك ملاحظة نموذج جيد للمجال المغناطيسي لـ Earth & # 8217s إذا قمت بنشر بعض برادة الحديد على ورقة ثم أمسك قضيبًا مغناطيسيًا أسفل الورقة. ستصطف برادة الحديد في سلسلة من الأقواس. يوضح هذا النمط مجالات القوة للمجال المغناطيسي للأرض و # 8217s بشكل جيد للغاية.

في حين أنه من الشائع أن الشفق القطبي يحدث فقط أثناء الليل وفي المناطق القطبية ، فإن هذا ليس صحيحًا. خلال فترات الظلام الكامل (الشتاء القطبي) ، يكون الشفق واضحًا جدًا ، ولكنه يحدث أيضًا خلال ساعات النهار. توقع العلماء ذلك ، لكن الشفق القطبي أثناء النهار لم يلاحظ حتى تمكنت الأقمار الصناعية من التقاط الصور من الفضاء.

من خلال إجراء ملاحظات دقيقة والاحتفاظ بسجلات جيدة منذ أكثر من 100 عام ، قام العلماء بحساب التردد الذي يتوقع أن يحدث به الشفق القطبي على مسافات مُقاسة من القطب المغناطيسي الأرضي. كما ترون في الرسم البياني أدناه ، يتم رؤية الشفق في أغلب الأحيان بالقرب من المناطق القطبية. من هذا الرسم البياني ، يمكنك أيضًا أن ترى أن الأشخاص الذين يعيشون بعيدًا عن المناطق القطبية لن يتمكنوا من رؤية الشفق إلا في ظروف غير عادية.

تظهر خريطة أواخر القرن التاسع عشر مدى مراقبة الشفق القطبي. الصورة مجاملة من مجموعة الدكتور هربرت كروهل ، NGDC. الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي ، وزارة التجارة.

منطقة الأحداث الشفقية الأكثر تواترًا وتركيزًا ، والتي تسمى & # 8220auroral البيضاوي ، & # 8221 لا تتمركز فوق القطب الجغرافي للأرض & # 8217s (القطب الشمالي كما هو محدد على الكرة الأرضية ، حيث تتلاقى خطوط الطول). بدلاً من ذلك ، يتمركزون فوق القطب المغنطيسي الأرضي ، وهو النقطة الموجودة على سطح الأرض & # 8217s فوق المجال المغناطيسي الطبيعي. يتم إنشاء المجال المغناطيسي لـ Earth & # 8217s عندما يدور اللب الحديدي (المحاط بمحيط سائل ساخن يعرف باسم اللب الخارجي) بمعدل يختلف عن معدل Earth & # 8217s أثناء دورانه. لهذا السبب ، لا يتماشى المجال المغناطيسي مع محور الدوران (القطب الشمالي الجغرافي). بدلاً من ذلك ، تتجول الأقطاب المغناطيسية الأرضية بمرور الوقت اعتمادًا على معدل واتجاه دوران اللب. يتركز الشكل البيضاوي الشفقي فوق القطب المغنطيسي الأرضي ، في كلا نصفي الكرة الأرضية.

صورة Auroral مأخوذة من القمر الصناعي Dynamic Explorer فوق القطب الشمالي. الصورة مجاملة من جامعة أيوا.

صورة شفقية مأخوذة من القمر الصناعي Dynamic Explorer فوق القطب المغنطيسي الأرضي الجنوبي. الصورة مقدمة من المعهد الجيوفيزيائي ، جامعة ألاسكا فيربانكس.

لماذا نرى الألوان؟

الألوان التي نراها في الشفق هي نتيجة تنشيط غاز الغلاف الجوي بواسطة الجسيمات الواردة من الرياح الشمسية. على سبيل المثال ، إذا قامت الجسيمات بتنشيط جزيء الأكسجين ، فإنها تعطي لونًا أخضر فاتح أو أصفر مخضر. إذا قامت الجسيمات بتنشيط جزيء النيتروجين بدلاً من ذلك ، فسيتم إصدار لون أرجواني مزرق أو وردي مزرق. ذكر هنري أن الشفق الذي لاحظه كان في الغالب أصفر مخضر.

نفس المبدأ ، الغازات المنشطة ، يعمل في أضواء النيون. يتم إنشاء مصابيح النيون الملونة بشكل مختلف باستخدام غازات مختلفة في الأنابيب. يعطي نوع الغاز الذي يتم تسخينه أو تنشيطه ضوءًا بأطوال موجية محددة.

متى تم وصف الشفق القطبي لأول مرة؟

لطالما كانت الشفق القطبي جزءًا من أساطير الثقافات الشمالية. يخشى الكثير من الناس الأضواء في سماء الليل ، ويربطونهم في كثير من الأحيان بأسلافهم أو بإله غاضب. لكن المبادئ الفيزيائية الأساسية (نقل الطاقة والقوى المغناطيسية) والتواجد الجغرافي للشفق القطبي هي ظواهر طبيعية. تم العثور على واحدة من أقدم الإشارات المعروفة إلى الأضواء الشمالية كظاهرة طبيعية في كتاب بعنوان مرآة King & # 8217s، من حوالي 1230 م (العصر المشترك) ، والتي تمت كتابتها ككتاب مدرسي للملك النرويجي الشاب ماغنوس لاغابوتي.

منذ ذلك الحين ، تطورت دراسات الشفق من الملاحظة والوصف من قبل المستكشفين ، مثل السير دوجلاس موسون ، الذي سجل ملاحظات يومية خلال بعثة القارة القطبية الجنوبية الأسترالية من 1911-1914 ، إلى الدراسات الحديثة مثل تلك التي أجريت في المعهد الجيوفيزيائي بالجامعة. في ألاسكا فيربانكس والمشروعات الحالية التي تشكل جزءًا من السنة القطبية الدولية 2007-09. تعتمد التقنيات الأحدث على نفس المبادئ ولكنها أكثر حساسية وضبطًا بدقة ، وقادرة على تسجيل وتخزين المزيد من البيانات ، وقيد الاستخدام في مواقع أكثر (من الفضاء وعلى الأرض).

كيف يدرس العلماء الشفق القطبي؟

كان هنري قد تعلم ثلاث طرق لوصف وتسجيل فترات النشاط الشفقي: مقياس الطيف ، وكاميرا السماء بالكامل ، والملاحظات المرئية. مقياس الطيف هو أداة تُستخدم لتحديد الأطوال الموجية الدقيقة للضوء (بوحدات أنجستروم) المنبعثة من الشفق القطبي. يُعرف هذا باسم & # 8220emission Spectroscopy ، & # 8221 ويستخدم من قبل علماء الفلك لتحديد الغازات الساخنة في النجوم. يحب مدرسو الكيمياء إظهار خاصية الغازات هذه من خلال جعل الطلاب يجرون & # 8220 اختبارات اللهب & # 8221 في المختبر ، أو باستخدام أنابيب الغاز التي تشبه أضواء النيون. عندما يتم إمداد الأنبوب بالطاقة ، يتوهج الغاز بداخله.اللون المنبعث هو سمة من سمات نوع الغاز بالداخل ، ويمكن استخدامه لتحديد هذا الغاز المحدد.

تم استخدام الكاميرا التي تغطي السماء بالكامل لإنتاج صور دائرية للسماء بأكملها وتعكس حركة الشفق القطبي. وضعت الكاميرا أسفل مرآة نصف كروية (مقببة) ، التقطت صورة انعكاس لسطح تلك المرآة. يمكن ضبط الكاميرا على التقاط الصور في وضع الفاصل الزمني. على سبيل المثال ، يمكن ضبطه على التقاط صور بفاصل 15 دقيقة. تم تسخين القبة ، وسوف تتجمد بسرعة كبيرة إذا فقدت إمدادات الطاقة. عندما كانت القبة مغطاة بالصقيع ، التقطت الكاميرا صوراً لقبة فاترة ، لكن لم يكن بالإمكان رؤية أي من الانعكاسات الشفقية.

قباب بها كاميرات تغطي السماء بالكامل تستخدم لمراقبة الشفق القطبي. الصورة مقدمة من المعهد الجيوفيزيائي ، جامعة ألاسكا فيربانكس.

قباب بها كاميرات تغطي السماء بالكامل تستخدم لمراقبة الشفق القطبي. الصورة مقدمة من المعهد الجيوفيزيائي ، جامعة ألاسكا فيربانكس. صورة من الكاميرا التي تغطي السماء بالكامل تظهر الشفق القطبي الأسترالي. التقطه هنري بريشر عام 1960. الصورة مقدمة من هنري بريشر ومشروع بيرد بولار ميديا ​​مانجر.

كان أحد أجزاء عملية المراقبة المرئية هو وصف موضع وحجم ومدة الشفق القطبي. تم استخدام أداة alidade ، وهي أداة تشبه إلى حد ما مساح & # 8217s العبور (الأداة المستخدمة لقياس وتحديد مناطق الأرض) ، لقياس الزوايا من الأفق إلى أسفل وأعلى الشفق القطبي وكذلك عرض الشفق القطبي .

طاولة الطائرة alidade (1894). الصورة مجاملة من إدارة التجارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي.

كان هنري في القارة القطبية الجنوبية في الشتاء الأسترالي (نصف الكرة الجنوبي) ، عندما يكون الظلام طوال الوقت. نتيجة لذلك ، يمكن أن تكون أحداث الشفق القطبي ، التي يمكن أن تستمر في أي مكان من 30 دقيقة إلى 3 ساعات ، مرئية في أي وقت. شخص ما ، هنري أو مراقب آخر ، كان يجب أن يراقب الشفق على مدار الساعة. أرسل هنري البيانات والملاحظات حول وظيفته في تقرير مكتوب تم إرساله إلى الباحثين في الولايات المتحدة. ساعدت هذه التقارير المكتوبة العلماء على فهم الشفق القطبي بشكل أفضل.

ماذا نتعلم عن الشفق القطبي الآن؟

يتضمن البحث خلال السنة القطبية الدولية (IPY) مشروعًا يُعرف باسم ICESTAR ، مع علماء من 22 دولة يدرسون كيفية تأثير البلازما والمجالات المغناطيسية من الشمس على الفضاء القريب من الأرض والغلاف الجوي. تُعرف التوهجات الشمسية والبلازما والرياح الشمسية التي ينتج عنها الشفق بشكل جماعي باسم & # 8220space weather. & # 8221 تأثيرات هذه الظواهر على أقمارنا الصناعية ، على الأنظمة الأرضية التي نستخدمها لدراسة الطقس والمناخ ، وحول الطقس والمناخ هما مجالان يحاول العلماء فهمهما.

سيمكن مشروع IPY آخر رواد الفضاء على متن محطة الفضاء الدولية من مراقبة الشفق القطبي وتأثيرات الغلاف الجوي الأخرى في نفس الوقت الذي يقوم فيه العلماء المتمركزون في المناطق القطبية بإجراء ملاحظات من الأرض.

يتعاون علماء آخرون من روسيا والولايات المتحدة والمملكة المتحدة وأستراليا للتحقيق في مدى تأثير التباين في ناتج الشمس # 8217 على طقس الأرض والمناخ. بالنسبة لمشروع السنة القطبية الدولية هذا ، يجري إنشاء أدوات على هضبة أنتاركتيكا وغرينلاند.

في حين أن الشفق القطبي يُفهم الآن بشكل أفضل بكثير مما كان عليه عندما عمل هنري كمراقب ، إلا أنها لا تزال تبهر وتثير اهتمام الناس في جميع أنحاء العالم. يؤدي الاهتمام المستمر بالشفق والقدرات المحسّنة لدراستها إلى المزيد من الأسئلة.

منذ دوره كمراقب للشفق ، عمل هنري بريشر في مركز بيرد بولار للأبحاث في جامعة ولاية أوهايو ، حيث يستخدم الصور لقياس التغيرات في حجم وموقع الأنهار الجليدية. يُعرف إجراء القياسات من الصور بالقياس التصويري.

هذا المقال بقلم كارول لانديس. لمزيد من المعلومات ، راجع صفحة المساهمين. أرسل بريدًا إلكترونيًا إلى كيمبرلي لايتل ، الباحث الرئيسي ، لطرح أي أسئلة حول محتوى هذا الموقع.

حقوق النشر مايو 2008 & # 8211 جامعة ولاية أوهايو. تستند هذه المواد إلى العمل المدعوم من قبل National Science Foundation بموجب المنحة رقم 0733024. أي آراء ونتائج واستنتاجات أو توصيات معبر عنها في هذه المادة هي آراء المؤلف (المؤلفين) ولا تعكس بالضرورة آراء National Science المؤسسة. هذا العمل مرخص بموجب Attribution-ShareAlike 3.0 Unported Creative Commons رخصة.


لماذا يحدث الشفق القطبي فقط في المناطق القطبية؟ - الفلك

نشاط مبهر في مجالات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات

بقلم ليزا بوندورانت وستين أودنوالد

اسأل طلابك عما إذا كانوا قد سمعوا من قبل عن الشفق القطبي الشمالي (أورورا بورياليس.) على الأرجح أن عددًا كبيرًا من الطلاب قد سمع بها ، واعلم أنها ظاهرة في السماء. على الرغم من أن الطلاب ربما لم يروا الشفق القطبي ، فمن المحتمل أن معظمهم قد شاهدوا ظواهر أخرى في السماء ، مثل قوس قزح أو نجم الرماية أو القمر العملاق. توفر هذه التجارب فرصة للطلاب للتفكير في روعة الفضاء.

سيوضح هذا النشاط كيف يتم استخدام الرياضيات من قبل العلماء للتنبؤ بموعد حدوث الشفق القطبي ، ويجب استخدامه فقط بعد أن يتعلم الطلاب كيفية تقييم المعادلات وإنشاء مخططات فين وحساب الاحتمال البسيط. تُعلم هذه الأنشطة الفصل ككل بمكانة الأرض في الكون وأنظمة الفضاء ، وهي ممارسة علمية مهمة تم تحديدها في معايير علوم الجيل التالي (NGGS Lead States 2013) (انظر الروابط عبر الإنترنت).

كل شيء يبدأ من الشمس

اشرح أن درجة حرارة مركز الشمس تقارب 27 مليون درجة فهرنهايت أو 15 مليون درجة مئوية! هذه الحرارة في لب الشمس تسبب الحمل الحراري بالقرب من سطحها ، مما يولد مجالات مغناطيسية. يمكن أن تلتوي هذه الحقول وتشابكها ، مما يتسبب في إطلاق الطاقة التي تنتج التوهجات الشمسية و / أو طرد مليار طن من السحب البلازمية تسمى القذف الكتلي الإكليلي (CME). تصل الكتل الإكليلية المقذوفة إلى الأرض في غضون 40 ساعة تقريبًا ، مما يتسبب في حدوث اضطرابات في المجال المغناطيسي للأرض ، مما يؤدي إلى تسريع الجسيمات المشحونة في المناطق القطبية حيث تتسبب في ظاهرة مثيرة ومبهرة تعرف باسم الشفق القطبي.

في هذه المرحلة ، وزع المقال "Aurora ... أضواء متوهجة خرافية لاتصال الشمس بالأرض". امنح الطلاب فرصة لقراءة المقالة وتدوين الملاحظات حول أهم النقاط. عندما ينتهي كل شخص ، ناقش هذه النقاط الرئيسية بشكل جماعي وقم بعمل تسجيل عام لها يمكن الإشارة إليه حسب الحاجة خلال النشاط (على سبيل المثال كتابتها على لوح حامل كبير أو على أجزاء من اللوحة). بعد ذلك ، قم بإشراك الطلاب في مناقشة حول المقالة للتأكد من أن كل شخص لديه فهم أساسي قوي. يقدم الجدول 1 مطالبات مقترحة للأسئلة وإجابات الطلاب المحتملة.

تم تسمية الشفق على اسم آلهة الفجر الرومانية ، وهو عرض غامض وغير متوقع للضوء في سماء الليل. تقع الأحداث الأكثر شيوعًا عند خطوط العرض الشمالية والجنوبية العليا. عادة ما تكون الشاشة خضراء ، ولكن يمكن أن تكون أيضًا باللون الأحمر والأزرق والبنفسجي والوردي والأبيض.

كيف يبدو الشفق؟

لا يوجد عرضان متماثلان تمامًا. يمكن أن تبدو الشفق القطبي مثل العصابات التي تلتوي ، تطوي ، وتدور أو تحيط السماء بأكملها مثل الحجاب. عندما تظهر الشاشة (لاحقًا أو في وقت مبكر من الليل) تؤثر على الشكل الذي ستبدو عليه.

يحدث الشفق القطبي النموذجي بسبب الاصطدام بين الإلكترونات سريعة الحركة من الفضاء مع الأكسجين والنيتروجين في الغلاف الجوي العلوي للأرض.

لماذا يأتي الشفق بألوان وأشكال مختلفة؟

يعتمد لون الشفق القطبي على نوع الغاز - الأكسجين أو النيتروجين - الذي تثيره الإلكترونات ، وعلى مدى حماسته. يبدو أن شكل الشفق القطبي يعتمد على مكان نشأة الإلكترونات في الغلاف المغناطيسي ، وما الذي يجعلهم يكتسبون طاقتهم ، ولماذا يغوصون في الغلاف الجوي.

