פוטוספירה

הפוטוספירה היא השכבה הראשונה העוטפת את ליבת השמש ובה מתרחש המעבר מאנרגיית ההתכה הגרעינית לאור וחום. קרינת הפוטוספירה עוברת בהמשך לשכבות הכרומוספירה והעטרה (קורונה), ומשם לחלל. בשכבה זו נוצרים כתמי שמש (שדות מגנטיים חזקים ושינויי טמפרטורה קיצוניים) הנקראים faculae ונקודות של פעילות מגנטית חזקה. מימנה מתפרצים התפרצויות סולריות, שחוצות את הכרומוספירה והקורונה. הפוטוספירה היא האזור שבו קרינת האור דומיננטית.^[1]

ערך זה משתתף בתחרות הכתיבה "מקצרמר למובחר" של ויקיפדיה העברית והוא בשלבי כתיבה. אתם מתבקשים לא לערוך ערך זה עד שתוסר הודעה זו. אם יש לכם הצעות לשיפור או הערות אתם בהחלט מוזמנים לכתוב על כך בדף השיחה. לרשימת הערכים המשתתפים בתחרות גשו לכאן. תודה על שיתוף הפעולה ובהצלחה!

מבנה השמש - כוכב הסדרה הראשית מסוג G:

1. ליבת השמש 2. האזור הקרינתי 3. האזור ההסעתי 4. פוטוספירה 5. כרומוספירה

6. עטרה 7. כתם שמש 8. גִּרְעוּן 9. התפרצות סולרית

נתונים פיזיקליים

עובי: כ-400-500 ק"מ (דק מאוד ביחס לרדיוס השמש של כ-696,000 ק"מ).

טמפרטורה: יורדת מכ-6,500K (מעלות קלווין) בבסיס השכבה לכ-4,400K בחלקה העליון.

טמפרטורה אפקטיבית: כ-5,778K (זו הטמפרטורה שקובעת את הספקטרום).

צפיפות: כ-10^-4 ק"ג/מ"ק בחלקה התחתון.

לחץ: כ-0.1 בר (יחידת לחץ) בבסיס השכבה.

הרכב: בעיקר מימן (73%) והליום (25%), עם יסודות כבדים בכמויות קטנות.^[2]

ערך מורחב – השמש

השכבות שמעל לפוטוספירה

כרומוספרה (Chromosphere) – שכבה דקה יחסית מעל הפוטוספרה (מספר אלפי ק"מ בממוצע), פחות צפופה, והצבע הנראה שלה באור לא מקוטב הוא אדמדם (Hα, האופייני למימן מעורר)) כתוצאה מבליעת אור בתחום הכחול עד על-סגול ונראית בתצפית מכדור הארץ רק באור מקוטב או בתצפית עקיפה כמו בליקוי מלא או בעזרת מסנני Hα. הטמפרטורות מתחילה בערכים שמעט גבוהים מהפוטוספרה ובניגוד למצופה עולה עם הגובה (המרחק מהליבה (core)) בערכים של 3000 עד 5000K תלוי באזור ובשעה. ומשתנה במעבר לעטרה. הכרומוספרה דינמית מאוד ומנוהלת על-ידי השדה המגנטי.

עטרה (Corona) – השכבה החיצונית של האטמוספירה של השמש מתפרסת למיליוני קילומטרים, מאוד דלילה אך חמה מאוד (טמפרטורות טיפוסיות של ~1–2 מיליון K ואף יותר באזורים פעילים). קורונה נצפית בעל-סגול ורנטגן (EUV/X-ray) ובליקוי כמבנה הלבן זוהר. מנגנון החימום המדויק של הקורונה עדיין נושא למחקר (גלי הלם, שהן התפרצויות אקראיות של ריקון אנרגיה מגנטי).^[3] פני העטרה אינם חלקים, אלא מאופיינים בצברים דמויי גרעינים המסודרים בדומה לסידור גרעיני החמנית המצויה הנוצרים מזרמי פלזמה לוהטת שעולים משכבת ההסעה ומקרינים אור. קצותיהם הכהים של הגרעינים הם גז שהצטנן, היורד חזרה לשכבת ההסעה.

