وقتی به خورشید فکر می‌کنیم، معمولاً یک گوی درخشان را در فضا تصور می‌کنیم که با هزاران درجه فارنهایت در حال سوختن است و به بقیه منظومه شمسی که به دور آن می‌چرخد، نور می‌تاباند. اما به لطف باد خورشیدی بسیار فعال‌تر از اینها است. ایده باد خورشیدی ممکن است در نگاه اول شهودی نباشد، اما یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های خورشید است. اما این پدیده چیست و چه معنایی برای ما روی زمین دارد؟

به گزارش interestingengineering، خوشبختانه، باد خورشیدی نمی‌تواند روی زمین به ما آسیب برساند (حداقل نه مستقیم)، اما مسئول یکی از معروف‌ترین پدیده‌های طبیعی در جهان است.

باد خورشیدی چیست؟

باد خورشیدی جریان ثابتی از ذرات باردار است که از خورشید به بیرون جریان دارد. این پدیده توسط انبساط بیرونی پلاسما از سطح خورشید ناشی از گرمای شدید واکنش‌های همجوشی هسته‌ای که در داخل خورشید رخ می‌دهد، تولید می‌شود.

این گرما مقدار زیادی فشار بیرونی ایجاد می‌کند که در برابر کشش گرانش خورشید به سمت داخل فشار می‌آورد. این تعادل بین پلاسما در حال انبساط و نیروی انقباض، اتمسفر خورشید را تولید می‌کند که به عنوان تاج شناخته می‌شود. باد خورشیدی زمانی ایجاد می‌شود که گرما و فشار از پایین قوی‌تر از گرانش باشد و پلاسمای باردار در تاج می‌تواند در امتداد خطوط میدان مغناطیسی خورشید به فضا فرار کند.

این فرآیند در سراسر سطح خورشید اتفاق می‌افتد و از آنجایی که خورشید می‌چرخد، این اثر باعث پیچیدن خطوط میدان مغناطیسی در بالای قطب‌های آن می‌شود. از آنجایی که ذرات باردار فرار از خورشید در امتداد خطوط میدان مغناطیسی حرکت می‌کنند، این مارپیچ را در یک جریان ثابت به فضا می‌برند.

آیا باد خورشیدی باد واقعی است؟

باد خورشیدی از ذرات باردار تشکیل شده، بنابراین شبیه باد‌های ما در زمین نیست، اما شباهت‌های بسیار قابل توجهی وجود دارد. در حالی که باد خورشیدی دائما در حال تولید است، شدت آن ثابت است، دقیقاً مانند باد‌های روی زمین.

در خلال آرامش در چرخه ۱۱ ساله خورشیدی، زمانی که ساختار‌های پیچیده مانند سوراخ‌های تاجی و لکه‌های خورشیدی کمتر دیده می‌شوند، باد خورشیدی را می‌توان به نسیم تشبیه کرد. در دوره‌هایی که خورشید فعال‌تر است، باد خورشیدی ویژگی بسیار پیچیده تری به خود می‌گیرد.

در حالی که این‌ها را می‌توان مشابه تغییرات فصلی در آب و هوای زمین در نظر گرفت، مانند فصل طوفان یا زمستان‌های برفی در عرض‌های جغرافیایی بالاتر، این مقایسه به دلیل بار‌های ذرات در خود باد کمی پیچیده‌تر است. با این حال، تشبیه مستقیم‌تر به باد زمین این است که باد خورشیدی معمولاً دو برابر سریع‌تر از نزدیکی استوا از خورشید بر فراز مناطق قطبی خود می‌رود.

این تفاوت در سرعت باد‌های خورشیدی در عرض‌های جغرافیایی مختلف خورشیدی باعث ایجاد نواحی با چگالی زیاد و کم و باد‌های پرسرعت در تعامل با باد‌های با سرعت پایین می‌شود و مناطقی را ایجاد می‌کند که به عنوان نواحی برهمکنش کروتی شناخته می‌شوند. این مناطق دارای چگالی بسیار بالاتر و میدان مغناطیسی قوی هستند.

باد خورشیدی از چه چیزی ساخته شده است؟

خورشید عمدتاً گاز هیدروژن است، اما تعدادی عنصر دیگر نیز از طریق فرآیند همجوشی هسته‌ای تولید می‌شوند و همگی باد خورشیدی را تشکیل می‌دهند. اکثریت قریب به اتفاق باد‌های خورشیدی از هیدروژن یونیزه شده (پروتون‌ها و الکترون‌های مجزا) و به دنبال آن کمتر از ۱۰ درصد هلیوم یونیزه شده تشکیل شده است.