أين يمكنك رؤية الشفق؟

تحدث الشفق القطبي عادةً في مناطق على شكل حلقة يبلغ قطرها حوالي 4000 كيلومتر (2500 ميل) حول الأقطاب المغناطيسية للأرض ، والمعروفة باسم الأشكال البيضاوية الشفقية. تُرى الشفق القطبي بشكل شائع في ألاسكا وكندا وغرينلاند والدول الاسكندنافية وروسيا والقارة القطبية الجنوبية ونيوزيلندا وتشيلي وأستراليا.

متى يمكنك رؤية الشفق؟

تميل أفضل العروض إلى الظهور في الساعات القليلة التي تسبق منتصف الليل.

كيف يرتبط الشفق القطبي بالشمس؟

من حين لآخر ، تقوم الشمس بإخراج سحب من البلازما الممغنطة تسمى CMEs. عندما تقترب بعض هذه الغيوم من الأرض ، فإنها تتفاعل مع المجال المغناطيسي لكوكبنا. ينحرف هذا المجال عن معظم الجسيمات ، مما يخلق فجوة ضخمة في الرياح الشمسية - الغلاف المغناطيسي. تتحكم الاختلافات في خصائص الرياح الشمسية في كمية الطاقة التي يمكن أن تتسرب إلى الغلاف المغناطيسي. لكي تصبح مستقرة مرة أخرى ، يتم إطلاق الطاقة الزائدة فجأة ، حيث يذهب الكثير من الطاقة إلى تسارع الإلكترونات. يحدث الشفق في المقام الأول حيث يوجه المجال المغناطيسي الإلكترونات من ذيل الغلاف المغناطيسي إلى الغلاف الجوي حيث تنتج الشفق.

لماذا نهتم بالشفق القطبي؟

يمكن أن تتسبب التيارات المتغيرة بسرعة في سطح الأرض أثناء حدث شفقي شديد في تدفق تيارات كهربائية غير مرغوب فيها إلى شبكة الطاقة الكهربائية لدينا لأن المحولات عادة "مؤرضة" على الأرض المحلية. هذه التيارات المستحثة جغرافيًا ، تسمى GICs ، ثم تعطل نقل الكهرباء على طول خطوط الطاقة ويمكن أن تسبب انقطاع التيار الكهربائي وانقطاع التيار الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك ، تنكسر (عازمة) إشارات الراديو بشكل مختلف عما هو متوقع أو حتى تمتص ، مما يجعل من الصعب الاتصال بترددات الموجات القصيرة. علاوة على ذلك ، يمكن للإلكترونات المتسارعة إلى طاقات عالية في ذيل الغلاف المغناطيسي أن تثير الفوضى في الأقمار الصناعية ، مما يؤدي إلى إتلاف الإلكترونيات وإنشاء أوامر خاطئة.

في عام 1859 ، كان لعاصفة شمسية ، يشار إليها باسم حدث كارينغتون ، تأثير شديد على نظام التلغراف. زود الطلاب بمقال "توهج شمسي فائق". اطلب من الطلاب قراءة المقالة بشكل مستقل ، ومناقشة الأمر مع أحد الجيران ، ثم مناقشة النقاط الرئيسية مع الفصل بأكمله. راجع الجدول 2 للاطلاع على مطالبات الأسئلة المقترحة وإجابات الطلاب المحتملة.

ماذا رأى ريتشارد كارينجتون؟

رأى كارينغتون انبعاث ضوء شمسي بضوء أبيض ، انفجار مغناطيسي على الشمس. استمرت أقل من 5 دقائق ، ولكن في اليوم التالي اندلعت السماء في جميع أنحاء كوكب الأرض بألوان حمراء وخضراء وأرجوانية متألقة لدرجة أنه يمكن قراءة الصحف بسهولة كما في وضح النهار.

متى حدث هذا الحدث؟

الخميس 1 سبتمبر 1859

أين وقع هذا الحدث؟

كان كارينجتون في إنجلترا. وشوهدت الشفق القطبي المذهل في اليوم التالي في جميع أنحاء كوكب الأرض ، بل وشوهدت نبضات بالقرب من خطوط العرض الاستوائية فوق كوبا ، وجزر الباهاما ، وجامايكا ، والسلفادور ، وهاواي.

ما هي آثار الحدث؟

تسببت في اضطراب في الاتصال ، لأن أنظمة التلغراف في جميع أنحاء العالم أصبحت سالكة. صدمت تصريفات الشرارة مشغلي التلغراف وأضرمت النار في ورق التلغراف. حتى عندما قطع التلغراف البطاريات التي تشغل الخطوط ، فإن التيارات الكهربائية التي يسببها الشفق القطبي في الأسلاك لا تزال تسمح بإرسال الرسائل.

هل حدث حدث مماثل في أي أوقات أخرى؟

بعد ذلك ، قم بتحفيز الطلاب على التنبؤ بالعواصف الشمسية من خلال تزويدهم ببعض الأمثلة الحديثة لما يمكن أن تفعله عاصفة شمسية غير متوقعة. على سبيل المثال ، يمكن أن تتسبب عاصفة شمسية في انفجار خط أنابيب غاز (ربما يؤدي إلى مقتل مئات الأشخاص) مما يجعل القمر الصناعي صامتًا بشكل غامض ، مما يؤدي إلى مقاطعة حركة التلفزيون والهاتف الخلوي أو التسبب في انقطاع التيار الكهربائي ، مما يؤدي إلى إلقاء الملايين من الأشخاص في الظلام. اسأل الطلاب عن المدة التي يعتقدون أنهم يستطيعون تحقيقها بدون هواتفهم المحمولة أو التلفزيون أو الكهرباء.

في هذه المرحلة ، اسمح للطلاب بطرح أسئلة حول العواصف الشمسية ومشاركة الأفكار حول سبب وكيفية حدوث مثل هذه التأثيرات الخطيرة على الأرض. سجل أسئلة الطلاب وأفكارهم على السبورة حتى تتمكن من الرجوع إليها طوال الدرس.

الرياح الشمسية وسرعة CME

يمكن أن تعمل الرياح الشمسية كحزام ناقل ، وتشتيت البلازما والمجالات المغناطيسية من سطح الشمس في جميع أنحاء النظام الشمسي. يبدأ هذا النشاط بتعليمات أساسية حول المتجهات ثنائية الأبعاد ، والتي يتم تمديدها بعد ذلك إلى ناقلات ثلاثية الأبعاد ، ثم يتم تطبيقها أخيرًا لحساب سرعة الرياح الشمسية.

ابدأ بتنشيط المعرفة السابقة للطلاب. قم بإشراكهم في التفكير (اطلب من الطلاب أن يفكروا) ، وزوج (اطلب من الطلاب التحدث إلى جيرانهم) ، وشارك (مناقشة الفصل بأكمله ، أثناء تجميع قائمة على السبورة) واطلب من الطلاب تبادل الأفكار في الكميات المادية التي لها الحجم والاتجاه. تتضمن بعض الأمثلة على النواقل التي قد تثير اهتمام الطلاب: كرة القدم التي يلقيها أحد اللاعبين ، أو كرة البلياردو بعد الضرب ، أو التيارات الهوائية.

الشكلان 1 و 2

تم التقاط صور الشفق القطبي في 27 سبتمبر 2017 بواسطة تود باريس. تُظهر الصورتان (من نفس الليلة) تنوع أشكال وألوان شاشات Aurora.

أخبر الطلاب أن المتجه يبدأ عند النقطة ص وينتهي عند نقطة س سوف يكتب: PQ. اشرح للطلاب أن الموجهات عبارة عن أسهم تمثل معلومتين: قيمة مقدار (طول السهم أو المسافة المقطوعة) وقيمة اتجاهية (طريقة توجيه السهم أو اتجاه تحركه). مقدار المتجه هو المسافة بين النقطة الأولية ص ونقطة النهاية س. حجم PQ هو مكتوب: | PQ |. إذا تم إعطاء إحداثيات النقطة الأولية ونقطة نهاية المتجه ، يمكن استخدام صيغة المسافة للعثور على حجم المتجه (الشكل 3 أ).

الشكل 3 أ

اتجاه المتجه هو قياس الزاوية التي يصنعها مع خط أفقي. يمكن استخدام الصيغة التالية لإيجاد اتجاه المتجه: تان θ = (ذ2ذ1) / (x2x1). يقدم الشكل 3 ب للطلاب مثالًا ملموسًا لحساب حجم المتجه واتجاهه. في هذا المثال | PQ | = الجذر التربيعي <(4−1) 2 + (7−3) 2> = الجذر التربيعي <9 + 16> = الجذر التربيعي <25> = 5 و θ = (7−3) / (4−1) ≈ 53 درجة.

الشكل 3 ب

مثال لحساب مقدار واتجاه المتجه.

توفر لنا المتجهات طريقة رسومية لحساب مجموع العديد من الحركات المتزامنة. يوضح الشكل 3 ج أنه إذا تأثرت الحركة بمتغير واحد فقط (يمثله المتجه أ أو عن طريق ناقلات ب) ، فإن الموضع النهائي للحركة سيكون نهاية هذا المتجه. ومع ذلك ، إذا تأثرت الحركة بمتغيرين (يمثلهما مجموع أ و ب) ، ثم يمكن العثور على الموضع النهائي عن طريق ربط المتجهين معًا.

الشكل 3 ج

ناقلات توضح الموقف النهائي للحركة متأثرة بمتغير واحد أو متغيرين.

اشرح أن الطريقة الأكثر شيوعًا لإجراء الحسابات على المتجهات هي وصف المتجهات أولاً من حيث × (أفقي) و ذ (رأسي) المكونات. على سبيل المثال ، إذا أ = (4،12) و ب = (18،7) إذن أ + ب = (4،12) + (18،7) = (4 + 18، 12 + 7) = (22،19). لطرح المتجهات ، سنعكس المتجه الذي نريد طرحه ثم نجمع المتجهات. على سبيل المثال ، إذا أ = (4،12) و ب = (18،7) إذن أ− ب = (4,12) + − (18,7) = (4,12) + (−18,−7) = (4+ −18, 12+ −7) = (−14, 5).

بعد ذلك ، انتقل إلى مناقشة حول حساب حجم المتجه. اشرح أن حجم المتجه يُعبر عنه إما بقضيب واحد أو شريطين رأسيين على جانبي المتجه. على سبيل المثال، | أ | أو || أ ||. لحساب مقدار المتجه ، نستخدم نظرية فيثاغورس. الصيغة هي: | أ | = الجذر التربيعي <x 2 + ذ 2>. على سبيل المثال ، حجم المتجه ث = (9،12) سيكون | ث | = الجذر التربيعي <92 + 122> = الجذر التربيعي <81 + 144> = الجذر التربيعي <225> = 15.

اشرح للطلاب أننا سنقوم الآن بتوسيع ما تعلمناه عن المتجهات ثنائية الأبعاد في س ص من المستوى إلى متجهات ثلاثية الأبعاد باستخدام x-y-z المحاور. نظرًا لأننا نعيش في عالم ثلاثي الأبعاد ، فمن المنطقي تحديد النقاط باستخدام ثلاثة إحداثيات (x, ذ, ض). ال x, ذ، و ض المحاور متعامدة بشكل متبادل ، كل منها بزاوية قائمة على المحاور الأخرى.

بالنسبة لنظام الإحداثيات هذا ، يكون الأصل في مركز الأرض. ال x- نقاط المحور من مركز الأرض عبر خط الطول الرئيسي (تم اختياره حسب الاتفاقية ليكون خط الزوال في غرينتش ، لندن ، المملكة المتحدة (خط الطول = 0). ض- يشير المحور باتجاه القطب الشمالي الجغرافي (الشكل 4). لإيجاد حجم المتجه في 3 أبعاد ، سنستخدم الصيغة التالية: | أ | = الجذر التربيعي <x 2 + ذ 2 + ض 2>. اسأل الطلاب عما إذا كانوا قد لاحظوا تشابه الصيغ في حجم المتجهات ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد. بعد ذلك ، قم بترسيخ فهم الطلاب من خلال مثال وتمثيل مرئي (الشكل 5). على سبيل المثال ، حجم المتجه م = (2،3،5) سيكون | م | = الجذر التربيعي <22 + 32 + 52> = الجذر التربيعي <4 + 9 + 25> = الجذر التربيعي <38> 6.16.

الشكل 4

الشكل 5

حجم المتجه ثلاثي الأبعاد.

طلب

في هذا النشاط الأول لتطبيق Northern Lights ، سيستخدم الطلاب بيانات من مركبة الفضاء DSCOVR التابعة لناسا ومعادلة الحجم ثلاثية الأبعاد لحساب قوة سرعة الرياح الشمسية. يحدد اتجاه وشدة المجال المغناطيسي قوة العواصف المغناطيسية الأرضية والأحداث الشفقية ، ومدى اضطرابها. عندما يكون المكون Z للمجال المغناطيسي كبيرًا وسلبيًا ، فإن حدث العاصفة الشمسية سيكون شديدًا بشكل خاص.

قدم للطلاب المثال التالي: يقيس العالم المكونات الثلاثة لسرعة حدث العاصفة الشمسية (x, ذ, ض) بالكيلومترات في الثانية ، ويوجد: (145 ، 103 ، 523.7).

أ. استخدم صيغة السرعة أعلاه لحساب السرعة الإجمالية ، الخامس، من الرياح الشمسية.

ب. تحديد وقت العبور ، تي في غضون ساعات من الشمس إلى الأرض. افترض أن المسافة من الأرض إلى الشمس 150 مليون كيلومتر. قرب إجابتك لأقرب ساعة.

امنح الطلاب حوالي 5 دقائق لحل المشكلة ، ثم انتقل إلى الحل الصحيح:

  • الخامس 2 = (145.0) 2 + (103.0) 2 + (523.7) 2
  • الخامس 2 = 21,025.0 + 10,609.0 + 274,261.7
  • الخامس 2 = 305,895.7 الخامس = الجذر التربيعي
  • الخامس ≈ 533.1 كيلومترًا في الثانية
  • تي = 150,000 كم / 533 كم / ثانية ≈ 281425.89 ثانية
  • تي = 281,425.89 ثانية / 60 = 4690.43 دقيقة
  • تي = 4,690.43 دقيقة / 60 = 78.17 ساعة ≈ 78 ساعة

اشرح أنه في عام 2018 ، قامت المركبة الفضائية DSCOVR بقياس المكونات الثلاثة لسرعة الرياح الشمسية في موقع يبعد 1.5 مليون كيلومتر عن الأرض. يتضمن الجدول 4 (انظر الروابط عبر الإنترنت) بيانات ناسا الفعلية لسلسلة من قياسات مركبة الفضاء DSCOVR للمكونات الثلاثة لسرعة الرياح الشمسية. وجه الطلاب لاستخدام صيغة الحجم ثلاثية الأبعاد ، جنبًا إلى جنب مع قياسات المجال المغناطيسي الثلاثة (x, ذ, ض) في جدول البيانات ، من أجل:

أ. احسب السرعة الإجمالية ، الخامس، من الرياح الشمسية في كل موعد. قرّب الإجابات لأقرب كيلومتر في الثانية.

ب. تحديد وقت العبور ، تي في ساعات من الشمس إلى الأرض. افترض أن المسافة من الأرض إلى الشمس 150 مليون كيلومتر. تقريب الإجابة لأقرب ساعة.

يجب أن يستغرق هذا حوالي 15 دقيقة. تجول في جميع أنحاء الغرفة ، ومراقبة تقدم الطلاب ومساعدة الطلاب المتعثرين. عند الانتهاء من هذا الجزء من الدرس ، اطلب من الطلاب مشاركة كل من الاستراتيجيات التي استخدموها لحل المشكلات والإجابات.يمكن العثور على الحلول في الجدول 5 (انظر الاتصالات عبر الإنترنت).

ما الذي يسبب العاصفة الشمسية؟

زود الطلاب بالتعاريف التالية:

1. التوهج الشمسي: انفجار عنيف للطاقة المغناطيسية على الشمس.

2. طرد الكتلة التاجية (CME): سحابة بلازما تزن مليار طن تنفجر من سطح الشمس.

3. أورورا: انبعاث الضوء بواسطة ذرات الأكسجين والنيتروجين في الغلاف الجوي للأرض بسبب اصطدام CME بالحقل المغناطيسي للأرض.

اشرح أنه يمكن استخدام البيانات الإحصائية من هذه الأحداث لاستخلاص استنتاجات حول علاقات السبب والنتيجة. اشرح أن علماء الفلك يستخدمون مخططات فين لتنظيم المعلومات الإحصائية واستخدامها لعمل تنبؤات حول ما سيحدث بالقرب من الأرض.

قدم للطلاب المثال التالي. في عام 2000 ، تم رصد 142 توهجًا شمسيًا ، و 89 توهجًا طارئًا على الشمس. علاوة على ذلك ، حدث 34 توهجًا في نفس الوقت تقريبًا مثل الكتل الإكليلية المقذوفة.

أ. ما هي النسبة المئوية من الكتل التي لا تصاحبها توهجات شمسية؟ جولة إجابتك إلى أقرب عدد صحيح.

