كوكب الشمس

الشمس (رمزها ) وهي النجم المركزي للمجموعة الشمسية. وهي تقريبا كروية وتحوي بلازما حارة متشابكة مع الحقل المغناطيسي.[12][13] يبلغ قطرها حوالي 1,392,684 كيلومتر،[5] وهو ما يعادل 109 اضعاف قطر الارض وكتلتها 2×1030 كيلوغرام وهو ما يعادل 330,000 ضعف من كتلة الارض وتشكل نسبة ما يتراوح الى 99.86 % من كتلة كل المجموعة الشمسية.[14]

من الناحية الكيميائية يشكل الهيدروجين ثلاث ارباع مكونات الكتلة الشمسية، اما البقية فهي في معظمها هيليوم مع وجود نسبة 1.69% (تقريبا تعادل 5,628 من كتلة الارض) من العناصر الاثقل متضمنة الاكسجين والكربون والنيون والحديد وعناصر اخرى.[15]

تنتمي الشمس وفق التصنيف النجمي على اساس الطبقات الطيفية الى الفئة G2V.ويعرف بانه قزم اصفر، لان الاشعة المرئية تكون اكثر في الطيف الاصفر والاخضر. وتبدو من على سطح الكرة الارضية ذات لون اصفر على الرغم من لونها الابيض بسبب النشر الاشعاعي للسماء للون الازرق..[16]على اي حال وفق التصنيف النجمي، يشير الرمز G2 الى درجة حرارة السطح والتي تصل تقريبا الى 5778 كلفن، بينما يشير الرمز V الى ان الشمس هي نجم من النسق الاساسي. ويعتبره علماء الفلك بانه نجم صغير وضئيل نسبيا، ويعتقد ان الشمس ذات بريق اكثر من 85% من نجوم مجرة درب التبانة، لتشكل اقزام حمراء معظم نجوم هذه المجرة.[17][18] يبلغ القدر المطلق للشمس +4.83، وكنجم اقرب الى الارض فان الشمس هي اكثر جرم لمعانا في سماء الارض مع قدر ظاهري −26.74.[19][20] تتمدد هالة الشمس بشكل مستمر الى الفضاء مشكلة ما يعرف بالرياح الشمسية وهي عبارة عن جسيمات مشحونة تمتد حافة الغلاف الشمسي والتي تصل الى حوالي 100 وحدة فلكية، ويمتلئ الوسط بين النجمي بالرياح الشمسية. يشكل الغلاف الشمسي اكبر بنية متصلة في المجموعة الشمسية.[21][22]

تتحرك الشمس في السحابة البينجمية المحلية الواقعة في منطقة الفقاعة المحلية ضمن الحافة الداخلية لذراع الجبار احد الاذرعة الحلزونية لمجرة درب التبانة. تحتل الشمس المركزة الرابعة من حيث الكتلة ضمن الخمسين نجم الاقرب الى الارض (نجوم تقع على مسافة 17 سنة ضوئية من الارض)، في حين ان اقرب نجم من الارض بعد الشمس هو القنطور الاقرب الذي يقع على بعد 4.2 سنة ضوئية.[23]

يبعد مدار الشمس المجري عن مركز المجرة على بعد تقريبي يتراوح ما بين 24,000–26,000 سنة ضوئية، تكمل الشمس مدارها المجري او السنة المجرية كما يظهر من القطب المجري الشمالي في حوالي 225–250 مليون سنة. بما ان المجرة تتحرك بشكل متناسب مع اشعاع الخلفية الكوني الميكرويفي بسرعة 550 كم/سا مما ينتج حركة للشمس بسرعة 370 كم/سا باتجاه كوكبة الاسد او كوكبة الباطية.[24]

تبلغ متوسط مسافة الشمس عن الارض حوالي 149.6 مليون كم (وحدة فلكية واحدة)، ويعتقد ان هذه المسافة تتغير بتحرك الارض من الاوج الىالحضيض.[25] ينتقل الضوء عند هذه المسافة المتوسطة خلال 8 دقيقة و9 ثوان، تؤمن طاقة الاشعة الضوئية الشمسية المنتقلة الى الارض الحياة عليها من خلال تامين عملية التمثيل الضوئي,[26] اضافة الى تامين مناخ وطقس الارض، وقد عرفت اثار الشمس على الارض في عصر ما قبل التاريخ، واعتبرت الشمس وفق بعض الثقافات كاله. تطور الفهم العلمي للشمس بشكل بطيء، وحتى علماء القرن التاسع عشر كانت معارفهم حول التكوين المادي للشمس ومصدر طاقتها محدود، ولا تزال هذه المعارف تتطور مع وجود بعض الحالات الشاذة في سلوك الشمس الغير قادرة على التفسير.

 

المميزات العامة

تنتمي الشمس الى نوع نجوم النسق الاساسي G, وتشكل كتلة الشمس حوالي 99.8632% من كتلةالمجموعة الشمسية ككل. وشكلها تقريبا كروي كامل بحيث يختلف القطر عند القطب عن القطر عند الاستواء بعشرة كيلومتر فقط.[27] بما ان الشمس هي في حالة البلازما وليس في الحالة الصلبة فانها تدور بسرعة اكبر عند خط الاستواء منه عند القطبين ويعرف هذا السلوك بالدوران التفاضلي، ويتسبب هذا بالحمل الحراري وتحرك الكتلة بسبب التدرج الكبير في درجات الحرارة من النواة الى الخارج. تحمل هذه الكتلة جزء من الزخم الزاوي بعكس جهة دوران عقارب الساعة لتظهر على انها من القطب الشمالي لمسار الشمس، وهكذا يتم اعادة نوزيع السرعة الزاوية. فترة الدوران الحقيقي للشمس تستغرق 25.6 يوم عند خط استوائه و33.5 يوم عند القطبين. بينما فترة الدوران الظاهري عند خط الاستواء 28 يوم.[28] ان تاثير قوة الطرد المركزي لهذا الدوران البطئ اقل 18 مليون ضعف من قوة الجذبالسطحي عند خط الاستواء. كما ان تاثير قوة المد والجزر للكواكب ذات تاثير ضعيف جدا، لذلك ليس لها تاثير يذكر على شكل الشمس.[29]

يعتبر الشمس نجم غني بالمعادن.[30] من الممكن ان تشكل الشمس قد تحفز نتيجة امواج صدمية منمستعر اعظم او اكثر كانا قريبين.[31] اقترح هذا النموذج بسبب وفرة المعادن الثقيلة في النظام الشمسي، مثل الذهب واليورانيوم، نسبة الى توفر المعادن الثقيلة في نجوم اخرى. ويحتمل نشاة هذه العناصر من التحفيز الذري عن طريق امتصاص طاقة والذي يحدث اثناء انفجار مستعر اعظم، او اثناء التحول النووي نتيجة امتصاص النيوترونات ضمن النجم الثانوي المولد.[30]

لا تملك الشمس حد واضح مثل الكواكب الصخرية، وتتناقص كثافة الغازات في الاجزاء الخارجية للشمس كلما ابتعدنا عن النواة.[32] ومع ذلك فان البنية الداخلية للشمس مميزة بوضوح كما سيوضح لاحقا. يقاس نصف قطر الشمس بدءا من مركز النواة الى نهاية الغلاف الضوئي (الفوتوسفير) وهي طبقة اعلى من النواة تكون فيها الغازات باردة ورقيقة بحيث تشع كميات كبيرة من الضوء، لذلك يكون سطحها مرئي بسهولى بالعين المجردة.[33]

لا يمكن رؤية الداخل الشمسي بالعين، كما ان الشمس غير نفوذة للاشعة الكهرومغناطيسية. يتم دراسة التركيب الداخلي للشمس بشكل مشابه لدراسة التركيب الداخلي للارض، ففي حالة الارض يتم استخدام الموجات الزلزالية، بينما تعبر الامواج الاتضغاطية في حالة الشمس عن التركيب الداخلي للشمس وتمكن من وضع تصور للبنية الداخلية لها.[34] كما تستخدم المحاكاة بالحاسوب كاسلوب نظري في دراسة الشمس واستكشاف الطبقات الداخلية

