الشمس .. كما لم تعرفها من قبل

مركز مجموعتنا الشمسية ومصدر الطاقة الرئيسي لكوكب الأرض، وتلعب دوراً أساسياً في الحفاظ على استمرارية الحياة على الأرض.

بين الشمس والأرض علاقة وطيدة منذ مليارات السنين , تعرضت خلالها الأرض لكثير من التحولات بسبب عوامل كونية مثل القصف النيزكي المتواصل وسيل مستمر من الأشعة الكونية الفتّاكة والعواصف والرياح الشمسية .

العواصف والرياح التي نعرفها تُحدث اضطرابات في الغلاف الجوي كمانعلم، وأيضاً تُحدث العواصف والرياح الشمسية اضطرابات للأرض ولكن أكثر ما يتأثر بتلك الاضطرابات هو المجال المغناطيسي للأرض الذى هو بمثابة درع واقي من تلك العواصف المدمرة.

والعواصف الشمسية واحدة من الظواهر الشائعة التي تتعرض لها الأرض كل فترة , تزداد أوتقل حسب نشاط الشمس.

قبل أن نسترسل فى الحديث عن تلك الظواهر وأسبابها وتأثيرها علينا , نتعرف أولاً على ” المصدر ” ..

I.            السيرة الذاتية

·        الاسم: الشمس

·        النوع: نجم

·        العمر: 4.5 مليارسنة

·        الوظيفة: إمداد الأرض بالطاقة اللازمة لاستمرار الحياة

·        العنوان: الذراع السابع لمجرة درب التبانة – مركز المجموعة الشمسية

Local Interstellar Cloud, Local Bubble, Orion–Cygnus Arm, Milky Way

·        الكتلة: 1.9891 ×كيلوجرامأ وتساوى 333,000 مرة كتلة الأرض

·        الحجم: 1.412 × كيلومتر مكعب أو تستطيع احتواء 1,300,000 كوكب في مثل حجم الأرض

·        البُعد عن الأرض :150مليون كيلومتر أو 8 دقائق ونصف بسرعة الضوء

·        درجة الحرارة:

-       فى القلب : 15.5 مليون درجة سلزيوس

-       على السطح: 5,500 درجة سلزيوس

-       في الغلاف الجوي : 5 مليون درجة سلزيوس

·        المكونات :

-       الهيدروجين : 73.5 %

-       الهيلويم: 24.9 %

-       عناصر أخرى: 1.6 %

·        التركيب الداخلى من الداخل للخارج :

-       النواة Core

-       المنطقة الإشعاعية Radiative Zone

-       منطقة الحمل الحرارى Convection Zone

-       سطح الشمس Photosphere

-       الطبقة الملونة Chromosphere

-       إكليل الشمس Corona

II.            أهم الظواهر الشمسية

·        البقع الشمسية ( Sunspots)

·        الدورة الشمسية ( Solar Cycle )

·        الإنبعاث الكتلي الكليلي( Coronal Mass Ejection CME)

·        التوهجات الشمسية ( Solar Flares )

·        الرياح الشمسية ( Solar Winds )

نبدأ الحديث عن البقع الشمسية أو تُسمى أحياناً بالكلف الشمسي , تلك النقاط السوداء الصغيرة التي نراها على سطح الشمس عند النظر إليها من خلال تليسكوب مجهّزبفلتر خاص لرصد الشمس , و لكن ما هي تلك البقع ؟

البقع الشمسية عبارة عن مناطق على سطح الشمس تحدث فيها اضرابات مغناطيسية , و هي أماكن نشطة تنبعث منها كميات كبيرة من البلازما و الإشعاعات .

و لكن كيف لها أن تظهر سوداء بالرغم من نشاطها الكبير ؟

يرجع ذلك إلى أن درجة حرارتها أقل من المناطق المحيطة بها , و من خلال التباين الكبير في مستويات الإشعاع الصادر تظهر كنقاط سوداء .

يمكن أن تصل مساحتها إلى أضعاف مساحة الأرض أو أصغر منها حسب درجة النشاط الشمسي .

للشمس دورة نشاط و خمول مدتها 11 سنة و تتكرر باستمرار , و يرجع سببها إلى أن الشمس عبارة عن كرة من الغاز الساخن المتأين أو كما يُعرف باسم ” البلازما ” و هي عبارة عن شحنات كهربية متحركة , لذلك تُولّد مجالات مغناطيسية .

يُمكن اعتبار الشمس كأنها كرة من المجلات الكهرومغناطيسية المتشابكة , و هذا التشابك في غاية التعقيد و سببه أن الشمس عبارة عن طبقات و كل طبقة لها سرعة دورانية مختلفة عن الأخرى , الطبقات القريبة من القطبين سرعتها أقل من سرعة الطبقات عند خط الاستواء الشمسي لأن الشمس متكونة من غازات متأينة و عند القطبين المجال المغناطيسيالشمسى ضعيف .