ب. ما هي احتمالات عدم اقتران CME بمصابيح شمسية؟

امنح الطلاب حوالي خمس دقائق للعمل على حل المشكلات. اطلب من الطلاب مشاركة كل من الاستراتيجيات التي استخدموها لحل المشكلات والإجابات. تأكد من مشاركة مخطط Venn والحسابات أثناء مناقشة استخلاص المعلومات هذه. يمكن العثور على الحلول في الشكل 6.

الشكل 6

النسبة المئوية للانفجارات التي لا تصاحبها توهجات شمسية.

سيحاول الطلاب الآن التنبؤ بموعد حدوث الشفق القطبي التالي. قم بإشراك الطلاب في Think-Pair-Share حول السؤال: لماذا من المهم التنبؤ بموعد حدوث الشفق القطبي القادم؟ يجب أن يكون الطلاب قادرين على إنشاء استجابات استنادًا إلى حدث كارينجتون الذي قرأوا عنه وناقشوه سابقًا. أثناء جزء المشاركة ، قم بتزويد الطلاب بأي معلومات لا يستطيعون تكوينها (الجدول 6 ، انظر الاتصالات عبر الإنترنت).

بعد ذلك ، قدم المثال والأسئلة المدرجة أدناه. امنح الطلاب حوالي 20 دقيقة لإكمال المسائل. تجول في جميع أنحاء الغرفة ، ومراقبة تقدم الطلاب ومساعدة الطلاب المتعثرين. اعرض للطلاب الجدول 6 (راجع الاتصالات عبر الإنترنت) واطلب منهم التحقق من أن جداولهم تحتوي على جميع البيانات الصحيحة.

مثال

قمر صناعي تابع لوكالة ناسا يسمى ACE يقيس التغيرات في مغناطيسية تدفق الغاز بعيدًا عن الشمس. خلال عام 2000 اكتشف 56 تغيرًا مغناطيسيًا شديدًا. يكتشف قمر صناعي آخر يسمى SOHO 55 CME ، منها 29 تحدث في نفس وقت اضطرابات ACE. يكتشف القمر الصناعي IMAGE الشفق القطبي في المناطق القطبية من الأرض. تم اكتشاف ما مجموعه 63 شفقًا قطبيًا ساطعًا خلال "عواصف" مغناطيسية 56 ACE. هناك 31 حالة شوهد فيها الشفق في نفس وقت الاضطرابات المغناطيسية.

  • باستخدام البيانات المأخوذة من المثال ، ما هي نسبة التوهجات الشمسية التي لا تحدث أثناء التوهجات الشمسية المستمرة؟ ما هي احتمالات عدم حدوث التوهج الشمسي أثناء التعرض للطوارئ الطبية الطارئة؟ جولة إجابتك إلى أقرب عدد صحيح. ماذا تشير الاحتمالات؟
  • يقول أحد المراسلين الإخباريين أن التوهجات الشمسية تنتج كواشف ثقيلة. هل هذا بيان دقيق؟ يشرح.
  • ما هي النسبة المئوية للـ CMEs التي تحدث في نفس الوقت الذي يحدث فيه اضطراب مغناطيسي شديد؟ ما هي احتمالات حدوث CME في نفس وقت حدوث اضطراب مغناطيسي؟ جولة إجابتك إلى أقرب عدد صحيح. ماذا تشير الاحتمالات؟
  • ما هي النسبة المئوية للاضطرابات المغناطيسية التي تؤدي إلى شفق قطبي كبير على الأرض؟ ما هي احتمالات أن تؤدي الاضطرابات المغناطيسية إلى شفق قطبي كبير على الأرض؟ جولة إجابتك إلى أقرب عدد صحيح. ماذا تشير الاحتمالات؟
  • هل يمكن استخدام CME بشكل موثوق للتنبؤ بموعد حدوث الشفق القطبي التالي؟ يشرح.

تصميم المشروع

بعد الانتهاء من الأنشطة الواردة في هذه المقالة ، نوصي بتخصيص مشروع متابعة للطلاب. اطلب من الطلاب تصميم شيء يمكن استخدامه لمنع الاضطرابات المغناطيسية من التداخل مع الإلكترونيات. سيشرك هذا النشاط الطلاب في جميع جوانب STEM وتكامل الأبعاد الثلاثة لـ معايير علوم الجيل القادم. يمكن للطلاب إعداد عروض تقديمية للمنتجات التي يصممونها لمشاركتها مع الفصل.

قد يكون المعلمون من التخصصات الأخرى (علوم الكمبيوتر ، والتكنولوجيا ، والهندسة ، والفن / التصميم ، وما إلى ذلك) وأعضاء المجتمع الذين لديهم مهن قابلة للتطبيق (مهندسين ، علماء ، إلخ) مهتمين بتوجيه الطلاب خلال هذا المشروع وحضور العروض التقديمية النهائية.

استنتاج

يمكن للأنشطة الموضحة في هذه المقالة أن يكون لها تأثير قوي على تعلم الطلاب في مجالات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات (STEM). ومع ذلك ، فإن التنبؤ بالنشاط الشمسي أمر صعب وليس أفضل من رمي عشوائي لعملة معدنية (احتمالات 50:50). المعلومات المفقودة والحيوية للتنبؤ بالنشاط الشمسي هي قوة المجال المغناطيسي في اتجاه z. عندما تكون هذه القيمة كبيرة وسلبية ، يزداد احتمال أن ينتج عن CME عاصفة مغناطيسية أرضية شديدة إلى أكثر من 90٪ (90:10 احتمالات).

اتصالات عبر الإنترنت

ليزا بوندورانت ([email protected]) أستاذ مشارك بقسم الرياضيات والعلوم في جامعة دلتا ستيت ، كليفلاند ، ميسيسيبي. ستين ادينوالد هو مدير تطوير موارد STEM في الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء ، Greenbelt ، MD.

NGSS الدول الرائدة. 2013. معايير علوم الجيل القادم: للدول ، حسب الدول. واشنطن العاصمة: مطبعة الأكاديميات الوطنية.

باريس تود. رهيبة أورورا العرض. 27 سبتمبر 2017. فيربانكس ، ألاسكا.


محتويات

الكلمة "الشفق القطبي"مشتق من اسم إلهة الفجر الرومانية ، أورورا ، التي سافرت من الشرق إلى الغرب معلنة قدوم الشمس. [2] استخدم الشعراء اليونانيون القدماء الاسم مجازيًا للإشارة إلى الفجر ، وغالبًا ما يذكرون تلاعبه بالألوان عبر السماء المظلمة (على سبيل المثال، "الفجر الوردي"). [3]

تحدث معظم الشفق القطبي في نطاق يُعرف باسم "المنطقة الشفقية" ، [4] والذي يتراوح عرضه عادة من 3 درجات إلى 6 درجات في خط العرض وبين 10 درجات و 20 درجة من القطبين المغنطيسي الأرضي في جميع الأوقات المحلية (أو خطوط الطول) ، بشكل أكثر وضوحًا يُرى في الليل مقابل سماء مظلمة. المنطقة التي تعرض حاليًا الشفق القطبي تسمى "الشفق القطبي البيضاوي" ، وهي عبارة عن شريط أزاحته الرياح الشمسية باتجاه الجانب الليلي من الأرض. [5] يأتي الدليل المبكر على وجود اتصال مغنطيسي أرضي من إحصائيات الملاحظات الشفقية. أثبت إلياس لوميس (1860) ، [6] ولاحقًا هيرمان فريتز (1881) [7] وسوفوس ترومهولت (1881) [8] بتفصيل أكبر ، أن الشفق ظهر بشكل أساسي في المنطقة الشفقية.

في خطوط العرض الشمالية ، يُعرف التأثير باسم الشفق القطبي أو الأضواء الشمالية. صاغ جاليليو المصطلح السابق في عام 1619 ، من إلهة الفجر الرومانية والاسم اليوناني لرياح الشمال. [9] [10] النظير الجنوبي ، الشفق القطبي أو الأضواء الجنوبية ، له سمات متطابقة تقريبًا مع الشفق القطبي ويتغير بالتزامن مع التغيرات في المنطقة الشفقية الشمالية. [11] يمكن رؤية الشفق القطبي من خطوط العرض الجنوبية المرتفعة في أنتاركتيكا وتشيلي والأرجنتين ونيوزيلندا وأستراليا. يمكن رؤية الشفق القطبي من قربه من مركز الدائرة القطبية الشمالية مثل ألاسكا وكندا وأيسلندا وغرينلاند والنرويج والسويد وفنلندا.

تتسبب عاصفة مغنطيسية أرضية في توسع الأشكال البيضاوية الشفقية (شمالًا وجنوبيًا) ، مما يؤدي إلى وصول الشفق القطبي إلى خطوط العرض المنخفضة. التوزيع اللحظي للشفق القطبي ("الشفق القطبي البيضاوي") [4] مختلف قليلاً ، حيث يتمركز حوالي 3-5 درجات ليلاً من القطب المغناطيسي ، بحيث تصل الأقواس الشفقية إلى أبعد نقطة نحو خط الاستواء عندما يكون القطب المغناطيسي المعني بين المراقب والشمس. يمكن رؤية الشفق القطبي بشكل أفضل في هذا الوقت ، والذي يسمى منتصف الليل المغناطيسي.

قد تكون الشفق القطبي الذي يُرى داخل الشكل البيضاوي الشفقي فوق الرأس مباشرة ، ولكن من بعيد ، فإنه يضيء الأفق القطبي باعتباره توهجًا مخضرًا ، أو أحمر خافتًا في بعض الأحيان ، كما لو كانت الشمس تشرق من اتجاه غير عادي. تحدث الشفق القطبي أيضًا في اتجاه القطب من المنطقة الشفقية إما كبقع منتشرة أو أقواس ، [12] والتي يمكن أن تكون تحت الرؤية.

تُرى الشفق القطبي أحيانًا في خطوط العرض أسفل المنطقة الشفقية ، عندما تقوم عاصفة مغنطيسية أرضية بتوسيع البيضاوي الشفقي مؤقتًا. العواصف المغناطيسية الأرضية الكبيرة هي الأكثر شيوعًا خلال ذروة دورة البقع الشمسية التي تبلغ 11 عامًا أو خلال السنوات الثلاث التي تلي الذروة. [13] [14] حلزونات إلكترونية (دوائر) حول خط حقل بزاوية يتم تحديدها من خلال متجهات سرعتها ، الموازية والعمودية ، على التوالي ، لمتجه المجال المغنطيسي الأرضي المحلي. تُعرف هذه الزاوية باسم "زاوية الملعب" "من الجسيم. تُعرف المسافة أو نصف القطر للإلكترون من خط الحقل في أي وقت باسم نصف قطر Larmor. تزداد زاوية الملعب عندما ينتقل الإلكترون إلى منطقة ذات شدة مجال أكبر بالقرب من الغلاف الجوي. وبالتالي ، من الممكن أن تعود بعض الجسيمات ، أو تنعكس ، إذا أصبحت الزاوية 90 درجة قبل دخول الغلاف الجوي لتتصادم مع الجزيئات الأكثر كثافة هناك. الجسيمات الأخرى التي لا تعكس دخول الغلاف الجوي وتساهم في العرض الشفقي على مجموعة من الارتفاعات. وقد لوحظت أنواع أخرى من الشفق القطبي من الفضاء على سبيل المثال ، "الأقواس القطبية" الممتدة باتجاه الشمس عبر الغطاء القطبي ، و "شفق ثيتا" ذي الصلة ، [15] و "أقواس الجانب الأيمن" بالقرب من الظهر. هذه نادرة نسبيًا وغير مفهومة جيدًا. تحدث تأثيرات أخرى مثيرة للاهتمام مثل الشفق القطبي الخافت ، "الشفق الأسود" والأقواس الحمراء تحت البصرية. بالإضافة إلى كل ذلك ، لوحظ توهج ضعيف (غالبًا ما يكون أحمر عميقًا) حول اثنين من الشرفات القطبية ، خطوط المجال التي تفصل تلك التي تغلق عبر الأرض عن تلك التي تم اجتياحها في الذيل وتغلق عن بُعد.

تحرير الصور

تم الكشف عن الارتفاعات التي تحدث عند حدوث الانبعاثات الشفقية من قبل كارل ستورمر وزملاؤه ، الذين استخدموا الكاميرات لتثليث أكثر من 12000 شفق قطبي. [16] اكتشفوا أن معظم الضوء ينتج بين 90 و 150 كيلومترًا فوق سطح الأرض ، بينما يمتد أحيانًا إلى أكثر من 1000 كيلومتر. أصبحت صور الشفق أكثر شيوعًا اليوم [ متي؟ ] مما كان عليه في الماضي بسبب زيادة استخدام الكاميرات الرقمية ذات الحساسية العالية بدرجة كافية. [17] يعد التعرض السينمائي والرقمي للعروض الشفقية محفوفًا بالصعوبات. نظرًا لاختلاف أطياف الألوان الموجودة ، والتغيرات الزمنية التي تحدث أثناء التعرض ، فإن النتائج لا يمكن التنبؤ بها إلى حد ما. تستجيب الطبقات المختلفة من مستحلب الفيلم بشكل مختلف لمستويات الإضاءة المنخفضة ، ويمكن أن يكون اختيار الفيلم مهمًا للغاية. تتداخل التعريضات الأطول مع الميزات المتغيرة بسرعة ، وغالبًا ما تغطي السمة الديناميكية للشاشة. الحساسية العالية تخلق مشاكل مع التحبب.

كان David Malin رائدًا في التعريض الضوئي المتعدد باستخدام مرشحات متعددة للتصوير الفلكي ، وأعاد دمج الصور في المختبر لإعادة إنشاء العرض المرئي بشكل أكثر دقة. [18] بالنسبة للبحث العلمي ، غالبًا ما تستخدم الوكلاء ، مثل الأشعة فوق البنفسجية ، وتصحيح الألوان لمحاكاة مظهر البشر. تُستخدم أيضًا التقنيات التنبؤية ، للإشارة إلى مدى العرض ، وهي أداة مفيدة للغاية لصيادي الشفق القطبي. [19] غالبًا ما تجد السمات الأرضية طريقها إلى صور الشفق القطبي ، مما يسهل الوصول إليها ويزيد احتمال نشرها على مواقع الويب الرئيسية. [20] من الممكن الحصول على صور ممتازة مع الفيلم القياسي (باستخدام تصنيفات ISO بين 100 و 400) وكاميرا منعكسة أحادية العدسة بفتحة كاملة وعدسة سريعة (على سبيل المثال f1.4 50 مم) وتعريضات ضوئية بين 10 و 30 ثواني ، حسب سطوع الشفق. [21]

قامت جامعة ساسكاتشوان بعمل مبكر على تصوير الشفق في عام 1949 باستخدام رادار SCR-270.

الشفق القطبي خلال عاصفة مغنطيسية أرضية كانت على الأرجح ناجمة عن طرد كتلة إكليلية من الشمس في 24 مايو 2010 ، مأخوذة من محطة الفضاء الدولية

الشفق القطبي المنتشر المرصود بواسطة الساتل DE-1 من مدار أرضي مرتفع

تحرير أشكال الشفق

وفقًا لكلارك (2007) ، هناك أربعة أشكال رئيسية يمكن رؤيتها من الأرض ، من الأقل إلى الأكثر وضوحًا: [22]

  • خفيف يشعبالقرب من الأفق. يمكن أن تكون قريبة من حد الرؤية ، [23] ولكن يمكن تمييزها عن الغيوم المقمرة لأن النجوم يمكن رؤيتها غير منقوصة من خلال الوهج.
  • بقع أو الأسطح التي تبدو كالغيوم.
  • أقواس منحنى عبر السماء.
  • أشعة هي خطوط فاتحة وداكنة عبر الأقواس ، تصل إلى الأعلى بكميات مختلفة.
  • كوروناس تغطي الكثير من السماء وتبتعد عن نقطة واحدة عليها.

