15.1: هيكل وتكوين الشمس

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197737

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

اشرح كيف تختلف تركيبة الشمس عن تكوين الأرض
وصف طبقات الشمس المختلفة ووظائفها
اشرح ما يحدث في الأجزاء المختلفة من الغلاف الجوي للشمس

الشمس، مثل كل النجوم، هي كرة ضخمة من الغاز شديد الحرارة والمؤين إلى حد كبير، تلمع بقوتها الخاصة. ونحن نعني عددًا هائلاً. يمكن للشمس أن تتسع لـ 109 أرضًا جنبًا إلى جنب عبر قطرها، ولديها حجم كافٍ (تشغل مساحة كافية) لاستيعاب حوالي 1.3 مليون قطعة أرض.

لا تحتوي الشمس على سطح صلب أو قارات مثل الأرض، ولا تحتوي على نواة صلبة (الشكل\(\PageIndex{1}\)). ومع ذلك، فإنه يحتوي على الكثير من البنية ويمكن مناقشته كسلسلة من الطبقات، لا تختلف عن البصل. في هذا القسم، نوضح التغيرات الهائلة التي تحدث في المناطق الداخلية والغلاف الجوي الواسع للشمس، والانفجارات الديناميكية والعنيفة التي تحدث يوميًا في طبقاتها الخارجية.

بديل — اكتشف\(\PageIndex{1}\) الأرض والشمس. هنا، تظهر الأرض وكأنها تتسلق مع انفجار جزء من الشمس وحلقة عملاقة من الغاز الساخن من سطحها. يُظهر الجزء الداخلي الشمس بأكملها، وهي أصغر.

يتم سرد بعض الخصائص الأساسية للشمس في الجدول\(\PageIndex{1}\). على الرغم من أن بعض المصطلحات الواردة في هذا الجدول قد تكون غير مألوفة لك الآن، إلا أنك ستتعرف عليها عندما تقرأ المزيد.

جدول\(\PageIndex{1}\) خصائص الشمس
صفة	كيف تم العثور عليها	القيمة
متوسط المسافة	انعكاس الرادار من الكواكب	1 الاتحاد الأفريقي (149,597,892 كم)
أقصى مسافة من الأرض		1.521 × 10 ⁸ كم
الحد الأدنى للمسافة من الأرض		1.471 × 10 ⁸ كم
الكتلة	مدار الأرض	333400 كتلة أرضية (1.99 × 10 ³⁰ كجم)
متوسط القطر الزاوي	قياس مباشر	31'59 بوصة.3
قطر فوتوسفير	الحجم الزاوي والمسافة	109.3 × قطر الأرض (1.39 × 10 ⁶ كم)
متوسط الكثافة	الكتلة/الحجم	1.41 جم/سم ³ (1400 كجم/م ³)
تسارع الجاذبية في الغلاف الضوئي (الجاذبية السطحية)	\(GM/R^2\)	27.9 × جاذبية سطح الأرض = 273 متر/ثانية ²
ثابت شمسي	أداة حساسة للإشعاع في جميع الأطوال الموجية	1370 واط/م ²
لمعان	ثابت شمسي × مساحة السطح الكروي 1 AU في دائرة نصف قطرها	3.8 × 10 ²⁶ واط
فئة طيفية	الطيف	2 فولت
درجة حرارة فعالة	مشتق من لمعان ونصف قطر الشمس	5800 كم
فترة الدوران عند خط الاستواء	تتغير البقع الشمسية والدوبلر في الأطياف المأخوذة عند حافة الشمس	24 يوم 16 ساعة
ميل خط الاستواء إلى مسير الشمس	حركات البقع الشمسية	7°10'.5

