درمورد بادهای خورشیدی و سازوکار آنها چه می‌دانیم

باد خورشیدی جریانی از ذرات باردار (پلاسما) است که از خورشید آزاد می‌شوند. اگرچه باد ثابت است، خواص آن ثابت نیست. اما چه چیزی باعث ایجاد باد خورشیدی می‌شود؟ و چه تاثیری روی سیاره‌ی زمین دارد؟

ستاره پر باد

تاج خورشید، لایه‌ی بیرونی خورشید است که دمای آن به ۱٫۱ میلیون درجه سانتی‌گراد می‌رسد. در این سطح از گرما، جاذبه‌ی خورشید نمی‌تواند این ذرات پر سرعت را نگه دارد و به این ترتیب، این ذرات از خورشید خارج می‌شوند و به فضا می‌روند. خورشید دارای دوره‌ی فعالیتی ۱۱ ساله است که طی آن تعداد لکه‌های خورشیدی (نقاط تيره‌ای که دمای کمتری نسبت به دیگر نواحی خورشید دارند) میزان تابش و مواد پرتابی تغییر می‌کنند. این تغییرات روی خواص باد خورشیدی، از جمله میدان مغناطیسی، سرعت، دما و تراکم آن تاثیر می‌گذارند. بادهای خورشیدی هم بسته به محل شکل‌گیری و سرعت چرخش، با هم تفاوت دارند.

سرعت باد خورشیدی بر فراز حفره‌های تاج بالاتر است و سرعت آن تا ۸۰۰ کیلومتر در ثانیه می‌رسد.دما و تراکم حفره‌های تاجی کم است و میدان مغناطیسی آن هم ضعیف است، بنابراین در این نواحی، میدان مغناطیسی آزادانه به سوی فضا باز است و به‌همین دلیل، مواد از این نقاط به خارج از خورشید حرکت می‌کنند. این حفره‌ها در قطب‌ها و عرض‌های کم  رخ می‌دهند و زمانی که فعالیت‌های خورشید به حداقل برسد، این حفره‌ها بزرگتر می‌شوند. دما در بادهای سریع می‌تواند به ۸۰۰ هزار سانتی‌گراد برسد.

در کمربند تاج خورشید در اطراف استوا، باد خورشیدی به‌آرامی حرکت می‌کند و سرعت آن در حدود ۳۰۰ کیلومتر در ثانیه است و دما در باد آهسته هم به ۱٫۶ میلیون سانتی‌گراد می‌رسد. خورشید و جو آن از پلاسما تشکیل شده که ترکیبی از ذرات باردار مثبت و منفی با دمای بسیار بالا هستند. اما با خروج این مواد از جو خورشید، بیشتر حالتی شبیه گاز پیدا می‌کنند. کریگ دیفورست، فیزیکدان خورشیدی از موسسه‌ی تحقیقاتی جنوب غربی (SwRI) در بولدر، کلرادو، گفت:

با دور شدن از خورشید، قدرت میدان مغناطیسی سریع‌تر از فشار مواد، کاهش پیدا می‌کند و در نهایت، این مواد بیشتر به شکل گاز و کمتر شبیه به پلاسما رفتار می‌کنند.

تاثیر بادهای خورشیدی در زمین

بادهای خورشیدی که ذرات باردار و ابرهای مغناطیسی را حمل می‌کنند، در همه‌ی جهات منتشر می‌شوند و برخی از آن‌ها هم به‌طور مداوم به سیاره‌ی ما برخورد می‌کنند. اگر مواد باد خورشیدی به سطح سیاره‌ای برسند، می توانند آسیب های زیادی به هر نوع شکلی از حیات وارد کنند. اما میدان مغناطیسی زمین به مانند یک سپر عمل می‌کند و این مواد را به اطراف سیاره هدایت می‌کند.