نتيجة لاختلاف سرعات الطبقات تتشابك مجالاتها المغناطيسية معاً و تُشكل مناطق تشبه العُقد , و هذه العُقد هي ما يظهر على سطح الشمس كنقاط سوداء و نطلق عليها اسم البقع الشمسية .

عند وصول التشابك المغناطيسي لأقصى درجاته تكون الشمس في أقصى درجات نشاطها, أي تنبعث منها كميات هائلة من المادة و الطاقة في كل الاتجاهات , و أحياناً تُصيب الأرض مباشرة , ثم تعكس الشمس اتجاه دورانها و اتجاه مجالها المغناطيسي ليتفكك التشابك و يرجع المجال المغناطيسي لحالته المستقرة , و عند الوصول لتلك الحالة تكون الشمس فيأدنى درجات نشاطها .. و هكذا .

ذكرنا أن الشمس تُطلق كميات كبيرة من المادة و الطاقة في حالات النشاط الزائد و هي الانبعاث الكتلي الإكليلي , وهي تعتبر جزء من الشمس هرب منها و هي كميات هائلة من البلازما تصل كتلتها إلى آلاف الأطنان , تتكون معظمها من من الالكترونات و البروتونات و بعض العناصر الأخرى .

و تحدث هذه الظاهرة بسبب ” إعادة اتصال المجالات المغناطيسية ” , و هذا يحدث على سطح الشمس عند مناطق التشابك المغناطيسي , عندها يحدث إعادة اتصال بين المجالات المغناطيسية ذات الاتجاهات المختلفة فتحدث ثغرة فى المجال المغناطيسي و تهرب من خلالها كميات كبيرة من البلازما في الفضاء .

يُصاحب هذا الهروب الكبير كميات هائلة من الإشعاع أو كما تُعرف باسم الوهج الشمسي .

و تحدث بسبب تولد مجال كهربي نتيجة التغير المُفاجئ في المجال المغناطيسي,و هذا المجال الكهربي يُسرع الشحنات و بدورها تُصدر إشعاعات بترددات مختلفة و يُمكن رصد هذا الإشعاع بواسطة أجهزة معينة كتلك الموجودة على الأقمار الصناعية الخاصة برصد الشمس , و لعل أشهرها يُسمى ” SOHO ” 

الرياح الشمسية عبارة عن تيار مستمر من الشحنات الخارجة من الشمس في جميع الاتجاهات , تزداد شدتها و قوتها في حالات النشاط الزائد , و تتكون من البروتونات و الالكترونات و تستطيع الهروب من جاذبية الشمس بسبب سرعتها الكبيرة , و تصدر تلك الرياح بكميات كبيرة من مناطق تُعرف باسم ” Coronal Holes ” أو الفوهات الإكليلية , و هي تعتبر بوابات مفتوحة في المجال المغناطيسي تهرب من خلالها 

الجيسمات .

III.            تأثيرها على الأرض

لدى كوكب الأرض مجال مغناطيسي فعال , فهو بمثابة درع واقي ضد القصف الشمسي المستمر بدءاً من سيل الشحنات ذات الطاقات العالية وصولاً بكرات اللهب الحارقة التي يصل حجمها إلى أضعاف حجم الأرض.

يرجع وجود المجال المغناطيسي الأرضي إلى وجود مليارات الأطنان من الحديد المنصهر في قلب الأرض ويدور في اتجاه واحد مع دورانالأرض , ومن أساسيات الفيزياء نعلم أن تحرك الشحنات يولد مجالاً مغناطيسياً, لذلك يتولد حقلاً مغناطيسياً يشبه كرة أو هالة من الطاقة المحيطة بالأرض, خطوط المجال اتجاهها من الشمال المغناطيسي ( الجنوب الجغرافي ) إلى الجنوب المغناطيسي ( الشمال الجغرافي ) , قوته القصوى تتمثل عند خط الاستواء وأضعف نقطة عند الأقطاب الشمالية والجنوبية.

نتيجة للسيل المستمر من الشحنات القادم من الشمس تضغط على المجال المغناطيسي الأرضي من الناحية المواجهة للشمس ( النهار) وفي الجانب الليلي يتمدد المجال للخلف.

الشحنات ذات الطاقات العالية القادمة من الشمس لديها مجال مغناطيسي خاص بها ولها تجاه محدد , عند اصطدامها بالمجال المغناطيسي الأرضي يحدث تفاعل بين خطوط المجال المغناطيسي للجسيمات والمجال المغناطيسي للأرض .

