15.2: الدورة الشمسية
- Page ID
- 197723
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- وصف دورة البقع الشمسية، وبشكل عام، الدورة الشمسية
- اشرح كيف أن المغناطيسية هي مصدر النشاط الشمسي
قبل اختراع التلسكوب، كان يُعتقد أن الشمس كرة مثالية وغير متغيرة. نحن نعلم الآن أن الشمس في حالة تغير دائم: سطحها عبارة عن مرجل يغلي بالغاز الساخن. تأتي المناطق الداكنة والأبرد من بقية السطح وتذهب. تندلع أعمدة ضخمة من الغاز في الكروموسفير والإكليل. في بعض الأحيان، هناك حتى انفجارات عملاقة على الشمس ترسل موجات هائلة من الجسيمات المشحونة والطاقة تندفع نحو الأرض. عند وصولها، يمكن أن تتسبب في انقطاع التيار الكهربائي وغيرها من الآثار الخطيرة على كوكبنا.
البقع الشمسية
أول دليل على تغير الشمس جاء من دراسات البقع الشمسية، وهي ملامح داكنة كبيرة تظهر على سطح الشمس بسبب النشاط المغناطيسي المتزايد. تبدو داكنة لأن البقع عادة ما تكون عند درجة حرارة حوالي 3800 كلفن، في حين أن المناطق المشرقة المحيطة بها تبلغ حوالي 5800 كلفن (الشكل\(\PageIndex{1}\)). من حين لآخر، تكون هذه البقع كبيرة بما يكفي لتكون مرئية للعين المجردة، ولدينا سجلات تعود إلى أكثر من ألف عام من المراقبين الذين لاحظوها عندما أدى الضباب أو الضباب إلى تقليل شدة الشمس. (نؤكد على ما قاله لك والداك بالتأكيد: النظر إلى الشمس ولو لفترة وجيزة يمكن أن يسبب تلفًا دائمًا للعين. هذا هو مجال علم الفلك الوحيد الذي لا نشجعك فيه على القيام بالمراقبة الخاصة بك دون الحصول على تعليمات دقيقة أو فلاتر من معلمك.)
في حين أننا ندرك أن البقع الشمسية تبدو داكنة لأنها أكثر برودة، إلا أنها مع ذلك أكثر سخونة من أسطح العديد من النجوم. إذا كان من الممكن إزالتها من الشمس، فسوف تتألق بشكل مشرق. تبدو داكنة فقط على النقيض من الغلاف الضوئي الأكثر سخونة وإشراقًا من حولها.
البقع الشمسية الفردية تأتي وتذهب، وتتراوح فترات الحياة من بضع ساعات إلى بضعة أشهر. إذا استمرت البقعة وتطورت، فإنها تتكون عادةً من جزأين: قلب داخلي داكن ومظلل ومنطقة محيطة أقل ظلمًا، وهي الظليل. تصبح العديد من البقع أكبر بكثير من الأرض، وقد وصل عدد قليل منها، مثل أكبر بقعة موضحة في الشكل\(\PageIndex{1}\)، إلى أقطار تزيد عن 140,000 كيلومتر. في كثير من الأحيان، تحدث البقع في مجموعات من 2 إلى 20 أو أكثر. المجموعات الأكبر معقدة للغاية وقد تحتوي على أكثر من 100 موقع. مثل العواصف على الأرض، لا يتم تثبيت البقع الشمسية في موضعها، ولكنها تنجرف ببطء مقارنة بدوران الشمس.
من خلال تسجيل الحركات الظاهرة للبقع الشمسية أثناء انتقال الشمس إليها عبر قرصها (الشكل\(\PageIndex{2}\))، أظهر غاليليو، في 1612، أن الشمس تدور حول محورها بفترة دوران تبلغ حوالي شهر واحد. يتحول نجمنا في اتجاه الغرب إلى الشرق، مثل الحركات المدارية للكواكب. ومع ذلك، فإن الشمس عبارة عن غاز ولا يجب أن تدور بشكل صارم، كما يفعل الجسم الصلب مثل الأرض. تُظهر الملاحظات الحديثة أن سرعة دوران الشمس تختلف وفقًا لخط العرض، أي أنها تختلف عندما تتجه شمالًا أو جنوبًا من خط استواء الشمس. تبلغ فترة الدوران حوالي 25 يومًا عند خط الاستواء، و 28 يومًا عند خط العرض 40 درجة، و 36 يومًا عند خط العرض 80 درجة. نسمي هذا السلوك بالتناوب التفاضلي.