النواة

تمتد نواة الشمس من مركز الشمس الى 20-25% من نصف قطر الشمس.[35] وتزيد كثافتهاعن 150 غ/سم3 [36][37] (حوالي 150 ضعف من كثافة الماء). تصل درجة الحرارة ضمن النواة الى 15.7 مليون كلفن، في حين ان درجة حرارة سطح الشمس تصل الى 5,800 كلفن.[35] وفق تحليل المسبار سوهو فان نواة الشمس تدور بسرعة اكبر من سرعة دوران المنطقة الاشعاعية.[35] تنتج الطاقة الشمسية خلال معظم حياة الشمس من خلال الاندماج النووي من خلال سلسلة من المراحل تدعى بسلسلة تفاعل بروتون-بروتون، ومن خلال هذه العملية يتحول الهيدروجينالى الهيليوم.[38] بينما ينتج عن طريق دورة كنو فقط 0.8% من طاقة الشمس.[39]

تعتبر نواة الشمس الطبقة التي تنتج معظم الطاقة الحرارية للشمس من خلال الاندماج النووي، فمن خلال ال 24 % من نصف القطر الشمسي يتم انتاج 99% من الطاقة. وتتوقف عملية الاندماج النووي ما بعد 30% من نصف القطر الشمسي، في حين ان بقية النجم يتم تسخينه عن طريق الانتقال الحراري. وهكذا فان الطاقة المنتجة من النواة تنتقل منها خلال عدة طبقات لتصل الى الفوتوسفير لتنتقل من ثمة الى الفضاء على شكل اشعة ضوئية وطاقة حركية للجسيمات.[40][41]

تحدص سلسلة البروتون – بروتون ضمن نواة الشمس كل 9.2*1037 مرة في الثانية الواحدة. بما ان هذا التفاعل يستخدم اربع بروتونات حرة (نوى الهيدروجين) فانه يحول 3.7*1038 بروتون الى جسيم الفا (نوى هيليوم) خلال الثانية الواحدة اي مايعادل حوالي 6.2 *1011 كيلوغرام في الثانية.[41] ونظرا لان اندماج الهيدروجين وتحوله الى هيليوم يحرر حوالي 0.7% من الكتلة المنصهرة الى طاقة،[42] فيبلغ مجمل الكتلة المتحولة الى طاقة حوالي 4.26 مليون طن/الثانية او الطاقة الناتجة عن تحول هذه الكتلة تساوي 384.6 *1026 واط[1] وهو مايعادل الطاقة الناتجة عن انفجار 9.192*1010 كيلو غرام من التي ان تي في الثانية الواحدة. وتتحول المادة الى طاقة وتشع كطاقة اشعاعية طبقا لقانون تكافؤ المادة والطاقةالذي صاغة اينشتاين في النظرية النسبية.

تتغير الطاقة المنتجة عن طريق الاندماج النووي تبعا لبعدها عن مركز الشمس. توضح المحاكاة النظرية ان الطاقة المنتجة في مركز الشمس تصل الى 276.5 واط/م3

المنطقة الاشعاعية

تكون المادة الشمسية في منطقة تقع على نصف قطر اقل من 0.7 من قطر الشمس، حارة وكثيفة بما فيه الكفاية بحيث يكون النقل الحراري الاشعاعيكبير لنقل الحرارة الكبيرة للنواة باتجاه الخارج.[43] ولا يوجد في هذه المنطقة نقل حراري بالحمل، كما تتبرد المواد في هذه المنطقة من 7 مليون كلفن الى 2 مليون كلفن بشكل يتناسب مع الارتفاع. هذا التدرج الحراري اقل من قيمة معدل السقوط الاديباتي والتي لايمكن ان تؤدي الى النقل بالحمل.[37] الطاقة المنتقلة بواسطة اشعاع ايونات الهيدروجين وانبعثات فوتونات الهيليوم والتي تنتقل مسافة قصيرة قبل ان يعاد امتصاصها من ايونات اخرى.[43] كما تنخفض الكثافة الى مئة ضعف من منطقة تتراوح 0.25 من قطر الشمس الى قمة منطقة الاشعاع (من 20 غ/سم3 الى 0.2 غ/سم3)[43]

تتشكل في مكان الاتصال ما بين المنطقة الاشعاعية ومنطقة الجمل طبقة انتقالية تعرف بخط السرعة او تاكولاين، تتميز هذا الطبقة بتغير حاد في نظام الدوران من دوران منتظم في المنطقة الاشعاعية الى دوران تفاضلي في منطقة الحمل، مما ينتج عن اجهادات قص كبيرة لتنزلق الطبقات الافقية بعضها على بعض.[44] حركة السائل المتواجدة في منطقة الحمل تختفي بشكل تدريجي من الاعلى الى الاسفل بشكل يطابف المميزات الساكنة للطبقة الاشعاعية في اسفل منطقة الحمل، حاليا اقترحت فرضية الدينامو الشمسي حيث فرضت بان الدينامو الغناطيسي في هذه الطبقة يولد الحقل المغناطيسي للشمس.[37]

منطقة الحمل

اعتبارا من الطبقة الخارجية لسطح الشمس، نزولا الى ما يقارب 200000 كم باتجاه النواة (حوالي 70% من نصف قطر الشمس) تكون البلازما غير كافية او غير حارة بمافيه الكفايى لنقل الطاقة الحرارية الداخلية للخارج عن طريق الاشعاع. نتيجة لذلك، يحدث انتقال الحرارة بواسطة الحمل حيث تحمل تيارات حرارية المواد الساخنة باتجاه سطح الشمس، وحالما تبرد هذه المواد تحمل الى اسفل منطقة الحمل لتتلقى حرارة من اعلى منطقة الاشعاع. تصل درجة الحرارة في المنطقة المرئية من سطح الشمس الى 5700 كلفن، والكثافة الى 0.2 غ/سم3 فقط (حوالي 1/6000 من كثافة الهواء عند مستوى سطح البحر).[37]

تشكل الاعمدة الحرارية الناتجة عن النقل الحراري بالحمل سمات مميزة على سطح الشمس تعرف الحبيبات الشمسية والحبيبات الشمسية الفائقة. يسبب الحمل الحراري المضطرب في هذا المنطقة تاثير دينامو صغير الذي يؤدي الى نشوء قطب شمالي وقطب جنوبي مغناطيسي للشمس.[37] الاعمدة الحرارية هي خلايا بينارد لذلك تكون على شكل منشور سداسي.[45]

الغلاف الضوئي

يعرف السطح المرئي من الشمس بالغلاف الضوئي، وتكون الطبقة الادنى من هذه الطبقة ذات عتامة للضوء المرئي،[46] يصبح ضوء الشمس حرا بالانتقال الىالفضاء فوق هذه الطبقة، ومنها تنتقل طاقة داخل الشمس للخارج. يرجع التغير في الخصائص البصرية للشمس في هذه الطبقة نتيجة تناقص كميات انيون الهيدروجينوالذي يمتص الضوء المرئي بسهولة.[46] وعلى العكس من ذلك ينتج الضوء المرئي الكترونات تتفاعل مع ذرات الهيدروجين لتقلل من كمية انيون الهيدروجين.[47][48] تبلغ سماكة الغلاف الضوئي مئات الكيلومترات وهي ذات عتامة اقل بقليل من هواء الارض. لان القسم الاعلى من الغلاف الضوئي ابرد من ادنى اقسامه. تظهر الصور الملتقطة للشمس بانها ذات سطوع اعلى في المركز منه عن الاطراف او يوجود سواد على اطراف قرص الشمس وهو مايعرف باسم سواد الاطراف.[46] يملك ضوء الشمس تقريبا طيف الجسم الاسود وهو مايؤشر على ان درجة حرارتها حوالي 6000 كلفن، يتخللها خطوط طيفية ذرية في الطبقات الضعيفة فوق الغلاف الضوئي. تبلغ كثافة الجسيمات الغلاف الضوئي حوالي 1023 م3 وهو مايعادل 0.37% من كثافة جسيمات الغلاف الجوي الارضي عندمستوى سطح البحر. يعود ذلك لان معظم جسيمات الغلاف الضوئي هي من الالكترونات والبروتونات مما يجعل جسيمات الغلاف الجوي الارضي اثقل ب 58 ضعف.[43]