تكوين الغلاف الجوي للشمس

لنبدأ بالسؤال عن ماهية الغلاف الجوي الشمسي. كما هو موضح في Radiation and Spectra، يمكننا استخدام طيف خط امتصاص النجم لتحديد العناصر الموجودة. اتضح أن الشمس تحتوي على نفس عناصر الأرض ولكن ليس بنفس النسب. حوالي 73٪ من كتلة الشمس عبارة عن هيدروجين، و 25٪ أخرى من الهيليوم. جميع العناصر الكيميائية الأخرى (بما في ذلك تلك التي نعرفها ونحبها في أجسامنا، مثل الكربون والأكسجين والنيتروجين) تشكل 2٪ فقط من نجمنا. يتم سرد الغازات العشرة الأكثر وفرة في الطبقة السطحية المرئية للشمس في الجدول\(\PageIndex{2}\). افحص هذا الجدول ولاحظ أن تكوين الطبقة الخارجية للشمس يختلف كثيرًا عن القشرة الأرضية، حيث نعيش. (في قشرة كوكبنا، العناصر الثلاثة الأكثر وفرة هي الأكسجين والسيليكون والألمنيوم.) على الرغم من أن تركيبة الشمس ليست مثل كوكبنا، إلا أنها نموذجية تمامًا للنجوم بشكل عام.

\(\PageIndex{2}\)جدول: وفرة العناصر في الشمس
العنصر	النسبة المئوية بعدد الذرات	النسبة المئوية بالكتلة
هيدروجين	92.0	73.4
هيليوم	7.8	25.0
كربون	0.02	0.20
نيتروجين	0.008	0.09
أكسجين	0.06	0.80
نيون	0.01	0.16
المغنيسيوم	0.003	0.06
السليكون	0.004	0.09
كبريت	0.002	0.05
الحديد	0.003	0.14

تم عرض حقيقة أن شمسنا والنجوم جميعًا لها تركيبات متشابهة وتتكون في الغالب من الهيدروجين والهيليوم لأول مرة في أطروحة رائعة في عام 1925 من قبل سيسيليا باين جابوشكين، أول امرأة تحصل على درجة الدكتوراه في علم الفلك في الولايات المتحدة (الشكل\(\PageIndex{2}\)). ومع ذلك، فإن فكرة أن أبسط غازات الضوء - الهيدروجين والهيليوم - هي العناصر الأكثر وفرة في النجوم كانت غير متوقعة وصادمة للغاية لدرجة أنها اعتقدت أن تحليلها للبيانات يجب أن يكون خاطئًا. في ذلك الوقت، كتبت: «الوفرة الهائلة المستمدة من هذه العناصر في الغلاف الجوي النجمي ليست حقيقية بالتأكيد». حتى العلماء يجدون أحيانًا صعوبة في قبول الأفكار الجديدة التي لا تتفق مع ما «يعرفه» الجميع على أنه صحيح.

قبل عمل Payne-Gaposchkin، افترض الجميع أن تكوين الشمس والنجوم سيكون مثل تكوين الأرض. بعد 3 سنوات من أطروحتها، أثبتت دراسات أخرى بما لا يدع مجالاً للشك أن الوفرة الهائلة للهيدروجين والهيليوم في الشمس حقيقية بالفعل. (وكما سنرى، فإن تكوين الشمس والنجوم أكثر شيوعًا في تكوين الكون من التركيز الغريب للعناصر الثقيلة التي تميز كوكبنا.)

معظم العناصر الموجودة في الشمس هي في شكل ذرات، مع عدد قليل من الجزيئات، كلها في شكل غازات: الشمس شديدة الحرارة بحيث لا يمكن لأي مادة أن تعيش كسائل أو مادة صلبة. في الواقع، تكون الشمس ساخنة جدًا لدرجة أن العديد من الذرات الموجودة فيها تتأين، أي تجريدها من واحد أو أكثر من إلكتروناتها. إن إزالة الإلكترونات من ذراتها تعني وجود كمية كبيرة من الإلكترونات الحرة والأيونات ذات الشحنة الإيجابية في الشمس، مما يجعلها بيئة مشحونة كهربائيًا - مختلفة تمامًا عن البيئة المحايدة التي تقرأ فيها هذا النص. (يسمي العلماء مثل هذا الغاز المؤين الساخن بالبلازما.)