دورة البقع الشمسية
بين عامي 1826 و 1850، احتفظ هاينريش شواب، الصيدلي الألماني وعالم الفلك الهواة، بسجلات يومية لعدد البقع الشمسية. ما كان يبحث عنه حقًا هو كوكب داخل مدار عطارد، والذي كان يأمل في العثور عليه من خلال مراقبة صورته المظلمة أثناء مروره بين الشمس والأرض. لقد فشل في العثور على الكوكب المأمول، لكن اجتهاده أثمر باكتشاف أكثر أهمية: دورة البقع الشمسية. ووجد أن عدد البقع الشمسية يختلف بشكل منهجي، في دورات مدتها حوالي عقد من الزمان.
ما لاحظه Schwabe هو أنه على الرغم من أن البقع الفردية قصيرة العمر، إلا أن العدد الإجمالي المرئي على الشمس في أي وقت من الأوقات من المحتمل أن يكون أكبر بكثير في أوقات معينة - فترات البقع الشمسية القصوى - مقارنة بالأوقات الأخرى - فترات الحد الأدنى للبقع الشمسية. نحن نعلم الآن أن الحد الأقصى للبقع الشمسية يحدث بمتوسط فاصل زمني يبلغ 11 عامًا، لكن الفترات الفاصلة بين الحدود القصوى المتتالية تتراوح من 9 سنوات إلى ما يصل إلى 14 عامًا. خلال الحد الأقصى للبقع الشمسية، غالبًا ما يمكن رؤية أكثر من 100 بقعة في وقت واحد. ومع ذلك، فإن البقع تغطي أقل من نصف واحد بالمائة من سطح الشمس (الشكل\(15.3.5\) في القسم 15.3). في أثناء الحد الأدنى للبقع الشمسية، لا تظهر أحيانًا أي بقع. وصل نشاط الشمس إلى أقصى حد له في عام 2014.
شاهد هذا الفيديو القصير من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا والذي يشرح دورة البقع الشمسية.
المغناطيسية والدورة الشمسية
الآن بعد أن ناقشنا دورة نشاط الشمس، قد تسأل، «لماذا تتغير الشمس بهذه الطريقة العادية؟» يدرك علماء الفلك الآن أن المجال المغناطيسي المتغير للشمس هو الذي يدفع النشاط الشمسي.
يتم قياس المجال المغناطيسي الشمسي باستخدام خاصية الذرات تسمى تأثير زيمان. تذكر من Radiation and Spectra أن الذرة لديها العديد من مستويات الطاقة وأن الخطوط الطيفية تتشكل عندما تنتقل الإلكترونات من مستوى إلى آخر. إذا تم تحديد كل مستوى من مستويات الطاقة بدقة، فسيكون الفرق بينهما دقيقًا أيضًا. عندما يغير الإلكترون المستويات، تكون النتيجة خط طيفي حاد وضيق (إما خط امتصاص أو خط انبعاث، اعتمادًا على ما إذا كانت طاقة الإلكترون تزداد أو تنخفض في الانتقال).
ومع ذلك، في وجود مجال مغناطيسي قوي، يتم فصل كل مستوى من مستويات الطاقة إلى عدة مستويات قريبة جدًا من بعضها البعض. يتناسب فصل المستويات مع قوة الحقل. ونتيجة لذلك، فإن الخطوط الطيفية المتكونة في وجود مجال مغناطيسي ليست خطوطًا مفردة ولكنها سلسلة من الخطوط المتقاربة جدًا المقابلة للتقسيمات الفرعية لمستويات الطاقة الذرية. هذا التقسيم للخطوط في وجود مجال مغناطيسي هو ما نسميه تأثير زيمان (بعد العالم الهولندي الذي اكتشفه لأول مرة في عام 1896).