هلیوم محصول فرعی اولیه واکنش‌های هسته‌ای خورشید است و با توجه به فراوانی هیدروژن در این مرحله از حیات خورشید، این هلیوم فقط در انتظار انجام کار‌ها نیست. واکنش‌هایی که در هسته خورشید اتفاق می‌افتد، پیچیده هستند، اما هیدروژن و هلیوم با ذرات دیگر ترکیب می‌شوند تا لیتیوم، بریلیوم، کربن، اکسیژن، نیتروژن، سیلیکون و سایر عناصر سنگین را تولید کنند. همه این عناصر را می‌توان در باد خورشیدی یافت، اگرچه عناصر سنگین‌تر بخش کوچکی از ترکیب کلی آن هستند.

با این حال، تنها چیزی که نمی‌توانید پیدا کنید، اتم‌های بسیار با تعداد الکترون‌های برابر با پروتون‌ها هستند. دمای خورشید به سادگی الکترون‌ها را از هسته‌های اتمی جدا می‌کند تا یک پلاسمای باردار و توده‌ای از الکترون‌های آزاد تولید کنند که پس از تابش از طریق لایه‌های داخلی خورشید به سمت تاج خورشید یعنی به سمت خطوط میدان مغناطیسی مخالف کشیده می‌شوند. بنابراین، اگرچه باد خورشیدی از نظر الکتریکی متعادل است، اما تقریباً منحصراً از ذرات باردار تشکیل شده است.

تاثیر باد خورشیدی چیست؟

باد خورشیدی جریانی پر بار از ذرات است که با سرعت صد‌ها مایل در ثانیه حرکت می‌کند. حتی اگر ما فقط در مورد الکترون‌ها و یون‌های باردار منفرد عمدتاً هیدروژن صحبت می‌کنیم، شما فکر نمی‌کنید که باد خورشیدی چنین تأثیری داشته باشد.

البته باید به خاطر داشته باشید که ما در مورد تعداد زیادی ذرات باردار که از خورشید منفجر می‌شوند، صحبت می‌کنیم. اگر تا به حال خورشید گرفتگی کامل را دیده باشید، وقتی حلقه درخشان آتشی که ایجاد می‌کند قابل مشاهده می‌شود، تاج خورشید نمایان می‌شود. آن انگشتان شعله مانندی که در فضا دراز می‌شوند، می‌توانند میلیون‌ها مایل پیش از تبدیل شدن تدریجی به باد خورشیدی گسترش پیدا کنند.

اگر در اینجا روی زمین، در این فاصله، با یک باد خورشیدی برخورد کنیم، این اثر به سختی ثبت می‌شود. اما موضوع این است که هیچ چیز در منظومه شمسی با انفجار ذرات مورد اصابت قرار نمی‌گیرد و ذرات قرار است با اتم‌ها در خط بالا و پایین تعامل داشته باشند.

با گذشت زمان، این تعاملات می‌تواند ویرانگر باشد. اعتقاد بر این است که مریخ زمانی در حدود ۳ میلیارد سال پیش جوی بسیار شبیه به زمین داشت، اما امروزه مقدار کمی از آن باقی مانده است. فقدان اتمسفر محافظ ممکن است دریاچه‌ها و اقیانوس‌های اولیه مریخ را تبخیر کرده باشد و دنیایی بایر و بی جان را پشت سر بگذارد. همه چیز در منظومه شمسی به طریقی تحت تأثیر باد خورشیدی قرار می‌گیرد.

چه چیزی از زمین در برابر باد خورشیدی محافظت می‌کند؟

خوشبختانه، زمین دارای یک هسته داخلی جامد و یک هسته خارجی مایع است که هر دو بیشتر از آهن ساخته شده اند. این به عنوان یک دینام عمل کرده که یک میدان مغناطیسی قوی در اطراف سیاره ایجاد می‌کند. از آنجایی که باد خورشیدی از ذرات باردار تشکیل شده، به جای اینکه زمین را در یک بمباران بی‌وقفه منفجر کند، به شدت با آن میدان مغناطیسی تعامل می‌کند و خطوط میدان مغناطیسی را در اطراف زمین می‌چرخاند. بدون یک میدان مغناطیسی قوی، زمین احتمالاً بسیار شبیه به مریخ امروزی خواهد بود.

وقتی باد خورشیدی به زمین برخورد می‌کند، چه اتفاقی می‌افتد؟

در حالی که میدان مغناطیسی زمین به اندازه کافی قوی است که می‌تواند بیشتر باد‌های خورشیدی را منحرف کند، برخی از آن‌ها هنوز در نقاطی که خطوط میدان مغناطیسی که ذرات سوار بر آن هستند از قطب‌های مغناطیسی زمین عبور می‌کند.

این ذرات با جو تعامل می‌کنند و یک نمایش نوری تماشایی تولید می‌کنند که ما آن را شفق قطبی می‌نامیم؛ و معمولاً محدود به عرض‌های جغرافیایی بسیار شمالی و جنوبی در اطراف دایره‌های قطب شمال و قطب جنوب، زمانی که باد خورشیدی قوی‌تر از حد معمول است، مانند دوره‌های به خصوص فعال چرخه خورشید، این شفق‌ها را می‌توان در عرض‌های جغرافیایی پایین‌تر نیز مشاهده کرد.

هیچ کدام از این‌ها به این معنی نیست که باد خورشیدی در سال‌های اخیر برای ما مشکلی نداشته است. قبل از برق رسانی گسترده و اختراع وسایل الکترونیکی، رابطه ما با باد خورشیدی واقعاً به حضور شفق‌های قطبی محدود می‌شد. با این حال، زمانی که ما شروع به استفاده از برق برای تامین انرژی بیشتر دنیای مدرن خود کردیم، باد خورشیدی بسیار مشکل ساز شده است. از آنجایی که باد خورشیدی قطعا حامل بار الکترومغناطیسی قوی است، می‌تواند به شدت به زیرساخت‌های الکتریکی آسیب برساند و تجهیزات الکترونیکی مانند ماهواره‌ها را در مدار پایین زمین داغ کند.

باد خورشیدی تا زمانی که به طور کامل چیزی را از بین نبرد، می‌تواند اثرات غیرقابل پیش بینی بر محیط زیست داشته باشد که ما اکنون در حال درک آن‌ها هستیم. اسپیس ایکس ۴۰ ماهواره کاملاً جدید استارلینک را اندکی پس از استقرار در اثر برخورد باد‌های خورشیدی قدرتمند با جو زمین که باعث انبساط آن به بیرون شد، از دست داد.

این امر افزایش غیرمنتظره و شدیدی در کشش جوی ایجاد کرد که ماهواره‌ها تجربه کردند و از صعود آن‌ها به ارتفاع مداری برنامه ریزی شده خود جلوگیری کرد. در نتیجه، ماهواره‌ها باید رها می‌شدند تا در جو بسوزند، اگرچه باد خورشیدی هیچ آسیب مستقیمی به خود ماهواره‌ها وارد نکرد.

چه کسی باد خورشیدی را کشف کرد؟

با توجه به اینکه دو تا از چشمگیرترین مناظر آسمانی، شفق‌های قطبی و خورشید گرفتگی کامل هستند، هر دو ارتباط نزدیکی با باد‌های خورشیدی دارند.

پارکر با پیشنهاد یک برهمکنش پیچیده بین همجوشی، الکترومغناطیس و پلاسمای خورشیدی پر بار، نتیجه را "باد خورشیدی" نامید. هنگامی که پارکر مقاله‌ای در مورد این ایده به مجله Astrophysical ارائه کرد، داوران بسیار مخالف بودند. با این حال، سردبیر ژورنال، اخترفیزیکدان مشهور، سوبرهمانیان چاندراسخار، نتوانست چیزی اشتباه در محاسبات پارکر پیدا کند، بنابراین داوران را نادیده گرفت و مقاله را منتشر کرد.

سه سال بعد، کاوشگر Mariner II ناسا در سفر خود به زهره تحقیقی را انجام داد که درستی نظریه پارکر را ثابت کرد و نظریه او به زودی به اجماع علمی تبدیل شد.

هنگامی که بشریت شروع به قرار دادن ماهواره‌ها در مدار کرد، ما توانستیم جزئیات بیشتری را در مورد خود باد خورشیدی تأیید کنیم.

ناسا درباره پارکر نوشت: "بسیاری از کار‌های پیشگامانه او، که توسط فضاپیما‌های بعدی به اثبات رسیده، مقدار زیادی از آنچه را که ما در مورد نحوه تعامل منظومه خورشید و زمین می‌دانیم، تعریف می‌کند. بیش از نیم قرن بعد، مأموریت کاوشگر خورشیدی پارکر اکنون مشاهدات کلیدی در مورد نظریه‌ها و ایده‌های پیشگامانه پارکر ارائه می‌کند که نسلی از دانشمندان را در مورد فیزیک خورشیدی و میدان‌های مغناطیسی اطراف ستاره‌ها آگاه کرده است."

تفاوت بین شعله خورشیدی و باد خورشیدی چیست؟

شعله‌های خورشیدی و باد‌های خورشیدی شبیه هم هستند، اما تفاوت‌های بسیار کلیدی بین این دو وجود دارد، زیرا آن‌ها پدیده‌های بسیار متفاوتی هستند.

اول، شراره‌های خورشیدی فوران ناگهانی و موضعی تابش الکترومغناطیسی در جو خورشید هستند. دوم، آن‌ها با فرآیندی متفاوت از باد خورشیدی تولید می‌شوند. هنوز بحث بر سر این موضوع وجود دارد، اما عموماً اعتقاد بر این است که شراره‌های خورشیدی در مناطق بسیار فعال از نظر مغناطیسی جو خورشید زمانی رخ می‌دهد که ذرات باردار نزدیک به سرعت نور شتاب می‌گیرند و با پلاسمای خورشید تعامل می‌کنند.

یکی از دلایل احتمالی این امر ممکن است چیزی به نام اتصال مجدد مغناطیسی باشد، یک فرآیند فیزیکی که در آن خطوط میدان مغناطیسی قوی برهم کنش و خود را بازآرایی می‌کنند. این فرآیند انرژی مغناطیسی را می‌گیرد و آن را به انرژی جنبشی و حرارتی تبدیل می‌کند که می‌تواند شتاب ناگهانی ذرات باردار مانند الکترون‌ها را ایجاد کند.

یک نظریه در مورد چگونگی این اتفاق در خورشید این است که طاق‌های خورشیدی، مجموعه‌ای محکم از حلقه‌های تاجی، در امتداد خطوط میدان مغناطیسی شکل می‌گیرند و سپس دوباره به صورت مغناطیسی با آرکید دیگری متصل می‌شوند و یک مارپیچ قطع شده ناگهانی را تشکیل می‌دهند.

این قطع ارتباط مقدار زیادی انرژی در سراسر طیف الکترومغناطیسی آزاد می‌کند که ما آن را به عنوان یک شعله‌ی خورشیدی می‌بینیم. دلیل اینکه بیشتر مردم شعله‌های خورشیدی را با باد خورشیدی مرتبط می‌کنند، چیزی است که ما گاهی بعد از یک شراره خورشیدی می‌بینیم. این انفجار انرژی در تاج گاهی اوقات با پرتاب جرم تاجی همراه است که فوران ناگهانی پلاسمای باردار به بیرون از تاج و به باد خورشیدی است.

در سیستم قیاس‌های هواشناسی فضایی ما، پرتاب جرم تاجی به باد خورشیدی همان طوفان است. بیشتر نگرانی‌های ما در مورد آب و هوای فضا که ماهواره‌ها را از بین می‌برد، شبکه‌های برق را از کار می‌اندازد، و حتی اینترنت را از کار می‌اندازد، در واقع فقط در مورد پرتاب جرم تاج است.

مقدار پلاسمایی که می‌تواند توسط یک پرتاب جرم تاجی به فضا پرتاب شود، مرتبه‌ای بزرگ‌تر از یک رویداد باد خورشیدی فعال است، و اگر امروز زمین با یک پرتاب جرم تاجی بزرگ برخورد می‌کرد، این پدیده بر میدان مغناطیسی زمین غلبه می‌کرد.

دانشمندان بر این باورند که زمین در طول ۴.۵ میلیارد سال گذشته بار‌ها با چنین پرتاب‌های جرمی تاجی برخورد کرده و همه ما هنوز اینجا هستیم. با این حال، ما در دنیای مدرن زندگی می‌کنیم و با توجه به فراوانی و احتمال ساده، در نقطه‌ای در آینده با یک پرتاب توده تاجی عظیم دیگر مواجه خواهیم شد، احتمالاً زودتر از آنچه که اکثر ما تصور می‌کنیم.

گزارش از مائده زمان فشمی