وصف Brekke (1994) أيضًا بعض الشفق القطبي بـ ستائر. [24] غالبًا ما يتم تعزيز التشابه مع الستائر من خلال طيات داخل الأقواس. يمكن للأقواس أن تتشظي أو تتفكك إلى سمات منفصلة ، وفي بعض الأحيان تتغير بسرعة ، وغالبًا ما تملأ السماء بأكملها. هذه معروفة أيضًا باسم الشفق المنفصل، والتي تكون أحيانًا ساطعة بما يكفي لقراءة الجريدة في الليل. [25]

تتوافق هذه الأشكال مع الشفق القطبي الذي يتشكل بواسطة المجال المغناطيسي للأرض. يتم تحديد ظهور الأقواس والأشعة والستائر والكورونا من خلال أشكال الأجزاء المضيئة من الغلاف الجوي وموقع المشاهد. [26]

الألوان والأطوال الموجية للضوء الشفقي تحرير

  • الأحمر: في أعلى ارتفاعاته ، ينبعث الأكسجين الذري المثار عند 630 نانومتر (أحمر) تركيز منخفض من الذرات وانخفاض حساسية العين عند هذا الطول الموجي يجعل هذا اللون مرئيًا فقط في ظل نشاط شمسي أكثر كثافة. إن انخفاض عدد ذرات الأكسجين وتناقص تركيزها تدريجيًا هو المسؤول عن المظهر الخافت للأجزاء العلوية من "الستائر". القرمزي ، القرمزي ، والقرمزي هي أكثر درجات اللون الأحمر المرئية للشفق القطبي.
  • الأخضر: في الارتفاعات المنخفضة ، تؤدي التصادمات الأكثر تكرارًا إلى كبت وضع 630 نانومتر (أحمر): بدلاً من ذلك ، يسود انبعاث 557.7 نانومتر (أخضر). يجعل التركيز العالي نسبيًا للأكسجين الذري وحساسية العين العالية باللون الأخضر الشفق الأخضر هو الأكثر شيوعًا. النيتروجين الجزيئي المثير (النيتروجين الذري نادر بسبب الثبات العالي لـ N2 جزيء) يلعب دورًا هنا ، حيث يمكنه نقل الطاقة عن طريق الاصطدام إلى ذرة الأكسجين ، والتي تشعها بعيدًا عند الطول الموجي الأخضر. (يمكن أيضًا مزج اللونين الأحمر والأخضر معًا لإنتاج درجات اللون الوردي أو الأصفر.) الانخفاض السريع في تركيز الأكسجين الذري إلى أقل من 100 كيلومتر مسؤول عن النهاية المفاجئة للحواف السفلية للستائر. يتوافق كل من الطول الموجي 557.7 و 630.0 نانومتر مع التحولات المحرمة للأكسجين الذري ، وهي آلية بطيئة مسؤولة عن التدرج (0.7 ثانية و 107 ثانية على التوالي) للاشتعال والتلاشي.
  • الأزرق: عند الارتفاعات المنخفضة ، فإن الأكسجين الذري غير شائع ، ويتولى النيتروجين الجزيئي والنيتروجين الجزيئي المتأين دورًا في إنتاج انبعاث الضوء المرئي ، ويشع عند عدد كبير من الأطوال الموجية في كلا الجزأين الأحمر والأزرق من الطيف ، مع 428 نانومتر (أزرق) كونها مهيمنة. تظهر الانبعاثات الزرقاء والبنفسجية ، عادةً عند الحواف السفلية من "الستائر" ، في أعلى مستويات النشاط الشمسي. [27] تكون انتقالات النيتروجين الجزيئي أسرع بكثير من تحولات الأكسجين الذري.
  • الأشعة فوق البنفسجية: الأشعة فوق البنفسجية الصادرة عن الشفق القطبي (داخل النافذة البصرية ولكنها غير مرئية للجميع تقريبًا [التوضيح المطلوب] البشر) مع المعدات اللازمة. كما شوهد الشفق القطبي فوق البنفسجي على المريخ ، [28] كوكب المشتري وزحل.
  • الأشعة تحت الحمراء: الأشعة تحت الحمراء ، بأطوال موجية داخل النافذة البصرية ، هي أيضًا جزء من العديد من الشفق القطبي. [28] [29]
  • الأصفر والوردي مزيج من الأحمر والأخضر أو ​​الأزرق. يمكن رؤية ظلال أخرى من الأحمر ، وكذلك البرتقالي ، في مناسبات نادرة ، الأصفر والأخضر شائع إلى حد ما. [التوضيح المطلوب] نظرًا لأن الأحمر والأخضر والأزرق هي الألوان الأساسية للتركيب الإضافي للألوان ، فمن الناحية النظرية ، قد يكون أي لون ممكنًا عمليًا ، لكن الألوان المذكورة في هذه المقالة تشكل قائمة شاملة تقريبًا.

يتغير مع الوقت تحرير

الشفق القطبي يتغير مع مرور الوقت. تبدأ خلال الليل بالتوهجات والتقدم نحو الهالة ، على الرغم من أنها قد لا تصل إليها. تميل إلى التلاشي بالترتيب المعاكس. [24]

في نطاقات زمنية أقصر ، يمكن للشفق القطبي أن يغير مظهره وشدته ، أحيانًا ببطء شديد بحيث يصعب ملاحظته ، وفي أحيان أخرى ينخفض ​​بسرعة إلى مقياس أقل من الثانية. [25] ظاهرة الشفق القطبي النابض هي مثال على اختلافات الشدة على مدى فترات زمنية قصيرة ، عادةً بفترات تتراوح من 2 إلى 20 ثانية. يترافق هذا النوع من الشفق القطبي عمومًا مع انخفاض ذروة انبعاث الذروة بحوالي 8 كم للانبعاثات الزرقاء والخضراء وسرعات أعلى من المتوسط ​​للرياح الشمسية

تحرير إشعاع شفقي آخر

بالإضافة إلى ذلك ، ينتج الشفق القطبي والذيارات المرتبطة به انبعاثًا راديويًا قويًا يبلغ حوالي 150 كيلو هرتز يُعرف بالإشعاع الكيلومترية الشفقي (AKR) ، والذي تم اكتشافه في عام 1972. [31] الامتصاص الأيوني يجعل AKR يمكن رؤيته من الفضاء فقط. كما تم الكشف عن انبعاثات الأشعة السينية الناتجة عن الجسيمات المرتبطة بالشفق القطبي. [32]

تعديل ضجيج أورورا

تبدأ ضوضاء الشفق القطبي ، المشابهة لضوضاء الطقطقة ، على ارتفاع 70 مترًا (230 قدمًا) فوق سطح الأرض وتنتج عن الجسيمات المشحونة في طبقة عكسية من الغلاف الجوي تكونت خلال ليلة باردة. تُفرغ الجسيمات المشحونة عندما تصطدم جسيمات الشمس بطبقة الانعكاس ، محدثة الضوضاء. [33] [34]

تحرير الشفق غير النموذجي

تحرير ستيف

في عام 2016 ، وصفت أكثر من خمسين ملاحظة علمية للمواطنين ما كان بالنسبة لهم نوعًا غير معروف من الشفق القطبي أطلقوا عليه اسم "STEVE" ، من أجل "تعزيز سرعة الانبعاث الحراري القوي". STEVE ليس شفقًا قطبيًا ولكنه ناتج عن شريط عريض بطول 25 كم (16 ميل) من البلازما الساخنة على ارتفاع 450 كم (280 ميل) ، مع درجة حرارة 6000 كلفن (5،730 درجة مئوية 10،340 درجة فهرنهايت) ويتدفق بسرعة سرعة 6 كم / ث (3.7 ميل / ث) (مقارنة بـ 10 م / ث (33 قدم / ث) خارج الشريط). [35]

تحرير الشفق القطبي

ترتبط العمليات التي تسبب STEVE أيضًا بشفق قطبي اعتصام ، على الرغم من أنه يمكن رؤية الأخير بدون STEVE. [36] [37] إنه شفق لأنه ناتج عن ترسيب الإلكترونات في الغلاف الجوي ولكنه يظهر خارج البيضاوي الشفقي ، [38] أقرب إلى خط الاستواء من الشفق القطبي النموذجي. [39] عندما يظهر الشفق القطبي مع STEVE ، يكون بالأسفل. [37]

تحرير الشفق الكثيب

تم الإبلاغ عنها لأول مرة في عام 2020 [40] [41] وتم تأكيدها في عام 2021 [42] [43] تم اكتشاف ظاهرة الشفق القطبي [44] من قبل علماء فنلنديين. وهو يتألف من خطوط متوازية ومتباعدة بانتظام من انبعاث أكثر إشراقًا في الشفق القطبي الأخضر المنتشر الذي يعطي انطباعًا عن الكثبان الرملية. [45] يُعتقد أن هذه الظاهرة ناتجة عن تعديل كثافة الأكسجين الذري بواسطة موجة جوية واسعة النطاق تنتقل أفقياً في دليل موجي في الغلاف الجوي في وجود ترسيب الإلكترون. [42]

لا يزال الفهم الكامل للعمليات الفيزيائية التي تؤدي إلى أنواع مختلفة من الشفق القطبي غير مكتمل ، لكن السبب الأساسي ينطوي على تفاعل الرياح الشمسية مع الغلاف المغناطيسي للأرض. تنتج الشدة المتغيرة للرياح الشمسية تأثيرات بأحجام مختلفة ولكنها تتضمن واحدًا أو أكثر من السيناريوهات الفيزيائية التالية.

  1. تتفاعل الرياح الشمسية الهادئة التي تتدفق عبر الغلاف المغناطيسي للأرض معها بثبات ويمكنها أن تحقن جزيئات الرياح الشمسية مباشرة على خطوط المجال المغنطيسي الأرضي المفتوحة ، بدلاً من أن تكون `` مغلقة '' في نصف الكرة المعاكس ، وتوفر الانتشار من خلال صدمة القوس .يمكن أن يتسبب أيضًا في ترسب الجسيمات العالقة بالفعل في الأحزمة الإشعاعية في الغلاف الجوي. بمجرد فقدان الجزيئات في الغلاف الجوي من الأحزمة الإشعاعية ، في ظل الظروف الهادئة ، تحل محلها جزيئات جديدة ببطء فقط ، ويصبح مخروط الفقد مستنفدًا. ومع ذلك ، في الذيل المغناطيسي ، يبدو أن مسارات الجسيمات تتغير باستمرار ، ربما عندما تعبر الجسيمات المجال المغناطيسي الضعيف جدًا بالقرب من خط الاستواء. نتيجة لذلك ، يكون تدفق الإلكترونات في تلك المنطقة متماثلًا تقريبًا في جميع الاتجاهات ("الخواص") ويضمن إمدادًا ثابتًا بالإلكترونات المتسربة. لا يترك تسرب الإلكترونات الذيل مشحونًا بشكل إيجابي ، لأن كل إلكترون متسرب يفقد في الغلاف الجوي يتم استبداله بإلكترون منخفض الطاقة يتم سحبه إلى أعلى من طبقة الأيونوسفير. مثل هذا الاستبدال للإلكترونات "الساخنة" بالإلكترونات "الباردة" يتوافق تمامًا مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية. العملية الكاملة ، التي تولد أيضًا حلقة كهربائية حول الأرض ، غير مؤكدة.
  2. يتسبب الاضطراب المغنطيسي الأرضي الناتج عن الرياح الشمسية المعززة في حدوث تشوهات في الذيل المغناطيسي ("العواصف المغناطيسية الفرعية"). تميل هذه "العواصف الفرعية" إلى الحدوث بعد فترات طويلة (في حدود ساعات) يكون خلالها المجال المغناطيسي بين الكواكب مكونًا ملحوظًا باتجاه الجنوب. هذا يؤدي إلى معدل أعلى من الترابط بين خطوط مجالها وخطوط الأرض. نتيجة لذلك ، تحرك الرياح الشمسية التدفق المغناطيسي (أنابيب خطوط المجال المغناطيسي ، 'مقفلة' مع البلازما الموجودة بها) من جانب اليوم من الأرض إلى الذيل المغناطيسي ، مما يؤدي إلى توسيع العقبة التي تمثلها أمام تدفق الرياح الشمسية وتقيد الذيل. على الجانب الليلي. في نهاية المطاف ، يمكن لبعض بلازما الذيل أن تفصل ("إعادة الاتصال المغناطيسي") بعض النقط ("البلازمويدات") يتم ضغطها في اتجاه مجرى النهر وتنقل بعيدًا مع الرياح الشمسية ، بينما يتم ضغط البعض الآخر باتجاه الأرض حيث تغذي حركتها نوبات قوية من الشفق القطبي ، خاصة في منتصف الليل تقريبًا ("التفريغ عملية"). تضيف عاصفة مغنطيسية أرضية ناتجة عن تفاعل أكبر العديد من الجسيمات إلى البلازما المحتجزة حول الأرض ، مما يؤدي أيضًا إلى تعزيز "تيار الحلقة". من حين لآخر ، يمكن أن يكون التعديل الناتج في المجال المغناطيسي للأرض قويًا لدرجة أنه ينتج عنه شفقًا مرئيًا عند خطوط العرض الوسطى ، على خطوط المجال الأقرب إلى خط الاستواء من تلك الموجودة في المنطقة الشفقية.

تفاصيل هذه الظواهر ليست مفهومة تماما. ومع ذلك ، فمن الواضح أن المصدر الرئيسي للجسيمات الشفقية هو الرياح الشمسية التي تغذي الغلاف المغناطيسي ، والخزان الذي يحتوي على مناطق الإشعاع والجسيمات المحاصرة مؤقتًا مغناطيسيًا المحصورة بواسطة المجال المغنطيسي الأرضي ، إلى جانب عمليات تسريع الجسيمات. [46]

تحرير الجسيمات الشفقية

تم اكتشاف السبب المباشر لتأين وإثارة مكونات الغلاف الجوي التي تؤدي إلى انبعاثات شفقية في عام 1960 ، عندما كشفت رحلة صاروخية رائدة من فورت تشرشل في كندا عن تدفق الإلكترونات التي تدخل الغلاف الجوي من الأعلى. [47] منذ ذلك الحين ، تم الحصول على مجموعة واسعة من القياسات بشق الأنفس وبتحسين الدقة بشكل مطرد منذ الستينيات من قبل العديد من فرق البحث التي تستخدم الصواريخ والأقمار الصناعية لاجتياز المنطقة الشفقية. كانت النتائج الرئيسية هي أن الأقواس الشفقية والأشكال الساطعة الأخرى ترجع إلى الإلكترونات التي تم تسريعها خلال 10 آلاف كيلومتر الأخيرة أو نحو ذلك من غرقها في الغلاف الجوي. [48] ​​تظهر هذه الإلكترونات في كثير من الأحيان ، ولكن ليس دائمًا ، ذروة في توزيع طاقتها ، وتفضل محاذاة على طول الاتجاه المحلي للمجال المغناطيسي.

على النقيض من ذلك ، تتمتع الإلكترونات المسؤولة بشكل أساسي عن الشفق المنتشر والنابض بتوزيع الطاقة المتساقط بسلاسة ، وتوزيع الزاوي (زاوية الملعب) لصالح الاتجاهات المتعامدة مع المجال المغناطيسي المحلي. تم اكتشاف النبضات التي تنشأ عند نقطة العبور الاستوائية لخطوط المجال المغناطيسي للمنطقة الشفقية أو بالقرب منها. [49] ترتبط البروتونات أيضًا بالشفق القطبي ، سواء المنفصل أو المنتشر.

الشفق القطبي وتحرير الغلاف الجوي

ينتج الشفق القطبي عن انبعاثات الفوتونات في الغلاف الجوي العلوي للأرض ، فوق 80 كم (50 ميل) ، من ذرات النيتروجين المتأين التي تستعيد إلكترونًا ، وذرات الأكسجين والجزيئات القائمة على النيتروجين تعود من حالة الإثارة إلى الحالة الأرضية. [50] تتأين أو تثار بسبب تصادم الجسيمات المترسبة في الغلاف الجوي. قد تشارك كل من الإلكترونات والبروتونات الواردة. تُفقد طاقة الإثارة داخل الغلاف الجوي عن طريق انبعاث فوتون ، أو عن طريق الاصطدام بذرة أو جزيء آخر:

انبعاثات الأكسجين خضراء أو برتقالية حمراء ، اعتمادًا على كمية الطاقة الممتصة. انبعاثات النيتروجين باللون الأزرق أو الأرجواني أو الأحمر والأزرق والأرجواني إذا استعاد الجزيء إلكترونًا بعد تأينه ، أحمر إذا عاد إلى الحالة الأرضية من حالة الإثارة.

الأكسجين غير معتاد من حيث عودته إلى الحالة الأرضية: يمكن أن يستغرق 0.7 ثانية ليبعث الضوء الأخضر 557.7 نانومتر وما يصل إلى دقيقتين للانبعاث الأحمر 630.0 نانومتر. التصادم مع الذرات أو الجزيئات الأخرى يمتص طاقة الإثارة ويمنع الانبعاث ، وتسمى هذه العملية التبريد الاصطدام. نظرًا لأن الأجزاء العليا من الغلاف الجوي تحتوي على نسبة أعلى من الأكسجين وكثافة جسيمات أقل ، فإن مثل هذه الاصطدامات نادرة بما يكفي لإتاحة الوقت للأكسجين لإصدار الضوء الأحمر. تصبح الاصطدامات أكثر تواترًا في الغلاف الجوي بسبب زيادة الكثافة ، بحيث لا يكون للانبعاثات الحمراء وقت لتحدث ، وفي النهاية ، يتم منع حتى انبعاثات الضوء الأخضر.

هذا هو السبب في وجود تفاضل لوني مع ارتفاع على ارتفاعات عالية يسود الأكسجين الأحمر ، ثم الأكسجين الأخضر والأزرق / البنفسجي / الأحمر ، ثم أخيرًا النيتروجين الأزرق / الأرجواني / الأحمر عندما تمنع الاصطدامات الأكسجين من انبعاث أي شيء. اللون الأخضر هو اللون الأكثر شيوعًا. ثم يأتي اللون الوردي ، وهو مزيج من الأخضر الفاتح والأحمر ، يليه اللون الأحمر النقي ، ثم الأصفر (مزيج من الأحمر والأخضر) ، وأخيراً الأزرق النقي.

