השמש - מבנה, אזורים ותהליכים

השמש 

מה אנחנו בעצם רואים כאשר אנחנו מסתכלים על השמש (דרך אמצעי מגן כמובן, או בשקיעה)? בניסוח דומה, איפה נגמרת השמש ומתחילה האטמוספירה של השמש , והאם בכלל יש לה כזו?

הרי השמש היא כדור ענק של גז, ולמרות שאנחנו רואים שוליים מאד מאד ברורים של הכדור, די ברור לנו שגם קצת ליד עדיין יש גז בכמות כלשהי. בארץ אין בעייה. יש את פני כדור הארץ. יש את המים שנמצאים עליו, ולכולנו ברור שכל מה שמעל הקרקע או המים זה כבר אוויר ואטמוספירה ולא חלק מהכדור, אבל מה המשמעות של כל זה בשמש?

הפוטוספרה

זו תמונת ארכיון של השמש, ורואים עליה גם כתמים, תתעלמו מהם בינתיים. הנקודה שאני רוצה להדגיש היא שלמרות שלא ממש ברור לנו למה השמש "נגמרת" איפשהו, בתמונה רואים בצורה ברורה מאד שיש לה שוליים עגולים וחלקים.

נציין, וזה חשוב להמשך הדיון שזו תמונה באור נראה, בספקטרום שאנחנו רואים. שימו לב לכך ששולי התמונה הם מעט כהים יותר וככל שמתקדמים למרכז התמונה, הגוון מעט בהיר יותר. הסיבה היא שאם אנו מסתכלים על מרכז השמש, אנחנו מצליחים לראות מעט יותר "לתוכה" לאזורים חמים יותר ובהירים יותר, לעומת מבט לשוליים, בו אנו לא מצליחים לראות עמוק פנימה. 

המסקנה מכל זה, שאנחנו רואים שכבה אחת של השמש, ושמה פוטוספירה - שם האומר שזו השכבה שפולטת את הפוטונים שאנחנו רואים. זו שכבה דקה למדי, כמה מאות קילומטרים בלבד, ויש לה הרבה תכונות מעניינות.

נתחיל עם הצפיפות. צפיפות היא כמות המסה ליחידת שטח לרוב גרם לסמק. למים צפיפות אחד (בגובה פני הים בלחץ אטמוספרה אחת ובטמפרטורה של 4 מעלות לדייקנים). לשמן פחות. לברזל יותר.

תפתחו ויקיפדיה ותראו שהצפיפות של השמש היא 1.4. אבל זו צפיפות ממוצעת ובשוליים הצפיפות נמוכה בהרבה ובפוטוספרה היא כמעט אפסית. הרבה פחות מהצפיפות של האוויר שלנו למשל.

ולכן יש לנו פוטוספרה, שכבה דקה, שאותה אנחנו רואים והיא מסמנת את גבול השמש. היא אטומה ולכן לא רואים מה יש מתחתיה (ונצטרך להבין בהמשך למה). ומעליה הצפיפות עוד הרבה יותר נמוכה ולכן לא פולטת מספיק אור בשביל שנוכל לראות.

 צפיפות השמש

הבנת השמש והשכבות שלה דורשת התבוננות בהתפלגות הצפיפות בתוך השמש.  די ברור שככל שאנחנו במרכז השמש הצפיפות גדלה ואילו בשוליים, הצפיפות פחותה. עוד משהו הוא שהשמש בשיווי משקל. היא לא נדחסת עוד ועוד לתוך עצמה, מהסיבה שכל ההיתוך הגרעיני שקורה עמוק בפנים משחרר אנרגיה כלפי חוץ המאזן את כוח הכבידה שרוצה לדחוס את החומר פנימה. לפני שהתחיל תהליך ההיתוך הגרעיני אכן החומר נדחס עוד ועוד עד שהגיע לנקודה בה הלחץ והטמפרטורה התחילו את תהליך ההיתוך (15 מיליון מעלות).

