دانشعلمی

چرا پیش بینی شراره های خورشید اهمیت دارد ؟

عنوانی که شاید بارها با آن مواجه شده اید! شراره ! شراره‌ها چه هستند؟! در کجا و چگونه بوجود می‌آیند؟ آیا برای ما خطری دارند؟ چرا پیش‌بینی شراره های خورشید اهمیت دارد؟ چطور می‌توان زمان رخداد آن‌ها را پیش‌بینی کرد؟

با ما همراه باشید تا به پاسخ این سوالات بپردازیم.

خارق‌العاده‌ترین پدیده‌هایی که در جو خورشید با انفجار‌های ناگهانی رخ می‌دهند، شراره نام دارند. رخدادهای زیبا، درخشان و پرانرژی خورشیدی که ذرات و امواج مضر را به فضا می‌فرستند ( دیدن شراره‌ها به دلیل درخشان بودن سطح خورشید با چشم غیر مسلح مشکل است). این پدیده‌ها در مناطق فعال خورشیدی رخ می‌دهند. یک منطقه فعال٢، ناحیه‌ای در جو خورشید است با پیکربندی پیچیده که میدان مغناطیسی در آن نواحی متمرکز است. مناطق فعال بطور معمول در بالای لکه های خورشیدی٣ مشاهده می‌شوند و منبع اصلی رویدادهای انفجاری خورشید هستند.


طول‌موج‌ شراره های خورشیدی

تشعشعات ایجاد شده توسط شراره‌ها از طول‌موج‌های رادیویی تا اشعه گاما است. بالاترین مقدار انتشار در تابش‌های الکترومغناطیسی (عمدتا پرتو ایکس) و ذرات پرانرژی خورشیدی (عمدتا پروتون‌های پرانرژی) اتفاق می‌افتد. شراره‌ها از لحاظ قله‌ی شار به کلاس‌های A, B, C, M وX تقسیم می‌شوند. هر کلاس ۱۰ مرتبه قوی‌تر از کلاس قبلی است. هر کلاس به لحاظ نیرو از محدود ۱ تا ۹ است؛ اگرچه، نیروی شراره‌های کلاس X می‌تواند  بالاتر از ۹ باشد . شراره‌های A کوچک‌ترین نوع شراره‌ها و شراره‌های X بزرگ‌ترین و قوی‌ترین آنها هستند. شراره‌ها ممکن است به تنهایی یا همراه با پرتابه‌های جرم تاجی۴ اتفاق بی‌افتند.

شراره‌ها آزادسازی سریع انرژی رادیواکتیو هستند؛ در حالیکه، پرتابه‌های جرم تاجی آزادسازی کندتر جرم (پلاسما) هستند. پرتابه‌ها در پی شراره‌های بزرگ اتفاق می‌افتند. یک پرتابه‌ی جرم تاجی آزادسازی قابل توجهی از پلاسما، همراه با میدان مغناطیسی از تاج خورشید است. آنها اغلب به دنبال شراره‌های خورشیدی رخ میدهند و معمولا در طول یک زبانه‌ی انفجاری۵ حضور دارند.

تاج، خارجی‌ترین لایه‌ی جو خورشید است که تا داخل فضا ادامه دارد. این لایه با چشم غیرمسلح فقط در طول کسوف قابل رؤیت است. این لایه ابر پلاسما با چگالی کم است که نسبت به لایه‌های درونی از شفافیت بالایی برخوردار است. رویداد‌های خورشیدی مانند شراره‌ها و پرتابه‌‌های جرم تاجی در این ناحیه روی می‌دهند.

دمای شراره‌ها

دمای شراره‌ها را می‌توان با مقایسه‌ی انرژی‌های مختلف شارهای نسبی پرتوهای ایکس شراره با یک تخمین بدست آورد. دامنه‌ی دمایی آنها ۵- ٢۵ مگاکلوین است. به‌طور معمول شرار‌ه‌های بزرگ‌تر دماهای بالاتری دارند. بزرگ‌ترین شراره‌ها در سطح خورشید می‌توانند ارتفاعی برابر 10 به توان 9 سانتی‌متر و مساحتی برابر 10 به توان 19  سانتی‌متر مربع داشته باشند. در نتیجه حجم کلی یک شراره بزرگ خورشیدی می‌تواند 10 به توان 29 سانتی‌متر مکعب باشد. برای درک فیزیک شراره‌ها، لازم است مقدار انرژی که در هر رخداد آزاد می‌شود را تعیین کنیم. اگر بخواهیم انرژی کل یک شراره را اندازه‌گیری کنیم باید انرژی ایجاد شده در فوتون‌ها را حساب کنیم. در شراره‌های بزرگ  با پرتوهای ایکس قوی انرژی آشکار شده در فوتون‌ها ١٠ها یا ١٠٠ها کیلوالکترون ولت است. برای درک بهتر انرژی شراره‌ها سوالی که مطرح می‌شود این است؛ آیا روی زمین چیزی وجود دارد تا بتوان از لحاظ آزادسازی انرژی آن را با شراره‌های خورشیدی مقایسه کرد؟

در یک انفجار ناگهانی که سرعت آزادسازی برابر یک مگاتن تی ان تی است انرژی آزاد شده برابر   10به توان 22*4  إرگ ( 10 به توان منقی 7 ژول) است. هر نانو شراره در خورشید مانند انفجار ۲٫۵ مگاتن تی ان تی است.  عملکرد واقعی بمب تزار (قوی‌ترین بمب اتمی آزمایش شده تاکنون) ۵۰ مگاتن بوده است. امواج حاصل از انفجار آن۳ بار دور زمین را طی کردند. موجودات زنده تا شعاع ۱۰۰ کیلومتری تبدیل به بخار شدند.

