لکه‌ خورشیدی چیست و چرا به‌وجود می‌آید؟

لکه‌های خورشیدی به نقاطی تاریک و دارای میدان مغناطیسی در سطح خورشید گفته می‌شود. این لکه‌ها می‌توانند اختلال‌های فورانی مثل شراره‌های خورشیدی و خروج جرم از تاج خورشیدی (CME) را رقم بزنند. دلیل تیره‌تر بودن این مناطق خورشید دمای کمتر آن‌ها نسبت به محیط اطراف است. دمای منطقه‌ی تاریک مرکزی لکه‌ی خورشیدی یا سایه به ۳۵۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد درحالی‌که دمای فوتوسفر اطراف آن تقریباً ۵۵۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد است.

تکرار و شدت وقوع لکه‌های خورشیدی روی سطح خورشید نشان‌دهنده‌ی سطح فعالیت خورشید در طی دوره‌ای ۱۱ ساله‌ است که بر اثر میدان مغناطیسی خورشید تشدید می‌شود. لکه‌های خورشیدی پنجره‌ای به فضای داخلی مغناطیسی پیچیده‌ی خورشیدی هستند و صدها سال است که ناظران خورشیدی را به شگفتی وا داشته‌اند.

لکه‌های خورشیدی چگونه تشکیل می‌شوند؟

لکه‌ی خورشیدی تا چقدر بزرگ است؟

لکه‌های خورشیدی و چرخه‌ی خورشیدی

لکه‌های خورشیدی کنونی

چه کسی لکه‌های خورشیدی را کشف کرد؟

رصد لکه‌های خورشیدی

لکه‌های خورشیدی به مناطق سردتر سطح خورشید گفته می‌شود که می‌توانند اختلال‌های فورانی مثل شراره‌های خورشیدی و خروج جرم از تاج خورشیدی (CME) را به وجود بیاورند.

لکه‌های خورشیدی زمانی شکل می‌گیرند که تمرکز میدان مغناطیسی اعماق خورشید به سطح آن می‌رسد. این لکه‌ها از یک بخش تاریک‌تر مرکزی به نام سایه تشکیل شده‌اند و مناطق کم‌تر تیره‌ی اطراف آن‌ نیم‌سایه نامیده می‌شوند. گرچه دانشمندان هنوز علت دقیق شکل‌گیری لکه‌های خورشیدی را نمی‌دانند فرضیه‌ی پیشنهادی هوراس بابکاک، ستاره‌شناس آمریکایی را در سال ۱۹۶۱ پذیرفته‌اند. براساس این فرضیه میدان‌ مغناطیسی خورشید عامل شکل‌گیری لکه‌های خورشیدی است.

میدان مغناطیسی خورشید را مانند حلقه‌های نوارهای لاستیکی در نظر بگیرید که یکی طرف آن به قطب شمال و سمت دیگر به قطب جنوب وصل است. با توجه به چرخش خورشید در سرعت‌های متفاوت و سرعت چرخش بالاتر استوا نسبت به قطب‌ها، «چرخش افتراقی» به وجود می‌آید.

با چرخش خورشید، این نوارهای مغناطیسی سفت‌تر و پیچیده‌تر می‌شود در نهایت میدان‌های مغناطیسی به یکدیگر می‌چسبند، بالا می‌روند و سطح را می‌شکنند. این اختلال‌ در میدان مغناطیسی خورشید باعث شکل‌گیری روزنه‌هایی می‌شود که می‌توانند رشد کنند و برای شکل‌گیری روزنه‌های بزرگ‌تر یا لکه‌های اولیه به یکدیگر بپیوندند و در نهایت لکه‌های خورشیدی را شکل دهند. به مجموعه‌ای از لکه‌های خورشیدی، ناحیه‌ی فعال گفته می‌شود.

میدان مغناطیسی در مناطق فعال لکه‌ی خورشیدی تقریباً ۲۵۰۰ برابر قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین است. این میدان مغناطیسی قوی مانع از جریان یافتن گاز داغ جدید از فضای داخلی خورشید می‌شود و به همین دلیل لکه‌های خورشیدی سردتر و تاریک‌تر از محیط اطراف خود ظاهر می‌شوند.

لکه‌های خورشیدی از یک منطقه‌ی تاریک‌تر مرکزی به نام سایه و مناطق اطراف به نام نیم‌سایه تشکیل شده‌اند.

