איחוי מגנטי

איחוי מגנטי הוא תהליך פיזיקאלי המתרחש בפלזמות מוליכות מאוד, כגון סביב כדור הארץ והשמש וגם בכוכבים וכוכבי לכת אחרים, בהן מבנה השדה מגנטי מסתדר מחדש ואנרגיה מגנטית מומרת לאנרגיה קינטית, אנרגיה תרמית ותאוצה של חלקיקים. האיחוי מתרחש על טווחי זמן שונים של דיפוזיציה של השדה המגנטי. השדה המגנטי של כדור הארץ מושפע רבות מרוח השמש, והחלקיקים שהיא נושאת עימה – אלקטרונים, פרוטונים ויונים שהם בעלי מטען חשמלי. השדה המגנטי של השמש יציב הרבה פחות מזה של כדור הארץ. הוא נתון לשינויים קיצוניים ופתאומיים ואף מתהפך לעיתים קרובות, כל 11 שנה. חוסר היציבות עלול לגרום לסופה סולארית והתפרצות חזקה במיוחד של רוח השמש. סופה שכזו מגדילה את הסיכוי להתרחשותה של תופעה פיזיקלית המכונה "איחוי מגנטי": כאשר רוח שמש מתפרצת לעבר כדור הארץ, קווי שדה המגנטי של כדור הארץ נמתחים, ובסופו של דבר משחררים אנרגיה על ידי הצמדה. החלקיקים באזור מושלכים במהירות על-קולית. האיחוי מתבצע באינטראקציות בין גופים שונים כגון, על השמש, סביב כדור הארץ ועל פני כוכבי הלכת במערכת השמש. איחוי מגנטי מערכת השמש מתרחש מכיוון שההתנגדות החשמלית של הפלזמה בסמוך לשכבת הגבול מתנגדת לזרמים הנחוצים לשמירה על השינוי בשדה המגנטי. איחוי מגנטי מתרחש בכל מקום בו קיימים גזים טעונים הנקראים פלזמה. התיאור הפשוט יותר הוא שקווי שדה פועלים כמו אוסף של גומיות. ניתן להבחין במתיחות, וכאשר מושכים אותם לכיוון אחד הם ירצו להשתחרר לאחור. אך גם כמו גומיות הם לא נשברים אלא אם כן מושכים אותם חזק. אז כאשר יש מכשול בשדה מגנטי, קו השדה פשוט עוטף את המכשול ולא נשבר וזה בעצם מה שקורה בפלזמה, אלא כשאנחנו מדברים על איחוי מגנטי וכיצד הוא משפיע, זה שבירת קווי שדה וחיבור מחדש. קווי השדה מגנטי מאוד מתוחים אבל מכיוון שהם פועלים כמו גומיות הם רוצים לחזור אחורה, להתנדנד ולשחרר את האנרגיה. ככה אנרגיה משתחררת במהלך איחוי מגנטי. איחוי מגנטי הוא אחד מכוחות המפתח המאיצים חלקיקים בחלל, והמניע הבסיסי של קרינת חלל. זאת תופעה קריטית שיש להבין בהגנה על הלוויינים והאסטרונאוטים. לפעמים כתוצאה מאיחוי מגנטי, מתרחשת תגובת נפץ ושני זרמים חזקים של פלזמה אנרגטית במיוחד משוגרים לכיוון כדור הארץ ובכיוון ההפוך. זהו אחד המנגנונים שבאמצעותם חלקיקי פלזמה יכולים לחדור לשכבה העליונה של האטמוספירת כדור הארץ (למרות קווי ההגנה שמציע השדה המגנטי של כדור הארץ) - היונוספרה - המייצרים אוראורות(זוהר הקוטב) ביופי עוצר נשימה אך גם מטרידות רשתות תקשורת ולווייני GPS. בנוסף פיצוצים מגנטיים אקראיים יכולים להניע דפוסי מזג האוויר חללי (Space weather) שאנחנו רואים במגנטוספירה. לתופעת זו יכולה להיות השפעה על חיי היומיום שלנו. זה יכול למעשה להשפיע על לווייני תקשורת ועל רשתות החשמל. יש מספר תאוריות שהוצעו לאורך השנים. תאוריית, Sweet-Parker, הוצעה בשנת 1957. היא תיארה יריעות דקיקות ונמתחות של זרם חשמלי הנוצר בפלזמה. קווי שדה מגנטי יושבים על גבי גיליונות הזרם החשמלי האלה. ככל שקווי השדה המגנטי מתפרקים, החלקיקים שזורמים בדרך כלל לאורך קווי השדה מתנתקים מהם ומפסיקים למגנט. אך החיבור מחדש על פי תיאוריה זו היה עדיין איטי מדי בהשוואה למדידות. כמעט 30 שנה מאוחר