فيزياء البقع الشمسية: أكثر من بلوميشات السطح

إن البقع الشمسية هي سمات عابرة في نصف الشمس تبدو كبقع مظلمة وغير نظامية، وظلامها هو وهى 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(.

وتتكون منطقة شروق متطورة بالكامل من جزأين: مركز الظلام [(FLT:0]umbra) والولاعة والنسيج الإبنومبرا المحيط بها، وتتراوح البقع الشمسية من بضع مئات من الكيلومترات إلى عشرات المرات التي يقطع فيها قطر الأرض، وهي لا تدوم من ساعات فردية إلى أخرى؛

إن فهم البقع الشمسية ليس مجرد عملية في الفيزياء الشمسية، لأنها أكثر العلامات وضوحا للنشاط المغنطيسي الشمسي، فإن تواترها وتوزيعها يوفران سجلا مباشرا للتغيرات في إنتاج الطاقة في الشمس، حيث يمكن أن يكون للتكاثر الكلي للأشعة الشمسية - كميدي الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى قمة الغلاف الجوي للأرض حوالي ١,٠ في المائة على الدورة الشمسية، ولكن التذبذبات المناخية الصغيرة قد تحدث على مر السنين.

وتعود مشاهدات بؤر 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 المغناطيسية، وتغذي البيانات في نماذج تساعد العلماء على تبديد التأثير الشمسي من العوامل الأخرى التي تؤثر على المناخ.

"السيّارة الشمسية 11 سنة" "ورحلاتها"

ولا تظهر البقع الشمسية عشوائيا، فهي تتبع دورة جيدة التصنيع - 11 سنة، تحددها لأول مرة في منتصف القرن التاسع عشر الذئب الفلكي السويسري، وتقودها دورة الديمونو المغناطيسية في الشمس، حيث أن التناوب بين الشمس والفرق (الحد في خط الاستواء من القطبين) يتحول في نهاية المطاف إلى خطوط شمس مغناطيسية.

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: ] 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).

إن الانتقال بين الأكسيما والمترنة ليس سلسا؛ فالدورات تختلف باختلاف الكم، فعلى سبيل المثال، كانت الدورة ٢٤ )2008-2019( ضعيفة بشكل ملحوظ، حيث بلغ عدد الوصلات الشمسية نحو نصف الدورة الحادية والعشرين )١٩٧٦-١٩٨٦( ومن المتوقع أن تكون الدورة ٢٥ الحالية متواضعة أيضا، وإن كانت التنبؤات لا تزال غير مؤكدة، وهذا التباين الجوهري هو ما يجعل من ربط النشاط الذي يكتنف الأرض بالمناخ.

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. The overall increase over a solar cycle is

أعلى درجة ضد طريقات 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 tropical circulationsSTmo.

وبالإضافة إلى ذلك، يقترح بعض الباحثين أن يؤثر النشاط الشمسي على الغطاء السحابي عن طريق تغيير الأشعة الكونية، والفكرة هي أن عدد البؤر الشمسية الأقل (الميدان المغنطيسي بالطاقة الشمسية) يتيح إمكانية وصول أشعة الكونية إلى الأرض، مما قد يعزز تكوين الغيوم المنخفض الارتفاع ويزيد من الطلاء الكواكبي، مما يؤدي إلى التبريد، وهذا الافتراض لا يزال مثيرا للجدل، حيث أن الأدلة المراقبة هي آثار متفاوتة والميكروفية.

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 نادراً ما تتجمد مثل ثامين في لندن - فروسيلا، وألما.

وتظهر عمليات إعادة إعمار الكتل الجليدية العديدة أن العصر الجليدي الصغير كان حدثاً عالمياً، وليس مجرد ظاهرة أوروبية، وأسبابها كانت متعددة: فقد كانت ثورات بركانية (التي تُحدث هباءاً من الكبريتات في الغلاف الجوي)، وتقلل من الإنتاج الشمسي، والتغيرات في تداول المحيطات (مثل تباطؤ التداول عبر المحيط الأطلسي)().

وتقابل أيضاً مصغرة أخرى من الطاقة الشمسية مثل " سبيور " (1460-1550) و " دالتون " ، فترات مبردة 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 تُستنسخ نماذج المناخ التي لا تشمل سوى الحرق الشمسي والبركاني نمط الاحترار الملاحظ في السنوات الخمسين الماضية، إلا عندما تُدرج 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 بالسياسات المتعلقة بالمناخ، 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، أن يتخذوا قرارات أكثر استنارة بشأن استراتيجيات التخفيف، فعلى سبيل المثال، دفع بعض المواهب المناخية بأن الحد الأدنى للطاقة الشمسية (2008-2010) كان ينبغي أن يتسبب في تبرد، ومع ذلك، أكثر من السجلات التي 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 ناوسفيري جديد أكثر سلبية، مما يُفضِّل ظروف الشتاء الباردة في شمالي أوروبا والبحر الأبيض المتوسط.