في القرن التاسع عشر، لاحظ العلماء خطًا طيفيًا عند 530.3 نانومتر في الغلاف الجوي الخارجي للشمس، يسمى كورونا (طبقة سنناقشها في دقيقة واحدة). لم يسبق رؤية هذا الخط من قبل، ولذلك افترض أن هذا الخط كان نتيجة عنصر جديد تم العثور عليه في الكورونا، وسرعان ما سمي بالكورونيوم. لم يكتشف علماء الفلك إلا بعد مرور 60 عامًا أن هذا الانبعاث كان في الواقع بسبب الحديد المؤين للغاية حيث تم تجريد 13 من إلكتروناته. هذه هي الطريقة التي اكتشفنا بها لأول مرة أن الغلاف الجوي للشمس كانت درجة حرارة أكثر من مليون درجة.

طبقات الشمس تحت السطح المرئي

\(\PageIndex{3}\)يوضح الشكل كيف ستبدو الشمس إذا تمكنا من رؤية جميع أجزائها من المركز إلى الغلاف الجوي الخارجي؛ ستصبح المصطلحات الواردة في الشكل مألوفة لك أثناء القراءة.

تختلف طبقات الشمس عن بعضها البعض، وتلعب كل منها دورًا في إنتاج الطاقة التي تنبعث منها الشمس في النهاية. سنبدأ بالنواة ونعمل على الخروج من خلال الطبقات. إن جوهر الشمس كثيف للغاية وهو مصدر كل طاقتها. داخل النواة، يتم إطلاق الطاقة النووية (بطرق سنناقشها في The Sun: A Nuclear Powerhouse). تبلغ مساحة النواة حوالي 20٪ من حجم الجزء الداخلي الشمسي ويُعتقد أن درجة حرارتها تبلغ حوالي 15 مليون كلفن، مما يجعلها الجزء الأكثر سخونة في الشمس.

فوق النواة توجد منطقة تُعرف باسم المنطقة الإشعاعية - سميت بالنمط الأساسي لنقل الطاقة عبرها. تبدأ هذه المنطقة بحوالي 25٪ من المسافة إلى السطح الشمسي وتمتد حتى حوالي 70٪ من الطريق إلى السطح. يتم نقل الضوء المتولد في القلب عبر المنطقة الإشعاعية ببطء شديد، حيث أن الكثافة العالية للمادة في هذه المنطقة تعني أن الفوتون لا يمكنه السفر بعيدًا دون مواجهة جسيم، مما يؤدي إلى تغيير الاتجاه وفقدان بعض الطاقة.

منطقة الحمل الحراري هي الطبقة الخارجية من الداخل الشمسي. إنها طبقة سميكة بعمق 200,000 كيلومتر تقريبًا تنقل الطاقة من حافة المنطقة المشعة إلى السطح من خلال الخلايا الحرارية العملاقة، على غرار وعاء من دقيق الشوفان المغلي. تكون البلازما الموجودة في الجزء السفلي من منطقة الحمل الحراري شديدة الحرارة، وتتصاعد إلى السطح حيث تفقد حرارتها إلى الفضاء. بمجرد أن تبرد البلازما، فإنها تعود إلى أسفل منطقة الحمل الحراري.

الآن بعد أن قدمنا نظرة عامة سريعة على بنية الشمس بأكملها، في هذا القسم، سنشرع في رحلة عبر الطبقات المرئية للشمس، بدءًا من الغلاف الضوئي - السطح المرئي.

الغلاف الضوئي الشمسي

هواء الأرض شفاف بشكل عام. ولكن في يوم مليء بالدخان في العديد من المدن، يمكن أن يصبح مبهمًا، مما يمنعنا من الرؤية من خلاله بعد نقطة معينة. يحدث شيء مماثل في الشمس. الغلاف الجوي الخارجي شفاف، مما يسمح لنا بالنظر لمسافة قصيرة من خلاله. ولكن عندما نحاول النظر عبر الغلاف الجوي بشكل أعمق إلى الشمس، فإن رؤيتنا محجوبة. الغلاف الضوئي هو الطبقة التي تصبح فيها الشمس معتمة وتمثل الماضي الحدودي الذي لا يمكننا رؤيته (الشكل\(\PageIndex{4}\)).

