השמש ואנחנו: ריקוד מחזורי

גם ממרחק יחידה אסטרונומית תמימה (קרוב ל-150 מיליון ק"מ), אור השמש וחומה חיוניים לקיום חיים על כדור הארץ. אנו תלויים בשמש, אך יש לזכור כי תלות זו היא לטוב וגם לרע. תנודות מחזוריות בשטף האנרגיה המגיע מן השמש, בכוחן לעשות שמות בטכנולוגיה אלקטרונית המשליטה סדר בחיינו. גרוע מכך, השמש עלולה להמיס את קרחוני כדור הארץ, ולמחות את החיים על פני האדמה. מערכת היחסים שלנו עם השמש הדוקה: אנו סובבים איתה את מרכז הגלקסיה ושורדים בחסדיה. השמש, כפי שאנו מכירים אותה, תמות יום אחד, ואנו נכחד כבר כשתתחיל להרגיש לא טוב.

השמש: מן הפנים החוצה

השמש היא כוכב. הווה אומר, היא פועלת ככור גרעיני, שבליבתו תהליכים המייצרים אנרגיה בכמות עצומה. אנרגיה זו משתחררת דרך שכבות השמש, ואנו זוכים לחלק זעיר ממנה בכדור הארץ. בעבר הניחו שהמקור לאנרגיית השמש הוא פחם, או חום שמשתחרר מדחיסת החומר שבתוכה; אך שני מנגנונים אלו הגבילו את גיל השמש לעשרות מיליוני שנים, במקרה הטוב. מאז התברר כי מקור אנרגיית השמש הוא תהליכים תרמו-גרעיניים המתרחשים בליבתה. מדוע פעילות השמש – כתמים, התפרצויות ועוד, מופיעים במחזוריות קבועה? כדי להבין זאת צריך לחלק את השמש לשני חלקים, פְּנים וחוץ – ונתחיל בליבתה.

נפח ליבת השמש הוא רק 10% מנפח השמש כולה, אך בתוכה מצטופפים 40% ממאסת השמש. בצפיפות כזו (כ-150 גר' לסמ"ק, פי 11 מעופרת) מתרחשים התהליכים התרמו-גרעיניים המעניקים לשמש אנרגיה. הטמפרטורה המשוערת של ליבת השמש היא כ-13 מיליון מעלות. בליבה יש גרעיני מימן H¹ (פרוטונים) רבים, שפוגשים זה את זה בתנועתם. לעתים שני פרוטונים מתנגשים במהירות כה רבה, עד כי הם מתאחדים ויוצרים גרעין דאוטריום (D²) וחלקיקים נוספים. גרעין הדאוטריום נע גם הוא, וכאשר הוא פוגש פרוטון, ומהירות שני החלקיקים מספקת, הם מתלכדים ונוצר גרעין הליום-3 (₂H_e³). כאשר שני גרעיני הליום-3 כאלו מתנגשים במהירות מספקת, נוצר גרעין הליום-4 (₂H_e⁴) ושני פרוטונים. בתהליך זה, הנקרא נוקלאוסינתזה נפלטים גם אלקטרונים, חלקיקי נייטרינו וקרינת גאמא (γ), צורת אנרגיה המופקת בשמש. את הליבה עוטפת שכבת הקרינה (Radiation Zone). עובייה של שכבה זו הוא 750 אלף ק"מ, והטמפרטורה בה היא חמישה מיליון מעלות בממוצע. חום נע מהליבה דרך שכבת הקרינה בתהליך שנקרא Radiative Diffusion. זוהי מעין הכלאה בין הקרנת חום (Radiation) להולכתו באמצעות העברת אנרגיה קינטית בין חלקיקים (Conduction). השכבה הפנימית האחרונה של השמש היא שכבת ההסעה (Convection Zone). בשכבה זו, הטמפרטורה עומדת על 1 מיליון מעלות. החלקיקים נעים מתחתית שכבת ההסעה כלפי חוץ, ומגיעים למרחק של 150 אלף ק"מ, עובי שכבת ההסעה. במהלך תנועה זו הם מתרחקים ממקור החום של השמש, הליבה, מתקררים וצונחים חזרה למטה. החלקיקים נעים במעין בועות של פלזמה חמה יותר מסביבתה. כאשר בועה כזו מגיעה לקצה החיצוני של שכבת ההסעה, היא נפרצת בחלקה העליון, והפלזמה שבה שוקעת למטה. אפשר לפגוש תנועה דומה, אך עם אוויר חם, באטמוספרת כדור הארץ, עם סיליקון חם במנורות לבה, ואפילו עם מים חמים בסיר רותח. בשמש מדובר בתופעה עוצמתית הרבה יותר: קוטרו הממוצע של תא הסעה בשכבת ההסעה נע בין 150 ל-30,000 ק"מ.

