استاد مشاور : دکتر فرزانه بیات
مدیر مسئول : محمد حداد
سردبیر : مریم فرشباف
محقق : مهدی درونی
مقطع کارشناسی
رشته فیزیک مهندسی
سال 1401-1402
دانشگاه شهید مدنی آذربایجان- تبریز
نشریه ی بتاترون
شاید برای شما هم تماشای شفق های قطبی جذابیت خاص خودش را داشته باشد البته که ما نمی‌توانیم به طور تجربی و از نزدیک این پدیده جذاب را مشاهده کنیم. اما چیزی که در این مورد نظرمان را جلب می‌کند اصل و منشأ این پدیده جذاب است، چگونه بوجود می آید؟ و چه عواملی بران موثر است ؟ در این مقاله سعی خواهیم کرد به این موارد بپردازیم.
مکانیسم شفق قطبی
امروزه مشخص شده است که شفق های قطبی در اثر برخورد ذرات باردار (مثلاً الکترون ها) که در مگنتوسفر یافت می شوند ، با اتم های موجود در جو فوقانی زمین (در ارتفاعات بالای 80 کیلومتر ) ایجاد می شوند. این ذرات باردار معمولاً تا سطوح بین 1000 تا 15 هزار الکترون ولت انرژی می گیرند و با برخورد آنها با اتم های گازهای موجود در جو، اتم ها پرانرژی می شوند. اندکی بعد، اتم ها انرژی به دست آمده خود را به صورت نور ساطع می کنند . نور ساطع شده توسط شفق قطبی تحت تأثیر انتشارات اکسیژن اتمی قرار می گیرد و در نتیجه درخشش مایل به سبز (در طول موج) ایجاد می شود.557.7 نانومتر) و - به ویژه در سطوح انرژی پایین تر و در ارتفاعات بالاتر - درخشش قرمز تیره (در طول موج 630.0 نانومتر). هر دوی اینها انتقال ممنوع الکترونهای اکسیژن اتمی را نشان می دهند که در غیاب برخوردهای جدیدتر، برای مدت طولانی باقی می مانند و دلیل روشن شدن و محو شدن آهسته (0.5-1 ثانیه) پرتوهای شفق هستند. بسیاری از رنگ های دیگر به ویژه آنهایی که از نیتروژن اتمی و مولکولی ساطع می شوند (به ترتیب آبی و بنفش) نیز قابل مشاهده است. با این حال، اینها بسیار سریعتر تغییر می‌کنند و ماهیت دینامیکی واقعی شفق‌های قطبی را آشکار می‌کنند.
شفق های قطبی علاوه بر نور مرئی ، پرتوهای مادون قرمزNIR و IR و فرابنفش (UV) و همچنین اشعه ایکس (مثلاً همانطور که توسط فضاپیمای قطبی مشاهده می شود ) ساطع می کنند. در حالی که انتشار نور مرئی شفق های قطبی را می توان به راحتی بر روی زمین مشاهده کرد، انتشار اشعه ماوراء بنفش و اشعه ایکس به بهترین وجه از فضا قابل مشاهده است، زیرا جو زمین تمایل دارد این انتشارات را جذب و کاهش دهد.
حرف از پلاسما شد اما پلاسما چیست؟
پلاسما حالت چهارم ماده
با حضور بخش قابل توجهی از ذرات باردار در هر ترکیبی از یون‌ها یا الکترون‌ها مشخص می‌شود . این فراوان ترین شکل ماده معمولی در جهان است که بیشتر با ستارگان از جمله خورشید مرتبط است . گسترش به محیط درون خوشه ای نادر و احتمالاً به مناطق بین کهکشانی پلاسما را می توان با حرارت دادن یک گاز خنثی یا قرار دادن آن در معرض میدان الکترومغناطیسی قوی به طور مصنوعی تولید کرد .وجود ذرات باردار باعث می شود پلاسما رسانای الکتریکی باشد ، با دینامیک ذرات منفرد و حرکت ماکروسکوپی پلاسما که توسط میدان های الکترومغناطیسی جمعی کنترل می شود و به میدان های اعمال شده خارجی بسیار حساس است.