شفق قطبي

أضواء الشفق القطبي، قاعدة أيلسون الجوية، ألاسكا.

الشفق القطبي Aurora، هو مزيج من الألوان الخلابة التي تتشكل على القطب الشمالي للكرة الأرضية ويعرف أيضاً بالفجر القطبي أو الأضواء الشمالية، وهو من الظواهر الجميلة التي تضفي البهجة على ناظرها. ويتكون الشفق القطبي من انعكاسات الاشعة المنبثقة من الشمس والقادمة إلى الأرض نتيجة تفاعلات طبقة الكرونا حيث يستقطب مركز ثقل القطب تلك الأشعة التي تظهر لمن يشاهدها على شكل شفق بالوان خلابه.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الوصف

يظهر عادة العرض الشفقي بُعيد غروب الشمس، حيث يحتل الأفق الشمالي قوس شفاف يستمر حتى نصف ساعة ثم يبدأ بالتحرك عالياً في السماء آخذاً باللمعان أكثر كلما ارتفع ، ويبدأ خلفه قوس آخر جديد بالتكون منفصلاً عن سابقه وهكذا ، وبينما تأخذ هذه الأقواس بالارتفاع تتولد بينها انثناءات وحلقات تصبح لامعة فيما بعد ، ثم بعد وقت طويل أو قصير يبدأ الشفق بالتلاشي.

وللشفق شكلان أساسيان هما الشكل الشريطي والشكل الغيمي. وعادة ما يبدأ العرض الشفقي في السماء بشكله الشريطي عدة مئات من الكيلومترات ، ويبلغ عرضه شرقاً وغرباً عدة آلاف من الكيلومترات حيث يظهر ذلك واضحاً عند مقارنته مع خلفية النجوم التي تظهر صغيرة مقارنة بمساحته العظيمة، وأما سماكته فتصل عدة مئات من الأمتار فقط. [1]

وتدعى الانثناءات التي تتكون نتيجة ارتفاع الشفق في السماء الأقواس الهادئة (Rayed Arcs) وبازدياد النشاط الشفقي تنطبق الانثناءات الكبيرة على الصغيرة منها مكونة ما يدعى الزمر الشعاعية (Rayed Bands) يصل عرضها عشرات الكيلومترات. وبازدياد آخر للنشاط ينبعث من الزمر الشعاعية لون وردي ويصبح عرضه عدة آلاف من الكيلومترات، وحالما يتوقف النشاط الشفقي يعاود الشفق شكله الشريطي وتحتفي كل الانثناءات التي كانت موجودة، أو أن يتحول الشفق إلى شكله الغيمي الغير المنتظم. ويظهر الشفق القطبي بألوان مختلفة يغلب عليها الأخضر والأحمر والبنفسجي والأصفر ، وأما بقية الألوان فهي مزيج من الألوان الأساسية.

ولمعرفة كيف يحدث الشفق القطبي ، علينا أن نعرف ماذا يحدث على سطح الشمس وماذا يحدث حول الأرض وكيف يتفاعلان معاً.


الشمس

صورة للأضواء الجنوبية للشفق القطبي من الفضاء.
Red and green Aurora in Fairbanks, Alaska

تتكون الشمس من ثلاث طبقات ، الطبقة الضوئية (Photosphere) واللونية (Chromosphere) والإكليل (Corona) . فخلال أوج النشاط الشمسي في دورته كل إحدى عشرة سنة (كما سيكون عام 2012 القادم)، يكثر على سطح الشمس ما يعرف بالبقع الشمسية ، توجد في الطبقة الضوئية وهي العلامة الواضحة للنشاط الشمسي. وهذه البقع هي اضطرابات في المجال المغناطيسي للشمس تظهر دائماً في مجموعات تعيش ساعات أو أيام أو ربما شهراً كاملاً. ويرافق البقع الشمسية ما يعرف بالنتوءات الشمسية ( Solar Prominences) والتي هي انفجارات على سطح الشمس ترتفع مسافة 500,000 كيلومتراً عن سطح الشمس وترى خلال الكسوف الكلي للشمس ، وتعتبر جزءاً من الطبقة اللونية. إلا أن الصياخد Solar Flares)) أشد قوة وانفجاراً من النتوءات وتظهر بلونها الأبيض قريبة من البقع الشمسية، حيث تمتلك الواحدة منها طاقة تعادل مليوني مليار طن من مادة T.N.T ، وإذا ما شوهدت أثناء الكسوف الشمسي فإنها ترتفع فوق سطح الشمس لكنها نادراً ما ترى إذ إنها لا تعيش أكثر من دقائق. والصياخد مسؤولة عن إرسال الأشعة السينية وأشعة جاما والأشعة المرئية بالإضافة إلى شلالات من البروتونات والإلكترونات ذات الطاقات العالية جداً والتي تتدفق كل ثانية باتجاه المجموعة الشمسية.

