אטמוספירת השמש נשלטת על ידי קצב נפלא של גאות ושפל של פעילות. כתמי שמש, שהגדולים שבהם נראים גם ללא טלסקופ, הם אזורים של שדות מגנטיים חזקים במיוחד על פני השטח של כוכב. כתם בוגר טיפוסי הוא לבן ובצורת חיננית. הוא מורכב מליבה מרכזית כהה הנקראת אומברה, שהיא לולאה של שטף מגנטי הנמשכת אנכית מלמטה, וטבעת סיבים בהירה יותר סביבה, הנקראת פנמברה, שבה השדה המגנטי משתרע כלפי חוץ אופקית.
כתמי שמש
בתחילת המאה העשרים. ג'ורג' אלרי הייל, שמשתמש בטלסקופ החדש שלו כדי לצפות בפעילות השמש בזמן אמת, גילה שספקטרום כתמי השמש דומה לזה של כוכבים אדומים קרירים מסוג M. לפיכך, הוא הראה שהצל נראה כהה מכיוון שהטמפרטורה שלו היא רק כ-3000 K, הרבה פחות מטמפרטורת הסביבה של 5800 K.פוטוספירה. הלחץ המגנטי והגז במקום חייבים לאזן את הלחץ שמסביב. יש לקרר אותו כך שהלחץ הפנימי של הגז יהיה נמוך משמעותית מהלחץ החיצוני. באזורים ה"מגניבים" יש תהליכים אינטנסיביים. כתמי שמש מתקררים על ידי דיכוי הסעה, המעבירה חום מלמטה, על ידי שדה חזק. מסיבה זו, הגבול התחתון של גודלם הוא 500 ק"מ. כתמים קטנים יותר מתחממים במהירות על ידי קרינת הסביבה ונהרסים.
למרות היעדר הסעה, יש הרבה תנועה מאורגנת בכתמים, בעיקר בצל חלקי היכן שהקווים האופקיים של השדה מאפשרים זאת. דוגמה לתנועה כזו היא אפקט Evershed. זוהי זרימה במהירות של 1 קמ ש בחצי החיצוני של הפנימברה, היוצאת מגבולותיה בצורה של עצמים נעים. האחרונים הם אלמנטים של השדה המגנטי הזורמים החוצה על פני האזור המקיף את הנקודה. בכרומוספירה שמעליו, זרימת Evershed ההפוכה מופיעה כספירלות. החצי הפנימי של הפנימברה נע לכיוון הצל.
כתמי שמש גם הם משתנים. כאשר חלק מהפוטוספירה המכונה "גשר האור" חוצה את הצל, יש זרימה אופקית מהירה. למרות ששדה הצל חזק מכדי לאפשר תנועה, יש תנודות מהירות בפרק זמן של 150 שניות בכרומוספרה ממש מעל. מעל הפנימברה יש מה שנקרא. גלים נעים המתפשטים בצורה רדיאלית כלפי חוץ בפרק זמן של 300 שניות.
מספר כתמי שמש
פעילות השמש עוברת באופן שיטתי על פני כל פני הכוכב בין 40°קו רוחב, המציין את האופי הגלובלי של תופעה זו. למרות התנודות המשמעותיות במחזור, הוא בסך הכל סדיר באופן מרשים, כפי שמעיד הסדר המבוסס היטב במיקומים המספריים והרוחב של כתמי השמש.
בתחילת התקופה מספר הקבוצות והגדלים שלהן גדלים במהירות עד שלאחר 2–3 שנים מגיעים למספר המרבי ולאחר שנה נוספת - השטח המקסימלי. משך החיים הממוצע של קבוצה הוא בערך סיבוב אחד של השמש, אבל קבוצה קטנה יכולה להימשך רק יום אחד. קבוצות כתמי השמש הגדולות ביותר וההתפרצויות הגדולות ביותר מתרחשות בדרך כלל שנתיים או 3 לאחר הגעת גבול כתמי השמש.