ينتج عن ترسيب البروتونات عمومًا انبعاثات ضوئية على شكل ذرات هيدروجين ساقطة بعد اكتساب إلكترونات من الغلاف الجوي. عادة ما يتم ملاحظة الشفق القطبي البروتوني عند خطوط العرض المنخفضة. [51]

تحرير الشفق القطبي والأيونوسفير

ترتبط الشفق القطبي الساطع عمومًا بتيارات بيركلاند (Schield et al. ، 1969 [52] Zmuda and Armstrong، 1973 [53]) ، والتي تتدفق إلى أسفل في الأيونوسفير على جانب واحد من القطب وإلى الخارج على الجانب الآخر. في ما بينهما ، يتصل بعض التيار مباشرة عبر الطبقة الأيونوسفيرية E (125 كم) والباقي ("المنطقة 2") ، ويترك مرة أخرى عبر خطوط المجال الأقرب إلى خط الاستواء ويغلق من خلال "تيار الحلقة الجزئي" الذي يحمله المحاصرون مغناطيسيًا بلازما. الأيونوسفير هو موصل أومي ، لذلك يعتبر البعض أن مثل هذه التيارات تتطلب جهدًا للقيادة ، والذي يمكن لآلية دينامو ، غير محددة حتى الآن ، توفيرها. تشير مجسات المجال الكهربائي في المدار فوق الغطاء القطبي إلى أن الفولتية تصل إلى 40.000 فولت ، وترتفع إلى أكثر من 200000 فولت أثناء العواصف المغناطيسية الشديدة. في تفسير آخر ، التيارات هي النتيجة المباشرة لتسارع الإلكترون في الغلاف الجوي عن طريق تفاعلات الموجة / الجسيمات.

مقاومة الأيونوسفير لها طبيعة معقدة ، وتؤدي إلى تدفق تيار هول ثانوي. من خلال تطور غريب للفيزياء ، فإن الاضطراب المغناطيسي على الأرض بسبب التيار الرئيسي يكاد يلغى ، لذا فإن معظم التأثير الملحوظ للشفق القطبي يرجع إلى تيار ثانوي ، الشفق الكهربائي. يُشتق مؤشر التيار الكهربائي الشفقي (يقاس بالنانوتيسلا) بانتظام من البيانات الأرضية ويعمل كمقياس عام للنشاط الشفقي. استنتج كريستيان بيركلاند [54] أن التيارات تتدفق في الاتجاهين الشرقي والغربي على طول القوس الشفقي ، وأن هذه التيارات المتدفقة من جانب النهار باتجاه منتصف الليل (تقريبًا) سميت فيما بعد بـ "النفاثات الكهربائية الشفقية" (انظر أيضًا تيارات بيركلاند).

الأرض مغمورة باستمرار في الرياح الشمسية ، تدفق مخلخل من البلازما الساخنة الممغنطة (غاز من الإلكترونات الحرة والأيونات الموجبة) تنبعث من الشمس في جميع الاتجاهات ، نتيجة لدرجة حرارة مليوني درجة من الطبقة الخارجية للشمس ، الهالة. تصل الرياح الشمسية الهادئة إلى الأرض بسرعة نموذجية حوالي 400 كم / ثانية ، وكثافة حوالي 5 أيونات / سم 3 وشدة مجال مغناطيسي من حوالي 2-5 نانو تسيل (للمقارنة ، حقل سطح الأرض عادة ما بين 30.000-50.000 نانومتر) . أثناء العواصف المغناطيسية ، على وجه الخصوص ، يمكن أن تكون التدفقات أسرع بعدة مرات ، وقد يكون المجال المغناطيسي بين الكواكب (IMF) أقوى أيضًا. استنتج جوان فاينمان في السبعينيات أن المتوسطات طويلة المدى لسرعة الرياح الشمسية مرتبطة بالنشاط المغنطيسي الأرضي. [55] نتج عملها من البيانات التي جمعتها المركبة الفضائية إكسبلورر 33.

تتكون الرياح الشمسية والغلاف المغناطيسي من البلازما (الغاز المتأين) الذي يوصل الكهرباء. من المعروف (منذ عمل مايكل فاراداي حوالي عام 1830) أنه عندما يوضع موصل كهربائي داخل مجال مغناطيسي بينما تحدث الحركة النسبية في اتجاه يقطعه الموصل عير (أو قطع بواسطة)، عوضا عن على امتداد، خطوط المجال المغناطيسي ، يتم إحداث تيار كهربائي داخل الموصل. تعتمد قوة التيار على أ) معدل الحركة النسبية ، ب) قوة المجال المغناطيسي ، ج) عدد الموصلات المتشابكة معًا د) المسافة بين الموصل والمجال المغناطيسي ، بينما اتجاه التدفق يعتمد على اتجاه الحركة النسبية. تستفيد Dynamos من هذه العملية الأساسية ("تأثير الدينامو") ، وتتأثر جميع الموصلات ، الصلبة أو غير ذلك ، بما في ذلك البلازما والسوائل الأخرى.

ينشأ صندوق النقد الدولي على الشمس ، المرتبط بالبقع الشمسية ، وخطوط مجاله (خطوط القوة) تسحبها الرياح الشمسية. هذا وحده من شأنه أن يميل إلى اصطفافهم في اتجاه الشمس والأرض ، لكن دوران الشمس يوجههم نحو الأرض بنحو 45 درجة لتشكيل دوامة في مستوى مسير الشمس ، المعروف باسم حلزونية باركر. لذلك ترتبط خطوط المجال التي تمر بالأرض عادةً بتلك الموجودة بالقرب من الحافة الغربية ("الطرف") للشمس المرئية في أي وقت. [56]

يجب أن تكون الرياح الشمسية والغلاف المغناطيسي ، باعتبارهما سائلين موصلين للكهرباء في حركة نسبية ، قادرين من حيث المبدأ على توليد تيارات كهربائية عن طريق حركة الدينامو ونقل الطاقة من تدفق الرياح الشمسية. ومع ذلك ، فإن هذه العملية تعوقها حقيقة أن البلازما تعمل بسهولة على طول خطوط المجال المغناطيسي ، ولكنها أقل عمودية عليها بسهولة. يتم نقل الطاقة بشكل أكثر فاعلية عن طريق الاتصال المغناطيسي المؤقت بين خطوط مجال الرياح الشمسية وتلك الموجودة في الغلاف المغناطيسي. من غير المستغرب أن تُعرف هذه العملية بإعادة الاتصال المغناطيسي. كما ذكرنا سابقًا ، يحدث ذلك بسهولة أكبر عندما يتم توجيه المجال بين الكواكب جنوبًا ، في اتجاه مشابه للحقل المغنطيسي الأرضي في المناطق الداخلية لكل من القطب المغناطيسي الشمالي والقطب المغناطيسي الجنوبي.

تكون الشفق القطبي أكثر تواترًا وإشراقًا خلال المرحلة المكثفة من الدورة الشمسية عندما تزيد القذف الكتلي الإكليلي من شدة الرياح الشمسية. [57]

تحرير الغلاف المغناطيسي

يتشكل الغلاف المغناطيسي للأرض من خلال تأثير الرياح الشمسية على المجال المغناطيسي للأرض. يشكل هذا عقبة أمام التدفق ، ويحوله ، على مسافة متوسطة تبلغ حوالي 70.000 كم (11 نصف قطر الأرض أو Re) ، [58] مما ينتج عنه صدمة القوس من 12000 كم إلى 15000 كم (1.9 إلى 2.4 Re) في أعلى المنبع. يبلغ عرض الغلاف المغناطيسي القريب من الأرض في المعتاد 190.000 كيلومتر (30 Re) ، وفي الجانب الليلي يمتد "ذيل مغناطيسي" طويل من خطوط الحقل الممتد إلى مسافات كبيرة (& gt 200 Re).

يمتلئ الغلاف المغناطيسي لخط العرض المرتفع بالبلازما بينما تمر الرياح الشمسية على الأرض. يزداد تدفق البلازما إلى الغلاف المغناطيسي مع زيادة الاضطراب والكثافة والسرعة في الرياح الشمسية. يفضل هذا التدفق مكونًا متجهًا جنوبًا من صندوق النقد الدولي ، والذي يمكنه بعد ذلك الاتصال مباشرة بخطوط المجال المغنطيسي الأرضي ذات خطوط العرض العالية. [59] نمط تدفق بلازما الغلاف المغناطيسي هو أساسًا من الذيل المغناطيسي باتجاه الأرض ، حول الأرض والعودة إلى الرياح الشمسية من خلال فترة التوقف المغناطيسي على جانب النهار. بالإضافة إلى التحرك عموديًا على المجال المغناطيسي للأرض ، تنتقل بعض بلازما الغلاف المغناطيسي لأسفل على طول خطوط المجال المغناطيسي للأرض ، وتكتسب طاقة إضافية وتفقدها في الغلاف الجوي في المناطق الشفقية. إن شرفات الغلاف المغناطيسي ، التي تفصل خطوط المجال المغنطيسي الأرضي التي تغلق عبر الأرض عن تلك التي تغلق عن بعد ، تسمح لكمية صغيرة من الرياح الشمسية بالوصول مباشرة إلى الجزء العلوي من الغلاف الجوي ، مما ينتج عنه توهج شفقي.

في 26 فبراير 2008 ، تمكنت مجسات THEMIS من تحديد ، لأول مرة ، الحدث المسبب لبداية عواصف الغلاف المغناطيسي الفرعية. [60] اثنان من المجسات الخمسة ، تم وضعهما تقريبًا على مسافة ثلث المسافة إلى القمر ، وقاسوا الأحداث التي تشير إلى حدث إعادة الاتصال المغناطيسي قبل 96 ثانية من التكثيف الشفقي. [61]

قد تحدث العواصف الجيومغناطيسية التي تشعل الشفق في كثير من الأحيان خلال الأشهر حول الاعتدالات. هذا غير مفهوم جيدًا ، لكن العواصف المغناطيسية الأرضية قد تختلف باختلاف مواسم الأرض. هناك عاملان يجب مراعاتهما وهما ميل كل من محور الشمس والأرض إلى مستوى مسير الشمس. عندما تدور الأرض على مدار عام ، فإنها تواجه مجالًا مغناطيسيًا بين الكواكب (IMF) من خطوط عرض مختلفة للشمس ، والتي تميل عند 8 درجات. وبالمثل ، فإن الميل 23 درجة لمحور الأرض الذي يدور حوله القطب المغنطيسي الأرضي مع تغير نهاري يغير متوسط ​​الزاوية اليومية التي يقدمها المجال المغنطيسي الأرضي إلى صندوق النقد الدولي الساقط على مدار عام. يمكن أن تؤدي هذه العوامل مجتمعة إلى تغييرات دورية طفيفة بالطريقة التفصيلية التي يربطها صندوق النقد الدولي بالغلاف المغناطيسي. بدوره ، يؤثر هذا على متوسط ​​احتمال فتح الباب [ العامية ] والتي من خلالها يمكن أن تصل الطاقة من الرياح الشمسية إلى الغلاف المغناطيسي الداخلي للأرض وبالتالي تعزيز الشفق القطبي. أظهرت الأدلة الحديثة في عام 2021 أن العواصف الفرعية الفردية المنفصلة قد تكون في الواقع مجتمعات متصلة بالشبكة. [62]

مثلما توجد أنواع عديدة من الشفق القطبي ، هناك العديد من الآليات المختلفة التي تسرع الجسيمات الشفقية في الغلاف الجوي. يمكن تقسيم شفق الإلكترون في المنطقة الشفقية للأرض (أي الشفق المرئي بشكل عام) إلى فئتين رئيسيتين لهما أسباب مباشرة مختلفة: الشفق القطبي المنتشر والمتقطع. يبدو الشفق القطبي المنتشر غير منظم نسبيًا للمراقب على الأرض ، مع حواف غير واضحة وأشكال غير متبلورة. يتم تنظيم الشفق القطبي المنفصل في ميزات مميزة ذات حواف محددة جيدًا مثل الأقواس والأشعة والكورونا ، كما أنها تميل أيضًا إلى أن تكون أكثر سطوعًا من الشفق القطبي المنتشر.

في كلتا الحالتين ، تبدأ الإلكترونات التي تسبب الشفق القطبي في النهاية كإلكترونات محاصرة بواسطة المجال المغناطيسي في الغلاف المغناطيسي للأرض. ترتد هذه الجسيمات المحبوسة ذهابًا وإيابًا على طول خطوط المجال المغناطيسي ويتم منعها من الاصطدام بالغلاف الجوي بواسطة المرآة المغناطيسية المتكونة من زيادة شدة المجال المغناطيسي بالقرب من الأرض. تعتمد قدرة المرآة المغناطيسية على حبس الجسيم على زاوية ميل الجسيم: الزاوية بين اتجاه حركته والمجال المغناطيسي المحلي. يتم إنشاء الشفق من خلال عمليات تقلل من زاوية ميل العديد من الإلكترونات الفردية ، وتحررها من المصيدة المغناطيسية وتسبب في اصطدامها بالغلاف الجوي.

في حالة الشفق المنتشر ، يتم تغيير زوايا ميل الإلكترون من خلال تفاعلها مع موجات البلازما المختلفة. كل تفاعل هو في الأساس موجة-جسيم تشتت طاقة الإلكترون بعد التفاعل مع الموجة يشبه طاقتها قبل التفاعل ، لكن اتجاه الحركة يتغير. إذا كان الاتجاه النهائي للحركة بعد التشتت قريبًا من خط المجال (على وجه التحديد ، إذا كان ضمن مخروط الخسارة) فإن الإلكترون سيضرب الغلاف الجوي. تحدث الشفق القطبي المنتشر بسبب التأثير الجماعي للعديد من الإلكترونات المتناثرة التي تضرب الغلاف الجوي. تتوسط هذه العملية موجات البلازما ، والتي تصبح أقوى خلال فترات النشاط المغنطيسي الأرضي العالي ، مما يؤدي إلى زيادة الشفق القطبي المنتشر في تلك الأوقات.

في حالة الشفق القطبي المنفصل ، تتسارع الإلكترونات المحاصرة نحو الأرض بواسطة الحقول الكهربائية التي تتشكل على ارتفاع حوالي 4000-12000 كم في "منطقة التسارع الشفقي". تشير الحقول الكهربائية بعيدًا عن الأرض (أي لأعلى) على طول خط المجال المغناطيسي. [63] تكتسب الإلكترونات التي تتحرك إلى أسفل عبر هذه الحقول قدرًا كبيرًا من الطاقة (بترتيب بضعة كيلو فولت) في الاتجاه على طول خط المجال المغناطيسي نحو الأرض. يقلل هذا التسارع المحاذي للمجال من زاوية الملعب لجميع الإلكترونات التي تمر عبر المنطقة ، مما يتسبب في إصابة العديد منها بالغلاف الجوي العلوي. على عكس عملية التشتت التي تؤدي إلى انتشار الشفق القطبي ، يزيد المجال الكهربائي من الطاقة الحركية لجميع الإلكترونات التي تنتقل إلى أسفل عبر منطقة التسارع بنفس المقدار. يؤدي هذا إلى تسريع الإلكترونات بدءًا من الغلاف المغناطيسي مع طاقات منخفضة في البداية (10 ثوانٍ من eV أو أقل) إلى الطاقات المطلوبة لإنشاء شفق قطبي (100 ثانية من eV أو أكبر) ، مما يسمح لهذا المصدر الكبير من الجسيمات بالمساهمة في خلق الضوء الشفقي.

تحمل الإلكترونات المتسارعة تيارًا كهربائيًا على طول خطوط المجال المغناطيسي (تيار بيركلاند). نظرًا لأن المجال الكهربائي يشير في نفس اتجاه التيار ، فهناك تحويل صافٍ للطاقة الكهرومغناطيسية إلى طاقة جسيمية في منطقة التسارع الشفقي (حمل كهربائي). يتم توفير الطاقة اللازمة لتشغيل هذا الحمل في النهاية من خلال الرياح الشمسية الممغنطة التي تتدفق حول عقبة المجال المغناطيسي للأرض ، على الرغم من أن كيفية تدفق هذه الطاقة عبر الغلاف المغناطيسي لا تزال مجالًا نشطًا للبحث. [64] في حين أن الطاقة لتشغيل الشفق القطبي مشتق في النهاية من الرياح الشمسية ، فإن الإلكترونات نفسها لا تنتقل مباشرة من الرياح الشمسية إلى خطوط المجال المغناطيسي للمنطقة الشفقية للأرض من هذه المناطق لا تتصل بالرياح الشمسية ، لذلك هناك لا يوجد وصول مباشر لإلكترونات الرياح الشمسية.

