كانت قياسات معدلات الكترون نيترينو لسنوات والمحددة على الأرض اقل بما بين ثلث إلى نصف الكمية المتوقعة حسب النموذج الشمسي القياسي. عنونت هذه النتجة الشاذة باسم مشكلة نيوترينو الشمس. أٌقترح لحل هذه المشكلة إما تخفيض درجة حرارة داخل الشمس لشرح التدفق المنخفض للنيوترينو، أو أُقترح أنه يمكن للالكترون نيترينو أن يتذبذب، ويتحول لجسيمات غير محددة هي تاو نيترينو وميوون نيترينو أثناء سفره من الشمس إلى الأرض.[108] بنيت عدة مراصد لقياس معدلات النيوتيرنو الشمسي بدأً من عام 1980،[109] وأظهرت هذه المراقبة بأن الإلكترون نيترينو لديه كتلة صغيرة بالإضافة إلى تذبذبه.[110][111] نجح مرصد سودبوري للنيوترينو في سنة 2001 في تحديد ثلاث أنواع من النيوترينو، ووجد بعد هذا أن الانبعاث الشمسي الكلي للنيوترينو يوافق النموذج القياسي،[109][112] وبعد تحليل احصائي عويص وجد أن نحو 35% من النيوترينوات القادمة من الشمس من نوع نيوترينو الإلكترون. وهذا توافق مع تأثير ميكهيف- سميرنوف- وولفنشتاين الذي وصف تذبذب النيترينو في المادة. حالياً تعتبر أن هذه المشكلة قد حلت.[109]
مسألة تسخين الهالة[عدل]
Crystal Clear app kdict.png مقالة مفصلة: هالة (فضاء)
تبلغ درجة حرارة الغلاف الضوئي حوالي 6000 كلفن، تتموضع هالة الشمس فوق الغلاف الضوئي، وترتفع درجة الحرارة فيها ما بين 1000000 - 2000000 كلفن.[53] ويظهر من درجة الحرارة العالية للهالة بأن تسخن نتيجة شيء آخر غير التسخين المباشر بالحمل الحراي من الغلاف الضوئي.[55]
يعتقد بأن الطاقة اللازمة لتسخين الهالة تأمن الحركة المضطربة لمنطقة الحمل أسفل الغلاف الضوئي، وقد أُقترحت آليتين لشرح تسخين الهالة.[53] الفرضية الأولى دعيت بأمواج التسخين حيث أن الحركة المضطربة لمنطقة الحمل تنتج الأمواج الصوتية وجاذبية والأمواج الهيدروديناميك مغناطيسية.[53] تنتقل هذه الأمواج للأعلى وتتبدد في الهالة، لتودع طاقتها في الغاز المحيط على شكل حرارة.[113] في حين تتمحور الفرضية الثانية حول التسخين المغناطيسين حيث تبنى الطاقة المغناطيسية نتيجة حركة الغلاف الضوئي وتتحرر من خلال إعادة الاتصال المغناطيسي على صورة وهج شمسي كبير وأشكال مشابهه من الوهج لكن بشكل أصغر وبأعداد لاتحصى تدعى بالوهج النانوي.[114]
حالياً، من غير الواضح فيما إذا كانت الأمواج تأثر على آلية التسخين، وجد أن جميع الأمواج باستثناء أمواج إلففين تتبدد أو تنعكس قبل وصولها الهالة.[115] بالإضافة إلى أمواج إلففين لا تتبدد بسهولة في الهالة، لذلك يركز الباحثين باتجاه التسخين المغناطيسي.[53]
خفوت الشمس الوليدة[عدل]
يقترح النموذج النظري لتطور الشمس بأن الشمس قبل 3.8 إلى 2.5 مليار سنة وخلال العصر الأركي كانت تشع 75% من ضيائها مقارنة باليوم. وبمثل هذا النجم الضعيف، فإنه غير قادر على تزويد سطح الأرض بالماء، والحياة لن تستطيع التطور. مع ذلك، فإن السجلات الجيولوجية تدل على أن الأرض ظلت في درجة حرارة ثابتة إلى حد ما طوال تاريخها، وأن الأرض الوليدة كانت أسخن مما هي عليه اليوم. يجمع العلماء بأن الغلاف الجوي للأرض الوليدة حوت كميات أكبر بكثير من الغازات المسببة للاحتباس الحراري (مثل ثاني أكسيد الكربون، والميثان والأمونيا) مما هو موجود اليوم، والذي حصر كمية أكبر من الحرارة لتعويض الكميات القليلة الواصلة إلى الأرض من الطاقة الشمسية.[116]
تاريخ الرصد[عدل]
الفهم القديم[عدل]
Crystal Clear app kdict.png مقالة مفصلة: عبادة الشمس

رع أو "رع-حوراختي" إله رئيسًي في الدين المصري القديم في عصر الأسرة الخامسة، وكان يُرمز إليه بقرص الشمس
وضعت الشمس في العديد من الثقافات موضع التبجيل خلال التاريخ البشري، مثلها مثل باقي الظواهر الطبيعية. كان الفهم البشري للشمس على أنها قرص مشع في السماء، وبوجودها فوق خط الأفق يتشكل النهار، وغيابها يسبب الليل، اعتبرت الشمس في الكثير من حضارات ماقبل التاريخ والحضارت القديمة كإله. كانت عبادة الشمس محور لحضارات شعوب كثيرة مثل الإنكا في أمريكا الجنوبية والأزتيك في المكسيك حالياً. بناءً لهذه العبادات بنيت العديد كم المعابد مركزة على الظواهر الشمسية وانطباعاتها العقلية، على سبيل المثال حجارة ميغاليث والتي تحدد انقلاب الشمس الصيفي والانقلاب الشتوي. وتقع بعض من أبرز الآثار المغليثية في مصر ومالطا وستونهنج في انكلترا. من أشهر المعالم التي تحدد الانقلاب الشتوي هو نيوغرانغ في أيرلندا. كما أن معبد تشيتشن إيتزا في مدينة تشيتشن إيتزا صمم ليلقي الظلال على شكل الثعابين تسلق الهرم في الاعتدالات الربيعي والخريف.
في أواخر الإمبراطورية الرومانية كان يحتفل بمولد الشمس بعيد يعرف باسم سول إنفكتوس (والذي يعيني الشمس التي لاتقهر) بعد وقت قصير من الانقلاب الشتوي خشبية وربما كان سابقة لاحتفالات عيد الميلاد. من حيث النجوم الثابتة تظهر الشمس من الأرض على أنها تدور مرة واحدة في السنة على طول مسير الشمس من خلال دائرة البروج، لذلك اعتبرها علماء الفلك اليوناني أنها واحدة من الكواكب السبعة وسميت أسماء الأسبوع السبعة اعتماداً على ذلك في بعض اللغات.[117][118][119]
تطور الفهم العلمي[عدل]
لاحظ علماء الفلك البابليون في الألفية الأولى قبل الميلاد بأن حركة الشمس لم تكن منتظمة على طول مسار الشمس، على الرغم من أنهم لم يدركوا أسباب ذلك. اليوم عرف بأن الأرض لها مدار إهليلجي حول الشمس، لذلك هي تدور بشكل أسرع عندما تكون قرب الشمس (الحضيض) وبشكل أبطأ عندما تكون بعيدة (الأوج)[120] كان الفيلسوف اليوناني أناكساغوراس من أوائل الناس الذين قدموا تفسيراً علمياً للشمس معرفاً إياها على أنها كرة عملاقة ملتهبة من المعدن أكبر من البيلوبونيز بدلا من عجلة حربية يقودها هيليوس، وعرف القمر بأنه يعكس ضوء الشمس.[121] حكم عليه بالسجن وعقوبة الإعدام من قبل السلطات لتعليمه مادعي بالهرطقة، لكنه حرر بعد أن تدخل بريكليس. قدر إراتوستينس المسافة بين الأرض والشمس في القرن الثالث قبل الميلاد، لكن حتى الآن ما زال هناك اختلاف في صحة ترجمة المسافة التي قدرها. حدد كلاوديوس بطليموس المسافة بين الأرض والشمس بأنها 1210 ضعف من قطر الأرض، وهي تعادل 7.71 مليون كيلومتر (0.0515 وحدة فلكية).[122]
كان أول من وضع نظرية مركزية الشمس ودوران الكواكب حولها كان أرسطرخس الساموسي في القرن الثالث قبل الميلاد، ومن ثم عدلت من قبل سلقوس. وقد تطور هذا الرأي في القرن السادس عشر وتحوله من نموذج فلسفي إلى نموذج رياضي من خلال أعمال نيكولاس كوبرنيكوس. سمح ظهور التلسكوبات بوضع ملاحظات تفصيلية على البقع الشمسية من قبل توماس هاريوت وغاليليو غاليلي وفلكيين آخرين. ويعتبر غاليليو أول من وضع ملاحظات تلسكوبية على البقع الشمسية وافترضها على أنها متوضعة على سطح الشمس، بدلاً من الرأي بأنها أجسام صغيرة تتحرك بين الأرض والشمس.[123] أول رصد مؤرخ للبقع الشمسية سجله الفلكيين الصينيين في مملكة هان (220-206 قبل الميلاد) والذين حافظوا على تسجيل ملاحظاتهم لعدة قرون. كما سجل ابن رشد ملاحظات عن البقع الشمسية.[124]
تضمنت مساهمات علماء الفلك المسلمين أعمال مثل محمد بن جابر بن سنان البتاني الذي اكتشف بأن اتجاه حركة القبا الشمسي متغير.[125] وسجل ابن يونس المصري أكثر من 10000 رصد لتموضع الشمس باستخدام أسطرلاب كبير.[126] كما أن أول رصد لعبور الزهرة كان في سنة 1302 على يد ابن سينا، والذي استنتج بأن الزهرة أقرب للأرض منه للشمس.[127] في حين أن أول رصد لعبور عطارد كان في القرن الثاني عشر بواسطة ابن باجة.[128]
حلل إسحاق نيوتن في القرن السابع عشر ضوء الشمس باستخدام الموشور، وبين أنه اللون الأبيض له مكون من تراكب عدة ألوان.[129] في حين اكتشف ويليام هيرشل في سنة 1800 بأن الطيف الشمسي يحوي أشعة تحت حمراء في المجال الطيفي ذو الطول الموجي الأقل من اللون الأحمر.[130] تطورت الدراسة الطيفية للأشعة الشمسية في القرن التاسع عشر فسجل فراونهوفر أكثر من خط طيفي مكون للطيف الشمسي.
كان مصدر طاقة الشمس في أوائل العصور العلمية الحديثة لغز محير للعلماء. أقترح اللورد كلفن بأن الشمس جسم يبرد تدريجياً ونتيجة لذلك كان يشع حرارته الداخلية المخزنة.[131] ثم اقترح كلفن وهرمان فون هلمهولتز ألية تركيز الجاذبية لشرح خرج الطاقة الكبيرة للشمس، لكن حسب تقديرهم فإن عمر الشمس سيكون 20 مليون شمس وهو عمر قصير جداً عما أقترحه علماء ذلك العصر والمقدر بـ 300 مليون سنة آنذاك.[131] في سنة 1890 اقترح مكتشف الهيليوم في الطيف الشمسي جوزيف نورمان لوكير نظرية التشكل النيزكي لشرح تشكل وتطور الشمس.[132]
في سنة 1904 اقترح إرنست رذرفورد بأن حرارة الشمس يمكن المحافظة عليها من خلال مصدر داخلي للحرارة، واقترح الإضمحلال الإشعاعي كمصدر لهذه الطاقة.[133] وفر ألبرت أينشتاين فكرة أساسية لإنتاج مصدر الطاقة الشمسية من معادلة تكافؤ المادة والطاقة
E = MC2 [134]
اقترح آرثر ستانلي إدنغتون في سنة 1920 بأن الضغط والحرارة الكبيرتان في نواة الشمس ستؤدي إلى تفاعلا اندماج نووي بحيث سيندمج بروتون هيدروجيني في نوى الهيليوم، مما سينتج إنتاج طاقة مع تغير في الكتلة.[135] في سنة 1925 أكدت أبحاث سيسيليا باين غابوشكين باستخدام نظريات التأين وفرة الهيدروجين في الشمس. وقد تم تطوير هذا المفهوم النظري للاندماج في عام 1930 من قبل علماء الفيزياء الفلكية سابرامانين تشاندراسخار وهانز بيته، وقد حسب هانز تفاصيل التفاعلين الذريين المنتجين للطاقة كما في طاقة الشمس.[136][137]
وأخيرا، نشر بحث في سنة 1957 من قبل مارغريت بوربيدج بعنوان "تجميع العناصر في النجوم".[138] أظهرت أن معظم العناصر في الكون تنتج من التفاعلات النووية داخل النجوم، مثل ما يحدث في شمسنا.
الرحلات الفضائية[عدل]

عاصفة مغناطيسية كبيرة ملتقطة في الساعة 1:29 مساءً من يوم 13 مارس 2012
ملف:Moon transit of sun large.ogg
مشهد ملتقط لعبور القمر بواسطة مسبار ستيريو[139]
كان برنامج بيونير التابع لوكالة ناسا أول من أطلق أقمار صناعية (بيونير 5 و6 و7 و8) لرصد الشمس، وقد أٌطلقت الرحلات ما بين أعوام 1959 إلى 1968. وقد دارت هذه المسبارات في مدار حول الشمس على بعد مماثل لبعد الأرض عن الشمس. ونجحت في جمع أول قياسات عن الرياح والحقل المغناطيسي الشمسي. وقد عمل بيونير 9 لفترة طويلة من الزمن واستمر حتى عام 1983.[140][141]
في عام 1970 أمنت كل من رحلتي هيليوس ومرصد أبولو ماونت وسكاي لاب معلومات علمية جديدة حول الرياح الشمسية والهالة. كانت هيليوس 1 و2 نتاج تعاون بين كل من ألمانيا الغربية والولايات المتحدة الأمريكية وقد درست الرياح الشمسية من مدار ضمن مدار عطارد أثناء الحضيض.[142] سكاي لاب هو عبارة عن محطة فضائية أمريكية أطلقت سنة 1973 وقد ضمت هذه المحطة مرصد شمسي يدعى بمرصد أبولو ماونت، والذي كان يشغل من قبل رواد الفضاء العاملين في المحطة.[54] وقد قدم سكاي لاب أول معلومات رصدية عن منطقة الانتقال الشمسي وانبعاثات الأشعة فوق البنفسجية لهالة الشمس.[54] كما تضمنت استكشافاتها الانبعاث الكتلي الإكليلي وثقوب الهالة التي يعرف الآن انها على ارتباط وثيق بالرياح الشمسية.[142]
أطلقت ناسا في سنة 1980 مهمة سولار ماكسيموم، صممت هذه المهمة لرصد انبعاثات أشعة غاما والأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية المنبعثة من الوهج الشمسي أثناء أوقات ذروة النشاط الشمسي والضياء الشمسي، لكن بعد أشهر قليلة من إطلاقه تسبب عطل إلكتروني في المسبار بوضعه في وضع الاستعداد، لتمضي السنوات الثلاثة التالية بدون أي نشاط. في عام 1984 استرجع شالنجر وأصلحوا العطل قبل أن يعيدوه إلى مداره، ليلتقط سولار ماكسيموم العديد من الصور لهالة الشمس قبل أن يعود ليدخل الغلاف الجوي الأرضي في يونيو 1989.[143]
أطلقت منظمة بحوث الفضاء اليابانية في سنة 1991 المسبار يوكو لرصد الوهج الشمسي والأطوال الموجية للأشعة السينية. سمحت البيانات المجموعة من هذا المسبار للعلماء بتحديد عدة أنواع مختلفة من الوهج الشمسي، كما أثبتت أن الهالة بعيداً عن منطقة الذروة كانت ذات نشاط وديناميكية أعلى مما كان متوقعاً. رصد المسبار يوكو كامل الدورة الشمسية، لكنه دخل في وضع الاستعداد أثناء كسوف سنة 2001. دخل المسبار الغلاف الجوي الأرضي في سنة 2005 ليتحطم هناك.[144]
كان مسبار سوهو واحد من أهم المهمات التي جمعت بيانات عن الشمس، وقد تم بنائه بمساهمة كل من ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية ليطلق في 2 ديسمبر 1995.[54] كان من المفترض أن تستغرق مهمته عامين، لكن امتدت هذه المهمة حتى سنة 2012 بعد أن تم الموافقة على تمديد المهمة في أكتوبر 2009.[145] وقد ثبت أنه من المفيد متابعة المهمة لذلك أطلق في فبراير 2010 مسبار مرصد ديناميكا الشمس.[146] تموضع هذا المسبار في نقطة لاغرانج تقع بين الأرض والشمس. زود سوهو العلماء بصور عديدة لشمس بأطوال موجية مختلفة منذ إطلاقة.[54] كما اكتشف سوهو بالإضافة إلى رصده الشمسي العديد من المذنبات، معظم هذه المذنبات كانت صغيرة وتتموضع مداراتها بالقرب من الشمس لتحترق عند مرورها بجوار الشمس.[147]
رصدت كل تلك البعثات الشمس من مستوى مسار الشمس، وبذلك فهي رصدت منطقة الاستواء الشمسية بدقة. لذلك أطلقت ناسا ووكالة الفضاء الأوربية مسبار يوليوس في سنة 1990 لدراسة المنطقة القطبية الشمسية. انطلق المسبار إلى المشتري في البداية ليقوم بالتفافة ويضع نفسه في مدار أعلى من مستوى مسار الشمس. وقد رصد مصادفةً اصطدام المذنب شوميكار-ليفي 9 بالمشتري في سنة 1994. حالما تموضع يوليوس في مداره المخطط له، بدأ برصد الرياح الشمسية وشدة الحقل المغناطيسي الشمسي على خطوط عرض أعلى من خط الإستواء. وجد المسبار أن الرياح الشمسية عند خطوط عرض أعلى كانت تتحرك بسرعة 750 كم/ثا وهي أدنى مما كان متوقع، بالإضافة إلى وجود حقل مغناطيسي قوي يصدر في هذه الارتفاعات والذي كان يندمج مع الأشعة الكونية.[148]
تركيزات العناضر في الغلاف الضوئي عرفت بشكل جيد من خلال الدراسات الطيفية، ولكن كان يوجد نقص في معرفة تكوين المناطق الداخلية للشمس. لذلك أرسلت مهمة قابلة للعود دعيت باسم التكوين وقد صممت هذه المهمة لتسمح للعلماء بالقياس المباشر لمركبات الشمس. عاد مسبار التكوين إلى الأرض في سنة 2004 لكنه تأذى بعد أن اصطدم بالأرض نتيجة فشل مظلته في أن تفتح بعد دخوله الغلاف الجوي. على الرغم من الأضرار الجسيمة، تم انتشال بعض العينات الصالحة للاستعمال من المركبة الفضائية والتي يتم دراستهم وتحليلهم.[149]
انطلق مسبار ستيريو المتكون من مسبارين جزئيين في أكتوبر 2006. وقد فصلت المسبارين ليتم سحبه تدريجياً إلى خلف مدار الأرض، مما جعلهما قادرين على تصوير الشمس والظواهر الشمسية بما فيه الانبعاث الكتلي الاكليلي.[150][151]
اطلقت منظمة البحوث الفضائية الهندية مسبار فضاء باسم أديتيا بوزن 100 كغ في 2012 ويهدف إلى دراسة ديناميكية الهالة الشمسية.[152]
المراقبة والتأثيرات[عدل]

مشهد لشروق الشمس من سطح الأرض.
يسبب النظر المباشر للشمس وبالعين المجردة، على الرغم من أن النظر لفترة وجيزة لا يسبب أي خطر للعين الغير متوسعة الحدقة.[153][154] يسبب النظر المباشر إلى الشمس وبصة بصرية والعمى المؤقت الجزئي. كما أن ضوء الشمس يؤدي إلى تزويد شبكية العين بحوالي 4 ملي واط مما ينتج عنه تسخين قليل للشبكية، ويحتمل أن يسبب هذا بعض الضرر للعين ليضعف استجابتها للسطوع.[155][156] كما أن تعرض العين للأشعة الفوق البنفسجية سيؤدي إلى الإصفرار التدريجي لعدسة العين، ليساهم ذلك في حدوث الساد، مع ملاحظة أن هذا الأمر يعتمد على التعرض للأشعة الفوق البنفسجية بشكل عام وليس بالنظر المباشر إلى الشمس.[157] يؤدي النظر المباشر وبالعين المجردة إلى الشمس بالتسبب بآفات التعرض للأشعة فوق البنفسجية مثل حروق الشبكية والتي تظهر بعد التعرض لأشعة الشمس لمدة 100 ثانية، ولاسيما في الظروف التي تكون الأشعة الفوق البنفسجية الشمسية مكثفة ومركزة[158][159] كما يتسبب النظر لأشعة الشمس باستخدام مركزات بصرية مثل النظارة المقربة بدون استخدام فلاتر مرشحة للأشعة الفوق البنفسجية إلى تلف دائم في الشبكية، بعض المرشحات التجارية تمرر الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة تحت الحمراء والتي يمكن ان تضر العين عند مستويات سطوع عالية.[160] تسلم المناظير المقربة الغير مفلترة لشبكية العين 500 ضعف من الطاقة مقارنة بالنظر باستخدام العين المجردة، هذه الكمية الكبيرة من الطاقة ستتسبب بالقتل الفوري للخلايا الشبكية، حتى أن النظرات الشريعة لشمس الظهيرة من خلال المنظارات المقربة ستؤدي إلى العمى الدائم.
يشكل الكسوف الجزئي خطر على النظر، لأن حدقة العين غير متكيفة مع الأشعة البصرية عالية التباين. تتوسع الحدقة تبعاً لكمية الضوء ضمن نطاق الرؤ ية. فخلال الكسوف الجزئي، يحجب القمر معظم ضوء الشمس، لكنه لا يغطي أجزاء كثيرة من الغلاف الضوئي والذي له سطوع مماثل للسطوع في الأيام العادية. نتيجة لذلك وأثناء الكسوف تتوسع حدقة العين من 2 مم إلى 6 مم تتعرض كل خلية في شبكية العين إلى عشر أضعاف من الطاقة مقارنة بالأيام العادية، سيؤدي هذا إلى إلحاق الضرر أو قتل تلك الخلايا مما سينتج عنه بقع عمياء.[161] يشكل هذا خطراً على المراقبين عديمي الخبرة أو الأطفال بسبب عدم الشعور بالألم، إضافة إلى عدم سرعة تدمير الرؤية.
تكون أشعة الشمس أثناء الشروق والغروب ضعيفة بسبب تبعثر ريليه وتبعثر ماي في مروره الطويل خلال الغلاف الجوي الأرضي.[162] تكون الشمس أحياناً ضعيفة بمافيه الكفاية لتكون مريحة للرؤية بدون أخطار. كما تساهم الأوضاع الضبابية والغبار في الغلاف الجوي من زيادة تأثير هذا التبعثر.[163]
قد تحدث بعض الظواهر البصرية النادرة بعد فترة وجيزة من غروب الشمس أو قبل الشروق تدعى هذه الظاهرة بظاهرة الوميض الأخضر، ينتج هذا الوميض نتيجة انكسار ضوء الشمس تحت خط الأفق باتجاه الراصد، وهذا الضوء ذو طول موجي صغير (أخضر أو بنفسجي أو أزرق)، فيبقى الضوء الأخضر عكس الوميضان الأزرق والبنفسجي كونهما لديهما قابلية كبيرة للتبعثر على خلاف الوميض الأخضر.[164]
تمتلك الأشعة فوق البنفسجية الشمسية خصائص مطهرة، ويمكن استخدامها لتعقيم الأدوات والمياه. كما لها آثار طبية مثل إنتاج فيتامين دي تضعف طبقة الأوزون الأشعة فوق البنفسجية لذلك تختلف كمية الأشعة الفوق البنفسجية اختلافا كبيرا مع الارتفاع وخطوط العرض الأرضية لذلك تسهم في التعديلات البيولوجية بشكل كثير بما في ذلك الاختلافات في لون الجلد البشري حول مناطق مختلفة من العالم.