شفق قطبی

[Sardar]

 [fade]مقدمه [/fade] 

در عرضهای بالای زمین ، آسمان شب ، بصورت درخشانی به شکل متحرک روشن می‌شود که شفق قطبی نامیده می‌شود. آنها شفاف هستند و می‌توان ستاره‌ها را از داخل آنها مشاهده کرد. اغلب نور آنها به قدری می‌درخشد که می‌توان نوشتجات را خواند و رنگ آنها همیشه سبز مایل به زرد نیست. شفق قطبی شمالی و شفق قطبی جنوبی را می‌توان در هر شب روشن مشاهده کرد و شدت نور آنها متغیر بوده و تابع تعدادی پارامتر است. راه شیری توسط یک شفق قطبی روشن ، دیده نمی‌شود.

همچنین آشکار است که شفق قطبی به هنگام روز بوجود می‌آید، بطوری که نور آن همواره در اتمسفر عرضهای بالا انتشار می‌یابد. وجود شفق قطبی چندین قرن است که مورد شناسایی قرار گرفته است. در اوایل تصور می‌شد که شفق قطبی ناشی از بازتاب نور خورشید توسط یخهای فطبی است. نظریه دیگری عبارت از روشن شدن آسمان توسط خدایان بوده است. امروزه نظریه ذرات باردار شتاب‌دار مسئول این پدیده شناخته شده‌اند.

  قطبی چگونه تشکیل می‌شود؟  

نیروهای لورنتس که موجب انحراف مسیر الکترونها در میدان های مغناطیسی می‌شود در بسیاری از پدیده‌های طبیعی تجلی می‌یابند و فقط با یاری گرفتن از این نیروها توضیح آنها ممکن است. یکی از تماشایی‌ترین و با شکوهترین پدیده‌ها از این نوع شفق قطبی است، که مشخصه عرضهای جغرافیایی بالا , نزدیکیهای شمال یا جنوب مدار قطبی است. پدیده شگفت آور و زیبایی که در طول شب قطبی طولانی در آسمان دیده می‌شود.

آسمان تابان می‌شود و نقشهایی با رنگها و شکلهای گوناگون دیده می‌شود. گاهی دارای شکل کمان یکنواخت ، ساکن یا تپنده است و گاهی عبارت است از شمار زیادی پرتو با طول موجهای متفاوت ، که مانند پرده‌ها و نوارها بازی می‌کنند و پیچ و تاب می‌خورند. رنگ تابانی از سبز مایل به زرد به سرخ و بنفش مایل به خاکستری تغییر می‌کند. طبیعت و منشأ شفقهای قطبی زمان درازی به کلی پوشیده مانده بود. تا اینکه به تازگی برای این راز توضیح رضایت بخشی پیدا شد.


ارتفاع شفقهای قطبی

قبل از همه ، دانشمندان موفق شدند ارتفاعی را که شفقهای قطبی ظاهر می‌شوند، تعیین کنند. به این منظور از یک تابانی از دو نقطه به فاصله چند ده کیلومتر از یکدیگر عکس گرفتند. به کمک چنین عکسهایی ثابت کردند که شفقهای قطبی در ارتفاع 80 تا 100 کیلومتری بالای زمین (بیشتر اوقات در ارتفاع 100 کیلومتر) ظاهر می‌شوند. به این ترتیب دریافتند که شفقهای قطبی تابانی گازهای رقیق موجود در جو زمین هستند، که تا اندازه‌ای به تابانی در لامپ های تخلیه گاز شبیه می‌باشند.

دوره تناوب ظهور شفق های قطبی

رابطه جالب بین شفقهای قطبی و پدیده‌های دیگر روشن است. شفقهای قطبی با دوره‌های متفاوت مشاهده می‌شوند. اختلاف دوره‌های شفق قطبی بعضی اوقات به چندین سال می‌رسد. مشاهدات چندین ساله آشکار ساخته‌اند که دوره‌های زیادی ماکزیمم شفقهای قطبی بطور مرتب در 11.5 سال تکرار می‌شوند . در طول این مدت ، شماره شفقهای قطبی نخست سال به سال کاهش می‌یابد و سپس شروع می‌کند به زیاد شدن تا مقدار آن در 11.5 سال از نو به ماکزیمم می‌رسد.

