خورشيد در چرخه ي فعاليت

در سال هاي نيمه ي نخست قرن نوزدهم ميلادي برخي از رصدگران آماتور به دنبال كشف سياره اي بودند كه گفته مي شد درون مدار عطارد به دور خورشيد مي گردد. اگر اين سياره وجود داشت احتمالاً پديده اي مانند گذر عطارد يا زهره بر آن اتفاق مي افتاد. بنابراين رصدها بيشتر متوجه خورشيد بود تا مشاهده ي نقطه ي سياره حاصل از سياره از مقابل خورشيد كه سندي بر كشف اين سياره باشد. ساموئل هاينريش شوابه، منجم آماتور و داروساز آلماني، يكي از رصدگران بود. او سال هاي متوالي خورشيد را زير نظر گرفت و با اين كه نتوانست وجود لكه ي حاصل از عبور سياره اي را ببيند حركات لكه هاي سطح خورشيد را به دقت ثبت كرد. سياره ي مرموز هيچ وقت پيدا نشد ولي شوابه به اين نتيجه ي مهم دست يافت كه تعداد لكه هاي خورشيد در بازه اي منظم چندين ساله، كم و زياد مي شود. نتيجه اي كه تا امروز نيز معتبر است. در واقع شوابه چرخه ي خورشيد را كشف كرده بود.

چرخه ي خورشيد و ميدان مغناطيسي
 

تعداد لكه ها و گروه لكه ها در سطح خورشيد در دوره ي تقريباً منظم 11 ساله تغيير مي كنند. اين دوره را با نام چرخه ي فعاليت هاي خورشيد يا به اختصار «چرخه ي خورشيد» مي شناسيم. ويژگي مغناطيسي مهم لكه ها اين است كه همواره به صورت جفت هايي بر سطح خورشيد حضور دارند و هر كدام از لكه ها در هر جفت، قطبش هاي مغناطيسي مثبت و منفي (يا شمال و جنوب) مشخصي دارند. اين ويژگي در همه ي لكه هاي نيم كره ي شمالي و جنوبي خورشيد برقرار است. مثلاً در نيمكره شمالي خورشيد، جفت لكه هايي كه از غرب به شرق خورشيد حركت مي كنند لكه ي جلويي قطب مغناطيسي مثبت و لكه ي تعقيب كننده ي آن قطب منفي دارد. اين جهت گيري ميدان مغناطيسي جفت لكه ها در نيم كره ي جنوبي برعكس است (لكه ي پيشرو قطبش منفي و لكه ي تعقيب كننده قطبش مثبت دارد).
با پايان يافتن يك چرخه ي خورشيد قطبش مغناطيسي نيم كره هاي خورشيد معكوس مي شود. هرچند عامل ايجاد اين وارونگي مغناطيسي هنوز به طور كامل معلوم نشده است اما مسلماً چرخش تفاضلي (ديفرانسيلي) خورشيد را ايجاد اين اثر نقش اساسي دارد. شكل صفحه ي بعد بيان ساده اي از مدلي موسوم به «مدل بابكوك» است كه شكل گيري لكه ها و همچنين معكوس شدن قطبش هاي مغناطيسي در پايان چرخه را توضيح مي دهد. در آغاز چرخه، خطوط ميدان مغناطيسي كه در ماده ي پلاسمايي داغ خورشيد به دام افتاده اند به صورت آهن رباي عظيمي در دو سوي استواي خورشيد به طور متقارن كشيده شده اند. با چرخش تفاضلي خورشيد تقارن موجود بين خطوط ميدان مختل مي شود. زيرا سرعت چرخش استوايي خورشيد تا 20 درصد بيشتر از سرعت عرض هاي مياني و بالاتر است و در هر دور چرخش خورشيد خطوط ميدان نزديك استوا 20 درصد نسبت به بخش هاي ديگر اين ميدان درهم پيچيده مي شود. به مرور زمان ميزان اين واپيچيدگي بيشتر مي شود و شكل خطوط ميدان در مناطق نزديك به استوا كاملاً از ميدان اوليه منحرف مي شود. نتيجه ي منطقي ادامه ي اين روند اين است كه مؤلفه هاي افقي ميدان در نيم كره ي شمالي و جنوبي خورشيد جهت هاي مخالف پيدا مي كنند. در مناطقي از سطح خورشيد كه ميزان واپيچيدگي خطوط ميدان خيلي زياد مي شود رشته هاي مغناطيسي زير سطح خورشيد به صورت كمان هايي از سطح بيرون مي زنند و در محل پايه هاي آن ها لكه ها شكل مي گيرند. بعد از چند سال خطوط ميدان دور از خورشيد در پي فرايندهاي كه هنوز كامل مشخص نشده اند از هم پاره و مجدداً متصل مي شوند. اين بار جهت ميدان نهايي مخالف با جهتي است كه چند سال پيش در آغاز چرخه بر مغناطيس عظيم خورشيد حاكم بود. همين روند در ادامه ي چرخش خورشيد موجب ايجاد چرخه ي جديد با قطبيت مغناطيسي معكوس مي شود. معمولاً دو چرخه ي خورشيد متوالي را يك چرخه مغناطيسي 22 ساله در نظر مي گيرند. با فعاليت هاي جرج الري هِيل در رصدخانه ي مونت ويلسون در سال هاي آغازين قرن بيستم ارتباط ميان ميدان مغناطيسي خورشيد و چرخه ي فعاليت هاي آن كشف شد (لكه هاي خورشيد نخستين مكان خارج از زمين بودند كه ميدان مغناطيسي آن ها با اثر كوانتومي زيمان اندازه گرفته شد). بر اين اساس چرخه هاي خورشيدي نتجيه ي مستقيم فعاليت هاي مغناطيسي داخل خورشيدند و لكه ها تنها نمود ظاهري و اوليه اين فعاليت ها هستند.