كما رأينا، تم توليد الطاقة التي تخرج من الغلاف الضوئي في الأصل في أعماق الشمس (المزيد عن هذا في The Sun: A Nuclear Powerhouse). هذه الطاقة في شكل فوتونات تشق طريقها ببطء نحو سطح الشمس. خارج الشمس، يمكننا فقط ملاحظة تلك الفوتونات المنبعثة إلى الغلاف الضوئي الشمسي، حيث تكون كثافة الذرات منخفضة بدرجة كافية ويمكن للفوتونات الهروب أخيرًا من الشمس دون الاصطدام بذرة أو أيون آخر.

على سبيل المقارنة، تخيل أنك تحضر تجمعًا كبيرًا في الحرم الجامعي ووجدت مكانًا رئيسيًا بالقرب من مركز الحدث. يصل صديقك متأخرًا ويتصل بك على هاتفك الخلوي ليطلب منك الانضمام إليها على حافة الحشد. أنت تقرر أن الصداقة تستحق أكثر من مجرد مكان رئيسي، وهكذا تشق طريقك عبر الحشد الكثيف لمقابلتها. يمكنك التحرك لمسافة قصيرة فقط قبل الاصطدام بشخص ما وتغيير الاتجاه والمحاولة مرة أخرى، وتشق طريقك ببطء إلى الحافة الخارجية للحشد. كل هذا الوقت، جهودك غير مرئية لصديقك المنتظر على الحافة. لا يستطيع صديقك رؤيتك حتى تقترب جدًا من الحافة بسبب كل الأجسام الموجودة في الطريق. لذلك أيضًا، تصطدم الفوتونات التي تشق طريقها عبر الشمس باستمرار بالذرات، وتغير اتجاهها، وتشق طريقها ببطء إلى الخارج، وتصبح مرئية فقط عندما تصل إلى الغلاف الجوي للشمس حيث تكون كثافة الذرات منخفضة جدًا بحيث لا تمنع تقدمها الخارجي.

اكتشف علماء الفلك أن الغلاف الجوي الشمسي يتغير من شبه شفاف تمامًا إلى معتم تمامًا تقريبًا على مسافة تزيد قليلاً عن 400 كيلومتر؛ إنها هذه المنطقة الرقيقة التي نسميها الغلاف الضوئي، وهي كلمة مشتقة من اليونانية تعني «المجال الضوئي». عندما يتحدث علماء الفلك عن «قطر» الشمس، فإنهم يقصدون حجم المنطقة المحاطة بالغلاف الضوئي.

يبدو الغلاف الضوئي حادًا فقط من مسافة بعيدة. إذا كنت تسقط في الشمس، فلن تشعر بأي سطح ولكنك ستشعر بزيادة تدريجية في كثافة الغاز المحيط بك. إنه يشبه إلى حد كبير السقوط عبر سحابة أثناء القفز بالمظلات. من بعيد، تبدو السحابة كما لو كانت ذات سطح حاد، لكنك لا تشعر بالسطح عندما تسقط فيها. (لكن الفرق الكبير بين هذين السيناريوهين هو درجة الحرارة. الشمس حارة جدًا لدرجة أنك ستتبخر قبل وقت طويل من وصولك إلى الغلاف الضوئي. القفز بالمظلات في الغلاف الجوي للأرض أكثر أمانًا.)

قد نلاحظ أن جو الشمس ليس طبقة كثيفة جدًا مقارنة بالهواء في الغرفة التي تقرأ فيها هذا النص. عند نقطة نموذجية في الغلاف الضوئي، يكون الضغط أقل من 10٪ من ضغط الأرض عند مستوى سطح البحر، وتبلغ الكثافة حوالي واحد من عشرة آلاف من كثافة الغلاف الجوي للأرض عند مستوى سطح البحر.

