الشمس نور الحياة

تعد الشمس أقرب النجوم إلى الأرض، وان طبيعة شمسنا ككرة غازية ملتهبة بدلا من أن تكون جسما صلبا جعل لها بعض الحقائق العجيبة منها: إنها تدور حول محورها بطريقة مغايرة تماما لطريقة دوران الكواكب الصلبة، فوسط الشمس " خط استوائها " يدور حول المحور دورة كاملة في 25 يوما بينما تطول هذه المدة في المناطق شمال وجنوب خط الإستواء حتى تصل إلى حوالي 37 يوما عند القطبين، أي أن الشمس في هذه الحالة تدور وكأنها تفتل فتلاً وطريقة دورانها تسمى الدوران التفاضلي. (Differential Rotation)، أي الدوران المغزلي ولعل هذه الحركة التي وصفها ابن عباس عندما قال عن الشمس إنها تدور كما يدور المغزل، وهذا بالتالي يؤدي إلى تداخل خطوط القوى المغناطيسية الموجودة على سطحها بطريقة معقدة جدا وهذه بدورها ومع مرور الزمن تؤثر بشكل قوي على ظهور بعض الظواهر الشمسية مثل الكلف الشمسي

وتنتفض الشمس وتهتز مثل " الجيلي " جاء هذا الاكتشاف في دراسة أعدت سنة 1973 عندما حاول العالم (R.H.Dicke) قياس قطر الشمس بين القطبين وعند خط الإستواء ليتأكد إذا كان هناك أي تفلطح للشمس، أي أن قطرها عند القطبين أقل منه عند خط الإستواء والعكس صحيح فأطلق التعبير أن الشمس تهتز مثل " الجيلي" إلا أن هذا الاهتزاز مسافته لا تزيد عن 5 كيلومتر وبسرعة 10 أمتار في الثانية وهذه بالطبع تحتاج إلى أجهزة بالغة في الدقة والتعقيد لاكتشافها ثم اكتشف بعد ذلك فريق من العلماء الروس والبريطانيين سنة 1976 بان هناك "اهتزازات " أخرى،(Oscillations) للشمس إحداهما تحدث كل خمسين دقيقة والأخرى تحدث كل ساعتين وأربعين دقيقة، وأصبح الآن ما يسمى بعلم " الزلازل الشمسية " ذا أهمية قصوى في علم الفلك لتعلم أسرار الشمس والتي ما زال هناك الكثير لفك اسرارها وخفاياها.

الشمس مصدر الدفء والضياء على الأرض وبدون الشمس تنمحى الحياة على الأرض. فالطاقة الشمسية لازمة للحياة النباتية والحيوانية، كما أن معظم الطاقات الأخرى الموجودة على الأرض مثل الفحم والبترول والغاز الطبيعى والرياح ما هي إلا صور مختلفة من الطاقة الشمسية. وقد يندهش القارئ إذا ما علم أن الشمس التي هي عماد الحياة على الأرض والتي قدسها القدماء لهذا السبب، ما هي إلا نجما متوسطا في الحجم والكتلة واللمعان، حيث توجد في الكون نجوم أكبر من الشمس تعرف بالنجوم العملاقة، كما توجد نجوم أصغر من الشمس تعرف بالنجوم الأقزام. وكون الشمس نجماً وسطاً يجعلها أكثر أستقراراً الأمر الذي ينعكس على استقرار الحياة على الأرض. فلو زاد الإشعاع الشمسى عن حد معين لأحترقت الحياة على الأرض ولو نقص الإشعاع الشمسي عن حد معين أيضاً لتجمدت الحياة على الأرض.

والشمس هي أقرب النجوم إلى الأرض، وهي النجم الوحيد الذي يمكن رؤية معالم سطحه بواسطة المقراب. أما باقى النجوم فيصعب حتى الآن مشاهدة تفاصيل أسطحها نظراً لبعدها السحيق عنا. فلوا أستخدمنا أكبر المناظير في العالم نرى النجوم كنقط لامعة وبدون تفاصيل، أما لو استخدمنا منظاراً متوسطاً في القوة لرأينا مساحات على سطح الشمس تساوي مساحة مصر تقربياً. وعلى سبيل المثال والمقارنة نجد أن متوسط بعد الشمس عن الأرض يساوى 93 مليون ميل ويعرف بالوحدة الفلكية لقياس المسافات في الكون وتساوي 147.6 مليون كم.

