למה השמיים כחולים ומה הצבע שלהם במאדים? איך נוצרה האטמוספרה וכמה ממנה בורח מכדור הארץ מדי שנה?
למה השמיים כחולים?
1sunset.jpg
למה לא אדומים, למשל? בעצם, למה בכלל לשמיים יש צבע? אם אור השמש הוא לבן, האם לא הגיוני יותר שהשמיים יהיו בצבע לבן? ולחלופין, אם האוויר שקוף, למה אנחנו לא רואים את החלל השחור?
השאלה מדוע השמיים כחולים העסיקה רבים וטובים לאורך ההיסטוריה, והתעלומה נפתרה סופית רק בראשית המאה ה-20!
האור בתדרי גלים שונים נראה בצבעים שונים. בגלים ארוכים יחסית, למשל, אור נראה אדום, ואילו בקצרים יחסית הוא נראה כחול. האור שמגיע אלינו מהשמש הוא בכל אורכי הגל, ולכן, בערבוב כל הצבעים, אור השמש הוא למעשה לבן. אבל משהו קורה לגלי האור כשהם חודרים לאטמוספרה של כדור הארץ ונעים דרך האוויר.
השמיים שלנו כחולים בגלל "אפקט ריילי", על שם הפיזיקאי הבריטי לורד ריילי. ריילי הוא שהוכיח שאור – כלומר קרינה אלקטרומגנטית – מתפזר על ידי חלקיקים קטנים בהרבה מאורכי הגל של הקרינה. אם כך, חלקיקים קטנים, כמו מולקולות אוויר, יכולים לפזר ולהסיט גלים ארוכים מאוד. אבל זה לא אומר שכל הגלים מתפזרים במידה שווה.
כאמור, האור שמגיע אלינו מהשמש הוא לבן, כלומר הוא מכיל את כל הצבעים או את כל אורכי הגל. אך מאחר שהכחול הוא הגל הקצר ביותר, הוא מתפזר בקלות רבה יותר על ידי חלקיקי האטמוספרה שלנו מאשר גלים ארוכים יותר, כמו אדום.
שכבת האטמוספרה שלנו אומנם דקה, אבל זה מספיק לגזים ולחלקיקים שבה כדי לפזר את האור הכחול עד כדי כך שהשמיים ייראו לנו כחולים.
בשקיעה ובזריחה, כשהשמש נמוכה בשמיים, האור המגיע אלינו חודר לאטמוספרה מהצד וכך עליו לצלוח יותר חלקיקי אוויר. במצב כזה, האטמוספרה שלנו מצליחה לשבור גם את הגלים הארוכים יותר, האדומים. זו הסיבה שבעת שקיעה וזריחה האופק נצבע בצבע אדמדם.
אגב, בכוכבי לכת אחרים לשמיים צבעים אחרים לגמרי. במאדים למשל האטמוספרה דלילה כל כך שצבעי השמיים הפוכים מאלו שבכדור הארץ: כחול בשקיעה ובזריחה, ואדמדם־צהבהב במהלך היום – ככל הנראה בשל נוכחות מגנטיט, סוג של תחמוצת ברזל, בגרגרי האבק. ואילו בנוגה שמיכת השמיים העבה כתומה בכל שעות היממה – ככל הנראה מאחר שאורכי הגל הקצרים יותר, הכחולים, נבלעים בעננים ואינם מגיעים לפני השטח.
וכעת עולה השאלה: באיזה צבע השמש עצמה?
למה השמש צהובה?
דורות של ילדי גן חובה מציירים שמשות צהובות? – ובכן, הם טועים ומטעים. סרטי מדע בדיוני כמו "סאנשיין" מציגים שמש צהובה בחלל? – פייק ניוז. חברים, השמש שלנו אינה צהובה כחלמון הביצה, היא לבנה כחלבון הביצה!
השמש שלנו פולטת את כל צבעי הספקטרום. קשת בענן הרי אינה אלא שבירת אור השמש למרכיביו ואילו צבעו של כל ספקטרום האור גם יחד הוא לבן. למעשה, אם תצאו מכדור הארץ, תוכלו להיווכח בעצמכם שהשמש שלנו לבנבנה (רק לא לשכוח משקפי שמש).
כאן בכדור הארץ העניין קצת יותר מורכב. בזריחה ובשקיעה, כשהשמש נמוכה בשמיים, היא נראית לעינינו בגוונים צהובים, אדומים וכתומים. זאת מפני שגלי האור הקצרים יותר – כמו הכחול – נבלעים באטמוספרה של כדור הארץ, שכן הם צריכים לעבור מרחק רב יותר עד שהם מגיעים לעינינו. ככל שהאור הלבן עובר מרחק גדול יותר באטמוספרה, כלומר ככל שהשמש נמוכה יותר בשמיים, כך גלי האור שמצליחים להגיע אלינו הם הגלים הארוכים יותר – האדומים, הצהובים והכתומים.
לעומת זאת, כשהשמש נמצאת ברום ואנו מתבוננים בה באמצעי מגן (מסוכן מאוד להביט בשמש בעיניים לא מוגנות!) אפשר לראות שהיא צחה כשלג. מסיבה זו, כאמור, גם השמיים כחולים באמצע היום (כשאין עננים) – ואדמדמים אחר הצוהריים ובשעות הבוקר המוקדמות.
אבל רגע, מה עובי האטמוספרה בכלל? איך היא מסוגלת לעוות ככה את אור השמש?
מה העובי של האטמוספרה?
בפעם הבאה שאתם טסים במטוס במהלך היום, הביטו למעלה ותראו כמה השמיים כהים. זו תחושה מתעתעת, במיוחד בצוהרי היום. ובכן, השמיים הכהים האלה – שם עובר הגבול שמפריד בין האטמוספרה לחלל.
כן, האטמוספרה שלנו היא שמיכה דקיקה להפליא של אוויר המרחפת בין שמיים לארץ. בשמה הפופולרי יותר האטמוספרה נקראת "אוויר": תערובת גזים המורכבת מ-78% חנקן ו-21% חמצן, בתוספת שיירים של גזים כמו ארגון ופחמן דו-חמצני. אומנם לכוח הכבידה של כדור הארץ יש השפעה על מעט חלקיקי אטמוספרה עד לגובה של 10,000 ק"מ, אבל זה כבר נחשב "חלל". למעשה, "קו קרמן", קו דמיוני המקובל על הפדרציה הבינלאומית לאווירונאוטיקה, קובע את הגבול בין כדור הארץ לחלל החיצון ב-100 קילומטרים בלבד מעל פני הים – כמו המרחק בין תל אביב לחיפה. לשם השוואה, אם כדור הארץ היה תפּוח, האטמוספרה שלנו היתה בערך כמו הקליפה (תנו ביס ותראו כמה היא דקה).
בפועל, "שמיכת האטמוספרה" שלנו דקיקה אף יותר, כי רובה מרוכז ב-12 הק"מ הראשונים מעל פני האדמה. זה הכול. זה אומר שהקיום האנושי כולו, לרבות מטפסי ההרים שמגיעים לפסגות הגבוהות בעולם, וגם כל ממלכת החי, לרבות הציפורים המגביהות עוף, כולם היו ויהיו תמיד ברצועה הדקה הזאת שעובייה 12 ק"מ – כמו המרחק בין תל אביב לרעננה.
אז מה נמצא בכל זאת בשכבות הגבוהות יותר?
בגובה של כ-50 ק"מ מפני השטח מתחילה הסטרטוספרה. פה נמצאת שכבת האוזון, שסופגת קרינה מסוכנת מהשמש. האוויר בגובה זה יבש מאוד, והוא דליל פי אלף מבגובה פני הים. פה עפים מטוסי קרב ובלונים לחיזוי מזג האוויר.
אחרי הסטרטוספרה, בגובה של עד 85 ק"מ, אנחנו מגיעים למזוספרה. למרבה הפלא, אנחנו לא יודעים הרבה על השכבה הזאת: לוויינים וחלליות עוברים אותה, ואילו מטוסים ובלונים לא יכולים להגיע אליה שכן האוויר שם דליל מדי. אבל אנחנו יודעים שזה המקום שבו חלקיקים מהחלל נשרפים והופכים למטאורים. זאת גם השכבה הקרה ביותר באטמוספרה, עם טמפרטורה ממוצעת של 85 מעלות צלזיוס מתחת לאפס.
מגובה 85 ק"מ מפני השטח ועד גובה של בין 500 ק"מ אנחנו מגיעים לתרמוספרה. בהיעדר הגנה מקרינת השמש, הטמפרטורה בשכבה זו יכולה להגיע גם ל-1,700 מעלות. בשכבה הזאת תמצאו את זוהר הקוטב, את תחנת החלל הבינלאומית והמון המון לוויינים.
ולבסוף, עד גובה של בערך 10,000 ק"מ מפני השטח, משתרעת שכבה דלילה במיוחד בשם אקסוספרה, שאינה אלא מולקולות של מימן ההולכות ומתנדפות לחלל.
כמובן, הלחץ האטמוספרי משתנה מאוד בשכבות האטמוספרה השונות. אבל רגע, מה זה בכלל לחץ אטמוספרי?
מה זה לחץ אטמוספרי ומה יקרה לגוף שלכם במאדים ונוגה?
אם טסתם פעם במטוס נוסעים, בטח שמעתם את המושג "לחץ אוויר". אם אי פעם עקבתם אחר תחזית מזג האוויר, בטח שמעתם את המושג "לחץ ברומטרי". ואם אתם קוראים את חדשות החלל באתר שלנו, בטח שמעתם את המושג "לחץ אטמוספרי". אבל מה כל זה אומר?
אז קודם כול, תנשמו עמוק. זה הכול אותו דבר, בשמות שונים לשימושים שונים. לחץ אוויר / לחץ ברומטרי / לחץ אטמוספרי הוא פשוט רמת הצפיפות שבתערובת הגזים באוויר: ככל שרמת צפיפות החלקיקים גדולה יותר, כך גדל הלחץ שהאוויר כולו מפעיל על גופנו.
בחלל, היכן שאין כלל אוויר, הלחץ האטמוספרי הוא כמובן אפס. ככל שמתקרבים לקרקע, היכן שכוח המשיכה של כדור הארץ גדוש יותר ויותר בחלקיקי אוויר, הלחץ האטמוספרי גדל, עד שבגובה פני הים אנחנו נוהגים לומר שיש עלינו לחץ של אטמוספרה אחת. או ליתר דיוק, לחץ אטמוספרי ממוצע של 1,013 מיליבר.
מלחיץ? ממש לא. בני האדם מותאמים אבולוציונית ללחץ המתמיד הזה.
כשאנחנו חושבים על כוכבי לכת אחרים אנחנו בדרך כלל מתעניינים בהרכב האוויר שם, אבל דחיסות האוויר, ביחס לכוח הכבידה בעולם, חשובה לא פחות – אם לא יותר.
באטמוספרה הדלילה של מאדים, למשל, הלחץ האטמוספרי הוא בערך 0.6 מהלחץ בכדור הארץ. אסטרונאוט שיתהלך על מאדים עם מסכת חמצן, אך ללא חליפת לחץ, לא ישרוד יותר מכמה רגעים. הפרש הלחצים בין הגוף שלו לאוויר שסביבו יגרום לכל הגזים השונים המומסים במחזור הדם להשתחרר כבועות. בתוך שניות האסטרונאוט המסכן שלנו יפגוש גורל הדומה לזה של פחית קולה מנוערת.
אבל המוות האלים על מאדים הוא כאין וכאפס לעומת מה שצפוי לאסטרונאוט שלנו בנוגה, שהאטמוספרה הצפופה שלה מייצרת לחץ אטמוספרי של 90 אטמוספרות ארציות. עם חליפת לחץ או בלעדיה, עם בלון חמצן או בלעדיו, כשהאסטרונאוט עוצר את הנשימה או דווקא מרוקן את הריאות – על נוגה הוא פשוט יימחץ מיידית: המשקל שיופעל עליו, מכל צידי הגוף, שווה ערך ל-80 טונות בכדור הארץ.
אתם בנוגה. הבקבוק הזה בוקבק בגובה 4.2 ק"מ מעל פני הים, אחר כך הורד לגובה 2.7 ק"מ ולבסוף נמחץ לגמרי בגובה 300 מטר.
אז איך קרה שקיבלנו אטמוספרה מושלמת כל כך?
איך נוצרה האטמוספרה של כדור הארץ?
6atmosphere.jpg
אטמוספרה אחת? האומנם? מדענים יודעים להצביע על שלוש אטמוספרות שונות שריחפו מעל כדור הארץ. האטסמופרה הראשונה נוצרה עם כדור הארץ עצמו, לפני 4.5 מיליארד שנה. אטמוספרה זו הייתה מורכבת בעיקר מגזים קלים, כמו מימן והליום, שנותרו מהדִסקה הקדם-פלנטרית – אותה דסקת אבק וגז שקרסה לתוך עצמה ויצרה את כדור הארץ. גזים אלו התנדפו לחלל עם הזמן.
בד בבד, במיליארד השנים הראשונות הייתה פעילות וולקנית אינטנסיבית בעולמנו. הרי הגעש פלטו כמויות אדירות של גזים, ובעיקר פחמן דו-חמצני, שהיה הרכיב העיקרי באטמוספרה השנייה של כדור הארץ.
בשלב הזה היה מעט מאוד, אם בכלל, חמצן באוויר – והחיים הראשונים נשמו גזים אחרים, כמו פחמן דו-חמצני ומתאן. למעשה, חמצן היה רעיל לרוב היצורים בכדור הארץ. וכשחיידקים כחוליים, אותם יצורים חסרי גרעין ודמויי-אצות שפולטים חמצן בפוטוסינתזה שלהם, החלו להתפשט באוקיינוסים, שאר בעלי החיים היו צריכים להסתגל למצב החדש – או למות.
7Tolypothrix_(Cyanobacteria).jpg
ליצורים אלו תקופה זו של היווצרות האטמוספרה השלישית מכונה גם "אסון החמצן". לנו, זהו תנאי הכרחי לחיים.
