باد خورشیدی

باد خورشیدی (Solar Wind) جریانی از ذرات باردار است که به طور مداوم از جو فوقانی خورشید  در همه جهات به سمت فضای بین سیاره ای جریان دارد. این جریان عمدتاً از الکترون، پروتون، و ذرات آلفا (ذراتی متشکل از دو پروتون و دو نوترون) تشکیل شده است. به دلیل تأثیری که این ذرات بر روی دستگاه های ارتباطی، ماهواره ها، فضاپیماها، شبکه های برق، و سفرهای فضایی دارند [11] بررسی و شناخت دقیق آنها اهمیت  زیادی پیدا می کند.

دما، سرعت و تراکم این جریان در طول و عرض جغرافیایی خورشید و همچنین در طول زمان تغییر می کند. دما در سطح خورشید حدود 5500 درجه سانتیگراد است اما دمای اتمسفر فوقانی خورشید (تاج خورشیدی)  به جای آنکه نسبت به دمای سطح خورشید کاهش پیدا کند، افزایش می یابد و به یک میلیون (و در بعضی نقاط به 10 میلیون) درجه می رسد [1]. علت این افزایش دما هنوز به طور دقیق روشن نشده است و یکی از معماهای حل نشده خورشید محسوب می شود. دما در تاج خورشیدی به حدی است که نیروی گرانش و نیروی مغناطیسی خورشید قادر به نگه داشتن ذرات نیستند و این ذرات به بیرون از خورشید جریان پیدا می کنند [2].

کل جرمی که در هر ثانیه از طریق باد خورشیدی از خورشید جدا می شود حدود یک میلیون تن است. با این نرخ هر 150 میلیون سال به اندازه جرم زمین از خورشید کم می شود. با این وجود، کل مقدار جرمی که در طول عمر خورشید در اثر باد خورشیدی از آن جدا شده است تنها حدود 0.0001 جرم آن است [1].

باد خورشیدی در اطراف زمین به دو حالت مشاهده می شود که باد خورشیدی سریع و باد خورشیدی آهسته نامیده می شوند. باد خورشیدی آهسته بین 300 تا 500 کیلومتر بر ثانیه (1 تا 1.6 میلیون کیلومتر بر ساعت) سرعت دارد و ترکیب آن تقریباً مشابه ترکیبات تاج خورشیدی است. سرعت باد خورشیدی سریع به 750 کیلومتر بر ثانیه (2.7 میلیون کیلومتر بر ساعت) می رسد، ترکیب آن تقریباً مشابه ترکیبات سطح خورشید است و تراکم آن نصف تراکم باد خورشیدی آهسته است [1].

اگر ذرات موجود در باد خورشیدی به سطح زمین برسند تشعشعات ناشی از آنها موجودات زنده را شدیدا دچار آسیب می نماید. میدان مغناطیسی زمین همانند یک سپر عمل می کند و ذرات باردار باد خورشیدی را منحرف می کند تا از کنار زمین عبور کنند [3]. در هنگامی که باد خورشیدی به زمین نزدیک می شود سرعت آن در اثر میدان مغناطیسی زمین به تدریج به کمتر از سرعت صوت کاهش می یابد. هنگامی که سرعت جریانی از مافوق صوت به زیر صوت کاهش یابد یک شوک قوسی (Bow shock) ایجاد می شود (شکل 2).  کاوشگر اروپایی کلاستر نشان داده است که این شوک در فاصله 90 هزار کیلومتری زمین قرار دارد [5] و ضخامت آن حدود 17 کیلومتر است [6]. بعد از  این شوک اکثر ذرات در امتداد خطوط مغناطیسی زمین از کنار زمین دور می شوند.

در زمان هایی که باد خورشیدی آهسته و باد خورشیدی سریع با هم تداخل پیدا می کنند و در زمان هایی که پدیده پرتاب جرم از تاج خورشیدی  (coronal mass ejection) روی می دهد، میدان مغناطیسی زمین دچار تغییر شکل شده و تعدادی از این ذرات در نواحی قطبی با جو زمین برخورد می کنند و شفق های قطبی را به وجود می آورند [3].

اما باد خورشیدی تا کجا ادامه پیدا می کند؟  جریانی از ذرات و غبار در فضای بین ستارگان نیز وجود دارد. باد خورشیدی تا جایی پیش می رود که فشار آن بیش از فشار جریان ذرات بین ستاره ای باشد. بنابراین هرچه باد خورشیدی پیش می رود سرعت آن در اثر بادهای بین ستاره ای کم می شود. در جایی که سرعت آن به زیر صوت کاهش می یابد یک شوک ایجاد می شود که به شوک پایانی (termination shock) موسوم است. شوک پایانی در فاصله ثابتی قرار ندارد و بسته به شدت باد خورشیدی در نقاط مختلف فاصله آن متفاوت است ولی پیش بینی می شود در فاصله 80 تا 100 واحد نجومی (AU) از خورشید قرار داشته باشد [13]. بعد از آن سرعت این باد همچنان کاهش می یابد تا متوقف شود. ناحیه ای که سرعت این باد به صفر می رسد هلیوپوز (Heliopouse) نامیده می شود و مرز تاثیرگذاری میدان مغناطیسی خورشید است. ناحیه درون این مرز هلیوسفر  (Heliosphere) نامیده می شود.