סוגי הקרינה של הפוטוספירה

קרינת האור הינה תוצאה מצטברת של פליטת פוטונים שמקורם בשכבה עצמה כתוצאה מקרינת הפלסמה הלוהטת יחד עם פוטונים שנוצרים בליבה בתהליך הגרעיני של התכת מימן להליום.

קרינה נראית: הרוב המוחלט של קרינת אנרגיה. ליבת השמש מתנהגת כמעט כגוף שחור בטמפרטורה של כ-5,778K. פוטונים הנפלטים מהליבה ויוצרים אור בפוטוספירה.

פס אור צהוב-ירוק: השיא של הקרינה (כ-500 ננומטר).

אינפרא-אדום: (תת-אדום)קרינת חום. חלק משמעותי מהאנרגיה הנפלטת.

אולטרא-סגול: (על סגול) חלק קטן יחסית מסך כל הקרינה מהפוטוספירה עצמה (הרוב מגיע משכבות גבוהות יותר).

קווי בליעת אור: בספקטרום נראים אלפי קווי בליעה (קווי פראונהופר) הנוצרים מבליעת אורכי גל האופייניים לאטומים שונים, כאשר בפוטוספירה הקווים השל מימן והליום הם הדומיננטיים.^[4]

פרדוקס הטמפרטורה של הפוטוספירה והכרומוספירה

שינויי הטמפרטורה שמעל לליבה, מתנהגים בניגוד למצופה. תופעה זו נקראת "פרדוקס הטמפרטורה של השמש": הטמפרטורה בפוטוספירה יורדת עם הגובה (המרחק מהליבה) מ-6,500K ל-4,400K. אבל במעבר לכרומוספירה ואחר כך לעטרה הטמפרטורה עולה שוב לכ-20,000K ובעטרה היא מגיעה למיליוני מעלות! איך האנרגיה מועברת נגד הזרם התרמודינמי זוהי אחת התעלומות המרכזיות בפיזיקה סולארית:י. ייתכן והגורם הם זרמי ההסעה (קונבקציה) הנגרמים על-ידי שדות מגנטיים.^[5]

אזור המעבר: בין הפוטוספירה לכרומוספירה יש אזור מעבר קצר (כ-100 ק"מ) שבו הטמפרטורה מתחילה לעלות.^[6]

כתמי שמש: פיזור לא אחיד, ומשתנה. במרכז אזור כהה (אומברה) ומסביבו אזור חם (פנומברה) ומבנה גרנולות המאפיין את השמש.

כתמי שמש (Sunspots)

ערך מורחב – כתם שמש

תופעה הנצפית מכדור הארץ, ומשתנה לעיתים. כתמי שמש בגדלים שונים מופיעים ונעלמים לעיתים תוך דקות ולעיתים במשך חודשים. כתמי השמש הם תופעה מורכבת, שבבסיסה תופעות המתחילות בפוטוספירה ונמשכות דרך הכרומוספירה והעטרה. אף כי היא נצפית מפני השמש (על העטרה), הבסיס ליצירת כתמי השמש היא הפוטוספירה. תצפיות מראות קשר בין תופעות אקלימיות על כדור הארץ וכתמי השמש.^[7]

מאפיינים פיזיקליים

גודל: מ-1,500 ק"מ (כתמים קטנים) עד 50,000 ק"מ ויותר (כתמים ענקיים).^[8]

משך חיים: כתמים קטנים: ימים בודדים, כתמים בינוניים: שבועות, כתמים גדולים: חודשים (הרקורד הוא כ-3 חודשים).

מיקום: בעיקר בין קווי רוחב ±5° ל-±35° של השמש (נדיר בקווים גבוהים יותר או בקו המשווה).