أما أقرب نجم أو شمس لنا بعد شمسنا يقدر بعده بحوالي 4.2 سنة ضوئية أى يعادل حوالي 42 مليون مليون كيلو متر، بينما المسافة الزمنية التي يقطعها الضوء ليصل إلينا من الشمس هو ثمانية دقائق ونصف وهذه المسافة إذا ما قورنت بأقرب نجم تعتبر قصيرة ولكنها بحساباتنا الأرضية هائلة وتبلغ ما مجموعه لو درنا حول الأرض أربعة آلاف مرة تقريباً.

وهذه الكرة الشمسية المستديرة تحوي كمية هائلة من الغاز الملتهب المتماسك والشديد الحرارة، وهناك في بعض الأحيان تبدو الشمس وكأنها تلبس حلقة وردية من النتوءات وهو عبارة عن ضوء شاحب وردي حول الشمس كالتاج، يسمى الشواظ الشمسية، يعلوه طبقة من الغاز الحار اللؤلؤي المنتشر يصورة رقيقة في الفضاء ويدعى الأكليل الشمسي.

وعلماء الفلك يستطيعون رؤية الشواظ الشمسية (نافورات ) والأكليل وكذلك كلف الشمس التي هي على شكل بقع سوداء تظهر أحياناً على سطح الشمس باستخدام الآلات والمراصد فلكية.

المميزات العامة

الشمس تنتمي إلى نوع نجوم النسق الأساسي G, و تشكل كتلة الشمس حوالي 99.8632% من كتلة المجموعة الشمسية ككل. و شكلها تقريبا كروي كامل بحيث يختلف القطر عند القطب عن القطر عند الاستواء بعشرة كيلومتر فقط.بما أن الشمس هي في حالة البلازما و ليس في الحالة الصلبة فإنها تدور بسرعة أكبر عند خط الإستواء منه عند القطبين و يعرف هذا السلوك بالدوران التفاضلي، و يتسبب هذا بالحمل الحراري و تحرك الكتلة بسبب التدرج الكبير في درجات الحرارة من النواة إلى الخارج. تحمل هذه الكتلة جزء من الزخم الزاوي بعكس جهة دوران عقارب الساعة لتظهر على أنها من القطب الشمالي لمسار الشمس، وهكذا يتم إعادة نوزيع السرعة الزاوية. فترة الدوران الحقيقي للشمس تستغرق 25.6 يوم عند خط استوائه و 33.5 يوم عند القطبين. بينما فترة الدوران الظاهري عند خط الإستواء 28 يوم. إن تأثير قوة الطرد المركزي لهذا الدوران البطئ أقل 18 مليون ضعف من قوة الجذب السطحي عند خط الإستواء. كما أن تأثير قوة المد والجزر للكواكب ذات تأثير ضعيف جدا، لذلك ليس لها تأثير يذكر على شكل الشمس.

يعتبر الشمس نجم غني بالمعادن. من الممكن أن تشكل الشمس قد تحفز نتيجة أمواج صدمية من مستعر أعظم أو أكثر كانا قريبين. أقترح هذا النموذج بسبب وفرة المعادن الثقيلة في النظام الشمسي، مثل الذهب و اليورانيوم ، نسبة إلى توفر المعادن الثقيلة في نجوم أخرى. ويحتمل نشأة هذه العناصر من التحفيز الذري عن طريق امتصاص طاقة و الذي يحدث أثناء انفجار مستعر أعظم ، أو أثناءالتحويل الذري نتيجة امتصاص النيوترونات ضمن النجم الثانوي المولد

قلب الشمس

يعتقد أن قلب الشمس يشمل بين 20% إلى 25 % من نصف قطر الشمس عند المركز .
]

تبلغ كثافة قلب الشمس 150 جرام/ سنتيمتر مكعب (أي أكبر 150 مرة من كثافة الماء) ، وتبلغ درجة حرارة القلب نحو 6و13 مليون درجة كلفن . وبعكس ذلك تبلغ درجة حرارة سطح الشمس نحو 5800 كلفن فقط . وترجح القياسات التي أجراها مرصد سوهو للشمس أن قلب الشمس يدور حول المحور بسرعة أكبر من سرعة دوران الطبقات العليا الموصلة للحرارة في الشمس .