لوحظت خلال الدراسات المبكرة للطيف المرئي بان بعض الخطوط الطيفية لا تتناسب مع اي مركب كيميائي معروف على الارض. لذلك فرض جوزيف نورمان لوكير في سنة 1868 بان هناك عنصر جديد موجود ودعاه بالهيليوم، ولم تمض سوى 25 سنة بعد ذلك حتى تم عزل الهيليوم على الارض.[49]

الغلاف الجوي

يشار الى القسم من الشمس اعلى الغلاف الضوئي بالغلاف الجوي للشمس.[46] ويمكن رصده بتلسكوب عامل على الطيف الكهرومغنطيسي. يمكن تمييز خمس مناطق رئيسية في الغلاف الشمسي باستخدام امواج الراديو او اشعة غاما وهي : منطقة الحرارة المنخفضة والغلاف الملون ومنطقة الانتقال والهالة الشمسية والغلاف الشمسي.[46] يعتبر الغلاف الشمسي الطبقة الخارجية من الشمس يتتمدد الغلاف الشمسي بعد مدار بلوتو ليصبح غشاء شمسي (غمد شمسي)، حيث تشكل حدود على شكل موجة صدمية في الوسط بين النجمي. تكون كل من الغلاف الملون ومنطقة الانتقال والهالة اكثر حرارة من سطح الشمس.[46] حتى الان لم يبرهن السبب وراء ذلك، لكن يقترح ان امواج الففين لها الطاقة الكافية لتسخين الهالة[50]

الطبقة الاقرب للشمس هي طبقة درجة الحرارة المنخفضة وتقع على ارتفاع 500 كم من الغلاف الضوئي، وتصل درجة الحرارة في هذه الطبقة الى 4100 كلفن.[46]وهذه الطبقة ذات درجة حرارة منخفضة بما فيه الكفاية لتدعم وجود جزيئات الماء واحادي اكسيد الكربون وامكن تحديد وجود هذين المركبين باستخدام الخطوط الطيفية.[51]

تتموضع فوق طبقة الحرارة المنخفضة طبقة الغلاف الملون، وهي طبقة يبلغ سمكها حوالي 2000 كم مهيمن عليها من قبل خطوط الطيف..[46] وسميت بهذا الاسم لانها ترى كوميض ملون في بداية ونهاية كسوف الشمس.[43] تزداد الحراة في هذه الطبقة تدريجيا مع الارتفاع لتصل الى حرارة 20000 كلفن بالقرب من اعلى هذه الطبقة. يصبح الهيليوم في الجزء الاعلى من هذه الطبقة متاين جزئيا.[52]

تتواجد طبقة رقيقة بسمك 200 كم تقريبا وهي منطقة الانتقال، تتميز هذه المنطقة بالارتفاع السريع لدرجة الحرارة بحيث ترتفع من 20000 كلفن في نهابة منطقة الغلاف الملون الى 1000000 كلفن.[53] ويساهم تاين كامل الهيليوم في هذه المنطقة من الزيادة السريعة لدرجة الحرارة بحيث تساهم بتقليل التاثير التبريدي الاشعاعي للبلازما.[52] لا تحدث منطقة الانتقال كحالة على ارتفاع ما، انما تشكل هالة ضوئية حول الغلاف الملون وتظهر كوهج.[43] من السهل رؤوية منطقة الانتقال من الارض، كما من السهل رؤويته من الفضاء باستخدام معدات حساسة للاشعة فوق البنفسجية.[54]

تمتد الهالة للخارج، وهي بحد ذاتها اكبر من الشمس. تمتد الهالة بشكل مستمر الى الفضاء مشكلة الرياح الشمسية، والتي تملئ كل المجموعة الشمسية.[55] تملك الطبقة السفلى من الهالة بالقرب من الشمس كثافة جسيمات تتراوح ما بين 1015 الى 1016 م−3.[52]تتراوح متوسط درجة حرارة الهالة والرياح الشمسية 1,000,000–2,000,000 كلفن، على الرغم من الحرارة في المناطق الاسخن تتراوح ما بين 8,000,000–20,000,000.[53] حتى الان لاتوجد نظرية لحساب حرارة الهالة، لكن بعض من الحرارة عرفتبواسطةاعادة الاتصال المغناطيسي.[53][55]

الغلاف الشمسي عبارة عن تجويف حول الشمس ممتلء ببلازما الرياح الشمسية ويمتد لما حوالي 20 ضعف من نصف قطر الشمس او الحدود الخارجية للمجموعة الشمسية. تعرف حددوده الخارجية بانه الطبقة التي يصبح بها تدفق الرياح الشمسية اسرع من امواج الففين.[56]الاضطربات والقوى الديناميكية خارج هذه الحدود لا تاثر على شكل الهالة الشمسية ضمنها، لان المعلومات يمكن ان تسافر فقط ضمن سرعة موجة الففين. دائما الرياح المنتقلة للخارج عبر الغلاف الشمس تشكل حقل مغناطيسي شمسي على شكل لولبي،[55] حتى تصطدم بالغمد الشمسي على بعد 50 وحدة فلكية. مر مسبار فوياجر 1 بجانب موجة صدمية والتي يعتقد انها جزء من الغمد الشمسي. كما سجل كلا من مسباري فوياجر مستويات عالية من الطاقة عندما اقتربو من حدود الغلاف.[57]

الحقل المغناطيسي

الشمس نجم نشط مغناطيسيا. فهي تدعم التغيرات القوية والتي تتنوع من عام لعام وتغير الاتجاه كل احد عشر عاما حول الذروة الشمسية.[59] يؤدي الحقل المغناطيسي الشمسي الى تاثرات عديدة تدعى بمجملها النشاط الشمسي متضمنة البقع الشمسية على سطح الشمس والانفجارات الشمسية والتغيرات في الرياح الشمسية والتي تحمل المواد عبر المجموعة الشمسية.[60] يتضمن تاثير النشاط الشمسي على الارض الشفق القطبي وتعطل الاتصالات اللا سلكية والطاقة الكهربائية. يعتقد ان النشاط الشمسي يلعب دور كبير في تشكل وتطور المجموعة الشمسية. كما يغير النشاط الشمسي تركيب الغلاف الجوي الارضي الخارجي.[61]

جميع المواد في الشمس تكون بالطور الغازي وبلازما نتيجة حرارة الشمس العالية. مما يجعل من السهل للشمس ان تدور اسرع عند خط الاستواء (حوالي 25 يوم) منها في خطوط العرض الاعلى (حوالي 35 يوم قرب القطبين). يسبب الدوران التفاضلي للشمس مع الارتفاع تشابك خطوط الحقل المغناطيسي مع بعضها البعض مما يسبب حلقات من الحقل المغناطيسي تنشا من سطح الشمس وتؤدي الى تشكلات هائلة من البقع الشمسية والتوهجات الشمسية. كما يسبب التشابك المغناطيسي هذا تاثير الدينامو الشمسي ودورة الاحد عشر عاما للنشاط المغناطيسي الشمسي، حيث يعكس الحقل المغناطيسي الشمسي نفسه كل احد عشر عاما.[62][63]

تحمل الرياح الشمسية الممغنطة الحقل المغناطيسي الشمسي معها مشكلة ما يعرف باسم الحقل المغناطيسي البين كوكبي.[55] وبما ان البلازما يمكنها ان تنتقل على طول خطوط الحقل المغناطيسي، يمتد الحقل المغناطيسي البين كوكبي بشكل قطري من الشمس. ولان الحقل المغناطيسي فوق وتحت خط الاستواء له نقاط قطبية مختلفة في اتجاه او بعيدا عن الشمس، وتوجد طبقة رقيقة من التيار الكهربائي عند مستوي خط الاستواء الشمسي، والتي تدعى تيار الغلاف الشمسي الدوري.[55]يشابك دوران الشمس الحقل المغناطيسي والتيار الدوري على مسافة بعيدة على شكل حلزون ارخميدس مشكلة بنية تدعى حلزون باركر.[55] الحقل المغناطيسي البين كوكبي اقوى بكثير من الحقل المغناطيسي الثنائي للشمس. يتراوح قوة الحقل المغناطيسي الثنائي للشمس ما بين 50-400 ميكروتسلا (عند الغلاف الضوئي) ويتناقص متناسبا عكسا مع مكعب المسافة ليصل الى 0.1 نانو تسلا على مسافة تساوي بعد الارض. في حين وحسب قياسات المسبارات الفضائية يكون الحقل المغناطيسي البين كوكبي على بعد الارض يساوي 5 نانو تسلا.[64]