אפשר לסכם שלשמש שלוש שכבות פנימיות: הראשונה היא הליבה שבה מתקיים תהליך הנוקלאוסינתזה, השנייה היא שכבת הקרינה, והשלישית היא שכבת ההסעה, שמסיעה את חום השמש אל השכבה הבאה, שכבת הפוטוספרה (Photosphere).

התנודות המחזוריות המגיעות מהשמש עלולות להרוס את הטכנולוגיות שלנו
תמונה: שאטרסטוק

הפוטוספרה, מוגדרת לרוב כ"פני השטח של השמש", מפני שאי אפשר לראות מבעדה בכלֵי תצפית אופטיים; עובי הפוטוספרה הוא רק כ-400 ק"מ, והטמפרטורה הממוצעת בה היא 5,800 מעלות. בפוטוספרה נראים גרגרים (Granules), שהם הקצה העליון של תאי ההסעה משכבת ההסעה, וכן נראים כתמי שמש ותופעות נוספות. אם הפוטוספרה נחשבת לפני השמש, שכבת הכרומוספרה (Chromosphere) היא אטמוספרת השמש. מפתיע, אך שכבה זו (שעוביה כ-2,500 ק"מ) חמה יותר מהשכבה שתחתיה – הטמפרטורה שלה 10,000 מעלות. בכרומוספרה נמצאים אטומי מימן שיורדים מרמת אנרגיה שלישית לשנייה, ופולטים בשל כך אור ורדרד-אדמדם – הוא הצבע של שכבת הכרומוספרה. שכבת ה"אטמוספרה העליונה" של השמש היא העטרה (Corona). זוהי שכבה דלילה בחומר אך לוהטת (מעל שני מיליון מעלות באזורים מסוימים שלה). האטומים הכבדים שבה מיוננים מאוד, ואפשר למצוא בה אטומי ברזל שאיבדו אפילו 13 אלקטרונים. מאחר שקשה לשחזר במעבדה ארצית את רמות היינון שנובעות מהטמפרטורה בעטרת השמש, אפשר לראות בעטרה מעבדה ייחודית למחקר פלזמה. את העטרה אפשר לראות בתמונות ליקויי חמה מלאים שצולמו מכדור הארץ אפילו במצלמות ביתיות, וצורתה (המשתנית) מוכתבת מצורת השדה המגנטי של השמש.

מחזורי השמש

מחקר תופעות פוטוספריות בכלל, וכתמי שמש בפרט, נמשך מזה 400 שנה (יש עדויות לתצפיות סיניות בכתמי השמש לפני כ-2,000 שנה, אך ללא מכשירי תצפית). השנים 1715-1645 ו-1830-1790, התאפיינו במספר נמוך מאוד של כתמי שמש, התמעטות שאין לה הסבר. התקופה הראשונה מכונה מינימום מאונדר, ע"ש חוקר כתמי השמש האנגלי אדווארד מאונדר (Maunder, 1928-1851), והתקופה השנייה מכונה מינימום דלטון, ע"ש ג'ון דלטון (Dalton, 1776-1844), אבי התורה האטומית, שעסק גם במטאורולוגיה. מספר כתמי השמש הממוצע ב-30 שנים במינימום מאונדר עמד על 30 בלבד, כאלפית מהרגיל. אך פרט לתקופות מינימום מוגבלות (כולל אלו שלא הוזכרו), מספר ועוצמת כתמי השמש ופעילויות אחרות עולים, מגיעים לשיא ופוחתים שוב מדי 11 שנים.