כדי לחשב את הצפיפות במקום כלשהו בשמש, כפוקנציה של מרחק מהמרכז חיפשתי נוסחאות או נתונים ומה שמצאתי זהו נוסחת קירוב שנאסא הוציאה באיזה תרגיל לתלמידים והיא כזו:

y = 519*x^4-1630*x^3+1844*x^2-889*x+155

X הוא בעל משמעות רק בין 0ל-1 ומציין חלק מרדיוס השמש והתוצאה היא צפיפות בגרם לסמ"ק. הנוסחה חשודה מאד. מה הקשר לחזקות רביעיות? אני הייתי מצפה למשהו עם שורש (שלישי כנראה) או LOG . לכן זו נוסחת קירוב בלבד. היא מתקבלת מתהליכים של רגרסיה ואנליזה נומרית ולכן היא עובדת אבל רק בערך. תיכף נדגים.

נשים בנוסחה 0. ונקבל 155 וזו הצפיפות במרכז השמש. נשים ערך 1 ונקבל ערך שלילי של 1-. ציירתי גרף של הנוסחה והוא נראה כך.

בתרשים רואים את הירידה החדה בצפיפות ככל שמתרחקים המרכז, ואת הגל המוזר לקראת הסוף שהוא בגלל נוסחת הקירוב, אבל תאכלס, כבר לפני מחצית רדיוס השמש, הצפיפות קרובה לאפס.

 המסקנה היא שאכן רק בחלק קטן של השמש, אבל חלק שבו רוב המסה שלה מרוכזת (גרף המסה ייראה כמעט הפוך, רוב המסה של השמש קרובה למרכז) יהיה היתוך גרעיני. לחלק הזה של השמש אנחנו קורים ליבה.

ליבת השמש

ליבת השמש היא האזור הפנימי ביותר, החם ביותר, ועם הלחץ הגבוה ביותר בשמש.  גודלו של האזור הזה הוא ממרכז השמש ועד בערך חמישית הרדיוס, ולמרות זה שהוא מהווה בסך הכל בין אחוז לשניים מנפח השמש, הוא מכיל חצי ממסת השמש.

תהליך ההיתוך מכונה שרשרת פרוטון-פרוטון P-P  כי מתחילים אותו שני פרוטונים והוא מתואר בשקף הבא. 

שלב ראשון של תהליך ההיתוך

המסה בליבה מורכבת מפרוטונים שהם למעשה גרעיני אטומי מימן. בחום הרב שיש בליבה האטומים מתפרקים והגרעין נפרד מהאלקטרון(ים) שלו שמסתובבים חופשי בשטח. לרוב שני פרוטונים לא יכולים להתקרב אחד לשני. שניהם חיוביים (חשמלית, לא לאומיקרון) ודוחים אחד את השני, אבל בלחץ העצום שיש במרכז השמש הם לפעמים נצמדים ואז קורים דברים מוזרים ביותר שכבר עוברים את ההיגיון והם בתחום מכינקת הקוואנטים. אבל בסופו של דבר פרוטון אחד הופך להיות ניוטרון (בעל מטען נייטרלי) ונוצר גרעין של דיאוטוריום (איזוטופ של מימן שיש לו פרוטון אחד וניוטרון אחד). התהליך לא עובר ללא תופעות לוואי והן יצירת פוזיטרון אחד (אנטי חומר של אלקטרון, זהה לו בכל התכונות אבל עם מטען חיובי) וחלקיק ניטרינו שפחות חשוב לעניינו כרגע.

אלקטרון ופוזיטרון דווקא מאד אוהבים להיפגש. יש להם את אותן תכונות ומטען חיובי הפוך אז הם ממש מחפשים אחד את השני, אבל המפגש לא נגמר בטוב, חיבוקים נשיקות ואז פוף! שניהם מתאיינים והופכים באופן מושלם לאנרגיה. זה מה שקורה כאשר חומר פוגש אנטי-חומר. האנרגיה משתחררת בפוטונים של קרינת גמא  מאד אנרגטיים באורכי גל קצרים מאד.

