فيزياء البقع الشمسية: أكثر من بلوميشات السطح

إن البقع الشمسية هي سمات عابرة في نصف الشمس تبدو كبقع مظلمة وغير نظامية، وظلامها هو وهم للتناقض: فبقع الشمس النموذجية لا تزال مشرقة للغاية، ولكنها تبدو مظلمة بجوار الغلاف الجوي، بل أكثر إشراقاً، لأنها تراوحت بين ٥٠٠ ١ و٠٠٠ ٢ درجة مئوية )حوالي ٨٠٠ ٣ درجة مئوية مقابل ٥٠٠ ٥ درجة مئوية(.

A fully developed sunspot consists of two parts: the dark central umbra] and the lighter, filamentary penumbra surrounding it. Sunspots range in size from a few hundred kilometers to dozens of times the diameter of Earth. they are never permanent hours;

إن فهم البقع الشمسية ليس مجرد عملية في الفيزياء الشمسية، لأنها أبرز علامات النشاط المغنطيسية الشمسية، فإن تواترها وتوزيعها يوفران سجلا مباشرا للتغيرات في إنتاج الطاقة في الشمس، حيث يمكن أن يكون للتكاثر الكلي للأشعة الشمسية - كمية الإشعاع الشمسي التي تصل إلى قمة الغلاف الجوي للأرض حوالي ١,٠ في المائة على الدورة الشمسية، ولكن التقلبات المناخية الصغيرة يمكن أن تحدث آثارا قابلة للقياس على مدى عقود.

وتعود مشاهدات بقع الشمس إلى علماء الفلك الصينيين القدماء، ولكن السجلات المنهجية بدأت باختراع التلسكوب في أوائل القرن السادس عشر، واليوم، تقوم شبكة من المراصد الأرضية والأدوات الفضائية برصد عدد البقع الشمسية والمنطقة والخصائص المغنطية باستمرار، وتغذي البيانات في نماذج تساعد العلماء على تبديد التأثير الشمسي من العوامل الأخرى التي تؤثر على المناخ.

دورة الشمس الـ 11 و مرحلتها

ولا تظهر البقع الشمسية عشوائياً، فهي تتبع دورة جيدة التصنيع - 11 سنة، تحددها لأول مرة في منتصف القرن التاسع عشر الذئب الفلكي السويسري، وتقودها دورة الشمس المغناطيسية الكاملة، حيث إن التناوب الشمسي يتحول إلى سلاسل أرضية، وينتهي دورانها المتمايزة (الحد الأقصى من القطبين) إلى خطوط أرضية مغناطيسية، مما يؤدي في نهاية المطاف إلى تضاؤلها.

وللدورة الشمسية مرحلتان متمايزان:

  • Solar Maximum:] When sunspot numbers top, the Sun emits slightly more ultraviolet radiation and X-rays. The solar corona becomes more active, and flares and coronal mass ejections are frequent. This phase typically lasts 2-4 years.
  • () الحد الأدنى للطاقة الشمسية: ] Sunspot counts fall to zero or near zero. The Sun is silenceer, and total irradiance dips slightly. Solar minima can sometimes persist longer than average, as happened during the Maunder Minimum (1645-1715) and the Dalton Minimum (1790-1830).

فالانتقال بين ماكسيما والمينما ليس سلسا؛ فالدورات تختلف باختلاف الكم، فعلى سبيل المثال، كانت الدورة 24 (2008-2019) ضعيفة بشكل ملحوظ، حيث بلغ عدد البقعة الشمسية نحو نصف الدورة 21 (1976-1986) ومن المتوقع أن تكون الدورة الحالية 25 متواضعة أيضا، وإن كانت التنبؤات لا تزال غير مؤكدة، وهذا التباين الجوهري هو ما يجعل النشاط المفتقر إلى قوة الشمس يربط بين المناخ الأرضي.

Mechanisms Linking Sunspots to Earth’s Climate

The direct effect of sunspots on climate is often misunderstood. Sunspots themselves, being cooler, actually reduce] the local emission of visible light, but the magnetic activity that creates them also generates bright faculae (bright spots) in the photosphere and chromosphere.