מגנטיות: השדות המגנטיים העוצמתיים האופייניים לכתמי השמש מעכבים את ההסעה התרמית, ולכן הטמפרטורה יורדת.^[9]

גרנולציה (Granulation): תבנית של "תאים" בהירים וכהים בגודל של כ-1,000 ק"מ, הנוצרים מזרמי הסעה שמעלים פלזמה חמה ומורידים פלזמה קרה יותר. כל תא חי כ-8-20 דקות.^[10]

פקולות (Faculae): אזורים בהירים סביב כתמי השמש, נראים בעיקר בקצוות הדיסק הסולארי.^[11]

החשכת קצוות (Limb Darkening): השמש נראית כהה יותר בקצוות הדיסק שלה, ההתקררות, והבליעה של אטומים שנפלטים מהשמש גורמים לנראות של טבעת שחורה.^[12]

אוסילציות (Solar Oscillations): תנודות מחזוריות של פני השטח בתדרים שונים, שמשמשות לחקר המבנה הפנימי של השמש (הליו-סיסמולוגיה).^[13]

מבנה פנימי של כתם שמש

כתם כהה על רקע האור המוקרן מהעטרה ונראה היטב מכדור הארץ, נחקר בהרחבה במאה השנים האחרונות. מתברר שהוא מורכב מאזורים שונים וכן מזרימות של פלסמה, חום ושדות מגנטיים.

אומברה (Umbra): החלק המרכזי והכהה ביותר של הכתם שבו הטמפרטורה: 3,700-4,200K (לעומת 5,778K בפוטוספירה הרגילה) עוצמת שדה מגנטי: 2,500-4,000 גאוס (פי 1,000 מהשדה הממוצע) צפיפות: גבוהה יותר מהפוטוספירה הרגילה. נראה כהה כי פולט פחות אור (רק כ-25% מהבהירות הרגילה).^[14]

פנומברה (Penumbra): האזור המקיף את האומברה: רוחב: פי 2-3 מקוטר האומברה. טמפרטורה: 5,000-5,500K (ביניים). מבנה סיבי: נראים "סיבים" רדיאליים היוצאים מהאומברה.^[15][16]

זרימות: תנועות של פלזמה לכיוון החוצה ("Evershed flow") במהירויות של 1-2 ק"מ/שנייה.^[17]

היווצרות כתמי שמש — המנגנון הפיזיקלי

מקור: שדות מגנטיים חזקים ("צינורות" פלזמה מגנטיים) שעולים מתוך האזור הקונבקטיבי מהליבה לפוטוספירה ונובעים מאפקט הדינמו (יצירת כוח חשמלי על-ידי שדות מגנטיים חזקים) השמשי

העיקרון: שדה מגנטי חזק מדכא תנועות קונבקציה (העברת חום על ידי זרמי גז) באותו אזור ולכן פחות אנרגיה מגיעה אל פני השטח והטמפרטורה יורדת שם ביחס לסביבה. התוצאה: בהירות נמוכה יותר ולכן אזור האומברה כהה יחסית.^[9]

תופעת הדיפול: הופעת כתמי השמש כרוכה בהתארגנות של זוגות כתמים בעלי קוטביות מגנטית הפוכה (ביפולריות): נוצר מצב שבו כתם נותן (leading) וכתם עוקב (trailing).מערכת הדיפול גורמת לסידור הזרמים העולים ויורדים בהתאם לשדות המגנטיים ההופכיים.^[18]

התפתחות והתנהגות של כתמי השמש

התפרצויות דמויות סיבים מסביב לכתם שמש באזור הפלומברה

ההופעה: מתחילים כ-"נקודות חלולות " (pores) קטנות הגדלות ומפתחות פנומברות (זרמים עולים דמויי סיבים) תוך 1-2 ימים.^[19]

קיטוב מגנטי: בדרך כלל מופיעים בזוגות (דיפול) או קבוצות עם קיטוב מגנטי מנוגד (קוטב צפוני ודרומי)

חוק שפורר: (Spörer's Law): (חוק שפֶּורר (Spörer’s Law), ע"ש האסטרונום הגרמני גוסטב שפֶּורר, שחי במאה ה־19) מתאר את השינוי במיקומם של כתמי השמש לאורך מחזור השמש (כ~11 שנים):בתחילת המחזור הכתמים מופיעים בקווי רוחב גבוהים (±35°), ובסוף המחזור קרוב יותר לקו המשווה (±5°).^[20]

התפוררות: מתפרקים בהדרגה, הפנומברה נעלמת קודם.