יותר, בניסוי הדמיה במעבדה MRX ( The Magnetic Reconnection Experiment ) נוצרו תנאים קרובים ככל האפשר ליצירת חיבור מגנטי מחדש בדומה לשמש. לאחר חימום פלזמה פי 20 מהטמפרטורה של פני השטח הגלויים של השמש, נוצר חיבור מגנטי בפחות מאלפית השנייה. באמצעות מדידות של צפיפות פלזמה, טמפרטורה ושדות חשמל, מדענים יוצרים מפה דו-ממדית של שדות מגנטיים. התיאוריה המכונה הדו-נוזלית, לא שלמה. התיאוריה מסבירה חיבור מחדש בפלזמות קטנות ובינוניות אך לא מסבירה כיצד חיבור מחדש מתרחש בפלזמות גדולות מאוד שיש בהן מעט אינטראקציות בין החלקיקים שלהם והפלזמות הללו מהוות חלק גדול מהיקום. בשנת 2007 נונו לוריירו Nuno Loureiro)), פיתח תיאוריה חדשה המכונה תאוריית אי יציבות הפלסמואיד (plasmoid instability) שמחברת את המודלים לתיאוריה אחידה. בדומה לסוויט-פארקר, גם מודל האי יציבות הפלסמואיד מתחיל בגיליון זרם חשמלי מתוח ושטוח עם שדה מגנטי נלווה. בדומה למודל הדו-נוזלי, הוא מניח שהאלקטרונים והיונים הזורמים לאורך קווי השדה המגנטי המתנתקים בזמנים שונים. מה שהופך את המודל הזה לייחודי הוא שהוא מבוסס על העובדה שגיליונות הזרם החשמלי אינם יציבים ביותר. כאשר המשטחים נמתחים הם נשברים ויוצרים חדשים, כל אחד מהם דק יותר מהמקור. כאשר יריעות אלה נפרדות, נוצרות ביניהן שרשראות של בועיות מגנטיות (פלסמודים). בעוד שתיאוריות קודמות תיארו את הבועיות הללו, איש לא סיפק הסבר טוב כיצד ומדוע זה נוצר. התיאוריה מציעה שככל שיותר בועיות נוצרות ויריעות מתפרקות, הקווים המגנטיים מתרסקים זה בזה ונשברים. הקווים מתנתקים תחילה מהיונים, ואז מהאלקטרונים. השבר מזין אנרגיה מגנטית לחלקיקים, מחמם ומאיץ אותם. בשנת 2015 שוגרו 4 לוויינים של משימת MMS של נאס"א Magnetospheric Multiscale Constellation למיפוי המגנטוספירה של כדור הארץ ולחקור את תופעת האיחוי המגנטי. הנתונים שנאספו תורגמו למפה תלת־ממדית של המגנטוספירה של כדור הארץ. שדה מגנטי פלזמה זוהר הקוטב רוח השמש מגנטוספירה מדיה וקבצים בנושא איחוי מגנטי בוויקישיתוף ד"ר דנה ברעם, נאס”א בוחנת את החלל בסביבת כדור הארץ: תהליך יסודי של הטבע נצפה לראשונה, באתר הידען, ‏17.05.2016 בת-שבע וגון-גלמידי, מדוע הזוהר הצפוני והזוהר הדרומי שונים זה מזה?, באתר סוכנות החלל הישראלית, ‏26.02.2019 Magnetic Reconnection, ESA - European Space Agency, ‏13.12.2004 (באנגלית) Robert Sanders, Reconnection tames the turbulent magnetic fields around Earth, Berkeley News, ‏09.05.2018 (באנגלית) Shannon Brescher Shea, Solving a Plasma Physics Mystery: Magnetic Reconnection, U.S. Department of Energy, Office of Science, ‏03.10.2018 (באנגלית) Miles Hatfield, NASA’s MMS Marks its 5th Year Breaking Records in Space, NASA, ‏12.03.2020 (באנגלית) Intro to magnetic reconnection - How is energy released during magnetic reconnection?, סרטון בערוץ "NASA Multimedia Science", באתר יוטיוב, 25.11.2010 NASA's MMS Captures Magnetic Reconnection in Action, סרטון בערוץ "NASA Goddard", באתר יוטיוב, 12.05.2016 NASA | MMS Science Overview: The Many Mysteries of MMS, סרטון בערוץ "NASA Goddard", באתר יוטיוב, 10.12.2014