كيف يوحد عد البقع الشمسية الماضي ومستقبل العلم
كان
Max Waldmeier ، المتخصص في فيزياء الطاقة الشمسية ، أكثر علماء الفلك المتغطرسين في سويسرا في منتصف القرن العشرين. بعد تقاعده في عام 1980 ، شعر زملائه بالارتياح لدرجة أنهم أرسلوا بعده تقريبًا المبادرة التي قادها كمدير لمرصد زيورخ. كان فالدميير مسؤولًا عن هذه الممارسة ، المتجذرة في زمن غاليليو ، وبقي واحدًا من أطول الممارسات العلمية في التاريخ: عد
البقع على الشمس.كان مرصد زيورخ العاصمة العالمية لحساب البقع الشمسية: المناطق المظلمة الباردة على سطح الشمس ، حيث يتم منع دوران الحرارة الداخلية بواسطة المجالات المغناطيسية. منذ القرن التاسع عشر ، ربط الفلكيون بقع
الشمس مع
التوهجات الشمسية التي يمكن أن تعطل مسار الحياة على الأرض. اليوم ، يعرف العلماء أن البقع تحدد المناطق التي تخلق مجالات كهرومغناطيسية هائلة يمكن أن تتداخل مع عمل كل شيء من
نظام تحديد المواقع العالمي والشبكات الكهربائية إلى التركيب الكيميائي للغلاف الجوي.
ما صد أتباع فالدمييه المحتملين هو عداءه لأساليب مختلفة عن أسلوبه. في عصر الفضاء ، أصر على طريقة يدوية لعد البقع باستخدام
منكسر Fraunhofer ، الذي سمي على اسم مخترع القرن الثامن عشر ، وأنشأه المدير الأول لمرصد زيورخ ،
رودولف وولف في عام 1849. بعد أن غادر فالدميير ، استغل مساعده ، الذي استغل عدم اليقين في مسألة التراث ، وتثبيت تلسكوب فراونهوفر في حديقته. كانت المراقبة والتتبع التلقائي للشمس من الأقمار الصناعية تحسنًا واضحًا ، وكذلك أقل ذاتية من نظرة الشخص الضيقة.
ولكن ، على الرغم من كل العداء تجاه Valdmeier ، تم الحفاظ على أسلوبه. تظهر البقع بشكل دوري. يتزايد عددهم باستمرار لمدة 11 عامًا تقريبًا ، يليه حوالي 11 عامًا من الانخفاض. أدرك فالديمير أنه لا يمكن تخصيص التفسير بسبب البطء المتأصل في الدورة. يقول الفلكي فريدريك كليت ، مدير مركز تحليل بيانات التأثير الشمسي في المرصد الملكي في بلجيكا: "لا يمكن زيادة سرعة العملية". "لفهم الشمس ، من الضروري تسجيل الدورات على مدى فترات زمنية طويلة."
وتوضح كليت أن أفضل طريقة للحفاظ على استمرارية البيانات هي استخدام طريقة رصد تربط الماضي بالمستقبل. على عكس معظم العلوم الحديثة ، ومواكبة التطورات التكنولوجية ، يبقى دماغ الإنسان والعين الجهاز الأكثر استقرارًا للكشف عن التغيرات النجمية التي تعطينا كل الحياة.
يقول كليت ، القائم بالرعاية لإجراء عد البقعة العالمي الذي بدأه وولف في زيوريخ ، "أصبحت التكنولوجيا والمعدات الحديثة قادرة على الكثير من الأشياء ، ولكن هذه التقنيات كانت موجودة لعدد قليل من الدورات الشمسية على التوالي ، لذلك لا تظهر تغيرات في الدورات على مر القرون". مثل
رقم البقع الشمسية الدولي أو
رقم الذئب . تحت إشراف Klett ، لا تزال تحسب العيوب يدويًا. "عدهم بالعين ، يمكننا ربط ما نراه اليوم بما رأيناه في الماضي البعيد."
يقول كليت: هذه قصة رائعة. الملاحظة البسيطة هي واحدة من أكثر الأساليب العلمية المعمرة. "هذا تطور طويل ومنهجي لجمع المعلومات أدى إلى فهم ظاهرة البقع الشمسية ، والكرز على الكعكة فرصة للتنبؤ بالمستقبل."