מחזור השמש

מחזור שוואבה (Schwabe Cycle): (קרוי על שם האסטרונום הגרמני היינריך שוואבה (Heinrich Schwabe), שבשנת 1843 פרסם את תצפיותיו רבות השנים על כתמי השמש. ) שוואבה הבחין שיש מחזוריות ברורה במספר הכתמים על פני השמש, החוזרת בערך כל 10–11 שנים. לפי השערתו הם משפיעים על אקלים כדור הארץ.^[21][22]

הליוסיסמולוגיה - מדע החוקר את התנודות בשכבות השמש.

מאפיינים עיקריים

1. אורך המחזור: בממוצע 11 שנים, אך בפועל משתנה בין 9 ל־14 שנים.
2. מינימום שמשי (solar minimum): תקופה שבה מספר הכתמים נמוך במיוחד ולעיתים כמעט לא נראים כתמים.
3. מקסימום שמשי (solar maximum): תקופה שבה יש שפע כתמים, פליטות אנרגיה חזקות מהעטרה וסערות שמש רבות.
4. כתמי שמש כמדד: מספר הכתמים הוא הסמן הנפוץ ביותר לקביעת מצב המחזור.
5. קשר מגנטי: המחזור המגנטי של השמש הוא למעשה כ־22 שנה (שני מחזורי שוואבה עוקבים), כי בכל מחזור היפוך כיווני השדה המגנטי מתרחש.^[21]

דיאגרמת הפרפר (Butterfly Diagram): ייצוג גרפי של תנועת הכתמים לכיוון קו המשווה לאורך המחזור^[23]

חוקים נוספים שקובעים את מיקום כתמי השמש בהתאם לתצפיות מכדור הארץ הם:

חוק הייל (Hale’s law): קובע את הקשר בין הקיטוב המגנטי של זוגות כתמים לבין ההמיספרה שלהם, ומשתנה בכל מחזור.^[24]

חוק ג'וי (Joy’s law): קובע נטייה (tilt) של קבוצות כתמים ביחס לקו המשווה של השמש.^[25]

כוחות גזירה הנובעים מהתנועה הדיפרנציאלית של שכבות השמש (ראה בהמשך).

גרנולציה (Granulation)

גרנולציה היא התופעה של יצירת אגרגטים הנצפים מכדור הארץ כפני חמנייה. (מספר 8 בתמונה). יש מספר סוגים של גרנולציה, הנצפים בעיקר מהעטרה (קורונה) אבל נוצרים למעשה כבר בפוטוספירה. ההבדלים נקבעים בגודל האגרגט ובמשך הזמן שמתקיים.^[10]

מנגנון פיזיקלי

מרכז התא (בהיר): נגרם על-ידי פלזמה חמה העולה מהליבה, פורצת דרך הפוטוספירה והכרומוספירה.

הפרשי טמפרטורה: במרכז התא כ־5,800–6,000 K; בשוליים הקרירים יותר כ־5,300–5,500 K. תנועה כלפי מעלה במהירות של 1-2 ק"מ/שנייה פליטת אור חזקה יותר.

שולי התא (כהים): פלזמה קרה יורדת והטמפרטורה נמוכה יותר. ההתקררות גורמת לתנועה כלפי מטה, במתווה של אזורים צרים יותר בין התאים (כ-100 ק"מ רווח בין התאים)

גרנולציה רגילה

גודל תא: 700-1,500 ק"מ (ממוצע: 1,000 ק"מ).משך חיים: 8-20 דקות (ממוצע: 10 דקות). מהירות תנועה: מהליבה את פני העטרה 1-2 ק"מ/שנייה.

