چرخه خورشيدي، فرآيندي است كه طي آن، تعداد لكه‌هاي روي خورشيد، شراره‌ها، زبانه‌ها و فوران‌هاي پلاسمايي كه با نام فوران‌هاي تاج خورشيدي شناخته مي‌شوند، در دوره‌اي منظم و تقريبا ۱۱ ساله تغيير مي‌كند. در اين مدت، فعاليت‌هاي ميدان مغناطيسي و بادهاي خورشيدي زياد و كم مي‌شود و اين تغييرات، به‌خصوص  بر  زمين و ساكنانش اثرات زيادي به‌همراه دارد. 

آغاز چرخه جديد خورشيد بي‌شك هيجان‌انگيزترين خبر براي خورشيدشناساني بود كه از آرام‌ترين دوره فعاليت‌هاي خورشيدي در يك قرن گذشته غافلگير شده بودند؛ آخرين چرخه خورشيدي برخلاف ۱۱ سال معمول، ۵/۱۲ سال طول كشيد و مشكلات فراواني را براي زمين فراهم آورد كه صدالبته بسياري از شما متوجه آنها نشده‌ايد. براي آن‌كه بهتر بتوانيد اهميت اين رويداد و تاثيرات خورشيد بر زمين را درك كنيد، بايد ساختار خورشيد و تاثير آن را بر محيط اطراف بهتر بشناسيد. 

 ساختار خورشيد

خورشيد، ستاره‌اي معمولي است كه انرژي خود را از هم‌جوشي هسته‌اي اتم‌هاي هيدروژن و تبديل آنها به هليوم تامين مي‌كند. در هسته خورشيد، جايي كه دما بيش‌از ۵/۱۵ ميليون درجه‌سانتي‌گراد؛ فشار ۳۴۰ ميليارد برابر فشار هواي زمين در سطح دريا و چگالي مواد ۱۴ برابر چگالي سرب است؛ در هر لحظه بيش از شصت ميليارد كيلوگرم ماده به انرژي تبديل مي‌شود و كره‌اي مملو از هيدروژن و هليوم را كه ۱/۴ ميليون كيلومتر قطر دارد، به شدت داغ مي‌كند. 

هرچه از هسته خورشيد دور شويم، دما كاهش پيدا مي‌كند. در ابتدا پرتوهاي نور پرانرژي كه در هسته توليد شده‌اند، انرژي را تا شعاع ۴۵۰هزار كيلومتري (تقريبا ۷۰درصد شعاع خورشيد) منتقل مي‌كنند؛ پس‌از آن، انرژي به‌شكل همرفت يا جابجايي منتقل مي‌شود؛ يعني درست به همان روشي كه رادياتور شوفاژ  اتاق را گرم مي‌كند. گازها به‌تدريج خنك مي‌شوند تا در سطح خورشيد به دماي ۵۸۰۰ كلوين يا ۵۵۰۰ درجه سانتي‌گراد مي‌رسند. 

اين‌جا نورسپهر است، همان جايي كه قرص ظاهري خورشيد مشكل از زمين ديده مي‌شود و نور خورشيد به بيرون مي‌تابد. نوري كه ما مي‌بينيم، بر اثر داغ‌بودن سطح آن به بيرون تابيده مي‌شود؛ مثل يك تكه فلز بسيار داغ كه هرقدر داغ‌تر باشد، نورش به سفيدي مي‌گرايد. خيلي‌ها تصور مي‌كنند آن‌چه به چشم ما مي‌رسد، همان انرژي آزاده شده درون هسته است، اما مسير خروج از هسته و رسيدن به سطح بسيار شلوغ است، به‌طوري‌كه نزديك به صد‌هزار سال طول مي‌كشد تا پرتوهاي نور بتوانند از فضاي بسيار شلوغ درون خورشيد عبور كنند و در فضا منتشر شوند. 

براي آن‌كه مسير حركت پرتوهاي نور را درون خورشيد بهتر تصور كنيد، مگسي را در يك اتاق بسيار شلوغ در نظر بگيريد كه مي‌خواهد از يك سو به سوي ديگر اتاق برود. كوتاه‌ترين مسير يك خط صاف است، اما مگس در پرواز مدام به موانع اطراف برخورد مي‌كند و مجبور است مسير حركت را تغيير دهد. اين فرآيند (شلوغي اتاق) را مي‌توان تا آن‌جا تشديد كرد كه مگس هرگز نتواند از اين اتاق خارج شود. 

پس از نورسپهر، فام‌سپهر قرار دارد، لايه‌اي بسيار باريك با دماي ده‌هزار درجه سانتي‌گراد كه هرچند دماي بالاتري دارد، اما بسيار رقيق است و انرژي زيادي ندارد. بالاتر از آن نيز تاج خورشيدي قرار گرفته، جايي كه دما تا ۲ ميليون درجه سانتي‌گراد نيز بالا مي‌رود، اما از آن‌جا كه چگالي بسيار بسيار ناچيز است، تابش بسيار ضعيفي منتشر مي‌شود. 

 ميدان مغناطيسي خورشيد

در دماهاي فوق‌العاده بالا، گازهاي هيدروژن و هليوم به آن شكل معمولي كه در زمين مي‌شناسيم، وجود ندارند؛ الكترون‌ها از هسته جدا مي‌شوند و ملغمه‌اي از هسته‌هاي هيدروژن و هليوم همراه با الكترون‌هاي آزاد تشكيل مي‌شوند. انرژي جنبشي اين ذرات بسيار زياد است، به همين دليل، شكل تازه‌اي از ماده را تشكيل مي‌دهند كه پلاسما نام دارد و به‌دليل جريان‌هايي قوي از ذرات باردار، داراي ميدان‌هاي مغناطيسي قدرتمندي است. 

هرچند دليل ميدان مغناطيسي خورشيدي چيزي غير از گردش پلاسماي درون آن نيست، اما مكانيسم دقيق توليد ميدان مغناطيسي خورشيد پس از گذشت يك قرن از كشف آن، هنوز ناشناخته است. دليلش هم ساده است: امكان گردآوري اطلاعات كافي مرتبط با ميدان مغناطيسي خورشيد تاكنون وجود نداشته است. اما تازه‌ترين شواهد از اين حكايت دارد كه ميدان مغناطيسي خورشيد در لايه‌اي نازك كه در مرز منطقه تابشي و همرفتي درون خورشيد قرار دارد، توليد مي‌شود. 

برخي پديده‌هاي خورشيد را هميشه مي‌توان در سطح آن ديد، مانند دانه‌ها. ابردانه‌ها، زبانه‌ها و بادهاي خورشيدي كه هميشه در اطراف خورشيد ديده مي‌شوند. اين پديده‌ها را ويژگي‌هاي خورشيد آرام مي‌نامند. اما ويژگي‌هاي چشم‌گير ديگري مانند فوران‌هاي عظيم و نواحي داراي ميدان مغناطيسي فشرده در خورشيد ديده مي‌شود كه به تناوب ظاهر مي‌شوند. هنگامي كه اين ويژگي‌ها ظاهر شوند، اخترشناسان مي‌گويند خورشيد فعال شده است. 

طي يكصد سال گذشته، بررسي‌هاي فراواني روي ويژگي‌هاي خورشيد فعال انجام شده و جالب اينجاست كه همه آنها به تغييرات ميدان مغناطيسي خورشيد مرتبط مي‌شود. ساده‌ترين ويژگي خورشيد فعال كه با يك تلسكوپ ساده و بعضي وقت‌ها با چشم غيرمسلح، و البته با استفاده از فيلتر مناسب قابل مشاهده است، كلف يا لكه خورشيدي است. 

 لكه خورشيدي

لكه خورشيدي به ناحيه‌اي نامنظم و تيره روي نورسپهر خورشيد گفته مي‌شود. بعضي وقت‌ها لكه خورشيدي به تنهايي ظاهر مي‌شود و بعضي وقت‌ها گروهي. در حال حاضر، چند لكه منفرد در سطح خورشيد ديده مي‌شود؛ اما تا ۲ ـ‌ ۳ سال ديگر مي‌توان شاهد حضور بيش از يكصد لكه خورشيدي بر سطح تنها ستاره منظومه شمسي بود. 

ابعاد معمول يك لكه خورشيدي قابل مقايسه با زمين و از مرتبه ده‌هزار كيلومتر است و از اين‌رو تيره ديده مي‌شود كه نسبت به نواحي اطراف سردتر است. در نماي بزرگ، مي‌بينيد كه لكه خورشيدي از دو ناحيه متفاوت تشكيل شده است؛ ناحيه مركزي كه سايه ناميده مي‌شود و اطراف آن كه نيم‌سايه خوانده مي‌شود. دماي سايه ۴۳۰۰ كلوين (۴۰۰۰ درجه سانتي‌گراد) است كه تقريبا ۱۵۰۰ درجه از سطح خورشيد خنك‌تر است، ولي دماي نيم‌سايه بالاتر و نزديك به ۵۰۰۰ كلوين است. 

درست است كه لكه خورشيدي به دليل دماي پايين‌تر نسبت به ديگر نواحي خورشيد تيره‌تر ديده مي‌شود، اما اگر مي‌شد يك لكه معمولي را از آن جدا كرد و به تنهايي به آن نگاه كرد، جسمي به رنگ نارنجي ـ‌ قرمز مي‌ديديم كه روشنايي آن يكصد بار بيشتر از روشنايي ماه بدر بود. 

از اواسط قرن هجدهم (دهه ۱۷۵۰ ميلادي) تاكنون، اخترشناسان خورشيد را زير نظر داشته‌اند و توانسته‌اند آمار دقيقي را از تعداد و موقعيت اين لكه‌ها بر حسب زمان ثبت كنند. اين نمودار كه به‌خاطر شكل آن، نمودار پروانه‌اي خوانده مي‌شود، به وضوح نشان مي‌دهد هرچند تعداد اين لكه‌ها ثابت نيست، اما فعاليت آنها در دوره‌اي ۱۱ ساله تكرار مي‌شود. لكه‌ها از عرض‌هاي جغرافيايي بالا ظاهر مي‌شوند و با گذشت زمان، هم تعدادشان بيشتر مي‌شود و هم به سمت استواي خورشيد متمايل مي‌شوند. 

اندازه‌گيري ميدان مغناطيسي در سطح خورشيد مشخص كرده كه شدت ميدان مغناطيسي در لكه‌هاي خورشيدي بسيار بيشتر از ديگر نواحي سطح خورشيد است. خورشيدشناسان معتقدند افزايش شدت ميدان مغناطيسي در نواحي لكه‌ها سبب مي‌شود پلاسماي داغي كه از ژرفاي خورشيد صعود مي‌كند، از درون لكه به اطراف منحرف شود و درنتيجه، اين منطقه خنك‌تر از ديگر بخش‌هاي خورشيد باقي بماند. 

 لكه‌ها و تاثير آنها بر زمين

در شرايط معمولي، رفتار لكه‌هاي نيم‌كره شمالي و جنوبي عكس يكديگر است؛ اما بعضي وقت‌ها هم هست كه رفتار آنها به‌شكل عجيبي تغيير مي‌كند. محاسبات نشان مي‌دهند كه لكه‌هاي خورشيدي بايد به سرعت تشكيل و سپس محو شوند؛ درحالي‌كه لكه‌ها معمولا تا چند هفته دوام مي‌آورند! 

از آن جالب‌تر، اين‌كه در گزارش‌هاي تاريخي رصد خورشيد، بازه‌هاي زماني طولاني مدتي پيدا مي‌شود كه در خورشيد نشاني از حتي يك لكه خورشيدي ديده نمي‌شود و براي سال‌ها، حتي چرخه خورشيدي نيز اتفاق نمي‌افتد. مثلا در بازه زماني ۱۶۴۵ تا ۱۷۱۵ م. هيچ لكه‌اي روي خورشيد ديده نشد و اين بازه هفتاد ساله، منطبق بر همان دوره‌اي است كه ركورد پايين‌ترين دما در اروپا شكسته شد، تا جايي‌كه اين دوره را عصر يخبندان كوچك ناميده‌اند. در همين زمان، خشكسالي‌هاي گسترده‌اي در ايالات متحده روي داد. 

وقتي تعداد لكه‌هاي خورشيدي خيلي زياد باشد، حتي با چشم غيرمسلح هم مي‌توان آنها را تشخيص داد؛ بخصوص اگر در زمان غروب به خورشيد بنگريم يا خورشيد پشت ابر يا لايه‌هاي غبار قرار داشته باشد. دانشمندان قرن‌هاي يازدهم و دوازدهم ميلادي / پنجم و ششم هجري از تعداد فراوان و بي‌سابقه لكه‌هاي خورشيدي خبر داده‌اند و جالب اينجاست كه در آن دوران، دماي زمين بيشتر از امروز بود. 

اما فقط تغييرات لكه‌هاي خورشيدي نيست كه هر ۱۱ سال تكرار مي‌شود. وجود سيخك‌ها و ديگر پديده‌هاي شگفت‌انگيز در فام‌سپهر و تاج خورشيد، معلول فعاليت‌هاي ميدان مغناطيسي خورشيد است. 

در يك محيط پلاسمايي، خطوط ميدان مغناطيسي و مواد پلاسما همراه با يكديگر حركت مي‌كنند. وقتي اين مواد در اثر حركت همرفتي به بالا صعود مي‌كنند، خطوط ميدان نيز به سمت بالا منحرف مي‌شوند و درنتيجه، در اطراف ابردانه‌ها، ميدان مغناطيسي عمودي تشكيل مي‌شود. وجود اين ميدان، فواره‌هاي باريكي از گاز را به قطر ۵۰۰ تا ۸۰۰ كيلومتر ايجاد مي‌كند كه سيخك ناميده مي‌شوند. هر ۵ دقيقه يك‌بار، مواد پلاسمايي با سرعت ۸۱هزار كيلومتر بر ساعت (۵/۲۲ كيلومتر بر ثانيه) به درون تاج خورشيدي فوران مي‌كنند و اين انفجارهاي پلاسمايي را به‌وجود مي‌آورند. ارتفاع آنها مي‌تواند به ۱۶هزار كيلومتر برسد وتا حداكثر ۱۵ دقيقه نيز دوام بياورند. 

رصدهاي ماهواره‌اي، كمان‌هاي ميدان مغناطيسي حامل ذرات بارداري را به تصوير كشيده‌اند كه ده‌ها هزار كيلومتر از سطح خورشيد فاصله گرفته و وارد تاج خورشيد شده‌اند. وقتي دو كمان مغناطيسي با قطبيدگي مخالف به هم نزديك شوند، فرآيندي به نام بازپيوستگي مغناطيسي روي مي‌دهد كه در نتيجه آن، ميدان مغناطيسي خنثي مي‌شود و مقادير غيرقابل‌تصوري از انرژي آزاد مي‌شود. انرژي موجود در هر يك از اين كمان‌هاي مغناطيسي برابر يك ميليون سال انرژي توليدي يك نيروگاه برق‌آبي است! به همين دليل است كه تاج مي‌تواند علي‌رغم فاصله بسيار زياد از هسته داغ خورشيد، به دماي چند ميليون درجه سانتي‌گراد برسد. 

در حضور گروه‌هاي بزرگ و پيچيده لكه‌هاي خورشيدي، اين فرآيند گرمايش مغناطيسي تشديد مي‌شود و به فوران‌هاي عظيمي در خورشيد منجر مي‌شود كه شراره‌هاي خورشيدي نام دارند. در عرض تنها چند دقيقه، دما از ۶هزار به ۶ ميليون درجه كلوين مي‌رسد و حجم گسترده‌اي از مواد و انرژي به فضا پرتاب مي‌شود. 

انرژي آزادشده در قدرتمندترين اين شراره‌ها معادل انفجار همزمان صدهزار ميليارد بمب هسته‌اي يك مگاتني است كه خود به‌تنهايي، چندين برابر انفجار هسته‌اي هيروشيما است. اما در مقايسه با فوران‌هاي تاج خورشيدي، اين شراره‌ها به شمعي در برابر خورشيد مي‌مانند. در فوران‌هاي تاج خورشيدي يا به اختصار، سي. ام. اي، ميلياردها تن از گازهاي فوق‌العاده داغ تاج خورشيد با سرعت صدهاكيلومتر بر ثانيه به فضا پرتاب مي‌شوند و تا چند ساعت ادامه پيدا مي‌كنند. 

فوران‌هاي تاج خورشيدي معمولا در جهت‌هاي تصادفي اتفاق مي‌افتد؛ اما اگر يكي از آنها رو به زمين پرتاب شود، پس از ۲ تا ۴ روز به زمين مي‌رسد و شرايط خطرناكي را براي زمين پديد مي‌آورند. ذرات باردار و پرانرژي مي‌توانند ماهواره‌ها را از كار بيندازند و به فضانوردان حاضر در ايستگاه فضايي آسيب برسانند. 

 سپر طبيعي زمين

اگر روي سياره‌اي خاكي غير از زمين، مثلا ناهيد يا مريخ زندگي مي‌كرديم، كافي بود مسير يكي از اين سي.ام.اي‌ها از نزديكي زمين بگذرد تا نشاني از حيات باقي نماند. اما زمين، دومين ميدان مغناطيسي قدرتمند را در ميان سيارات منظومه شمسي در اختيار دارد و همين، آن‌را در برابر فوران‌هاي خورشيد و ديگر پرتوهاي مرگ‌بار مانند پرتوهاي كيهاني حفاظت مي‌كند. 

ميدان مغناطيسي زمين از هسته آهني ـ‌ نيكلي آن منشا مي‌گيرد، جايي كه فشار و دماي بالا، سوپي داغ از يون‌هاي مثبت و منفي در حال حركت ايجاد مي‌كند و اين‌ها به نوبه خود، ميدان مغناطيسي به‌وجود مي‌آورند. الگوي آهنربايي زمين بسيار شبيه به الگوي يك آهنرباي ميله‌اي است؛ به شرطي كه زمين را تنها در عالم تصور كنيم. در منظومه شمسي، برهم‌كنش اين ميدان با ميدان مغناطيسي خورشيد و بخصوص بادهاي خورشيدي، سبب مي‌شود اين ميدان در سوي خورشيد فشرده‌تر و در سوي مخالف، كشيده‌تر شود. 

وقتي خورشيد فوران كند، سيلي از ذرات باردار پرانرژي را روانه زمين مي‌كند؛ اما اين ذرات در برخورد با ميدان مغناطيسي زمين منحرف مي‌شوند و به سوي قطب‌هاي مغناطيسي مخالف رانده مي‌شوند. در نواحي استوايي و عرض‌هاي مياني، اين ذرات در ارتفاع بسيار بالايي نسبت به سطح زمين حركت مي‌كنند؛ اما هرچه به سمت قطب‌هاي مغناطيسي زمين نزديك‌تر مي‌شوند، به ارتفاع پايين‌تري مي‌رسند؛ تا جايي‌كه در عرض‌هاي قطبي (بالاتر از  ۵/ ۶۶ درجه)، به ارتفاع چند ده كيلومتري مي‌رسند. در اين ارتفاع، ذرات پرانرژي به مولكول‌هاي هوا برخورد و به آنها انرژي مي‌دهند. مولكول‌هاي پرانرژي هوا نيز اين انرژي را با تاباندن نور، تخليه مي‌كنند و آسمان نورباران مي‌شود. اين پديده را شفق قطبي مي‌نامند. 

اما شفق قطبي تنها روي زيباي ورود طوفان خورشيدي به زمين است. ذرات باردار پرانرژي و پرسرعت، اختلالات الكترومغناطيسي شديدي ايجاد مي‌كنند كه مي‌تواند شبكه توزيع برق يا سيستم‌هاي مخابراتي را از كار بيندازد. از آن بدتر، اختلال شديد در فعاليت ماهواره‌ها است كه اگر براي مقابله با آن اقدامي انجام نگيرد، به از كار افتادن دائمي مدارهاي ماهواره و هدر رفتن ميليون‌ها دلار سرمايه منجر مي‌شود. 

