نيروهاي لورنتس که موجب انحراف مسير الکترونها در ميدان هاي مغناطيسي مي شود در بسياري از پديده هاي طبيعي تجلي مي يابند و فقط با ياري گرفتن از اين نيروها توضيح آنها ممکن است. يکي از تماشايي ترين و با شکوهترين پديده ها از اين نوع شفق قطبي است .
آسمان تابان مي شود و نقش هايي با رنگها و شکل هاي گوناگون ديده مي شود. گاهي داراي شکل کمان يکنواخت ، ساکن يا تپنده است و گاهي عبارت است از شمار زيادي پرتو با طول موج هاي متفاوت ، که مانند پرده ها و نوارها بازي مي کنند و پيچ و تاب مي خورند. رنگ تاباني از سبز مايل به زرد به سرخ و بنفش مايل به خاکستري تغيير مي کند. طبيعت و منشا شفق هاي قطبي زمان درازي به کلي پوشيده مانده بود. تا اينکه به تازگي براي اين راز توضيح رضايت بخشي پيدا شد.
ارتفاع شفق هاي قطبي:
قبل از همه , دانشمندان موفق شدند ارتفاعي را که شفق هاي قطبي ظاهر مي شوند، تعيين کنند. به اين منظور از يک تاباني از دو نقطه به فاصله چند ده کيلومتر از يکديگر عکس گرفتند. به کمک چنين عکس هايي ثابت کردند که شفق هاي قطبي در ارتفاع 80 تا 100 کيلومتري بالاي زمين (بيشتر اوقات در ارتفاع 100 کيلومتر) ظاهر مي شوند. به اين ترتيب دريافتند که شفق هاي قطبي تاباني گازهاي رقيق موجود در جو زمين هستند، که تا اندازه اي به تاباني در لامپ هاي تخليه گاز شبيه مي باشند.
.jpg)
دوره تناوب ظهور شفق هاي قطبي:
رابطه جالب بين شفق هاي قطبي و پديده هاي ديگر روشن است. شفق هاي قطبي با دوره هاي متفاوت مشاهده مي شوند. اختلاف دوره هاي شفق قطبي بعضي اوقات به چندين سال مي رسد. مشاهدات چندين ساله آشکار ساخته اند که دوره هاي زيادي ماکزيمم شفق هاي قطبي به طور مرتب در 11.5 سال تکرار مي شوند . در طول اين مدت ، شماره شفق هاي قطبي نخست سال به سال کاهش مي يابد و سپس شروع مي کند به زياد شدن تا مقدار آن در 11.5 سال از نو به ماکزيمم مي رسد.
ساير پديده هاي زيباي جوي:
مشاهده سطح خورشيد ، از خيلي پيش ، وجود لکه هاي تار و نامنظمي را روي قرص آن آشکار ساخته اند که اغلب شکل و جايشان عوض مي شود، معلوم شده است که تعداد و مساحت کل اين لکه ها از سالي به سال ديگر ، نه به طور کاتوره اي بلکه با همان دوره 11.5 سال , تغيير مي کنند . در اين فرايند , ماکزيمم لکه هاي خورشيدي ، يا فعاليت خورشيدي ماکزيمم ، همزمان با شفق قطبي ماکزيمم عارض مي شوند و نابودي آنها نيز با هم هماهنگ مي باشد.
تعداد توفان هاي مغناطيسي به ماکزيمم خود مي رسد. در سالهاي اخير رابطه مشابهي بين فعاليت خورشيدي (تعداد لکه هاي خورشيدي) و شرايط انتشار امواج راديويي در لايه هاي بالاي جو اثبات شده است. بنابراين مساله ، علاوه بر معناي نظري محض ، اهميت عملي نيز پيدا کرده است.
فرضيه بيرکلند در مورد لکه هاي خورشيدي:
بيرکلند (B.Birkeland ) دانشمند نروژي با مقايسه نتايج اخير اين فرضيه را مطرح کرد که لکه هاي خورشيدي ناحيه هايي هستند که آنها باريکه هاي ذرات باردار (الکترونها) به داخل فضاي اطراف گسيل مي شوند. اين ذرات با رسيدن به لايه هاي بالاي جو زمين ، از طريق برخوردهاي الکترون در اين لايه ها ، مشابه تخليه گاز در لوله ، گازها را به تاباني وا مي دارند. اين الکترون ها همچنين روي ميدان مغناطيسي زمين و شرايط انفجار امواج راديويي مجاور زمين اثر مي گذارند.