التركيب الكيميائي

تتكون الشمس بصفة اساسية من عنصري الهيدروجين والهيليوم بنسبة 9 و74% و8 و23% على التوالي وهذا التكوين هو ما يبينه الغلاف الضوئي. [65] وتسمى العناصر الاثقل من ذلك “معادن” طبقا للمصطلح الفلكي، ونسبتها في الشمس اقل من 2% من كتلة الشمس. و المعادن تتكون من 1% من الاكسجين و0.3% كربون و 0.2% نيون و0.2% حديد وذلك بحسب قياسات عام 2004. [66] وتكونت الشمس منذ نحو 5 و4 مليار سنة من الهيدروجين والهيليوم مختلطا به قليل من المعادن (نحو 5 و1%) ناشيئ عن تخليق العناصر في اجيال من النجوم الاقدم اكملت مراحل تطورها ثم انفجرت كمستعرات عظمى والقت محتوياتها في الوسط البيننجمي، ومنها تكونت الشمس. [67] ويعتبر التركيب الكيميائي للغلاف الضوئي مماثلا للتركيب الكيميائي للمجموعة الشمسة عند نشاتها. [68] وبعد نشاة الشمس وبدا فيها تخليق العناصر المعدنية الاثقل فتنفصل هذه عن الغلاف الضوئي السطحي مترسبة في مركز الشمس. ولذلك فيحتوي الغلاف الضوئي حاليا على نسبة من الهيليوم اقل حيث كانت نسبته الاصلية عند نشاة الشمس 4 و27% وكانت نسبة الهيدروجين 1 و71% ونسبة المعادن 5 و1%. [65]

وقد عمل الاندماج النووي للهيدروجين وتحوله الى الهيليوم في قلب الشمس على تغيير نسب العناصر، فاصبح باطن الشمس يحتوي على 60% من الهيليوم كما تغيرت نسب العناصر الاخرى “المعادن”. ونظرا لان الطبقة الداخلية من باطن الشمس طبقة تنتقل فيها الحرارة بالاشعاع وليس بالحمل الحراري فان المكونات الثقيلة الناتجة عن الاندماج النووي تتركز في قلب الشمس ولا تخرج الى السطح (الغلاف الضوئي).[69]

الوصف اعلاه لتركيز العناصر الشمسية الثقيلة قيس باستخدام المطيافية الفلكية لتحليل الغلاف الضوئي للشمس وبقياس تركيز العناصر في الحجارة النيزكية التي لم تسخن لدرجة الانصهار. يعتقد ان هذه الحجارة النيزكية قد حفظت تركيب النجم الاولي للشمس وبذلك لم تتاثر بتراكم العناصر الثقيلة. كلا الطريقتين اثبتت جدواهما.[15]

مجموعة عناصرالحديد المتاين المنفردة

قامت مجموعة كبيرة من البحوث في عام 1970 مركزة على البحث عن تراكيز مجموعة الحديد في الشمس.[70][71] وعلى الرغم من ان تلك البحوث حققت نتائج مرضية الا ان تحديد تراكيز بعض عناصر مجموعة الحديد (كالكوبالت والمغنسيوم) بقي صعبا حتى عام 1978 بسبب بنيتهم فائقة الدقة.[70]

انجز اول بحث كامل لدراسة قوى التذبذب على عناصر مجموعة الحديد المتاينة المنفردة في سنة 1962،[72] وحسبت قوى التذبذب في سنة 1976.[73] وفي سنة 1978 اشتقت تراكيز عناصر مجموعة الحديد المتاينة.[70]

العلاقة بين الشمس والكواكب من حيث التجزئة الكتلية

يفرض العديد من الباحثين وجود علاقة في التجزئة الكتلية بين تراكيب النظائر الشمسية والغازات النبيلة الكوكبية،[74] على سبيل المثال الترابط بين تراكيب النظائر الكوكبية ونيون وزينون الشمس.[75] وساد الاعتقاد حتى سنة 1983 ان كل الشمس لها نفس التركيب الذي يملكه الغلاف الجوي الشمسي[76]

في سنة 1983 دعي انه كان هناك تجزئة في الشمس نفسها سببت العلاقة التجزئية بي تراكيب النظائر للكواكب والرياح الشمسية المصطدمة بالغازات النبيلة.[76]

الدورات الشمسية

عادة عند رصد الشمس مع فلترة مناسبة، فان البقع الشمسية من الملامح التي ترى بسرعة، والتي تعرف بانها منطقة من سطح الشمس تبدو اغمق من محيطها بسبب درجة حرارتها المنخفضة. تكون البقع الشمسية منطقة ذات نشاط مغناطيسي شديد حيث يثبط النقل الحراري بالحمل بسبب الحقل المغناطيسي الشديد، مما يقلل من انتقال الطاقة من المناطق الاكثر حرارة. يسبب الحقل المغناطيسي تسخي كبير في الهالة، مما ينتج عنه مناطق تكون مصادر لوهج شمسي شديد والانبعاث الكتلي الاكليلي. قد يبلغ مقطع بعض البقع الشمسية عشرات الاف الكيلومترات.[77]

عدد البقع الشمسية المرئية على الشمس غير ثابت، لكنه يتغير كل دورة مؤلفة من احد عشر عاما. في ادنى الدورة الشمسية عدد قليل من البقع يمكن رؤويته واحيانا لا يمكن رؤوية اي بقعة ويكون اغلبها عند خطوط العرض العليا. مع تقدم الدورة الشمسية يزداد عدد البقع الشمسية وتتحرك نحو خط الاستواء، هذه الظاهرة توصف بواسطة قانون سبورر. عادة ماتنشا البقع الشمسية بين زوجين من الاقطاب المغناطيسية. تتبدل الاقطاب المغناطيسية كل دورة شمسية، بذلك كل قطب مغناطيسي شمالي في دورة يتحول الى قطب جنوبي في الدورة التالية.[78]

تاثر الدورة الشمسية بشكل كبير على مناخ الفضاء، اضافة الى تاثيرها الكبير على مناخ الارض حيث انه لضياء الشمس علاقة كبيرة مع النشاط المغناطيسي. يميل النشاط الشمسي عند ادنى الدورة الى ان يكون مرتبط مع درجات الحرارة الاخفض، في حين اكثر من متوسط الدورة يرتبط بدرجات الحرارة الاعلى.[79] في القرن السابع عشر بدت ان الدورة الشمسية قد توقفت لعدة عقود فعدد قليل من البقع لوحظ خلال هذه الفترة مما ادى الى نشوء ماعرف بالعصر الجليدي الصغير، فشهدت اوروبا درجات الحرارة الباردة على نحو غير عادي.[80] وقد تم اكتشاف الحرارة الدنيا من خلال تحليل حلقات جذوع الاشجار ويبدو ان تزامنت مع اقل من متوسط درجات الحرارة العالمية[81]

احتمالية الدورة طويلة الامد

توجد نظرية تدعي ان هناك عدم استقرار مغناطيسي في نواة الشمس تسبب تقلبات مع فترات طويلة من السنوات تتراوح 41000 الى 1000000 سنة. يمكن لهذه النظرية توفر افضل تفسير العصور الجليدية من دورات ميلانكوفيتش.[82][83]

