ما الذي يسبب الألوان المختلفة للشفق؟ خبير يشرح قوس قزح الكهربائي

في الأسبوع الماضي، أرسل توهج شمسي ضخم موجة من الجزيئات النشطة من الشمس تنطلق عبر الفضاء. خلال عطلة نهاية الأسبوع، وصلت الموجة إلى الأرض، واستمتع الناس في جميع أنحاء العالم برؤية الشفق القطبي المشرق بشكل غير عادي في نصفي الكرة الأرضية.

في حين أن الشفق القطبي عادة ما يكون مرئيا فقط بالقرب من القطبين، إلا أنه تم رصده في نهاية هذا الأسبوع جنوبًا حتى هاواي في نصف الكرة الشمالي، و أقصى الشمال حتى ماكاي في الجنوب.

يبدو أن هذا الارتفاع المذهل في النشاط الشفقي قد انتهى، لكن لا تقلق إذا فاتتك الفرصة. الشمس تقترب من ذروتها دورة البقع الشمسية مدتها 11 عامًاومن المرجح أن تعود فترات الشفق الشديد خلال العام المقبل أو نحو ذلك.

إذا رأيت الشفق القطبي، أو أيًا من الصور، فربما تتساءل عما كان يحدث بالضبط. ما الذي يجعل التوهج والألوان المختلفة؟ الجواب كله يتعلق بالذرات، وكيف تستثار، وكيف تسترخي.

عندما تلتقي الإلكترونات بالجو

ينجم الشفق القطبي عن اصطدام جسيمات دون ذرية مشحونة (معظمها إلكترونات) بالغلاف الجوي للأرض. تنبعث هذه العناصر من الشمس طوال الوقت، ولكن هناك المزيد منها خلال أوقات النشاط الشمسي الأكبر.

معظم غلافنا الجوي محمي من تدفق الجسيمات المشحونة بواسطة المجال المغناطيسي للأرض. لكن بالقرب من القطبين، يمكنهم التسلل وإحداث الفوضى.

يتكون الغلاف الجوي للأرض من حوالي 20% أكسجين و80% نيتروجين، مع كميات ضئيلة من أشياء أخرى مثل الماء وثاني أكسيد الكربون (0.04%) والأرجون.

عندما تصطدم الإلكترونات عالية السرعة بجزيئات الأكسجين في الغلاف الجوي العلوي، فإنها تقسم جزيئات الأكسجين (O₂) إلى ذرات فردية. تقوم الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس بذلك أيضًا، ويمكن لذرات الأكسجين المتولدة أن تتفاعل مع جزيئات O₂ لإنتاج الأوزون (O₃)، وهو الجزيء الذي يحمينا من الأشعة فوق البنفسجية الضارة.

لكن في حالة الشفق القطبي، تكون ذرات الأكسجين المتولدة في حالة إثارة. وهذا يعني أن إلكترونات الذرات مرتبة بطريقة غير مستقرة ويمكن أن “تسترخي” عن طريق إطلاق الطاقة على شكل ضوء.

ما الذي يجعل الضوء الأخضر؟

كما ترون في الألعاب النارية، تنتج ذرات العناصر المختلفة ألوانًا مختلفة من الضوء عندما يتم تنشيطها.

تعطي ذرات النحاس ضوءًا أزرق، بينما تعطي ذرات الباريوم ضوءًا أخضر، وتنتج ذرات الصوديوم لونًا أصفر برتقاليًا ربما تكون قد شاهدته أيضًا في مصابيح الشوارع القديمة. هذه الانبعاثات “مسموح بها” بموجب قواعد ميكانيكا الكم، مما يعني أنها تحدث بسرعة كبيرة.

عندما تكون ذرة الصوديوم في حالة إثارة فإنها تبقى هناك لمدة 17 جزءًا من المليار من الثانية فقط قبل إطلاق فوتون أصفر برتقالي.

ولكن، في الشفق القطبي، يتم إنشاء العديد من ذرات الأكسجين في حالات مثارة مع عدم وجود طرق “مسموح بها” للاسترخاء عن طريق انبعاث الضوء. ومع ذلك، فإن الطبيعة تجد الطريق.

ينبعث الضوء الأخضر الذي يسيطر على الشفق القطبي من ذرات الأكسجين التي تسترخي من حالة تسمى “¹S” إلى حالة تسمى “¹D”. هذه عملية بطيئة نسبيًا، وتستغرق في المتوسط ​​ثانية كاملة تقريبًا.

