בפוסט הקודם [1] סיפרנו לכם על הקורונה של השמש, ותארנו כיצד גילו כי היא לוהטת במליוני מעלות. בפוסט הזה נתמקד בתעלומה: כיצד הקורונה מגיעה לטמפרטורות אלה למרות שפני השמש, מקור החום היחיד בסביבה, הם קרים פי 200 ויותר? כדי להבין את אופי התעלומה נדבר על מעבר חום וצורות מעבר אנרגיה נוספות, ונספר על משימות חלל ייעודיות ששופכות אור על התעלומה.

כדי להבין מהי תעלומת התחממות הקורונה, ניקח צעד אחורה ונשאל כיצד גופים מתחממים. בדרך כלל, החימום מתרחש כאשר חום עובר מגוף חם לגוף קר. ישנם שלושה מנגנוני העברת חום בטבע: הסעה (תזוזה של חומר חם ממקום למקום), הולכה (פעפוע של חום מאיזור חם לאיזור קר בתוך החומר, ללא תנועה של החומר עצמו), וקרינה (פליטת גלים אלקטרומגנטיים מהגוף החם אל סביבתו החיצונית). 

בכל אחד מהמנגנונים האלה הגוף החם מתקרר והשני מתחמם, עד שלאחר זמן ממושך מספיק, הטמפרטורות של שני הגופים ישתוו (בהנחה שאין עוד גופים ומקורות חום בסביבה). מצב כזה נקרא שיווי משקל תרמי וכשהוא מתקיים אין יותר מעבר נטו של חום בין הגופים. מעקרון זה נובע כי לא ייתכן מצב בו גוף המתחמם מגוף אחר יהפוך לחם יותר ממנו. למשל, אם נכניס חלב לתוך קפה חם בתרמוס, החלב יתחמם אבל לעולם לא יהיה חם יותר מהקפה.

איך כל זה קשור להתחממות הקורונה?  אם ננסה להחיל את העקרונות של מעבר חום על הקורונה והשמש, נתקל בבעיה. פני השמש פולטים את רוב האנרגיה שלהם באמצעות הקרנה (הולכה והסעה החוצה הן זניחות). אך קרינה מפני השמש לא יכולה לחמם את הקורונה לטמפרטורה הגבוהה מהטמפרטורה של פני השמש עצמם. למעשה, הפרש הטמפרטורות בין הקורונה והשמש הוא הפוך, כך שהשמש קרה יותר ולא יכולה להעביר אל הקורונה חום. מאחר והקורונה והשמש הן שתי השחקניות היחידות בסביבה ואין עוד מקור חום לידן, מה מחמם את הקורונה? נציין שבקורונה לא מתרחשים תהליכים כימיים או גרעיניים היכולים לגרום לה לחמם את עצמה.

בשביל להתחיל בפיצוח החידה, נחזור שוב לשאלה כיצד גופים מתחממים. המנגנונים שהזכרנו הם אמנם הדרך היחידה להעביר חום בין גופים, אך גופים יכולים להכיל אנרגיה שאינה אנרגיית חום. אם אנרגיה שכזו אכן יכולה לעבור לקורונה ואיכשהוא להבלע בה, הרי התוצאה תהיה שהקורונה התחממה ללא שעבר אליה חום מהשמש! במילים אחרות, מתרחש תהליך של "חימום ללא מעבר חום", כזה שלא מצריך ששני הגופים יהיו במגע תרמי זה עם זה, הוא אינו תלוי בהפרש הטמפרטורות בין הגופים והוא אינו יכול להוביל לשיווי משקל תרמי. תהליך כזה נקרא חימום א-תרמי (non-thermal heating) והיתרון שלו כבסיס למודל של התחממות הקורונה הוא שהוא עוקף את הבעייתיות בכך שהשמש קרה מדי. 

לכאורה, עשינו צעד קדימה אל עבר פתרון תעלומת הקורונה. אך כדי לפתח תיאוריה שניתן לאשש בתצפיות, עלינו לזהות מספר גורמים: את האנרגיה הא-תרמית הקיימת בשמש ואשר נמצאת בה בכמות גדולה מספיק, את המנגנון באמצעותו אנרגיה כזו יכולה לעזוב את פני השמש ולעבור לקורונה (הסעה, הולכת, וקרינה אינן זמינות לה), ולבסוף, את הדרך בה אנרגיה א-תרמית זו הופכת בסופו של דבר לאנרגיה חום, כשהיא מגיעה כבר לקורונה.

 בשנות השבעים של המאה העשרים הוצע כי אנרגיה רבה אצורה בתנועות הזרימה והערבול הסבוכות של הפלזמה על פני השמש, אותן הזכרנו בפוסט הראשון בסדרה [1] ואשר ניתן לראות בסרטון [2]. הועלתה ההשערה שאנרגיה זו נפלטת איכשהו לחלל סביב השמש ומחממת את הקורונה. אם כך, זיהינו מקור אנרגיה אפשרי. אך כיצד יכולה אנרגיה זו לעזוב את פני השמש ולהגיע לקורונה?

