فوران هاي خورشيدي و اثرات آن

براي درك بهتر فوران هاي خوشيد، در آغاز چند مفهوم مرتبط را مرور مي كنيم. باد خورشيدي جرياني از ذرات باردار (اغلب پروتون و الكترون) است كه با سرعتي حدود چند صد كيلومتر بر ثانيه از خوشيد به سمت نواحي بيروني منظومه ي شمسي در حركت است. در حالت عادي، چگالي پروتون هاي باد خورشيدي در نزديكي زمين چند ذره در سانتي متر مكعب و سرعت آن ها نزديك به 500 كيلومتر بر ثانيه است. بر اثر فوران مواد در انفجارهاي سطح خورشيد، چگالي و سرعت اين ذرات چند مرتبه ي بزرگي تغيير مي كند. علاوه بر بادهاي خورشيدي، پرتوهاي كيهاني هم ذرات باردار پُرانرژي را روانه ي جوّ زمين مي كنند. پرتوهاي كيهاني شاري از الكترون ها و يون هاي باردار است كه به طور پيوسته از اعماق فضا به ما مي رسند. مثلاً پرتوهاي كيهاني با انرژي اي حدود چند GeV شاري در حدود يك ذره بر متر مربع بر ثانيه دارند. بادهاي خورشيدي بخش كم انرژي پرتوهاي كيهاني را در مرزهاي بيروني منظومه ي شمسي متوقف مي كنند. آن چه در بزرگ ترين انفجارهاي خورشيدي روي مي دهد، دو برابر كردن شار پرتوهاي كيهاني براي ساكنان زمين طي مدت چند ساعت است. بنابراين ذرات بارداري كه از فضا مي رسند به طور پيوسته زمين را بمباران مي كنند. ميدان مغناطيسي زمين شبيه آهن ربايي بزرگ است. دو كمربند مغناطيسي زمين در فاصله هاي 3700 و 15600 كيلومتري از سطح زمين قرار دارند. مغناط كُره ي زمين (كمربند وان آلن) براي ذرات بارداري كه به زمين مي رسند عملكردي شبيه به عدسي محدب دارد؛ اين ذرات به طور مستقيم به سطح زمين برخورد نمي كنند، بلكه به سمت قطب هاي مغناطيسي زمين كانوني مي شوند.
برخي ذرات در اين پديده از مسير اوليه منحرف، و از زمين دور مي شوند. اين گروه از ذرات در بخشي از مغناط كره، كه رو به خورشيد است، يك جبهه شوك كماني (bow shock) ايجاد مي كنند و پلاسما در پايين دست اين موج (در راستاي دور شدن از خورشيد) متراكم مي شود. جبهه شوك ايجاد شده تا حدّي شبيه به ديوار صوتي است كه هواپيماهاي پُرسرعت ايجاد مي كنند. گروه ديگري از ذرات باردار گرد خطوط ميدان مغناطيسي (كه به سمت قطب ها هم گرا مي شوند) حركت مي كنند. اين گروه از ذرات باردار در نواحي نزديك قطب هاي مغناطيسي زمين (خليج هادسون در كانادا در نيم كره ي شمالي و مكاني در نزديكي قطب جنوب) به لايه هاي پاييني جوّ مي رسند. از آن جايي كه چگالي هوا در جوّ زمين به صورت نمايي با كم شدن ارتفاع افزايش مي يابد، ذرات باردار در لايه هاي پايين جوّ برخوردهاي بيشتري با اتم ها و مولكول ها انجام مي دهند. بر اثر اين برخوردها انرژي ذره ي اوليه كاهش مي يابد. بعضي از اتم ها و مولكول ها طي اين فرآيند به ترازهاي بالاتر از تراز پايه مي روند يا يونيزه مي شوند. اين دسته از ذرات حين بازگشت به تراز پايه انرژي را به صورت نور آزاد مي كنند. بخش مرئي اين نور شفق قطبي ناميده مي شود. تابش هاي ضعيف تري هم در بخش هاي فرابنفش طيف الكترومغناطيس ايجاد مي شود. شدت اين تابش هاي ثانويه(1) (در طول موج هاي فرابنفش و حتي ايكس) به انرژي ذره ي بارداري كه به جوّ وارد مي شود بستگي دارد. ذرات بارداري كه از خورشيد سرچشمه مي گيرند، اغلب آن چنان پُرانرژي نيستند كه ميزان چشمگيري پرتو ثانويه ي ايكس در جوّ زمين توليد كنند. با وجود اين، پروتون هاي پُرانرژي، كه از خورشيد مي رسند، آن قدر انرژي دارند كه ميزان محسوسي تابش ثانويه ي فرابنفش ايجاد كنند.

