יום שבת, 27 בפברואר 2010

רעידת האדמה בצ'ילה

רעידת האדמה שהתרחשה הבוקר בצ'ילה היא אחת החזקות בהיסטוריה המתועדת של רעידות האדמה. עוצמתה עומדת על 8.8, מה שמציב אותה במקום השישי. המפה הבאה, שנלקחה מאתר USGS, מציגה את 14 הרעשים החזקים מאז 1900, ללא רעידת האדמה של צ'ילה מהיום.

 

14 רעידות האדמה החזקות ביותר מאז 1900

הרעש החזק בהיסטוריה המתועדת (עוצמה של 9.5), שמסומן במספר 1, התרחש גם הוא בצ'ילה, בשנת 1960. הוא גרם למותם של 1,655 אנשים. הנזק קשור כמובן לעוצמה, אך הוא תלוי בגורמים נוספים, כמו עומק מוקד הרעש, המרחק בין האפיצנטר למרכזי האוכלוסין ואיכות הבנייה (עוד על כך בפוסט על רעידת האדמה בהאיטי). לזה צריך להוסיף שכאשר רעידת האדמה מתרחשת בים, כמו רעידת האדמה הנוכחית בצ'ילה, הסכנה העיקרית היא גלי צונאמי אדירים שיכולים לשטוף חופים גם במרחק של אלפי קילומטרים. כך למשל, מספר ההרוגים ברעידת האדמה השלישית בעוצמתה, שהתרחשה בדצמבר 2004 ליד חופי סומטרה, היה גדול במיוחד (כ-200,000 איש) בגלל גל הצונאמי האדיר שנוצר.

פרט בולט במפה הוא מיקומן של כל רעידות האדמה החזקות - בשולי האוקיינוס השקט, לאורך הקו הקרוי טבעת האש. זה לא במקרה. באופן כללי, האוקיינוס השקט נמצא בתהליך של סגירה, כלומר שוליו שוקעים אט-אט תחת היבשות שמסביבו. האזורים הללו שבהם לוח טקטוני אחד נע לעבר לוח אחר ושוקע מתחתיו נקראים אזורי הפחתה והם מהווים אזורים מועדים לרעידות אדמה. 

בצ'ילה מתקיים מצב מיוחד. בדרום המדינה קיים צומת משולש (triple junction): שני לוחות ימיים, לוח נסקה והלוח האנטארקטי, מתרחקים זה מזה, ושניהם שוקעים מתחת ללוח הדרום-אמריקאי היבשתי. זה מקרה נדיר שבו רכס מרכז-אוקייני, רכס ההרים הנוצר מתחת לים בעת התרחקות שני לוחות זה מזה, שוקע בעצמו מתחת ללוח אחר. צומת משולש מסוג זה, שאין כמוהו בשום מקום אחר בעולם, מהווה מוקד לרעידות אדמה חזקות. גם אזור מרכז צ'ילה, שמצפון לצומת, מועד לרעידות אדמה בעוצמה גבוהה. שם מתנגש לוח נסקה במהירות גבוהה יחסית (כ-8 ס"מ לשנה) בלוח היבשתי של דרום אמריקה, והאנרגיה המצטברת כתוצאה מההתנגשות המתמדת משתחררת מדי כמה שנים בצורת רעידת אדמה. רעידת האדמה של 1960 ורעידת האדמה הנוכחית התרחשו שתיהן במרכז צ'ילה.

 
הלוחות הטקטוניים בדרום האוקיינוס השקט. מקור: The Chile Margin Triple Junction

לא רחוק מאתנו, באפריקה, נמצא צומת משולש מסוג אחר. במשולש אפאר, המהווה את נקודת המפגש בין אתיופיה, אריתריאה, ג'יבוטי וסומליה, קיים מפגש בין שלושה רכסים, כלומר קווים שלאורכם הלוחות מתרחקים זה מזה. אחד מהם נמצא בים סוף, השני במפרץ עדן והשלישי הוא החלק האפריקאי של השבר הסורי-אפריקאי, שיגרום בסופו של דבר לחציית יבשת אפריקה לשני חלקים ולכניסת מים בין אפריקה המזרחית לשאר היבשת. בכל מקרה, צומת משולש מסוג כזה פחות מסוכן בכל הנוגע לרעידות אדמה מהצומת המשולש הצי'ליאני.