از طرف دیگر منظومه شمسی به سرعت متوسط 720 هزار کیلومتر در ساعت در حال گردش به دور مرکز کهکشان راه شیری است (و با این سرعت هر 230 میلیون سال یک بار به دور مرکز کهکشان می گردد) [4]. تخمین زده می شود که برخورد جریان های بین ستاره ای با هلیوسفر باعث ایجاد یک شوک  قوسی (Bow Shock) دیگر در جلوی هلیوسفر می شود.

در شکل فوق همچنین موقعیت فضاپیماهای ویجر 1 و ویجر 2 نشان داده شده است. این فضاپیماها در سال 1977 (حدود 40 سال پیش) به فضا پرتاب شده اند. ویجر 1 در سال 2004 و در فاصله 94 واحد نجومی و ویجر 2 در سال 2007 و در فاصله 84 واحد نجومی از خورشید از مرز شوک پایانی عبور کردند (هر واحد نجومی برابر با فاصله متوسط زمین تا خورشید یعنی حدود 150 میلیون کیلومتر است).  همچنین ویجر 1 در سال 2012 از مرز هلیوپوز عبور کرد و وارد فضای بین ستاره ای شد [7]. این دوفضاپیما هنوز هم اطلاعات و داده ها را به آنتن های شبکه فضای عمیق ارسال می کنند.  . هر دوی فضاپیماهای ویجر حداقل تا سال 2020 انرژی الکتریکی لازم برای ارسال داده ها به زمین را دارند. داده های دریافتی از ویجر 1 نشان می دهد که بعد از مرز  هلیوپوز، میزان ذرات کیهانی به طور ناگهانی بیش از 40 برابر میزان ذرات دریافتی از باد خورشیدی افزایش یافته است [8].

جریان بین ستاره ای که اصطلاحا پرتو کیهانی نامیده می شود شامل پروتون های تکی، هسته اتم های مختلف و الکترون می شود. این پرتو می تواند به DNA سلول زنده آسیب رسانده و باعث مرگ، جهش، یا سرطانی شدن آن شود [9]. اما خوشبختانه بخش زیادی از این ذرات در عبور از شوک قوسی، هلیوپوز، شوک پایانی و در نهایت میدان مغناطیسی زمین دفع می شود.

همانطور که در شکل فوق ملاحظه می شود پرتو کیهانی در عبور از شوق قوسی اندکی کاهش می یابد. در فاصله هیلوپوز تا شوک پایانی مقدار قابل توجهی از این پرتو کاسته می شود و به حدود 25 درصد مقدار اولیه آن می رسد. این روند کاهش در ادامه مسیر به سمت نواحی داخلی منظومه شمسی همچنان ادامه می یابد و در نهایت در اطراف کره زمین مقدار این پرتو تنها حدود 10 تا 15 درصد مقدار اولیه آن است [12].

این پدیده می تواند مصداق دیگری برای آیه «وَجَعَلْنَا السَّمَاءَ سَقْفًا مَحْفُوظًا» (و آسمان را سقفی محفوظ قرار دادیم) [10] باشد. سقف های شناخته شده را می توان به این صورت برشمرد: سقف اول جو زمین است که مانع از رسیدن شهاب سنگ ها و پرتوهای فرابنفش به زمین می شود. سقف دوم میدان مغناطیسی زمین است که زمین را در برابر باد خورشیدی و پرتو کیهانی محافظت می نماید. سقف سوم سیاره مشتری است که بیشتر شهاب سنگهای بزرگ و کوچک را که جذب می کند و مانع از برخورد آنها با زمین می شود. سقف  بعدی  هلیوپوز   (در فاصله تقریب 22 میلیارد کیلومتری از زمین) است که مقدار پرتو کیهانی را به طور قابل توجهی کاهش می دهد.

مطلب به تدریج تکمیل خواهد شد…

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_wind

2. https://solarscience.msfc.nasa.gov/SolarWind.shtml

3. https://www.space.com/22215-solar-wind.html

4. https://solarsystem.nasa.gov/planets/sun/indepth

5. http://sci.esa.int/cluster/40994-cluster-reveals-the-reformation-of-the-earth-s-bow-shock/

6.http://sci.esa.int/cluster/49637-cluster-reveals-earth-s-bow-shock-is-remarkably-thin/

7.https://voyager.jpl.nasa.gov/mission/fastfacts.html

8. https://voyager.jpl.nasa.gov/news/medium_mystery.html

9. http://ibex.swri.edu/students/How_do_cosmic_rays.shtml

10- قرآن کریم-سوره انبیا-آیه 32

11. http://sciencing.com/solar-winds-affect-earth-4566990.html

12. http://ibex.swri.edu/students/How_does_the_Solar.shtml

13. https://solarsystem.nasa.gov/planets/solarsystem/indepth