ייתכן שיהיו עד 10 קבוצות ו-300 נקודות, וקבוצה אחת יכולה להכיל עד 200. מהלך המחזור עשוי להיות לא סדיר. אפילו קרוב למקסימום, מספר כתמי השמש יכול לרדת באופן משמעותי באופן זמני.
מחזור 11 שנים
מספר כתמי השמש חוזר למינימום בערך כל 11 שנים. בשלב זה, יש כמה תצורות דומות קטנות על השמש, בדרך כלל בקווי רוחב נמוכים, ובמשך חודשים הם עשויים להיעדר לחלוטין. כתמי שמש חדשים מתחילים להופיע בקווי רוחב גבוהים יותר, בין 25° ל-40°, עם קוטביות הפוכה מהמחזור הקודם.
במקביל, כתמים חדשים יכולים להתקיים בקווי רוחב גבוהים וכתמים ישנים בקווי רוחב נמוכים. הכתמים הראשונים של המחזור החדש הם קטנים וחיים ימים ספורים בלבד. מכיוון שתקופת הסיבוב היא 27 ימים (ארוכה יותר בקווי רוחב גבוהים יותר), הם בדרך כלל לא חוזרים, והחדשים יותר קרובים יותר לקו המשווה.
למחזור של 11 שניםתצורת הקוטביות המגנטית של קבוצות כתמי שמש זהה בחצי כדור נתון והיא בכיוון ההפוך בחצי הכדור השני. זה משתנה בתקופה הבאה. לפיכך, כתמי שמש חדשים בקווי רוחב גבוהים בחצי הכדור הצפוני יכולים להיות בעלי קוטביות חיובית ולאחר מכן קוטביות שלילית, ולקבוצות מהמחזור הקודם בקווי רוחב נמוך תהיה כיוון הפוך.
בהדרגה, כתמים ישנים נעלמים, וחדשים מופיעים במספרים ובגדלים גדולים בקווי רוחב נמוכים יותר. התפוצה שלהם מעוצבת כמו פרפר.
מחזור מלא
מכיוון שתצורה של הקוטביות המגנטית של קבוצות כתמי שמש משתנה כל 11 שנים, היא חוזרת לאותו ערך כל 22 שנה, ותקופה זו נחשבת לתקופה של מחזור מגנטי שלם. בתחילת כל תקופה, לשדה הכולל של השמש, שנקבע על ידי השדה הדומיננטי בקוטב, יש קוטביות זהה לכתמים של הקודמת. כאשר האזורים הפעילים נשברים, השטף המגנטי מחולק למקטעים עם סימן חיובי ושלילי. לאחר שכתמים רבים מופיעים ונעלמים באותו אזור, נוצרים אזורים חד-קוטביים גדולים בעלי סימן כזה או אחר, הנעים לעבר הקוטב המקביל של השמש. במהלך כל מינימום בקטבים, שולט השטף של הקוטביות הבאה באותו חצי כדור, וזהו השדה כפי שהוא נראה מכדור הארץ.
אבל אם כל השדות המגנטיים מאוזנים, איך הם מתחלקים לאזורים חד-קוטביים גדולים השולטים בשדה הקוטבי? שאלה זו לא זכתה למענה.שדות המתקרבים לקטבים מסתובבים לאט יותר מכתמי שמש באזור המשווה. בסופו של דבר השדות החלשים מגיעים לקוטב והופכים את השדה הדומיננטי. זה הופך את הקוטביות שהמקומות המובילים של הקבוצות החדשות צריכים לקחת, ובכך ממשיך את המחזור של 22 שנים.
ראיות היסטוריות
למרות שמחזור פעילות השמש היה סדיר למדי במשך כמה מאות שנים, היו בו שינויים משמעותיים. בשנים 1955-1970 היו הרבה יותר כתמי שמש בחצי הכדור הצפוני, וב-1990 הם שלטו בדרום. שני המחזורים, שהגיעו לשיא ב-1946 וב-1957, היו הגדולים בהיסטוריה.