دورة حياة الشمس

تشكلت الشمس قبل حوالي 4.57 مليار سنة نتيجة انهيار قسم من سحابة جزيئية عملاقة والتي كانت تحتوي في معظم تركيبها على الهيدروجين والهيليوم، ومن الممكن ان هذه السحابة قد شكلت نجوم اخرى.[85] وقد قدر هذا العمر استنادا الى النمذجة باستخدام الحاسوب لتقدير التطور النجمي ومن خلال علم التسلسل الزمني الكوني ايضا.[9] كانت النتائج منسجمة مع بيانات التاريخ الاشعاعي لمواد قديمة من المجموعة الشمسية.[86][87] كشفت الدراسات على النيازك القديمة اثار نوى مستقرة من النظائر قصيرة العمر مثل الحديد-60 والذي يتشكل فقط في انفجارات قصيرة المدى للنجوم. ويؤشر هذا الى انه يجب ان ينفجر مستعر اعظم او اثنين بالقرب من مكان تشكل الشمس. ومن المحتمل بانالموجة الصدمية الناتجة عن انفجار المستعر الاعظم قد حثت على تشكل الشمس عن طريق ضغط الغازات ضمن السحابة الجزيئية، وتسبب بانهيار داخل السحابة في منطقة ما تحت تاثير جاذبيتها.[88] الجزء المنفصل من السحابة المنهار بدا بالدوران بسبب مصونية الزخم الزاوي وبداته حرارته بالازدياد مع ارتفاع الضغط، نتيجة لذلك تجمعت معظم الكتلة في المركز، بينما طارت البقية لخارج القرص والتي شكلت الكواكب وبقية النظام الشمسي. ولد الضغط والحرارة في نواة السحابة المنفصلة كمية كبيرة من الحرارة كما تراكم مزيد من الغاز من محيط القرص، اخيرا تسبب ذلك ببدا التفاعلات النووية وبذلك ولدت شمسنا

تعتبر الشمس الان في منتصف عمرها كنجم نسق اساسي، وخلال هذه المرحلة يكون تفاعلات هيدروجينية تحول الهيدروجين الى الهيليوم. ففي كل ثانية يتحول اكثر من مليون طن من المادة الى طاقة ضمن نواة الشمس منتجة نيترونات واشعاعات شمسية، هذه النسبة تعادل تحويل ما يقارب من 100 ضعف من كتلة الارض الى طاقة. تقضي الشمس في مرحلة النسق الاساسي منذ بدايتها وحتى نهايتها حوالي 10 مليار سنة.[89]

لا تملك الشمس كتلة كافية لتنفجر كمستعر اعظم، وبدلا من ذلك فانه بعد 5 مليار سنة ستدخل في طور عملاق احمر، حيث ستمتد الطبقات الخارجية منها بسبب نفاذ وقود الهيدروجين في النواة وستتقلص النواة وتسخن. سيستمر اندماج الهيدروجين حول النواة الحاوية على الهيليوم والتي ستتمد بشكل مستمر طالما هناك انتاج للهيليوم. حالما تصل درجة حرارة النواة الى 100 مليون كلفن يبدا اندماج الهيليوم وانتاج الكربون لتدخل الشمس طور عملاق مقارب.[30] يتبع مرحلة العملاق الاحمر نبضات حرارية شديدة تسبب تخلص الشمس من طبقاتها الخارجية وتشكيل سديم كوكبي. الشيء الوحيد الذي يبقى بعد قذف الطبقات الخارجية هي النواة الحارة، والتي ستبرد ببطا وتتضمحل لقزم ابيض خلال مليارات السنين. وهذا هو سيناريو تطور النجوم متوسطة الكتلة.[90][91]

تلاشي الشمس

من المعروف ان مصير الارض محسوم بالزوال في النهاية. عندما تتحول الشمس الى عملاق احمر فان نصف قطره سيمتد لخلف مدار الارض الحالي، حيث ان نصف قطر العملاق الاحمر سيكون اكبر ب 250 ضعف من قطرها الحالي.[92] ومع الوقت سيتحول العملاق الاحمر الى عملاق مقارب، حيث ستفقد الشمس 30% من كتلتها بسبب الرياج النجمية، لذلك ستفلت الكواكب من مداراتها للخارج، ويعتقد ان الارض ستكون بمناى عن ذلك، لكن يعتقد العلماء بان الارض ستبتلع من قبل الشمس بسبب قوى المد والجزر..[92] وحتى لو نجحت الارض من الافلات من ابتلاع الشمس، فان الماء على سطحها سيغلي، ومعظم غلافها الجوي سوف يهرب باتجاه الفضاء. وحتى خلال الحياة النجمية للشمس ضمن نوع النسق الاساسي، فان ضياء الشمس سيزداد تدريجيا (10% كل مليار سنة) وبالتالي سترتفع درجة حرارتها تدريجيا مما سيكون له عظيم الاثر على الارض. من المعلوم ان الشمس كانت اكثر خفوتا في الماضي، ومن الممكن ان يكون هذا سبب بدا الحياة على الارض قبل حوالي مليار سنة. ازدياد الحرارة بهذا الشكل ستؤدي الى تسخين حرارة الارض وتبخر مياه الارض من على سطحها في المليار السنة القادمة، مما سيقضي على جميع اشكال الحياة على الارض.[92][93]

ضوء الشمس

يعتبر ضوء الشمس المصدر الرئيسي للطاقة على الارض. في حين ان المصدر الاخر للطاقة هو المواد الانشطارية في باطن الارض، وهذه المواد الانشطارية هي مصدر الطاقة الحرارية الارضية عن طريق حدوث تفاعلات نووية. يعرف الثابت الشمسي بانه كمية الطاقة التي تامنها الشمس بالنسبة لواحدة المساحة المعرضة مباشرة لضوء الشمس. يعادل الثابت الشمس لسطح على بعد وحدة فلكية واحدة (ما يعادل بعد الارض عن الشمس) تقريبا 1368 واط/متر2[94] يساهم الغلاف الجوي الارضي بتوهين ضوء الشمس وبالتالي فان الطاقة الواصلة للشمس تكون قريبة من 1000 واط/متر2 وذلك بالظروف الطبيعة وعندما تكون الشمس بوضع سمت الراس.[95]

يمكن تسخير الطاقة الشمسية بعدة طرق طبيعية وصناعية. فعملية التمثيل الضوئي تلتقط الطاقة من ضوء الشمس وتحولها الى طاقة كيميائية هي من العمليات التي تجري بشكل طبيعي على الارض. يمكن استخدام طاقة ضوء الشمس لتوليد الطاقة الكهربائية عن طريق التسخين المباشر او تحويل الضوء الى كهرباء باستخدام الخلايا الشمسية. كما ان الطاقة المخترنة في النفط وانواع الوقود الاحفوري الاخرى كان مصدرها الاساسي هو تحول الطاقة الشمسية عن طريق التمثيل الضوئي في الماضي البعيد.[96]

حركة وتموضع الشمس في المجرة

تتموضع الشمس بالقرب من ذراع داخلي لمجرة درب التبانة يدعى ذراع الجبار، ضمن السحابة البين نجمية المحلية او سحابة الحزام. ويفترض انها تبعد عن مركز المجرة من 7.5-8.5 فرسخ فلكي (ما يعادل 25000-28000 سنة ضوئية)[97][98][99][100] وهي محتواة ضمن الفقاعة المحلية وهو وسط من الغازات الساخنة المخلخلة والمحتمل نشوءه بسبب بقايا مستعر اعظم التوامان.[101] يبعد الذراع المحلي عن اقرب ذراع خارجي له وهو ذراع حامل راس الغول حوالي 6500 سنة ضوئية..[102] اطلق العلماء على الشمس والمجموعة الشمسية مايعرف باسم نطاق صالح للسكن.