إذا كان اتجاه المجال المغناطيسي للجسيمات هو نفس اتجاه المجال المغناطيسي للأرض لا يحدث ضرر على الأرض حيث يجرف المجال المغناطيسي الأرضي تلك الجسيمات بعيداً عن الأرض.

أما إذا كان اتجاه المجال المغناطيسي للجسيمات عكس اتجاه المجال المغناطيسي للأرض يحدث إعادة اتصال لخطوط المجالين ( الشمالي مع الجنوبي والجنوبي مع الشمالي) , وتهرب بعض الجسيمات إلى داخل المجال المغناطيسي الأرضي وصولاً إلى الجانب الليلي ,فيحدث مرة أخرى إعادة اتصال لخطوط المجالين فتهرب الجسيمات إلى داخل الغلاف الجوي الأرضي فتصطدم بجزيئات الغازات و تعمل على إثارتها من خلال إعطائها جزء من الطاقة نتيجة التصادم , نتيجة لإثارة ذرات وجزيئات الغازات تنطلق أضواء في السماء بألوان مُختلفة رائعة وكل لون يُشير إلى غاز محدد, هذه الظاهرة تُسمى الشفق القُطبي أو Aurora .

تحدث هذه الظاهرة بكثرة عند القطب الشمالي والجنوبي نتيجة لضعف المجال المغناطيسي للأرض عند تلك المناطق فيسهل على الجسيمات الدخول والتفاعل مع الغلاف الجوي.

ولكن .. إذا اصطدمت عاصفة شمسية بالمجال المنغناطيسي للأرض يحدث نفس ما حدث سابقاً ولكن بصورةأقوى, بالإضافة إلى توليد تيارات كهربية تُدمر الأجهزة الكهربائية الموجودة في الأقمار الصناعية والموجودة في محطات توليد الطاقة على الأرض وتسبب تآكل فى أنابيب نقل الغاز والنفط وتشويش على الأجهزة الإلكترونية.

لحسن الحظ يُمكن تجنب تلك الكوارث من خلال بعض التعليمات البسيطة مثل غلق ألواح الطاقة الشمسية على الأقمار الصناعية وإيقاف الاتصال به قبل حدوث العاصفة الشمسية أو توجيه الألواح لاتجاه آخر بعيداً عن مسار العاصفة , تخفيف الأحمال على المحولات الكهربية في محطات الطاقة حتى لا تحترق.

يُمكن رصد الأنشطة الشمسية قبل وصولها للأرض بفترة لابأس بها.. ولكن كيف؟

IV.            رصد الأنشطة الشمسية

توجد عدة أقمار صناعية تدور حول الأرض لدراسة المجال المغناطيسي للأرض وما يحدث فيه من اضطرابات أثناء حدوث الأنشطة الشمسية.

ويُعد أشهر تلك الأقمار الصناعية, أو بمعنى أدق ” كوكب صناعى ” ألا وهو SOHO ..

اختصاراً إلى The Solar and Heliospheric Observatory.

ويُعد SOHO كوكب صناعي لأنه يدور حول الشمس ويدور فى مدار بين الأرض وبين الشمس عند نقطة تُسمى Lagranian Point , وهي النقطة التي عندها تتساوى قوى الجذب للأرض وللشمس على SOHO , ويبعد عن الأرض حوالي مليون ونصف كيلومتر.

وهو مُزوّد بعدة أجهزة مهمة لمعرفة الأماكن النشطة على سطح الشمس وتصوير ومتابعة كل ماينبعث من الشمس من مواد و إشعاعات ,ويدرس خصائصها مثل سرعتها واتجاهها وكثافة الشحنات بداخلها وكثافة المجال المغناطيسي المُصاحب لها وعدة خصائص أخرى .

التوهجات الشمسية أو (Solar Flares) عبارة عن موجات وجسيمات ذات سرعات نسبية, أي تقترب من سرعةالضوء , لذلك إذا كانت في اتجاه الأرض فإنها ستصل للأرض في غضون 8 دقائق ونصف, أما الجسيمات فتصل بعد الموجات في حدود من ساعتين إلى ثلاث ساعات ,ويتم معرفة ذلك من خلال عدة أقمار صناعية منها SOHO , حيث تمر به تلك الموجات والجسيمات حسب سرعتها, ونحن نعلم المسافة بيننا وبينه, إذن من خلال العلاقة : زمن الوصول = المسافة على السرعة , وبالتالي نحس بزمن وصول الجسيمات والموجات للأرض.

يوجود جهاز أرضي خاص بدراسة تلك الموجات والجسيمات أيضاً ويُعتبر تليسكوب راديوي شمسي يسمى CALLISTO .