في الواقع، هذا التحول بطيء جدًا لدرجة أنه لا يحدث عادةً عند ضغط الهواء الذي نراه على مستوى الأرض، لأن الذرة المثارة ستفقد طاقتها عن طريق الاصطدام بذرة أخرى قبل أن تتاح لها فرصة إرسال لون أخضر جميل الفوتون. لكن في الطبقات العليا من الغلاف الجوي، حيث يوجد ضغط هواء أقل، وبالتالي عدد أقل من جزيئات الأكسجين، يكون لديها المزيد من الوقت قبل أن تصطدم ببعضها البعض، وبالتالي يكون لديها فرصة لإطلاق الفوتون.

ولهذا السبب، استغرق العلماء وقتًا طويلاً لمعرفة أن الضوء الأخضر للشفق يأتي من ذرات الأكسجين. كان التوهج الأصفر البرتقالي للصوديوم معروفًا في ستينيات القرن التاسع عشر، ولكن لم يتم التعرف عليه إلا في عشرينيات القرن العشرين. العلماء الكنديين اكتشفت أن اللون الأخضر الشفقي كان بسبب الأكسجين.

ما الذي يجعل الضوء الأحمر؟

ويأتي الضوء الأخضر من ما يسمى بالانتقال “المحظور”، والذي يحدث عندما يقوم إلكترون في ذرة الأكسجين بقفزة غير متوقعة من نمط مداري إلى آخر. (التحولات المحظورة أقل احتمالا بكثير من التحولات المسموح بها، مما يعني أنها تستغرق وقتا أطول في الحدوث).

ومع ذلك، حتى بعد انبعاث ذلك الفوتون الأخضر، تجد ذرة الأكسجين نفسها في حالة مثارة أخرى دون السماح بالاسترخاء. والمهرب الوحيد هو عبر انتقال محظور آخر، من الحالة ¹D إلى الحالة ³P – والتي ينبعث منها الضوء الأحمر.

هذا التحول محظور أكثر، إذا جاز التعبير، ويجب أن تبقى الحالة ¹D لمدة دقيقتين تقريبًا قبل أن تتمكن أخيرًا من كسر القواعد وإعطاء الضوء الأحمر. ولأنه يستغرق وقتا طويلا، فإن الضوء الأحمر يظهر فقط على ارتفاعات عالية، حيث تكون الاصطدامات مع الذرات والجزيئات الأخرى نادرة.

وأيضًا، نظرًا لوجود كمية صغيرة من الأكسجين هناك، يميل الضوء الأحمر إلى الظهور فقط في الشفق القطبي الشديد، مثل تلك التي رأيناها للتو.

ولهذا السبب يظهر الضوء الأحمر فوق اللون الأخضر. في حين أن كلاهما ينشأ من استرخاء محظور لذرات الأكسجين، إلا أن الضوء الأحمر ينبعث بشكل أبطأ بكثير وله فرصة أكبر في الانطفاء عن طريق الاصطدام مع ذرات أخرى على ارتفاعات أقل.

الألوان الأخرى، ولماذا تراها الكاميرات بشكل أفضل؟

في حين أن اللون الأخضر هو اللون الأكثر شيوعًا الذي يمكن رؤيته في الشفق القطبي، والأحمر هو ثاني أكثر الألوان شيوعًا، إلا أن هناك أيضًا ألوانًا أخرى. على وجه الخصوص، يمكن لجزيئات النيتروجين المتأينة (N₂⁺، التي تفتقد إلكترونًا واحدًا ولها شحنة كهربائية موجبة)، أن تنبعث منها الضوء الأزرق والأحمر. يمكن أن ينتج عن ذلك لون أرجواني على ارتفاعات منخفضة.

كل هذه الألوان تكون مرئية للعين المجردة إذا كان الشفق ساطعًا بدرجة كافية. ومع ذلك، فإنها تظهر بقوة أكبر في عدسة الكاميرا.

هناك سببان لهذا. أولاً، تتمتع الكاميرات بميزة التعرض الطويل، مما يعني أنها يمكن أن تقضي وقتًا أطول في جمع الضوء لإنتاج صورة مقارنة بأعيننا. ونتيجة لذلك، يمكنهم التقاط صورة في ظروف خافتة.

والسبب الثاني هو أن مستشعرات الألوان في أعيننا لا تعمل بشكل جيد في الظلام، لذلك نميل إلى الرؤية بالأبيض والأسود في ظروف الإضاءة المنخفضة. الكاميرات ليس لديها هذا القيد.

لا داعي للقلق، رغم ذلك. عندما يكون الشفق ساطعًا بدرجة كافية، تكون الألوان مرئية بوضوح للعين المجردة.

اقرأ المزيد: ما هو الشفق القطبي، ولماذا يأتي بأشكال وألوان مختلفة؟ يشرح اثنان من الخبراء