يعتقد ان مدار الشمس حول مركز المجرة بانه قريب من شكل قطع ناقص مع بعض التشوهات نتيجة لعدم تجانس توزع كتل الاذرع الحلزونية للمجرة. بالاضافة الى ان الشمس تتحرك حركة تذبذبية للاعلى والاسفل بالنسبة لمستوي المجرة وتتم هذه الحركة حوالي 2.7 مرة في كل دورة مدارية. اقترح ان الشمس قد مرت خلال ذراع مجري ذو كثافة اكبر مما تسبب في انقراضات جماعية على الارض، بسبب زيادة الاصطدامات.[103] تستغرق الدورة المدارية الواحدة للمجموعة الشمسية حوالي مليار سنة (سنة مجرية)، [104] لذلك يعتقد ان الشمس ستكمل 20-25 دورة مدارية خلال حياتها. تبلغ السرعة المدارية للمجموعة الشمسية لحركتها حول مركز المجرة حوالي 251 كم/ثا.[105] تستغرق المجموعة الشمسية 1190 سنة للسفر سنة ضوئية واحدة ضمن مجال السرعة هذا او 7 ايام للسفر مسافة وحدة فضائية [106] تتاثر حركة الشمس حول مركز كتلة المجموعة الشمسية باضطرابات الكواكب، لذلك كل بضع مئات من السنين تتحول الحركة من حركة عادية الى حركة تراجعية.[107]

مشاكل نظرية

مشكلة نيوترينو الشمس

كانت قياسات معدلات الكترون نيترينو لسنوات والمحددة على الارض اقل بما بين ثلث الى نصف الكمية المتوقعة حسب النموذج الشمسي القياسي. عنونت هذه النتجة الشاذة باسم مشكلة نيوترينو الشمس. اقترح لحل هذه المشكلة اما تخفيض درجة حرارة داخل الشمس لشرح التدفق المنخفض للنيوترينو، او اقترح انه يمكن للالكترون نيترينو ان يتذبذب، ويتحول لجسيمات غير محددة هي تاو نيترينو وميوون نيترينو اثناء سفره من الشمس الى الارض.[108] بنيت عدة مراصد لقياس معدلات النيوتيرنو الشمسي بدا من عام 1980،[109] واظهرت هذه المراقبة بان الالكترون نيترينو لديه كتلة صغيرة بالاضافة الى تذبذبه.[110][111] نجح مرصد سودبوري للنيوترينو في سنة 2001 في تحديد ثلاث انواع من النيوترينو، ووجد بعد هذا ان الانبعاث الشمسي الكلي للنيوترينو يوافق النموذج القياسي،[109][112] وبعد تحليل احصائي عويص وجد ان نحو 35% من النيوترينوات القادمة من الشمس من نوع نيوترينو الالكترون. وهذا توافق مع تاثير ميكهيف- سميرنوف- وولفنشتاين الذي وصف تذبذب النيترينو في المادة. حاليا تعتبر ان هذه المشكلة قد حلت.[109]

مسالة تسخين الهالة

تبلغ درجة حرارة الغلاف الضوئي حوالي 6000 كلفن، تتموضع هالة الشمس فوق الغلاف الضوئي، وترتفع درجة الحرارة فيها ما بين 1000000 – 2000000 كلفن.[53] ويظهر من درجة الحرارة العالية للهالة بان تسخن نتيجة شيء اخر غير التسخين المباشر بالحمل الحراي من الغلاف الضوئي.[55]

يعتقد بان الطاقة اللازمة لتسخين الهالة تامن الحركة المضطربة لمنطقة الحمل اسفل الغلاف الضوئي، وقد اقترحت اليتين لشرح تسخين الهالة.[53] الفرضية الاولى دعيت بامواج التسخين حيث ان الحركة المضطربة لمنطقة الحمل تنتج الامواج الصوتية وجاذبية والامواج الهيدروديناميك مغناطيسية.[53] تنتقل هذه الامواج للاعلى وتتبدد في الهالة، لتودع طاقتها في الغاز المحيط على شكل حرارة.[113] في حين تتمحور الفرضية الثانية حول التسخين المغناطيسين حيث تبنى الطاقة المغناطيسية نتيجة حركة الغلاف الضوئي وتتحرر من خلال اعادة الاتصال المغناطيسي على صورة وهج شمسي كبير واشكال مشابهه من الوهج لكن بشكل اصغر وباعداد لاتحصى تدعى بالوهج النانوي.[114]

حاليا، من غير الواضح فيما اذا كانت الامواج تاثر على الية التسخين، وجد ان جميع الامواج باستثناء امواج الففين تتبدد او تنعكس قبل وصولها الهالة.[115] بالاضافة الى امواج الففين لا تتبدد بسهولة في الهالة، لذلك يركز الباحثين باتجاه التسخين المغناطيسي.[53]

خفوت الشمس الوليدة

يقترح النموذج النظري لتطور الشمس بان الشمس قبل 3.8 الى 2.5 مليار سنة وخلال العصر الاركي كانت تشع 75% من ضيائها مقارنة باليوم. وبمثل هذا النجم الضعيف، فانه غير قادر على تزويد سطح الارض بالماء، والحياة لن تستطيع التطور. مع ذلك، فان السجلات الجيولوجية تدل على ان الارض ظلت في درجة حرارة ثابتة الى حد ما طوال تاريخها، وان الارض الوليدة كانت اسخن مما هي عليه اليوم. يجمع العلماء بان الغلاف الجوي للارض الوليدة حوت كميات اكبر بكثير من الغازات المسببة للاحتباس الحراري (مثل ثاني اكسيد الكربون، والميثان والامونيا) مما هو موجود اليوم، والذي حصر كمية اكبر من الحرارة لتعويض الكميات القليلة الواصلة الى الارض من الطاقة الشمسية.[116]

تاريخ الرصد

الفهم القديم

وضعت الشمس في العديد من الثقافات موضع التبجيل خلال التاريخ البشري، مثلها مثل باقي الظواهر الطبيعية. كان الفهم البشري للشمس على انها قرص مشع في السماء، وبوجودها فوق خط الافق يتشكل النهار، وغيابها يسبب الليل، اعتبرت الشمس في الكثير من حضارات ماقبل التاريخ والحضارت القديمة كاله. كانت عبادة الشمس محور لحضارات شعوب كثيرة مثل الانكا في امريكا الجنوبية والازتيك في المكسيك حاليا. بناء لهذه العبادات بنيت العديد كم المعابد مركزة على الظواهر الشمسية وانطباعاتها العقلية، على سبيل المثال حجارة ميغاليث والتي تحدد انقلاب الشمس الصيفي والانقلاب الشتوي. وتقع بعض من ابرز الاثار المغليثية في مصر ومالطاوستونهنج في انكلترا. من اشهر المعالم التي تحدد الانقلاب الشتوي هو نيوغرانغ في ايرلندا. كما ان معبد تشيتشن ايتزا في مدينة تشيتشن ايتزا صمم ليلقي الظلال على شكل الثعابين تسلق الهرم في الاعتدالات الربيعي والخريف.

في اواخر الامبراطورية الرومانية كان يحتفل بمولد الشمس بعيد يعرف باسم سول انفكتوس (والذي يعيني الشمس التي لاتقهر) بعد وقت قصير من الانقلاب الشتوي خشبية وربما كان سابقة لاحتفالات عيد الميلاد. من حيث النجوم الثابتة تظهر الشمس من الارض على انها تدور مرة واحدة في السنة على طول مسير الشمس من خلالدائرة البروج، لذلك اعتبرها علماء الفلك اليوناني انها واحدة من الكواكب السبعة وسميت اسماء الاسبوع السبعة اعتمادا على ذلك في بعض اللغات.[117][118][119]

تطور الفهم العلمي

لاحظ علماء الفلك البابليون في الالفية الاولى قبل الميلاد بان حركة الشمس لم تكن منتظمة على طول مسار الشمس، على الرغم من انهم لم يدركوا اسباب ذلك. اليوم عرف بان الارض لها مدار اهليلجي حول الشمس، لذلك هي تدور بشكل اسرع عندما تكون قرب الشمس (الحضيض) وبشكل ابطا عندما تكون بعيدة (الاوج)[120] كان الفيلسوف اليوناني اناكساغوراس من اوائل الناس الذين قدموا تفسيرا علميا للشمس معرفا اياها على انها كرة عملاقة ملتهبة من المعدن اكبر من البيلوبونيز بدلا من عجلة حربية يقودها هيليوس، وعرف القمر بانه يعكس ضوء الشمس.[121] حكم عليه بالسجن وعقوبة الاعدام من قبل السلطات لتعليمه مادعي بالهرطقة، لكنه حرر بعد ان تدخلبريكليس. قدر اراتوستينس المسافة بين الارض والشمس في القرن الثالث قبل الميلاد، لكن حتى الان ما زال هناك اختلاف في صحة ترجمة المسافة التي قدرها. حددكلاوديوس بطليموس المسافة بين الارض والشمس بانها 1210 ضعف من قطر الارض، وهي تعادل 7.71 مليون كيلومتر (0.0515 وحدة فلكية).[122]