تُظهر الملاحظات باستخدام التلسكوبات أن الغلاف الضوئي له مظهر مرقش يشبه حبوب الأرز المنسكبة على مفرش المائدة الداكن أو وعاء من دقيق الشوفان المغلي. تسمى بنية الغلاف الضوئي هذه التحبيب (انظر الشكل\(\PageIndex{5}\)). تظهر الحبيبات، التي يبلغ قطرها عادةً 700 إلى 1000 كيلومتر (حوالي عرض تكساس)، كمناطق مشرقة محاطة بمناطق ضيقة داكنة (أكثر برودة). عمر الحبيبة الفردية هو 5 إلى 10 دقائق فقط. بل الأكبر حجمًا هي الحبيبات الفائقة، التي يبلغ عرضها حوالي 35000 كيلومتر (حوالي حجم أرضين) وتستمر حوالي 24 ساعة.

يمكن دراسة حركات الحبيبات من خلال فحص تحولات دوبلر في أطياف الغازات فوقها مباشرة (انظر تأثير دوبلر). الحبيبات الساطعة عبارة عن أعمدة من الغازات الأكثر سخونة ترتفع بسرعة 2 إلى 3 كيلومترات في الثانية من أسفل الغلاف الضوئي. عندما يصل هذا الغاز المتصاعد إلى الغلاف الضوئي، ينتشر ويبرد ويغرق مرة أخرى في المناطق الداكنة بين الحبيبات. تظهر القياسات أن مراكز الحبيبات تكون أكثر سخونة من المناطق الحبيبية بمقدار 50 إلى 100 K.

شاهد حركة «الغليان» للتحبيب في هذا الفيديو بفاصل زمني مدته 30 ثانية من المعهد السويدي لفيزياء الشمس.

ذا كروموسفير

تمتد الغازات الخارجية للشمس إلى ما وراء الغلاف الضوئي (الشكل\(\PageIndex{6}\)). نظرًا لأنها شفافة بالنسبة لمعظم الإشعاع المرئي وتصدر كمية صغيرة فقط من الضوء، فمن الصعب مراقبة هذه الطبقات الخارجية. تسمى منطقة الغلاف الجوي للشمس التي تقع مباشرة فوق الغلاف الضوئي بالكروموسفير. حتى هذا القرن، كان الكروموسفير مرئيًا فقط عندما أخفى القمر الغلاف الضوئي أثناء كسوف الشمس الكلي (انظر الفصل الخاص بالأرض والقمر والسماء). في القرن السابع عشر، وصف العديد من المراقبين ما بدا لهم على أنه «خط» أحمر ضيق أو «هامش» حول حافة القمر خلال لحظة وجيزة بعد تغطية الغلاف الضوئي للشمس. أُطلق على هذا الخط الأحمر اسم الكروموسفير، المأخوذ من اليونانية والذي يعني «الكرة الملونة».

تظهر الملاحظات التي أجريت أثناء الكسوف أن الكروموسفير يبلغ سمكه حوالي 2000 إلى 3000 كيلومتر، ويتكون طيفه من خطوط انبعاث ساطعة، مما يشير إلى أن هذه الطبقة تتكون من غازات ساخنة تنبعث منها ضوء بأطوال موجية منفصلة. ينشأ اللون المحمر للكروموسفير من أحد أقوى خطوط الانبعاث في الجزء المرئي من طيفه - الخط الأحمر الساطع الناتج عن الهيدروجين، العنصر الذي، كما رأينا بالفعل، يهيمن على تكوين الشمس.

في عام 1868، كشفت ملاحظات الطيف الكروموسومي عن خط انبعاث أصفر لا يتوافق مع أي عنصر معروف سابقًا على الأرض. سرعان ما أدرك العلماء أنهم وجدوا عنصرًا جديدًا وأطلقوا عليه اسم الهيليوم (بعد هيليوس، الكلمة اليونانية لـ «الشمس»). استغرق الأمر حتى عام 1895 حتى تم اكتشاف الهيليوم على كوكبنا. اليوم، ربما يكون الطلاب أكثر دراية به باعتباره الغاز الخفيف المستخدم في نفخ البالونات، على الرغم من أنه تبين أنه ثاني أكثر العناصر وفرة في الكون.