سایر پدیده‌های زیبای جوی

مشاهده سطح خورشید ، از خیلی پیش ، وجود لکه های تار و نامنظمی را روی قرص آن آشکار ساخته اند که اغلب شکل و جایشان عوض می شود، معلوم شده است که تعداد و مساحت کل این لکه ها از سالی به سال دیگر ، نه به طور کاتوره ای بلکه با همان دوره 11.5 سال , تغییر می کنند . در این فرایند , ماکزیمم لکه های خورشیدی ، یا فعالیت خورشیدی ماکزیمم ، همزمان با شفق قطبی ماکزیمم عارض می شوند و نابودی آنها نیز با هم هماهنگ می باشد.

تعداد توفانهای مغناطیسی به ماکزیمم خود می‌رسد. در سالهای اخیر رابطه مشابهی بین فعالیت خورشیدی (تعداد لکه‌های خورشیدی) و شرایط انتشار امواج رادیویی در لایه‌های بالای جو اثبات شده است. بنابراین مسأله ، علاوه بر معنای نظری محض ، اهمیت عملی نیز پیدا کرده است.

فرضیه بیرکلند در مورد لکه‌های خورشیدی

بیرکلند (B. Birkeland) دانشمند نروژی با مقایسه نتایج اخیر این فرضیه را مطرح کرد که لکه‌های خورشیدی ناحیه‌هایی هستند که آنها باریکه‌های ذرات باردار (الکترونها) به داخل فضای اطراف گسیل می‌شوند. این ذرات با رسیدن به لایه‌های بالای جو زمین ، از طریق برخوردهای الکترون در این لایه‌ها ، مشابه تخلیه گاز در لوله ، گازها را به تابانی وا می‌دارند. این الکترونها همچنین روی میدان مغناطیسی زمین و شرایط انفجار امواج رادیویی مجاور زمین اثر می‌گذارند.

اگر نظریه بیرکلند درست باشد، چرا شفقهای قطبی در عرضهای بالا ، یعنی در نواحی نزدیک به قطبها مشاهده می‌شوند؟ در صورتی که می‌دانیم پرتوهای خورشید تمام سطح زمین را روشن می‌کنند. پاسخ این پرسش را استرمر (Stermer) ، دانشمند نروژی دیگر پیدا کرد. ذرات باردار گسیل شده از خورشید به جو زمین می‌رسند و به درون میدان مغناطیسی آن نفوذ می‌کنند. در آنجا نیروی لورنتس بر آنها اثر می‌کند و آنها را از مسیر اولیه خود منحرف می‌سازد. استرمر محاسبات ریاضی پیچیده‌ای انجام داد و مسیر این الکترونها را در میدان مغناطیسی زمین حساب کرد. او نشان داد که ذرات باردار منحرف شده توسط میدان مغناطیسی زمین ، به یقین فقط به نواحی قطبی کره زمین وارد می‌شوند.

این نظریه که در انحراف ذرات باردار در میدان مغناطیسی زمین نیروی لورنتس را به حساب می‌آورند، با شمار زیادی از نتایج آزمایشگاهی به خوبی همخوانی دارد و در حال حاضر پذیرش همگانی یافته است. هر چند به تازگی برای توضیح کمی تمامی این دیدگاه دشواریهایی بروز کرده است.

یک پرسش و یک پاسخ:

اگر نظریه بیرکلند درست باشد، چرا شفق های قطبی در عرض های بالا ، یعنی در نواحی نزدیک به قطب ها مشاهده می شوند؟ در صورتیکه می دانیم پرتوهای خورشید تمام سطح زمین را روشن می کنند. پاسخ این پرسش را استرمر (Stermer) ، دانشمند نروژی دیگر پیدا کرد. ذرات باردار گسیل شده از خورشید به جو زمین می رسند و به درون میدان مغناطیسی آن نفوذ می کنند. در آنجا نیروی لورنتس بر آنها اثر می کند. و آنها را از مسیر اولیه خود منحرف می سازد.
استرمر محاسبات ریاضی پیچیده ای انجام داد و مسیر این الکترون ها را در میدان مغناطیسی زمین حساب کرد. او نشان داد که ذرات باردار منحرف شده توسط میدان مغناطیسی زمین ، به یقین فقط به نواحی قطبی کره زمین وارد می شوند.