كان اول من وضع نظرية مركزية الشمس ودوران الكواكب حولها كان ارسطرخس الساموسي في القرن الثالث قبل الميلاد، ومن ثم عدلت من قبل سلقوس. وقد تطور هذا الراي في القرن السادس عشر وتحوله من نموذج فلسفي الى نموذج رياضي من خلال اعمال نيكولاس كوبرنيكوس. سمح ظهور التلسكوبات بوضع ملاحظات تفصيلية على البقع الشمسية من قبل توماس هاريوت وغاليليو غاليلي وفلكيين اخرين. ويعتبر غاليليو اول من وضع ملاحظات تلسكوبية على البقع الشمسية وافترضها على انها متوضعة على سطح الشمس، بدلا من الراي بانها اجسام صغيرة تتحرك بين الارض والشمس.[123] اول رصد مؤرخ للبقع الشمسية سجله الفلكيين الصينيين في مملكة هان(220-206 قبل الميلاد) والذين حافظوا على تسجيل ملاحظاتهم لعدة قرون. كما سجل ابن رشد ملاحظات عن البقع الشمسية.[124]

تضمنت مساهمات علماء الفلك المسلمين اعمال مثل محمد بن جابر بن سنان البتاني الذي اكتشف بان اتجاه حركة القبا الشمسي متغير.[125] وسجل ابن يونس المصري اكثر من 10000 رصد لتموضع الشمس باستخداماسطرلاب كبير.[126] كما ان اول رصد لعبور الزهرة كان في سنة 1302 على يد ابن سينا، والذي استنتج بان الزهرة اقرب للارض منه للشمس.[127] في حين ان اول رصد لعبور عطارد كان في القرن الثاني عشر بواسطة ابن باجة.[128]

حلل اسحاق نيوتن في القرن السابع عشر ضوء الشمس باستخدام الموشور، وبين انه اللون الابيض له مكون من تراكب عدة الوان.[129] في حين اكتشف ويليام هيرشل في سنة 1800 بان الطيف الشمسي يحوي اشعة تحت حمراء في المجال الطيفي ذو الطول الموجي الاقل من اللون الاحمر.[130] تطورت الدراسة الطيفية للاشعة الشمسية في القرن التاسع عشر فسجل فراونهوفر اكثر من خط طيفي مكون للطيف الشمسي.

كان مصدر طاقة الشمس في اوائل العصور العلمية الحديثة لغز محير للعلماء. اقترح اللورد كلفن بان الشمس جسم يبرد تدريجيا ونتيجة لذلك كان يشع حرارته الداخلية المخزنة.[131] ثم اقترح كلفن وهرمان فون هلمهولتزالية تركيز الجاذبية لشرح خرج الطاقة الكبيرة للشمس، لكن حسب تقديرهم فان عمر الشمس سيكون 20 مليون شمس وهو عمر قصير جدا عما اقترحه علماء ذلك العصر والمقدر ب 300 مليون سنة انذاك.[131] في سنة 1890 اقترح مكتشف الهيليوم في الطيف الشمسي جوزيف نورمان لوكير نظرية التشكل النيزكي لشرح تشكل وتطور الشمس.[132]

في سنة 1904 اقترح ارنست رذرفورد بان حرارة الشمس يمكن المحافظة عليها من خلال مصدر داخلي للحرارة، واقترح الاضمحلال الاشعاعي كمصدر لهذه الطاقة.[133] وفر البرت اينشتاين فكرة اساسية لانتاج مصدر الطاقة الشمسية من معادلة تكافؤ المادة والطاقة

E = MC2 [134]

اقترح ارثر ستانلي ادنغتون في سنة 1920 بان الضغط والحرارة الكبيرتان في نواة الشمس ستؤدي الى تفاعلا اندماج نووي بحيث سيندمج بروتون هيدروجيني في نوى الهيليوم، مما سينتج انتاج طاقة مع تغير في الكتلة.[135] في سنة 1925 اكدت ابحاث سيسيليا باين غابوشكين باستخدام نظريات التاين وفرة الهيدروجين في الشمس. وقد تم تطوير هذا المفهوم النظري للاندماج في عام 1930 من قبل علماء الفيزياء الفلكيةسابرامانين تشاندراسخار وهانز بيته، وقد حسب هانز تفاصيل التفاعلين الذريين المنتجين للطاقة كما في طاقة الشمس.[136][137]

واخيرا، نشر بحث في سنة 1957 من قبل مارغريت بوربيدج بعنوان “تجميع العناصر في النجوم”.[138] اظهرت ان معظم العناصر في الكون تنتج من التفاعلات النووية داخل النجوم، مثل ما يحدث في شمسنا.

الرحلات الفضائية

كان برنامج بيونير التابع لوكالة ناسا اول من اطلق اقمار صناعية (بيونير 5 و6 و7 و8) لرصد الشمس، وقد اطلقت الرحلات ما بين اعوام 1959 الى 1968. وقد دارت هذه المسبارات في مدار حول الشمس على بعد مماثل لبعد الارض عن الشمس. ونجحت في جمع اول قياسات عن الرياح والحقل المغناطيسي الشمسي. وقد عمل بيونير 9 لفترة طويلة من الزمن واستمر حتى عام 1983.[140][141]

في عام 1970 امنت كل من رحلتي هيليوس ومرصد ابولو ماونت وسكاي لاب معلومات علمية جديدة حول الرياح الشمسية والهالة. كانت هيليوس 1 و2 نتاج تعاون بين كل من المانيا الغربية والولايات المتحدة الامريكية وقد درست الرياح الشمسية من مدار ضمن مدار عطارد اثناء الحضيض.[142] سكاي لاب هو عبارة عن محطة فضائية امريكية اطلقت سنة 1973 وقد ضمت هذه المحطة مرصد شمسي يدعى بمرصد ابولو ماونت، والذي كان يشغل من قبل رواد الفضاء العاملين في المحطة.[54] وقد قدم سكاي لاب اول معلومات رصدية عن منطقة الانتقال الشمسي وانبعاثات الاشعة فوق البنفسجية لهالة الشمس.[54] كما تضمنت استكشافاتهاالانبعاث الكتلي الاكليلي وثقوب الهالة التي يعرف الان انها على ارتباط وثيق بالرياح الشمسية.[142]

اطلقت ناسا في سنة 1980 مهمة سولار ماكسيموم، صممت هذه المهمة لرصد انبعاثات اشعة غاما والاشعة السينية والاشعة فوق البنفسجية المنبعثة من الوهج الشمسي اثناء اوقات ذروة النشاط الشمسي والضياء الشمسي، لكن بعد اشهر قليلة من اطلاقه تسبب عطل الكتروني في المسبار بوضعه في وضع الاستعداد، لتمضي السنوات الثلاثة التالية بدون اي نشاط. في عام 1984 استرجع شالنجر واصلحوا العطل قبل ان يعيدوه الى مداره، ليلتقط سولار ماكسيموم العديد من الصور لهالة الشمس قبل ان يعود ليدخل الغلاف الجوي الارضي في يونيو 1989.[143]

اطلقت منظمة بحوث الفضاء اليابانية في سنة 1991 المسبار يوكو لرصد الوهج الشمسي والاطوال الموجية للاشعة السينية. سمحت البيانات المجموعة من هذا المسبار للعلماء بتحديد عدة انواع مختلفة من الوهج الشمسي، كما اثبتت ان الهالة بعيدا عن منطقة الذروة كانت ذات نشاط وديناميكية اعلى مما كان متوقعا. رصد المسبار يوكو كامل الدورة الشمسية، لكنه دخل في وضع الاستعداد اثناء كسوف سنة 2001. دخل المسبار الغلاف الجوي الارضي في سنة 2005 ليتحطم هناك.[144]