 

شراره هاي قوي حتي در نور مرئي هم مشاهده پذيرند. انرژي رها شده در يك شراره از مرتبه ي يك ميليارد برابر انرژي يك بمب اتمي و معادل يك ميليون برابر انرژي زمين لرزه اي به بزرگي 9 ريشتر است. از آن جا كه نور در همه ي طول موج ها با سرعت يكساني حركت مي كند، هم زمان با مشاهده ي يك شراره در طول موج مرئي پرتوهاي پُرانرژي تر آن هم به زمين مي رسند. به عبارت ديگر، فرصتي براي اعلان خطر وجود ندارد. البته بيشتر اين پرتوهاي پُرانرژي در جوِّ، به ويژه در لايه ي اُزُن، جذب مي شوند(2). منظور از پرتوهاي پُرانرژي، نور در طول موج هاي فرابنفش، ايكس و گاماست. اين دسته پرتوها براي سلامتي انسان زيان بارند.
گروه كوچكي از شراره ها منجر به فوران پلاسماي داغ از سطح خورشيد مي شوند. فوران مواد شبيه به بزرگ شدن و انفجار يك «حباب» بزرگ است. قطر اين حباب در بعضي موارد بيش از يك ميليون كيلومتر است. آهنگ اين فوران ها بين چند عدد در هفته تا چند عدد در روز متغير است. بر اثر اين رويداد،‌ شاري از الكترون ها و يون ها با سرعتي در حدود هزار كيلومتر بر ثانيه به راه مي افتد كه طي يك تا دو روز به محدوده ي مدار زمين مي رسند. از اين گروه، بسياري از انفجارها ذراتي با انرژي به قدر كافي زياد گسيل نمي كنند. درنتيجه ذرات باردار نمي توانند به طور كامل از جوّ زمين بگذرند و به سطح زمين برسند. «ضخامت» جوّ براي اين ذرات باردار پُرانرژي چنان است كه گويي بايد از يك لايه سيمان به قطر سه متر بگذرند. در چنين لايه ي ضخيمي الكترون ها و پروتون هاي پُرانرژي بر اثر برخوردهاي مكرّر با تعداد فزاينده ي اتم ها و مولكول هاي جوّ، ‌آبشاري از ذرات ثانويه توليد مي كنند. هرچه اين آبشار ذرات باردار گسترده تر شود،‌ انرژي ذرات آن كمتر مي شود تا آن جا كه فرآيند متوقف مي شود. كوتاه ترين بازه ي زماني ثبت شده بين وقوع انفجار در خورشيد و رسيدن ذرات باردار به زمين در حدود 18 ساعت است. ورود اين ذرات به مغناط كره ي زمين باعث ايجاد طوفان مغناطيسي مي شود. در نتيجه يون كره ي زمين تأثير مي گيرد و مخابرات راديويي با اشكال مواجه مي شود. دقت كنيد كه راستاي فوران ماده هميشه در امتداد مسير زمين نيست بنابراين هر انفجاري خطرناك محسوب نمي شود. در بيشتر انفجارها، يكي از نشانه ها ايجاد تابش هاي نواحي قطبي (شفق) است. به عبارت ديگر در برخي موارد اثرات طوفان مغناطيسي را مشاهده مي كنيم ولي شفق هاي قطبي را نه. تابش هاي قطبي به طور معمول هم مشاهده مي شوند ولي بر اثر رسيدن ذرات باردار پُرانرژي از خورشيد و ورود آن ها به كمربند مغناطيسي زمين، شدت و مدت زمان شفق ها به ميزان چشمگيري افزايش مي يابد. در مواردي تا چند ساعت تابش پيوسته هم گزارش شده است. اين تابش ها بخش بزرگي از آسمان را در بر مي گيرند و رنگ هاي مختلفي دارند. بسته به انرِژي اين فوران ها، برخي اوقات تابش هاي قطبي در عرض هاي جغرافيايي پايين تر هم مشاهده مي شوند ولي به طور معمول ويژه ي عرض هاي جغرافيايي بالا هستند؛ مناطقي مانند ملبورن در نيم كره ي جنوبي، و كانادا و شمال اروپا و آمريكا در نيم كره ي شمالي. در موارد نادر، شفق هاي قطبي از عرض هاي جغرافيايي پايين تر، مثل جنوب ايتاليا،‌ هم مشاهده شده اند. آثار غيرمستقيم اين پديده مانند اختلال هاي راديويي در عرض هاي پايين تر،‌ مانند قاهره، هم ثبت شده است. از ساير آثار فوران هاي خورشيدي مي توان به تأثير آن ها بر ماهواره ها و فضاپيماهاي سرنشين دار اشاره كرد.