האסטרונום האנגלי וולטר מאנדר מצא עדויות לתקופה של פעילות מגנטית סולארית נמוכה, מה שמצביע על כך שמעט מאוד כתמי שמש נצפו בין השנים 1645 ו-1715. למרות שתופעה זו התגלתה לראשונה בסביבות שנת 1600, נרשמו מעט תצפיות בתקופה זו. תקופה זו נקראת Mound minimum.
משקיפים מנוסים דיווחו על הופעתה של קבוצה חדשה של נקודות כאירוע נהדר, וציינו שהם לא ראו אותם במשך שנים רבות. לאחר 1715 חזרה תופעה זו. זה עלה בקנה אחד עם התקופה הקרה ביותר באירופה משנת 1500 עד 1850. עם זאת, הקשר בין תופעות אלו לא הוכח.
ישנן עדויות לתקופות דומות אחרות במרווחים של בערך 500 שנה. כאשר פעילות השמש גבוהה, שדות מגנטיים חזקים הנוצרים על ידי רוח השמש חוסמים קרניים קוסמיות גלקטיות בעלות אנרגיה גבוהה המתקרבות לכדור הארץ, וכתוצאה מכך פחותהיווצרות פחמן-14. מדידת 14С בטבעות עצים מאשרת את הפעילות הנמוכה של השמש. המחזור בן 11 השנים לא התגלה עד שנות ה-40 של המאה ה-20, ולכן התצפיות לפני אותה תקופה לא היו סדירות.
אזורים ארעיים
בנוסף לכתמי שמש, ישנם דיפולים זעירים רבים הנקראים אזורים פעילים ארעיים שקיימים בממוצע פחות מיממה ונמצאים ברחבי השמש. מספרם מגיע ל-600 ביום. למרות שהאזורים הארעיים קטנים, הם יכולים להוות חלק ניכר מהשטף המגנטי של השמש. אבל מכיוון שהם ניטרליים וקטנים למדי, הם כנראה לא ממלאים תפקיד באבולוציה של המחזור ומודל השדה העולמי.
Prominences
זו אחת התופעות היפות ביותר שניתן לראות במהלך פעילות השמש. הם דומים לעננים באטמוספירה של כדור הארץ, אך נתמכים בשדות מגנטיים במקום בשטפי חום.
הפלזמה של יונים ואלקטרונים המרכיבים את אטמוספירת השמש אינה יכולה לחצות קווי שדה אופקיים, למרות כוח הכבידה. בולטות מתרחשות בגבולות בין קוטביות מנוגדות, כאשר קווי השדה משנים כיוון. לפיכך, הם מהווים אינדיקטורים אמינים למעברי שדות פתאומיים.
כמו בכרומוספרה, הבולטות שקופות באור לבן, ולמעט ליקויים מלאים, יש לצפות ב-Hα (656, 28 ננומטר). במהלך ליקוי חמה, קו Hα האדום נותן לבולטות גוון ורוד יפהפה. הצפיפות שלהם נמוכה בהרבה מזו של הפוטוספירה, מכיוון שהיא גם כןמעט התנגשויות. הם סופגים קרינה מלמטה ופולטים אותה לכל הכיוונים.
האור שנראה מכדור הארץ במהלך ליקוי חמה נטול קרניים עולות, ולכן הבולטות נראות כהות יותר. אבל מכיוון שהשמים כהים עוד יותר, הם נראים בהירים על הרקע שלו. הטמפרטורה שלהם היא 5000-50000 K.
סוגי בולטות
ישנם שני סוגים עיקריים של בולטות: שקט ומעבר. הראשונים קשורים לשדות מגנטיים בקנה מידה גדול המסמנים את הגבולות של אזורים מגנטיים חד-קוטביים או קבוצות כתמי שמש. מכיוון שאזורים כאלה חיים זמן רב, הדבר נכון גם לגבי בולטות שקטה. הם יכולים להיות בעלי צורות שונות - משוכות, עננים תלויים או משפכים, אבל הם תמיד דו מימדיים. חוטים יציבים הופכים לרוב לא יציבים ומתפרצים, אך יכולים גם פשוט להיעלם. בולטות רגועה חיות במשך כמה ימים, אבל חדשות יכולות להיווצר בגבול המגנטי.