تبلغ درجة حرارة الكروموسفير حوالي 10000 كلفن، وهذا يعني أن الكروموسفير أكثر سخونة من الغلاف الضوئي، الأمر الذي يجب أن يبدو مفاجئًا. في جميع الحالات التي نعرفها، تنخفض درجات الحرارة عندما يبتعد المرء عن مصدر الحرارة، ويكون الكروموسفير أبعد عن مركز الشمس عن الغلاف الضوئي.

المنطقة الانتقالية

لا تتوقف الزيادة في درجة الحرارة عند الكروموسفير. وفوقها منطقة في الغلاف الجوي الشمسي حيث تتغير درجة الحرارة من 10000 كلفن (نموذجي للكروموسفير) إلى ما يقرب من مليون درجة. يُطلق على الجزء الأكثر سخونة من الغلاف الجوي الشمسي، والذي تبلغ درجة حرارته مليون درجة أو أكثر، اسم كورونا. بشكل مناسب، يُطلق على جزء الشمس الذي يحدث فيه الارتفاع السريع في درجة الحرارة اسم المنطقة الانتقالية. ربما يبلغ سمكها بضع عشرات من الكيلومترات فقط. \(\PageIndex{7}\)يلخص الشكل كيف تتغير درجة حرارة الغلاف الجوي الشمسي من الغلاف الضوئي إلى الخارج.

في عام 2013، أطلقت وكالة ناسا مطياف تصوير منطقة الواجهة (IRIS) لدراسة المنطقة الانتقالية لفهم كيفية وسبب حدوث هذه الزيادة الحادة في درجة الحرارة بشكل أفضل. IRIS هي أول بعثة فضائية قادرة على الحصول على صور عالية الدقة المكانية للميزات المختلفة المنتجة خلال نطاق درجة الحرارة الواسع هذا ومعرفة كيفية تغيرها مع الوقت والموقع (الشكل\(\PageIndex{8}\)).

الشكل\(\PageIndex{3}\) والرسم البياني الأحمر في الشكل\(\PageIndex{7}\) يجعلان الشمس تبدو مثل البصل، بقشرة كروية ناعمة، ولكل منها درجة حرارة مختلفة. لفترة طويلة، فكر علماء الفلك بالفعل في الشمس بهذه الطريقة. ومع ذلك، نعلم الآن أنه في حين أن فكرة الطبقات هذه - الفوتوسفير والكروموسفير والمنطقة الانتقالية والكورونا - تصف الصورة الكبيرة بشكل جيد إلى حد ما، فإن الغلاف الجوي للشمس أكثر تعقيدًا حقًا، حيث تختلط المناطق الحارة والباردة. على سبيل المثال، تم العثور الآن على سحب من غاز أول أكسيد الكربون بدرجات حرارة أبرد من 4000 كلفن على نفس الارتفاع فوق الغلاف الضوئي مثل الغاز الأكثر سخونة في الكروموسفير.

ذا كورونا

يُطلق على الجزء الخارجي من الغلاف الجوي للشمس اسم الإكليل. مثل الكروموسفير، تمت ملاحظة الهالة لأول مرة خلال الكسوف الكلي (الشكل\(\PageIndex{9}\)). على عكس الكروموسفير، كانت الهالة معروفة منذ قرون عديدة: أشار إليها المؤرخ الروماني بلوتارخ وناقشها كيبلر بشيء من التفصيل.

تمتد الهالة ملايين الكيلومترات فوق الغلاف الضوئي وتنبعث منها حوالي نصف كمية الضوء مثل القمر الكامل. السبب في أننا لا نرى هذا الضوء حتى يحدث الكسوف هو التألق الطاغي للغلاف الضوئي. مثلما تجعل أضواء المدينة الساطعة من الصعب رؤية ضوء النجوم الخافت، فإن الضوء الشديد المنبعث من الغلاف الضوئي يخفي الضوء الخافت من الهالة أيضًا. في حين أن أفضل وقت لرؤية الهالة من الأرض هو أثناء الكسوف الكلي للشمس، يمكن ملاحظته بسهولة من المركبة الفضائية المدارية. يمكن الآن تصوير أجزائه الأكثر سطوعًا باستخدام أداة خاصة - صورة كورونا - تزيل وهج الشمس من الصورة باستخدام قرص غامض (قطعة دائرية من المواد مثبتة بحيث تكون أمام الشمس فقط).