رده بندي انفجارهاي خوشيدي
 

انفجارهاي خورشيدي را بر حسب ميزان تابش آن ها در طول موج هاي ايكس طبقه بندي مي كنيم. ماهواره هاي GOES به طور منظم ميزان تابش فرابنفش و ايكس خورشيد را اندازه گيري مي كنند. شديدترين فوران خورشيد در چند دهه ي اخير به 7 آبان 1382/ 29 اكتبر 2003 باز مي گردد. شاخص 28X اين رويداد ركورددار قوي ترين تابش ايكس مشاهده شده از انفجارهاي خورشيدي است. اين شاخص معياري لگاريتمي از مجموع تابش ثبت شده بين يك تا هشت آنگستروم است. يك فوران 0/1X تابش ايكسي معادل يك دهم ميلي وات بر متر مربع دارد. در نتيجه شار تابش ايكس براي يك فوران 28X معادل 2/8 ميلي وات بر متر مربع است. براي شناخت بزرگي اين عدد بايد آن را با تابش زمينه، كه همواره وجود دارد، مقايسه كرد: تابش زمينه (در طول موج هاي ايكس) هزار برابر كمتر از تابش يك فوران 0/1X است؛ يعني يك دهم ميكرووات بر متر مربع.

نمونه هايي از فوران هاي ثبت شده
 

فوران 28 آگوست 1859 ميلادي يكي از بزرگ ترين رويدادهاي ثبت شده در 150 سال اخير است. اين انفجار خورشيدي موجب مختل شدن خطوط تلگراف در مناطق وسيعي از دنيا شد. مطابق قانون القاي فارادي، تغيير ميدان مغناطيسي در يك مدار بسته موجب القاي جريان الكتريكي مي شود (بسته به وضعيت تغيير ميدان، اين جريان القايي ممكن است متناوب يا مستقيم باشد). در نتيجه بر اثر ورود ذرات باردار و ايجاد شدن ميدان مغناطيسي متغير، اختلاف پتانسيل محسوسي در خطوط تلگراف (در زمان هاي قديم) و خطوط انتقال نيرو (در عصر كنوني) القا مي شود. در برخي گزارش هاي مربوط به فوران هاي خورشيدي، ولتاژ القاشده در خطوط تلگراف تا بيش از 500 ولت گزارش شده است (نيويورك تايمز، 26 سپتامبر 1909).
توماس اديسون در 6 فروردين 1319/ 25 مارس 1940، هم زمان با رؤيت شفق ها، كسري ولتاژي معدل 1500 ولت را در سه مولّد الكتريكي در نيويورك مشاهده كرد. اين مشكل در برخي موارد منجر به سوختن فيوزها يا آتش سوزي در مراكز تلگراف شده بود. از ساير آثار طوفان هاي مغناطيسي مي توان به اختلال يا قطع سيگنال هاي راديويي اشاره كرد. در برخي موارد دوره ي اختلال هاي ناشي از طوفان مغناطيسي تا چند روز گزارش شده است. در يك نمونه ي كم سابقه در 22 اسفند 1367/ سيزده مارس 1989، جريان هاي القايي در خطوط انتقال برق موجب از كار افتادن نيروگاه برق آبي هيدرو كبك در كانادا شدند. در پي اين حادثه، شش ميليون نفر از دسترسي به برق محروم شدند. چنان چه موارد احتياطي رعايت نمي شد، اين «اتصالي» در يك بخش از خطوط انتقال نيرو ممكن بود بر ناحيه ي بسيار بزرگ تري تأثير بگذارد.
آيا ممكن است يك انفجار خورشيدي قوي حيات را در زمين نابود كند؟ پاسخ اين پرسش به روشني خير است. با اين حال، اين انفجارها ممكن است در برخي موارد جان انسان ها را تهديد كند. ساكنان ايستگاه فضايي بين المللي بيش از افراد در سطح زمين در معرض خطرند. گفتيم كه جوّ و مغناط كره ي زمين از ما در برابر ذرات باردار (و پرتوهاي) پُرانرژي محافظت مي كنند. در ارتفاعي كه ايستگاه فضايي بين المللي قرار دارد (280 تا 450 كيلومتر)، چگالي جوّ ده مرتبه ي بزرگي كمتر از مقدار آن در سطح زمين است. در نتيجه فضانوردان بسيار بيش از سايرين در معرض تابش هاي خطرناك و بمباران ذرات باردار قرار دارند. در سطح زمين كساني كه به كمك دستگاه هاي الكترومكانيكي زندگي مي كنند، مثلاً از قلب مصنوعي استفاده مي كنند، بيش از سايرين در معرض خطرند. همان طور كه پيش تر گفته شد،‌ رسيدن ذرات باردار به زمين فقط موجب ايجاد نورهاي قطبي نمي شود؛ مثلاً ميزان تابش فرابنفش در محيط نسبت به حالت عادي افزايش مي يابد. بهتر است در اين شرايط پوست زياد در معرض تابش مستقيم نباشد.