השמש עלולה להמיס את הקרחונים ולמחות את החיים מעל פני כדור הארץ תמונה: שאטרסטוק

כתמי שמש

לפני שנבין מהם כתמי שמש, נכיר את הקטר והנתב של הדינמיקה שלהם: השדה המגנטי של השמש. זרמי ברזל מותך בליבת כדור הארץ הם האחראים לשדה המגנטי הארצי, אך לשמש אין ליבת ברזל. חלקיקים טעונים הנעים בין שכבה הקרינה לשכבת ההסעה (בשכבת גבול הנקראת Tachocline) יוצרים זרמים חשמליים. וכפי שזרם חשמלי בחוט נחושת יוצר שדה מגנטי סביב החוט, כך נוצר בשמש שדה מגנטי. השדה המגנטי של השמש, בתקופה שקטה של פעילות (מינימום) הוא דיפולי (דו-קוטבי), כלומר בעל קוטבי צפון ודרום, בדומה לכדור הארץ. קווי השדה המגנטי יוצאים מקוטב שמשי אחד למשנהו וחוצים אותה באופן אנכי כאילו היו קווי אורך. ואולם מצב זה לא נמשך זמן רב. השמש היא כדור פלזמה שאינו מוצק, ועל כן חלקיו סובבים במהירות שונה זה מזה. בשל כך כתמי שמש הקרובים לקו המשווה השמשי, ינועו ממזרח למערב השמש מהר יותר מכתמי שמש בקווי רוחב גבוהים. כתוצאה מתנועה לא אחידה זו של פני השמש, נמתחים קווי השדה המגנטי האנכיים, והם הופכים כמעט אופקיים, כאילו היו קווי רוחב. נמצא שמתיחת קווי השדה המגנטי גוברת ככל שמתקרבים לקו המשווה. תוך התלפּפות קווי השדה המגנטי האופקיים סביב השמש, הם נעים לקווי רוחב גבוהים יותר בשמש ונדחקים זה אל זה. לעתים ייצמדו שני קווי שדה מגנטי עד שיתלכדו וייצרו קו אחד בעל פיתולים. פיתולים אלו יוצרים קשתות מגנטיות המתרוממות מעלה. הפיתול המגנטי נוצר בשכבת ההסעה, וחלקו העליון, קשת מגנטית רבת עוצמה, עשוי להגביה עד שכבת הפוטוספרה ולחדור אותה. בעת ריבוי הפיתולים מתרבות גם קשתות אלו, ומתרבה פעילות השמש. מדי 11 שנה מגיע השדה המגנטי לשיא במספר הפיתולים, ומסיבה עלומה הוא מתייצב לאיטו חזרה למצב דיפולי, וקווי השדה המגנטי שוב חוצים את השמש בצורה אנכית. רק שאז קוטבי השמש התהפכו: מה שהיה צפון הוא כעת דרום ולהיפך. היפוך קוטבי זה חוזר על עצמו במשך 11 שנים נוספות, ומדי 22 שנים חוזרת השמש למצבה המקורי. דפוס מחזור בן 11 שנים נראה גם בפעילות השמש.

לחדירת קשת מגנטית לפוטוספרה יש השפעה אזורית. באזור שהקשת חודרת, חלקיקי הפלזמה הטעונים באזור לא יכולים לנוע בחופשיות. החלקיקים אינם יכולים לחצות אופקית את השדה המגנטי. על כן הם נדחים ממנו. נזכיר כי מדובר בשכבה המורכבת מגרגרים (גרנולות), שהם הקצה העליון של תאי הסעת החלקיקים משכבת ההסעה. כך נוצר מצב שבו חלקיקים לוהטים שעלו משכבת ההסעה התקררו וירדו חזרה למטה, ואילו חלקיקים חדשים לא מגיעים למלא את החסר. המחסור בפלזמה חמה מוריד את טמפרטורת האזור. עם ירידת הטמפרטורה צונחת גם הבהירות המקומית ונצפַּה במקום כתם שמש. אם נמדוד את הכתם באמצעים מגנטיים, נגלה כי במקום שורר שדה מגנטי אדיר, שעוצמתו מגיעה עד 10,000 גאוס! קשתות עוצמתיות יותר יכולות להגיע עד לכרומוספרה, וליצור בה התפרצויות עדינות (Prominence) של פלזמה כרומוספרית. מפגש בין שדות מגנטיים בקוטביות הפוכה יוצרים שלהבות שמש (sSolar Flare; "להבות שמש"). "שלהבת שמש" כזו פולטת חלקיקים בטמפרטורה של עד מיליון מעלות ובמהירות של כ-400 ק"מ בשנייה. חלקיקים אלה מצטרפים לרוח השמש (Solar wind), העשויה מחלקיקים שהתנתקו מהעטרה ומתרחקים מהשמש לחלל. במקרים מסוימים מגיעים חלקיקים אלה לכדור הארץ ומוסטים על ידי השדה המגנטי שלו. ואולם התפרצות חזקה יכולה ליצור לחץ על השדה המגנטי של כדור הארץ. לוויינים המקיפים את כדור הארץ בתוך השדה המגנטי מוגנים באמצעותו מפני רוח השמש המזיקה. עם זאת, ענן רוח שמש יכול להעיק על השדה המגנטי, לעוות אותו ולחשוף לוויינים לשדות מגנטיים בענן. ענן רוח השמש עלול אף להתחבר בחלקו לשדה המגנטי של כדור הארץ ולחדור לתוכו. לוויינים שלא תוכננו כראוי יהיו פגיעים ביותר, ועשויים להפסיק את תפקודם באופן זמני או מוחלט. אם הענן יוצר די לחץ על השדה המגנטי, ייחשפו אליו גם תשדורות קרקעיות, תשתיות חשמל ועוד. כך שקשת מגנטית המתפרצת בשמש, יכולה לגרום אחרי ארבעה ימים לפגיעות קשות בכדור הארץ.