یک رندر هنری از میدان مغناطیسی زمین با کمان شوک (خارجی ترین لایه مگنتوسفر). زمین در وسط تصویر قرار دارد که توسط میدان مغناطیسی آن احاطه شده است که با خطوط بنفش مشخص شده کمان شوک هم در سمت راست قرار دارد که به رنگ آبی نشان داده شده

گاهی اوقات در خورشید فوران‌های بزرگی به‌نام خروج جرم از تاج خورشیدی (CME) یا طوفانهای خورشیدی رخ می‌دهد. این فوران‌های بزرگ در طول دوره فعالی رخ می‌دهند که به دوره‌ی حداکثر فعالیت خورشید مشهور است. همان طور که قابل حدس است، تاثیر خروج جرم از تاج خورشیدی بیش از بادهای خورشیدی معمولی است.

در وب‌سایت ناسا برای رصدخانه خورشیدی STEREO، نوشته شده:

تخلیه‌های خورشیدی قوی‌ترین محرک‌های اتصال خورشید و زمین هستند؛ اما علی‌رغم اهمیت آن‌ها، دانشمندان اطلاعات زیادی در مورد منشأ و تکامل خروج جرم‌ها از تاج خورشیدی و همچنین ساختار و اندازه آن‌ها در فضای بین سیاره‌ای ندارند.

اما ماموریت STEREO، امیدوار است که این رویه را تغییر دهد. زمانی که باد خورشیدی، طوفانهای خورشیدی و دیگر انفجارهای قدرتمند تابشی را به میدان مغناطیسی سیاره منتقل می‌شوند، فشار عظیمی به میدان مغناطیسی وارد می‌کنند، پدیده‌ای که به آن باز اتصال مغناطیسی (Magnetic Reconnection) گفته می‌شود. این ذرات پر انرژی سپس به سمت قطب‌های مغناطیسی سیاره می‌روند و باعث می‌شود که نمایش‌های زیبایی به‌نام شفق‌های قطبی را شاهد باشیم.

اگرچه برخی اجرام کیهانی به‌وسیله‌ی یک میدان مغناطیسی محافظت می‌شوند، اما برخی دیگر از سیارات هم چنین سپر مغناطیسی ندارند. به‌عنوان مثال، ماه هیچ محافظی برای مقابله با این ذرات باردار ندارد و بنابراین، فشار کامل را می‌گیرد. اما عطارد، نزدیک‌ترین سیاره به خورشید، دارای یک میدان مغناطیسی است که از آن در مقابل بادهای خورشیدی معمولی محافظت می‌کند، اما نیروی کامل انفجارهای قوی‌تر مانند خروج جرم از تاج خورشید روی آن تاثیر می‌گذارند. هنگامی که جریان‌های سرعت بالا و کم سرعت با یکدیگر برخورد می‌کنند، نواحی متراکمی به نام متقابل چرخش مشترک (CIRs) را پدید می‌آورد که طوفانهای ژئومغناطیسی که به زمین برخورد می‌کنند را تغییر می دهد.

باد خورشیدی و ذرات باردار آن، ماهواره‌های زمین و سیستم‌های موقعیت‌یاب جهانی (GPS) را تحت تاثیر قرار می‌دهند. انفجارهای قدرتمند می‌توانند به ماهواره‌ها آسیب برسانند یا می‌توانند سیگنال‌های سیستم‌های موقعیت‌یابی را مختل کنند. باد خورشیدی همه‌ی سیارات منظومه‌ی شمسی را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

هیثر الیوت، دانشمند علوم فضایی از موسسه پژوهشی جنوب غربی در سن آنتونیو، تگزاس، گفت:

زمانی که باد خورشیدی به سمت بیرون حرکت می‌کند، سرعت و تراکم آن متوسط است. اما با در حرکت بودن، باد هنوز در اثر فشرده‌سازی گرم می‌شود، به این جهت است که می‌توان، شواهدی از الگوی‌های چرخشی خورشید را حتی در فضای بیرونی منظومه خورشیدی هم مشاهده کرد.