لکه‌های خورشیدی به‌طور متوسط هم‌اندازه با زمین هستند گرچه ممکن است قطر آن‌‌ها از صدها کیلومتر تا ده‌ها هزار کیلومتر متغیر باشد.

لکه‌های خورشیدی در بازه‌های چندروزه تا چندهفته‌ای شکل می‌گیرند و می‌توانند تا ماه‌ها روی سطح خورشید دوام بیاورند. تعداد کلی لکه‌های خورشیدی در چرخه‌ی ۱۱ ساله‌ی خورشیدی متغیر است. با افزایش فعالیت خورشید یا بیشینه‌ی خورشیدی تعداد لکه‌های خورشیدی افزایش می‌یابند.

لکه‌‌ی خورشیدی بزرگ در سطح خورشید حرکت می‌کند. این تصویر توسط رصدخانه‌ی خورشیدی و هلیوسفری (SOHO) ثبت شده است.

موقعیت‌ لکه‌های خورشیدی هم در طول یک چرخه‌ی خورشیدی متغیر است. در طول بیشینه‌ی خورشیدی، تعداد زیادی از لکه‌های خورشیدی در ارتفاعات متوسط (تقریباً ۳۰ درجه‌ی شمال و ۳۰ درجه‌ی جنوبی) دیده می‌شوند. سپس این لکه‌ها به تدریج به سمت استوا حرکت می‌کنند و در دوره‌ی کمینه‌ی خورشیدی تعداد اندکی از آن‌ها دیده می‌شوند. گاهی اوقات در طول کمینه‌ی خورشیدی هیچ لکه‌ای روی سطح خورشید دیده نمی‌شود.

گرچه دوره‌ی یازده‌ی ساله‌ی خورشیدی دوره‌ای پیوسته است، بین سال‌های ۱۶۴۵ و ۱۷۱۵ تعداد اندکی لکه‌ی خورشیدی رصد شدند و بین سال‌های ۱۶۷۲ و ۱۶۹۹، کمتر از ۵۰ لکه‌ی خورشیدی ثبت شدند. درحالی‌که در طول یک دوره‌ی عادی کمینه‌ی خورشیدی معمولاً بین ۱۲ تا بیش از ۱۰۰ لکه‌ی خورشیدی دیده می‌شوند. این دوره‌ که فعالیت خورشیدی به حداقل می‌رسد با نام دوره‌ی «کمینه‌ی ماوندر» هم شناخته می‌شود که برگرفته از نام ستاره‌شناس بریتانیایی، ادوارد والتر ماوندر است که در سال ۱۸۹۰ همراه با همسرش، به عدم فعالیت خورشیدی پی برد.

در حین بیشینه‌ی خورشیدی تعداد زیادی لکه‌ی خورشیدی در ارتفاع‌های متوسط نمایان هستند و در حین کمینه‌ی خورشیدی تعداد اندکی لکه‌ی خورشیدی (حتی صفر) در استوا دیده می‌شوند.

امروزه خورشید شاهد چرخه‌ی خورشیدی ۲۵ است که در آن فعالیت خورشید افزایش می‌یابد و نتیجه‌ی این افزایش فعالیت، ظاهر شدن تعداد بیشتری لکه‌ی خورشیدی است. برای دیدن ظاهر لکه‌های خورشیدی کنونی، صفحه‌ی رصدخانه‌ی خورشیدی و هلیوسفری (SOHO) را ببینید.

هنوز درباره‌ی اینکه چه کسی لکه‌های خورشیدی را کشف کرد بحث‌هایی وجود دارد. به نقل از مرکز پرتوی ایکس چاندرا، قدیمی‌ترین سوابق فعالیت خورشیدی به ستاره‌شناسان چینی در حدود سال ۸۰۰ پیش از میلاد بازمی‌گردد. در آن زمان ستاره‌شناسان کره‌ای و چینی به‌طور مکرر لکه‌های خورشیدی را رصد می‌کردند. بااین‌حال هیچ طرح اولیه‌ای از این رصدها وجود ندارد. اولین طراحی از فعالیت خورشیدی بعدها در سال میلادی ۱۱۲۸ در رویدادنگار جان ورکستر ظاهر شد. ورکستر نوشته بود:

در سومین سال پادشاهی لوتار، امپراطوری روم، در بیست و هشتمین سال پادشاهی هنری از انگلستان، روز شنبه، ۸ دسامبر، دو کره‌ی سیاه از صبح تا بعد از ظهر روی خورشید ظاهر شدند.

