الشفق القطبي
الشفق الشمالي: توهج الجسيمات المشحونة الذي يربط الشمس بمجال الأرض المغناطيسي وبألوان سماء الليل.
الشفق القطبي الشمالي هو التوهج الناتج عن تصادم إلكترونات الرياح الشمسية بغازات الغلاف الجوي الأعلى. يقود المجال المغناطيسي للأرض تلك الإلكترونات في شريطين بيضاويين حول القطبين المغناطيسيين، فيكون العرض سمة دائمة لسماء الليل القطبية ويُدفع نحو خط الاستواء خلال العواصف المغناطيسية الأرضية.
نظرة عامة
الشفق القطبي توهج ملوّن وديناميكي يُشاهد في سماء المناطق العالية، وهو عرض لرقصة معقدة من الجسيمات والمغناطيسية بين الشمس والأرض تُعرف بالطقس الفضائي 1Auroras · NASA Science ↗. وينشأ هذا التوهج عندما تتصادم الجسيمات النشطة القادمة من الفضاء بذرات وجزيئات الغلاف الجوي فتسبب الضوء الملوّن الذي نسميه الشفق 1. ويُعرف الشفق في نصف الكرة الشمالي بالشفق الشمالي (أورورا بورياليس)، وفي نصفها الجنوبي بالشفق الجنوبي (أورورا أوستراليس) 2Aurora · NOAA Space Weather Prediction Center ↗. وتُكتسب ألوانه من حصول الذرات والجزيئات على طاقة عبر تصادمها بجسيمات نشطة في الغلاف الجوي الأعلى 1.
ويعتمد لون الشفق على نوع الغاز الذي يُصطدم وموقعه في الغلاف الجوي 1. فغاز النيتروجين المستثار يتوهج بلون أزرق في النطاق الممتد من ارتفاع 100 إلى 200 كيلومتراً 1، بينما يمنح النيتروجين عند ارتفاع دون 100 كيلومتراً تقريباً الحد الأدنى للشفق توهجاً أرجوانياً محمراً إلى وردي 1. ويقع الشفق عادةً على ارتفاع يمتد من 80 إلى 500 كيلومتراً فوق سطح الأرض 2.
ويقود المجال المغناطيسي للأرض الإلكترونات المسببة للشفق بحيث يتخذ شكل بيضاويين يتمركزان عند القطبين المغناطيسيين 2. وتكتسب هذه الإلكترونات طاقتها عبر عمليات تسريع في ذيل الغلاف المغناطيسي في الجهة الليلية 2. وفي خطوط العرض القطبية يمكن رصد الشفق في أكثر من نصف ليالي السنة 2. أما خلال العواصف المغناطيسية الكبرى فتتمدد بيضاويتا الشفق بعيداً عن القطبين، فيُرى الشفق فوق معظم أراضي الولايات المتحدة 2.
1. أصل الاسم ودلالته
اسم «الشفق القطبي» في اللغات الأوروبية مشتق من كلمة لاتينية تعني الفجر، وهي ذاتها اسم إلهة الفجر عند الرومان 1. فكلمة أورورا هي الكلمة اللاتينية للفجر، وهي أيضاً اسم إلهة الفجر عند الرومان 1. ومن هذا الجذر اللغوي نفسه جاء التركيب الذي يعني «فجر الشمال»، إذ ربط الناظرون قديماً بين هذا التوهج السماوي وبين ضوء الفجر الذي يبزغ من الأفق.
وقد نظر الأوروبيون البعيدون عن الدائرة القطبية إلى الظاهرة على هيئة توهج أحمر خافت يشقّ سماء الشمال، فشبّهوه بفجر الشرق حين ينتشر ضوؤه في الأفق. وهذا اللون الأحمر ليس اعتباطاً في تكوينه، فهو يصدر عن الأكسجين فوق ارتفاع 200 كيلومتراً 1. ويكشف اللون بذلك عن الارتفاع الذي يحدث عنده التفاعل، فيصبح للاسم دلالة بصرية تتصل بطبقات الغلاف الجوي العليا.
