ضربت أقوى عاصفة شمسية منذ أكثر من 20 عامًا الأرض، الجمعة الماضي، مما أدى إلى ظهور عروض سماوية مذهلة للأضواء الشمالية، المعروفة أيضًا باسم الشفق القطبي، في جميع أنحاء العالم.
ألوان الشفق القطبي
وقال مركز التنبؤ بالطقس الفضائي التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي إن الظروف المغناطيسية الأرضية الشديدة G5 لوحظت وهي تصل إلى الأرض لأول مرة منذ عام 2003.
العاصفة لديها القدرة على تعطيل الاتصالات وشبكة الطاقة الكهربائية وعمليات الملاحة والراديو والأقمار الصناعية.
ويحدث الشفق القطبي عندما تصطدم جزيئات شمسية مشحونة بالمجال المغناطيسي للأرض وتتجه نحو القطبين، علماً بأن نوع الذرات التي تصطدم بها هذه الجسيمات يحدد لون الضوء المنبعث.
وفي الأسبوع الماضي، أرسل توهج شمسي ضخم موجة من الجزيئات النشطة من الشمس تنطلق عبر الفضاء. خلال عطلة نهاية الأسبوع، وصلت الموجة إلى الأرض، واستمتع الناس في جميع أنحاء العالم برؤية الشفق القطبي المشرق بشكل غير عادي في نصفي الكرة الأرضية.
وفي حين أن الشفق عادة ما يكون مرئيا فقط بالقرب من القطبين، فقد تم رصده في نهاية هذا الأسبوع في أقصى الجنوب مثل هاواي في نصف الكرة الشمالي، وفي أقصى الشمال مثل ماكاي في الجنوب.
يبدو أن هذا الارتفاع المذهل في النشاط الشفقي قد انتهى، لكن لا تقلق إذا فاتتك الفرصة. تقترب الشمس من ذروة دورة البقع الشمسية التي تبلغ 11 عامًا، ومن المرجح أن تعود فترات الشفق الشديد خلال العام المقبل أو نحو ذلك.
ما سر اختلاف ألوان الشفق القطبي؟
إذا رأيت الشفق القطبي، أو أيًا من الصور، فربما تتساءل عما كان يحدث بالضبط. ما الذي يجعل التوهج والألوان المختلفة؟ الجواب كله يتعلق بالذرات، وكيف تستثار، وكيف تسترخي.
وينجم الشفق القطبي عن اصطدام جسيمات دون ذرية مشحونة (معظمها إلكترونات) بالغلاف الجوي للأرض. تنبعث هذه العناصر من الشمس طوال الوقت، ولكن هناك المزيد منها خلال أوقات النشاط الشمسي الأكبر، حسبما يفيد موقع “لايف ساينس“.
معظم غلافنا الجوي محمي من تدفق الجسيمات المشحونة بواسطة المجال المغناطيسي للأرض. لكن بالقرب من القطبين، يمكنهم التسلل وإحداث الفوضى.
يتكون الغلاف الجوي للأرض من حوالي 20% أكسجين و80% نيتروجين، مع كميات ضئيلة من أشياء أخرى مثل الماء وثاني أكسيد الكربون (0.04%) والأرجون.
عندما تصطدم الإلكترونات عالية السرعة بجزيئات الأكسجين في الغلاف الجوي العلوي، فإنها تقسم جزيئات الأكسجين (O₂) إلى ذرات فردية. تقوم الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس بذلك أيضًا، ويمكن لذرات الأكسجين المتولدة أن تتفاعل مع جزيئات O₂ لإنتاج الأوزون (O₃)، وهو الجزيء الذي يحمينا من الأشعة فوق البنفسجية الضارة.
لكن في حالة الشفق القطبي، تكون ذرات الأكسجين المتولدة في حالة إثارة. وهذا يعني أن إلكترونات الذرات مرتبة بطريقة غير مستقرة ويمكن أن “تسترخي” عن طريق إطلاق الطاقة على شكل ضوء.