كان مسبار سوهو واحد من اهم المهمات التي جمعت بيانات عن الشمس، وقد تم بنائه بمساهمة كل من ناسا ووكالة الفضاء الاوروبية ليطلق في 2 ديسمبر 1995.[54] كان من المفترض ان تستغرق مهمته عامين، لكن امتدت هذه المهمة حتى سنة 2024 بعد ان تم الموافقة على تمديد المهمة في اكتوبر 2009.[145] وقد ثبت انه من المفيد متابعة المهمة لذلك اطلق في فبراير 2024 مسبار مرصد ديناميكا الشمس.[146] تموضع هذا المسبار في نقطة لاغرانج تقع بين الارض والشمس. زود سوهو العلماء بصور عديدة لشمس باطوال موجية مختلفة منذ اطلاقة.[54] كما اكتشف سوهو بالاضافة الى رصده الشمسي العديد من المذنبات، معظم هذه المذنبات كانت صغيرة وتتموضع مداراتها بالقرب من الشمس لتحترق عند مرورها بجوار الشمس.[147]

رصدت كل تلك البعثات الشمس من مستوى مسار الشمس، وبذلك فهي رصدت منطقة الاستواء الشمسية بدقة. لذلك اطلقت ناسا ووكالة الفضاء الاوربية مسبار يوليوس في سنة 1990 لدراسة المنطقة القطبية الشمسية. انطلق المسبار الى المشتري في البداية ليقوم بالتفافة ويضع نفسه في مدار اعلى من مستوى مسار الشمس. وقد رصد مصادفة اصطدام المذنب شوميكار-ليفي 9 بالمشتري في سنة 1994. حالما تموضع يوليوس في مداره المخطط له، بدا برصد الرياح الشمسية وشدة الحقل المغناطيسي الشمسي على خطوط عرض اعلى من خط الاستواء. وجد المسبار ان الرياح الشمسية عند خطوط عرض اعلى كانت تتحرك بسرعة 750 كم/ثا وهي ادنى مما كان متوقع، بالاضافة الى وجود حقل مغناطيسي قوي يصدر في هذه الارتفاعات والذي كان يندمج مع الاشعة الكونية.[148]

تركيزات العناضر في الغلاف الضوئي عرفت بشكل جيد من خلال الدراسات الطيفية، ولكن كان يوجد نقص في معرفة تكوين المناطق الداخلية للشمس. لذلك ارسلت مهمة قابلة للعود دعيت باسم التكوين وقد صممت هذه المهمة لتسمح للعلماء بالقياس المباشر لمركبات الشمس. عاد مسبار التكوين الى الارض في سنة 2004 لكنه تاذى بعد ان اصطدم بالارض نتيجة فشل مظلته في ان تفتح بعد دخوله الغلاف الجوي. على الرغم من الاضرار الجسيمة، تم انتشال بعض العينات الصالحة للاستعمال من المركبة الفضائية والتي يتم دراستهم وتحليلهم.[149]

انطلق مسبار ستيريو المتكون من مسبارين جزئيين في اكتوبر 2006. وقد فصلت المسبارين ليتم سحبه تدريجيا الى خلف مدار الارض، مما جعلهما قادرين على تصوير الشمس والظواهر الشمسية بما فيه الانبعاث الكتلي الاكليلي.[150][151]

اطلقت منظمة البحوث الفضائية الهندية مسبار فضاء باسم اديتيا بوزن 100 كغ في 2024 ويهدف الى دراسة ديناميكية الهالة الشمسية.[152]

المراقبة والتاثيرات

يسبب النظر المباشر للشمس وبالعين المجردة، على الرغم من ان النظر لفترة وجيزة لا يسبب اي خطر للعين الغير متوسعة الحدقة.[153][154] يسبب النظر المباشر الى الشمس وبصة بصرية والعمى المؤقت الجزئي. كما ان ضوء الشمس يؤدي الى تزويد شبكية العين بحوالي 4 ملي واط مما ينتج عنه تسخين قليل للشبكية، ويحتمل ان يسبب هذا بعض الضرر للعين ليضعف استجابتها للسطوع.[155][156] كما ان تعرض العين للاشعة الفوق البنفسجية سيؤدي الى الاصفرار التدريجي لعدسة العين، ليساهم ذلك في حدوث الساد، مع ملاحظة ان هذا الامر يعتمد على التعرض للاشعة الفوق البنفسجية بشكل عام وليس بالنظر المباشر الى الشمس.[157] يؤدي النظر المباشر وبالعين المجردة الى الشمس بالتسبب بافات التعرض للاشعة فوق البنفسجية مثل حروق الشبكية والتي تظهر بعد التعرض لاشعة الشمس لمدة 100 ثانية، ولاسيما في الظروف التي تكون الاشعة الفوق البنفسجية الشمسية مكثفة ومركزة[158][159] كما يتسبب النظر لاشعة الشمس باستخدام مركزات بصرية مثل النظارة المقربة بدون استخدام فلاتر مرشحة للاشعة الفوق البنفسجية الى تلف دائم في الشبكية، بعض المرشحات التجارية تمرر الاشعة فوق البنفسجية او الاشعة تحت الحمراء والتي يمكن ان تضر العين عند مستويات سطوع عالية.[160] تسلم المناظير المقربة الغير مفلترة لشبكية العين 500 ضعف من الطاقة مقارنة بالنظر باستخدام العين المجردة، هذه الكمية الكبيرة من الطاقة ستتسبب بالقتل الفوري للخلايا الشبكية، حتى ان النظرات الشريعة لشمس الظهيرة من خلال المنظارات المقربة ستؤدي الى العمى الدائم.

يشكل الكسوف الجزئي خطر على النظر، لان حدقة العين غير متكيفة مع الاشعة البصرية عالية التباين. تتوسع الحدقة تبعا لكمية الضوء ضمن نطاق الرؤ ية. فخلال الكسوف الجزئي، يحجب القمر معظم ضوء الشمس، لكنه لا يغطي اجزاء كثيرة من الغلاف الضوئي والذي له سطوع مماثل للسطوع في الايام العادية. نتيجة لذلك واثناء الكسوف تتوسع حدقة العين من 2 مم الى 6 مم تتعرض كل خلية في شبكية العين الى عشر اضعاف من الطاقة مقارنة بالايام العادية، سيؤدي هذا الى الحاق الضرر او قتل تلك الخلايا مما سينتج عنه بقع عمياء.[161] يشكل هذا خطرا على المراقبين عديمي الخبرة او الاطفال بسبب عدم الشعور بالالم، اضافة الى عدم سرعة تدمير الرؤية.

تكون اشعة الشمس اثناء الشروق والغروب ضعيفة بسبب تبعثر ريليه وتبعثر ماي في مروره الطويل خلال الغلاف الجوي الارضي.[162] تكون الشمس احيانا ضعيفة بمافيه الكفاية لتكون مريحة للرؤية بدون اخطار. كما تساهم الاوضاع الضبابية والغبار في الغلاف الجوي من زيادة تاثير هذا التبعثر.[163]

قد تحدث بعض الظواهر البصرية النادرة بعد فترة وجيزة من غروب الشمس او قبل الشروق تدعى هذه الظاهرة بظاهرة الوميض الاخضر، ينتج هذا الوميض نتيجة انكسار ضوء الشمس تحت خط الافق باتجاه الراصد، وهذا الضوء ذو طول موجي صغير (اخضر او بنفسجي او ازرق)، فيبقى الضوء الاخضر عكس الوميضان الازرق والبنفسجي كونهما لديهما قابلية كبيرة للتبعثر على خلاف الوميض الاخضر.[164]

تمتلك الاشعة فوق البنفسجية الشمسية خصائص مطهرة، ويمكن استخدامها لتعقيم الادوات والمياه. كما لها اثار طبية مثل انتاج فيتامين دي تضعف طبقة الاوزون الاشعة فوق البنفسجية لذلك تختلف كمية الاشعة الفوق البنفسجية اختلافا كبيرا مع الارتفاع وخطوط العرض الارضية لذلك تسهم في التعديلات البيولوجية بشكل كثير بما في ذلك الاختلافات في لون الجلد البشري حول مناطق مختلفة من العالم.

• كوكب الشمس
• عدد البقع الشمسية من 2009 الى 2019