يعمل - لا تلمسه: تم استخدام منكسر Fraunhofer ، الذي سمي على اسم مخترعه في القرن الثامن عشر ، من قبل المتخصصين في فيزياء الشمس لحساب البقع لمعظم القرن العشرين.بدأت الملاحظات الموضعية في وقت سابق من علم الفلك الحديث ، على الأقل لمدة ثلاثة آلاف سنة. نظرًا لأن الشمس كانت الهدف الرئيسي للعديد من الأديان القديمة ، فقد اعتبرت أي بقع ظاهرة مهمة. بالنسبة للأفارقة القدماء من شواطئ
زامبيزي ، كانت البقع الشمسية هي الأوساخ التي صفع بها القمر الغيور وجه الشمس. اعتبر الصينيون القدماء أن البقع هي كتل بناء قصر طائر ، أو حتى ضربات فرشاة تحدد شخصية الملك. اتبع
فيرجيل نهجًا عمليًا أكثر ، محذرًا في
الجورجيين :
إذا بدأت البقع في التدخل في النار الذهبية ،
كل شيء - سترى - ثم يغلي في وقت واحد مع الريح
والغيوم
درس غاليليو البقع بشكل أكثر علمية ، واعتبرها علامات مفيدة للمعايرة في دراساته للقرص الشمسي. من الملاحظات الدقيقة في التلسكوب للتغيرات اليومية في مظهرهم ، قرر بشكل صحيح أن الشمس كروية وتدور حول محورها ، وتنقل العيوب المتغيرة. ولكن من وجهة نظره ، كانت البقع عشوائية. هذا ترك مساحة كبيرة للخيال. يعتقد الفيلسوف رينيه ديكارت أن البقع كانت محيطات من رغوة ما قبل التاريخ. يعتقد الفلكي ويليام هيرشل أن هذه كانت ممرات في عالم عباد الشمس الداكن ، حيث يعيش الناس تحت قشرة النجم الساطعة.
ومع ذلك ، كان هناك فلكي هاوٍ واحد لديه ببساطة ملاحظات كافية عن السماء وسجلات لكل ما يراه.
بدأ هاينريش شوابي ، الذي كان يعمل صيدليًا ، بمراقبة الشمس في عام 1826 ، وكان يعمل باستمرار في هذا الأمر لأكثر من 300 يومًا في السنة لمدة أربعين عامًا. في البداية ، بحث عن كواكب غير مكتشفة داخل مدار عطارد. لم يجد أي شيء محدد ، بدأ تدريجياً في مراقبة السطح المرقط للشمس.
بحلول عام 1844 ، بعد أن أحصى عشرات الآلاف من البقع ، كان Schwabe مقتنعًا بأن البقعة لها دورة: زاد عدد البقع وانخفض كل 10 سنوات. لم يكن لديه تفسير لذلك ، لكنه قرر أن الآخرين قد يتعلمون شيئًا مفيدًا من ملاحظاته ، لذلك نشر ملاحظة من صفحة واحدة في مجلة Astronomische Nachrichten. قرأ أعماله رودولف وولف ، مدير مرصد برن البالغ من العمر 30 عامًا. عندما أصبح وولف مديرًا لمرصد زيورخ في عام 1864 ، قرر اختيار دورة البقع الشمسية كموضوع للبحث.
لم يكن وولف راضيا عن الحسابات إلا بمرور الوقت. لتحديد وجود الدورة وقياسها بشكل صحيح ، قرر بحكمة جمع البيانات السابقة - بدءًا من Schwabe - ودمجها في ملاحظاته اليومية الخاصة.
كانت المشكلة في أن الأرقام لم تتطابق. لم يتطابق الرقم حتى عند الحساب ليوم واحد ، تم تنفيذه آلاف المرات من 1849 إلى 1868 ، حتى آخر حساب Schwabe. كان تلسكوب فراونهوفر أقوى بكثير من جهاز شوابي القديم ، وقد ظهر فيه أن العديد من بقع شوابي كانت في الواقع مجموعات. للتعويض عن هذا ، اتخذ وولف قرارين مهمين. الأول هو إعادة النظر في حساباتك الخاصة - في الواقع ، كان النشاط النسبي للبقع مهمًا حقًا. كان الحل الثاني هو إثبات العلاقة بين عدد البقع التي أحسبها وشواب عندما حدثت ملاحظاتهم في نفس اليوم. حصل على المعامل ، وأطلق عليه k ، وكان عاملاً يمكن تطبيقه على ملاحظات Schwabe القديمة حتى عام 1849 ، ودمجها إحصائيًا مع بيانات Wolf الجديدة.
جعل المعامل شيئًا ممكنًا أكثر إثارة للاهتمام. بفضل العديد من الملاحظات المتزامنة ، تمكن وولف من استخدام بيانات Schwabe القديمة لاشتقاق معاملات k للعلماء الآخرين ، وتمديد بياناته بشكل موثوق حول عدد البقع حتى 1700. ثم أنشأ وولف شبكة كاملة من العدادات الموضعية في القارة ، وأصبحت أعدادهم اليومية ، التي تتراوح من صفر إلى بضع مئات ، واحدة من أكثر مجموعات البيانات موثوقًا في علم الفلك.
