שמש לא שקטה

בציורים ובתמונות, השמש נראית לעתים קרובות כעיגול מושלם של אור, מקרינה את האנרגיה שלה באופן שווה לכל הכיוונים. אבל אם נסתכל מקרוב יותר נראה אותה, מפעם לפעם, מתפרצת בכיוון מסוים. התפרצות שמש מתרחשת כאשר אנרגיה האגורה בשדה המגנטי של השמש משתחררת בפתאומיות, ומחממת במהירות את החומר שבסביבתה לטמפרטורה של מיליוני מעלות. כתוצאה מכך נפלטת כמות אדירה של קרינה, המתפרשת על כל הספקטרום האלקטרומגנטי: מקרני גמא דרך קרני רנטגן ועד גלי רדיו. האטמוספרה שלנו אמנם מגינה עלינו מפני פגיעה בריאותית, אך כאשר הקרינה הזאת מגיעה אל כדור הארץ היא עלולה לשבש שידורי תקשורת. אבל נחזור להתחלה: למה בכלל יש לשמש שדה מגנטי?

התפרצות שמש מתרחשת כאשר אנרגיה האגורה בשדה המגנטי של השמש משתחררת בפתאומיות. התפרצות שמש שתועדה ביולי 2022 | Miguel Claro / Science Photo Library

מגנטים לוהטים

כאשר מחממים גז לטמפרטורות גבוהות מאוד הוא הופך לפלזמה – גז מיונן. בתהליך היינון משתחררים אלקטרונים מהאטומים שמרכיבים את הגז, ומתקבלים חלקיקים חופשיים בעלי מטען חשמלי: אלקטרונים שליליים וגרעיני אטום ("יונים") חיוביים. חוקי האלקטרודינמיקה מלמדים אותנו שכאשר חלקיק טעון נע, הוא יוצר סביבו שדה מגנטי. גם התרחיש ההפוך מתקיים – חלקיק טעון שנמצא בסביבת שדה מגנטי ינוע בהשפעתו, ויצור זרם חשמלי. זהו למעשה העיקרון הנמצא ביסודו של גנרטור הדינמו.

השמש היא כדור גדול עשוי פלזמה שמסתובב סביב צירו. טמפרטורת פני השטח של השמש נמוכה יותר מהטמפרטורה בפנים השמש. כתוצאה מהפרשי הטמפרטורות, חומר חם מהשכבות העמוקות יותר של השמש עולה למעלה, בעוד שחומר קר מהשכבות החיצוניות שוקע פנימה. תהליך זה נקרא הסעה (convection), והוא האחראי גם לתנועת הערבול שניתן לראות כשמרתיחים מים בקומקום. תנועת חלקיקי הפלזמה הטעונים בהשפעת ההסעה והסיבוב של השמש סביב עצמה גורמים ליצירת שדות מגנטיים, שבתורם משפיעים בחזרה על תנועת החלקיקים הטעונים. התנועה המורכבת שנובעת מהשילוב בין ההסעה, הסיבוב העצמי של השמש – שהמהירות שלו שונה בקווי רוחב שונים על פני השמש – והשדות המגנטיים המקומיים הופכת את השדה המגנטי הכולל של השמש למורכב במיוחד. למעשה, השדה המגנטי של השמש עדיין נחקר, ואנחנו עדיין לא יודעים כיצד בדיוק ובאיזה עומק הוא נוצר.

התנועה המורכבת שנובעת מהשילוב בין ההסעה, הסיבוב העצמי של השמש והשדות המגנטיים המקומיים הופכת את השדה המגנטי הכולל של השמש למורכב במיוחד. מודל של השדה המגנטי של השמש | NASA's Scientific Visualization Studio

קרן שמש מנומרת

התפרצויות שמש מתרחשות ב"אזורים פעילים" – אזורים שבהם, באופן זמני, השדה המגנטי של השמש חזק במיוחד וצורתו מעוותת. באזורים כאלה מתפתחים לרוב "כתמי שמש", מעין כתמים כהים המופיעים על פני השמש לזמן מה ואחר כך נעלמים. באזורי הכתמים, העיוות בשדה המגנטי עוצר את הסעת חום השמש מהשכבות העמוקות יותר החוצה, הטמפרטורה יורדת ומתקבל צבע כהה.

