الكسوف الكلي للشمس ليس بالأمر النادر. يمكن رؤية أحدها من مكان ما على الأرض كل 18 شهرًا أو نحو ذلك. ومع ذلك ، فإن معظمهم يكاد يكون غير مرئي تمامًا. غالبًا ما تسقط المنطقة الضيقة الكلية - حيث تكون الشمس محجوبة تمامًا - فوق المحيطات. أو يحجب الغطاء السحابي الدقائق الثمينة من الإجمالي على الأرض.
لكن الكسوف الأمريكي الكبير هذا العام ، في 21 أغسطس ، سيوفر 93 دقيقة من مجمله على أرض صلبة. (يحصل كل موقع على دقيقتين تقريبًا). وهذا يعني المزيد من الفرص للمراقبين على الأرض للحصول على سماء صافية. كما أنه يوفر فرصة نادرة. لمدة 90 دقيقة كاملة يستغرق الكسوف للسفر من ولاية أوريغون إلى ساوث كارولينا ، يمكن للناس مشاهدة رقص وتأثير هالة الشمس . هذه هي الحافة الخارجية للغلاف الجوي الذي يغطي النجم.
مع تغطية ضوء الشمس المتوهج ، يصبح هذا الغلاف الجوي مرئيًا فجأة. يمكن رؤية حلقات وفجرات من البلازما - تيارات نشطة من الجسيمات دون الذرية المشحونة - وهي تتطاير من على سطح الشمس. العديد من الظهر المزدوج أو الالتواء والانحناء.
ليس من المستغرب أن تكون هذه الهالة مشهدًا مميزًا لخسوف هذا العام.
في الواقع ، سيكون هذا التظليل الشمسي المؤقت أكثر بكثير من مجرد مشهد. عندما يمر القمر من أمام الشمس ، يقوم العلماء ببعض الأعمال الجادة. سيتجه أسطول من الأدوات نحو السماء لدراسة أجزاء من نجمنا تكون غير مرئية عادةً.
لكن هل هناك حقًا أي علم متبقي للقيام به؟ تاريخيا ، كان الكسوف هو الطريقة الوحيدة لإلقاء نظرة فاحصة على أجزاء من الشمس. في هذه الأيام ، تراقب التلسكوبات الفضائية الشمس بأطوال موجية متعددة ، 24/7. فماذا هناك لنتعلمه أيضًا؟
الكثير ، اتضح.
تقول بادما ياناماندرا فيشر:"الجميع مأخوذ بالسماء المظلمة الجميلة" للكسوف. "لكن هذا الجزء مهيمن جدًا لدرجة أن الناس لا يقدرون دائمًا الفروق الدقيقة في العلوم التي يمكنك فعلها في الواقع." ياناماندرا فيشر عالمة فلك في فرع معهد علوم الفضاء في رانشو كوكامونجا ، كاليفورنيا. ستراقب الحدث من كاربونديل بولاية إلينوي.
تأتي الكسوف بأشكال عديدة
تتعلق العديد من الإجابات التي تسعى هي والباحثون الآخرون بها بالإكليل الداخلي. إنه جزء من الغلاف الجوي للشمس يبدأ مباشرة عند سطح الشمس ويمتد إلى حوالي 2.5 ضعف نصف قطر الشمس.
هنا ، تحدث الكثير من الفيزياء الشمسية الأكثر إثارة للاهتمام. إنه المكان الذي تبدأ منه الرياح الشمسية. إنه المكان الذي يتم فيه تثبيت الهياكل المغناطيسية. إنه المكان الذي يبدأ فيه طقس الفضاء. وهو المكان الذي يتم فيه إطلاق مقذوفات قوية للكتلة في الفضاء - تلك التي يمكن أن تقطع شبكات الطاقة الكهربائية على الأرض.
يمكن للتلسكوبات الفضائية اليوم مشاهدة الهالة الخارجية طوال الوقت. يستخدمون قرصًا يسمى الغمام لحجب سطوع الشمس. لكنه لا يضاهي كسوفًا حقيقيًا للشمس. بمحض الصدفة ، يمكن أن يظهر القمر بالحجم الصحيح تمامًا في السماء لحجب القرص الشمسي ، وليس أكثر من ذلك.
جاي باساتشوف عالم فلك في ويليامز كوليدج في ويليامزتاون ، ماساتشوستس يقول:"يصنع القمر خسوفًا أفضل مما يستطيع البشر فعله". لذلك يخطط للاستفادة منها. سوف يراقب حدث هذا العام - الكسوف الكلي 34 له - من سالم ، أور.
القصة تستمر أسفل الصورة.
من أين تأتي الرياح الشمسية؟
لا تستطيع الشمس إبقاء يديها لنفسها. يتدفق تدفق مستمر من الجسيمات المشحونة بعيدًا عنه بسرعة مئات الكيلومترات في الثانية. تلك الرياح الشمسية تهاجم الكواكب المعرضة للخطر في طريقها. في الواقع ، يُعتقد أنه جرد الكثير من الغلاف الجوي للمريخ. وكان لها دور مباشر في تشكيل الحياة في النظام الشمسي. كوكبنا محمي من مصير مشابه لمصير المريخ فقط من خلال مجاله المغناطيسي القوي. هذا المجال يوجه الرياح الشمسية حول الأرض.
لكن العلماء لا يفهمون بعض التفاصيل الأساسية لكيفية عمل هذه الرياح. ينشأ في منطقة يلتقي فيها السطح الغازي للشمس مع الغلاف الجوي. مثل الرياح على الأرض ، الرياح الشمسية عاصفة. يسرع ويبطئ في مناطق مختلفة. في الوقت الحالي ، لا أحد يعرف سبب تقلب الريح. ولكن قد تظهر بعض الإجابات أثناء الكسوف.
يحقق العلماء في كيفية تأثير الكسوف على الغلاف الجوي للأرض
Nat Gopalswamy هو عالم فلك في مركز Goddard Spaceflight التابع لناسا في Greenbelt ، Md. (ناسا اختصار للإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء.) سيختبر هو وزملاؤه أداة جديدة تسمى مقياس القطبية (PO-luh-RIM-eh- طور). تم بناؤه لقياس درجة حرارة وسرعة الإلكترونات التي تغادر الشمس. ستبدأ القياسات بالقرب من سطح الشمس وتمتد إلى حوالي 5.6 مليون كيلومتر (3.5 مليون ميل). هذا يساوي ثمانية أضعاف نصف قطر الشمس.
يقول جوبالسوامي:"يجب أن نكون قادرين على اكتشاف الرياح الشمسية عند الأطفال".
سيتم إنشاء مقياس الاستقطاب في مدرسة ثانوية في مدراس بولاية أوريغون. وسيفصل الضوء الذي تم استقطابه - وكان مجاله الكهربائي منظمًا في اتجاه واحد - من الضوء الذي ينتقل مجاله الكهربائي في جميع أنواع الاتجاهات. تشتت الإلكترونات الضوء المستقطب أكثر من الضوء غير المستقطب. لذا فإن هذه الملاحظة ستمنح العلماء فكرة عما تفعله الإلكترونات. وينبغي أن يقدم ذلك أدلة على مدى سرعة تدفق الرياح ، ومدى سخونتها وحتى من أين تأتي.
جرب الفريق لأول مرة إصدارًا سابقًا من هذه الأداة في عام 1999. كان ذلك أثناء كسوف الشمس في تركيا. لكن هذه الأداة تطلبت من الباحثين التنقل عبر ثلاثة مرشحات استقطاب مختلفة لالتقاط جميع البيانات الخاصة بالضوء المستقطب الذي بحثوا عنه. كان ركوب الدراجات عبر المرشحات باستخدام عجلة يدوية بطيئًا وعنيفًا. إنه أيضًا تحدٍ عندما يستمر المجموع لمدة دقيقتين فقط أو نحو ذلك.
ماذا تفعل الحيوانات أثناء كسوف الشمس؟
تم تصميم الأداة التي تمت ترقيتها للفريق لجمع البيانات من خلال جميع المرشحات الثلاثة وفي أربعة أطوال موجية للضوء في وقت واحد. لأن الإكليل يتحول بسرعة ، "علينا أن نلتقط هذه الصور في أقرب وقت ممكن ،" يوضح جوبالسوامي. سيستغرق التعريض الضوئي لمرة واحدة من 2 إلى 4 ثوانٍ ، بالإضافة إلى الانتظار لمدة 6 ثوانٍ بين المرشحات. سيعطي هذا الفريق حوالي 36 صورة.
هذه ليست المرة الأولى التي يستخدمها مقياس الاستقطاب في الميدان. أخذ جوبالسوامي وفريقه الطريق إلى إندونيسيا لكسوف الشمس في مارس 2016. يقول جوبالسوامي:"فشلت هذه التجربة بسبب عدم تعاون الطبيعة". "قبل عشر دقائق من الكسوف ، بدأ المطر يتساقط".
في هذا العام ، اختاروا مدراس لأنها تاريخياً أقل الأماكن تغطيتها بالغيوم على مسار الكسوف. لكنهم ما زالوا يقطعون أصابعهم بحثًا عن سماء صافية.
لماذا تكون الهالة ساخنة جدًا؟
النجم الكبير في عرض الضوء يوم 21 أغسطس سيكون هالة الشمس. من مظهرها الرقيق والمرتفع ، قد تتوقع أن تكون المكان حيث تنطلق الشمس لتبرد. لا يمكن أن يكون أكثر خطأ.
الهالة هي جحيم أزيز بشكل غامض. تغلي الشمس عند حوالي 5500 درجة مئوية (9،900 درجة فهرنهايت) على سطحها المرئي ، الفوتوسفير (FO-toh-sfeer). لكن الغاز الموجود فوق الغلاف الضوئي مباشرة يبلغ حوالي 10000 درجة مئوية (18000 درجة فهرنهايت). ثم ، في الهالة ، تؤدي درجة الحرارة إلى ارتفاع مفاجئ إلى عدة ملايين من الدرجات!
الشرح:كيف تتحرك الحرارة
بول برايانز عالم شمسي في المركز الوطني لأبحاث الغلاف الجوي في بولدر ، كولورادو. "إنه أمر غير منطقي" - على عكس ما تتوقعه - "عندما تبتعد عن مصدر الحرارة ، يصبح الجو أكثر دفئًا" ، كما يشير . لماذا يجب أن تفعل الهالة ذلك هو "أحد أطول الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها في جميع الفيزياء الشمسية ،" كما يقول.
الهالة منتشرة أيضا. وهذا يجعل درجات الحرارة الحارقة أكثر غرابة. تعتمد أبسط الطرق لتسخين مادة ما على اصطدام الجسيمات ببعضها البعض. لكن الهالة رقيقة جدًا بحيث لا تعمل.
يجب أن يكون لمثل هذه درجات الحرارة القصوى علاقة بالمجال المغناطيسي للإكليل. ربما هذا هو المكان الذي يتم فيه تخزين كل هذه الطاقة. بمجرد الوصول إلى هناك ، تجد الطاقة صعوبة في الهروب - حيث تشع في الفضاء. لذلك فهي تتراكم فقط.
يقول كاسبي:"نعلم أن هناك طاقة قادمة ، ومن الصعب إخراجها إلا إذا شعرت بالحرارة الشديدة". "ما لا نفهمه هو كيف تدخل هذه الطاقة إلى الإكليل في المقام الأول."
لدى علماء الفيزياء عدة أفكار. خطوط المجال المغناطيسي تحيط بمغناطيس (يمكنك رؤية ذلك إذا قمت بإسقاط برادة حديدية حول حواف قضيب مغناطيسي). توجد خطوط المجال هذه أيضًا في الهالة. ربما حلقات منها تهتز مثل أوتار الجيتار. قد يؤدي ذلك إلى تسخين الأشياء ، مثل كيفية تسخين فرن الميكروويف للطعام. ربما تقوم المراسي المغناطيسية للحلقات الموجودة على سطح الشمس بتجديل وتلف المجال المغناطيسي فوقها. قد يؤدي ذلك إلى تفريغ الطاقة التي يتم إشعاعها باستمرار بعيدًا (مثل عنصر التسخين في المحمصة).
أو ربما مركبات نانوية أو نفاثات غازات شمسية - تسمى شبيكات - حمل الطاقة بعيدًا عن الفوتوسفير ، وإلقائها في الهالة. يمكن أن يؤدي تكوين حلقات إكليلية جديدة متصلة بالأخرى الموجودة إلى تفريغ طاقة إضافية كافية لتسخين البلازما.
بحثًا عن إجابات ، ستنشر العشرات من مجموعات العلماء في جميع أنحاء البلاد تلسكوبات مزودة بمرشحات خلال كسوف هذا العام. سيحاولون التقاط الضوء المستقطب أو ضوء الأشعة تحت الحمراء أو ذرات الحديد المحرومة من الإلكترون. سيكون Bryans وزملاؤه على قمة جبل بالقرب من Casper ، Wyo. ، في طريق الكلية.
لقد فكر العلماء في العديد من الآليات التي يمكن أن تسهم في الحرارة الشديدة للإكليل. من الصعب إعلان أن واحدًا فقط هو الأكثر أهمية. في النهاية ، فإن كسوف الشمس هو أفضل فرصة للعلماء لاختبارها. إنها المرة الوحيدة التي يكون فيها الهالة هو نجم العرض الشمسي.
ماذا يمكن أن يخبرنا الكسوف عن المجال المغناطيسي للإكليل؟
كورونا هي كلمة لاتينية تعني "تاج". وأثناء الكسوف ، تعطي الهالة المبهرة بالتأكيد كل مظهر يتوج الشمس. إن بلازماها الساخنة والمشرقة هي مشهد مشع دائم التغير. حلقاتها الساطعة والفلزات تنحني وتتأرجح وتلتقط. في بعض الأحيان ، تنقطع إحدى تلك الحلقات. هذا يرسل مادة عالية الطاقة تموج عبر الفضاء فيما يعرف باسم طرد الكتلة الإكليلية. إذا قفزت هذه الانفجارات نحو الأرض ، فيمكن أن تؤدي إلى حدوث الشفق القطبي. كما يمكن أن تتسبب الطاقة المودعة عند دخولها الغلاف الجوي لكوكبنا في إتلاف الأقمار الصناعية وتعطيل شبكات الطاقة الكهربائية.
إن حركة الجسيمات المشحونة - مثل تلك الموجودة في بلازما الهالة - هي التي تخلق المجال المغناطيسي للشمس. وهي بدورها تصمم رقصة الهالة المضطربة.
فيما يتعلق بالكورونا ، فإن المجال المغناطيسي ، حسنًا ، "إنه قلب كل شيء" ، كما تقول جينا سمرة. هي طالبة دراسات عليا في الفيزياء التطبيقية في جامعة هارفارد في كامبريدج ، ماساتشوستس.
هذا المجال المغناطيسي على سطح الشمس معروف جيدًا. لكن مجال الهالة ضعيف جدًا ، ولا يعرفه العلماء على الإطلاق. يمكن أن يكون فهم الحياة الداخلية المغناطيسية للشمس مفتاحًا لفهم النشاط الدرامي للإكليل والتنبؤ به.
خلال كسوف 2017 ، ستراقب سمرة وآخرون الهالة عند أطوال موجية (أو إشعاع) بين 1 و 4 ميكرومتر - في جزء الأشعة تحت الحمراء من طيف الضوء. هذه هي الأطوال الموجية الخفيفة المنبعثة عندما يفقد عنصر ثقيل مثل المغنيسيوم أو الحديد أو الكبريت أو السيليكون إلكترونًا إلى البلازما الساخنة من حوله.
تجعل المجالات المغناطيسية ذات القوة المختلفة تلك الإلكترونات تدور بطرق معينة. هذا الدوران اللولبي يغير اتجاه الضوء أثناء انتقاله نحو الأرض. في النهاية ، لاستكشاف المجال المغناطيسي ، سيتعين على العلماء قياس اتجاه الضوء هذا ، أو الاستقطاب .
سيكون برايانز وفيليب جودج ، الذي يعمل أيضًا في المركز الوطني لأبحاث الغلاف الجوي ، جزءًا من فريق بحث ينقل أداة حساسة إلى قمة جبل كاسبر في وايومنغ. هذا الجهاز ، مطياف (Spek-TRAH-meh-tur) ، يمكنه تقسيم ضوء الشمس إلى أطوال موجية مكونة.
"لم يتم الحصول على طيف الأشعة تحت الحمراء الكامل [للشمس] من قبل. وهذا أحد الأشياء التي نريد القيام بها "، كما يقول القاضي.
سيكون لدى Samra مطياف آخر يعمل بالأشعة تحت الحمراء على ارتفاع حوالي 15 كيلومترًا (9.3 ميل). سيقلع فريقها ، بما في ذلك مستشارها إدوارد ديلوكا ، وآلاتهم على متن طائرة نفاثة تملكها وتقلع من قبل مؤسسة العلوم الوطنية. يمتص الماء في الغلاف الجوي للأرض بعض أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء التي تهمهم. وسيؤدي الارتفاع الإضافي إلى جعلهم فوق معظم تلك المياه. سوف يطيرون شرقًا من تشاتانوغا بولاية تينيسي في ظل القمر. سيؤدي ذلك إلى تمديد الكسوف قليلاً بالنسبة لهم. سيحصل الفريق على أربع دقائق من القمر يحجب الشمس تمامًا. من المفترض أن يمنحهم هذا مزيدًا من الوقت لجمع البيانات.
إن الطيف الذي تقيسه هذه الفرق أثناء الكسوف لن يترجم على الفور إلى قياس قوة أو شكل المجال المغناطيسي للشمس. لكنها ستساعد في تحديد الأطوال الموجية التي يسهل ملاحظتها. وهذا بدوره سيمهد الطريق لعمل التلسكوبات المستقبلية ، مثل تلسكوب Daniel K. Inouye الشمسي. وهي قيد الإنشاء في جزيرة ماوي في هاواي ، ومن المقرر أن تبدأ في عام 2019.
نصف مهمتها ستكون مراقبة الأشعة تحت الحمراء والهالة الشمسية. لكن في الوقت الحالي لا نعرف ما الذي يجب أن تبحث عنه ، "يقول القاضي. ستساعد القياسات التي تم إجراؤها خلال كسوف هذا العام على تحديد الطريق.
القصة تستمر أسفل الصورة.
لماذا يتم تنظيم الهياكل الحلقية في الهالة على هذا النحو؟
أثناء الكسوف ، تصبح شبكة الإكليل المنظمة من الحلقات والمراوح وأجهزة البث مرئية. تنشأ هذه الهياكل الضعيفة من المجال المغناطيسي على السطح المرئي للشمس.
يوضح أمير كاسبي:"إنه ليس سطحًا ثابتًا مثل الأرض". يلاحظ عالم الفيزياء الشمسية في معهد ساوثويست للأبحاث في بولدر ، كولورادو:"إنه أشبه بالمحيط ، وليس مجرد محيط. إنه مثل المحيط المغلي! "
نظرًا لأن حلقات الإكليل واللافتات تنشأ جميعها من السطح المضطرب ، فيجب أن تلتوي جذورها وتدور حولها. يقول كاسبي:"ومع ذلك ، فإن هذه الهياكل في الهالة ليست متشابكة ومزمجرة ومتشابكة مثل عشب البحر أو الأعشاب البحرية في المحيط".
ويضيف ، "لا أحد يفهم لماذا".
من أجل فك الحصائر المتشابكة للفوتوسفير ، يجب أن تطلق الهالة بطريقة ما بعض الطاقة المخزنة هناك ، كما يقول كاسبي. لذلك أثناء الكسوف ، سيبحث هو وزملاؤه عن صمامات التحرير التي تحرر الهالة.
أحد الاحتمالات هو أن حركة الموجة في خطوط المجال المغناطيسي للإكليل تساعد في فك الأزمات. يُعتقد أن الموجات المغناطيسية في البلازما ، والتي تسمى موجات ألفين ، تموج عبر خطوط المجال المغناطيسي للشمس مثل الاهتزازات في وتر الغيتار.
خيار آخر هو أن نفثًا صغيرًا من الطاقة المغناطيسية بالقرب من سطح الشمس يمكن أن يساعد في إطلاق التشابك. وتسمى هذه النفثات nanoflares و nanojets. لا أحد يعرف ما إذا كانوا سيخرجون. لكن العلماء يشكون في أنهم قد يفعلون ذلك. ستكون مثل التوهجات الشمسية ولكن مع فقط جزء من المليار من الطاقة.
من خلال الانطلاق طوال الوقت ، قد تطلق المركبات النانوية والنفاثات النانوية مجتمعة طاقة كافية لمنح الهالة بعض البنية ، نماذج الكمبيوتر تشير.
الشرح:ما هو نموذج الكمبيوتر؟
يقول Craig DeForest:"كلاهما من أعراض إعادة ترتيب صغيرة للمجال المغناطيسي". إنه عالم فيزياء شمسية ويعمل أيضًا في معهد ساوث ويست للأبحاث. التوهجات الشمسية والانبعاثات الكتلية الإكليلية هي علامات على مثل هذه الترتيبات المغناطيسية. لكنها لا تحدث في كثير من الأحيان بما يكفي لحساب نعومة الإكليل. يقول DeForest:"النانو جيت و / أو النانو في الهالة الوسطى سيكون مسدسًا دخانًا". يمكنهم "شرح سبب تنظيم الهالة."
لاحظ الباحثون بشكل مباشر موجات ألفين في الهالة السفلى ، ضمن نصف قطر شمسي من السطح. لكن لم يتم رؤيتهم بعيدًا حيث ستنتقل الأمواج ذات الطاقات المختلفة. ولم يرَ أحد في الواقع أي مركبات نانوية أو نفاثات نانو. تشير النظريات إلى أنها قد تكون صغيرة جدًا وسريعة الرؤية بشكل فردي. ولكن يجب أن تكون مرئية كمجموعة عندما يكشف كسوف الشمس عن الهالة السفلى.
سيقوم Caspi و DeForest وزملاؤهم بتحليق زوج من التلسكوبات على متن طائرة بحثية على ارتفاعات عالية تابعة لناسا WB-57 في مسار الكسوف. يأملون في رؤية كلا التأثيرين أثناء الكسوف. يقول كاسبي:"إننا نلتقط أفلامًا عالية السرعة للشمس ونحللها بحثًا عن أشياء تشبه الأمواج". "نحن فقط ننظر بشكل عام إلى هيكل الإكليل".
لذلك قد يبدو كما لو أن الكسوف هو أكثر بقليل من عرض الضوء المطلق للطبيعة الأم. في الواقع ، يمكن أن تكون أيضًا بيئة رائعة للتحقق من بعض الأسئلة الرائعة المتبقية حول طريقة عمل نجم منزلنا.