يتم أيضًا إنشاء بعض السمات الشفقية بواسطة الإلكترونات التي تسرعها موجات ألفين. في الأطوال الموجية الصغيرة (يمكن مقارنتها بطول القصور الذاتي للإلكترون أو أيون الجيروراديوس) ، تطور موجات ألفين مجالًا كهربائيًا مهمًا موازيًا للحقل المغناطيسي في الخلفية ، مما يؤدي إلى تسريع الإلكترونات بسبب عملية التخميد لانداو. إذا كانت سرعة الإلكترونات قريبة من سرعة طور الموجة ، فإنها تتسارع بطريقة مماثلة لراكب الأمواج الذي يصطاد موجة المحيط. [65] [66] هذا المجال الكهربائي المتغير باستمرار يمكنه تسريع الإلكترونات على طول خط المجال ، مما يتسبب في اصطدام بعضها بالغلاف الجوي. تميل الإلكترونات التي يتم تسريعها بواسطة هذه الآلية إلى امتلاك طيف طاقة واسع ، على عكس طيف الطاقة ذي الذروة الحادة النموذجي للإلكترونات المتسارعة بواسطة الحقول الكهربائية شبه الساكنة.

بالإضافة إلى الشفق الإلكترون المنفصل والمنتشر ، يحدث الشفق القطبي البروتوني عندما تصطدم بروتونات الغلاف المغناطيسي مع الغلاف الجوي العلوي. يكتسب البروتون إلكترونًا في التفاعل ، وتصدر ذرة الهيدروجين المحايدة الفوتونات. الضوء الناتج خافت للغاية بحيث لا يمكن رؤيته بالعين المجردة.الشفق القطبي الآخر الذي لم تتم تغطيته في المناقشة أعلاه يشمل الأقواس القطبية (التي تشكلت في اتجاه القطب من المنطقة الشفقية) ، الشفق القطبي (الذي يتكون في منطقتين صغيرتين على جانبي خط العرض على جانب النهار) وبعض الشفق القطبي غير الأرضي.

يشير اكتشاف يوميات يابانية عام 1770 في عام 2017 تصور الشفق القطبي فوق العاصمة اليابانية القديمة كيوتو إلى أن العاصفة ربما كانت أكبر بنسبة 7٪ من حدث كارينغتون ، الذي أثر على شبكات التلغراف. [67] [68]

ومع ذلك ، يُعتقد أن الشفق الذي نتج عن "العاصفة المغنطيسية الأرضية الكبيرة" في كل من 28 أغسطس و 2 سبتمبر 1859 هو الأكثر إثارة في التاريخ المسجل الحديث. في ورقة إلى الجمعية الملكية في 21 نوفمبر 1861 ، وصف بلفور ستيوارت كلاً من الأحداث الشفقية كما تم توثيقها بواسطة جهاز مغناطيسي مسجل ذاتيًا في مرصد كيو وأثبت الصلة بين العاصفة الشفقية في 2 سبتمبر 1859 وحدث توهج كارينغتون-هودجسون عندما كان لاحظ أنه "ليس من المستحيل افتراض أنه في هذه الحالة تم أخذ نجمنا في الحدث. "[69] الحدث الشفقي الثاني ، الذي وقع في 2 سبتمبر 1859 ، نتيجة التوهج الشمسي شديد الشدة بشكل استثنائي كارينغتون-هودجسون في 1 سبتمبر 1859 ، أنتج الشفق القطبي ، على نطاق واسع وساطع بشكل غير عادي لدرجة أنه تم رؤيته والإبلاغ عنه في القياسات العلمية المنشورة ، وسجلات السفن ، والصحف في جميع أنحاء الولايات المتحدة وأوروبا واليابان وأستراليا اوقات نيويورك أن الشفق القطبي في بوسطن يوم الجمعة 2 سبتمبر 1859 كان "لامعًا جدًا لدرجة أنه في حوالي الساعة الواحدة صباحًا يمكن قراءة الطباعة العادية بالضوء". [70] الساعة الواحدة بتوقيت شرق الولايات المتحدة يوم الجمعة 2 سبتمبر كانت الساعة 6:00 بتوقيت جرينتش كان جهاز التصوير المغناطيسي الذاتي في مرصد كيو يسجل العاصفة الجيومغناطيسية ، التي كانت في ذلك الوقت قبل ساعة واحدة ، بكامل قوتها. بين عامي 1859 و 1862 ، نشر إلياس لوميس سلسلة من تسعة أوراق بحثية عن معرض الشفق الكبير لعام 1859 في المجلة الأمريكية للعلوم حيث قام بجمع تقارير عالمية عن الحدث الشفقي. [6]

يُعتقد أن الشفق القطبي قد نتج عن واحدة من أكثر القذف الكتلي الإكليلي شدة في التاريخ. ومن الملاحظ أيضًا أنها المرة الأولى التي ترتبط فيها ظاهرة النشاط الشفقي والكهرباء بشكل لا لبس فيه. أصبحت هذه الرؤية ممكنة ليس فقط بسبب قياسات مقياس المغناطيسية العلمية للعصر ، ولكن أيضًا نتيجة لجزء كبير من خطوط التلغراف التي كانت في الخدمة والتي تبلغ 125000 ميل (201000 كيلومتر) والتي تعطلت بشكل كبير لعدة ساعات طوال العاصفة. ومع ذلك ، يبدو أن بعض خطوط التلغراف كانت ذات طول واتجاه مناسبين لإنتاج تيار مستحث مغناطيسيًا كافيًا من المجال الكهرومغناطيسي للسماح بالتواصل المستمر مع إمداد طاقة مشغل التلغراف المغلق. [71] حدثت المحادثة التالية بين اثنين من مشغلي خط التلغراف الأمريكي بين بوسطن وبورتلاند بولاية مين ليلة 2 سبتمبر 1859 وتم الإبلاغ عنها في بوسطن ترافيلر:

مشغل بوسطن (إلى مشغل بورتلاند): "يُرجى قطع البطارية [مصدر الطاقة] تمامًا لمدة خمس عشرة دقيقة."
مشغل بورتلاند: "سوف تفعل ذلك. هو الآن غير متصل."
بوسطن: "حزني مفصول ، ونحن نعمل مع التيار الشفقي. كيف تتلقى كتابتي؟"
بورتلاند: "أفضل من بطارياتنا. - التيار يأتي ويذهب تدريجياً."
بوسطن: "التيار قوي جدًا في بعض الأحيان ، ويمكننا العمل بشكل أفضل بدون البطاريات ، حيث يبدو أن الشفق القطبي يحيد بطارياتنا ويزيدها بالتناوب ، مما يجعل التيار قويًا جدًا في بعض الأحيان بالنسبة لمغناطيس الترحيل لدينا. لنفترض أننا نعمل بدون بطاريات بينما نتأثر بهذه المشكلة ".
بورتلاند: "جيد جدًا. هل يمكنني المضي قدمًا في عملي؟"
بوسطن: "انطلق."

استمرت المحادثة لمدة ساعتين تقريبًا بدون استخدام طاقة بطارية على الإطلاق والعمل فقط مع التيار الناجم عن الشفق ، وقيل إن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تسجيل أكثر من كلمة أو كلمتين بهذه الطريقة . [70] مثل هذه الأحداث أدت إلى الاستنتاج العام بأن

إن تأثير الشفق على التلغراف الكهربائي بشكل عام هو زيادة أو تقليل التيار الكهربائي المتولد في تشغيل الأسلاك. في بعض الأحيان ، يعمل على تحييدها تمامًا ، وبالتالي ، في الواقع ، لا يمكن اكتشاف أي سائل [تيار] فيها. يبدو أن الشفق القطبي يتكون من كتلة من المادة الكهربائية ، تشبه من جميع النواحي ، تلك الناتجة عن البطارية الكهربائية الجلفانية. تتغير التيارات منه قادمة على الأسلاك ، ثم تختفي كتلة الشفق القطبي من الأفق إلى ذروته. [72]

وصف المستكشف اليوناني Pytheas الشفق القطبي في القرن الرابع قبل الميلاد. [73] كتب سينيكا عن الشفق القطبي في كتابه الأول Quaestiones الطبيعية، وتصنيفها ، على سبيل المثال pithaei ("مثل البرميل") تشسماتا ("فجوة") بوجونيا ('ملتحي') cyparissae ("مثل أشجار السرو") ، ووصف ألوانها المتعددة. كتب عما إذا كانوا فوق الغيوم أو تحتها ، وأشار إلى أنه تحت طبرية ، تشكل شفق قطبي فوق مدينة أوستيا الساحلية التي كانت شديدة وحمراء لدرجة أن مجموعة من الجيش ، المتمركزة في مكان قريب للقيام بأعمال الإطفاء ، هرعوا لإنقاذهم. . [74] وقد اقترح أن بليني الأكبر يصور الشفق القطبي في صورته تاريخ طبيعيعندما يشير إلى trabes, chasma، "النيران الحمراء المتساقطة" و "ضوء النهار في الليل". [75]

يحتوي تاريخ الصين على سجلات غنية ، وربما أقدم ، للشفق القطبي. في خريف حوالي عام 2000 قبل الميلاد ، وفقًا لأسطورة ، كانت امرأة شابة تُدعى Fubao تجلس بمفردها في البرية بجانب خليج ، عندما ظهرت فجأة "عصابة سحرية من الضوء" مثل "السحب المتحركة والمياه المتدفقة" ، وتحولت إلى ضوء ساطع. هالة حول Big Dipper ، والتي تتلألأ بريق فضي شاحب ، تضيء الأرض وتجعل الأشكال والظلال تبدو حية. متأثرًا بهذا المشهد ، حملت فوباو وأنجبت ابنًا ، الإمبراطور شوانيوان ، المعروف باسم الأسطوري كمبادر للثقافة الصينية وسلف جميع الصينيين. في ال Shanhaijing، مخلوق اسمه "شيلونج" يوصف بأنه مثل تنين أحمر يلمع في سماء الليل بجسم يبلغ طوله ألف ميل. في العصور القديمة ، لم يكن لدى الصينيين كلمة ثابتة للشفق ، لذلك تم تسميته وفقًا لأشكال الشفق المختلفة ، مثل "Sky Dog (" 天狗 ")" ، "Sword / Knife Star (" 刀 星")" و "لافتة Chiyou (" 蚩尤 旗 ")" و "Sky's Open Eyes (" 天 开眼 ")" و "النجوم مثل المطر (" 星 陨 如雨 ")".

في الفولكلور الياباني ، كان الدراجون يعتبرون رسلًا من السماء. ومع ذلك ، زعم باحثون من جامعة الدراسات العليا اليابانية للدراسات المتقدمة والمعهد الوطني للبحوث القطبية في مارس 2020 أن ذيول الدراج الحمراء التي شوهدت عبر سماء الليل فوق اليابان في 620 بعد الميلاد ، قد تكون شفقًا أحمر نتج أثناء عاصفة مغناطيسية. [76]

في تقاليد السكان الأصليين الأستراليين ، عادة ما يرتبط Aurora Australis بالنار. على سبيل المثال ، أطلق شعب Gunditjmara في غرب فيكتوريا على الشفق puae buae ("الرماد") ، بينما كان شعب غوناي في شرق فيكتوريا ينظرون إلى الشفق كحرائق غابات في عالم الأرواح. يقول شعب ديري في جنوب أستراليا أن العرض الشفقي هو كوتشي، روح شريرة تخلق نارًا كبيرة. وبالمثل ، فإن شعب Ngarrindjeri في جنوب أستراليا يشير إلى الشفق الذي شوهد فوق جزيرة الكنغر على أنه نيران المعسكرات للأرواح في "أرض الموتى". يعتقد السكان الأصليون في جنوب غرب كوينزلاند أن الشفق هو حرائق نهر أولا بيكا، أرواح شبحية تحدثت إلى الناس من خلال الشفق. يحظر القانون المقدس على أي شخص باستثناء كبار السن من الذكور مشاهدة أو تفسير رسائل الأسلاف التي يعتقدون أنها تنتقل عبر الشفق القطبي. [77]

في الدول الاسكندنافية ، أول ذكر ل norrljós (الأضواء الشمالية) موجود في السجل النرويجي Konungs Skuggsjá من عام 1230 بعد الميلاد. سمع المؤرخ عن هذه الظاهرة من المواطنين العائدين من جرينلاند ، وقدم ثلاثة تفسيرات محتملة: أن المحيط كان محاطًا بحرائق شاسعة يمكن أن تصلها توهجات الشمس حول العالم إلى جانبها الليلي أو أن الأنهار الجليدية يمكن أن تخزن حتى أنها أصبحت في نهاية المطاف الفلورسنت. [78]

كتب والتر وليام براينت في كتابه كبلر (1920) أن Tycho Brahe "يبدو أنه كان شيئًا من اختصاصي المثلية ، لأنه يوصي بالكبريت لعلاج الأمراض المعدية التي تسببها الأبخرة الكبريتية للشفق القطبي". [79]

في عام 1778 ، وضع بنجامين فرانكلين نظرية في ورقته الشفق القطبي ، الافتراضات والتخمينات نحو تشكيل فرضية لتفسيرها أن الشفق كان ناتجًا عن تركيز شحنة كهربائية في المناطق القطبية كثفتها الثلوج والرطوبة في الهواء: [80] [81] [82]

لا يجوز إذن جلب كمية كبيرة من الكهرباء إلى المناطق القطبية عن طريق السحب ، التي تتكثف هناك ، وتسقط في الثلج ، والتي ستدخل الكهرباء إلى الأرض ، لكنها لا تستطيع اختراق الجليد ، أليس كذلك؟ زجاجة مفرطة الشحن) كسر من خلال ذلك الغلاف الجوي المنخفض وركض في الفراغ فوق الهواء باتجاه خط الاستواء ، متباعدًا مع زيادة درجات خط الطول ، وتكون مرئية بقوة حيث تكون أكثر كثافة ، وتصبح أقل وضوحًا كلما تباعدت أكثر حتى تجد ممرًا إلى الأرض في مناخات أكثر اعتدالاً ، أم تختلط مع الهواء العلوي؟

تم تأكيد ملاحظات الحركة الإيقاعية لإبر البوصلة بسبب تأثير الشفق القطبي في مدينة أوبسالا السويدية بواسطة Anders Celsius و Olof Hiorter. في عام 1741 ، كان Hiorter قادرًا على ربط التقلبات المغناطيسية الكبيرة بشفق قطبي يتم ملاحظته في الأعلى. ساعد هذا الدليل في دعم نظريتهم القائلة بأن "العواصف المغناطيسية" مسؤولة عن مثل هذه التقلبات في البوصلة. [83]

تحيط بالمشهد مجموعة متنوعة من الأساطير الأمريكية الأصلية. سافر المستكشف الأوروبي صمويل هيرن مع تشيبويان ديني في عام 1771 وسجل وجهات نظرهم حول رقيقة إد ('caribou'). وفقًا لـ Hearne ، رأى شعب Dene التشابه بين الشفق القطبي والشرر الناتج عندما يتم ضرب فرو الوعل. كانوا يعتقدون أن الأضواء كانت أرواح أصدقائهم الراحلين وهم يرقصون في السماء ، وعندما أشرقوا بشكل مشرق ، كان ذلك يعني أن أصدقائهم المتوفين كانوا سعداء للغاية. [84]

في الليلة التي أعقبت معركة فريدريكسبيرغ ، شوهد شفق قطبي من ساحة المعركة. أخذ الجيش الكونفدرالي هذا كعلامة على أن الله كان إلى جانبهم ، حيث نادرًا ما شوهدت الأضواء حتى الجنوب. الرسمة الشفق القطبي من قبل فريدريك إدوين تشرش يفسر على نطاق واسع على أنه يمثل صراع الحرب الأهلية الأمريكية. [85]

يقول مصدر بريطاني من منتصف القرن التاسع عشر إن الشفق القطبي كان نادر الحدوث قبل القرن الثامن عشر. [86] ونقلت عن هالي قوله إنه قبل الشفق القطبي لعام 1716 ، لم يتم تسجيل مثل هذه الظاهرة لأكثر من 80 عامًا ، ولم يتم تسجيل أي من أي من النتائج منذ عام 1574. وتقول إنه لم يتم تسجيل أي ظهور في معاملات الأكاديمية الفرنسية للعلوم بين عامي 1666 و 1716. وسجل ذلك الشفق القطبي في منوعات برلين لعام 1797 كان يسمى حدثًا نادرًا جدًا. لوحظ أن واحدة في عام 1723 في بولونيا كانت أول مرة شوهدت هناك. تشير درجة مئوية (1733) إلى أن أقدم سكان أوبسالا كانوا يعتقدون أن هذه الظاهرة نادرة للغاية قبل عام 1716. وتتوافق الفترة ما بين 1645 إلى 1715 تقريبًا مع الحد الأدنى لنشاط البقع الشمسية.

في القصيدة الساخرة لروبرت دبليو سيرفيس "The Ballad of the Northern Lights" (1908) اكتشف منقب يوكون أن الشفق القطبي هو الوهج من منجم الراديوم. يراهن على مطالبته ، ثم يذهب إلى المدينة بحثًا عن مستثمرين.

في أوائل القرن العشرين ، وضع العالم النرويجي كريستيان بيركلاند الأساس [ العامية ] للفهم الحالي للمغناطيسية الأرضية والشفق القطبي.