أعلى درجة ضدّ مسارات أعلى

وقد حدد العلماء مسارين رئيسيين يمكن من خلالهما أن يؤثر التغير الشمسي على المناخ:

  • Top-down mechanism:] Increased solar ultraviolet radiation during solar maxima is absorbed by stratospheric ozone, heating the upper stratosphere. This alters the temperature gradient and wind patterns in the stratosphere, which can in turn influence the tropheric jet stream and weather patterns. This process can lead to shifts in regional
  • Bottom-up mechanism:] Solar irradiance changes, even small ones, can affect sea surface temperatures (SST) in the tropical Pacific. Some models suggest that solar variations can modulate the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) or create a long-term "solar footprint" in SSTric patterns then influence.

وبالإضافة إلى ذلك، يقترح بعض الباحثين أن يؤثر النشاط الشمسي على الغطاء السحابي عن طريق تغيير الأشعة الكونية، والفكرة هي أن عدد البؤر الشمسية (الميدان المغنطيسي بالطاقة الشمسية) يتيح إمكانية الوصول إلى الأرض بأشعة الكونية المجرية، مما قد يعزز تكوين الغيوم المنخفض الارتفاع ويزيد من الطلاء الكوكبي، مما يؤدي إلى التبريد، وهذا الافتراض يظل مثيرا للجدل، حيث أن البحوث الملاحظية تنطوي على آثار متفاوتة.

الآفاق التاريخية: الحد الأدنى للذكور والسن الصغير للثلج

والمثال الأكثر تكراراً على الترابط بين شروق الشمس والزهور هو الحد الأدنى للبندر (1645-1715)، وهو فترة تقارب فيها أعداد البقعة الشمسية صفراً لمدة سبعة عقود، ويتزامن ذلك مع الجزء الأبرد من العصر الجليدي الصغير (حوالي 1300-1850)، ولا سيما في أوروبا وأمريكا الشمالية، ويبدو أن الأنهار التي لم تجمد - مثل المثليين في لندن - فروزيلا بانتظام، والألب.

وتظهر عمليات إعادة إعمار الكواكب الشحيحة أن العصر الجليدي الصغير كان حدثا عالميا، وليس مجرد ظاهرة أوروبية، وأسبابها كانت متعددة: فقد كانت ثورات بركانية (التي تُحدث كسوراً في الغلاف الجوي) قد تكون أحدث ناتجاً عن انخفاض في الناتج الشمسي وتغيرات في تداول المحيطات (مثل تباطؤ في التداول عبر المحيط)().

أما المصغرة الشمسية الأخرى مثل " سبيور " (1460-1550) و " دالتون " ، فهي تتوافق أيضا مع فترات التبريد في أوروبا وآسيا، وإن كانت تقل فيها درجة الحرارة الدرامية، وتستمر هذه الأحداث في توفير المختبرات الطبيعية لاختبار نماذج المناخ مقابل البيانات البديلة، بما في ذلك حلقات الأشجار، والنواقص الجليدية، والسجلات التاريخية لعدات البقع الشمسية.

Sunspots in Context: Natural vs. Anthropogenic Forcing

وفي حين أن البؤر الشمسية والتقلبات الشمسية قد أثرت بشكل لا يمكن إنكاره على المناخ على النطاقات الزمنية التي تدوم سنين، فإن مساهمتها في الاحترار السريع الذي لوحظ منذ منتصف القرن العشرين لا يذكر، وتؤكد خطوط الأدلة المتعددة أن الشمس لا يمكن أن تشكل الاحترار الأخير:

  • ولم تظهر قياسات الإشعاع الشمسي من السواتل منذ عام 1978 اتجاهاً تصاعدياً طويل الأجل يمكن أن يفسر ارتفاع درجة الحرارة العالمية الملحوظة منذ عام 1880، وفي الواقع، منذ السبعينات، كانت الشمس تمر بفترة نشاط مرتفع نسبياً، يليه انخفاض طفيف، في حين استمرت درجات الحرارة العالمية في الارتفاع.
  • ولا تستنسخ نماذج المناخ التي لا تشمل سوى الحرق الشمسي والبركاني نمط الاحترار الملاحظ خلال السنوات الخمسين الماضية، إلا عندما تدرج غازات الدفيئة البشرية المنشأ والهيروسولات في عمليات المحاكاة المتطابقة.
  • إن التبريد الجوي العلوي (الستراتوسفير) هو بصمة من دفء غازات الدفيئة، وليس إجبار الشمس، وإذا كانت الشمس مسؤولة، فإن طبقة الستراتوسفير ستدفئ، ولكنها في الواقع تبرد.