وبالمثل، قد يؤثر الإكراه الشمسي على الريح الهندي، حيث تظهر بعض عمليات إعادة البناء زيادة سقوط الأمطار خلال فترات النشاط الشمسي المرتفع والجفاف خلال فترة طول صغر حجم الشمس، وقد وجد تحليل عام 2019 نشر في رسائل البحوث الجيوفيزيائية حلقة وصل هامة من الناحية الإحصائية بين الدورة الشمسية والقوة الموسمية على مدى الألفية الأخيرة، وإن كان الأثر أقل من تأثير الإرتفاعات البركانية.

وتتم الوساطة في هذه الاتصالات عن بعد على الصعيد الإقليمي من خلال المسارات التي تفصل بين الغلاف الجوي العلوي: فالتغيرات التي تحدث فوق البنفسجية تغير تركيزات الأوزون، التي تعدل قوة وموقع دوامة القطب والطائرة الهرطية شبه المدارية، وتنتج عن ذلك تغيير مسارات العواصف والأنماط المتأصلة التي يمكن، رغم تواضعها، اكتشافها في سجلات التداول والتنبؤات الطويلة الأجل.

الرصد والنماذج الحديثة للنشاط الشمسي

اليوم، لدى الباحثين ترسانة من الأدوات لرصد بؤر الشمس والتقلب الشمسي بدقة غير مسبوقة، ويضم المرصد الشمسي والغلافي الهيليوسفيري، ومرصد الديناميات الشمسية، ونظام المدار الشمسي، ملاحظات مستمرة متعددة الأطياف عن البقع الشمسية، والميادين المغناطيسية، والأشعة.

وتعيد السجلات الفاسدة تسجيل مضيق الشمس إلى آلاف السنين باستخدام النظائر المسببة للثدييات مثل الكربون 14 والبيريليوم-10، التي تنتج في الغلاف الجوي للأرض بواسطة الأشعة الكونية وتُعدل بواسطة النشاط المغنطيسية الشمسية، وتسمح هذه النظائر بتعمير مستويات الارتحال الشمسي خلال حقول ما قبل التليف، مما يعطي سياقا أطول لتقييم مدى وجود أو الحد الأدنى من تواتر الأحداث مثل ما قبل الآلة.

أما نماذج المناخ (نماذج التداول العام التي تحتوي على كيميائيات تفاعلية) فتشمل الآن الحرق الشمسي الواقعي، مما يتيح للباحثين اختبار 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 فترات الارتداد.

توجيهات البحوث المستقبلية والمسائل المفتوحة

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

  • 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 المخففة ذات النماذج المتقدمة، وتنسق التعاون الدولي مثل عمليات SPARC (العمليات الخاصة بالأوساخ والمحيطات الأرضية والمحيطات الأرضية) ودورها في المناخ) والبرنامج العالمي لبحوث المناخ الجهود الرامية إلى الحد من أوجه عدم التيقن 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 في ذلك التقلب الشمسي - سوف تستمر في تغيير المناخ على النطاقات الزمنية للإبادة، ولكنهم لا يضعفون الأدلة الساحقة على الاحترار البشري، بل إن الاعتراف بالدور الشمسي يمكن أن يعزز الحججج السياسية: 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 أن الإكراه الشمسي يمكن أن يفيد قطاعات مثل الزراعة، وإدارة المياه، وتخطيط الطاقة، مثلاً، 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 بؤر الشمس 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 في علوم المناخ القوية.

خاتمة

إن البؤر الشمسية أكثر بكثير من الفضول على سطح الشمس، وهي مؤشرات لدورة مغناطيسية تؤثر تأثيراً خفياً على مناخ الأرض، وذلك أساساً من خلال التغيرات في الإشعاع فوق البنفسجي الشمسي والمسار الذي يمتد من أعلى إلى نصف الغلاف الجوي، وتزيد الأدلة التاريخية من سعة صغر حجم الشمس إلى فترات التبريد مثل العصر الجليدي الصغير، ولكن حجم النماذج الشمسية لتأثيرات الاحتباس الحراري ضئيلة.

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.