סרטון של נאס"א המתאר את השינויים בשדה המגנטי של השמש:

3,000 שנה של מעקב אחר פעילות השמש

התצפית המתועדת הראשונה בכתם שמש מופיעה כבר ב"ספר התמורות" (ה"אי צ'ינג") הסיני, שנכתב לפני למעלה מ-2,800 שנה. החל משנת 28 לפני הספירה תיעדו האסטרונומים הסינים את כתמי השמש באופן שיטתי. 

התיעוד הראשון לכתם שמש בעולם המערבי הוא של הפילוסוף היווני תאופרסטוס, משנת 300 לפני הספירה בערך. הראשון שצפה בכתמי שמש בעזרת טלסקופ – או לפחות, הראשון שתיעד זאת – היה האסטרונום האנגלי תומס הריוט (Harriot), בדצמבר 1610. בשנת 1775 הבחין האסטרונום הדני כריסטיאן הורבו (Horrebow) במחזוריות של שנים אחדות במספר ובגודל של כתמי השמש. במאמר שהתפרסם בשנת 1801, טען האסטרונום הבריטי ויליאם הרשל (Herschel) שמצא קשר בין המספר והצורה של כתמי השמש לבין הטמפרטורות הנמדדות על פני כדור הארץ, ואף בין מספר כתמי השמש לבין מחירי החיטה בבריטניה. טענות אלה הופרכו מאוחר יותר. בשנת 1843 הראה האסטרונום הגרמני היינריך שוואבה (Schwabe) מחזוריות ברורה במספרם הממוצע של כתמי השמש, וב-1852 יצר האסטרונום השווייצרי רודולף וולף (Wolf) מיספור בדיעבד של מחזורי השמש החל מאמצע המאה ה-18; המחזור שהחל בשנת 1755 נקבע כמחזור הראשון לספירה. מחזור השמש אורך כ-11 שנים בממוצע, ומוגדר כפרק הזמן בין שתי תקופות שפל של הפעילות השמשית.

התצפית המתועדת הראשונה בכתם שמש מופיעה כבר ב"ספר התמורות" הסיני, שנכתב לפני למעלה מ-2,800 שנה. צילום של כתמי שמש | Claus Lunau / Science Photo Library

בעזרת ניתוח של שכיחות האיזוטופ פחמן 14 בטבעות עצים, הצליחו חוקרים לשחזר בשנת 2004 את רמת הפעילות השמשית ב-11,400 השנים האחרונות, מאז עידן הקרח האחרון. החוקרים מצאו שב-90 אחוזים מהתקופה הממושכת הזאת הייתה רמת הפעילות של השמש נמוכה מכפי שהייתה בין שנות ה-40 של המאה ה-20 עד לתחילת שנות האלפיים, וכמעט כל התקופות הקודמות של פעילות מוגברת היו קצרות יותר מאשר התקופה הזאת. במחזור השמש האחרון שהסתיים, מחזור מספר 24 שנמשך מדצמבר 2008 עד דצמבר 2019, פעילות השמש הייתה דווקא חלשה בהרבה מהרגיל בעשרות השנים האחרונות, בדומה לרמה שנצפתה מסוף המאה ה-19 עד תחילת המאה ה-20. 

האם יש קשר בין רמת הפעילות של השמש לבין התחממות כדור הארץ? רוב החוקרים סבורים שתרומת השמש להתחממות שאנו מודדים בעשורים האחרונים אינה משמעותית. לראיה, כדור הארץ מתחמם החל מאמצע המאה ה-20, ואילו בעוצמת הקרינה המגיעה אלינו מהשמש לא חל שינוי משמעותי לפחות מאז אמצע המאה ה-19. נוסף על כך, אילו הגורם העיקרי להתחממות כדור הארץ היה השמש, היינו מצפים שכל שכבות האטמוספרה תתחממנה, בעוד שבפועל בשכבה העליונה של האטמוספרה (הסטרטוספרה) נצפית דווקא התקררות.

