יום שישי, 28 באוקטובר 2011

וְזָרַח הַשֶּׁמֶשׁ וּבָא הַשָּׁמֶשׁ..



השמש היא כוכב סדרה ראשית ממשפחת הננסים הצהובים. כוכבי סדרה ראשית הם כוכבים יציבים המתיכים בליבתם מימן להליום באמצעות אינטראקציות תרמו-גרעיניות. בכל שניה ושניה מומרים בליבתה של השמש כ- 600 מיליון טון של מימן לכ- 596 מיליון טון של הליום. ארבעת מיליוני הטון החסרים הופכים בתהליך הזה לאנרגיה, אשר בסופו של דבר מוצאת דרכה החוצה בעיקר בצורה של קרינה אלקטרומגנטית. ביחס לשמש, כדה"א הוא גרגר חצץ נוקשה... הנה כמה פרטים טכניים המאששים את הטענה (מקור: ויקיפדיה):



  • מסת השמש: \(\sim2\times10^{30}\;\text{Kg}\), שווה ערך לכ-\(330,000\) מסות כדה"א.
  • קוטר השמש: \(\sim1.4\times10^{6}\;\text{Km}\), שווה ערך לכ-\(109\) קוטרי כדה"א.
  • נפח השמש: \(\sim1.4\times10^{18}\;\text{Km}^{3}\), שווה לנפחם של כ-\(1,300,000\) כדורי ארץ.
  • צפיפותה הממוצעת של השמש: \(1.4\) גרם לסמ"ק. זוהי צפיפות הגדולה פי בערך פי \(1.4\) מצפיפות של מים, אך קטנה פי ארבעה לערך מצפיפותו הממוצעת של כדה"א. ואולם הצפיפות בליבת השמש מגיעה לכדי \(150\) גרם לסמ"ק, פי \(13\) יותר מצפיפותה של עופרת(!).
  • הכבידה על פני השמש: \(\sim27.94\;\text{g}\), כלומר מהירותו של גוף הנמצא בנפילה חופשית בסמיכות לפני השמש גדלה בכ-\(280\) מטר לשניה, בכל שניה. 
  • הרכב הפוטוספירה (היא קליפת פני השמש): \(\sim73\%\) מימן, \(\sim25\%\) הליום, \(\sim0.8\%\) חמצן, \(\sim0.3\%\) פחמן, וכמויות מזעריות יותר של יסודות נוספים.
  • טמפרטורת הליבה:  כ- \(15.7\) מיליון מעלות קלווין; טמפרטורת פני שטח: כ-\(5780\) מעלות קלווין; טמפרטורת ההילה:  כמה מליוני מעלות קלווין, בהתאם למרחק מהשמש.
  • הספק יצירת אנרגיה של השמש: \(\sim3.85\times10^{26}\;\text{Watt}\) שהם כמעט \(100\) מיליארד מגה-טון TNT לשנייה... 
  • מרחק השמש ממרכז הגלקסיה: כ- \(27,000\) שנות אור; מהירותה המשיקית של השמש במערכת הגלקסיה: כ-\(220\) ק"מ לשנייה; 


מבעד לפילטרים של המקפת השמשית של נאסא נראית
השמש כמקום סוער ופעלתני. על כך ברשומה זו...



תחנת החלל הבינלאומית בחולפה על רקע השמש. מרחק התחנה:
כמה מאות ק"מ.  מרחקה של השמש מכדה"א : כמאה וחמישים
מליון ק"מ... קרדיט: Thierry Legault, לקוח מ- APOD

החומר בשמש מצוי במצב צבירה פלזמתי, דהיינו בטמפרטורות גבוהות במיוחד, ובעטיין נתלשת מעטפת האלקטרונים מן האטומים כך שמתקבל מרק לוהט, רוחש בוחש וגועש של גרעינים טעונים חיובית (פרוטונים, חלקיקי אלפא, וגם כמויות קטנות של גרעינים כבדים יותר), ואלקטרונים. אזורים שלמים נטענים במטען חשמלי בעוצמות שלא תיאמנה, וזרמי חשמל אדירים בעוצמתם נעים ממקום למקום ובמהירויות עצומות. זרמים אלו משרים שדות מגנטיים חזקים להפליא המשתנים תדיר.

כדה"א מול להבת שמש. מקור: SOHO, NASA

שני סוגי כוחות מנוגדים משחקים תפקיד ביציבותה של השמש ככוכב סדרה ראשית: כוחות הכבידה המושכים את החומר מהחוץ פנימה, ולחץ הקרינה הדוחף את החומר מן המרכז החוצה. מקורו של לחץ הקרינה במיזוג תרמו-גרעיני של מימן להליום המתרחש כל העת בליבתה של השמש, בתנאים של לחץ וחום הנגרמים מהדחיסה הכבידתית. המיזוג הגרעיני של מימן להליום הוא תהליך מורכב למדי שראשיתו בשישה גרעינים של אטום המימן (כלומר שישה פרוטונים) וסופו בגרעין של אטום הליום (כלומר בחלקיק אלפה) ובשני פרוטונים, בתוספת תוצרי לוואי: חלקיקי ניטרינו פוזיטרונים ופוטונים. התרשים מטה המתאר את התהליך נלקח מכאן.





כעיקרון, לא די בטמפרטורה של 16 מליון מעלות כדי להתגבר על הדחייה החשמלית בין פרוטונים; חשבון על גב המעטפה מוביל אותנו לטמפרטורה נדרשת של כמיליארד מעלות! (השוו פשוט את האנרגיה האלקטרוססטית של שני פרוטונים הנוגעים זה בזה לקבוע בולצמן כפול הטמפרטורה). האנרגיה הקינטית אמנם מפולגת כך שחלק מזערי מהגרעינים אכן מצוי בטמפרטורה הפנטסטית הזו, אבל, כאמור, מרבית החומר איננו אנרגטי מספיק ועיקר ההיתוך מגיע ממינהור קוונטי תחת מחסום הפוטנציאל האלקטרומגנטי, תהליך המתגבר עד מאוד בטמפרטורות ובלחצים המאפיינים את ליבת השמש. הנה כי כן, עיקר האנרגיה הנפלטת מהשמש בבערה התרמו-גרעינית, מקורה בתוצא קוונטי בקנה מידה מקרוסקופי.

פני השמש (המכונים פוטוספירה, היא קליפת השמש הניצפת על ידנו באור נראה) מעוטרת בנקודות חן המכונות "כתמי שמש". אלו הם אזורים קרים יותר מסביבתם שקוטרם עשוי להגיע לכמה עשרות אלפי קילומטרים. כיוון שהם קרים יותר הם גם כהים יותר ומשום כך המופע הכהה. הסירטון הבא נפרש על פני יומיים וחצי בתחילת הדקדה השלישית של אוגוסט השנה. כתמי השמש לובשים ופושטים צורה, כל אחד על פי קצבו; לרגע של כלום טופחים, ואחר שבים ומצטמצמים, לעיתים מתלכדים, לעיתים נפרדים. קרדיט: Solar Dynamics Observatory.




הפוטוספירה היא קלחת רוחשת של 'בועות' המכונות בעגה המקצועית "גרגרים". הללו נגרמות ע"י זרמי עירבול (convection currents) של פלזמה המצויים עמוק יותר, בשכבת ההסעה. משך חייהן עשר-עשרים דקות וקוטרם כאלף ק"מ בממוצע. כתמי השמש הם איים קרים בים הבועות; הטמפרטורה על פניהם היא 3000-3500 מעלות קלווין בלבד, זאת לעומת טמפרטורת סביבה של כ-5800 מעלות קלווין. כיצד הם נוצרים? שדות מגנטיים חזקים במיוחד ויציבים לאורך זמן מונעים מזרמי הקונבקציה להגיע לפני השטח ולחממם. התוצאה: אזור 'קריר' וכהה וטביעת האצבע של השדות המגנטיים המשרים אותו.

כתמי השמש קשורים בפעילות המגנטית הגלובלית של השמש שהיא בקירוב טוב מחזורית, עם זמן מחזור של כ-11 שנים. הכתמים מופיעים כמעט תמיד בין קווי הרוחב שלושים צפון לשלושים דרום, תחילה יופיעו בשולי הרצועה, ולקראת סוף המחזור יותר ויותר כתמים נוצרים סביב קו המשווה. התהליך הזה של "נדידת" הכתמים מומחש יפה בטבלה מטה המסכמת שנים רבות של תצפיות (מקור: NASA):

מחזוריות הופעת כתמי השמש. בגרף העליון אפשר להבחין
בנדידתם מקווי הרוחב בהם הם נוצרו לעבר קו המשווה.

במהלך זמן המחזור מגיעה עוצמת השדה המגנטי הגלובלי של השמש לשיא, ואז דועכת. בעיתות של עוצמה מקסימלית מופיעים יותר כתמי שמש ובשפל פחות ופחות. הכתמים באים בדרך כלל בזוגות, כל כתם בזוג משמש קוטב מגנטי בפני עצמו. עם דעיכת השדה המגנטי הגלובלי דועכים גם הכתמים, וכשהוא שב ונבנה מחדש בקוטביות הפוכה, מתהפכת גם קוטביותם של הכתמים (השבים ונבנים מחדש).


כתם שמש בין גרגרי שמש. קרדיט: המכון השבדי לפיזיקה סולרית.

כתם שמש וכדה"א להשוואה...
קרדיט: המכון השבדי לפיזיקה סולרית

 כתמים וגרגרים... קרדיט: המכון השבדי לפיזיקה סולרית

דיפול מגנטי... קרדיט: המכון השבדי לפיזקה סולרית

ה-25 בספטמבר 2002. קרדיט: המכון השבדי לפיזיקה סולרית.

מיפוי קווי שדה מגנטי... שימו לב לכתם השמש מימין למטה,
ול"עורק שמש" בחלק העליון של התצלום. האזורים הכהים
הם הקרים יותר. קרדיט: המכון השבדי לפיזיקה סולרית.

שני הסירטונים הבאים ממחישים עד כמה הפוטוספירה דינאמית ומשתנה תדיר. בסירטון ראשון מופיע כתם שמש שצולם במשך 56 דקות באור סגול (קרדיט: המכון השבדי לפיזיקה סולרית). כיוון הזרימה פנימה איננו אלא אשליה אופטית... הפלזמה זורמת מאומברה אל הפנומברה. הסירטון השני צולם ב-2006 באמצעות טלסקופ הממוקם באיים הקנריים.






השמש פולטת מקירבה גם קרינה עזה של פרוטונים ואלקטרונים בעלי אנרגיה קינטית גבוהה המכונה "רוח שמש". קרינה זו שוטפת את סביבת מערכת השמש ואת הפלנטות המקיפות אותה. השדה המגנטי של כדה"א מגן עלינו מפגיעתה הרעה ומנתב אותה לקווי הרוחב הגבוהים. קל להבחין בקרינה הזו בעת ליקוי חמה, עת הירח מסתיר את גלגל החמה. כאשר הליקוי מתרחש בעת שהירח מצוי קרוב לאפוגיאה, הכיסוי אינו מושלם וטבעת יוקדת מבצבצת מאחור. כאשר הליקוי מתרחש עת הירח קרוב לנקודת הפריגיאה, הכיסוי מושלם. שימו לב לצירוף המקרים המיוחד הבא: קוטרו של גלגל הירח כפי שהוא נראה מכדה"א מתלכד עם קוטרו של גלגל השמש כפי שהוא נראה מכדה"א! ועוד צירוף מקרים תמוה: משך היממה של הירח מתלכד עם משך היממה של השמש כפי שהיא ניצפת מנקודת מבט ארצית...


ליקוי חמה מה-11 ליולי 2010. הירח קרוב לאפוגיאה וקוטרו אינו
מכסה את גלגל החמה. מתוך הטבעת הזוהרת קורנת ההילה
במלוא תפארתה. מקור: APOD.

16 למרץ 2010. כאן הירח קרוב יותר לנקודת הפריגיאה ודי בכך כדי
להסתיר את השמש במלואה. מצב זה מספק הזדמנות פז לצפיה
בטורבולנציה של הפוטוספירה ובעוצמת הקרינה של ההילה.
קרדיט: Miloslav Druckmuller, מקור: APOD 

תופעה מרשימה במיוחד היא התפרצותן של להבות שמש. מקורן של התפרצויות שמשיות בהפרה מקומית של האיזון בין הכבידה ללחץ הקרינה, הפרה הנגרמת ככל הנראה מתנודות חזקות בשדות האלקטרומגנטיים. כמות החומר הנפלטת בהתפרצות כזו עשוי להגיע לכמה וכמה מסות כדה"א והספק האנרגיה עשוי להגיע לשישית מההספק הכולל של השמש... מרבית החומר הנורה בהתפרצות קורס חזרה לעבר השמש, בין אם בעטייה של הכבידה העזה ובין בגלל שמטענה החשמלי העצום של הפלזמה כופה עליה להיצמד בתנועתה לקווי השדה המגנטי. ארבע התמונות מטה ממחישות נאה את הדרמה: הצבעים הבהירים קשורים בטמפרטורות גבוהות, הכהים בנמוכות.


להבת שמש בוקעת בעוצמה מתוך השמש בשביעי ביוני השנה.
קרדיט: פרויקט STEREO, NASA 

עוד... מקור: SOHO, NASA.

עוד... מקור: SOHO, NASA.

התפרצות מסוף אוגוסט 2012 בתמונה מרהיבה. מקור: נאסא, דף פליקר

הנה סירטון נהדר באיכות HD מאותו דף פליקר ששחררה נאסא המתעד את ההתפרצות בתמונה מעלה. שימו לב בהמשך להתגברות המשמעותית של רוח השמש הנלווית להתפרצות: 




סדרת הסירטונים הבאה מכילה עוד תיעודים של התפרצויות שמש. קרדיט: Solar Dynamics Observatory. הלהבות הקורסות עוקבות אחר קווי השדה המגנטי המקשרים קטבים מנוגדים של דיפולים רבי עוצמה. המכניזים פשוט בתכלית: רכיב המהירות של הפלזמה הניצב לקווי השדה מייצר תנועה מעגלית, ואילו הרכיב המשיק לקווי השדה אדיש לנוכחות השדה ואינו מושפע ממנו כלל (אבל מושפע מכוחות הכבידה). בסיכומו של דבר מתקבלת תנועה מעין בורגית וקווי השדה משמשים לה ציר התקדמות. כיוון שקווי השדה לולאתיים, מציירת הפלזמה "רולים" על שערה הסתור של השמש... רואים תופעה זו יפה בעיקר בקליפ השני ובתמונה העוקבת;






"רולים" בשערה הסתור של השמש, ומקורם בדינמיקה של חלקיקים טעונים
בשדות מגנטיים חזקים דוגמת אלו המתפתחים על פני השמש.

להבות השמש פורצות בעיקר מאזורים המאוכלסים בכתמי שמש. כאמור, כתמי שמש נוצרים מחסימה של זרמי הקונבקציה על ידי שדות מגנטיים חזקים. יש והחסימה איננה עומדת עוד בלחץ הקרינה ובזרמי הסעת החום; אזי נפער סדק רחב בקליפת הפוטוספירה ופלזמה לוהטת פורצת בעוצמה. יחד עם הלהבה פורץ החוצה מתוך הסדק גם שטף עז של רוח שמש אשר עשוי להכות בתוך ימים ספורים בתקרת האטמוספירה של כדה"א. השדה המגנטי של כדה"א מנתב את הקרינה החלקיקית הבאה מהשמש לקווי הרוחב 67-72 (צפון ודרום) ואז זוכים הדרים בקווי הרוחב הצפוניים והדרומיים למחזות מרהיבים המכונים "זוהר הקוטב".

להבות השמש, כך סבורים, הן הגורם הדומיננטי בחימום ההילה של השמש, אשר הטמפרטורה של מגיעה, כאמור, למליוני מעלות קלווין; השוו זאת לטמפרטורת הפוטוספירה, כ- 5800 מעלות קלווין בלבד.
 






ועוד קליפ ערוך לסיכום (המספרים משמאל מציינים את אורכי הגל בהם נלקחו הצילומים):




ולסיום, שלוש תמונות "ארציות" לא כ"כ שגרתיות של השמש:


ליקוי חמה מינואר 92. קרדיט: Dennis L. Mammana. לקוח מ- APOD

מעבר נוגה על רקע השמש. (הפלנטה נראית גדולה מפאת
הקירבה היחסית לכדה"א). קרדיט: David Cortner, APOD



זריחה לא שיגרתית מעל הריו-דה-לה-פלטה, 10/10/2011.
קרדיט: Luis Argerich. נלקח מ-APOD


עידכון 10/6/2012 מהמעבר האחרון של נוגה על רקע השמש (ליקוי חמה עקב מעבר פלנטה) בשישי ביוני:


קוטרה של נגה דומה לזה של כתמי השמש אלא שהיא קרובה
הרבה יותר. צולם ממצפה החלל של נאסא המכונה
 Solar Dynamics Observatory. מקור APOD.

ועוד... בצילום זה רואים יפה את הלולאות שיוצרים קווי השדה המגנטי.




2 comments:

  1. פוסט מעולה. שילוב מנצח של תוכן וצורה. תודה על ההשקעה!

    השבמחק
  2. אהבתי מאוד ! תודה עבור הכתבה המושלמת והמעניינת הודות ה"שמש", גוף שמימי שלא רק מחמם לנו את המים בדוודים !

    השבמחק