נתבונן שוב על התמונה של הקורונה החושפת את מבנה השדה המגנטי שלה (ראו הסבר על כך בפוסט הקודם). ניכר כי קווי השדה נטועים בפני השמש ונמתחים החוצה כך שהם עוברים כחוטים בקורונה כולה. המבנים המגנטיים בקורונה יציבים למדי, אך כאמור פני השמש עצמם סוערים, והפלזמה זורמת, מתערבלת, וקופצת [2]. קוי השדה העוברים דרך פלזמה כזו נאלצים להתעקם ולהתפתל בעצמם, קצת כמו ספגטי בסיר מים רותחים (זוהי תופעה ייחודית לשדה מגנטי העובר דרך זורמים מוליכים חשמלית). איך יתנהג שדה מגנטי שקצה אחד שלו זז בצורה כמעט אקראית, וצד אחר שלו שליו? ובכן, כמו חבל שמנענעים את קצהו: התנודות על פני השטח ייצרו גלים שייתקדמו לאורך החבל. במקרה שלנו, במקום גלים מכניים כמו בחבל, ינועו לאורך השדה גלים מיוחדים בשם גלי אלבן (Alfven), המייצרים תנודות הן בפלזמה והן בשדה המגנטי. גלים אלה נקראים על שמו של הפיזיקאי השבדי הנס אלבן, אשר זכה בפרס נובל לפיזיקה ב-1970 על עבודתו החלוצית בתחום. מאחר וגלים אלו, כמו כל גל, נושאים אנרגיה, השדה המגנטי וגלי אלבן מספקים למעשה את ה"תעלה" המאפשרת לאנרגיה הא-תרמית האצורה בפני השמש לנוע אל עבר הקורונה.

אם כך, יש בידינו זיהוי אפשרי של מקור האנרגיה ושל מנגנון ההעברה שלה. כדי להשלים את התמונה, נותר להבין כיצד הגלים בסופו של דבר מאבדים את האנרגיה שלהם כשהם מגיעים לקורונה, כך שהיא תוכל להתחמם. בניגוד לקרינה אלקטרומגנטית, הנבלעת על ידי אטומי החומר, לגלי אלבן אין מנגנון בליעה ישיר. אך עם זאת, מתברר כי כאשר גלי אלבן עוברים מהצפיפות הגבוהה של פני השמש אל תוך הצפיפות הנמוכה של הקורונה, השינוי העצום גורם להם לשנות מהירות, להישבר, ולהיות מוחזרים בכיוונים שונים, וכך להתחיל שרשרת של תהליכים שסופם באיבוד הסדר של הגל והפיכתו לרעש. חוק שימור האנרגיה קובע כי האנרגיה של הגל לא יכולה להעלם - האנרגיה שהיתה אצורה בתנועה המתואמת של הפלזמה בגלים הפכה לתנועה אקראית של החלקיקים המרכיבים את הפלזמה. הגברת האנרגיה הקיימת בתנועה האקראית של החלקיקים גורמת לעליית הטמפרטורה של הפלזמה, וכך קיבלנו חימום. תהליך זה של העברת אנרגיה מתנועה מאורגנת לתנועה אקראית נקרא מפל אנרגיה, והוא מתרחש גם בנוזלים כמו מים ואויר כאשר יש בהם עירבוליות.

לסיכום, יש בידינו מודל חימום א-תרמי אשר מתאר את כל השלבים הנחוצים על מנת לאפשר לשמש הקרה לגרום לחימום הקורונה. למרות שמודל זה הוצע בצורתו הראשונית כבר לפני יותר מ-50 שנה, היה קושי הרב לאששו. ראשית, המעבר ממודל כללי לתחזיות מפורטות על תנועת הגלים ובליעתם התברר כמאתגר ביותר מבחינה תאורטית. כמו כן, מאחר ומדובר בתנודות קטנות הקשות לצפייה בטלסקופים, פיתוח התיאוריה בוצע עם מעט מידע תצפיתי. עם התקדמות עידן החלל חל שיפור בשיטות התצפית. בד בבד, פותחו מודלים ממוחשבים היכולים להפיק תחזיות מפורטות יותר ויותר, וכך לבחון את נכונות התיאוריה ולהשוות רעיונות שונים של בליעת אנרגיית הגלים. בשנת 2007 נמצאה העדות הראשונה לכך שגלי אלבן נפלטים מפני השמש בהספק גדול דיו כדי לחמם את הקורונה כולה, כפי שהתברר מניתוח מתקדם של תצפיות של החללית HINODE היפנית  [4]. בעקבות כך, פותחו משימות חלל נוספות, כגון המשימה IRIS שמטרתה היתה לצפות ברזולוציה גבוהה בתחתית הקורונה ו"לתפוס על חם" שינוי באנרגיה של הגלים שמצביע על בליעה [5]. משימת Parker Solar Probe, ששוגרה על ידי נאסא ב-2018, מתוכננת להגיע הכי קרוב לשמש מכל חללית לפניה, והיא תאפשר למדוד את התנהגות הקורונה בפירוט חסר תקדים, ולשפוך אור נוסף על חימום הקורונה [6].

הכותבת הינה חוקרת של פלזמות חלליות. עבודת הדוקטורט שלה התמקדה בבניית מודלים ממוחשבים המסבירים בין השאר את התחממות הקורונה על ידי גלי אלבן

מקורות

[1] לינק לחלק א׳

[2] סרטון המראה את תנועות הזרימה על פני השמש סביב לכתם שמש (איזור קר וחשוך), כפי שצולמו על ידי החללית Hinode היפנית

סרטון המראה תצפית של פלזמה הקופצת מפני השמש, כפי שצולמה על ידי החללית Solar Dynamics Observatory של נאסא

[3] גלי אלבן בפני השמש

[4] מדידה של הספק גלי אלפבן הנפלטים מהשמש

[5] מידע על המשימה IRIS 

[6] מידע על המשימה Parker Solar Probe