آغاز چرخه ي جديد
 

چرخه ي خورشيد معمولاً با ظاهرشدن لكه هايي در عرض هاي خورشيدي كه حدود 35 درجه (در هر دو نيم كره) كه قطبش هاي مغناطيسي متفاوتي با ساير لكه ها در آن نيم كره دارند، آغاز مي شود. اين در حالي است كه ممكن است لكه هاي متعلق به چرخه ي قبلي كماكان بر سطح خورشيد حضور داشته باشد. آن چه باعث مي شود بتوانيم ظهور لكه ي جديد را نشانه اي از شروع دوره ي بعدي بدانيم، علاوه بر ويژگي هاي مغناطيسي لكه ها، محل شكل گيري آن هاست. در سال هاي آغازين چرخه، لكه ها در عرض هاي بالا شكل مي گيرند و به مرور، كه به سن چرخه زياد مي شود و به سالهاي مياني خود مي رسد به عرض هاي پايين تر و نواحي نزديك به استواي خورشيد مهاجرت مي كنند. البته بايد به اين نكته توجه كنيم كه همان لكه هاي پايين تر انتقال نمي يابد! عمر لكه ها به چند روز تا چند هفته محدود مي شود در حالي كه تغيير عرض خورشيدي ظهور لكه ها، پديده اي است كه در چندين سال رخ مي دهد. در سال هاي انتهايي يك چرخه، لكه هاي آن عموماً در 10 درجه اي استواي خورشيد متمركز مي شوند. اين رفتار انتقالي لكه ها به عرض هاي پايين به «قانون اِسپورِر» معروف است. اگر محل لكه هاي چرخه ي خورشيد را در سال هاي متمادي نسبت به قرص خورشيد رسم كنيم نموداري به دست مي آيد كه به علت شباهت ظاهري آن به بال هاي پروانه به نمودار پروانه معروف شده است. اين نمودار در اصل نتيجه ي مستقيم قانون اِسپورِر درباره تحول مكاني لكه هاست.

پيشينه ها و كمينه ها
 

رفتار چرخه هاي خورشيد گوناگون چندان هم منظم و بر اساس الگوي دقيق و كاملاً پيش بيني پذيري نيست. در حالي كه عمر متوسط يك چرخه را 11 سال در نظر مي گيريم، چرخه هاي كوتاه تر و بلندتر از اين هم كه در تاريخ ثبت شده اند. به طوري كه مي توانيم عمر ممكن چرخه ي خورشيد خاصي را 9 تا 14 سال در نظر گرفت. افزايش و كاهش تعداد لكه ها در يك دوره نيز به صورت متقارن نسبت به سال هاي مياني چرخه اتفاق نمي افتد. معمولاً در حالت متوسط نزديك به 4/8 سال طول مي كشد تا چرخه به اوج فعاليتش برسد در حالي كه كاهش تدريجي تعداد لكه ها و پايان يافتن چرخه در 6/2 سالي بعدي و با شيب ملايم تري روي مي دهد. افزون بر اين، شدت چرخه هاي گوناگون نيز متفاوت است. به اين معني كه متوسط تعداد روزانه يا ماهانه ي لكه هاي حاضر بر خورشيد از چرخه اي به چرخه ي ديگر فرق مي كند. در فاصله ي سال هاي 1645 تا 1715 ميلادي تعداد لكه هاي خورشيدي به طور غيرمنتظره اي كم بود و عملاً هيچ لكه ي بارزي، كه نشان از فعاليت خورشيد باشد، در اين سال ها ثبت نشد.
در ابتدا گمان مي رفت كه كم بودن داده هاي رصدي معتبر سبب اين كاهش چشمگير است، اما بعدها با كارهايي كه ادوارد مانِدر در زمينه اي اين چرخه انجام داد مشخص شد در دوره ي مذكور در واقع خورشيد تقريباً بي لكه بوده است. دانشمندان ديگر بررسي هاي او را در سال هاي بعد تكميل كردند و اين دوره ي زماني رفتار نامتعارف خورشيد به «كمينه ي ماندر» موسوم شد. مشابه اين رفتار در دهه ي 1850 البته با شدت بيشتر مجدداً تكرار شد: «كمينه ي دالتون». در اين سال ها هر چند لكه هايي بر چهره ي خورشيد حاضر بودند، اما تعدادشان از مقدار متوسطي كه براي چرخه اي فعال انتظار مي رفت كمتر بود. در مقابل چرخه هاي پُر لكه نيز گاهي اتفاق مي افتند و رفتار غيرعادي خورشيد در قالب بيش فعالي بروز مي كند. در سال 1950/1329 چنين مواردي اتفاق افتاد و اين دوره به «بيشينه ي نوين» معروف شد. قبل از آن هم در سال هاي ابتداي قرن 12 بيشنه اي موسوم به «بيشينه ي قرون وسطي» رخ داده بود. در سال هاي اخير مشخص شده است كه چنين بيشينه ها و كمينه هايي به طور متناوب در طول ساليان دراز امكان وقوع دارند و رفتار خورشيد در چرخه هاي چندين ساله ي متوالي شامل اوج و حضيض ها يا همان بيشينه و كمينه هايي است كه خود علامتي از تغييرات بلنددوره فعاليت هاي مغناطيسي خورشيد است. موضوعي كه هنوز دانشمندان توضيح روشن و قانع كننده اي درباره ي آن ندارند.
منبع:نشريه نجوم، شماره 215
/ع