درست پنج روز پس از آنکه ورکستر گروهی عظیم از لکه‌های خورشیدی را توصیف کرد، ستاره‌شناسان کره‌ای گزارش دادند که بخاری قرمز را در آسمان مشاهده کردند. این توصیف نشان‌دهنده‌ی وجود شفق‌های قطبی یا شفق‌های شمالی در ارتفاع‌های نسبتاً پائین بود. در سال ۱۶۱۰، توماس هریوت ستاره‌شناس انگلیسی به کمک تلسکوپ جزئیاتی از رصدهای خورشیدی خود را همراه با یادداشت و طراحی ثبت کرد. طرح‌های او اولین سوابق ترسیمی شناخته‌شده از لکه‌های خورشیدی به شمار می‌روند.

یک سال بعد، دیوید و یوهانس فابریسیوس (پدر و پسر) به صورت مستقل از یکدیگر لکه‌های خورشیدی را کشف کردند. چند ماه پس از آن، یوهانس فابریسیوس اولین شخصی در غرب بود که اثری را با موضوع لکه‌های خورشیدی با عنوان «درباره‌ی لکه‌های رصدشده در خورشید و چرخش ظاهری آن‌ها همراه با خورشید» منتشر کرد.

به‌نقل از ناسا، دو کشف مستقل دیگر هم به صورت هم‌زمان در سال ۱۶۱۱ ثبت شدند. گالیلئو گالیله و کریستوف شاینر بر سر اعتبار کشف لکه‌های خورشیدی با یکدیگر رقابت کردند. این در حالی بود که لکه‌های خورشیدی صدها سال پیش از آن رصد و ثبت شده بودند.

صفحه‌ای از دفتر یاددشات توماس هریوت

هرگز به‌صورت مستقیم با ابزارهایی مثل دوربین‌های دوچشمی یا تلسکوپ یا چشم بدون محافظ به خورشید نگاه نکنید. عکاسان نجومی و ستاره‌شناسان از فیلترهای مخصوصی برای رصد ایمن خورشید استفاده می‌کنند. صدها سال است که لکه‌های خورشیدی رصد می‌شوند. دانشمندان از این لکه‌ها برای یادگیری درباره‌ی چرخه‌ی خورشیدی و همچنین ارزیابی خطر آب‌وهوای خورشیدی مثل شراره‌های خورشیدی یا CME استفاده می‌کنند.

تصویر فعلی ما از فعالیت‌ خورشیدی بدون تلاش‌های ستاره‌شناس ژاپنی، هیساکو کویاما میسر نمی‌شد. کویاما بین سال‌های ۱۹۴۷ و ۱۹۹۶ با استفاده از تلسکوپ انکساری بیست سانتی‌متری از سقف موزه‌ی ملی طبیعت و علوم توکیو، طرح‌هایی را از لکه‌های خورشیدی ترسیم کرد. کویاما در طول ۴۰ سال بیش از ۱۰ هزار رصد از لکه‌های خورشیدی را ثبت کرد که درک کلی ما از آب‌وهوای فضایی را شکل دادند.

لکه‌های خورشیدی را می‌توان با تجهیزات مناسب و محافظ چشم رصد کرد

امروزه دانشمندان در مرکز پیش‌بینی آب‌وهوای فضایی NOAA به صورت روزانه به تحلیل مناطق لکه‌ی خورشیدی می‌پردازند تا خطرات آن‌ها را ارزیابی کنند. آن‌ها تغییرات اندازه‌ی لکه‌های خورشیدی، تعداد و موقعیت آن‌ها و احتمال وقوع شراره‌های خورشیدی و CME را از یک منطقه‌ی فعال بررسی و ثبت می‌کنند. مرکز داده‌های جهانی شاخص لکه‌های خورشیدی و رصدهای خورشیدی بلندمدت در رصدخانه‌ی سلطنتی بلژیک هم به ردیابی لکه‌های خورشیدی می‌پردازد و پستی و بلندی‌های چرخه‌ی خورشیدی را برای ارزیابی فعالیت خورشیدی و بهبود پیش‌بینی‌های آب‌وهوای فضایی ثبت می‌کند.