وهذا لا يعني أن البحوث المتعلقة بحجم الشمس لا صلة لها بالسياسة المناخية، ففهم الضغط الشمسي يساعد على تحسين نماذج المناخ ويقلل من عدم اليقين في توزيع التغيرات المناخية السابقة، ويمكن لصانعي السياسات، بفصل التباينات الطبيعية عن تلك التي يتسبب فيها الإنسان، اتخاذ قرارات أكثر استنارة بشأن استراتيجيات التخفيف، فعلى سبيل المثال، ذكرت بعض المواهب المناخية أنه كان ينبغي أن يكون الحد الأدنى للطاقة الشمسية (2008-2010) قد تسبب في تهدئة، غير أن السجلات تبين أن كل عقد من العقود الثلاثة الأخيرة.

Regional Climate Impacts and Sunspot Patterns

وعلى الرغم من أن تأثير الحرارة العالمية في الدورات الشمسية ضئيل، فإن التأثيرات الإقليمية يمكن أن تكون أكثر وضوحا، وتشير الدراسات إلى أن التذبذب الشمالي في شمال الأطلسي يميل، خلال فترة الذروة الشمسية، إلى التحول نحو مرحلة أكثر إيجابية، مما يجعل الشتاء المبتسم في شمال أوروبا والبرد، وشتاءات أكثر جفافا في جنوب أوروبا، وعلى العكس من ذلك، ترتبط الأمة الشمسية الصغيرة بجهاز جديد أكثر سلبية، مما يساعد على تهيئة الظروف الباردة في شمال أوروبا ومنطقة البحر الأبيض المتوسط.

وبالمثل، قد يؤثر الإكراه الشمسي على الريح الهندي، حيث تظهر بعض عمليات إعادة البناء زيادة سقوط الأمطار خلال فترات النشاط الشمسي المرتفع وحالات الجفاف خلال فترة طويلة من الحد الأدنى للطاقة الشمسية، وقد وجد تحليل عام 2019 نشر في رسائل البحوث الجيوفيزيائية حلقة هامة إحصائيا بين الدورة الشمسية والقوة الموسمية على مدى الألفية الأخيرة، وإن كان الأثر أقل من تأثير الإرتفاعات البركانية.

وهذه الاتصالات الإقليمية عن بعد توسطها مسارات الغلاف الجوي العلوي: فالتغيرات فوق البنفسجية تغير تركيزات الأوزون، التي تعدل قوة وموقع دوامة القطب والطائرة الهالكة دون المدارية، وتنتج عن ذلك تغيير مسارات العواصف والأنماط المتأصلة التي يمكن اكتشافها في سجلات التداول والتنبؤات الطويلة الأجل التي تنجم عن تغيرات في آسيا.

الرصد والنماذج الحديثة للنشاط الشمسي

اليوم، لدى الباحثين ترسانة من الأدوات لرصد البقع الشمسية والتقلب الشمسي بدقة غير مسبوقة، ويضم المرصد الشمسي والغلافي الشمسية، ومرصد الديناميك الشمسي، ونظام المدار الشمسي، ملاحظات مستمرة ومتعددة الأطياف بشأن البقع الشمسية، والمجالات المغناطيسية، والأشعة.

وتعيد السجلات الافتراضية تسجيل مسافات الشمس إلى آلاف السنين باستخدام النظائر المسببة للثدييات مثل الكربون 14 والبيريليوم-10، التي تنتج في الغلاف الجوي للأرض بواسطة الأشعة الكونية وتُحوَّل بواسطة النشاط المغنطيسية الشمسية، وتتيح هذه النظائر إعادة بناء مستويات الارتحال الشمسي خلال حقول ما قبل التليف، مما يتيح سياقا أطول لتقييم مدى وجود أو الحد الأدنى من الأحداث مثل ما قبل الآلام.

أما نماذج المناخ (نماذج التداول العام التي تحتوي على كيميائيات تفاعلية) فتشمل الآن الحرق الشمسي الواقعي، مما يسمح للباحثين باختبار المساهمات النسبية للشمس مقابل الحرق بالغاز البركاني مقابل غازات الدفيئة، ونتيجة لذلك تكون صورة أكثر دقة: فالتركيب الشمسي الذي تحركه البقعة هو عامل طبيعي ثانوي، ولكن يجب أن يُحسب عند تقييم استجابة النظام المناخي إلى الاضطرابات الخارجية - وخاصة في فترة الاضطرابات.