לא זו בלבד שאנו נושמים חמצן, אלא שהחמצן מגן עלינו מפני הקרינה המסוכנת של השמש – בשכבת חמצן מיוחדת שנקראת שכבת האוזון.
מהי שכבת האוזון? ומהו החור באוזון?
איפה החור באוזון ואיך נוצר החור באוזון?
stuart_Rankin.jpg
האטמוספרה שלנו עשירה בחמצן. בסטרטוספרה, בגובה של כ-50 ק"מ מפני הקרקע, קרינה אולטרה-סגולה מהשמש מפרקת את מולקולות החמצן, O2, למרכיביהן: שני אטומים של חמצן – O ו-O. האטומים הבודדים הללו הם רדיקלים חופשיים שלא ינוחו עד שלא יתחברו עם מולקולות חמצן אחרות. כאשר החיבור הזה נוצר, למעשה נוצרת מולקולה חדשה, המורכבת משלושה אטומים של חמצן, O3. זהו למעשה האוזון. קרינת השמש מפרקת בסופו של דבר גם את האוזון, וכך המעגל נמשך.
אבל בין לבין, האוזון משמש כשכבת מגן. הקרינה שמפרקת את מולקולות האוזון גם נבלעת בהן. כך נבלם החלק העיקרי של הקרינה המסוכנת, שגורמת בין היתר לנזק גנטי ולסרטן העור.
ב-1985 התגלה כי שכבת האוזון מעל הקוטב הדרומי הידלדלה. מחקרים רבים העלו שהסיבה היא פליטתם של גזים מסוימים, כמו תרכובות של כלור, פלואור וברום. תרכובות אלו, שהיו נפוצות בתרסיסים למיניהם, מתפרקות בסטרטוספרה לאטומים בודדים. הבעיה היא שהאטומים האלה פוגעים במולקולות האוזון, מתחברים לאטומי החמצן המשוחררים ומונעים מהם ליצור מחדש מולקולות של אוזון. בכך הם למעשה חושפים אותנו לקרינה הקטלנית.
לזכותם של בני האדם ייאמר שכבר ב-1987 נחתם פרוטוקול מונטריאול, אמנה האוסרת שימוש בתרכובות שפוגעות באוזון. הפעולה המהירה והנחושה של ממשלות העולם הביאה לתוצאות בשטח: מחקרים רבים הראו שהחור באוזון הולך ונסגר, גם אם בקצב איטי.
אבל אתם יודעים מה לא הולך ונסגר? החור הענק באטמוספרה, שדרכו אנחנו מאבדים אוויר לחלל!
כמה אוויר כדור הארץ מאבד מדי שנה?
חברים, יש דליפה באטמוספרה שלנו. מדי שנה, כ-40,000 טון אוויר בורחים לנו לחלל!
כמה זה 40,000 טון אוויר? ובכן, האטמוספרה של כדור הארץ שוקלת בערך חמישה קוודריליון טון (קוודריליון זה 1 ואחריו 24 אפסים).
למעשה, ההפסד הזה לחלל בא עם רווח שנתי של כ-30,000 טון חומר שנופל אלינו מהחלל, כמו אבק ומטאוריטים שאנחנו אוספים על הדרך. אז לפי רוב הערכות אנחנו עדיין יוצאים מופסדים, כלומר כדור הארץ מאבד מסה מדי שנה, אבל מדובר בטיפה בים. אין צורך להצטייד בבקבוקי אוויר.
מדוע אנחנו מאבדים אוויר? ובכן, כדור הארץ מסיבי מאוד, וגזים, קלים ככל שיהיו, לא יכולים לברוח מכוח הכבידה שהוא מפעיל עליהם. עם זאת, יש עוד כוח שפועל על האטמוספרה שלנו: רוח סולארית מהשמש, כלומר זרם מתמיד של חלקיקים טעונים, שיכול להאיץ אטומים בודדים למהירות בריחה מכדור הארץ. כן, אטומים יכולים להפוך לאסטרונאוטים!
ככלל, השדה המגנטי של כדור הארץ הודף את הרוח הסולארית. אבל לשדה המגן עלינו יש שתי נקודות תורפה: הקטבים. השדה המגנטי של כדור הארץ פועל כמעין דינמו. וכמו כל דינמו, קווי השדה שלו נותרים חשופים בצריח, ואטומים בודדים של מימן והליום, גזים קלים מאוד, עפים ברוח השמש בגובה רב מאוד מעל הקטבים.
כאמור, אובדן האטומים הללו אינו מעמיד את כדור הארץ בסכנה. עם זאת, חוקרים רבים מנסים להבין את מנגנון הבריחה כדי להבין טוב יותר מה גורם לכוכבי לכת אחרים, כמו מאדים, לאבד כמעט את כל האטמוספרה שלהם.