שלב שני של תהליך ההיתוך

בשלב הבא גרעין הדיאטוריום מוצא עוד פורטון ומצרף אותו אליו, הוא שומר על היותו פרוטון ונוצר גרעין של הליום 3 (הליום עם ניוטרון אחד בלבד). גם תהליך זה משחרר אנרגייה בקרינת גמא.

שלב שלישי של תהליך ההיתוך

בסופו של דבר שני גרעיני הליום-3 מוצאים אחד את השני ויוצרים גרעין של בריליום (גרעין עם 4 פרוטונים ושני ניוטרונים) אבל הוא מתפרק מייד ומאבד שני פרוטונים שהיו לו. כך נשארים עם גרעין הליום יציב (2 פרוטונים ושני ניוטרונים), שני פרוטונים חוזרים להיות חופשיים וממשיכים להשתתף במשחק ליצירת עוד גרעיני הליום. גם שלב זה משחרר אנרגיית גמא (והרבה) וכאן מסתיים תהליך ההיתוך. סיכום התהליך מופיע בתרשים בצבע כחול. 4 פרוטונים ושני אלקטרונים נהפכו לגרעין הליום-4 ובדרך השתחררו 6 מנות של קרינת גמא ועוד שני חלקיקי נייטרינו.

תהליך זה קורה רק בליבה, בשולי הליבה הלחץ יורד וכך גם הטמפרטורה והפרוטונים מצליחים לדחות אחד את השני ולא להיפגש ולהיצמד ולכן אין היתוך ומשם מתחילה השכבה השנייה של השמש.

העברת חום

יש שלוש דרכים עיקריות להעברת חום. הראשונה היא קונדוקציה (הולכת חום), כאשר חום עובר בתוך חומר לאט לאט (או מהר) או בין שני חומרים שקרובים אחד לשני. התהליך לרוב קורה במוצקים. למשל שימו מוט מתחת בתוך מדורה וגם קצהו שנמצא רחוק ממנה יהיה חם. למתכת מוליכות חום גבוהה. אבל אם בקצה המוט תהיה ידית מעץ למשל שיש לו הולכת חום גרועה, הוא בקושי יתחמם.

השיטה השנייה היא קונווקציה (הסעת חום). גוש חם (אוויר או גז לרוב) עובר ממקום למקום ומסיע את החום שלו איתו ביחד.

תהליך זה נפוץ מאד ונדגים אותו באמצעות בישול. יש את הכירה ויש בה אש  מגז או כיריים חשמליות (באינדוקציה התהליך שונה, נתעלם מזה כרגע). האש מחממת את תחתית הסיר ותהליכי הקונדוקציה מחממים את כל תחתית הסיר וגם את שוליו. תחתית הסיר מחממת בקונדוקציה את מעט המים שנוגעים בה, אבל אלו נהיים חמים יותר ולכן עולים למעלה ביחד עם החום שלהם, וזה תהליך של קונווקציה, כאשר המים כבר ממש רותחים, גוש מים חם עולה עד קצה הסיר, מפעפע באוויר, מתקרר מיד ויורד שוב למטה. אלו הבועות שרואים בסיר כאשר המים רותחים.

התהליך השלישי הוא תהליך של הקרנה ובו החום עובר דרך קרינה אלקטרומגנטית. רדיאטור עובד כך, הגוף עצמו מתחמם מאד ומקרין הרבה מאד אנרגיה בתת אדום המחממת את האוויר הקרוב אליו ומשם ממשיכים עם קונבקציה. הקרינה יכולה להיות בכל אורכי הגל. בלילה בקיץ למשל, בעיר מאד חם כי כל הבתים והכבישים מקרינים המון אנרגיית חום לסביבה , לעומת אדמה או צמחיה שמקרינה הרבה פחות.