25 Second exposure of the Aurora Australis from Amundsen-Scott S.P.S.

وفوق الطبقة اللونية التي تمتد حوالي عشرة آلاف كيلومتراً يأتي الإكليل الشمسي الذي يمتد عشرة أضعاف قطر الشمس إلى الخارج، وهو عبارة عن الذرات الفردية المرشوقة من سطح الشمس إلى أعلى. وبينما تسير هذه الجسيمات باتجاه الخارج، فإن الإكليل يحتل حجماً أكبر وأكبر ويصبح أقل كثافة، ونتيجة لذلك فإن إضاءته تخف إلى أن تتلاشى كلياً. وهذا لا يعني أن الجسيمات المشحونة قد توقفت عن المسير، بل إنها تمتد حتى تغمر الكواكب الداخلية والمشتري وزحل وربما تصل بلوتو، وعندها تأخذ اسماً جديداً هو الرياح الشمسية (Solar Wind) . وتتغذى الرياح الشمسية بشكل رئيسي من الصياخد بحيث تتكون من البروتونات والإلكترونات ذات الطاقات العالية، وتصل درجة حرارة الإكليل حوالي مليوني درجة مئوية.

المجال المغناطيسي الأرضي وأحزمة فان ألن الإشعاعية

Aurora australis in Antarctica

تمثل الأرض قطعة مغناطيسية ذات قطب شمالي وآخر جنوبي تربط بينهما خطوط القوى المغناطيسية المتجهة من القطب الجنوبي باتجاه القطب الشمالي. ويميل المحور المغناطيسي الأرضي عن المحور الجغرافي بمقدار 11.6 درجة، فيمر بذلك 400 كيلومتراً بعيداً عن مركز الأرض، وينتهي بنقطتين على سطحها تدعيان القطبين المغناطيسيين Geo-Magnetic Points) وتقع الشمالية منها شمال جرينلاند وبالتحديد عند خطي طول 104 درجة غرباً وعرض 78.5 درجة شمالاً، ولكنه نتيجة للرياح الشمسية القادمة باتجاه الأرض فإن مجال الأرض المغناطيسي ينحصر داخل تجويف عظيم يدعى الغلاف المغناطيسي (Magnetosphere) ويحيط بالأرض على شكل مذنب فتنضغط خطوط المجال المغناطيسي بشكل حاد من ناحية الشمس، بينما تمتد خارجاً بالاتجاه المعاكس مشكلة ذيلاً مغناطيسياً طويلاً يصل حوالي ستة ملايين كيلومتراً.

Schematic of Earth's magnetosphere

وعند وصول الجسيمات المشحونة إلى الأرض فإنها تقع في أسر المجال المغناطيسي فتبدأ بالتردد بحركة لولبية الشكل بين نقطتين قريبتين من القطبين المغناطيسيين عند خط عرض 70-75 درجة شمالاً وجنوباً بسرعة كبيرة تتراوح بين (0.1-3.0) في ثانية بحيث تتدفق الإلكترونات شرقاً والبروتونات غرباً حول الأرض مشكلة أحزمة ذات مقطع هلالي تدعى أحزمة فان ألن الإشعاعية نسبة إلى الفيزيائي جيمس فان ألن (James Van Allen) الذي كان أول من تنبأ بحساباته بشكل هذه الأحزمة بعد النتائج التي جاءت بها مركبتا الفضاء (Explorer 1&3) سنة 1958.

وهما حزامان ، الأول صغير نسبياً وقريب، حيث يبعد ثلاثة آلاف كيلومتراً فقط عن سطح الأرض، ويتكون بشكل رئيسي من بروتونات ذات طاقات عالية، والثاني أبعد وأكبر، ( على بعد 20000 كيلومتراً ) ويتكون بشكل رئيسي من إلكترونات وبروتونات ذات طاقات منخفضة.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ميكانيكية الشفق