تظهر الدراسات التي أجريت على طيفها أن الهالة منخفضة جدًا في الكثافة. في الجزء السفلي من الإكليل، لا يوجد سوى حوالي 10 ⁹ ذرات لكل سنتيمتر مكعب، مقارنة بحوالي 10 ¹⁶ ذرة لكل سنتيمتر مكعب في الغلاف الضوئي العلوي و 10 ^{19 جزيئًا} لكل سنتيمتر مكعب عند مستوى سطح البحر في الغلاف الجوي للأرض. تتلاشى الهالة بسرعة كبيرة على ارتفاعات أكبر، حيث تتوافق مع الفراغ العالي وفقًا لمعايير مختبر الأرض. يمتد الهالة حتى الآن إلى الفضاء - بعيدًا عن الأرض - حتى أننا هنا على كوكبنا نعيش تقنيًا في الغلاف الجوي للشمس.

الرياح الشمسية

من أبرز الاكتشافات حول الغلاف الجوي للشمس أنها تنتج تيارًا من الجسيمات المشحونة (خاصة البروتونات والإلكترونات) التي نسميها الرياح الشمسية. تتدفق هذه الجسيمات إلى الخارج من الشمس إلى النظام الشمسي بسرعة حوالي 400 كيلومتر في الثانية (حوالي مليون ميل في الساعة)! توجد الرياح الشمسية لأن الغازات الموجودة في الهالة شديدة الحرارة وتتحرك بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن منعها بسبب الجاذبية الشمسية. (تم اكتشاف هذه الرياح بالفعل من خلال تأثيرها على ذيول المذنبات المشحونة؛ بمعنى ما، يمكننا أن نرى ذيول المذنب تهب في النسيم الشمسي بالطريقة التي ترفرف بها الرياح في المطار أو الستائر في نافذة مفتوحة ترفرف على الأرض.)

على الرغم من أن مادة الرياح الشمسية نادرة جدًا (أي منخفضة الكثافة للغاية)، إلا أن الشمس تتمتع بمساحة سطحية هائلة. يقدر علماء الفلك أن الشمس تفقد حوالي 1-2 مليون طن من المواد كل ثانية من خلال هذه الرياح. على الرغم من أن هذا يبدو كثيرًا، إلا أنه تافه جدًا مقارنة بالكتلة الهائلة للشمس بحيث يمكن إهماله أثناء دراستنا للشمس.

من أين تظهر الرياح الشمسية في الشمس؟ في الصور المرئية، تبدو الهالة الشمسية موحدة وسلسة إلى حد ما. ومع ذلك، تُظهر الأشعة السينية والصور فوق البنفسجية الشديدة أن الإكليل يحتوي على حلقات وأعمدة ومناطق مشرقة ومظلمة. تسمى المناطق المظلمة الكبيرة من الهالة الباردة والهادئة نسبيًا بالثقوب الإكليلية (الشكل\(\PageIndex{10}\)). في هذه المناطق، تمتد خطوط المجال المغناطيسي بعيدًا إلى الفضاء بعيدًا عن الشمس، بدلاً من العودة إلى السطح. تأتي الرياح الشمسية في الغالب من الثقوب الإكليلية، حيث يمكن للغاز أن يتدفق بعيدًا عن الشمس إلى الفضاء دون عوائق بواسطة المجالات المغناطيسية. من ناحية أخرى، يوجد الغاز الإكليلي الساخن بشكل أساسي حيث تحاصره الحقول المغناطيسية وتركزه.