پاسخ پلاسما به میدان های الکترومغناطیسی در بسیاری از دستگاه ها و فناوری های مدرن مانند تلویزیون های پلاسما یا اچ پلاسما استفاده می شود . بسته به دما و چگالی، تعداد معینی از ذرات خنثی نیز ممکن است وجود داشته باشد، که در این صورت پلاسما جزئی یونیزه نامیده می شود . علائم نئونی و رعد و برق نمونه هایی از پلاسماهای نیمه یونیزه هستند. برخلاف انتقال فاز بین سه حالت دیگر ماده، انتقال به پلاسما نسبتاً به خوبی تعریف نشده است و یک موضوع تفسیر و زمینه است. اینکه آیا درجه ای از یونیزاسیون برای نامیدن یک ماده "پلاسما" کافی است یا خیر، بستگی به پدیده خاصی دارد که در نظر گرفته می شود. پلاسما معمولاً یک محیط شبه خنثی الکتریکی از ذرات مثبت و منفی غیر محدود است (یعنی بار کلی یک پلاسما تقریباً صفر است). اگرچه این ذرات محدود نیستند، اما به معنای عدم تجربه نیرو «آزاد» نیستند. ذرات باردار متحرک جریان های الکتریکی تولید می کنند و هر حرکت یک ذره باردار پلاسما بر میدان های ایجاد شده توسط بارهای دیگر تأثیر می گذارد و تحت تأثیر قرار می گیرد. به نوبه خود، این رفتار جمعی را با درجات مختلفی از تنوع کنترل می کند. پلاسما از سایر حالات ماده متمایز است. به ویژه، توصیف یک پلاسمای کم چگالی صرفاً به عنوان یک "گاز یونیزه" اشتباه و گمراه کننده است، حتی اگر شبیه فاز گاز باشد زیرا هر دو شکل یا حجم مشخصی ندارند.
منبع انرژی نهایی شفق های قطبی باد خورشیدی است که از کنار زمین میگذرند پس به بررسی باد خورشیدی و مگنتوسفر میپردازیم .
باد خورشیدی
زمین دائماً در باد خورشیدی غوطه ور می شود، جریان نادری از پلاسمای داغ (گاز الکترون های آزاد و یون های مثبت) که از خورشید در همه جهات ساطع می شود، نتیجه گرمای میلیون درجه ای خارجی ترین لایه خورشید، یعنی تاج خورشیدی است . . باد خورشیدی معمولاً با سرعتی در حدود 400 کیلومتر بر ثانیه، چگالی حدود 5 یون در سی سی و شدت میدان مغناطیسی حدود 2 تا 5 nT به زمین می رسد ( نانوتسلا ؛ میدان سطح زمین معمولاً 30000-50000 nT است). اینها مقادیر معمولی هستند. در طول طوفان های مغناطیسی ، به ویژه، جریان می تواند چندین برابر سریعتر باشد. میدان مغناطیسی بین سیاره ای (IMF) نیز ممکن است بسیار قوی تر باشد.
 |
باد خورشیدی یا طوفان خورشیدی (به انگلیسی: Solar wind ) جریانی از ذرات یونی (پلاسما) انرژی داری هستند که از طرف خورشید به فضا در تمام جهات ساطع می‌شوند.
مگنتوسفر
مگنتوسفر زمین منطقه فضایی است که میدان مغناطیسی آن بر آن غالب است. مانعی در مسیر باد خورشیدی ایجاد می‌کند که باعث می‌شود در فاصله حدود 70000 کیلومتری به اطراف خود منحرف شود (قبل از رسیدن به آن مرز، معمولاً 12000 تا 15000 کیلومتر بالادست، یک شوک کمانی ایجاد می‌شود ) . عرض مانع مغناطیسی کره زمین، به طور معمول 190000 کیلومتر است، و در سمت شب، یک "دم مغناطیسی" طولانی از خطوط میدان کشیده تا فواصل بسیار گسترده است. هنگامی که باد خورشیدی مختل می شود، انرژی و مواد را به راحتی به مگنتوسفر منتقل می کند. الکترون‌ها و یون‌های موجود در مگنتوسفر که به این ترتیب انرژی می‌گیرند، در امتداد خطوط میدان مغناطیسی به سمت مناطق قطبی جو حرکت می‌کنند و باعث ایجاد شفق می‌شوند.
 |
و اما
منشا شفق قطبی
منبع انرژی نهایی شفق قطبی باد خورشیدی است که از کنار زمین می گذرد.هم مگنتوسفر و هم باد خورشیدی از پلاسما (گاز یونیزه) تشکیل شده اند که می تواند الکتریسیته را هدایت کند. به خوبی شناخته شده است (از زمان کار مایکل فارادی در حدود سال 1830) که اگر دو رسانای الکتریکی در یک میدان مغناطیسی غوطه ور شوند و یکی نسبت به دیگری حرکت کند، در حالی که یک مدار الکتریکی بسته وجود داشته باشد که هر دو هادی را رشته کند، آنگاه جریان الکتریکی ایجاد می شود . در آن مدار ژنراتورها یادینام‌های الکتریکی از این فرآیند (" اثر دینام ") استفاده می‌کنند ، اما رساناها همچنین می‌توانند پلاسما یا سیالات دیگر باشند.