Aurora australis 1994 from latitude 47 degrees south

عند حدوث النشاط الشمسي فإن ظهور البقع الشمسية تعني وجود المئات من الصياخد الملتهبة التي تصل درجة حرارتها أكثر من عشرة آلاف درجة مئوية، وبهذا فإنها تبعث بمختلف إشعاعاتها فتزيد من حدة الإكليل الشمسي الذي يرى خلال الكسوف الشمسي الكلي كألسنة لهب مبتعدة عنها، والإكليل يعني الريح الشمسية القوية التي تغمر المجموعة الشمسية، فعند وصولها الأرض تمتلئ أحزمة فان ألن بالجسيمات المشحونة من بروتونات وإلكترونات فتفيض الأحزمة بها، ونتيجة للسرعة التي تتحرك بها هذه الجسيمات المشحونة فإنها ما أن تصل نقطتي التردد القطبيتين لا تقف لترتد بالاتجاه المعاكس إنما تستمر في اختراق تلك المنطقة التي هي تقاطع الغلاف الأيوني للأرض بالجسيمات المتفلتة من الأحزمة لتعطينا شكلاً بيضاوياً حول نقطة القطب المغناطيسي يدعى النطاق الشفقي خاصة إذا نظرنا إليه من أعلى الفضاء.

The Aurora Borealis as viewed from the ISS Expedition 6 team. Lake Manicouagan is visible to the bottom left.

والإلكترونات هي الجسيمات المعنية هنا حيث تمتلك طاقات عالية جداً نتيجة تسريعها على طول الذيل المغناطيسي باتجاه الأرض، وعند اختراقها للغلاف الأيوني الأرضي الذي يتكون من مختلف العناصر وفي مقدمتها النيتروجين والهيدروجين فإنها تتفاعل مع ذرات هذه العناصر مهيجة إلكتروناتها إلى مدارات طاقة أعلى، وبرجوعها تنبعث الإشعاعات الضوئية بألوانها المختلفة. فالمسؤول المباشر عن اللونين الأخضر والأحمر هو الأكسجين، والمسؤول عن اللونين الأزرق والبنفسجي هو النيتروجين وكلها ذرات مهيجة. وبالإضافة إلى هذه الألوان، فإن ثمة أصوات مرافقة للعروض الشفقية تسمع في بعض الأحيان كذلك.

ظاهرة الشفق القطبي

ويتخذ النطاق الشفقي الشكل البيضوي كما ذكرنا، وفي حال ازدياد النشاط الشمسي وحدوث عاصفة شمسية - كما هو متوقع خلال السنتين القادمتين-فإن هذا النطاق يتمدد باتجاه خط الإستواء حتى يصل خطوط عرض تصل 35 درجة شمالاً أو جنوباً أو أدنى من ذلك ، وعندها يمكن لسكان تلك المناطق التمتع بمشاهدة العروض الشفقية كما حدث عام 1989 في ولاية فكتوريا بأستراليا والتي تقع على خط عرض 35 جنوباً لما حدثت العاصفة الشمسية.

الشفق القطبي في الخيال

Aurora australis (September 11, 2005) as captured by NASA's IMAGE satellite, digitally overlaid onto the Blue Marble composite image.

و من الشعوب التي حاكت الأساطير حول هذه الظاهرة الطبيعية شعب الإسكيمو الذي يعتقد ان الشفق ما هو الا كائن حي فضولي. "اذا ما تحدثت بصوت خافت ، سوف تقترب لتحاول اشباع فضولها."

Jupiter aurora. The bright spot at far left is the end of field line to Io; spots at bottom lead to Ganymede and Europa.

اما بالنسبة للرومان ، فاورورا هي الهة الفجر و هي أخت القمر ، و التي تعد آلهة هي الاخرى. تقول الأسطورة الرومانية أن أورورا تقطع السماء في عربتها قبيل الفجر يسبقها ابنها - نسيم الصباح - معلنة قدوم عربة أبوللو - إله الموسيقى و النور و الفطنة - حاملة شمس اليوم الجديد.

DEaurora.gif


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

انظر أيضا

وصلات خارجية

المصادر

  • "Secrets of the Polar Aurora"
  • "Exploration of the Earth's magnetosphere" - overview of the magnetosphere, including auroras; and including extensive bibliographies of scientific articles
  • Eather, Robert H. (1980). Majestic Lights: The Aurora in Science, History, and The Arts. Washington, DC: American Geophysical Union. ISBN 0-87590-215-4. (323 pages)
  • Syun-Ichi Akasofu (2002). "Secrets of the Aurora Borealis". Alaska Geographic Series. Graphic Arts Center Publishing Company. 29 (1). Unknown parameter |month= ignored (help)
  • Savage, Candace Sherk (1994 / 2001). Aurora: The Mysterious Northern Lights. San Francisco: Sierra Club Books / Firefly Books. ISBN 0-87156-419-X. Check date values in: |year= (help) (144 pages)
  • Phillips, Tony (October 21 2001). "'tis the Season for Auroras". NASA. Retrieved 2006-05-15. Check date values in: |date= (help)