يمتلك كل من كوكب المشتري وزحل مجالات مغناطيسية أقوى من مجال الأرض (قوة المجال الاستوائي للمشتري هي 4.3 غاوس ، مقارنة بـ 0.3 غاوس للأرض) ، وكلاهما لهما أحزمة إشعاع واسعة. تم رصد الشفق القطبي على كلا الكواكب الغازية ، وبشكل أكثر وضوحًا باستخدام تلسكوب هابل الفضائي ، و كاسيني و جاليليو المركبة الفضائية ، وكذلك على أورانوس ونبتون. [87]

يبدو أن الشفق القطبي على زحل ، مثل شفق الأرض ، يتم تشغيله بواسطة الرياح الشمسية. ومع ذلك ، فإن شفق المشتري أكثر تعقيدًا. يرتبط الشكل البيضاوي الشفقي الرئيسي لكوكب المشتري بالبلازما التي ينتجها القمر البركاني آيو ، ونقل هذه البلازما داخل الغلاف المغناطيسي للكوكب. يتم تشغيل جزء غير مؤكد من الشفق القطبي للمشتري بواسطة الرياح الشمسية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الأقمار ، وخاصة آيو ، هي أيضًا مصادر قوية للشفق القطبي. تنشأ هذه من التيارات الكهربائية على طول خطوط المجال ("التيارات المحاذية للمجال") ، الناتجة عن آلية دينامو بسبب الحركة النسبية بين الكوكب الدوار والقمر المتحرك. Io ، التي لها نشاط بركاني نشط وغطاء مؤين ، هي مصدر قوي بشكل خاص ، كما أن تياراتها تولد أيضًا انبعاثات راديوية ، تمت دراستها منذ عام 1955. باستخدام تلسكوب هابل الفضائي ، تم ملاحظة الشفق القطبي فوق Io و Europa و Ganymede.

كما لوحظ الشفق القطبي على كوكب الزهرة والمريخ. لا يحتوي كوكب الزهرة على مجال مغناطيسي ، ولذلك تظهر الشفق القطبي الزهري كبقع ساطعة ومنتشرة ذات أشكال وكثافة متفاوتة ، موزعة أحيانًا على القرص الكامل للكوكب. [88] ينشأ الشفق القطبي الزهري عندما تصطدم الإلكترونات من الرياح الشمسية بالجو الليلي.

تم اكتشاف شفق قطبي على سطح المريخ ، في 14 أغسطس 2004 ، بواسطة أداة SPICAM على متن Mars Express. يقع الشفق في Terra Cimmeria ، في منطقة 177 درجة شرقًا ، 52 درجة جنوبًا. كان الحجم الإجمالي لمنطقة الانبعاث حوالي 30 كم عرضًا ، وربما يبلغ ارتفاعه حوالي 8 كيلومترات. من خلال تحليل خريطة الشذوذات المغناطيسية القشرية التي تم تجميعها مع بيانات من Mars Global Surveyor ، لاحظ العلماء أن منطقة الانبعاثات تتوافق مع منطقة يوجد فيها أقوى مجال مغناطيسي. يشير هذا الارتباط إلى أن أصل انبعاث الضوء كان عبارة عن تدفق للإلكترونات تتحرك على طول الخطوط المغناطيسية للقشرة وإثارة الغلاف الجوي العلوي للمريخ. [87] [89]

بين عامي 2014 و 2016 ، شوهدت الشفق المذنبي على المذنب 67P / Churyumov-Gerasimenko بواسطة أدوات متعددة على مركبة Rosetta الفضائية. [90] [91] وقد لوحظ الشفق في أطوال موجات فوق بنفسجية بعيدة. كشفت ملاحظات الغيبوبة عن الانبعاثات الذرية للهيدروجين والأكسجين الناتجة عن التفكك الضوئي (وليس التأين الضوئي ، كما هو الحال في الشفق القطبي الأرضي) لجزيئات الماء في غيبوبة المذنب. [91] تفاعل الإلكترونات المتسارعة من الرياح الشمسية مع جزيئات الغاز في الغيبوبة مسؤول عن الشفق القطبي. [91] نظرًا لعدم وجود مجال مغناطيسي للمذنب 67P ، ينتشر الشفق القطبي حول المذنب. [91]

تم اقتراح الكواكب الخارجية ، مثل كواكب المشتري الساخنة ، لتجربة التأين في غلافها الجوي العلوي وتوليد شفق قطبي معدّل بالطقس في طبقات التروبوسفير المضطربة. [92] ومع ذلك ، لا يوجد اكتشاف حالي للشفق القطبي خارج المجموعة الشمسية.

تم اكتشاف أول شفق قطبي خارج الشمس على الإطلاق في يوليو 2015 فوق النجم القزم البني LSR J1835 + 3259. [93] تم العثور على الشفق القطبي الأحمر بشكل أساسي ليكون أكثر سطوعًا بمليون مرة من الشفق القطبي الشمالي ، نتيجة تفاعل الجسيمات المشحونة مع الهيدروجين في الغلاف الجوي. لقد تم التكهن بأن الرياح النجمية قد تجرد المواد من سطح القزم البني لإنتاج إلكتروناتها الخاصة. تفسير آخر محتمل للشفق القطبي هو أن جسمًا لم يتم اكتشافه بعد حول النجم القزم يتخلص من المواد ، كما هو الحال مع كوكب المشتري وقمره آيو. [94]


متى يكون أفضل ملاحظة للشفق القطبي؟

تحدد الأشكال البيضاوية الشفقية البقع على الأرض حيث من المرجح أن يُرى الشفق القطبي ، عادةً في حلقات تدور تقريبًا حول دوائر القطب الشمالي والقطب الجنوبي. تؤثر التغيرات في النشاط الشمسي على الحد الفاصل بين الرياح الشمسية والغلاف المغناطيسي ، وتسبب تذبذبًا في عدد الجسيمات التي تصل إلى الغلاف الجوي للأرض ، وتصبح مرئية لنا على شكل شفق قطبي. في أكثر النقاط ازدحامًا في دورة النشاط الشمسي التي تبلغ 11 عامًا ، يمكن ملاحظة الشفق القطبي على مدى أوسع بكثير من خطوط العرض.

بسبب الاختلافات الشديدة في طول النهار بالقرب من القطبين ، توفر ليالي الشتاء الأطول والأكثر قتامة أفضل ظروف المشاهدة للشفق القطبي.

يحدث الشفق القطبي في كلا نصفي الكرة الأرضية في نفس الوقت ، كما هو موضح في هذه الصورة التي تم التقاطها بواسطة نظام التصوير المرئي القطبي التابع لناسا.

تزيد السماء المظلمة أيضًا من التأثير البصري للشفق القطبي ، لذلك من الأفضل ملاحظتها بعيدًا عن التوهج الجوي للمدن والمواقع الصناعية.

أفضل وقت لمشاهدة الشفق القطبي في القطب الشمالي هو خلال فصل الشتاء في نصف الكرة الشمالي ، وفي القطب الجنوبي خلال فصل الشتاء في نصف الكرة الجنوبي ، عندما توفر الليالي الطويلة والمظلمة أفضل الظروف. هذا ليس لأن الشفق القطبي موسمي - في الواقع ، تكشف صور الأقمار الصناعية أن الشفق القطبي يحدث في وقت واحد في منطقتين قطبيتين من الغلاف المغناطيسي. تشترك الشفق القطبي والشفق الأسترالي في العديد من الخصائص. تعتمد الاختلافات الصغيرة بينهما على القطب الموجه نحو الرياح الشمسية ، وقد تكشف أيضًا عن وجود اختلالات في المجال المغناطيسي للأرض. تم تحديد اعتدال الربيع والصيف على أنهما فترة أخرى من النشاط الشفقي المكثف. يتوقع العلماء أن هاتين النقطتين المرتبطتين في مدار الأرض بالشمس تفضل تفاعل النشاط المغناطيسي بين الجسمين.


ما الذي يسبب الشفق القطبي؟

أولئك الذين يعيشون في خطوط العرض العالية أو يزورونها قد يواجهون في بعض الأحيان أضواء ملونة تتلألأ في سماء الليل. يعتقد بعض الإنويت أن أرواح أسلافهم يمكن رؤيتها وهي ترقص في الشفق القطبي الخافت. في الميثولوجيا الإسكندنافية ، كان الشفق جسر نار إلى السماء بناه الآلهة. هذا العرض الأثيري & # 8211 the الشفق القطبي أو الشفق القطبي، الأضواء الشمالية أو الجنوبية & # 8211 جميلة. ما الذي يسبب ظهور هذه الأضواء؟

تبعد شمسنا 93 مليون ميل. لكن آثاره تمتد إلى ما هو أبعد من سطحه المرئي. ترسل العواصف العاتية على الشمس عواصف من الجسيمات الشمسية المشحونة التي تندفع عبر الفضاء. إذا كانت الأرض في مسار تيار الجسيمات ، يتفاعل المجال المغناطيسي لكوكبنا والغلاف الجوي.

عندما تضرب الجسيمات المشحونة من الشمس الذرات والجزيئات في الغلاف الجوي للأرض ، فإنها إثارة تلك الذرات ، مما يجعلها تضيء.

ماذا يعني أن تكون الذرة متحمسة؟ تتكون الذرات من مركزية نواة وسحابة محيطة بها الإلكترونات تطويق النواة في مدار. عندما تصطدم الجسيمات المشحونة من الشمس بالذرات في الغلاف الجوي للأرض ، تتحرك الإلكترونات إلى مدارات عالية الطاقة ، بعيدًا عن النواة. ثم عندما يعود الإلكترون إلى مدار منخفض الطاقة ، فإنه يطلق جسيمًا من الضوء أو الفوتون.

ما يحدث في الشفق القطبي يشبه ما يحدث في أضواء النيون التي نراها على العديد من لافتات العمل. يتم استخدام الكهرباء ل إثارة الذرات في غاز النيون داخل الأنابيب الزجاجية لإشارة النيون. هذا هو السبب في أن هذه العلامات تعطي ألوانها الزاهية. يعمل الشفق القطبي على نفس المبدأ & # 8211 ولكن على نطاق أوسع بكثير.

عندما تصطدم الجسيمات المشحونة من الشمس بجزيئات الهواء في المجال المغناطيسي للأرض ، فإنها تتسبب في إثارة ذرات تلك الجزيئات. تبعث الجزيئات الضوء أثناء تهدئتها. الصورة عبر وكالة ناسا

غالبًا ما يظهر الشفق على شكل ستائر من الأضواء ، ولكن يمكن أيضًا أن يكون أقواسًا أو لولبية ، وغالبًا ما يتبع خطوط القوة في المجال المغناطيسي للأرض. معظمها أخضر اللون ولكن في بعض الأحيان سترى تلميحًا من اللون الوردي ، وقد تحتوي الشاشات القوية أيضًا على ألوان حمراء وبنفسجية وبيضاء. تُرى الأضواء عادةً في أقصى الشمال - الدول المتاخمة للمحيط المتجمد الشمالي - كندا وألاسكا والدول الاسكندنافية وأيسلندا وجرينلاند وروسيا. لكن العروض القوية للأضواء يمكن أن تمتد إلى خطوط العرض الجنوبية في الولايات المتحدة. وبالطبع ، فإن الأضواء لها نظير في مناطق القطب الجنوبي للأرض.

كانت ألوان الشفق أيضًا مصدرًا للغموض عبر تاريخ البشرية. لكن العلم يقول أن الغازات المختلفة في الغلاف الجوي للأرض تعطي ألوانًا مختلفة عندما تكون متحمسة. يعطي الأكسجين اللون الأخضر للشفق القطبي ، على سبيل المثال. يسبب النيتروجين ألوانًا زرقاء أو حمراء.

لذا فإن سر الشفق القطبي اليوم ليس غامضًا كما كان من قبل. ومع ذلك ، لا يزال الناس يسافرون آلاف الأميال لمشاهدة عروض الضوء الطبيعي الرائعة في الغلاف الجوي للأرض ورقم 8217. وعلى الرغم من أننا نعرف السبب العلمي للشفق القطبي ، إلا أن عرض الضوء الطبيعي المبهر لا يزال بإمكانه إطلاق خيالنا لتصور جسور النار أو الآلهة أو الأشباح الراقصة.

تصوير رسلان ميرزلياكوف. قم بزيارته على Facebook. التقطت جينيفر خوردي هذا الشفق فوق كاتسكيلز في نيويورك. قم بزيارة Jennifer Khordi على Facebook. أورورا غرب ساسكاتون ، بواسطة كولين تشاتفيلد. قال ، & # 8220 كنا على وشك المغادرة لأن الشفق كان مجرد فرقة مملة ، ثم ظهر على قيد الحياة لمدة ساعة تقريبًا أو نحو ذلك & # 8230 لم يكن مرئيًا للغاية ، لكنني التقطت Comet Lovejoy في وسط يسار هذه الصورة . & # 8221 & # 8220 تم التقاط هذه الصورة قبل ساعتين في Nordreisa بالنرويج. كنت أرتدي أفضل ملابسي الشتوية ويمكنني أن أعترف بسهولة أنني كنت أتجمد معظم الوقت على أي حال ، 22 درجة أدناه (-7.6 فهرنهايت) لها هذا التأثير. & # 8221 (يناير 2015). © 2015 Tor-Ivar Næss الشفق القطبي في Vesterlålen ، النرويج بواسطة Stig Hansen التقط مايك تيلور من ولاية مين هذه الصورة في سبتمبر 2014. المزيد عن مايك وهذه الصورة. الصورة © Tor-Ivar Næss عرض أكبر. | الشفق القطبي فوق النرويج وقلعة Steinvikholmen # 8217s بواسطة Hallvor Hobbyfotograf Lillebo. Reisafjorden ، النرويج الاستحمام في الشفق. مصدر الصورة 2014 Tor-Ivar Næss. الصورة عبر WaitForIt عرض أكبر | | مايك تايلور يدعو هذه الصورة ضوء القمر أورورا الثاني. قم بزيارة موقع Taylor Photography عرض أكبر. | أورورا فوق جبل. هود في ولاية أوريغون كما تم التقاطها بواسطة التصوير الفوتوغرافي بن كوفمان. قم بزيارة Ben على Facebook. أورورا في 1 يناير 2014 بواسطة Geir-Inge Bushmann. تُرى الأضواء عادةً في أقصى الشمال - الدول المتاخمة للمحيط المتجمد الشمالي - كندا وألاسكا والدول الاسكندنافية وأيسلندا وجرينلاند وروسيا. شاهد المزيد من الصور من Geir-Inge Bushmann عرض أكبر. | الشفق القطبي رأى كولين تشاتفيلد في ساسكاتشوان ، كندا. عرض أكبر. | الشفق القطبي المذهل ، أو الأضواء الشمالية ، التي رآها كولين تشاتفيلد في ساسكاتشوان ، كندا.

الخلاصة: عندما تضرب الجسيمات المشحونة من الشمس الذرات في الغلاف الجوي للأرض ، فإنها تتسبب في انتقال الإلكترونات في الذرات إلى حالة طاقة أعلى. عندما تعود الإلكترونات إلى حالة طاقة أقل ، فإنها تطلق فوتونًا: الضوء. هذه العملية تخلق الشفق الجميل ، أو الأضواء الشمالية.


الشفقان في نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي غير متطابقين (فيديو)

الشفق غير المتماثل. Polar VIS Earth (J.B.Sigwarth) و IMAGE WIC (S. B. Mende)

في طبيعة رسالة نُشرت في 23 يوليو 2009 ، قدم باحثون نرويجيون أدلة على أن الشفق القطبي في نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي يمكن أن يكون غير متماثل تمامًا. تتناقض هذه النتائج مع الافتراض الشائع بأن الشفق القطبي هو صور معكوسة لبعضها البعض.

تم إجراء الدراسة ذات النتائج المثيرة بواسطة طالب الدكتوراه كارل ماغنوس لوندال والبروفيسور نيكولاي & # 344stgaard في معهد الفيزياء والتكنولوجيا في جامعة بيرغن.

ينتج الشفق القطبي عن الاصطدامات بين الغلاف الجوي للأرض والجسيمات المشحونة كهربائيًا المتدفقة على طول خطوط المجال المغنطيسي الأرضي للأرض. "نظرًا لأن هذه العمليات تحدث فوق نصفي الكرة الأرضية ، يتم إنشاء كل من الضوء الشمالي والجنوبي. حتى الآن افترض الباحثون أن هذه الشفق هي صور معكوسة لبعضها البعض ، ولكن النتائج التي توصلنا إليها تظهر أن هذا ليس هو الحال دائمًا" ، البروفيسور نيكولاي & # 344stgaard يقول.

الشفق القطبي غير المتماثل. الرسوم المتحركة على أساس البيانات التي قدمها إسبن مادسن.

يمكن تنزيل النسخة الكاملة من هذه الرسوم المتحركة هنا.

استخدم الباحثون في جامعة بيرغن بيانات من قمرين صناعيين تابعين لناسا IMAGE و Polar لفحص الضوء الشمالي والجنوبي. في رسالة الطبيعة يقدمون عدة تفسيرات محتملة للنتيجة غير المتوقعة.

يقول كارل ماغنوس لوندال ، طالب الدكتوراه ، "إن التفسير الأكثر منطقية هو التيارات الكهربائية على طول خطوط المجال المغناطيسي. قد تؤدي الاختلافات في التعرض للشمس إلى تيارات بين نصفي الكرة الأرضية ، مما يفسر عدم تطابق الضوء الشمالي والجنوبي".