شراره های خورشید

تشعشعات حاصل از رخداد شراره‌ها تنها ۸ دقیقه بعد به زمین می‌رسند (اگر در راستای زمین رخ دهند). از اثرات این رویدادها می‌توان به ایجاد اختلال در تاسیسات برق، سیستم‌های رادیویی، ماهواره‌ها و… آسیب به فضانوردان اشاره کرد. طوفان خورشیدی ۱۸۵۹ (به‌عنوان رویداد کارینگتون شناخته شده است) یکی از قدرتمندترین طوفان‌های ژئومغناطیسی بود. این طوفان باعث نمایش شفق‌های قوی و ایجاد ویرانی در سیستم‌های تلگراف شد. این فعالیت‌های شدید بر روی سلامت ذهنی و جسمانی انسان‌ها تاثیر می‌گذارند.

وقوع شراره‌های خورشیدی وابستگی زیادی به ساختار و ریخت‌شناسی میدان‌های مغناطیسی خورشیدی دارد بدین منظور مطالعه میدان مغناطیسی جو خورشید برای درک و پیش‌بینی شراره‌ها اهمیت دارد.

دانش و اطلاعات ما درباره‌ی پدیده‌های خورشید با مشاهدات گزارش شده بوسیله‌‌ی ابزارهایی با تکنولوژی بالا افزایش می‌یابد؛ ابزارهای چون سری ماهواره‌ی عملیاتی زیست محیطی زمین ایستا (گووز)۵، رصدخانه‌ی خورشیدی و خورشید کره (سوهو)۶، کاوش‌گر ناحیه‌ی گذار و تاج (تریس)٧، تصویرگر طیف خورشیدی با انرژی بالای رؤون راماتی٨، رصدخانه‌ی روابط زمینی خورشیدی (استریو)٩ و رصدخانه‌ی متحرک خورشیدی (اِس‌دی‌اُ)١٠. اس‌دی‌اٌ اولین مأموریت ناسا برای برنامه‌ی زندگی با یک ستاره است.

اس‌دی‌اُ به‌منظور درک بهتر اثرات خورشید بر روی سطح زمین در طول‌موج‌های مختلف طراحی شده است. اس‌دی‌اٌ چگونگی تولید و سازمان یافتن میدان مغناطیسی و چگونگی انتشار انرژی ذخیره شده‌ی مغناطیسی را تعیین می‌کند. همچنین به ما جهت توسعه توانایی پیش‌بینی تغییرات خورشید و تاثیر آن روی حیات سطح زمین و سامانه‌های فن‌آوری کمک می‌کند. اس‌دی‌اٌ با سه بسته ابزاری به فضا فرستاد شده است:

انجمن تصویربرداری جو (ای‌آی‌ای) ١١

 اندازه‌گیر تغییرپذیر فرابنفش‌دور (ای‌وی‌ای) ١٢

لرزه‌نگار و تصویرساز مغناطیسی (اِچ‌ام‌آی) ١٣

این سه بسته ابزار بصورت شبانه‌روزی و بطور همزمان خورشید را رصد می‌کنند.

تصاویر ثبت شده توسط این بسته‌ها توسط تیم‌های علمی دریافت، پردازش، تجزیه و تحلیل و بایگانی می‌شود.  از آنجایی که تحلیل داده‌های بزرگ خورشیدی از توان بشر خارج است، روش‌های آماری خودکاری توسعه داده شده است،  یادگیری ماشین١۴ یکی از روش‌هاست. برخی از الگوریتم‌های مهم یادگیری ماشین برای پیش‌بینی شراره‌های خورشیدی k- نزدیکترین همسایگی١۵، ماشین بردار پشتیبان١۶، درخت تصمیم١٧ و … هستند. ماشین بردار

پشتیبان در واقع یه طبقه‌بند دودویی است که دو کلاس را با استفاده از یک خط مرزی جدا می‌کند. هدف این نوع الگوریتم جدا کردن نمونه‌های پیچیده در داده‌ها است. شناسایی نمونه‌ها در این نوع طبقه‌بند به مرزهای تصمیمی که دو مجموعه از داده‌ها را از هم جدا می‌کنند، بستگی دارد.

برای درک بهتر فرض کنید تعدادی پرتقال و تعدادی سیب در ظروف جداگانه داشته باشیم و به عنوان داده‌های آموزشی به ماشین یادگیری داده( ماشین لرنینگ) و آموزش دهیم که کلاس مثبت را پرتقال و کلاس منفی را سیب در نظر بگیرد. برای داده‌های آزمون  اگر یکی از دو میوه را به ماشین بدهیم، ماشین به راحتی اگر میوه سیب باشد در کلاس منفی و اگر پرتقال باشد‌ در کلاس مثبت قرار می‌دهد.

اما سوالی که مطرح است این است که چطور ماشین می‌تواند این الگوها را تشخیص دهد؟

تشخیص الگوها و شناسایی اشیاء در تصاویر دیجیتال بطور گسترده‌ای در مطالعات اخیر استفاده شده است: مانند بینایی ربات، پزشکی، فیزیک خورشید و …

از یک تصویر می‌توان مقادیر زیادی اطلاعات استخراج کرد. گشتاورهای تصویر کمیت‌های مفیدی برای توصیف تصاویر هستند. گشتاور تصویر یک کمیت نرده‌ای و نشان‌دهنده‌ی ویژگی‌های یک تابع است. این گشتاورها کاربردهای فراوانی در بررسی و تحلیل تصاویر، دسته‌بندی و بازسازی تصاویر دارند.گشتاور زرنیک یکی از انواع گشتاورهای تصویر است. از ویژگی‌های این گشتاور می‌توان به ناوردایی (تغییرناپذیر) تحت چرخش، دقت بالا در بازسازی تصاویر و حساسیت کم به نوفه١٨ اشاره کرد.

همانطور که گفته شد، میدان‌های مغناطیسی نقش مهمی در رویدادهای جو خورشید ایفا می‌کنند. پس مطالعه میدان مغناطیسی برای پیش‌بینی رخداد یک شراره حائز اهمیت است. تصایر ثبت شده بوسیله‌ی رصدخانه‌ی دینامیک خورشیدی توسط پژوهشگران مورد بررسی قرار می‌گیرد. پس از دریافت تصاویر (تصاویر لحظه‌ای از خورشید در طول‌موج‌های مختلف در این سایت  قابل دسترس است) پردازش‌های مورد نیاز بر روی داده‌ها اعمال می‌شود، از جمله: برش منطقه‌ی فعال مورد نظر (هر منطقه‌ی فعال با شماره‌ی اختصاصی سازمان اقیانوسی و جوی ملی (اِن‌اُای‌ای)١٩ نام‌گذاری شده است) ، محاسبه‌ی گشتاورهای زرنیک، بازسازی تصویر و …

خروجی نهایی تصاویر برای آموزش و آزمون به دو کلاس تقسیم می‌شود: کلاس مثبت، کلاس منفی.

کلاس مثبت متعلق به آن دسته از مناطق فعالی است که در بازه‌ی حیات خود حداقل یک شراره در آن مناطق رخ داده باشد (فلر٢٠). کلاس منفی متعلق به آن دسته از مناطق فعالی است که در بازه‌ی حیات خود هیچ شراره‌ای  در آن مناطق رخ نداده باشد (نانفلر٢١).

برای دسته‌ی آموزشی، تصاویر مناطق فعال بصورت روزانه از زمان ورود منطقه فعال به عرض جغرافیایی مورد نظر تا لحظه شراره‌زنی جمع‌آوری و مورد پردازش قرار می‌گیرد. به عبارتی رفتار میدان مغناطیسی مناطق فعال بررسی می‌شود تا ماشین بتواند با دیدن اولین تصویر از یک منطقه فعال رخداد یک شراره را پیش‌بینی کند.

 پیش‌بینی رخداد شراره‌ها از موضوعات داغ مورد مطالعه‌ی خورشید پیشگان است. بررسی‌ها و مطالعات محققان تا قبل از سال ۲۰۱۹ میلادی زمان رخداد شراره‌ها را ظرف ۴۸ ساعت قبل از وقوع شراره نشان می‌داد. خوشبختانه محققان خوب کشورمان با درصد خوبی بازه‌ی این رخداد را به ۱۰ روز قبل از رخداد افزایش داده‌اند.

برای کسب اطلاعات بیشتر به آدرس زیر مراجعه کنید….
https://www.researchgate.net/publication


٢٠ Flare

٢١ Nonflare

et

١ Flare

۴ Corona mass ejection

۵ Prominence eruption

٢ Active region

۵ Geosynchronous Operational Environmental Satellite series (GOES)

۶ Solar and Heliospheric Observatory (SOHO)

٧ Transition Region And Coronal Explorer (TRACE)

٨ Reuven Ramaty High-Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI)

٩ Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO)

١٠Solar Dynamics Observatory (SDO )

١١ Atmospheric Imaging Assembly (AIA)

١٢ EUV Variability Experiment (EVE)

١٣ Helioseismic and Magnetic Imager (HMI)

١۴ Machine Learning

١۵ K-Nearest Neighbors

١۶ Support Vector Machine

١٧ Decision trees

١٨ Noise

١٩ National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)

برچسب ها

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Solve : *
27 − 24 =


دکمه بازگشت به بالا
بستن
بستن