שכבת ההקרנה

עברנו את ליבת השמש ועכשיו אנחנו בשכבה השנייה, שבה כבר אין פעילות היתוך גרעינית, אבל עדיין מספיק חם כך שהחומר עדיין במצב של גרעינים נפרדים מהאלקטרונים. שכבה זה מגיעה בערך עד לשלושת רבעי רדיוס השמש, והמסה בה היא קצת פחות מחצי והנפח הוא של שליש מהשמש. שימו של שבשכבה זו ובליבה נמצאת כמעט כל מסת השמש. שכבה זן מכונה שכבת ההקרינה והתהליך של העברת חום הוא בעיקר תהליך של הקרנה של כל קרינת הגמא שהצליחה לצאת החוצה. למעשה זה גם תהליך העברת החום בליבה אבל לה יש שם משלה. כמו כן הפוטונים עצמם פותחים ב-"הליכת אקראי" בה הם נעים בכיוונים אקראיים וגם פוגעים בגרעיני חומר אחרים על הדרך. בכל פעם כזו הפוטון למעשה נספג ומשתחרר פוטון חדש, באורך גל מעט גבוה יותר, וכך הפוטונים מאבדים לאט לאט אנרגיה ובסוף (אחרי כ-200,000 שנה בממוצע) הם יוצאים מהשכבה הזו, לשכבה הבאה בשמש. על הדרך הטמפרטורה יורדת כך שחלק מגרעיני האטומים מצליחים להחזיק את האלקטרון שלהם ולהפוך מגרעין, לאטום במובן המוכר לנו.

שכבת הקונבקציה 

נחזור לשמש ולשכבה הבאה שכבת הקונבקציה. שם קורה בדיוק מה שקורה בסיר הבישול שלנו. פלזמה מתחממת בתחתית השכבה (מרחק 0.7 רדיוסי מהמרכז ) עולה למעלה, מתקררת וחוזרת למטה.

התהליך יוצר בועות על השמש כמו בסיר, ואת חלקן אפשר גם לראות מאחר והן מגיעות לקצה השמש ולפוטוספירה שהיא השכבה שאותה אנחנו רואים. תהליך הקונבקציה איטי מאד. גוש פלסמה מתחתית השכבה עושה את דרכו למעלה השכבה בקצב משביע רצון של כחצי מטר בשעה. יש לו 230000000 מטרים לעבור אז לוקח לו 460000000 שעות לעשות את זה. שזה משהו כמו 50000 שנה . אבל אחרי שהוא מצליח להגיע לשם, הפוטון נפלט במהירות האור ויגיע לכדור הארץ תוך 8 דקות בלבד!

התמונה של משימת HINODE - טלסקופ שמש משותף לסוכנות החלל היפנית ולנאסא.

 

בתמונה רואים את הגרעינים, כל אחד בהם גדול בערך פי 5 ממדינת ישראל. כל תא כזה מחזיק מעמד 5-20 דקות ואז מתחלף באחר ובו זמנית יש כ-4 מיליון כאלו על פני השמש. הפלסמה היותר חמה היא במרכז ולכן בהיר יותר ובשוליים מעט יותר קר(יחסית! וכהה יותר).

שכבה זו מסתיימת בפוטוספירה. הפוטוספירה היא השכבה הראשונה של השמש שבה אור יכול לנוע בצורה חופשית. זו למעשה השכבה שמנתהגת כמו "גוף שחור אידאלי" שדברנו עליו לפני כמה זמן. היא "סופגת" את כל הקרינה מתחתיה ופולטת אותה מחדש בעצמה בהתאם לטמפרטורה שלה. עובי שכבת הפוטוספירה כ 300-400 קילומטרים בלבד וגם בה יש הבדלי טמפרטורה בין החלק התחתון לחלק העליון. מעט מעליה יש עוד גזים אבל דלילים מאד וגם עוד יותר קרים, ולכן את הפליטה שלהם אנחנו פשוט לא רואים. לפחות לא בצורה רגילה. על כל השכבות האלו, השכבות הנוספות באטמוספירה של השמש, נדבר בהמשך השבוע.

הכרומוספירה

מעל הפוטופסירה, השכבה שאנחנו רואים, נמצאת שכבה דקה נוספת, הכרומוספירה. היא דלילה מאד, בערך מיליונית מאטמוספירת הארץ. הפלזמה בה גם קרה יותר, ולכן במצב רגיל לא רואים אותה כלל. בליוקי חמה מלא, אפשר להבחין בה גוון ורוד אדמדם. התהליך המעניין המתחיל בה הוא שבניגוד למה שהיינו מצפים, שהטמפרטורה תמשיך לרדת, זה נכון רק בערך עד מחצית השכבה ומשם מתחילה התחממות רצינית.

תמונה של משימת SOHO

בצפייה דרך פילטרים מיוחדים ניתן לראות תופעות רבות בכרומוספירה, התפרצויות שמש PROMINENCE, גושי פלסמה שאם רואים אותם מהצד נראים כמו להבות היוצאים מהשמש. ומעין סדקים שחורים - FILAMENTS - שהם  גושי פלסמה מעט יותר קרים. למעשה זה פחות או יותר אותו דבר והשאלה היא מאיזו זווית אנחנו מסתכלים על זה.

הקורונה

בכל אופן, השכבה הבאה באטמופסירה של השמש, האחרונה למעשה, היא הקורונה. כן כן, בסוף תמיד מגיעים לקורונה. נשתמש בשם העברי, עטרה. מה שיש שם זה גזים שהם מצד אחד הרבה יותר דלילים ממה שהיה קודם, ומצד שני הרבה יותר חמים. שוב נחזור על ההבדל בין טמפרטורה שנמדדת באופן די תיאורטי ושונה מהחום שאנחנו מכירים. איך בכל זאת מדדו שם את החום? לא ממש מדדו, מה שעשו זה לבדוק את הספקטרום פליטה של העטרה, כדאי לראות מה יש שם וגילו למשל ששיש קו פליטה שמתאים לברזל מיונן מאד, כזה שחסרים לו 8 או 9 אלקטרונים (FE IX  או FE X לכימאים מביניכם, אההמ). דבר כזה אפשרי רק בטמפרטורה של מיליון מעלות וזו שיטה אחת להגיע למסקנה שהטמפרטורה של העטרה היא מיליון מעלות.

לסיכום, הטמפרטורה במרכז השמש -15 מיליון מעלות. בפני השטח של הפוטוספירה הדלילה  - 6000 מעלות, ובעטרה - מיליון מעלות (אבל דליל מאד מאד).

עטרת השמש בליקוי חמה מלא

ככה נראית העטרה של השמש בליקוי חמה מלא. את הכרומוספירה יותר קשה לראות, רוב הזמן הירח מכסה גם אותה. רק כמה שניות בתחילת הליקוי המלא ובסיומו היא תיראה . האור של העטרה בהיר מאד , בסביבות הירח המלא (עד כמה עשרות יותר ממנו) ולכן גם בליקוי מלא, לא יהיה חושך גמור, אלא יותר כמו ליל ירח. אם תשימו לב לנקודה כחולה (וקצת לא בפוקוס) בצד שמאל למטה, זה כוכב רגולוס באריה.

העטרה נמשכת מיליוני קילומטרים מהשמש ואפשר לצפות בה מהחלל או בשעת ליקוי חמה מלא. ומה אחרי העטרה? חלקיקים מהשמש נפלטים ברוח סולארית או עם פליטות מהקורונה כל הזמן, ולמעשה אפשר לומר שהאטמוספירה של השמש נמשכת הרבה מעבר לנפטון.

בנושא זה נגעתי במאמר העוסק במיקומה של חללית וואיג'ר שנמצאת בקצה האטמוספירה של השמש

השדה המגנטי של השמש

בכדור הארץ אנחנו יותר מבינים את העניין יש יש ליבת ברזל, ושכבת ברזל נוזלי שסובבת אותוה, וזה די דומה לדינמו שהיה לנו על האופניים או לכל מנוע חשמלי אחר. בשמש יש בעיקר מימן  אבל לא חסרים אלקטרונים ואלו נמצאים בתנועה מתמדת. התנועה יוצרת את השדה המגנטי. מקום אחד בו נוצר השדה הוא בין השכבות השונות של השמש, שמהירותן שונה. המשך השדה הוא באותם גושי פלסמה העולים בשכבת הקונווקציה.

כך מוסברת גם התופעה של כתמי השמש. אלו אזורים מעט יותר קרים בפוטוספירה, אולם בהם יש פעילות מגנטית רבה. אפשר לדמות את זה, בפשטנות מרובה, למעין "חורים" או צינורות בשמש, אשר מעבירים פלזמה, ובעיקר אנרגיה לשכבות החיצוניות יותר, הכרומוספירה והקורונה - ואותה אנרגיה המגיעה כשדה מגנטי, היא התורמת לטמפרטורה הגבוהה שם (הכוח החשמלי, מאיץ את האלקטרונים ובכך גם מעלה את הטמפטורה).

על כתמי שמש כתבתי בעבר ואפשר לקרוא כאן: מאמר הרחבה על כתמי שמש

חלקיקים טעונים מהשמש שמגיעים לכדור הארץ נתקלים בשדה המגנטי של כדור הארץ עצמו ובשכבות הגבוהות של האטמוספירה, ההתנגשויות האלו פולטות אור ירוק שמכונה זוהר הקוטב, או "הזוהר הצפוני".

אם מגיעים חלקיקים רבים, למשל אחרי התפרצות שמש רצינית, ההתפרצות יכולה למעוך מעט את השדה המגטני של כדור הארץ. מקרים כאלו יכולים לגרום להפסקות חשמל ושיבושי תקשורת שונים. אם יש שתי התפרצויות מהירות, הראשונה תמעך את השדה והשנייה תפגע בארץ כמעט בצורה ישירה, וכך הנזק יכול להיות חמור יותר. אין הרבה מה לעשות בנושא, חוץ מאשר לעקוב ולנסות להתריע

קולה של השמש

בשמש יש גם גלי קול. כל התנועה של הגזים יוצרת שינויי לחץ ואלו למעשה גלי קול. הגלים ארוכים מאד מאד, הרבה מתחת לסף השמיעה האנושי (אורך גל של קילומטרים), אולם הכמות שלהם גדולה והם מאפשרים גם מחקרים על השמש. גלי הקול נעים בתוך השמש, אולם אינם יכולים לצאת ממנה, האטמוספירה דלילה מדי. במקום זה הם חוזרים לתוך השמש, אולם הלחץ דוחף חלק מהפלסמה עוד יותר למעלה. גם תהליך זה, גורם לשמש לבעבע, אבל הוא גם חלק ממה שדוחף פלזמה החוצה מן השמש, לכרומוספירה, משם לקורונה, ומשם הרחק הלאה עד לקצה מערכת השמש. בבעבוע עצמו אפשר לצפות מכדור הארץ באמצעות מדידה מדוייקת של אורכי הגל והתחשבות באפקט דופלר (גלים המגיעים מעצם הנמצא בתנועה אלינו ואחרים בתנועה בכיוון ההפוך).

רוצים לשמוע? בבקשה. תזכרו כמובן שהשמש לא נשמעת ככה, והרעש הוא תוצאה של תהליכים ובעיקר הגברת המהירות פי 40000 בערך על מנת להגיע לאורכי גל שאנחנו בכלל יכולים לשמוע וגם הם נמוכים למדי. הסברים נוספים באתר NASA.