أظهرت البيانات أن Schwabe كان على حق بشأن دورة البقع الشمسية ، ولكن ليس حول مدتها. في البداية ، روى وولف هذه الفترة في 11 عامًا ، وقرر أنه اكتشف سببها: يحتاج المشتري إلى 11 عامًا فقط للتجول حول الشمس في مداره. ومع ذلك ، كلما زاد عدد الدورات التي قام بجمعها ، كان هذا الارتباط أقل موثوقية. استمرت بعض الدورات 14 سنة. آخرون وفقًا لـ 9. نظرًا لأن الفترة المدارية للمشتري لم تتغير ، كان على العالم أن يعترف بالهزيمة.
واستمر في الحساب معتقدًا أن شخصًا لديه بيانات كافية سيكون قادرًا على كشف آلية ظهور البقع الشمسية. آمن حتى وفاته عام 1893. بحلول ذلك الوقت ، كان مساعده ألفريد ولفر يحسب البقع معه لمدة 17 عامًا. كفل معاملهم انتقالًا سلسًا للملاحظات إلى المديرين الآخرين لمرصد زيورخ ، حتى المتعجرف فالديمير ، الذي طور التصنيف التطوري للبقع وطريقة التنبؤ بالعواصف المغنطيسية ، التي تقدمت علم الشمس بجدية.
تشير الصورة المذهلة للبقع الشمسية إلى المكان الذي قامت فيه المغناطيسية بقمع حركة الحرارة في الشمس ، الحمل الحراري الشمسي. تشير البقع الشمسية إلى المناطق التي تنطلق منها الومضات الهائلة ، مما يؤثر على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والشبكات الكهربائية.فلماذا يتم استبدال فترات البقع الداكنة بفترات الشمس النقية؟ يعترف كليت "في الحقيقة ، ما زلنا لا نعرف بالضبط ما يعتمد على التردد". حتى بعد 315 عامًا من جمع البيانات ، لا تزال آلية دورة البقع الشمسية مضاءة بالكامل.
ومع ذلك ، تم إحراز تقدم كبير منذ Schwabe ، خاصة في مجال تأثيرات التوهج الشمسي. في عام 1859 ، لاحظ اثنان من علماء الفلك الهواة في شبكة مراقبة ولف اثنين من الومضات الساطعة داخل مجموعة من البقع. في الأيام التالية ، تعطل عمل التلغراف ، وتم رصد
الأضواء الشمالية في جميع أنحاء أوروبا. أقنعت العديد من هذه الحلقات العلماء بربط هذه الظواهر ، التي جاء تفسيرها في عام 1908 ، عندما استخدم الفلكي
جورج إليري هيل مطيافًا لتحديد الطبيعة المغناطيسية للبقع الشمسية (تؤثر المغناطيسية على طيف الألوان قليلاً). يمكن فهم عيوب الشمس في النهاية. لم تكن رغاوي من عصور ما قبل التاريخ أو علامات على وجود مجموعة من الشمس ، ولكن المناطق التي قمعت فيها المغناطيسية حركة الحرارة في الشمس ، في عملية تعرف باسم الحمل الحراري الشمسي.
اليوم ، بفضل الفيزياء الشمسية ، نعلم أن دورات البقعة تتحكم فيها الحركة الدورانية للبلازما داخل الشمس الدائرية. نظرًا لأن البلازما مشحونة كهربائيًا وتدور طبقات البلازما بسرعات مختلفة ، فإن مجال الشمس يتصرف مثل دينامو ، مما ينتج عنه حقول كهرومغناطيسية أقوى آلاف المرات من المغناطيسية القطبية للأرض. نمذجة تداول البلازما التي تخلق الدينامو الشمسي على أجهزة الكمبيوتر الفائقة. لعدة قرون ، ساعدت البيانات المتعلقة بالبقع الشمسية التي تم جمعها العلماء في تحسين هذه النماذج والتحقق منها عن طريق تشغيل المحاكاة وملاحظة النماذج الأقرب إلى التردد المتغير للدورات المتعاقبة. كلما أصبحت النماذج مثالية ، كلما فهمنا دورة البقع الشمسية بشكل أفضل.