تُظهر قياسات تأثير زيمان في أطياف الضوء من مناطق البقع الشمسية أنها تحتوي على مجالات مغناطيسية قوية (الشكل\(\PageIndex{3}\)). ضع في اعتبارك أن المغناطيس يحتوي دائمًا على قطب شمالي وقطب جنوبي. عندما يتم ملاحظة البقع الشمسية في أزواج، أو في مجموعات تحتوي على نقطتين رئيسيتين، عادة ما تحتوي إحدى البقع على القطبية المغناطيسية لقطب مغناطيسي يبحث عن الشمال والأخرى لها قطبية معاكسة. علاوة على ذلك، خلال دورة معينة، تميل جميع المواقع الرائدة للأزواج (أو المواقع الرئيسية الرئيسية للمجموعات) في نصف الكرة الشمالي إلى أن تكون لها نفس القطبية، في حين أن تلك الموجودة في نصف الكرة الجنوبي تميل جميعها إلى القطبية المعاكسة.
ومع ذلك، خلال دورة البقع الشمسية التالية، يتم عكس قطبية البقع الرئيسية في كل نصف الكرة الأرضية. على سبيل المثال، إذا كانت جميع المواقع الرائدة في نصف الكرة الشمالي تتمتع خلال دورة واحدة بقطبية القطب الباحث عن الشمال، فإن النقاط الرئيسية في نصف الكرة الجنوبي ستحظى بقطبية القطب الذي يسعى إلى الجنوب. خلال الدورة القادمة، ستتميز المواقع الرائدة في نصف الكرة الشمالي بقطبية تسعى إلى الجنوب، في حين أن تلك الموجودة في نصف الكرة الجنوبي ستكون ذات قطبية تسعى إلى الشمال. لذلك، بالمعنى الدقيق للكلمة، لا تتكرر دورة البقع الشمسية فيما يتعلق بالقطبية المغناطيسية حتى تمر دورتان لمدة 11 عامًا. يمكن استخدام تمثيل مرئي للمجالات المغناطيسية للشمس، يسمى بالمغناطيس، لرؤية العلاقة بين البقع الشمسية والمجال المغناطيسي للشمس (الشكل\(\PageIndex{4}\)).
لماذا تعتبر الشمس مغناطيسًا قويًا ومعقدًا؟ اكتشف علماء الفلك أن دينامو الشمس هو الذي يولد المجال المغناطيسي. الدينامو هو آلة تقوم بتحويل الطاقة الحركية (أي طاقة الحركة) إلى كهرباء. على الأرض، توجد الديناصورات في محطات توليد الطاقة حيث، على سبيل المثال، يتم استخدام الطاقة من الرياح أو المياه المتدفقة للتسبب في دوران التوربينات. في الشمس، مصدر الطاقة الحركية هو مزيج الطبقات المضطربة من الغاز المؤين داخل الشمس التي ذكرناها سابقًا. تولد هذه التيارات الكهربائية - الإلكترونات المتحركة - والتي بدورها تولد مجالات مغناطيسية.
يتفق معظم الباحثين في مجال الطاقة الشمسية على أن الدينامو الشمسي يقع في المنطقة الحرارية أو في الطبقة البينية بين المنطقة الحرارية والمنطقة الإشعاعية أسفلها. عندما تتفاعل المجالات المغناطيسية من دينامو الشمس، فإنها تتكسر وتعيد الاتصال وترتفع عبر سطح الشمس.
يجب أن نقول أنه على الرغم من أن لدينا ملاحظات جيدة توضح لنا كيف تتغير الشمس خلال كل دورة شمسية، إلا أنه لا يزال من الصعب جدًا بناء نماذج فيزيائية لشيء معقد مثل الشمس يمكن أن يفسر بشكل مرض سبب تغيرها. لم يطور الباحثون بعد نموذجًا مقبولًا بشكل عام يصف بالتفصيل العمليات الفيزيائية التي تتحكم في الدورة الشمسية. تظهر الحسابات أن الدوران التفاضلي (فكرة أن الشمس تدور بمعدلات مختلفة عند خطوط عرض مختلفة) والحمل الحراري أسفل سطح الشمس مباشرة يمكن أن يلف ويشوه المجالات المغناطيسية. يؤدي ذلك إلى نموها ثم تحللها وتتجدد بقطبية معاكسة كل 11 عامًا تقريبًا. تظهر الحسابات أيضًا أنه عندما تزداد الحقول قوة بالقرب من الحد الأقصى للشمس، فإنها تتدفق من داخل الشمس نحو سطحها في شكل حلقات. عندما تخرج حلقة كبيرة من سطح الشمس، فإنها تخلق مناطق من نشاط البقع الشمسية (الشكل\(\PageIndex{5}\)).