2. الآلية الفيزيائية
تتصل الأرض بالشمس عبر الرياح الشمسية، وهي تيار من البروتونات والإلكترونات في حالة البلازما ينبعث من الشمس. وقد اكتشف لودفيغ بيرمان هذه الظاهرة في عام 1951 أثناء دراسته لسبب اتجاه ذيول المذنبات دائماً بعيداً عن الشمس 3Earth's Magnetosphere · NOAA Space Weather Prediction Center ↗. وتنتج مناطق مختلفة على الشمس رياحاً شمسية بسرعات وكثافات مختلفة، أما الحالة الأكثر شيوعاً في المستوى الاستوائي فهي رياح بطيئة بسرعة أقل 4Solar Wind · NOAA Space Weather Prediction Center ↗. وعندما تبلغ هذه الرياح الأرض تصطدم بمجالها المغناطيسي، وهو مجال معقد يُنظر إليه إلى حد كبير كثنائي قطب له قطبان شمالي وجنوبي كمغناطيس قضيب بسيط 3.
يضغط ضغط الرياح الشمسية على المجال المغناطيسي للأرض في الجهة النهارية ويمدّه إلى ذيل طويل في الجهة الليلية، وقد شُبّه شكل المجال المشوّه الناتج بذلك بالماء المتدفق حول صخرة في نهر 3. وفي الجهة النهارية يبقى المجال المغناطيسي ضمن نحو 10 أنصاف أقطار أرضية، بينما يمتد في الجهة الليلية إلى مسافة بعيدة 3. والظروف داخل الغلاف المغناطيسي شديدة الديناميكية وتخلق ما يسمى الطقس الفضائي، الذي قد يؤثر في الأنظمة التقنية والنشاط البشري 3.
تكتسب الإلكترونات طاقتها عبر عمليات تسريع تجري في ذيل الغلاف المغناطيسي في الجهة الليلية، ثم تتصادم بغازات الغلاف الجوي الأعلى فتتوهج. ويتشكل الشفق عادةً على ارتفاع يتراوح بين 80 و500 كيلومتراً فوق سطح الأرض 2. وتسبب البروتونات أيضاً شفقاً، لكن توهجه خافت ومنتشر ولا يُرى عادةً بالعين المجردة 2.
3. الشكل والموقع والارتفاع
تتخذ أشكال الشفق القطبي هيئة أعمدة طويلة عديدة تنتظم في صفوف تشبه ستارة من طيّات القماش المعلّقة في السماء 2. وتشهد هذه الهيئة تحولاً مع تقدّم الليل، إذ تأخذ الأشكال طابعاً أكثر شبهًا بالسحاب قبيل الصباح 2. أما ذروة النشاط الشبيهة بالستارة فتُعرف بالعاصفة الفرعية الشفقية 2. ويغلب على الضوء المنبعث من الغازات المكوّنة للشفق الاختلاط، فيبدو الشفق أرجوانياً أو وردياً أو حتى أبيض 1.
يتحدد أفضل موقع لرصد الشفق بوقوع الراصد تحت منطقة بيضاوية تمتد بين خطي عرض 60 و75 درجة تقريباً 2. وتُعد هذه البيضاوية المتمركزة عند القطبين المغناطيسيين المجال الذي تقوده الإلكترونات وتتشكل فيه 2. ويقع الشفق الأزرق، الناتج عن النيتروجين، بين ارتفاع 100 و200 كيلومتراً 1.
4. الألوان ومصادرها
يتحدد لون الشفق القطبي بالغاز الذي تستثيره الإلكترونات وبالارتفاع الذي يحدث فيه ذلك الاستثارة، فاللون بذلك يكشف عن طبقة الحدوث لا عن مجرد زينة ضوئية. وأكثر الألوان شيوعاً هو الأخضر، وينتج عندما يستثار الأكسجين بالإلكترونات حول ارتفاع 100 كيلومتراً فوق سطح الأرض 1. ويحدث الشفق الأخضر تقريباً بين ارتفاع 100 و200 كيلومتراً، بينما يحدث الأحمر فوق 200 كيلومتراً 1.