يوضح كليت أن الحاجة إلى حساب البقع الشمسية زادت فقط أثناء الانتقال من التلغراف إلى الأقمار الصناعية. يقول: "يساعد عدد النقاط في تحديد اتجاه للأشهر والسنوات المقبلة للتنبؤ بتكرار وقوة الاضطرابات". يتلقى المرصد الملكي في بلجيكا باستمرار طلبات بيانات من شركات الاتصالات والطاقة. تعتمد شركات الطيران التجارية أيضًا على اتجاهات البقع الشمسية ، لأن المغناطيسية الشمسية تؤثر على سرعة الموجات الراديوية في الأيونوسفير وتشوه إحداثيات GPS. إذا اقترب الطقس المشمس من العاصفة ، سيحول الطيارون انتباههم إلى أدوات الملاحة الأخرى.
بين حياة الأرض والبقع الشمسية ، يتم اشتقاق ارتباطات أقل تأكيدًا أيضًا. يحاول الباحثون الطبيون إيجاد علاقة بين المغناطيسية الشمسية والسرطان. يبحث الاقتصاديون في العلاقة بين الدورات الشمسية والزراعة. يريد علماء المناخ معرفة ما إذا كانت
العصور الجليدية الصغيرة ناتجة عن فترات "انخفاضات كبيرة" - عندما لا توجد بقع على الشمس تقريبًا - كما حدث في القرن الثامن عشر. تصور لوحات تلك الفترة الأشخاص الذين يتزلجون على نهر التايمز والبندقية.
التقدم في علم المناخ مثير للاهتمام بشكل خاص. من المعروف أن إشعاع الشمس يغير التركيب الكيميائي للطبقات العليا من الغلاف الجوي ، وتقوم البقع الشمسية بتعديل شدة الأطوال الموجية المختلفة - من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة السينية - التي تقصف كوكبنا. من خلال ربط عدد البقع بالتغيرات في الطيف الشمسي ، سيتمكن علماء المناخ قريبًا من تحديد الصورة الطيفية للشمس خلال الحد الأدنى الكبير من القرن الثامن عشر.
لم يكن وولف يفكر أبداً في تطبيق البيانات هذا - سيكون هذا درسًا لذئاب أخرى من الحاضر والمستقبل: يعتمد حل إحدى أهم المشاكل في العلوم الحديثة - تغير المناخ العالمي - على البيانات التي تم جمعها قبل وقت طويل من معرفتها. يقول كليت: "أعتقد أن هذا هو جوهر البحث العلمي ، حيث تلاحظ خلاله ظاهرة جديدة لا يمكنك فهمها". - إنه مثل فتح منطقة جديدة. أنت تعلم أنك ستحصل على معرفة جديدة ، حتى لو لم تأت من التوجيهات التي تتوقعها ".
سيكون تفسير دورة البقع الشمسية هو التأكيد النهائي لمقامرة وولف التي تعود إلى قرون. ولكن بصفته مقدم رعاية في أبحاث البقع الشمسية ، يفرح كليت بإنجاز آخر: فقد اتصل مؤخرًا برجل ورث أدوات وولف من مساعده الغادر فالدميير. تساهم الملاحظات باستخدام تلسكوب فراونهوفر القديم مرة أخرى في الحساب الدولي للبقع الشمسية.
لا يرتبط Delight Klett بالمشاعر ، لكنه يلاحظ فقط الدور الرئيسي لـ Wolf في تحويل حساب البقع إلى إجراء متسق. "لقد تمكنت من تحديد معامل k لهذا التلسكوب" ، كما يقول. - يتزامن بشكل مثالي مع ما حدده وولف في القرن التاسع عشر - وهذا عندما تفكر في أن اليوم ليس وولف هو من يشارك في الحساب. إن الصدفة k هي علامة على أن نظام الدماغ والعين لم يتغير في القرنين الماضيين ".
وإذا كان القرنان الماضيان مؤشرًا جيدًا ، فستكون الملاحظات البسيطة ذات قيمة لفترة طويلة جدًا. يمكن أن يكون عد البقع الشمسية نموذجًا لأي بحث يتطلب جمع البيانات على المدى الطويل - مثل التغييرات المراوغة في سلوك نجم قديم منذ آلاف السنين قبل أن تصبح مستعر أعظم. مقارنة بدراسة السوبرنوفا التي تتطلب عشرات أو مئات الأجيال ، فإن عد البقع الشمسية يبدو سريعًا جدًا.
مثل هذه التجربة طويلة المدى ستكون تحديًا ملحميًا. سيعتمد على الماكرة الإحصائية الجديرة بالذئب ، والتقليدية العنيدة التي تستحقها والدماير. ولكن من أجل تحقيق أعلى إمكانات ، فأنت بحاجة إلى عقلية هادئة مثل عقلية شوابي ، الذي لم يكن عليه أن يعرف بالضبط ما سيجده في بياناته - كان الجدارة أيضًا في مراقبة الظاهرة الطبيعية.