تقدم فكرة الحلقات المغناطيسية تفسيرًا طبيعيًا لسبب وجود قطبية معاكسة للبقع الشمسية الرائدة واللاحقة في منطقة نشطة. تتزامن البقعة الشمسية الرائدة مع أحد طرفي الحلقة والبقعة الخلفية مع الطرف الآخر. تحمل المجالات المغناطيسية أيضًا المفتاح لشرح سبب كون البقع الشمسية أكثر برودة وغمقًا من المناطق التي لا تحتوي على مجالات مغناطيسية قوية. تقاوم القوى التي ينتجها المجال المغناطيسي حركات الأعمدة الفقاعية للغازات الساخنة المتصاعدة. نظرًا لأن هذه الأعمدة تحمل معظم الحرارة من داخل الشمس إلى السطح عن طريق الحمل الحراري، كما أن المجالات المغناطيسية القوية تمنع هذا الحمل الحراري، يُسمح لسطح الشمس بالتبريد. ونتيجة لذلك، يُنظر إلى هذه المناطق على أنها بقع شمسية داكنة وبرودة.
بعيدًا عن هذه الصورة العامة، لا يزال الباحثون يحاولون تحديد سبب كون المجالات المغناطيسية كبيرة كما هي، ولماذا تقلب قطبية المجال في كل نصف كرة من دورة إلى أخرى، ولماذا يمكن أن يختلف طول الدورة الشمسية من دورة إلى أخرى، ولماذا أحداث مثل Maunder Minimal تحدث.
في هذا الفيديو، تناقش عالمة الطاقة الشمسية هولي جيلبرت المجال المغناطيسي للشمس.
المفاهيم الأساسية والملخص
البقع الشمسية هي مناطق مظلمة حيث تكون درجة الحرارة أكثر برودة حتى 2000 K من الغلاف الضوئي المحيط. تسمح لنا حركتهم عبر قرص الشمس بحساب مدى سرعة دوران الشمس على محورها. تدور الشمس بسرعة أكبر عند خط الاستواء، حيث تبلغ فترة الدوران حوالي 25 يومًا، مقارنة بالقرب من القطبين، حيث تكون الفترة أطول قليلاً من 36 يومًا. يختلف عدد البقع الشمسية المرئية وفقًا لدورة البقع الشمسية التي يبلغ متوسط طولها 11 عامًا. تحدث البقع بشكل متكرر في أزواج. خلال دورة معينة مدتها 11 عامًا، تتمتع جميع المواقع الرائدة في نصف الكرة الشمالي بنفس القطبية المغناطيسية، في حين أن جميع الرياضات الرائدة في نصف الكرة الجنوبي لها قطبية معاكسة. في الدورة اللاحقة التي تبلغ 11 عامًا، تنعكس القطبية. لهذا السبب، من المفهوم أن دورة النشاط المغناطيسي للشمس تستمر لمدة 22 عامًا. ترتبط دورة النشاط هذه بسلوك المجال المغناطيسي للشمس، لكن الآلية الدقيقة ليست مفهومة بعد.
مسرد المصطلحات
- الدوران التفاضلي
- الظاهرة التي تحدث عندما تدور أجزاء مختلفة من جسم دوار بمعدلات مختلفة عند خطوط عرض مختلفة
- الحد الأدنى للماندر
- فترة خلال القرن الثامن عشر عندما كان عدد البقع الشمسية التي شوهدت طوال الدورة الشمسية منخفضًا بشكل غير عادي
- بقعة شمسية
- ملامح كبيرة ومظلمة تظهر على سطح الشمس بسبب زيادة النشاط المغناطيسي
- دورة البقع الشمسية
- الفترة شبه المنتظمة التي تبلغ 11 عامًا والتي يتقلب فيها تواتر البقع الشمسية