بررسی باد خورشیدی

با وجودی که وجود باد خورشیدی در دهه‌ی ۱۹۵۰ کشف شد، اما علی‌رغم اثرات گسترده آن روی زمین و فضانوردان، دانشمندان هنوز نمی‌دانند که بادهای خورشیدی چگونه تکامل پیدا می‌کنند. طی چند دهه‌ی گذشته‌ی چندین ماموریت به‌دنبال حل این معما بوده‌اند.

ماموریت اولیس ناسا که در اکتبر ۱۹۹۰ به فضا پرتاب شد، بررسی‌هایی را از عرض‌های مختلف خورشید انجام داد. این ماموریت ناسا، ویژگی‌های مختلف باد خورشیدی را طی دوره‌ای بیش از دو دهه اندازه‌گیری کرد.ماهواره ترکیب پیشرفته اکسپلورر (ACE) هم اکنون در یکی از نقاط ویژه بین زمین و خورشید به نام نقطه لاگرانژ، در حال انجام ماموریت خود است. در این ناحیه، گرانش خورشید و سیاره با هم برابر است، از این رو، ماهواره می‌تواند همواره در یک موقعیت مدار ثابتی قرار داشته باشد.

رندر هنری از کاوشگر خورشیدی پارکر. این کاوشگر در مداری به فاصله‌ی حدود ۶٫۷ میلیون کیلومتری سطح خورشید قرار می‌گیرد و بخش بیرونی جو خورشید را کاوش می‌کند

ماهواره‌ی ترکیب پیشرفته اکسپلورر که در سال ۱۹۹۷، ماموریت خود را آغاز کرده، تاکنون توانسته انرژی باد خورشیدی و جریان ذرات باردار را اندازه‌گیری کند. فضاپیماهای دوقلوی ناسا، STEREO-A و STEREO-B هم لبه خورشید را بررسی می‌کنند تا به درک نحوه‌ی شکل‌گیری باد خورشیدی کمک کنند. بنابر اعلام ناسا، فضاپیمای STEREO که در اکتبر سال۲۰۰۶ به فضا پرتاب شد، می‌تواند اطلاعات ارزشمند و منحصربه‌فردی را درمورد سیستم خورشید زمین فراهم کند.

یک ماموریت جدید دیگر هم امیدوار است که اطلاعات جدیدی در مورد باد خورشیدی در اختیار دانشمندان قرار دهد. کاوشگر خورشیدی پارکر ناسا که قرار است در تابستان ۲۰۱۸ راه‌اندازی شود، قصد دارد اطلاعاتی را از بیرونی‌ترین بخش اتمسفر خورشید که به تاج خورشید مشهور است، جمع‌آوری کند.دمای تاج خورشید که تا بیش از ۶۰۰ هزار درجه سانتی‌گراد می‌رسد و به‌دلایلی که هنوز به‌درستی مشخص نیست، دمای آن بیش از هسته‌ی خورشید است.

کاوشگر خورشیدی پارکر پس از نزدیک شدن به خورشید، برای اولین بار به درون تاج خورشیدی شیرجه می‌زند و با استفاده از ابزارهای تصویربرداری و با اندازه‌گیری مستقیم میدان مغناطیسی، چگالی پلاسما و دمای اتمسفر (خورشید)، درک ما از تاج خورشیدی و منشا و تکامل باد خورشید را دگرگون خواهد کرد.

نیکلا فاکس، دانشمند پروژه کاوشگر خورشیدی پارکر از آزمایشگاه فیزیک کاربردی در دانشگاه جان هاپکینز، گفت:

 کاوشگر خورشیدی پارکر می‌خواهد به سوالاتی درباره ساختار فیزیکی خورشید پاسخ دهد که بیش از شش دهه است که ذهن ما را به خود مشغول کرده. این کاوشگر که مجهز به پیشرفته‌ترین فناوری‌هاست، می‌تواند بسیاری از اسرار خورشید، از جمله اینکه چرا تاج خورشید بسیار گرم‌تر از سطح آن است را حل کند.