وقد يبدو الضوء المنبعث من هذه الغازات مختلطاً، فيبدو الشفق أرجوانياً أو وردياً أو حتى أبيض 1. فالصورة اللونية التي يراها الراصد ليست دائماً لوناً واحداً صافياً، بل حصيلة امتزاج ما ينبعث من طبقات مختلفة.
| اللون | الغاز المصدر | نطاق الارتفاع | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| الأخضر | الأكسجين | حول 100 كيلومتراً | الأكثر شيوعاً، وينتج عن استثارة الأكسجين بالإلكترونات 1 |
| الأحمر | الأكسجين | فوق 200 كيلومتراً | يحدث في الطبقة العليا مقارنة بالأخضر 1 |
| الأزرق | النيتروجين | بين 100 و200 كيلومتراً | — |
| الأرجواني المحمر إلى الوردي | النيتروجين | تحت 100 كيلومتراً | — |
| مختلط | — | — | قد يبدو الشفق أرجوانياً أو وردياً أو حتى أبيض لاختلاط الضوء المنبعث من الغازات 1 |
الأطوال الموجية تجعل الألوان قابلة للقياس لا مجرد وصف. اللون الأكثر شيوعاً في الشفق هو الأخضر الباهت عند 557.7 نانومتراً5Aurora Tutorial · NOAA Space Weather Prediction Center ↗، بينما يصدر الأكسجين الذري المستثار عند أعلى ارتفاعاته ضوءاً أحمر عند 630 نانومتراً6Aurora · Wikipedia ↗. وعند الارتفاعات الأدنى تكبت التصادمات الأكثر تواتراً نمط الأحمر عند 630 نانومتراً، فيغلب الانبعاث الأخضر بدلاً منه6، وعند ارتفاعات أدنى من ذلك يشع النيتروجين الجزيئي على أطوال موجية كثيرة ويسود الطول 428 نانومتراً الأزرق6.
كلا الانبعاثين 557.7 و630.0 نانومتراً انتقالات محظورة للأكسجين الذري، وهي آلية بطيئة تعطي زمني توهج نحو 0.7 ثانية و107 ثانية على الترتيب6. وتمتص التصادمات مع ذرات وجزيئات أخرى طاقة الإثارة وتمنع الإصدار، وتسمى هذه العملية الإطفاء التصادمي6، ولهذا لا يبقى الانبعاث الأحمر إلا حيث يكون الهواء رقيقاً.
5. الطقس الفضائي والعواصف المغناطيسية الأرضية
العاصفة المغناطيسية الأرضية اضطراب في الغلاف المغناطيسي للأرض، تنقل فيه الرياح الشمسية السريعة المنبثقة من الثقوب الإكليلية طاقتها إلى ذلك الغلاف، لا سيما حين يكون المجال المغناطيسي الشمسي الموجّه جنوباً. وترتبط أكبر هذه العواصف بالانبعاثات الكتلية الإكليلية، إذ يبلغ الأرض نحو مليار طن من البلازما مصحوبة بمجالها المغناطيسي المضمّن 7Geomagnetic Storms · NOAA Space Weather Prediction Center ↗. وهذا الاقتران بين وفرة البلازما القادمة واتجاه المجال هو ما يجعل بعض العواصف أشد أثراً من غيرها في البيئة الفضائية المحيطة بالأرض 7.
تتصل هذه الاضطرابات مباشرة بالشفق القطبي، إذ تتمدد بيضاويتا الشفق بعيداً عن القطبين خلال العواصف المغناطيسية الكبرى، فيُرى الشفق فوق معظم أراضي الولايات المتحدة 2. وكلما ازداد نشاط الطقس الفضائي تمدّد الشفق نحو خط الاستواء، حتى تصير رؤيته ممكنة في الأحداث الكبيرة جنوباً في الولايات المتحدة وأوروبا وآسيا 2. فاتساع نطاق الرؤية على هذا النحو إنما هو أثر مباشر لشدة العاصفة المغناطيسية الأرضية وامتداد اضطرابها في الغلاف المغناطيسي 2.