کاربرد ویژه نیروی لورنتس:

این نظریه که در انحراف ذرات باردار در میدان مغناطیسی زمین نیروی لورنتس را به حساب می گیرد، با شمار زیادی از نتایج آزمایشگاهی به خوبی همخوانی دارد و در حال حاضر پذیرش همگانی یافته است. هر چند به تازگی برای توضیح کمی تمامی این دیدگاه دشواریهایی بروز کرده است.

جو «زمین»
جو زمین لایه ای از گازها است که که زمین را احاطه کرده اند که این گازها بوسیله جاذبه زمین نگهداشته شده اند. جو زمین شامل نیتروژن (78.1%) و اکسیژن (20.9%) همراه مقدار کمی از آرگون (0.9%)، دی اکسید کربن (متغیر، ولی حدود 0.035%) ، بخار آب ودیگر گازها می شود. جو زمین موجودات روی زمین را از طریق جذب اشعه فرابنفش خورشید و کم کردن دمای بالای بین روز و شب محافظت می کند.

مرز دقیقی بین لایه های جو وجود ندارد ولی جو به سرعت با افزایش ارتفاع رقیق می شود و هیچ مرز مشخصی بین جو و فضای خارج از جو وجود ندارد. 75% از جو زمین تا ارتفاع 11 کیلومتر از سطح سیاره وجود دارد. در ایالات متحده کسانی که به بالای 50 مایل (80 کیلومتر) سفر کنند فضانورد شناخته می شوند. ارتفاع 400000 پا (75 مایل یا 120 کیلومتر) جایی است که تاثیر قابل توجهی هنگام ورود به آن می گذارد.همچنین ارتفاع 100 کیلومتری یا 62 مایلی به عنوان مرز بین اتمسفر و فضا به طور مکرر استفاده می شود.

دما و لایه های جوی

دمای جو زمین همراه با ارتفاع تغییر می کند؛ رابطه ریاضی بین دما وارتفاع مابین لایه های مختلف جومتغیر است:

تراپوسفر- 0- 17/7 کیلومتر، دما با افزایش ارتفاع کم می شود.

استراتوسفر- 17/7 -50 کیلومتر، دما با افزایش ارتفاع زیاد می شود.

مزوسفر- 50 – 85/80 کیلومتر، دما با افزایش ارتفاع کم می شود.

ترموسفر- 85/80 - +640 کیلومتر دما با افزایش ارتفاع زیاد می شود.

اگزوسفر

مرزهای بین این مناطق تروپوپوز، استراتوپوز و مزوپوز نامگذاری شده اند.
میانگین دمای جو در سطح زمین 14 درجه سانتی گراد است.

فشار

فشار جو نتیجه مستقیمی از وزن هواست. این به این معنی است که به همراه مکان و زمان تغییر می کند چون مقدار (و وزن) هوای بالای زمین به همراه مکان و زمان تغییر می کند. فشار جوی در اتفاع حدود 5 کیلومتری تقریبا به اندازه 50% سقوط می کند. میانگین فشار جو در سطح دریا حدود 101.3 کیلو پاسکال است.(حدود 14.7 پوند بر اینچ مربع)

جرم و جرم حجمی

جرم حجمی هوا در سطح دریا حدود 1.2 کیلو گرم بر متر مکعب است. این جرم حجمی با افزایش ارتفاع کم و به همین صورت فشار آن کاهش می یابد. مجموع جرم جو زمین در حدود 5.1 × 1018 کیلوگرم است که بخش بسیار ناچیزی از کل جرم زمین را تشکیل می دهد.جرم حجمی فشار جو زمین با افزایش ارتفاع تغییر می کنند. این تغییر تقریبا می تواند نمونه کاربردی Barometric formula باشد.


[External Link Removed for Guests][External Link Removed for Guests]