סופרגרנולציה (Supergranulation)

גודל: 20,000-35,000 ק"מ (פי 20-30 מגרנולציה רגילה).משך חיים: 24-48 שעות (כיום אחד בממוצע).מהירות: 0.3-0.5 ק"מ/שנייה (איטית יותר)

מזוגרנולציה (Mesogranulation)

תופעה שהתגלתה בשנות ה-80 של המאה העשרים גודל: 5,000-10,000 ק"מ (בין גרנולציה לסופרגרנולציה).משך חיים: כ-3-5 שעות. מחלוקת: קיימת מחלוקת מדעית אם זו תופעה נפרדת או שילוב של שתי התופעות: גרנולציה רגילה וסופרגרנולציה:

תאי ענק (Giant Cells)

גודל משוער: עד 200,000 ק"מ ויותר. משך חיים: שבועות-חודשים. עדויות: עדויות תצפיתיות מוגבלות. מיקום: יכולות להיות קשורות לזרמי הסעה עמוקים יותר בתוך הליבה.^[10]

רשת הפוטוספרה

רשת פוטוספרית (Photospheric Network)

הגדרה: תבנית של שדות מגנטיים המרוכזים בשולי תאי הסופרגרנולציה.

עוצמה: שדות של 100-200 גאוס (חלשים מכתמים אך חזקים מהרקע).

גודל מרכיבים: מאות ק"מ.

תפקיד: מקור לחימום הכרומוספירה והקורונה. ייתכן ויש להם קשר לפרדוקס הטרמלי של השמש.^[26]

"פקולה" התפרצות של פלסמה, חום וקרינה בהגדלה. התפרצויות אלה משפיעות גם על כדור הארץ, בהפרעות מגנטיות, קרינה אלקטרומגנטית ו-UV, קשורות לכתמי השמש.

פקולות (Faculae) (התפרצויות השמש)

התפרצויות של פלסמה לוהטת, שדות מגנטיים וקרינת UV, מתפרצות למרחק של מאות אלפי קילומטר מהעטרה. מקורן כנראה בבסיס הפוטוספירה. אף כי אינן נמצאות בכתמי השמש, ייתכן ויש להן קשר לאירועים הגורמים ליצירת כתמי שמש.^[11]

מאפיינים בסיסיים

בהירות: בהירות יותר ב-10-30% מהפוטוספירה הרגילה.

טמפרטורה: כ-100-300K יותר חמות מהסביבה

גודל: מאות עד אלפי ק"מ.

משך חיים: מספר שעות עד ימים.

קשר לכתמי שמש: מופיעות סביב כתמי שמש, לפני הופעתם ואחרי היעלמותם.

אזורים פעילים: מרוכזות באזורים של פעילות מגנטית^[27]

החשכת קצוות (Limb Darkening)

תיאור התופעה

תצפית: השמש נראית בהירה במרכז הדיסק וכהה יותר בקצוות. הבהירות בקצה היא כ-40-50% מהבהירות במרכז (תלוי באורך הגל).

הסבר פיזיקלי

גאומטריה: במרכז הדיסק: אנחנו מסתכלים ישר לתוך הפוטוספירה, רואים לעומק האופטימלי (τ=2/3) שם הטמפרטורה היא הגבוהה ביותר. בקצוות: קו הראייה עובר בזווית, חודר פחות עמוק, ורואים שכבות גבוהות וקרות יותר (טמפרטורה נמוכה ב-1,000-2,000K).

תלות באורך גל: באור כחול: החשכה חזקה יותר (50-60%),באור אדום: החשכה חלשה יותר (20-30%),סיבה: עומק אופטי שונה באורכי גל שונים.

משוואה: המשוואה המתמטית הבסיסית: I(θ) / I(0) ≈ a + b·cos(θ).כאשר θ היא הזווית מהמרכז, ו-a,b הם מקדמים שתלויים באורך הגל.

החשכת קצוות הפוכה: בהירות יותר ליד קצוות הדיסק הסולארי (ההפך מהחשכת קצוות רגילה).הסיבה: בתצפית ליד הקצוות, רואים אותן מזווית שבה גובהן הגדול יותר מאפשר לנו לראות לעומק גדול יותר.^[12]

אוסצילציות (תנועה הרמונית מחזורית) סולאריות

אוסצילציות של 5 דקות (5-Minute Oscillations)

תיאור: תנודות מחזוריות בהליוספרה שהתגלו ב-1960 על ידי רוברט לייטון.

תקופה: 5 דקות (בדיוק: 4.5-5.5 דקות, שיא ב-5 דקות), משרעת: (אמפליטודה) תנועות של ±0.5 ק"מ/שנייה, תנודות גובה של ±50 ק"מ.