מחזור השמש אורך כ-11 שנים בממוצע, ומוגדר כפרק הזמן בין שתי תקופות שפל של הפעילות השמשית. גרף המראה את מחזוריות כתמי השמש | NOAA, Space Weather Prediction Center

כאשר רוח השמש מגיעה לכדור הארץ

מלבד התפרצויות וכתמי שמש, פעילות השדה המגנטי יכולה לגרום גם להתפרצות של חלקיקים מעטרת השמש (Coronal mass ejection). העטרה היא מעין הילה חמה מאוד המקיפה את השמש, המורכבת בעיקר ממימן מיונן. בגלל הטמפרטורה הגבוהה של העטרה, היא פולטת בלי הרף חלקיקים טעונים אל החלל, תופעה המכונה "רוח השמש". חלקיקים טעונים אלה נמשכים אל הקטבים המגנטיים של כדור הארץ, ועל כן יכולים להילכד בשדה המגנטי של כדור הארץ באזורי הקטבים. כאשר חלקיקים טעונים אלה פוגעים במולקולות בשכבות הגבוהות של האטמוספרה, נפלט אור אופייני שאנו מכירים אותו כ"זוהר הקוטב".

כאשר חלקיקים טעונים מרוח השמש פוגעים במולקולות בשכבות הגבוהות של האטמוספרה, נפלט אור אופייני שאנו מכירים אותו כ"זוהר הקוטב". מפגן מרהיב של זוהר הקוטב מעל אלסקה | ויקיפדיה, United States Air Force

זוהר הקוטב

כאשר הפעילות המגנטית של השמש מגבירה את רוח השמש, עשויה להתחולל סערה גיאומגנטית – הפרעה זמנית בשדה המגנטי של כדור הארץ. במקרים קיצוניים סערה כזאת עלולה לשבש את פעילותם של לוויינים, קווי מתח גבוה, שידורי תקשורת, שידורי מכ"ם, מערכות ניווט ועוד.

בזכות האטמוספרה והמגנטוספרה של כדור הארץ, החיים על פני כדור הארץ מוגנים יחסית מהשפעותיהן של סערות גיאומגנטיות. אבל אסטרונאוטים או אנשים הטסים בגובה רב, מחוץ למעטפת ההגנה הזאת או בשוליה, עלולים לסבול מהשלכות בריאותיות חמורות, כמו היווצרות מוטציות הגורמות לסרטן, בעקבות חשיפה לסערה גיאומגנטית. יש הטוענים כי סערות כאלה משפיעות גם על בעלי חיים הנעזרים בשדה המגנטי לניווט ולנדידה, אך המחקר בתחום עודנו בחיתוליו.

לעולם בעקבות השמש

מחזור השמש הנוכחי, ה-25 במספר, התחיל בדצמבר 2019 וצפוי להימשך עד 2030 בערך. לפי רוב התחזיות, הוא צפוי להיות חלש יחסית (בדומה למחזור הקודם), אך התצפיות משלוש השנים הראשונות של המחזור מעידות על רמת פעילות גבוהה מהחזוי, אם כי עדיין נמוכה מזו של המחזורים של המאה ה-20. כך, למשל, התרחשו שתי התפרצויות חזקות במיוחד באוגוסט האחרון. מכל מקום, שיא הפעילות של המחזור עוד לפנינו, וצפוי להתרחש לקראת סוף 2024 או במהלך 2025. 

אף שהחוקרים בתחום מסכימים כי לרמת הפעילות השמשית אין השפעה של ממש על התחממות כדור הארץ, המחזור השמשי עדיין יכול להשפיע על חיי היומיום שלנו – בגלל שיבוש מערכות תקשורת וניווט ופגיעה בקווי מתח גבוה. מלבד חשיבותה המעשית, לחקר פעילות השמש יש חשיבות תיאורטית רבה. המשך התצפיות והמעקב אחר השמש ופעילותה המגנטית ירחיבו את ידיעותינו על אופן ההיווצרות וההתפתחות של השדה המגנטי של השמש – ושל כוכבים אחרים ברחבי היקום.