پرسش اساسي ديگر آن است كه آيا مي توانيم وقوع اين انفجارها را پيش بيني كنيم؟ بلي و خير! ما مي توانيم احتمال وقوع انفجارها را در چرخه ي يازده ساله ي خورشيدي پيش بيني كنيم. در هنگام بيشينه ي فعاليت خورشيدي، كه تعداد لكه ها بيشينه مي شوند،‌ تعداد انفجارها هم بيشينه است. بر عكس در دوره ي كمينه ي فعاليت خورشيد تعداد و متوسط انرژي اين انفجارها هم كمينه است. دقت كنيد كه اين فقط يك متوسط آماري است و رفتار واقعي خورشيد به مراتب پيچيده تر است. مثلاً قوي ترين انفجاري كه با دستگاه هاي مدرن ثبت شده در مهر 1382/ اكتبر 2003 اتفاق افتاده است. بيشينه ي چرخه خورشيدي در سال 1379/ 2000 بود و كمينه ي آن در سال 1385/ 2006 رخ داد. به عبارت ديگر، طبق برآوردهاي آماري كسي انتظار چنين انفجاري مهيبي را در سال 1382 نداشت. هر روز كه بيشتر به فناوري فضايي براي امور روزمره نيازمنديم (مثل ارتباطات ماهواره اي، سامانه هاي ناوبري و ...) بيشتر در معرض اختلال هاي ناشي از فوران هاي خورشيد قرار داريم. خوشيد فقط نورافكن و چشمه ي گرماي ما نيست. فوران گازهاي داغ و باردار فقط بخشي از تغييرات دايمي خورشيدند. طوفان هاي مغناطيسي حاصل از اين انفجارها ممكن است منجر به خراب شدن ماهواره ها،‌ قطع شدن خطوط مخابراتي، و تهديد شدن سلامت مسافران هوايي در ارتفاعات بالا شوند. دانشمندان در حال بررسي جزئيات بسياري اند. بايد ياد بگيريم كه چطور با خورشيد زندگي كنيم.
& اين تصور سه نما را از آثار قابل مشاهده ي آن چه آب و هواي فضايي ناميده مي شود در بر دارد. چپ: تصوير فوراني خورشيدي در طول موج 3/4 انگستروم. وسط: شفق آن گونه كه با ماهواره ثبت مي شود. راست: مشاهده ي همين پديده از روي زمين
& اين طرح بادهاي خورشيدي را نشان مي دهد كه در فضا در حال حركت اند. خطوط ميدان مغناطيسي زمين، كه نقش محافظ را بازي مي كنند، با خط هاي آبي/ بنفش نمايش داده شده اند. ذرات باردار در همه ي جهت ها حركت مي كنند و برخي از آن ها با خطوط ميدان مغناط كره ي زمين برخورد مي كنند. در نتيجه قسمتي از خطوط ميدان، كه رو به خورشيد قرار دارد، به علت فشار باد خورشيدي متراكم مي شود و در مقابل در بخش دور از خورشيد، خطوط ميدان كشيده مي شود. بخشي از ذرات باردار،‌ گرد خطوط ميدان نوسان مي كنند و در امتداد آن ها به سمت قطب هاي مغناطيسي زمين حركت مي كنند. در كنار بيروني ترين منحني خطوط ميدان،‌ جبهه شوك ايجاد شده رسم شده است.

پي نوشت ها :
 

1- تابش ثانويه تابشي است كه در جّ زمين ايجاد شود.
2- بر اثر فرآيندهايي نظير توليد زوج الكترون - پوزيترون، اثر كامپتون، و اثر فوتوالكتريك،‌ فوتون هاي پُرانرژي آن قدر انرژي از دست مي دهند كه از زمينه تفكيك ناپذير مي شوند.
 

منبع : نشريه ي نجوم، شماره ي 209