מנגנון: גלי p (גלי לחץ): גלים אקוסטיים שנוצרים בתוך השמש, מלכודת תהודה: הגלים נכלאים בין הפוטוספירה (שם הטמפרטורה יורדת) לבין עומקים גדולים בליבה (שם מהירות הקול עולה)^[28]

קיימות גם תנודות של 3דקות ואף פחות וגם של שעות, שכנראה תלויות בשינויים בגלי הכבידה של הליבה..

האוסצילציות קשורות גם להבדלים בכיוון סיבוב (מחזור) הליבה והקורנה לעומת הפוטוספירה והכרומוספירה.^[29][30]

קווי פראונהופר. קווים שחורים בספקטרום הנראה של אור העובר דרך גז. כאשר סדר הקווים אופייני למבנה אטומי של יסוד.

קווי פראונהופר (Fraunhofer Lines)

ב-1814יוזף פון פראונהופר גילה שכאשר מעבירים אור דרך גז, ומפצלים אותו במנסרה לספקטרום הנראה מקבלים קווים שחורים האופייניים לכל אטום או מולקולה הנמצאים בתווך.^[31] הקווים נובעים מבליעת פוטונים על-ידי האלקטרונים המקיפים את האטום. בשיטה זו, ניתן לקבוע את המבנה הכימי של גזים הנמצאים בין מקור האור למנסרה. קיימים למעלה מ-25,000 קווי בליעה בספקטרום הנראה והאינפרא-אדום הקרוב, וגם לקווי בליעה בתחום העל-סגול. הקווים החזקים מסומנים באותיות (A, B, C, D, E, F, G, H, K...) לפי סדר הופעתם בספקטרום. נקראים קווי פראונהופר הקווים עיקריים הנצפים באטמוספירה של השמש: המקור של רובם הוא בפוטוספירה, בכרומוספרה נבלעים חלק מאורכי הגל בתחום הסגול והעל-סגול, והעטרה מפיצה את הקרינה.^[32]

קו D יסוד: נתרן (Na I)(סודיום) :אורך גל: 589.0 ו-589.6 ננומטר. חוזק: בינוני-חזק.

קווי H ו-K (סידן): אורך גל: 396.8 ו-393.4 ננומטר. חוזק: חזקים מאוד. משמעות: אינדיקטורים לפעילות כרומוספרית.

קו α של מימן (Hα): אורך גל: 656.3 ננומטר (אדום), חוזק: חזק. שימוש: תצפיות שגרתיות על פעילות סולארית.

קווי מגנזיום b: אורך גל: 517.3 ננומטר, חוזק: חזק מאוד^[33]

ברקים סולאריים (בהקשר לפוטוספירה)

תופעת הברקים הנצפים בשמש היא רחבה. למרות שהברקים הסולאריים עצמם מתרחשים בעיקר בכרומוספירה והעטרה, השורשים שלהם בפוטוספירה: הברקים נגרמים על-ידי שחרור מטענים חשמליים רבי עוצמה בין קטבים שליליים וחיוביים בשכבות השמש, שנוצרים בהשפעת שדות מגנטיים. מהירות הסיבוב של שכבות השמש סביב הליבה משתנה, ובעקבות השדה המגנטי של הליבה נוצרים זרמים של אלקטרונים (אפקט הדינמו) ואטומים טעונים כפלסמה.^[34]

השפעות מגנטיות

המקור: קשתות של שדה מגנטי שמחברות אזורים עם קיטוב מנוגד. המקום: תצפיות מראות שהשדות מעוגנים בפוטוספירה. ההשפעה: שדות מגנטיים גורמים לפיתול ועיוות של קווי השדה החשמלי האוגר אנרגיה, בנקודות המפגש של קווי הכח המגנטים משתחררת אנרגיה של זרם של פלסמה מיוננת. בהבזקי חום ואור הנצפים מכדור הארץ.^[35]

סימנים בפוטוספירה

ברקים לבנים (White Light Flares): ברקים חזקים מאוד שנראים גם באור לבן בפוטוספירה, ומכאן ההנחה שמקורם כבר בפוטוספירה.^[36]

עלייה בבהירות: עלייה חדה ומקומית בבהירות הפוטוספירה

נדירות: רק הברקים החזקים ביותר (X-class) נצפים מכדור הארץ.