دانشمندان برای ارزیابی احتمال وقوع شراره‌ی خورشیدی یا CME به دسته‌بندی گروه‌های مختلف لکه‌های خورشیدی می‌پردازند. به این منظور پژوهشگرهای رصدخانه‌ی ماونت ویلسون در کالیفرنیا مجموعه‌ای از طبقه‌بندی‌ها را برای لکه‌های خورشیدی ارائه دادند. روزانه لکه‌های خورشیدی شمرده می‌شوند و در دسته‌بندی‌های مغناطیسی و لکه‌ای قرار می‌گیرند. سیستم دسته‌بندی دیگر مبتنی بر سیستم زوریخ مکینتاش است. این سیستم برای طبقه‌بندی لکه‌های خورشیدی براساس دوام پیچیدگی و اندازه‌ی لکه‌های طراحی شده است.

لکه‌های خورشیدی را می‌توان با طرح‌های دستی ردیابی کرد. این تصویر طراحی‌های لکه‌های خورشیدی مرکز داده‌ی جهانی را برای شاخص لکه‌ی خورشیدی و رصدهای بلندمدت خورشیدی (SILSO) در رصدخانه‌ی سلطنتی بلژیک نشان می‌دهد.

لکه‌های خورشیدی برای قوی‌ترین تلسکوپ‌های نوری به رنگ سیاه ظاهر می‌شوند؛ اما آیا این لکه‌ها واقع سیاه هستند؟ براساس یافته‌های جدید، لکه‌های خورشیدی واقعاً سیاه نیستند. بلکه، تاریکی آن‌ها در واقع حقه‌ای بصری است که به دلیل تضاد گرمایی آن‌ها با محیط‌ اطراف رخ می‌دهد. سازمان دانشگاهی پژوهش‌های جوی (UCAR) می‌گوید:

لکه‌های خورشیدی نسبت به سطح درخشان خورشید، تیره به نظر می‌رسند. اگر یک لکه‌ی خورشیدی متوسط را از سطح خورشید ببرید و آن را در نقطه‌ی دیگری از آسمان شب قرار دهید، درخششی به اندازه‌ی ماه کامل خواهد داشت.

دو گروه از لکه‌های خورشیدیدر شمال شرقی خورشید

دلیل اینکه لکه‌های خورشیدی نسبت به بقیه‌ی سطح خورشید یا فوتوسفر، تیره‌تر ظاهر می‌شوند این است که این لکه‌ها سردتر هستند و گازهای زیرین لکه‌ی خورشیدی تنها ۲۵ درصد از نور را نسبت به دیگر مناطق خورشید، منتشر می‌کنند.

انرژی مغناطیسی سرکوب‌شده‌ی لکه‌های خورشیدی پیامدهای جانبی طیفی و خطرناکی را به‌دنبال خواهد داشت. وقتی خطوط میدان مغناطیسی اطراف لکه‌های خورشیدی به‌شدت درهم‌تنیده شوند، می‌توانند ترکب‌بندی‌های جدیدی را به وجود بیاورند و به انفجارهای ناگهانی انرژی مغناطیسی منجر شوند. این انرژی می‌تواند با پلاسمای اطراف واکنش دهد و منجر به انفجار انرژی موسوم به شراره‌ی خورشیدی شود. پلاسما گاز باردار الکتریکی و داغی است که بخش زیادی از خورشید را تشکیل می‌دهد.

لکه‌های خورشیدی همراه با شراره‌های خورشیدی

شراره‌های خورشیدی همیشه در مناطق فعالی در نزدیکی لکه‌های خورشیدی رخ می‌دهند؛ بنابراین هرچه تعداد لکه‌های خورشیدی سطح خورشید در یک زمان مشخص بیشتر باشد، احتمال فوران یک شراره‌ی خورشیدی بیشتر خواهد بود. لکه‌های خورشیدی معمولاً در نزدیکی اوج چرخه‌ی فعالیت یازده ساله‌ی خورشیدی موسوم به بیشینه‌ی خورشیدی ظاهر می‌شوند.

در این شرایط فعالیت مغناطیسی به اوج خود می‌رسد. حرارت ناشی از یک شراره‌ی خورشیدی هم می‌تواند نوع دیگری از انفجار به نام خروج جرم از تاج خورشیدی (CME) را به وجود بیاورد که در آن ذرات خورشیدی باردار به‌صورت مستقیم از جو خورشید منتشر می‌شوند و با سرعت بالایی وارد فضا می‌شوند.

بااین‌حال، سمت روشنی برای این رویداد وجود دارد: با برخورد CME به زمین، باران حاصل از ذرات باردار در جو زمین منجر به ایجاد شفق‌های قطبی در دامنه‌های پایین‌تر می‌شود و نمایش زیبای رنگی در آسمان شب پدید خواهد آمد.