وتنتج الشمس حرارتها خلال معظم عمرها عن طريق الاندماج النووي للهيدروجين ، وهو يحدث خلال عدة خطوات متعاقبة تسمى سلسلة تفاعل بروتون-بروتون يتحول فيه الهيدروجين إلى الهيليوم. كما ينشأ نحو 2% من الهيليوم في الشمس عن طريق دورة CNO ، وهي دورة تفاعلات خاصة بتخليق العناصر الكربون و النيتروجين و الأكسجين في قلب الشمس تحت ظروف الحرارة العالية البالغة 6و13 مليون درجة كلفن.

وقلب الشمس هو المنطقة التي تتولد فيها معظم حرارة الشمس من خلال الاندماج النووي : 24 % من نصف قطر الشمس تتولد فيه 99% من حرارة الشمس ، وفي المنطقة الخارجة عن 30 % من نصف قطر الشمس فلا يتواجد فيها اندماج نووي تقريبا ، وتسخن بقية الشس أو النجم عن طريق انتقال الحرارة من الداخل إلى الخارج . وتنتقل الطاقة المتولدة في القلب خلال طبقات عديدة حتى تصل إلى سطح الشمس (الغلاف الضوئي للشمس) فتُشع في الفضاء في هيئة ضوء و جسيمات ذات طاقة حركة سريعة .

تحدث سلسلة تفاعل بروتون-بروتون نحو 9.2×1037 مرة في الثانية في قلب الشمس وتندمج خلالة 4 أنوية للهيدروجين (4 بروتونات) مكونة جسيم ألفا وهو نواة ذرة. (تندمج نحو 3.7 × 1038 من البروتونات كل ثانية في قلب الشمس ، من مجموع عدد البروتونات فيها المقدر بنحو ~8.9 × 1056 من البروتونات الحرة ). أي تندمج بمعدل 6.2 × 1011 كيلوجرام/الثانية (تعادل 6.2 × 108 طن/ثانية).

ونظرا لأن الاندماج النووي يكون مصحوبا بتحول نحو 7و0% من المادة إلى طاقة فإن الشمس تُصدر طاقة ناشئة عن تحول المادة إلى طاقة بمعدل 4.26 مليون طن/الثانية (تعادل (3.846×1026 وات) . أو 9.192 × 1010 مليون طن من التي إن تي TNT كل ثانية ، وتتحول المادة إلى طاقة وتشع كطاقة إشعاعية طبقا لقانون تكافؤ المادة والطاقة الذي صاغة أينشتاين في النظرية النسبية .

تنتقل الحرارة من قلب الشمس (كما في قلب نجم ذو كتلة تعادل كتلة الشمس) إلى طبقة أعلاها عن طريق الإشعاع ، وتعلو تلك الطبقة طبقة أخرى تنتقل فيها الحرارة من الداخل إلى الخارج بالحمل الحراري (أنظر الشكل) وتخرج الحرارة إلى الفضاء من السطح الذي يسمى أحيانا الغلاف الضوئي .
التركيب الكيميائي
تتكون الشمس بصفة أساسية من عنصري الهيدروجين و الهيليوم بنسبة 9و74 % و 8و23% على التوالي وهذا التكوين هو ما يبينه الغلاف الضوئي . [15] وتسمى العناصر الأثقل من ذلك "معادن" طبقا للمصطلح الفلكي ، ونسبتها في الشمس أقل من 2% من كتلة الشمس. و المعادن تتكون من 1% من الأكسجين والكربون 3و0 % و النيون 2و0% ، والحديد 2و0% ، وذلك بحسب قياسات عام 2004 . [16] وتكونت الشمس منذ نحو 5و4 مليار سنة من الهيدروجين والهيليوم مختلطا به قليل من المعادن (نحو 5و1 %) ناشيئ عن تخليق العناصر في أجيال من النجوم الأقدم أكملت مراحل تطورها ثم انفجرت كمستعرات عظمى وألقت محتوياتها في الوسط البيننجمي ، ومنها تكونت الشمس . ويعتبر التركيب الكيميائي للغلاف الضوئي مماثلا للتركيب الكيميائي للمجموعة الشمسة عند نشأتها. وبعد نشأة الشمس وبدأ فيها تخليق العناصر المعدنية الأثقل فتنفصل هذه عن الغلاف الضوئي السطحي مترسبة في مركز الشمس . ولذلك فيحتوي الغلاف الضوئي حاليا على نسبة من الهيليوم أقل حيث كانت نسبته الأصلية عند نشأة الشمس 4و27 % وكانت نسبة الهيدروجين 1و71 % ونسبة المعادن 5و1%.

وقد عمل الاندماج النووي للهيدروجين وتحوله إلى الهيليوم في قلب الشمس على تغيير نسب العناصر ، فأصبح باطن الشمس يحتوي على 60% من الهيليوم كما تغيرت نسب العناصر الأخرى "المعادن" . ونظرا لأن الطبقة الداخلية من باطن الشمس طبقة تنتقل فيها الحرارة بالإشعاع وليس بالحمل الحراري فإن المكونات الثقيلة الناتجة عن الاندماج النووي تتركز في قلب الشمس ولا تخرج إلى السطح (الغلاف الضوئي)
مراحل عمر الشمس
إستخدم علم التسلسل الزمني الكوني لتحديد عمر الشمس. تكونت الشمس من سديم أو سحابة غازية في مجرة درب التبانة منذ حوالي خمسة بلايين سنة وأخذت تشع باستمرار منذئذ مستهلكة حوالي 4 ملايين طن من الهيدروجين في الثانية حيث يتحول الهيدروجين في قلبها إلى هيليوم نتيجة الإندماج النووي (يكفى معرفة أن تحويل 1 جرام من المادة إلى طاقة يكفي لإنتاج طاقة مكافاة للقنبلة الذرية الملقاة على هيروشيما). وحاليا تعد الشمس في مرحلة النسق الأساسي من حياتها أي وصلت إلى نحو نصف العمر المقدر نظريا لها . ويمكن أن تستمر على هذا الحال يندمج فيها الهيدروجين إلى هيليوم و عناصر أخرى حتى يقترب الهيدروجين من النفاد بعد نحو 5 مليار سنة من الآن . بعد نفاذ الهيدروجين من قلب الشمس سينقبض تحت فعل الجاذبية وترتفع درجة الحرارة في قلبها وتبدأ عملية الإندماج النووي للهيليوم لتكوين عناصر اثقل مثل الكربون ، فتنتفخ طبقاتها الخارجية ويتغير لونها . وبانتفاخها التدريجي مع تواصل ارتفاع حرارة قلبها فتصبح عملاقاً أحمرا . عندئذ يصل قطرها أفلاك الكواكب القريبة منها ، وستبتلع كوكب عطارد وتكون الزهرة فى مدار أبعد من مدار الأرض الحالى، و ستكون الأرض فى مدار مقارب لمدار الحالى، و أيضاً ستغير كل الكواكب من أماكنها جذرياً و ستصبح أجسام هشة ميتة تدور حول نجمها المحتضر بلا حياة و ستقل سرعة الدوران بسسب الإنتقال إلى مدارات أبعد . في نفس الوقت يتقلص قلبها باستمرار تحت فعل قوى الجاذبية نظرا لضعف انتاجه للطاقة ، ثم ينهار قلبها و يصبح قزماً أبيضا منكمش و ساخن ذى كثافة عالية جداً بعد 2 مليار سنة أخرى: سيكون الكربون الذى تكون فى قلب الشمس قد تحول إلى الصورة الكريستالية أي أن الشمس ستتحول إلى ماسة كونية لامعة هائلة الحجم. نصب تذكارى ينعى عالماً كان ينبض بالحركة و الحياة.

حرارة الشمس
الشمس هي أحد النجوم المتوسطة الحجم . وهي عبارة عن فرن عظيم يقوم على التفاعل النووي الالتحامي (اندماج نووي) حيث يتحول الهيدروجين إلى الهيليوم . ولا توجد تلك المواد في صورة غازية بسبب درجة الحرارة العظيمة وإنما في صورة بلازما. يبلغ قطر البلازما 1390 مليون كيلومتر ، وتبلغ كتلة الشمس أكبر 333.000 من كتلة الأرض. ولا نستطيع رؤية ما بداخلها ولكن توجد جسيمات أولية تصل إلينا وتنتشر في الفضاء تنشأ في قلب الشمس . وتسمى تلك الجسيمات نيوترينو ، وهي تؤيد أن درجة حرارة قلب الشمس يصل إلى 7و15 مليون درجة مئوية ، وهي درجة الحرارة اللازمة للاندماج النووي للهيدروجين . وتتحول كل ثانية واحدة 564 مليون طن من الهيدروجين إلى 560 مليون طن من الهيليوم . ويتحول فرق الكتلة (4 مليون طن ) إلى طاقة تـُشع إلى الخارج في صورة الضوء وجسيمات . ونظرا لكثافة باطن الشمس العظيمة تتصادم الجسيمات باستمرار ولا تستطيع الخلاص من القلب والخروج إلى السطح إلا بعد نحو 170.000 سنة . وهذا مايعانية الضوء الذي يصل إلينا ويمنحنا الحرارة والحياة. وعلى عكس درجة الحرارة الهائلة في باطن الشمس ، تبلغ درجة حرارة الغلاف الشمسي نحو 5700 درجة مئوية فقط . ومن العجيب أن درجة الحرارة خارج الشمس لا تستمر في الانخفاض ، وإنما تبدأ ثانيا في الزيادة إلى نحو 2 مليون درجة مئوية في هالة الشمس ، ويعتقد العلماء أن السبب في ذلك يرجع إلى زوابع مغناطيسية .
المجال المغناطيسي

يمكن وصف المجال المغناطيسي للشمس الهادئة بالتقريب كما لو كان مغناطيسا ذو قطبين. وينقلب بالقطبين المغناطيسيين للشمس كل 11 سنة (وهذا يعادل دورة البقع الشمسية ) أي أن اتجاه القطبين تعو بعد 22 سنة إلى وضعها الأصلي. وتبلغ شجة المجال المغناطيسي على سطح الشمس نحو ضعف شدة المجال المغناطبسي للأرض ، ويبلغ تقريبا 100 ميكرو تسلا (أي 1 جاوس) . وهو يتشأ من تيارات كهربائية قدرها نحو 1012 أمبير ، تحفساعد على وجودها البلازما الشديدة التوصيل في باطن الشمس. وبهذا يشبه داخل الشمس دينامو عظيم يحول طاقة الحركة إلى طاقة كهربائية وهذا ينشأ عنه المجال المغناطيسي. ويغلب الاعتقاد حاليا أن تأثير الدينامو ذلك يحدث في طبقة رقيقة في الشمس تحت طبقة الحمل الحراري.

وتتغير شدة المجال المغناطيسي للشمس طبقا لمعادلة قطبي المغناطيس ، أي تقل أسيا بزيادة المسافة من المغناطيس طبقا للعلاقة ~ 1/(المسافة)³ ، وتبلغ عن الأرض نحو 0,01 نانو تسلا. ولكن المجال المغناطيسي الشائع بين الكواكب يبلغ عدة نانو تسلا. ويرجع السبب في ذلك إلى الريح الشمس ، وهو ينشأ من مجال المغناطيسي محلي غير عادي يعود إلى تحرك غازات ، وهي بدورها تنشأ من تأينات شديدة توصل للكهرباء

جيران الشمس
ملف:Milchstrasse lokale blase 25 lj.jpg
جيران الشمس الأقربين.

تجوب الشمس حاليا منطقة في المجرة تبلغ 30 سنة ضوئية وهي تتميز بزايدة في كثافة النجوم فيها . من ضمن تلك النجون النسر الطائر و النسر الواقع Wega و أركتوروس و فم الحوت و رجل القنطور (ألفا سنتوري) . وتتوسط تلك المجموعة الوسطية منطقة من الفراغ خالية من الغبار الكوني وتتميز بكثافة منخفضة للجسيمات فيها ، وتسمى الفقاعة المحلية. ويبلغ اتساع الفقاعة المحلية نحو 300 سنة ضوئية في اتجاه مستوي المجرة . وهي توجد بالقرب من الحافة الداخلية لذراع أوريون للمجرة . وهي تبعد عن الذراع الآخر المجاور وهو ذراع برسيوس نحو 6500 سنة ضوئية.

وتجوب الشمس أيضا ما يسمى بحزام جولدشن ، وهو تجمع يشغل منطقة أكبر وأوسع من المجموعة الوسطية ويتكون من نجوم ناشئة ، يقدر أعمارها من 20 مليون إلى 60 مليون سنة. ومنطقة أخرى تتولد فيها نجوم يبلغ قطرها نحو 2000 سنة ضوئية . ونظرا لكون تلك النجوم في مرحلة النشأة وأعمارها اقصر كثيرا من عمر الشمس فهي لا تنتمي إلى أجرام حزام جولشن
وهذه فيديوهات للشمس