على سطح الأرض، نحن محميون إلى حد ما من الرياح الشمسية بواسطة الغلاف الجوي والمجال المغناطيسي للأرض (انظر الأرض ككوكب). ومع ذلك، تأتي خطوط المجال المغناطيسي إلى الأرض عند القطبين المغناطيسيين الشمالي والجنوبي. هنا، يمكن للجسيمات المشحونة التي تتسارع بفعل الرياح الشمسية أن تتبع المجال وصولاً إلى غلافنا الجوي. عندما تصطدم الجسيمات بجزيئات الهواء، فإنها تتسبب في توهجها، مما ينتج ستائر جميلة من الضوء تسمى الشفق القطبي، أو الأضواء الشمالية والجنوبية (الشكل\(\PageIndex{11}\)).

يشرح هذا الفيديو التابع لوكالة ناسا ويوضح طبيعة الشفق القطبي وعلاقتها بالمجال المغناطيسي للأرض.

المفاهيم الأساسية والملخص

تحتوي الشمس، نجمنا، على عدة طبقات تحت السطح المرئي: النواة والمنطقة الإشعاعية ومنطقة الحمل الحراري. وهذه بدورها محاطة بعدد من الطبقات التي تشكل الغلاف الجوي الشمسي. من أجل زيادة المسافة من مركز الشمس، فهي الغلاف الضوئي، بدرجة حرارة تتراوح من 4500 كلفن إلى حوالي 6800 كلفن؛ والكروموسفير، بدرجة حرارة نموذجية تبلغ 104 كلفن؛ المنطقة الانتقالية، وهي منطقة قد لا يزيد سمكها عن بضعة كيلومترات، حيث تزداد درجة الحرارة بسرعة من 104 كلفن إلى 106 كلفن؛ والإكليل، بدرجات حرارة تصل إلى بضعة ملايين كلفن. سطح الشمس مرشوش بتيارات حرارية صاعدة يُنظر إليها على أنها حبيبات ساخنة ومشرقة. تتدفق جزيئات الرياح الشمسية إلى النظام الشمسي من خلال الثقوب الإكليلية. عندما تصل هذه الجسيمات إلى المنطقة المجاورة للأرض، فإنها تنتج الشفق القطبي، وهو الأقوى بالقرب من الأقطاب المغناطيسية للأرض. يشكل الهيدروجين والهيليوم معًا 98٪ من كتلة الشمس، التي يعتبر تكوينها سمة مميزة للكون بشكل عام أكثر من تكوين الأرض.

مسرد المصطلحات

أورورا: الضوء الذي تشعه الذرات والأيونات في الغلاف الأيوني الذي تثيره الجسيمات المشحونة من الشمس، والتي تُرى في الغالب في المناطق القطبية المغناطيسية

الكروموسفير: الجزء من الغلاف الجوي الشمسي الذي يقع مباشرة فوق طبقات الغلاف الضوئي

كورونا: (الشمس) الغلاف الجوي الخارجي (الحار) للشمس

ثقب إكليلي: منطقة في الغلاف الجوي الخارجي للشمس تبدو داكنة بسبب وجود كمية أقل من الغاز الساخن هناك

تحبيب: هيكل الغلاف الضوئي الشمسي الشبيه بحبوب الأرز؛ يتم إنتاج التحبيب عن طريق تيارات الغاز المتصاعدة التي تكون أكثر سخونة قليلاً، وبالتالي أكثر سطوعًا، من المناطق المحيطة، والتي تتدفق نزولًا إلى الشمس

فوتوسفير: منطقة الغلاف الجوي الشمسي (أو النجمي) التي يتسرب منها الإشعاع المستمر إلى الفضاء

بلازما: غاز مؤين ساخن

الرياح الشمسية: تدفق الجسيمات الساخنة والمشحونة التي تغادر الشمس

منطقة انتقالية: المنطقة في الغلاف الجوي للشمس حيث ترتفع درجة الحرارة بسرعة كبيرة من درجات الحرارة المنخفضة نسبيًا التي تميز الكروموسفير إلى درجات الحرارة المرتفعة للكورونا