פילמנטים, התפרצויות.

הגדרה: פילמנטים הם קווים כהים הנראים כסיבים על הדיסק הסולארי, המתנשאים מעל הפוטוספירה לתוך הכרומוספירה והעטרה.

טמפרטורה: כ-8,000K (קרירים יחסית לסביבת העטרה, שבה, כזכור, עולה מאד הטמפרטורה.)

גובה: 5,000-100,000 ק"מ מעל הפוטוספירה, כלומר מעבר לכרומוספירה אל תוך העטרה.^[37]

קשר לפוטוספירה

הפילמנטים מופיעים כסיבים ארוכים וכהים בתמונות Hα (בליעה של מימן מיונן) שמקורם בזרמים קרים יותר או זרמים של גזים. העיגון של השדות המגנטיים שתומכים בפילמנטים הוא בפוטוספירה: לעיתים קרובות נמצאים מעל הגבול בין אזורים עם קיטוב מגנטי מנוגד בפוטוספירה ומעבר לה.^[38]

סיבוב דיפרנציאלי של שכבות השמש והפוטוספירה

מנגנון הסיבוב הדיפרנציאלי

מקור הסיבוב: בפלזמה הגזית. בניגוד לגוף מוצק, השמש אינה מסתובבת כיחידה אחת. הגורמים להבדלים בתנועה הם הסעה: זרמי ההסעה בשכבת ההסעה (בין הליבה לפוטוספירה) גורמים למהירות סיבוב שונה בקווי רוחב שונים. שימור תנע זוויתי מקומי: כל "חבילת" פלזמה שמרת את התנע הזוויתי שלה תוך כדי תנועה. קיים הפרש של כ-40% במהירות הסיבוב בין קו המשווה לקטבים. בגלל הסיבוב הדיפרנציאלי, נקודה בקו המשווה "עוקפת" נקודה בקווי רוחב גבוהים פעם אחת בכל 2-3 חודשים.^[39]

מבנה השכבות: מהפנים החוצה: ליבה: סיבוב קשיח (~27 ימים בכל העומקים) מעליה: אזור הפוטוספירה: אזור של סיבוב קשיח הנקרא טכוקליין^[40] שאחריה שכבת מעבר צרה ומעליה אזור הסעה תחתון: כך נוצר מעבר הדרגתי לאזור הסעה עליון הנכלל בכרומוספירה והעטרה. התוצאה היא סיבוב דיפרנציאלי הגורם לכך שהשכבות המחליקות אחת על גב השנייה. לכן לפוטוספירה סיבוב דיפרנציאלי מלא (25-36 ימים)השונה ממהירות הליבה ומהירות העטרה.^[41]

תכונות פיזיקליות

גרדיאנט הסיבוב: מעל הטכוקליין: סיבוב דיפרנציאלי (נבדל) חזק (הפרש של 40% בין קו המשווה לקטבים). מתחת לטכוקליין: סיבוב כמעט אחיד (כגוף קשיח).בתוך הטכוקליין: שינוי חד מאוד במהירות הסיבוב עם העומק. התוצאה היא חיכוך וכוחות גזירה חזקים, יצירת שינויים בשדות המגנטיים ובהסעת החום בין השכבות, וכנראה גם השפעה על היווצרות כתמי השמש.

כח גזירה אדיר (Shear): גרדיאנט המהירות בטכוקליין הוא הגבוה ביותר בכל השמש, שמתבטא במאמצי גזירה של מאות מטרים לשנייה על פני מרחק של אלפי ק"מ שיוצרת תנאים אידיאליים למתיחת שדות מגנטיים ויצירת אפקט הדינמו.(יצירת זרם חשמלי כתוצאה מתנועה מוליך חשמל בשדה מגנטי), וכתוצאה מכך הסטה של זרמי הסעה וזרמי הפלסמה.^[42]

השפעת הסיבוב הדיפרנציאלי על מחזור השמש

ההפרשים בין מהירות הסיבוב של השכבות העוטפות את הליבה, יוצרים הצטברות של מתח חשמלי וכוחות של הסעה שנאגרים בטכוקליין עד שמתפרצים ב" התפרצויות השמש" בערך כל 11 שנים, השדה מתמתח והופך לשדה טורואידלי (מזרח-מערב) חזק ביותר, המגיע לעוצמה של עשרות אלפי גאוס.