ما سر الضوء الأخضر؟
كما نرى في الألعاب النارية، تنتج ذرات العناصر المختلفة ألوانًا مختلفة من الضوء عندما يتم تنشيطها. وتعطي ذرات النحاس ضوءًا أزرق، بينما تعطي ذرات الباريوم ضوءًا أخضر، وتنتج ذرات الصوديوم لونًا أصفر برتقاليًا ربما تكون قد شاهدته أيضًا في مصابيح الشوارع القديمة. هذه الانبعاثات “مسموح بها” بموجب قواعد ميكانيكا الكم، مما يعني أنها تحدث بسرعة كبيرة.
وعندما تكون ذرة الصوديوم في حالة إثارة فإنها تبقى هناك لمدة 17 جزءًا من المليار من الثانية فقط قبل إطلاق فوتون أصفر برتقالي.
ولكن، في الشفق القطبي، يتم إنشاء العديد من ذرات الأكسجين في حالات مثارة مع عدم وجود طرق “مسموح بها” للاسترخاء عن طريق انبعاث الضوء. ومع ذلك، فإن الطبيعة تجد الطريق.
ينبعث الضوء الأخضر الذي يسيطر على الشفق القطبي من ذرات الأكسجين التي تسترخي من حالة تسمى “¹S” إلى حالة تسمى “¹D”. هذه عملية بطيئة نسبيًا، وتستغرق في المتوسط ثانية كاملة تقريبًا.
في الواقع، هذا التحول بطيء جدًا لدرجة أنه لا يحدث عادةً عند ضغط الهواء الذي نراه على مستوى الأرض، لأن الذرة المثارة ستفقد طاقتها عن طريق الاصطدام بذرة أخرى قبل أن تتاح لها فرصة إرسال لون أخضر جميل الفوتون. ولكن في الطبقات العليا من الغلاف الجوي، حيث يوجد ضغط هواء أقل، وبالتالي عدد أقل من جزيئات الأكسجين، يكون لديها المزيد من الوقت قبل أن تصطدم ببعضها البعض، وبالتالي يكون لديها فرصة لإطلاق الفوتون.
ولهذا السبب، استغرق العلماء وقتًا طويلاً لمعرفة أن الضوء الأخضر للشفق يأتي من ذرات الأكسجين. كان التوهج الأصفر البرتقالي للصوديوم معروفًا في ستينيات القرن التاسع عشر، ولكن لم يكتشف العلماء الكنديون أن اللون الأخضر الشفقي يرجع إلى الأكسجين إلا في عشرينيات القرن العشرين.
ما سر الضوء الأحمر؟
ويأتي الضوء الأخضر من ما يسمى بالانتقال “المحظور”، والذي يحدث عندما يقوم إلكترون في ذرة الأكسجين بقفزة غير متوقعة من نمط مداري إلى آخر. (التحولات المحظورة أقل احتمالا بكثير من التحولات المسموح بها، مما يعني أنها تستغرق وقتا أطول في الحدوث).
ومع ذلك، حتى بعد انبعاث ذلك الفوتون الأخضر، تجد ذرة الأكسجين نفسها في حالة مثارة أخرى دون السماح بالاسترخاء. والمهرب الوحيد هو عبر انتقال محظور آخر، من الحالة ¹D إلى الحالة ³P، والتي ينبعث منها الضوء الأحمر.
هذا التحول محظور أكثر، إذا جاز التعبير، ويجب أن تبقى الحالة ¹D لمدة دقيقتين تقريبًا قبل أن تتمكن أخيرًا من كسر القواعد وإعطاء الضوء الأحمر. ولأنه يستغرق وقتا طويلا، فإن الضوء الأحمر يظهر فقط على ارتفاعات عالية، حيث تكون الاصطدامات مع الذرات والجزيئات الأخرى نادرة.
وأيضًا، نظرًا لوجود كمية صغيرة من الأكسجين هناك، يميل الضوء الأحمر إلى الظهور فقط في الشفق القطبي الشديد، مثل تلك التي رأيناها للتو.
ولهذا السبب يظهر الضوء الأحمر فوق اللون الأخضر. في حين أن كلاهما ينشأ من استرخاء محظور لذرات الأكسجين، إلا أن الضوء الأحمر ينبعث بشكل أبطأ بكثير وله فرصة أكبر في الانطفاء عن طريق الاصطدام مع ذرات أخرى على ارتفاعات أقل.
اقرأ أيضاً:
