خورشید

خورشید ستاره است، ستاره­ی ما، و عملا هر نوع انرژی که حیات به آن وابسته است، از خورشید ناشی می­شود.

خورشید دوزخ متلاطم و جوشان عظیمی است که انرژی آن از درون خودش ایجاد می­شود. این انرژی خورشید است که توده­های هوا را گرم می کند، سبب اختلاف فشار در هوا می­شود و باد پدید می­آید. باد به نوبه خود خیزابهایی در سطح اقیانوس ایجاد می­کند که سرانجام به صورت امواجی کف کرده و کوبنده به ساحل سرازیر می­شوند. این انرژی خورشید است که آب را از سطح دریا تبخیر می­کند که به صورت باران به زمین فرو می­بارد. این انرژی خورشید است که از طریق فتوسنتز تغییرات شیمیایی در گیاهان پدید می­آورد، و عناصری مانند کربن، هیدروژن و اکسیژن را به مواد غذایی مورد مصرف تبدیل می­کند، و اکسیژن لازم برای تنفس ما را فراهم می­آورد. در واقع ردّ بیشترین منابع انرژی ما بر روی زمین به خورشید باز می­گردد. سوختهای فسیلی، مانند نفت و زغال سنگ، از موجودات زنده­ای حاصل شده­اند که وجود و ساختار شیمیایی درون یاخته­های بدنشان در گذشته­های دور به خورشید وابسته بوده است. حیات بدون خورشید امکان وجود نداشته است.

خورشید در حدود 5/4 میلیارد سال پیش، از متراکم شدن یک سحابی بر اثر گرانش متولد شد. ستاره­های به جرم خورشید عمری در حدود 9 تا 10 میلیارد سال دارند. بنابراین در حدود 5 میلیارد سال تا مرگ خورشید زمان باقیست. پس از گذشت این زمان خورشید به یک غول سرخ تبدیل می­شود و درنهایت با جدا شدن پوسته­ی آن به کوتوله­ی سفیدی تغییر شکل می­دهد. مراحل تکامل ستارگان را در شماره­های بعدی می­خوانیم.

فاصله زمین از خورشید

اخترشناسان برای تعیین فاصله زمین تا سیارات، از فرستادن یک سیگنال رادیویی و برگشت آن استفاده می­کنند. اما اگر یک سیگنال راداری را به سوی خورشید روانه کنیم، آشکارسازی بازتاب آن در مقابل زمینه سایر انرژی های نوری و رادیویی که خود خورشید گسیل می­کند، بسیار دشوار خواهد بود. از اینرو از روشی غیر مستقیم استفاده می­کنیم. با تعیین فاصله زمین تا مریخ در حالت مقابله و با دانستن دوره گردش سیاره به دور خورشید نسبت به زمین، با استفاده از قانون کپلر، فاصله زمین تا خورشید بدست می­آید.

• فاصله زمین تا مریخ در حالت مقابله برابر است با 78389294 کیلومتر.
• دوره گردش مریخ 1.88 برابر زمین است.(1.88 سال زمینی)

 

به این فاصله یک واحد نجومی گفته می­شود.

 

 

قطر خورشید

با دانستن فاصله خورشید از زمین تعیین قطر آن به راحتی از طریق زاویه ظاهری آن بدست می­آید. زاویه ظاهری خورشید 0.532 درجه قوسی است. زمین را در مرکز دایره عظیمی به شعاع 14959800 کیلومتر تصور کنید.

با این حساب قطر خورشید 110 برابر قطر زمین است.

 

 

جرم خورشید

جرم خورشید را می­توانیم با بررسی اثر گرانشی آن بر زمین به دست آوریم. با استفاده از فرمول گرانش بین دو جسم داریم:

M₁ جرم زمین و M₂ جرم خورشید است.

نیروی وارده از طرف خورشید به زمین، شتابی به اندازه 0.59 سانتی متر بر مجذور ثانیه به زمین وارد می­کند. با این اوصاف داریم:

بنابراین

 

راکتور گداخت هیدروژنی خورشید

منبع واقعی تولید انرژی خورشید واکنش­های هسته­ای است، شبیه به واکنشی که در بمب هیدروژنی رخ می­دهد؛ با این تفاوت که این واکنش­ها در خورشید مهار شده­اند. دما در هسته خورشید 15 میلیون کلوین و فشار در آنجا یک میلیارد اتمسفر است. بیایید نگاهی به این واکنش­ها بیندازیم.

هیدروژن ساده­ترین اتم موجود در عالم، مرکب از یک پروتون در هسته و یک الکترون در فاصله ای دور از هسته است. (در اینجا فعلا الکترون را نادیده می گیریم، زیرا عمدتا با تغییرات هسته­ای سروکار داریم.) در شرایط دما و فشار زیاد حاکم بر هسته خورشید، نیروی اتصال هسته ای مؤثرتر از نیروی رانشی الکترواستاتیکی است که پروتونهای با بار مثبت را از یکدیگر می راند، در نتیجه این دو پروتون یکدیگر را جذب می­کنند.

نخستین مرحله در این واکنش وقتی صورت می­گیرد که دو هسته هیدروژن به هم جوش می­خورند و شکل خاصی از هیدروژن به نام دوتریوم ( ) تشکیل می­شود.

که در اینجا  پوزیترون (ذره­ای با جرم الکترون اما با بار مثبت) و نوترینو(ذره­ای با جرم بسیار اندک و بدون بار الکتریکی) است.

دومین مرحله وقتی روی می­دهد که اتم دوتریوم باز هم با اتم هیدروژن دیگری جوش می­خورد و در این عمل هلیوم-3 ( ) و پرتوی گاما ( ) تولید می­شود:

پرتو گاما نوعی تابش الکترومغناطیسی پرانرژی است و بنابراین حامل مقدار زیادی انرژی خورشید است.

سومین مرحله وقتی روی می­دهد که دو اتم هلیوم-3 ( ) به هم جوش می­خورند و یک اتم هلیوم-4 ( ) و دو اتم هیدروژن تولید می­کنند:

چون در واکنش نهایی دو اتم هیدروژن آزاد می­شود، فقط چهار اتم هیدروژن برای تشکیل اتم هلیوم-4 مصرف می­شود؛ اما جرم هلیوم-4 اندکی کمتر از جرم چهار اتم هیدروژن است. همین تفاوت جرم است که به انرژی تبدیل می شود (طبق فرمول بسیار معروف اینشتین  جرمی بسیار اندک به انرژی بسیار زیادی تبدیل می­شود.) و منبع عمده ی انرژی خورشید را تشکیل می­دهد. خورشید در هر ثانیه 4500000 تن جرم را به انرژی تبدیل می­کند. این انرژی تقریبا معادل انرژی حاصل از انفجار 100 میلیارد تن TNT در هر ثانیه است.

ساختار خورشید

همجوشی هیدروژن و تبدیل آن به هلیوم پیوسته یک «هسته» هلیومی در داخل خورشید بوجود می­آورد. لایه­ی بلافصلی که این هسته را احاطه می کند، جایگاه آن واکنش­های گرماهسته­ای (همجوشی هیدروژن) است و مقادیر عظیم انرژی تولید شده در آنجا باید به طریقی به لایه­های دیگر و نهایتا به فضای خارج منتقل می­شود. مکانیسم اصلی انتقال انرژی در خورشید، تابش است. انرژی تولید شده در هسته خورشید به وسیله فرایندهای متعدد جذب و گسیل مجدد در منطقه «تابش» پخش می­شود. فوتون تولیدی هیچگاه به خط مستقیم از این منطقه عبور نمی­کند؛ بلکه دستخوش برخوردها، پراکندگی­ها، جذبها و گسیلهای مجدد متعددی می­شود. اگر مسیر یک فوتون را بخواهیم دنبال کنیم متوجه می­شویم که این فوتون مدت یک میلیون سال از هسته تا سطح خورشید در راه است!!!

لایه بعدی خورشید، به نام «پوش همرفتی»، فقط انرژی را به وسیله حرکت ماده در درون آن منتقل می­کند. گازهای داغ صعود می‎کنند تا انرژی را به سطح مرئی خورشید برسانند و سپس گازهای سرد شده پایین می­آیند تا بار دیگر گرم شوند. به نظر می­رسد پوش همرفتی یک چهارم تا یک سوم شعاع خورشید باشد.

وقتی در نور سفید از خورشید عکس می‎گیریم، سطح آن سیمای خالداری را نشان می‎دهد که آن را سطح «دانه‎دانه‎ای فوتوسفر» (شیدسپهر) می‎نامیم (لایه بلافصل بالای پوش همرفتی). خالهای سفید را در حکم ستون‎های گاز داغ در حال صعود و نواحی تاریکتر را در حکم گازهای سردی که برای گرم شدن مجدد به سطوح پایین­تر می­آیند، تعبیر می­کنند. ضخامت این لایه در حدود 100 کیلومتر است که از زمین دیده می­شود. سطوح پایین­تر شیدسپهر دماهای 6000 کلوین و سطوح بالاتر آن دماهای 1000 کلوین تا 1500 کلوین را دارد. در لایه­ی شیدسپهر و در نواحی با دمای کم آن طیف جذبی خورشید روی می­دهد. وقتی نور با ماهیت پیوسته از داخل یک گاز کم­فشار و نسبتا سردتر عبور کند، طیف جذبی تشکیل می شود. این طیف ترکیب هسته و سایر لایه­های داخلی دیگر را نشان نمی­دهد.

لایه­ی خارجی بعدی اتمسفر خورشید، «کروموسفر(فامسپهر)» است که تقریبا تا ارتفاع 2000 کیلومتر بالاتر از شیدسپهر امتداد می­یابد. فامسپهر معمولا به علت درخشندگی شیدسپهر نامرئی است؛ اما به هنگام خورشید­گرفتگی که ماه سطح خورشید را می پوشاند، نور سرخ فامسپهر را می­توان مشاهده کرد.

سومین لایه اصلی از لایه­های جو خورشید «تاج (Corona)» است. تاج خورشید نیز در خلال خورشید­گرفتگی مشاهده می شود. بخش مرئی تاج فقط بخش کوچکی از آن است، زیرا اکنون معلوم شده­ که تا فراسوی خود زمین هم ادامه یافته است. در واقع سیارات همواره در برون­ریز ماده آن غوطه­ور هستند که آن را «باد خورشیدی» می­نامیم. از خورشید همواره ذراتی نیز بیرون می­ریزد؛ از آن جمله است الکترونهایی با بار منفی و پروتونهایی با بار مثبت، از گاز هیدروژن که اجزای تشکیل دهنده جو خورشید به شمار می­آیند. در فاصله­ی زمین تا خورشید، سرعت باد خورشیدی در حدود 1450000 کیلومتر بر ساعت است. مقدار ماده­ای که از طریق باد خورشیدی از آن جدا می­شود در هر ثانیه تقریبا یک میلیون تن است.

طیف تاج خورشید نشان می­دهد که دما در آنجا در حدود 2 میلیون کلوین است.

 

میدان مغناطیسی خورشید

خورشید ستاره‌ای فعال از دیدگاه مغناطیسی است. میدان مغناطیسی خورشید دارای اثرهای بسیاری است که به مجموعه­ی آن‌ها فعالیت خورشیدی گفته می‌شود. از جمله آن‌ها، لکه‌های خورشیدی بر سطح آن، شراره­ی خورشیدی و دگرگونی‌ها در بادهای خورشیدی است که باعث جابجایی ماده درون سامانه­ی خورشید است.

 

لکه­های خورشیدی

لکه­ی خورشیدی ناحیه­ای بر سطح مرئی خورشید است، مرکب از گازهایی سردتر از گازهای پیرامون آن. بخش مرکزی بسیار تاریک لکه­ی خورشیدی با دمای تقریبی 4300 کلوین، را «سایه (umbra)» می­نامند. دمای ناحیه­ی «نیمسایه (penumbra)» در پیرامون سایه، تقریبا 5000 کلوین است؛ درحالی که دمای عادی سطح خورشید 6000 کلوین است. وقتی لکه­های خورشید بنابر عرض جغرافیایی آنها، روز به روز، طی چندین سال، ترسیم شود، الگوی خاصی به نام «الگوی پروانه­ای» با چرخه­ای تقریبا 11 ساله پدید می­آید. هر چرخه با وقوع معدودی لکه در عرضهای جغرافیایی º30± شروع می­شود. لکه­ها با افزایش در تعداد، به استوا نیز نزدیکتر می­شوند و چرخه با تعداد معدودی لکه­ی بسیار نزدیک به استوا، پایان می­یابد.

چرخش خورشید

چرخش خورشید به این صورت است که هرچه گازها به استوا نزدیکتر باشند با سرعت بیشتر و مدت زمان کمتری به دور خورشید می­چرخند. برای مشاهده­ی چرخش خورشید از مشاهده­ی لکه­های آن استفاده می­کنیم. گروه لکه­های نزدیک به استوای خورشید فقط مدتی در حدود 25 روز زمان برای چرخش لازم دارند. در عرضهای جغرافیایی º30± مدت طولانیتری تا 27 روز لازم است. اگر لکه­های خورشیدی نزدیک به قطبها باشند، 35 روز طول می­کشد تا یک دوره کامل شود.

منشأ مغناطیس خورشید

اگر خورشید در جای خود بی­حرکت می­بود یا همچون جسم صلبی به دور خود می­چرخید، انتظار داشتیم که خطوط میدان مغناطیسی آن در امتداد شمال-جنوب باشند. اما چون استوای خورشید سریعتر از عرضهای جغرافیایی بالاتر می­چرخد، خطوط میدان مغناطیسی میل به «حلقه شدن» پیدا می­کنند و به این وسیله میدان تقویت می­شود. تصور می­شود که خطوط نزدیک به هم یک نیروی شناوری بر یکدیگر وارد می­آورند و این امر سبب می­شود که آنها ناگهان در سطح ظاهر شوند. در این نقطه­ی ظهور، یک جفت لکه­ی خورشیدی بروز پیدا می­کند که یکی قطبیت مثبت و دیگری قطبیت منفی نشان می­دهد. میدان مغناطیسی در این محل بیرون زده می­شود و حلقه ای را تشکیل می­دهد.

زبانه­های خورشید

زبانه­های خورشید، بیرون­جستگیهای غول پیکر بر اثر فعالیت­های جو خورشید هستند. نوعی زبانه ممکن است بیش از 320000 کیلومتر در داخل جو خورشید امتداد داشته و نسبتا ثابت بماند. این نوع زبانه را زبانه­ی نوع «آرام» یا «ساکت» می­نامند. نوع دیگری از زبانه­ها به نام «زبانه­ی حلقه­ای»، به شکل کمان یا حلقه درمی­آید و حرکت درون حلقه نشان می­دهد که حاکی از حضور میدان مغناطیسی است. نوع سوم زبانه­ها را «زبانه­ی فورانی» می­گویند که ممکن است موادی را با سرعتهایی تا 640 کیلومتر بر ثانیه به خارج روانه کند.

 

شراره­ی خورشیدی

شراره­ی خورشیدی، پرتحرکترین فعالیت وابسته به سطح یا جو خورشید، انرژی عظیمی را در مدت زمان بسیار کوتاهی آزاد می­کند. درخشش ناگهانی، معمولا در مجاورت یک گروه لکه­ی خورشیدی، با برون­ریزی شدید مواد همراه است. یک شراره نوعا در مساحتی به قطر 200000 کیلومتر رخ می­دهد و دمای آن از 100 میلیون کلوین تجاوز می­کند. بروز شراره­ها غالبا در امتداد مرز میان نواحی گروهی از لکه­های خورشیدی که به طور مثبت و منفی قطبیده شده­اند، صورت می­گیرد.

 

بادها و طوفان­های خورشیدی

گاهی بروز شراره­ و زبانه­های خورشیدی باعث می­شود تا ناگهان میلیون­ها تن از تشعشعات و ذرات باردار از لایه­ی تاج خورشید به فضای اطراف پرتاب شوند. این طوفان سهمگین با سرعت 1000 تا 2000 کیلومتر در ثانیه حتی تا آنسوی مدار پلوتو امتداد می­یابد.

بادهای خورشیدی، جریان پیوسته­ای از یون­ها (ذرات باردار مانند الکترون و پروتون به همراه ذرات آلفا) هستند که به طور پیوسته و با سرعت بین 400 تا 900 کیلومتر در ثانیه در فضای میان سیاره­ای می­وزد. حدود 4 تا 5 روز طول می­کشد تا ذرات جدا شده از جو و سطح خورشید به جو زمین برسند. این ذرات پرانرژی پس از برخورد به میدان مغناطیسی زمین، از مسیر خود منحرف می­شوند و نمی­توانند وارد جو زمین شوند. با این حال بخشی از این ذرات که از قطب­های مغناطیسی شمال و جنوب وارد اتمسفر زمین می­شوند و پدیده شفق قطبی را بوجود می­آورند.

گردآورنده: بهزاد سخایی

 

منابع

• رابرت تی. دیکسون، ترجمه احمد خواجه­نصیرطوسی، نجوم دینامیکی، تهران، مرکز نشر دانشگاهی، چاپ دوم، 1385
• بهنام محمدپناه، اسرار کیهان، تهران، انتشارات سبزان، چاپ پنجم، 1388
• http://solarscience.msfc.nasa.gov/SunspotCycle.shtml
• http://sdo.gsfc.nasa.gov/
• http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2011/19sep_secretlives/