به طور خاص، باد خورشیدی و مگنتوسفر دو سیال رسانای الکتریکی با چنین حرکت نسبی هستند و باید (در اصل) بتوانند جریان های الکتریکی را با "عمل دینام" تولید کنند، در این فرآیند همچنین انرژی از جریان باد خورشیدی استخراج می شود. این فرآیند به دلیل این واقعیت که پلاسماها به راحتی در امتداد خطوط میدان مغناطیسی هدایت می شوند، اما نه به راحتی عمود بر آنها، مختل می شود. بنابراین مهم است که یک اتصال مغناطیسی موقت بین خطوط میدان باد خورشیدی و خطوط مگنتوسفر توسط فرآیندی به نام اتصال مجدد مغناطیسی برقرار شود . این امر به آسانی با شیب خطوط میدان بین سیاره ای به سمت جنوب اتفاق می افتد، زیرا خطوط میدان در شمال زمین تقریباً با جهت خطوط میدان نزدیک قطب مغناطیسی شمالی مطابقت دارند (یعنیبه زمین)، و به طور مشابه در نزدیکی قطب جنوب. در واقع، شفق‌های قطبی فعال (و «طوفان‌های فرعی» مرتبط) در چنین مواقعی بسیار محتمل‌تر هستند.جریان های الکتریکی که به این شکل منشا می گیرند ظاهراً به الکترون های شفق انرژی می دهند. پلاسمای مگنتوسفر دارای تعداد زیادی الکترون است: برخی به صورت مغناطیسی به دام افتاده اند، برخی در دم مغناطیسی ساکن هستند و برخی در امتداد رو به بالا یونوسفر وجود دارند که ممکن است (با کاهش چگالی) حدود 25000 کیلومتر در اطراف زمین گسترش یابد.شفق‌های درخشان عموماً با جریان‌های بیرکلند مرتبط هستند (شیلد و همکاران، 1969؛ [زمودا و آرمسترانگ، 1973 ) که در یک طرف قطب به داخل یونوسفر جریان می‌یابند و از طرف دیگر به بیرون می‌روند. در این بین، مقداری از جریان مستقیماً از طریق لایه E یونوسفر (125 کیلومتر) متصل می شود. بقیه ("منطقه 2") منحرف می شوند، دوباره از طریق خطوط میدان نزدیکتر به استوا خارج می شوند و از طریق "جریان حلقه جزئی" که توسط پلاسمای به دام افتاده مغناطیسی منتقل می شود، بسته می شوند. یونوسفر یکهادی اهمی استبنابراین چنین جریانهایی نیاز به ولتاژ محرکی دارند که مکانیزم دینام می تواند آن را تامین کند. کاوشگرهای میدان الکتریکی در مدار بالای کلاهک قطبی ولتاژهایی در حد 40000 ولت را نشان می دهند که در طوفان های مغناطیسی شدید تا بیش از 200000 ولت افزایش می یابد. مقاومت یونوسفر ماهیت پیچیده ای دارد و منجر به جریان ثانویه هال می شود . با پیچ و تاب عجیبی از فیزیک، اختلال مغناطیسی روی زمین ناشی از جریان اصلی تقریباً از بین می رود، بنابراین بیشتر تأثیر مشاهده شده شفق ها به دلیل جریان ثانویه، جت الکتریکی شفق است. یک شاخص الکتروجت شفق (اندازه‌گیری شده در نانوتسلا) به طور منظم از داده‌های زمینی به دست می‌آید و به عنوان یک معیار کلی برای فعالیت شفق قطبی عمل می‌کند.با این حال، مقاومت اهمی تنها مانع جریان جریان در این مدار نیست. همگرایی خطوط میدان مغناطیسی در نزدیکی زمین یک «اثر آینه‌ای» ایجاد می‌کند که بیشتر الکترونهای رو به پایین (جایی که جریان‌ها به سمت بالا جریان می‌یابند) را برمی‌گرداند و ظرفیت حمل جریان را مهار می‌کند. برای غلبه بر این، بخشی از ولتاژ موجود در امتداد خط میدان ظاهر می‌شود ("موازی با میدان")، به الکترون‌ها کمک می‌کند تا با گشاد کردن بسته‌ای از مسیرهایی که به زمین می‌رسند بر آن مانع غلبه کنند. یک "ولتاژ موازی" مشابه در دستگاه های نگهدارنده پلاسما "آینه پشت سرهم" استفاده می شود. یکی از ویژگی های چنین ولتاژی این است که در نزدیکی زمین متمرکز است (پتانسیل متناسب با شدت میدان؛ پرسون، 1963 ).و در واقع، همانطور که توسط ایوانز (1974) استنباط شد و توسط ماهواره ها تأیید شد، بیشتر شتاب شفق قطبی زیر 10000 کیلومتر رخ می دهد. یکی دیگر از شاخص‌های میدان‌های الکتریکی موازی در امتداد خطوط میدان، پرتوهایی از یون‌های O+ هستند که روی خطوط میدان شفق مشاهده می‌شوند.
در حالی که این مکانیسم احتمالاً منبع اصلی کمان های شفق شناخته شده است، تشکیلاتی که از زمین نمایان می شوند، انرژی بیشتری ممکن است به انواع دیگر شفق های قطبی کمتر برجسته، مانند شفق منتشر و الکترون های کم انرژی که در طوفان های مغناطیسی رسوب می کنند، برود. برخی از یون های O+ ("مخروط") نیز به نظر می رسد به روش های مختلف توسط فرآیندهای پلاسمایی مرتبط با شفق تسریع می شوند. این یون ها توسط امواج پلاسما، در جهت هایی که عمدتاً عمود بر خطوط میدان هستند، شتاب می گیرند. بنابراین آنها از "نقاط آینه ای" خود شروع می کنند و فقط می توانند به سمت بالا حرکت کنند. همانطور که آنها این کار را انجام می دهند، "اثر آینه" جهت حرکت آنها را تغییر می دهد، از عمود بر خط به دراز کشیدن روی مخروطی در اطراف آن، که به تدریج باریک می شود.علاوه بر این، شفق قطبی و جریان‌های مرتبط با آن یک تشعشع رادیویی قوی در حدود 150 کیلوهرتز ایجاد می‌کنند که به عنوان تابش کیلومتر شفقی شناخته می‌شود (AKR، کشف شده در سال 1972). جذب یونوسفر باعث می شود AKR فقط از فضا قابل مشاهده باشد.این "ولتاژهای موازی" الکترون ها را به انرژی شفق شتاب می دهند و به نظر می رسد منبع اصلی شفق باشند. مکانیسم‌های دیگری نیز پیشنهاد شده‌اند، به ویژه امواج آلفون ، حالت‌های موجی شامل میدان مغناطیسی که برای اولین بار توسط هانس آلفون (1942) مورد اشاره قرار گرفت، که در آزمایشگاه و در فضا مشاهده شده‌اند. با این حال، سؤال این است که آیا این ممکن است روشی متفاوت برای نگاه کردن به فرآیند بالا باشد، زیرا این رویکرد منبع انرژی متفاوتی را نشان نمی‌دهد، و بسیاری از پدیده‌های حجیم پلاسما را نیز می‌توان برحسب امواج آلفون توصیف کرد.فرآیندهای دیگری نیز در شفق دخیل هستند و هنوز چیزهای زیادی برای آموختن باقی مانده است. الکترونهای شفقی که توسط طوفان‌های ژئومغناطیسی بزرگ ایجاد می‌شوند، اغلب به نظر می‌رسد که انرژی کمتر از 1 کیلو ولت دارند و در ارتفاعات بالاتر، نزدیک به 200 کیلومتر متوقف می‌شوند. چنین انرژی های کم عمدتاً خط قرمز اکسیژن را تحریک می کند، به طوری که اغلب چنین شفق هایی قرمز هستند. از سوی دیگر، یون‌های مثبت نیز در چنین زمانی با انرژی‌های 20 تا 30 کو به یونوسفر می‌رسند، که نشان می‌دهد ممکن است در امتداد خطوط میدان مغناطیسی یون‌های فراوان «جریان حلقه‌ای» که در چنین مواقعی توسط فرآیندهایی شتاب می‌شوند، «سرریز» باشند. متفاوت از مواردی که در بالا توضیح داده شد.
 |
فرآیندهای اساسی که منجر به شفق های قطبی می شوند در اینجا نشان داده شده اند، از (a) ذرات باد خورشیدی که در میدان مغناطیسی زمین به دام می افتند، (b) "اتصال مجدد مغناطیسی" خطوط میدان مغناطیسی به هم فشرده می شوند، (c) ذرات به دام افتاده در آن میدان. خط به جو می ریزد و (d) شفق های قطبی تولید می کند.
با تشکر از نگاه گرمتان
پایان