ويُشبه هوائي التليفزيون ويُمكن عمله على هيئة طبق كبير , ويتلقى الموجات الرادوية الخارجة من الشمس عند حدوث أي نشاط مُفاجئ, واستقبال تلك الموجات بصورة زائدة عن الطبيعيي يكون مؤشر على حدوث خطب ما وينبغي اتخاذ الإجراءات اللازمة لتقليل الخسائر لأقل قدر ممكن .

ويتم حفظ البيانات الصادرة من الأجهزة على أجهزة الكمبيوتر ليتم تحليلها بعد ذلك باستخدام برامج معينة لتحليل البيانات مثل MATLAB و IDL .

في النهاية نحصل على رسومات بيانية توضح علاقات بين عدة مُتغيرات فيزيائية خاصة بالحدث.

توجد أيضاً عدة أجهزة خاصة بدراسة الاضطرابات التي تحدث فى المجال المغناطيسي للأرض ويُسمى هذا المشروع باسم MAGDAS .

وهو مشروع دولي مُشارك فيه كثير من الدول على مستوى العالم.

وهو جهاز يُوضع تحت سطح الأرض على عمق معين لدراسة الاضطرابات التي تحدث في المجال المغناطيسي الأرضي نتيجة الأنشطة الشمسية , وهو ببساطة عبارة عن ملف من الأسلاك يتولد فيها تيار كهربي مُستحث نتيجة التذبذب في المجال المغناطيسي الأرضي, يتم معالجة تلك الإشارات بعد تكبيرها وتنقيتها لمعرفة مدى الاضطراب الحادث في المجال.

هذا الجهاز حساس جداً للمعادن والمجالات المغناطيسية الناتجة من التيارات الكهربية من الأجهزة ووسائل النقل مثل المترو, لذلك يجب وضعه في مكان بعيد عن مصادر التشويش الكهربي.

كما توجد أيضاً أجهزة خاصة بدراسة طبقة الأيونوسفير ومدى الاضطراب الحادث بها, و هي الطبقة الأخيرة العليا فى الغلاف الجوي وتتكون من الأيونات و هي المسئولة عن كافة الاتصالات اللاسلكية على الأرض, حيث تعمل كمرآة عاكسة للموجات الكهرومغناطيسية لنقل الموجات من جهة إلى أخرى على سطح الأرض.

ومن هذه الأجهزة واحداً يُسمى CIDR , ويهتم بدراسة كثافة الالكترونات في طبقة الأيونوسفير , حيث تزداد نسبتها خلال حدوث الأنشطةالشمسية, من خلال معرفة مدى التأخير في استقبال الإشارات القادمة من أقمارصناعية خاصة مثل GPS نتيجة حدوث انكسار للموجات أثناء استقبالها بواسطة الجهاز.

توجد أيضاً عدة أجهزة خاصة بدراسة الأشعة الكونية وتُسمى Scintillation Detectors and RPCDetectors , حيث أن كثافة الأشعة الكونية القادمة للأرض تقل أثناء حدوث الأنشطة الشمسية نتيجة تشتيت جسيمات الأشعة الكونية بواسطة العواصف الشمسية و المجال المغناطيسي لأرضي المتذبذب.

V.            الطاقة الشمسية وكيفية الاستفادة منها

يمكن تصنيف طاقة الشمس إلى نوعين:

·        طاقة ضوئية

·        طاقة حرارية

يمكن تحويل الطاقة الضوئية مُباشرة إلى طاقةكهربية باستخدام الخلايا الشمسية وهي عبارة عن رقائق من مواد من فئة أشباه المُوصلات مثل السيليكون و الجاليم و الكادميوم و النحاس و السيزيوم.

وتعتمد فكرتها على ” التأثير الكهروضوئى ” ,حيث تسقط أشعة الشمس على الخلايا الشمسية فتتحرر الكترونات من ذرات المواد المصنوع منها الخلايا وتُول دتياراًكهربياً مُستمراً, ويُمكن تخزين تلك الطاقة في بطاريات لاستخدامها ليلاُ.

أما طاقة الشمس الحرارية فيُمكن استغلالها مُباشرة في طهي الطعام أو تسخين المأكولات أو المياه عن طريق تركيز أشعة الشمس على الشئ المُراد تسخينه بواسطة مرايا عاكسة.

تعتبر الطاقة الشمسية شكلاُ من أشكال الطاقة المتجددة والنظيفة, إذ لايصدر عن تشغيلها نفايات مُلوثة أو ضوضاء أو إشعاعات ضارة أو حتى تحتاج لوقود, لكن كلفتها الابتدائية مُرتفعة مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى.

Share this: