תופעת זוהר הקוטב, האורורה, כוללת את הזוהר הצפוני המפורסם ("אורורה בוריאליס") ואת הזוהר הדרומי ("אורורה אוסטרליס"), והיא אחת מתופעות הטבע היפות והמזהירות ביותר. על מנת שנוכל לצפות במחזה המרהיב, צריכים להתקיים במקביל מספר תנאים המבוססים על עקרונות פיזיקליים מתחומים שונים: מכניקת הקוונטים, חשמל ומגנטיות, תרמודינמיקה, אסטרופיזיקה ועוד. החזיקו חזק, אנחנו מתחילים לבצע צלילה לעומק.

פרסומת

מלבד אור וחום, נפלטים מקורונת השמש – השכבה החיצונית של השמש – חלקיקים טעונים כדוגמת אלקטרונים, אשר נעים במהירויות גבוהות לכל עבר בחלל. זרם חלקיקים זה נקרא "רוח השמש" והוא מגיע אל כדור הארץ כל הזמן.

אם רוח השמש הייתה מגיעה ישירות לאטמוספרה שלנו, החלקיקים הטעונים היו פוגעים בהרכבה, ובמשך הזמן היו מפשיטים אותה – כפי שקרה למאדים לפני מיליארדי שנים [1]. ההגנה שלנו מפניה טמונה בשדה המגנטי של כדור הארץ. השדה מתקיים הודות לתהליך שמזין את עצמו ומוסבר באמצעות תאוריית הדינמו, באופן הבא: בחלקה החיצוני של ליבת כדור הארץ ישנו נוזל מותך, מוליך חשמל, המורכב מתערובת של ברזל וניקל. חום אשר נפלט מהליבה הפנימית יוצר תנועות בחומר המותך כתוצאה מתהליך הנקרא הסעת חום, כך שחומר חם עולה, בעוד חומר קר יחסית - שוקע. סיבוב כדור הארץ משנה את כיוון זרימת החומר המוליך עקב כוח קוריוליס [2]. תנועת החומר המוליך יוצרת זרמים חשמליים, ולפי חוקי האלקטרומגנטיות, זרם חשמלי יוצר שדה מגנטי.

כדור הארץ מתנהג כמו מגנט ענק המוקף בקווי השדה המגנטי שלו, ובקרבת הקטבים הם נכנסים חזרה לאטמוספרה ומתפקדים כמשפך טבעי לחלקיקים טעונים. השדה המגנטי שנישא עם רוח השמש משתנה ללא הרף בשל סיבוב השמש סביב צירה ובשל פליטות מסה מהקורונה [3]. כאשר שדה זה מגיע בכיוון הפוך לשדה המגנטי של כדור הארץ מתרחש תהליך בשם "איחוי מגנטי" [4]. בתהליך זה מוזרמת אנרגיה למעטפת המגנטית של כדור הארץ (המגנטוספרה), המאיצה אלקטרונים לעבר השכבות העליונות של האטמוספרה, אשר כתוצאה מהתנגשויות ביניהם ובין רכיביה – נוצרת האורורה (פירוט על גווניה בהמשך). ככל שההתפרצויות מהשמש עוצמתיות יותר, כך גם האורורה, והיא יכולה להגיע קרוב יותר לקווי הרוחב המרכזיים של כדור הארץ.

איור 1: איור סכמטי של רוח השמש (משמאל) המגיבה למגנטוספרת כדור הארץ, שהיא אזור ההשפעה המגנטית של כדור הארץ. קווי השדה המגנטי של כדור הארץ צבועים באדום. האיור לקוח מאתר NASA. תרגום: עלי שמשוני.

אמנם האורורה לא מסכנת את הצופים בה מהקרקע בשל מרחקה מהם, אך הסערות המגנטיות שיוצרות אותה עלולות לפגוע בטכנולוגיות רגישות. שדות מגנטיים המשתנים במהירות יוצרים זרמים חשמליים לא רצויים במוליכים. זרמים אלה מפריעים לתקשורת הרדיו, פוגעים בדיוק מערכות הניווט הלווייניות, ובמקרים קיצוניים אף גורמים נזק לרשתות החשמל. הדוגמה המפורסמת ביותר היא הפסקת החשמל בקוויבק ב־1989. סערה מגנטית עוצמתית פגעה בכדור הארץ ויצרה עומס רב שגרם למערכות ההגנה האוטומטיות לנתק את רשת החשמל באזור. מיליוני תושבים נותרו ללא חשמל למשך 9 שעות [5].

ועכשיו לחלק האומנותי – הפיזיקה שמאחורי הצבעים: כאשר אלקטרונים אנרגטיים מתנגשים באטומים ובמולקולות באטמוספרה, הם מעבירים להם אנרגיה שעשויה להוביל למצבים קוונטיים מעוררים, אשר רמת האנרגיה בהם גבוהה מהמצב ה"רגיל". כאשר המצבים המעוררים הללו דועכים לרמות אנרגיה נמוכות, נפלטים פוטונים באורכי גל ספציפיים – צבעי הזוהר. כל צבע מתקבל כתוצאה משילוב של גובה והרכב אטמוספרי מסוימים:

💚ירוק: הצבע הנפוץ ביותר של הזוהר, מתרחש בגובה של כ־200-100 קילומטרים. נגרם כאשר אלקטרון באטום חמצן עובר ממצב מעורר גבוה למצב מעורר נמוך יותר, תהליך המלווה בפליטת פוטון המאופיין באורך גל ירוק. האטום נשאר במצב מעורר אך לא אופייני, שידעך עד לפליטת אור אדום בנוסף, זאת בשל הגובה הנמוך באטמוספרה המתאפיין בצפיפות גבוהה יחסית. כאשר האטמוספרה צפופה מספיק, התנגשויות בין מולקולות חנקן וחמצן מובילות ל"בזבוז" עודף האנרגיה מהעירור כחום, לפני שהאטום מספיק לפלוט את הפוטון האדום.

❤️אדום: מתרחש בגובה של מעל ל־200 קילומטרים מפני הקרקע. הפליטה נגרמת כאשר אטום חמצן מעורר עובר למצב האנרגיה הבסיסי שלו ופולט פוטון אדום. בגבהים אלה, האטמוספרה דלה דיה, כך שהאטום מספיק לפלוט את הפוטון לפני שהוא מתנגש עם חלקיק אחר.

💙כחול: מתרחש בגובה של כ־120-100 קילומטרים. נגרם כאשר אלקטרון אנרגטי פוגע במולקולת חנקן ומוציא ממנה אלקטרון, כך שהיא הופכת למולקולה טעונה (יון חיובי). המולקולה מיוננת ואף מעוררת, ופולטת פוטון המתאפיין באורך גל כחול. למרות שכחול וירוק נוצרים בגבהים דומים, הפליטה הירוקה נפוצה יותר, מהסיבה שיצירת אטום חמצן מעורר דורשת פחות אנרגיה ביחס ליצירת מולקולת חנקן מיוננת מעוררת – התהליך הראשון דורש רק העברת אנרגיה לעירור, בעוד השני דורש גם הוצאת אלקטרון מהמולקולה (אנרגיית ינון).

💜סגול: מופיע בגבהים נמוכים, מתחת ל־100 קילומטר, במהלך אירועי זוהר אינטנסיביים כאשר חלקיקים אנרגטיים במיוחד חודרים עמוק יותר לאטמוספרה. פליטות מחנקן מיונן יוצרות את האור הכחול, ופליטות ממולקולות חנקן בתחום אורכי גל רחב יותר יוצרות צבעים ורדרדים. השילוב ביניהם נראה לנו סגול.

איור 2: איור מופשט המתאר את התגובה שיוצרת את האורורה – אלקטרונים מגיבים עם חלקיקי חמצן וחנקן באטמוספרה, ומעבירים להם אנרגיה המובילה לעירור. פליטת האור האופייני לזוהר מלווה בירידה ברמת האנרגיה של החלקיקים. האיור מדגים את האופן שבו בגבהים שונים נפלט אור בצבעים שונים – אדום נפלט בגובה רב ביחס לירוק, כמוסבר בטקסט. האיור לקוח מאתר NASA. תרגום: עלי שמשוני.

לסיכום – הזוהר משמש כספקטרוסקופיה תלוית גובה בזמן אמת!
כדי להגדיל את סיכויי הצפייה, צריך להיות בקרבת הקטבים, בלילה חשוך עם שמיים נקיים, ובזמן התפרצויות שמש חזקות. במילים אחרות – אל תשכחו לארוז גם קורטוב מזל.

משקראתם את המדריך – נאחל לכם צפייה מהנה, היו שלום ותודה על הדגים. 

עריכה: שיר רוזנבלום־מן

מקורות

1. הידען – רוח השמש הסירה את מרבית אטמוספרת מאדים 
2. מתוך "מדע גדול בקטנה" – אם כל הסופות
3. פליטה מסיבית מקורונת השמש – מתוך ויקיפדיה באנגלית 
4. הסבר וסימולציה על "איחוי מגנטי", מאתר נאס"א
5. סערה אלקטרומגנטית בקוויבק – מתוך ויקיפדיה באנגלית 
6.  Whiter, D. K., Partamies, N., Gustavsson, B., & Kauristie, K. (2023, January).The altitude of green OI 557.7 nm and blue N 2+ 427.8 nm aurora. In Annales Geophysicae (Vol. 41, No. 1, pp. 1-12). Göttingen, Germany: Copernicus Publications.‏
7. ספר על הכימיה של האטמוספרה העליונה מפי ריס, אוניברסיטת קיימבריג' 1989. הקריאה פתוחה לכל בשפה האנגלית.
8. מתוך ״מדע גדול בקטנה״ – תמונה במדע: זוהר צפוני 
9. מתוך ״מדע גדול בקטנה״ – הזוהר הצפוני ירד דרומה