چرا هنگام شفق قطبی در آسمان رنگ‌های مختلف می‌بینیم؟

شهرآرانیوز - هفته گذشته، یک طوفان خورشیدی موجی از ذرات پرانرژی خورشید را به فضا فرستاد. چندروز پیش، این موج به زمین رسید و مردم سراسر جهان در هر دو نیمکره از منظره زیبای شفق لذت بردند.

در حالی که شفق قطبی معمولا فقط نزدیک قطب‌ها قابل‌مشاهده است، شفقی که اخیراً براثر طوفان خورشیدی به‌وجود آمد در سراسر جهان، حتی در ایران، قابل مشاهده بود.

در ادامه حتما بخوانید قوی‌ترین طوفان خورشیدی دو دهه اخیر در در برخی کشورها باعث شفق قطبی شد

به نظر می‌رسد فعالیت این شفق به پایان رسیده است، اما اگر آن را از دست داده‌اید نگران نباشید. خورشید در حال نزدیک‌شدن به اوج چرخه لکه‌های خورشیدی ۱۱ساله خود است و دوره‌های شفق قطبی، احتمالاً، در یک سال آینده باز خواهند گشت.

اگر شفق قطبی یا هر یک از عکس‌های این پدیده را دیده باشید، ممکن است این سوال برایتان پیش آمده باشد که هنگام شفق قطبی دقیقاً چه اتفاقی در آسمان می‌افتد؟ چه چیزی باعث درخشش و ایجاد رنگ‌های مختلف آسمان می‌شود؟

وقتی الکترون‌ها با جو برخورد می‌کنند

شفق‌های قطبی در اثر برخورد ذرات باردار زیراتمی (عمدتاً الکترون‌ها) به جو زمین ایجاد می‌شوند. این‌ ذرات همیشه از خورشید ساطع می‌شوند، اما در زمان‌هایی که فعالیت‌های خورشیدی به اوج خود می‌رسد، بیشتر می‌شوند.

میدان مغناطیسی زمین از هجوم ذرات باردار محافظت می‌کند. آن‌ها بعد از برخورد با این سد، با حرکتی مارپیچی به سمت قطب‌ها می‌روند. در نزدیکی قطب‌ها، این ذرات می‌توانند مخفیانه وارد جو شوند.

در جو زمین تقریباً ۲۰٪ اکسیژن و ۸۰٪ نیتروژن و مقدار کمی آب و دی‌اکسید‌کربن (۰.۰۴ ٪) و آرگون وجود دارد.

وقتی الکترون‌های پرسرعت به مولکول‌های اکسیژن در جو فوقانی برخورد می‌کنند، مولکول‌های اکسیژن (O۲) را به اتم‌های منفرد تقسیم می‌کنند. نور فرابنفش خورشید نیز این کار را انجام می‌دهد و اتم‌های اکسیژن تولیدشده می‌توانند با مولکول‌های O۲ واکنش دهند تا ازن (O۳) تولید کنند، مولکولی که از ما در برابر اشعه مضر UV محافظت می‌کند.

اما در مورد شفق، اتم‌های اکسیژن تولیدشده، در حالت برانگیخته هستند. این بدان معناست که الکترون‌های اتم‌ها به شکلی ناپایدار مرتب شده‌اند و می‌توانند با انتشار انرژی به شکل نور درآیند.

چرا هنگام شفق در آسمان نور سبز دیده می‌شود؟

همانطور که در آتش‌بازی‌ها می‌بینید، اتم‌های عناصر مختلف زمانی که انرژی می‌گیرند، رنگ‌های متفاوتی از نور تولید می‌کنند. اتم‌های مس نور آبی می‌دهند، باریم سبز است و اتم‌های سدیم رنگ زرد-نارنجی تولید می‌کنند که ممکن است در چراغ‌های خیابانی قدیمی‌تر نیز آن را دیده باشید. این تشعشعات خیلی سریع اتفاق می‌افتند.

هنگامی که یک اتم سدیم در حالت برانگیخته است، تنها برای حدود ۱۷ میلیاردم ثانیه در آنجا باقی می‌ماند و سپس یک فوتون زرد-نارنجی را خارج می‌کند.

اما، در شفق قطبی، بسیاری از اتم‌های اکسیژن در حالت‌های برانگیخته ایجاد می‌شوند که راه‌های «مجازی» برای آسایش از طریق انتشار نور ندارند. با این حال طبیعت راهی پیدا می‌کند.

نور سبزی که بر شفق مسلط است از طریق اتم‌های اکسیژن منتشر می‌شود. این یک فرآیند نسبتا کُند است که به طور متوسط تقریباً یک ثانیه طول می‌کشد.