تُبلَّغ شدة الاضطراب على مقياس واحد: يقيس مؤشر K الاضطرابات في المكوّن الأفقي للمجال المغناطيسي للأرض في نطاق 0 إلى 9 حيث 1 هادئ و5 أو أكثر يعني عاصفة مغناطيسية أرضية8Planetary K-index · NOAA Space Weather Prediction Center ↗. وقيمة Kp الكوكبية هي متوسط مؤشر K المعياري من 13 مرصداً مغناطيسياً أرضياً بين 44 و60 درجة من خط العرض المغناطيسي الأرضي8، وقد أُدخل المؤشر على يد عالم الجيوفيزياء يوليوس بارتلس في عام 19388.
لنشاط الشفق محرّك ثانٍ أكثر محلية من العاصفة الكبرى. العواصف الفرعية المغناطيسية الأرضية اضطرابات مغناطيسية تصيب أجزاءً من الغلاف المغناطيسي1، وقد يخلق التدفق اليومي للجسيمات المشحونة داخل الغلاف المغناطيسي للأرض مناطق صغيرة من عدم التوازن المغناطيسي تسببها1. وخلال النشاط المغناطيسي الأرضي المعتدل إلى العالي قد تزيد سلسلة من العواصف الفرعية تعقيد الشفق وسطوعه كثيراً لعدة ساعات قرب منتصف الليل5، وترتبط كل عاصفة فرعية باندفاع متجه غرباً، وهو موجة من نشاط الشفق تتحرك غرباً عبر السماء5. ولهذا قد يزداد سطوع الستارة وتنقسم في دقائق دون وصول أي عاصفة جديدة.
6. الرصد وشروط الرؤية
يُشترط في رصد الشفق القطبي أن تكون السماء صافية خالية من السحب، وأن يسود الظلام موضع الرصد، إذ إن وجود السحب أو ضوء كافٍ يحجب رؤية الشفق 2. ويحول ظهور شمس منتصف الليلية دون الرصد في أشهر الصيف عند خطوط العرض الشفقية 2. أما في خطوط العرض القطبية فيمكن رصد الشفق في أكثر من نصف ليالي السنة 2. ويمكن غالباً رصد الشفق في مكان ما على الأرض من بعد الغروب بقليل أو قبل الشروق بقليل 9Aurora - 30 Minute Forecast · NOAA Space Weather Prediction Center ↗.
7. الأدوات والمنظومة الرصدية
تتضافر في دراسة الشفق القطبي أدوات رصد متنوعة تعمل ضمن منظومة واحدة منسقة، إذ تعتمد الأبحاث على البالونات العلمية وصواريخ السبر وقياسات المركبات الفضائية إلى جانب المحطات الأرضية 1. وبهذا التكامل بين ما يُطلق في الفضاء وما يُثبَّت على الأرض تُبنى صورة أشمل للظاهرة وأبعادها. ويجري هذا العمل في إطار تعاون بين دول ووكالات مختلفة تتبادل فيه الأرصاد والنتائج 1. ومن أبرز أمثلة هذا التعاون برنامج البالونات في ناسا الذي يمتد على مدى أكثر من 30 عاماً 1.
ويضطلع برنامج المغناطيسية الأرضية في هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية بدور محوري في رصد المجال المغناطيسي للأرض عبر محطات أرضية توفر سجلات متصلة لتغيرات هذا المجال 10Geomagnetism Program · U.S. Geological Survey ↗. وتنشر الهيئة بياناتها المغناطيسية على مؤسسات حكومية وأكاديمية وخاصة، بما يوسّع دائرة الانتفاع بها 10. وإلى جانب الرصد والنشر، يجري البرنامج بحثاً في طبيعة التغيرات المغناطيسية الأرضية 10. وبذلك تلتقي السجلات المتصلة بالبحث العلمي في خدمة فهم المجال المغناطيسي وتخفيف المخاطر المرتبطة بتغيّره 10.
8. التنبؤ بالشفق
يستند منتج التنبؤ قصير المدى بالشفق إلى نموذج أوفاشن، وهو يقدّم تنبؤاً يمتد من 30 إلى 90 دقيقة يحدّد موقع الشفق وشدته 9. ويقوم هذا التنبؤ على ما يُعرف بمهلة التنبؤ، وهي الزمن الذي تستغرقه الرياح الشمسية كي تنتقل من نقطة رصد L1 إلى الأرض 9. ويُعرض ناتج التنبؤ على هيئة بيضاوي أخضر يبيّن سطوع الشفق وموقعه 9. ويتحول هذا البيضاوي الأخضر إلى أحمر عندما يُتوقع أن يكون الشفق أكثر شدة 9.
9. ما وراء الأرض
لا يقتصر ظهور الشفق على سماء الأرض وحدها، بل يمكن أن يحدث أيضاً على كواكب وأقمار أخرى تمتلك أغلفة جوية 1. وهذا يوسّع دائرة الظاهرة من كونها حدثاً أرضياً إلى ظاهرة فلكية ترتبط بوجود غلاف جوي لدى الجرم. وقد رصدت مجتمعات حول العالم الشفق ودوّنته على مدى آلاف السنين 1. ويُظهر هذا التدوين الممتد أن الظاهرة كانت مرئية وموضع ملاحظة إنسانية منذ زمن بعيد. أما فوق سطح الأرض فيتشكل الشفق عادةً على ارتفاع يتراوح بين 80 و500 كيلومتراً 2. وهذا النطاق الارتفاعي يحدد موضع الظاهرة في طبقات الجو العليا عند رصدها من الأرض.
10. لماذا يهمّ الشفق
نشاط الشفق هو الوجه المرئي للعواصف المغناطيسية الأرضية، ولهذه العواصف كلفة قابلة للقياس. على المستوى G5 الأقصى من مقياس العواصف المغناطيسية الأرضية في NOAA قد تعاني أنظمة الطاقة من مشكلات واسعة في ضبط الجهد، وقد تشهد بعض شبكات الكهرباء انهياراً كاملاً أو انقطاعات، بينما قد تبلغ تيارات خطوط الأنابيب مئات الأمبيرات وتنقطع الملاحة الراديوية منخفضة التردد لساعات11NOAA Space Weather Scales · NOAA Space Weather Prediction Center ↗. وقد تعاني عمليات المركبات الفضائية من شحن سطحي مع مشكلات في التوجيه والوصلة الصاعدة والتتبع على المستوى نفسه11.
ويسجل المقياس نفسه المدى الذي يبلغه الشفق. على المستوى G5 الأقصى شوهد الشفق جنوباً حتى فلوريدا وجنوب تكساس، عند نحو 40 درجة من خط العرض المغناطيسي عادةً، وتحدث هذه الأحداث نحو 4 أيام في كل دورة شمسية مدتها 11 عاماً11. وليس كل عرض شفق بحاجة إلى عاصفة ليستحق المشاهدة: فحتى المستويات الأدنى من النشاط المغناطيسي الأرضي، عند قيمة Kp مقدارها 3 أو 4، قد تنتج شفقاً بسطوع ونشاط معقولين5، ولأن الرياح الشمسية المعتدلة تخلق شفقاً فعادةً يوجد عرض ضعيف في مكان ما على الأرض5.
11. أهم التواريخ
- 1621اسم أورورا بورياليس يدخل الأدبياتأطلق الفلكي بيير غاسندي على الشفق الشمالي اسم أورورا بورياليس تيمناً بإلهة الفجر عند الرومان.
- 1741أول وصف علمي في الأمريكيتينسجّل المستوطنون الأوروبيون عروض شفق فوق أمريكا الشمالية، بينما كان الأوروبيون البعيدون عن القطب يرونها عادةً كتوهج أحمر خافت في الشمال.
- 1839تثبيت مصطلح أورورا أوستراليسأخذ النظير الجنوبي للشفق الشمالي اسم أورورا أوستراليس وفقاً لاصطلاح التسمية الشمالي.
- September 1859عاصفة كارينغتونأصبحت عاصفة مغناطيسية سُجلت في مرصد كولابا في الهند مرجعاً لدراسة الاضطرابات المغناطيسية الأرضية القصوى.
- 1896بيركلاند يقترح الأصل الكهربائياقترح الفيزيائي النرويجي كريستيان بيركلاند أن جسيمات مشحونة من الشمس تسبب التوهج، واختبر الفكرة بمجسم أرضي مخبري.
- 1951بيرمان يكتشف الرياح الشمسيةوأثناء دراسة سبب اتجاه ذيول المذنبات بعيداً عن الشمس، وجد لودفيغ بيرمان أن الشمس تصدر باستمرار تدفق البلازما الذي يسمى الآن الرياح الشمسية.
- 1957السنة الجيوفيزيائية الدوليةجعلت حملات الرصد العالمية المنسقة الشفق والمغناطيسية الأرضية موضوعي دراسة أرضية دولية مستمرة.
- 1958إكسبلورر 1 يؤكد الجسيمات المحتجزةأكدت أجهزة المركبات الفضائية أن الجسيمات النشطة محتجزة في المجال المغناطيسي للأرض، وهي الآلية التي يعتمد عليها الشفق.
- 2004نضوج التنبؤ القصير المدى بالشفقبدأت النماذج قصيرة المدى تصف موقع البيضاوي الشفقي وشدته قبل العرض بعشرات الدقائق.
- 2018توسع علم المواطنة أوروراسورسيواصل العلماء المواطنون الإبلاغ عن مشاهدات شفق تكمّل المغناطيسات الأرضية وكاميرات السماء الكاملة.
- 2026التنبؤ بالشفق يصبح روتيناً تشغيلياًتصدر مراكز الطقس الفضائي تنبؤات روتينية بالشفق كل نصف ساعة انطلاقاً من الرياح الشمسية المقيسة عند نقطة رصد L1.
12. الأسئلة الشائعة
هل تصدر البروتونات شفقاً أيضاً؟
تسبب البروتونات أيضاً شفقاً، لكن توهجه خافت ومنتشر ولا يُرى عادةً بالعين المجردة 2.
ما الذي يحدد سرعة الرياح الشمسية وكثافتها؟
ما الشرط الأكثر فعالية في نقل طاقة الرياح الشمسية إلى الغلاف المغناطيسي؟
كيف يرصد العلماء وصول الانبعاث الكتلي الإكليلي؟
هل يرتبط عدد البقع الشمسية بشدة العواصف المغناطيسية الأرضية؟
عندما تكون البقع الشمسية كبيرة وكثيرة العدد فمن المرجح حدوث عواصف مغناطيسية شديدة على الأرض 10.
ما الذي يخلقه تفاعل الرياح الشمسية مع المجال المغناطيسي الأرضي داخل الغلاف المغناطيسي؟
المراجع (12)
- 1Auroras — NASA Science موقع↩عرض المصدر
- 2Aurora — NOAA Space Weather Prediction Center موقع↩عرض المصدر
- 3Earth's Magnetosphere — NOAA Space Weather Prediction Center موقع↩عرض المصدر
- 4Solar Wind — NOAA Space Weather Prediction Center موقع↩عرض المصدر
- 5Aurora Tutorial — NOAA Space Weather Prediction Center موقع↩عرض المصدر
- 6Aurora — Wikipedia موقع↩عرض المصدر
- 7Geomagnetic Storms — NOAA Space Weather Prediction Center موقع↩عرض المصدر
- 8Planetary K-index — NOAA Space Weather Prediction Center موقع↩عرض المصدر
- 9Aurora - 30 Minute Forecast — NOAA Space Weather Prediction Center موقع↩عرض المصدر
- 10Geomagnetism Program — U.S. Geological Survey موقع↩عرض المصدر
- 11NOAA Space Weather Scales — NOAA Space Weather Prediction Center موقع↩عرض المصدر
- 12Coronal Mass Ejections — NOAA Space Weather Prediction Center موقع↩عرض المصدر
أبولو 11
محطة الفضاء الدولية
بلاد الرافدين