כאמור, אין תשובה לשאלת מחזוריות השדה המגנטי השמשי. על פי פרופ' לאון אופמן, חוקר שמש מאוניברסיטת תל-אביב ומנאס"א, קיימים מודלים שיכולים להסביר ולצפות את היפוך קוטבי השמש, אך עדיין לא להסביר בפרוטרוט את המנגנון המביא לכך.

התפרצות חזרה של השמש יכולה ליצור לחץ על השדה המגנטי של כדור הארץ ולוויינים שללא תוכננו כראוי יהיו פגיעים ביותר תמונה: שאטרסטוק

מחזור השמש הנוכחי

פרופ' אופמן מספר שאנו נמצאים בשלב התעצמות של מחזור השמש הנוכחי. התעצמות זו מגיעה לאחר מינימום יוצא דופן, שבו היתה פעילות השמש נמוכה בתדירותה ובעוצמתה בין השנים 2009-2005 (מחזור 23). הדעות לגבי אופי מחזור 24 חלוקות, אומר פרופ' אופמן, ויש פערים של כ-50% בין המודלים השונים בחיזוי עוצמת המחזור.

לדברי אופמן, קשה יותר לחזות את נפתולי המחזור הבא לאחר מינימום כה ארוך ויוצא דופן. ואולם אם לשפוט לפי פעילות השמש הנוכחית, נראה שלא צפויות הפתעות במחזור 24. אנחנו לא בפתחו של מינימום מאונדר, או אפילו מינימום דלטון, בני זמננו. מחזור 24 החל בעלייתו האיטית ב-2010, ותחזיות משנים קודמות שחזו אפס פעילות שמש בעשרות השנים הבאות כבר תוקנו. תחזיות לגבי מחזור 25 ומחזורים שלאחריו יהיו כבר בגדר ניחוש, לפי אופמן, מפני שיכולת החיזוי של תהליכי השמש הפנימיים לטווח ארוך עדיין נשגבים מאיתנו.

יכולת החיזוי שלנו בטווח הקצר, לעומת זאת, השתפרה פלאים. אופמן מציין כי חלליות מחקר שמש בשילוב עם מודלים ממוחשבים הביאו לקפיצה של ממש בחיזוי כתמי שמש, התפרצויות שמש ועוד תופעות קצרות טווח. משימות כגון TRACE, SOHO ו-STEREO מאפשרות לערוך תצפית רצופה על אזורים פעילים על השמש המוּעדים לפורענות, תצפית שאינה תלויה בחסדי מזג אוויר או זמני זריחת ושקיעת השמש. עם משימת STEREO כפולת החלליות, צופים בה בעת הן בצד השמש הפונה לכדור הארץ והן בצדה הנגדי. הודות למשימה זו אפשר לזהות כתם שמש או התפרצות בהיוולדם בצידה הנסתר של השמש, ולחשב האם יפנו לכדור הארץ ברגע האמת. משימות ה-Solar Probe וה-Solar Orbiter שפכו אור נוסף על תהליכי השמש, ואפשר לקוות שבעתיד נוכל לדעת את "מזג החלל" בדיוק רב ולחזותו תקופה ארוכה מראש.