در واقع، این انتقال به قدری آهسته است که معمولاً با فشار هوایی که در سطح زمین می‌بینیم اتفاق نمی‌افتد، زیرا اتم برانگیخته قبل از اینکه فرصتی برای ارسال فوتون سبز دوست‌داشتنی پیدا کند، با برخورد به اتم دیگری انرژی خود را از دست می‌دهد. اما اتم‌ها در قسمت بالایی جو، جایی که فشار هوا کمتر و در نتیجه مولکول‌های اکسیژن کمتری وجود دارد، زمان بیشتری برای برخورد با یکدیگر و آزادسازی فوتون دارند.

مدت زیادی طول کشید تا دانشمندان متوجه شوند که نور سبز شفق از اتم‌های اکسیژن می‌آید. درخشش زرد-نارنجی سدیم در دهه ۱۸۶۰ شناخته شده بود، اما تا دهه ۱۹۲۰ بود که دانشمندان کانادایی متوجه شدند که رنگ سبز شفق به دلیل اکسیژن است.

چرا هنگام شفق در آسمان رنگ قرمز دیده می‌شود؟

نور سبز از یک انتقال به اصطلاح «ممنوعه» می‌آید، زمانی که یک الکترون در اتم اکسیژن از یک الگوی مداری به الگوی دیگر جهش می‌کند. (انتقال‌های ممنوعه بسیار کمتر از موارد مجاز هستند، به این معنی که زمان بیشتری برای رخ‌دادن آن‌ها نیاز است.)

با این حال، حتی پس از گسیل آن فوتون سبز، اتم اکسیژن خود را در حالت برانگیخته دیگری می‌بیند. تنها راه فرار این اتم ایجاد یک انتقال ممنوع دیگر است تا این انتقال نور قرمز ساطع کند.

از آنجایی که این فرآیند زمان‌بر است، نور قرمز فقط در ارتفاعات بالا ظاهر می‌شود، جایی که برخورد با اتم‌ها و مولکول‌های دیگر کم اتفاق می‌افتد.

همچنین، چون مقدار بسیار کمی اکسیژن در آنجا وجود دارد، نور قرمز فقط در شفق‌های قطبی شدید ظاهر می‌شود؛ مانند نمونه‌هایی که اخیراً دیدیم.

به همین دلیل است که نور قرمز بالای نور سبز ظاهر می‌شود. در حالی که هر دوی آن‌ها از آسایش اتم‌های اکسیژن سرچشمه می‌گیرند، نور قرمز بسیار کندتر ساطع می‌شود و شانس بیشتری دارد تا در اثر برخورد با اتم‌های دیگر در ارتفاعات پایین‌تر خاموش‌ شود.

چرا دوربین‌ها رنگ‌های دیگر شفق را بهتر ثبت می‌کنند؟

در حالی که سبز رایج‌ترین رنگ شفق قطبی و قرمز دومین رنگ رایج است، رنگ‌های دیگری نیز وجود دارند. به طور خاص، مولکول‌های نیتروژن یونیزه شده (N۲+، که یک الکترون از دست‌رفته و دارای بار الکتریکی مثبت هستند)، می‌توانند نور آبی و قرمز ساطع کنند. این می‌تواند یک رنگ سرخابی در ارتفاعات کم ایجاد کند.

اگر شفق به اندازه کافی روشن باشد، همه این رنگ‌ها با چشم غیرمسلح قابل مشاهده هستند. با این حال، آن‌ها با شدت بیشتری در لنز دوربین خود را نشان می‌دهند.

دو دلیل برای این اتفاق وجود دارد. اولاً، دوربین‌ها از مزایای نوردهی طولانی برخوردار هستند، یعنی دوربین‌ها درمقایسه‌با چشم ما می‌توانند برای تولید تصویر زمان بیشتری را صرف جمع‌آوری نور کنند و در شرایط کم‌نور تصویر بهتری بسازند.

دومین دلیل این است که حسگر‌های رنگی در چشمان ما در تاریکی خیلی خوب کار نمی‌کنند؛ بنابراین چشمان ما در شرایط کم‌نور سیاه و سفید می‌بینند. دوربین‌ها این محدودیت را ندارند.

البته هنگامی که شفق به اندازه کافی روشن است، رنگ‌ها به وضوح با چشم غیرمسلح هم قابل مشاهده هستند.

در ادامه حتما ببینید تصاویر خیره‌کننده از شفق قطبی | «رقص ارواح» در آسمان

در ادامه حتما ببینید ویدئو| قوی‌ترین طوفان خورشیدی