בולטים חולפים הם חלק בלתי נפרד מפעילות השמש. אלה כוללים סילונים, שהם מסה לא מאורגנת של חומר שנפלט מהתלקחות, וגושים, שהם זרמי קולימציה של פליטות קטנות. בשני המקרים, חלק מהחומר חוזר אל פני השטח.
בולטים בצורת לולאה הם ההשלכות של תופעות אלו. במהלך ההתלקחות, זרימת האלקטרונים מחממת את פני השטח עד למיליוני מעלות, ויוצרת בולטות עטרה חמות (יותר מ-10 מיליון K). הם מקרינים בחוזקה, מתקררים וחסרי תמיכה, יורדים אל פני השטח בצורהלולאות אלגנטיות, עוקבות אחר קווי הכוח המגנטיים.
מבזקים
התופעה המרהיבה ביותר הקשורה לפעילות השמש הן התלקחויות, שהן שחרור חד של אנרגיה מגנטית מאזור כתמי השמש. למרות האנרגיה הגבוהה, רובם כמעט בלתי נראים בטווח התדרים הנראה לעין, שכן פליטת האנרגיה מתרחשת באטמוספרה שקופה, וניתן לצפות רק בפוטוספירה, שמגיעה לרמות אנרגיה נמוכות יחסית, באור נראה.
התלקחויות נראות בצורה הטובה ביותר בקו Hα, שבו הבהירות יכולה להיות גדולה פי 10 מאשר בכרומוספירה השכנה, ופי 3 מאשר ברצף שמסביב. ב-Hα, התלקחות גדולה תכסה כמה אלפי דיסקים סולארים, אבל רק כמה נקודות בהירות קטנות מופיעות באור הנראה. האנרגיה המשתחררת במקרה זה יכולה להגיע ל-1033 erg, השווה לתפוקת הכוכב כולו תוך 0.25 שניות. רוב האנרגיה הזו משתחררת בתחילה בצורה של אלקטרונים ופרוטונים עתירי אנרגיה, וקרינה גלויה היא השפעה משנית הנגרמת מפגיעת חלקיקים על הכרומוספרה.
סוגי התפרצויות
טווח הגדלים של התלקחויות הוא רחב - מעצום, מפציץ את כדור הארץ בחלקיקים, ועד שכמעט לא מורגש. הם מסווגים בדרך כלל לפי שטפי קרני הרנטגן הקשורים להם עם אורכי גל מ-1 עד 8 אנגסטרם: Cn, Mn או Xn עבור יותר מ-10-6, 10-5 ו-10-4 W/m2 בהתאמה. אז M3 בכדור הארץ מתאים לשטף של 3×10-5 W/m2. מחוון זה אינו ליניארי מכיוון שהוא מודד רק את השיא ולא את סך הקרינה. האנרגיה המשתחררת ב-3-4 ההתלקחויות הגדולות בכל שנה שווה ערך לסכום האנרגיות של כל השאר.
סוגי חלקיקים שנוצרו על ידי הבזקים משתנים בהתאם למקום התאוצה. אין מספיק חומר בין השמש לכדור הארץ להתנגשויות מייננות, ולכן הם שומרים על מצב היינון המקורי שלהם. חלקיקים המואצים בקורונה על ידי גלי הלם מראים יינון קורונלי טיפוסי של 2 מיליון K. לחלקיקים המואצים בגוף ההתלקחות יש יינון גבוה משמעותית וריכוזים גבוהים במיוחד של He3, איזוטופ נדיר של הליום רק עם נויטרון אחד.
רוב ההתלקחויות הגדולות מתרחשות במספר קטן של קבוצות כתמי שמש גדולות היפראקטיביות. קבוצות הן צבירים גדולים בעלי קוטביות מגנטית אחת המוקפים בהפוך. למרות שחיזוי פעילות התלקחות השמש אפשרי בשל נוכחותן של תצורות כאלה, החוקרים אינם יכולים לחזות מתי הם יופיעו, ואינם יודעים מה מייצר אותם.