שחרור מחזורי: כשהשדה מגיע לעוצמה קריטית בערך כל 11 שנים, "צינורות מגנטיים", (קווי כח מגנטיים) נמתחים מהליבה כלפי מעלה, פורצים דרך שכבת ההסעה ומגיעים לפוטוספירה ככתמי שמש.זה ההסבר המקובל למחזוריות של פעילות כתמי השמש.^[43]

שכבת ההסעה והקשר לפוטוספירה

הסעה היא העברת חום על-ידי זרימה של פלזמה המשתחררת מהליבה בליבה ועולה למעלה לפוטוספירה. בגלל הסיבוב הדיפרנציאלי של שכבות שמעל לליבה, נוצרת הטיה של הזרימה גם לרוחב השכבות. מעבר זה קשור גם לפרדוקס הטמפרטורות שבין הפוטוספירה, הכרומוספירה ועטרה.^[44]

מבנה שכבת ההסעה

פרופיל: עומק כולל: כ-200,000 ק"מ (כ-30% מרדיוס השמש). התחלה: ברדיוס של 0.713 רדיוס סולארי (מעל הטכוקליין). סיום: בכרומוספירה.

מנגנון ההסעה

חימום מלמטה: אנרגיה מהליבה מחממת את החלק התחתון של הפוטוספירה. זרמים של פלזמה לוהטת,(5000-6000K) וקרינה זורמים מהליבה דרך הפוטוספירה לכרומוספירה ולקורונה.

אי-יציבות: כאשר גרדיאנט הטמפרטורה גדול מדי, נוצרת אי-יציבות הסעתית (convective instability), שמשמעותה הטיות בכיווני הזרימה וסחף לצדדים.

עלייה: פלזמה חמה ופחות צפופה עולה, ממש כשם שאוויר חם עולה באטמוספירה של כדור הארץ. בגלל הטיה נוצרים " כיסים" של שינויי טמפרטורה.

קירור: כשהיא מגיעה לפוטוספירה, מתחילה להתקרר, ככל שההסעה עולה היא מתקררת (יוצא מהכלל זאת תופעת ההתחממות הפתאומית במעבר לכרומוספירה)בפלסמה המתקררת גם מאירה, ומייצרת אנרגיית קרינה העוברת לכרומספירה ולעטרה שנשלחת לחלל.^[45]

ירידה חזרה לליבה

כשמגיעה הפלסמה הלוהטת לעטרה, היא מתקררת ויורדת בזרם מקביל לפלסמה שעולה. במבט מכדור הארץ מבחינים בגרנולציות שנוצרות על פני השמש מתנועת הקונבקציה של הפלסמה. מהירות הסעה: 0.5-2 ק"מ/שנייה. זמן מחזור: כ-1-2 שבועות להעברת חומר מהעומק לפני השטח. טורבולנטיות: התנועה טורבולנטית ומורכבת מאוד^[46]

סיכום

הפוטוספירה מהווה שכבה דקה סביב הליבה, אבל השפעתה על האור והחום המוקרנים מהשמש היא דומיננטית. מצב זה הוא ייחודי לכוכב הנמצא במסלול ההתפתחות של השמש, כאשר נוצר שיווי משקל בין ההתחממות הנובעת מההיתוך הגרעיני של מימן להליום בליבה, ושכבות הגזים הלוהטים המקיפים את הליבה. שיווי משקל זה אמור להnשך עוד כ-4.5 מיליארד שנה. התופעות המורכבות המתוארות כאן מסכמות את מכלול התופעות המשפיעות בעקיפין גם על כדור הארץ.

קישורים חיצוניים

מיזמי קרן ויקימדיה
ערך מילוני בוויקימילון: פוטוספירה
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: פוטוספירה

• פוטוספירה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)