 خيره به خورشيد

آسيب‌هاي ناشي از اين طوفان‌هاي خورشيدي به‌قدري جدي است كه دانشمندان، ماهواره‌هايي را به رصد مستقيم خورشيد مامور كرده‌اند. معمولا بين مشاهده يك فوران و رسيدن آن به زمين (البته اگر در مسير زمين قرار بگيرد)، چند روز فاصله وجود دارد. در اين مدت، مهندسان ماهواره‌هاي موجود در مدار زمين را در وضعيت ايمن مناسب قرار مي‌دهند و تمهيدات لازم را براي جلوگيري از اختلال در سيستم‌هاي برق و مخابرات زميني انجام مي‌دهند. 

هم‌اكنون، فضاپيماهاي مختلفي در حال مشاهده خورشيد هستند. قديمي‌ترين آنها، اوليس بود كه در مداري قطبي به گرد خورشيد مي‌چرخيد و براي نخستين بار، فعاليت‌هاي خورشيد را در مناطق قطبي آشكار كرد. ماموريت اوليس چند ماه پيش به پايان رسيد. 

 پس از آن، سوهو را بايد نام برد كه در نقطه اول لاگرانژي (نقطه‌اي در ۱. ۵ ميليون‌كيلومتري زمين، روي خط واصل زمين و خورشيد) قرار گرفته و خورشيد را پيوسته زيرنظر دارد. 

ماموريت ژاپني Hinode، RHESSI و TRACE، هريك بخشي از خورشيد را زير نظر دارند و سال‌هاست به ارسال اطلاعات ارزشمند از خورشيد مشغولند. 

اما دو ماموريت STEREO و SDO، تازه‌ترين ماموريت‌هاي ناسا به‌مقصد خورشيد هستند. ماموريت استريو متشكل از ۲ فضاپيما است كه در زاويه‌هاي حدود ۱۲۰ درجه نسبت به زمين قرار مي‌گيرند تا فعاليت‌هاي پشت خورشيد را نيز آشكار كنند. اين دو فضاپيما به همراه فضاپيماها و تلسكوپ‌هايي كه روي خورشيد را زير نظر دارند، براي نخستين بار اين امكان را فراهم خواهند آورد تا تمام فعاليت‌هاي خورشيد را بتوان همزمان مشاهده كرد و اطلاعات كافي براي تدوين مدل ۳بعدي اين ستاره گرد آورد. 

اما اس. دي. او يا رصدخانه ديناميك خورشيدي، تازه‌ترين ماموريت به مقصد خورشيد است كه هدفش آشكاركردن ماهيت ميدان مغناطيسي خورشيد و لرزه‌هاي مشاهده‌شده در آن است. اما از همه جالب‌تر، دوربين نصب‌شده در آن است كه هر ده ثانيه يك‌بار، با كيفيت استاندارد Imax از سطح خورشيد عكس مي‌گيرد و اين حجم انبوه اطلاعات را كه كيفيت هر عكس ۴ برابر كيفيت يك تلويزيون اچ. دي است، با آهنگ ۱۳۰ مگابيت بر ثانيه به زمين مخابره مي‌كند. 

اين، نخستين بار است كه پژوهشگران مي‌توانند از لحظه لحظه فعاليت‌هاي خورشيد عكسبرداري كنند و با بررسي آنها، پديده‌هايي را كه تاكنون ناشناخته مانده بود، كشف كنند. بسياري از دانشمندان، اين قابليت اس. دي. او را كشف ادوارد موي‌بريج، عكاس قرن ۱۸ مقايسه مي‌كنند؛ وقتي او براي نخستين بار با دوربيني جديد و سريع از اسب‌ها عكسبرداري كرد و متوجه شد اسب‌هاي بسيار سريع، بخشي از مسابقه را در حالي طي مي‌كنند كه هر ۴ دست و پايشان كاملا در هوا است!