يک پرسش و يک پاسخ:
اگر نظريه بيرکلند درست باشد، چرا شفق هاي قطبي در عرض هاي بالا ، يعني در نواحي نزديک به قطب ها مشاهده مي شوند؟ در صورتيکه مي دانيم پرتوهاي خورشيد تمام سطح زمين را روشن مي کنند. پاسخ اين پرسش را استرمر (Stermer) ، دانشمند نروژي ديگر پيدا کرد. ذرات باردار گسيل شده از خورشيد به جو زمين مي رسند و به درون ميدان مغناطيسي آن نفوذ مي کنند. در آنجا نيروي لورنتس بر آنها اثر مي کند. و آنها را از مسير اوليه خود منحرف مي سازد.
استرمر محاسبات رياضي پيچيده اي انجام داد و مسير اين الکترون ها را در ميدان مغناطيسي زمين حساب کرد. او نشان داد که ذرات باردار منحرف شده توسط ميدان مغناطيسي زمين ، به يقين فقط به نواحي قطبي کره زمين وارد مي شوند.
.jpg)
کاربرد ويژه نيروي لورنتس:
اين نظريه که در انحراف ذرات باردار در ميدان مغناطيسي زمين نيروي لورنتس را به حساب مي گيرد، با شمار زيادي از نتايج آزمايشگاهي به خوبي همخواني دارد و در حال حاضر پذيرش همگاني يافته است. هر چند به تازگي براي توضيح کمي تمامي اين ديدگاه دشواريهايي بروز کرده است.
جو «زمين»
جو زمين لايه اي از گازها است که که زمين را احاطه کرده اند که اين گازها بوسيله جاذبه زمين نگهداشته شده اند. جو زمين شامل نيتروژن (78.1%) و اکسيژن (20.9%) همراه مقدار کمي از آرگون (0.9%)، دي اکسيد کربن (متغير، ولي حدود 0.035%) ، بخار آب وديگر گازها مي شود. جو زمين موجودات روي زمين را از طريق جذب اشعه فرابنفش خورشيد و کم کردن دماي بالاي بين روز و شب محافظت مي کند.
مرز دقيقي بين لايه هاي جو وجود ندارد ولي جو به سرعت با افزايش ارتفاع رقيق مي شود و هيچ مرز مشخصي بين جو و فضاي خارج از جو وجود ندارد. 75% از جو زمين تا ارتفاع 11 کيلومتر از سطح سياره وجود دارد. در ايالات متحده کساني که به بالاي 50 مايل (80 کيلومتر) سفر کنند فضانورد شناخته مي شوند. ارتفاع 400000 پا (75 مايل يا 120 کيلومتر) جايي است که تاثير قابل توجهي هنگام ورود به آن مي گذارد.همچنين ارتفاع 100 کيلومتري يا 62 مايلي به عنوان مرز بين اتمسفر و فضا به طور مکرر استفاده مي شود.
.jpg)
دما و لايه هاي جوي
دماي جو زمين همراه با ارتفاع تغيير مي کند؛ رابطه رياضي بين دما وارتفاع مابين لايه هاي مختلف جومتغير است:
*تراپوسفر- 0- 17/7 کيلومتر، دما با افزايش ارتفاع کم مي شود.
*استراتوسفر- 17/7 -50 کيلومتر، دما با افزايش ارتفاع زياد مي شود.
*مزوسفر- 50 – 85/80 کيلومتر، دما با افزايش ارتفاع کم مي شود.
*ترموسفر- 85/80 - +640 کيلومتر دما با افزايش ارتفاع زياد مي شود.
اگزوسفر
مرزهاي بين اين مناطق تروپوپوز، استراتوپوز و مزوپوز نامگذاري شده اند.
ميانگين دماي جو در سطح زمين 14 درجه سانتي گراد است.
فشار
فشار جو نتيجه مستقيمي از وزن هواست. اين به اين معني است که به همراه مکان و زمان تغيير مي کند چون مقدار (و وزن) هواي بالاي زمين به همراه مکان و زمان تغيير مي کند. فشار جوي در اتفاع حدود 5 کيلومتري تقريبا به اندازه 50% سقوط مي کند. ميانگين فشار جو در سطح دريا حدود 101.3 کيلو پاسکال است.(حدود 14.7 پوند بر اينچ مربع)
جرم و جرم حجمي
جرم حجمي هوا در سطح دريا حدود 1.2 کيلو گرم بر متر مکعب است. اين جرم حجمي با افزايش ارتفاع کم و به همين صورت فشار آن کاهش مي يابد. مجموع جرم جو زمين در حدود 5.1 × 1018 کيلوگرم است که بخش بسيار ناچيزي از کل جرم زمين را تشکيل مي دهد.جرم حجمي فشار جو زمين با افزايش ارتفاع تغيير مي کنند. اين تغيير تقريبا مي تواند نمونه کاربردي Barometric formula باشد.
منبع: http://www.daneshju.ir/خ