بالإضافة إلى إنتاج معرفة جديدة حول الشفق القطبي ، فإن النتائج مهمة للباحثين الآخرين الذين يدرسون الفضاء القريب من الأرض.

"تُظهر دراستنا أن البيانات المأخوذة من نصف كرة واحد فقط ليست كافية لتحديد الظروف في النصف الآخر من الكرة الأرضية. وهذا مهم لأن معظم معرفتنا عن الشفق القطبي ، وكذلك العمليات في الغلاف الجوي العلوي في المناطق القطبية ، تستند فقط إلى على بيانات من نصف الكرة الشمالي "، يشير & # 344stgaard.

طبيعة اختارت أيضًا استخدام صورة للضوء الشمالي والجنوبي على غلافهما الأمامي ، مأخوذة من حرف & # 344stgaard و Laundal.


ينتج عن اصطدام الشفق القطبي انفجار ضوئي

هذه خريطة مواقع ومجال الرؤية لعشرين مصورًا للسماء بالكامل تُستخدم لدعم مهمة THEMIS. تم نشر عشرين مصورًا لكل السماء (ASIs) من قبل باحثين من جامعة كاليفورنيا بيركلي ، وجامعة كالجاري ، وجامعة ألاسكا لدعم مهمة THEMIS. الائتمان: THEMIS / جامعة كاليفورنيا في بيركلي

(PhysOrg.com) - قامت شبكة من الكاميرات المنتشرة حول القطب الشمالي لدعم مهمة THEMIS التابعة لوكالة ناسا باكتشاف مذهل حول الشفق القطبي. في بعض الأحيان ، تصطدم ستائر واسعة من الشفق القطبي ، مما ينتج عنه اندفاعات مذهلة من الضوء. تم الكشف عن أفلام هذه الظاهرة في اجتماع الخريف للاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي اليوم في سان فرانسيسكو.

قال عالم الفضاء لاري ليونز من جامعة كاليفورنيا - لوس أنجلوس (UCLA) ، وهو عضو في الفريق الذي قام بهذا الاكتشاف: "تراجعت فكنا عندما شاهدنا الأفلام لأول مرة". "هذه الانفجارات تخبرنا بشيء أساسي للغاية حول طبيعة الشفق."

تحدث الاصطدامات على نطاق واسع لدرجة أن المراقبين على الأرض - مع مجالات رؤية محدودة - لم يلاحظوها من قبل. استغرق الأمر شبكة من الكاميرات الحساسة المنتشرة عبر آلاف الأميال للحصول على الصورة الكاملة.

أنشأت وكالة ناسا ووكالة الفضاء الكندية شبكة من هذا القبيل لـ THEMIS ، باختصار لـ "تاريخ الأحداث والتفاعلات الكبيرة أثناء العواصف الفرعية". يتكون THEMIS من خمسة تحقيقات متطابقة تم إطلاقها في عام 2006 لحل لغز طويل الأمد: لماذا يندلع الشفق القطبي أحيانًا في انفجار ضوئي يسمى عاصفة فرعية؟

تم نشر عشرين مصورًا لكل السماء (ASIs) عبر منطقة القطب الشمالي في ألاسكا وكندا لتصوير الشفق القطبي من الأسفل بينما أخذت المركبة الفضائية عينات من الجسيمات المشحونة والمجالات الكهرومغناطيسية من الأعلى. ستشاهد الكاميرات الموجودة على الأرض والمركبة الفضائية معًا الحركة من كلا الجانبين وتكون قادرة على تجميع السبب والنتيجة معًا - أو هكذا كان يأمل الباحثون. ويبدو أنها قد عملت.

جاء هذا الاختراق في وقت سابق من هذا العام عندما قام الباحث في جامعة كاليفورنيا ، توشي نيشيمورا ، بتجميع أفلام على مستوى القارة من كاميرات ASI الفردية. قال نيشيمورا: "يمكن أن يكون الأمر صعبًا بعض الشيء". "لكل كاميرا طقسها المحلي وظروف الإضاءة الخاصة بها ، والشفق هو مسافات مختلفة عن كل كاميرا. يجب أن أحسب هذه العوامل لست كاميرات أو أكثر في وقت واحد لصنع فيلم متماسك واسع النطاق."

الفيلم الأول الذي عرضه على ليون كان عبارة عن زوج من الشفق يتصادم معًا في ديسمبر 2007. يتذكر ليونز: "لم يكن الأمر مثل أي شيء رأيته من قبل". "على مدى الأيام العديدة التالية ، قمنا باستطلاع المزيد من الأحداث. تصاعدت حماستنا عندما أصبحنا مقتنعين بأن التصادمات كانت تحدث مرارًا وتكرارًا."

ويعتقدون أن انفجارات الضوء هي علامة على حدوث شيء دراماتيكي في الفضاء حول الأرض - على وجه التحديد ، في "ذيل البلازما" للأرض. يبلغ طول ذيل البلازما ملايين الكيلومترات وموجهًا بعيدًا عن الشمس ، ويتكون من جزيئات مشحونة يتم التقاطها بشكل أساسي من الرياح الشمسية. يُطلق عليها أحيانًا اسم "ورقة البلازما" ، ويتم تثبيت الذيل معًا بواسطة المجال المغناطيسي للأرض.

تظهر هذه الرسوم المتحركة ذات الإطارات الثلاثة لصور THEMIS / ASI تصادم الشفق في 29 فبراير 2008. Credit: Toshi Nishimura / UCLA

نفس المجال المغناطيسي الذي يربط الذيل معًا يربطه أيضًا بالمناطق القطبية للأرض. بسبب هذا الارتباط ، يمكن أن تكشف مشاهدة رقصة الشفق القطبي الكثير عما يحدث في ذيل البلازما.

قال عالم مشروع THEMIS ، ديف سيبيك ، من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا ، جرينبيلت ، ماريلاند: "من خلال تجميع البيانات من الكاميرات الأرضية والرادار الأرضي ومركبة THEMIS الفضائية ، أصبح لدينا الآن صورة كاملة تقريبًا لما يسبب الانفجار العواصف الشفقية ، "

حدد ليونز ونيشيمورا تسلسلًا مشتركًا للأحداث. يبدأ بستارة واسعة من الشفق القطبي البطيء الحركة وعقدة أصغر من الشفق سريع الحركة ، متباعدان في البداية. الستارة البطيئة معلقة في مكانها بهدوء ، شبه ثابتة ، عندما تندفع العقدة السريعة من الشمال. تتصادم الشفق ويبدأ ثوران الضوء.

رسم تخطيطي للغلاف المغناطيسي للأرض. الأرض هي الدائرة القريبة من المنتصف ويشار إلى ذيل البلازما باللون الأصفر. الائتمان: لاري ليونز / جامعة كاليفورنيا

كيف يرتبط هذا التسلسل بالأحداث في ذيل البلازما؟ يعتقد ليونز أن العقدة سريعة الحركة مرتبطة بتيار من البلازما خفيفة الوزن نسبيًا تتدفق عبر الذيل. يبدأ التيار في المناطق الخارجية من ذيل البلازما ويتحرك بسرعة نحو الداخل نحو الأرض. تتحرك العقدة السريعة للشفق القطبي بالتزامن مع هذا التيار.

وفي الوقت نفسه ، يتم توصيل الستارة العريضة للشفق القطبي بالحد الداخلي الثابت لذيل البلازما ويغذيها عدم استقرار البلازما هناك. عندما يصل التيار الخفيف الوزن إلى الحد الداخلي لذيل البلازما ، يحدث اندلاع في موجات البلازما وعدم استقرارها. ينعكس تصادم البلازما هذا عن طريق تصادم الشفق فوق القطبين.

تؤكد الرادارات التي تمولها المؤسسة الوطنية للعلوم والموجودة في Poker Flat ، ألاسكا ، و Sondrestrom ، في جرينلاند ، هذه الصورة الأساسية. لقد اكتشفوا مادة أصداء تندفع عبر الغلاف الجوي العلوي للأرض قبل تصادم الشفق القطبي واندلاعه. تتفق أيضًا مركبات THEMIS الخمس. لقد تمكنوا من الطيران عبر ذيل البلازما وتأكيد وجود تدفقات خفيفة الوزن تندفع نحو الأرض.


لماذا تبدو أضواء الشفق في القطب الشمالي والجنوبي مختلفة؟

واشنطن و [مدش] لسنوات عديدة ، افترض العلماء أن الشفق القطبي الذي شوهد حول القطب الشمالي كان مطابقًا للشفق الذي شوهد حول القطب الجنوبي. ترتبط الأقطاب بخطوط المجال المغناطيسي وتنتج العروض الشفقية عن الجسيمات المشحونة المتدفقة على طول خطوط المجال هذه. نظرًا لأن الجسيمات المشحونة تتبع خطوط المجال هذه ، فمن المنطقي أن تكون الشفقان صورًا معكوسة لبعضها البعض.

ومع ذلك ، في عام 2009 ، اكتشف العلماء أن الشفق القطبي يمكن أن يبدو مختلفًا حول القطب الشمالي والقطب الجنوبي ، بما في ذلك وجود أشكال مختلفة ويحدث في مواقع مختلفة - ظاهرة تسمى عدم التناسق.

الآن ، دراسة جديدة في مجلة البحوث الجيوفيزيائية: فيزياء الفضاء، وهو منشور صادر عن الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي ، يشرح كيف يحدث هذا التباين ويسبب الاختلافات في العروض الشفقية بالقرب من أقطاب الأرض و rsquos. وجد البحث الجديد أن الاختلافات في الشفق القطبي ناتجة على الأرجح عن ضغط الأرض والذيل المغناطيسي rsquos - وهو ذيل مغناطيسي يمتد بعيدًا عن كوكبنا - بسبب الرياح الشمسية والمجال المغناطيسي للشمس و rsquos.

عندما يكون المجال المغناطيسي الشمسي الذي يصل إلى الأرض يشير إلى اتجاه الشرق والغرب ، فإنه يتفاعل مع المجال المغناطيسي للأرض و rsquos بشكل مختلف في الشمال والجنوب. يؤدي هذا إلى تحميل غير متماثل للضغط على الأرض والمجال المغناطيسي الحاد ويحدث إمالة في المجال المغناطيسي للأرض و rsquos على الجانب الليلي من الأرض. يفسر الميل لماذا يمكن أن يكون للشفق القطبي أحيانًا أشكال مختلفة ويحدث في مواقع مختلفة في المنطقتين القطبيتين.

يتناقض الاكتشاف الجديد مع النظريات السابقة حول عدم التناسق ، والذي يشير إلى أنه كان ناتجًا عن فصل وإعادة توصيل خطوط المجال المغناطيسي في الأرض والذيل المغناطيسي الحاد ، وهي عملية تسمى إعادة ربط الذيل. وجدت الدراسة الجديدة ، في الواقع ، أن إعادة ربط الذيل يقلل من عدم التناسق.

& ldquo سبب هذا مثير هو أننا اعتقدنا سابقًا أن عدم التناسق في النظام يدخل الغلاف المغناطيسي من خلال آلية تسمى إعادة ربط الذيل ، & rdquo قال Anders Ohma ، مرشح الدكتوراه في جامعة Bergen في النرويج ، والمؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة . & ldquo ما تُظهره هذه الورقة هو أنه من الممكن أن يكون العكس في الواقع: إعادة الاتصال هذه في الذيل المغناطيسي تقلل في الواقع من عدم التناسق. & rdquo

لا يشرح البحث الجديد سبب اختلاف الأضواء الشمالية والجنوبية في سماء الليل فحسب ، بل يساعد العلماء أيضًا على فهم التفاعلات بين الأرض والشمس بشكل أفضل. هذه المعرفة مهمة للتنبؤ الدقيق بموقع وتوقيت أحداث الطقس في الفضاء ، والتي يمكن أن تخلق فوضى لشبكات الكهرباء والأقمار الصناعية ورواد الفضاء في الفضاء.

ورقة ذات صلة في المجلة حوليات الجيوفيزياء يوضح تفاصيل عدم التناسق الذي شوهد خلال عاصفة مغنطيسية أرضية في أغسطس من عام 2001 ، ويوضح أهمية اعتبار الفضاء الجغرافي ، أو التفاعلات بين الشمس والأرض ، كنظام غير متماثل.

& ldquo بدون تضمين هذه التباينات ، سيكون فهمنا لنظام الشمس والأرض بعيدًا عن الاكتمال ولن تكون النماذج قادرة على التنبؤ بدقة بموقع وتوقيت ظواهر الفضاء الجغرافي ، & rdquo قال نيكولاي وأوسلاشستجارد ، الأستاذ ورئيس مركز بيركلاند لعلوم الفضاء في جامعة بيرغن في النرويج ، والمؤلف الرئيسي للدراسة في حوليات الجيوفيزياء.

توليد الشفق القطبي

يولد لب الأرض و rsquos مجالًا مغناطيسيًا يمتد إلى الفضاء الخارجي حول كوكبنا ، ويشكل درعًا مغناطيسيًا يسمى الغلاف المغناطيسي يحمي الأرض من الجسيمات المشحونة القادمة من الشمس. تبعث الشمس مجالها المغناطيسي ، الذي يسمى المجال المغناطيسي بين الكواكب ، أو IMF ، الذي تحمله الرياح الشمسية ويتفاعل مع المجال المغناطيسي للأرض و rsquos.

خلال ظروف معينة ، على جانب أيام الأرض ، يمكن فصل خطوط المجال المغناطيسي بين الكواكب والشمس وخطوط المجال المغناطيسي Earth & rsquos عن بعضها البعض وتقاطعها ، مما يربط المجال المغناطيسي Earth & rsquos بصندوق النقد الدولي. تحرك الرياح الشمسية المتدفقة من الشمس خطوط الحقول المتقاطعة هذه إلى الجانب الليلي من الأرض وتمتد إلى ذيل - يسمى الذيل المغناطيسي - يمتد بعيدًا عن الأرض.

في نهاية المطاف ، يتم فصل خطوط الحقل المتقاطعة هذه عن بعضها البعض وتعاود خطوط الحقل الأرضي الانضمام إلى خطوط الحقل الأرضي ، وتنضم خطوط حقل صندوق النقد الدولي مرة أخرى مع خطوط حقل صندوق النقد الدولي. بمجرد إغلاق خطوط المجال ، فإنها تنطلق مرة أخرى نحو الأرض ، مما يؤدي إلى تسريع الجسيمات القريبة والتسبب في ظهور الشفق القطبي في الغلاف الجوي العلوي للأرض و rsquos.

نظرًا لأن خطوط المجال هذه قد لا تكون خطوط الحقل متصلة ببعضها البعض في الأصل ، فقد اعتقد العلماء أن خطوط الحقل الجديدة هذه قد لا تكون محاذاة بشكل متماثل ، ويمكن أن تكون ملتوية ومتصلة مرة أخرى بالأرض في مواقع مختلفة في نصف الكرة الشمالي والجنوبي. ظنوا أن إعادة الاتصال بالذيل هي التي تسببت في الاختلافات في الشفق القطبي في نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي.

لكن البحث الجديد يظهر أن هذا ليس هو الحال. فحصت الدراسة الجديدة صورًا متعددة للشفق القطبي غير المتماثل في نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي في نفس الوقت وكيف تطورت هذه الشفق مع مرور الوقت ، حتى يتمكنوا من رؤية نفس الظاهرة تحدث مرارًا وتكرارًا. ثم ربطوه بالنشاط في الذيل المغناطيسي.

تظهر الدراسة الجديدة أن عدم التناسق الشفقي ينخفض ​​مع تقدم إعادة ربط الذيل. علاوة على ذلك ، يستمر عدم التناسق حتى في حالة حدوث إعادة اتصال قليلة أو معدومة. لذا ، تظهر الدراسة الجديدة أن إعادة ربط الذيل ليست مسؤولة عن عدم التناسق.

بدلاً من ذلك ، وجد البحث الجديد أن الاختلافات في الضغط الذي يمارس على الذيل المغناطيسي هي التي تسبب هذه الاختلافات الشفقية. يتم ضغط الذيل المغناطيسي باستمرار بواسطة الرياح الشمسية وصندوق النقد الدولي ، وهذا الضغط غير المنتظم عليه من اتجاهات مختلفة هو الذي يسبب الاختلافات في العروض الشفقية عند القطبين. يعتمد الضغط على توجه صندوق النقد الدولي.

تشرح هذه الدراسة كلاً من كيفية إنشاء التباينات وكيفية إزالتها وهي عكس تمامًا ما اعتقدته أنا والعديد من الباحثين ، وقال مايك ليمون ، رئيس تحرير مجلة فيزياء الفضاء JGR. & ldquo ؛ لذلك ، هذه النتيجة هي نوع من الصفقة الكبيرة. & rdquo


شاهد الفيديو: الشفق القطبي. أضواء الشمال (يونيو 2022).


تعليقات:

  1. Venjamin

    فكرتك المفيدة

  2. Beretun

    انت لست على حق. أنا متأكد. دعنا نناقش. أرسل لي بريدًا إلكترونيًا إلى PM.



اكتب رسالة