Earth Impact
בנוסף לספק אור וחום, השמש משפיעה על כדור הארץ באמצעות קרינה אולטרה סגולה, זרם קבוע של רוח שמש וחלקיקים מהתלקחויות גדולות. קרינה אולטרה סגולה יוצרת את שכבת האוזון, שבתורה מגנה על כדור הארץ.
קרני רנטגן רכות (אורך גל ארוך) מהקורונה הסולארית יוצרות שכבות של היונוספירה שיוצרותתקשורת רדיו אפשרית בגלים קצרים. בימים של פעילות סולארית, הקרינה מהקורונה (המשתנה באיטיות) ומההתלקחויות (אימפולסיביות) גוברת ליצירת שכבה מחזירה אור טובה יותר, אך צפיפות היונוספירה עולה עד שגלי רדיו נבלעים ומפריעים לתקשורת בגלים קצרים.
קשה יותר (אורך גל קצר יותר) פולסי קרני רנטגן מהתלקחויות מייננים את השכבה הנמוכה ביותר של היונוספירה (שכבת D), ויוצרים פליטת רדיו.
השדה המגנטי המסתובב של כדור הארץ חזק מספיק כדי לחסום את רוח השמש, ויוצר מגנטוספרה שחלקיקים ושדות זורמים סביבה. בצד שממול לתאורה, קווי השדה יוצרים מבנה הנקרא פלומה או זנב גיאומגנטיים. כאשר רוח השמש מתגברת, יש עלייה חדה בשדה כדור הארץ. כאשר השדה הבין-פלנטרי עובר בכיוון ההפוך לזה של כדור הארץ, או כאשר ענני חלקיקים גדולים פוגעים בו, השדות המגנטיים בנוצה מתחברים מחדש ומשתחררת אנרגיה ליצירת הזוהר.
סופות מגנטיות ופעילות סולארית
בכל פעם שחור קורונלי גדול מקיף את כדור הארץ, רוח השמש מואצת ומתרחשת סערה גיאומגנטית. זה יוצר מחזור של 27 ימים, בולט במיוחד במינימום כתמי השמש, מה שמאפשר לחזות את פעילות השמש. התלקחויות גדולות ותופעות אחרות גורמות לפליטות מסה של העטרה, עננים של חלקיקים אנרגטיים היוצרים זרם טבעת סביב המגנטוספרה, הגורמים לתנודות חדות בשדה כדור הארץ, הנקראות סופות גיאומגנטיות.תופעות אלו משבשות את תקשורת הרדיו ויוצרות נחשולי מתח בקווים למרחקים ארוכים ובמוליכים ארוכים אחרים.
אולי המסקרנת מכל התופעות הארציות היא ההשפעה האפשרית של פעילות השמש על האקלים של הפלנטה שלנו. המינימום של התל נראה הגיוני, אבל יש השפעות ברורות אחרות. רוב המדענים מאמינים שיש קשר חשוב, המוסווה על ידי מספר תופעות אחרות.
מכיוון שחלקיקים טעונים עוקבים אחרי שדות מגנטיים, קרינה גופנית לא נצפית בכל ההתלקחויות הגדולות, אלא רק באלו שנמצאות בחצי הכדור המערבי של השמש. קווי כוח מצדו המערבי מגיעים לכדור הארץ ומכוונים לשם חלקיקים. האחרונים הם בעיקר פרוטונים, מכיוון שמימן הוא היסוד המרכיב הדומיננטי של השמש. חלקיקים רבים הנעים במהירות של 1000 קמ ש שנייה יוצרים חזית של גל הלם. זרימת חלקיקים בעלי אנרגיה נמוכה בהתלקחויות גדולות היא כה אינטנסיבית שהיא מאיימת על חייהם של אסטרונאוטים מחוץ לשדה המגנטי של כדור הארץ.