توجيهات البحوث المستقبلية والمسائل المفتوحة

وعلى الرغم من عقود الدراسة، لا تزال عدة مسائل رئيسية دون رد:

  • Why do grand solar minima occur? The Maunder Minimum was not unique, but the mechanism that causes the Sun to enter an extended period of low activity is not fully understood. Current solar dynamo models cannot yet reliably predict when the next grand minimum will occur or how long it might last.
  • How large is the regional impact of solar forcing? although global signal is small, models disagree on the strength of regional responses. Improve the representation of the stratospheric pathway and cloud feedbacks is a priority.
  • Can solar forcing affect ocean heat uptake? Some studies suggest that solar minima may increase ocean heat storage in the deep ocean, leading to a delayed climate response. This could have implications for multi-decadal variability and for detecting anthropogenic warming.
  • ] What is the role of solar energetic particles?[ In addition to total irradiance, the Sun’s particle output (solar energetic particles, solar wind) can affect atmospheric chemistry, particularly in the polar regions, these effects are not yet included in most climate models.

وسيتطلب الرد على هذه الأسئلة مواصلة رصد مناخ الشمس والأرض، فضلا عن زيادة إدماج البيانات غير المستقرة بالنماذج المتقدمة، وتنسق التعاون الدولي مثل عمليات SPARC (عمليات الغلاف الجوي والمحيط الحيوي ودورها في المناخ) والبرنامج العالمي لبحوث المناخ الجهود الرامية إلى الحد من أوجه عدم اليقين في الضغط الشمسي وآثاره المناخية.

Implications for Climate Policy and Public Understanding

إن الفهم الدقيق لبقع الشمس وتقلب المناخ له آثار عملية، إذ يجب على واضعي السياسات أن يدركوا أن العوامل الطبيعية - بما فيها تقلب الشمس - سوف تستمر في تغيير المناخ على نطاق زمني مدمر، ولكنها لا تضعف الأدلة الساحقة على الاحترار البشري، بل إن الاعتراف بالدور الشمسي يمكن أن يعزز الحججج المتعلقة بالسياسات: فعندما نحسب العوامل الطبيعية، لا يمكن تفسير الاحترار المتبقي إلا بالأنشطة البشرية.

وعلاوة على ذلك، يمكن للتنبؤات الموسمية التي تُحدث في مجال الكوارث والتي تفيد بأن الإكراه الشمسي يمكن أن يفيد قطاعات مثل الزراعة وإدارة المياه وتخطيط الطاقة، وعلى سبيل المثال، إذا كان من المتوقع أن يؤثر الحد الأدنى للطاقة الشمسية على احتمال حدوث شتاء أوروبي بارد، فإن مرافق الطاقة يمكن أن تتوقّع على نحو أفضل الطلب، وهذه التطبيقات تؤكد أهمية البحوث الشمسية الأساسية في التكيف العملي مع المناخ.

وينبغي أن يؤكد الاتصال العام أن البقع الشمسية ليست تفسيراً بديلاً لتغير المناخ الحديث، بل هي قطعة من اللغز المعقد الذي يواصل العلماء جمعه، والتفاعل بين التباينات الشمسية، والانفجارات البركانية، ودورات المحيطات، والانبعاثات البشرية ينتج المناخ الذي نمر به، ففصل هذه الإشارات هو علامة بارزة على وجود علوم مناخية قوية.

خاتمة

إن البؤر الشمسية أكثر بكثير من الفضول على سطح الشمس، وهي مؤشرات لدورة مغناطيسية تؤثر تأثيراً طفيفاً على مناخ الأرض، وذلك أساساً من خلال التغيرات في الإشعاع فوق البنفسجي الشمسي والمسار الجوي العلوي، وتزيد الأدلة التاريخية من حجم سعة الشمس إلى فترات أكثر برودة مثل العصر الجليدي الصغير، ولكن حجم النماذج الشمسية لتأثيرات الاحتباس الحراري يقارن مع تأثيرات السواتل.

وفي حين أن دور البؤر الشمسية في تقلب المناخ هو حقيقة علمية ثابتة، فهو أيضا مجال تحقيق مستمر، حيث أن طول سجلات المراقبة والنماذج يصبح أكثر شمولا، فإن فهمنا سيعمق، فالنتيجة واضحة الآن: مسألة البؤر الشمسية، ولكنها ليست المحرك الرئيسي لتغير المناخ الذي نشهده اليوم، وهذا الاعتراف أساسي للسياسة المستنيرة ولاستمرار الدعم في البحث الشمسي والمناخي.