יום רביעי, 24 בפברואר 2010

הטיל וכלבי השמש

לפני שבועיים, ב-11 בפברואר, שיגרה נאס"א לחלל את ה-SDO - לוויין שאמור לחקור בשנים הקרובות את האטמוספרה של השמש, כלומר את השכבה החיצונית שלה. בעת השיגור ארע אירוע יוצא דופן, שככל הידוע לא ניצפה עד היום, ולמרות שעברו כמה ימים מאז השיגור לא נמצא לו הסבר מלא.

אנא צפו בסרטון הבא שצולם על ידי אחת הצופות בשיגור.



התופעה המעניינת מתרחשת החל מדקה וארבעים שניות אחרי תחילתו של הסרטון (קצת פחות מ-75 שניות אחרי השיגור).

בצד ימין רואים כלב שמש (sundog) - תופעה אופטית אטמוספרית הנגרמת עקב שבירת קרני השמש בגבישי קרח משושים הנמצאים בגובה רב (כ-10 ק"מ). גבישי הקרח נמצאים בדרך כלל בענני צירוס דקים ושקופים למחצה. לפי סידור הצבעים ניתן להבין שזה כלב השמש השמאלי מבין השניים, כלומר השמש נמצאת מימין לתמונה. לאחר שטיל השיגור עובר את שכבת העננים מופיע בבת אחת מין גל בענני הצירוס אשר הורס את כלב השמש למשך מספר שניות (כאן וכאן ניתן לראות שכלב השמש מופיע שוב).

תצלום של הרגע שבו מופיע הגל (קרדיט: George Privon). העובדה שהגל הופיע בבת אחת על פני חלק גדול מהענן מרמזת על כך שהוא נוצר באופן מתמשך על ידי הטיל והופיע כאשר חלקים שונים שלו פגעו יחד בענן.

הגעתי למסקנה שהטיל כבר עבר את שכבת העננים משום שרואים קודם לכן שהוא נבלע בתוך עננים, והיות שרואים אותו בהמשך, גם דרך העננים, ניתן להסיק שזו שכבת עננים דקה למדי. בנוסף לכך ניתן לראות פרט מעניין בסרטונים אחרים של אותו שיגור. אלו סרטונים של נאס"א שמאגדים צילומים ממספר מצלמות שהוצבו סביב אתר השיגור. כאן וכאן רואים מין סילון שחור שמופיע באופן פתאומי לכיוון שמאל-למעלה ומיד אחר כך נוצר הגל המסתורי. לדעתי הסילון הזה הוא בעצם הצל של הטיל אשר מוטל על שכבת ענני הצירוס שמתחתיו. בצד ימין-למטה ניתן להבחין בעשן שחור שמקורו בטיל (ניתן להבחין בו גם בסרטונים נוספים, למשל כאן). אינני יודע למה נוצר העשן, אבל הוא לא קשור לצל. אגב, בהמשך רואים את שובל ההתעבות (contrail) האופייני לטילים ולמטוסים הטסים בגובה רב. צבעו לבן והוא מורכב מאדי המים הנפלטים מהמנוע אשר מתקררים והופכים לגבישי קרח.

 תצלום מסך מאחד הסרטונים של נאס"א. ניתן לראות את הצל של הטיל על הענן שמתחתיו ואת העשן השחור הנפלט מהמנוע. פחות משנייה אחר כך מופיעים הגלים המסתוריים על הענן.

תופעה מעניינת נוספת המתלווה לאותו גל היא התעבות של טיפות מים סביב הטיל, בחלקו הקדמי. ניתן לצפות בה בכל הסרטונים. ההתעבות הזו נגרמת כתוצאה מתופעה אווירודינמית הקרויה סינגולריות פראנטל-גלאוארט ואשר מופיעה במהירות טרנס-קולית (קרובה למהירות הקול). אם כך, הגל שלנו נוצר קצת לפני שהטיל עבר את מהירות הקול, אבל אני לא מוצא קשר ישיר בין השניים. עצם שנע במהירות על-קולית יוצר גל הלם בצורת חרוט, ואכן מספר אתרי אינטרנט שהתייחסו לאירוע הזה כתבו שמדובר בגלי הלם, אבל אני לא מזהה כאן מאפיינים של גל הלם - הוא דומה יותר לגל רגיל שנוצר במים על ידי מקור נקודתי. במקרה הזה יש לנו מועמד טוב למקור הגל - המנוע של הטיל שמייצר גלי קול באופן מתמשך.

באופן כללי, אני מסכים עם מה שרשום באתר של נאס"א לגבי הרס כלב השמש על ידי הגל. גל אקוסטי (גל קול) שמקורו בטיל פגע בסידור הגבישים בענן, וכתוצאה מכך נעלם כלב השמש לזמן מה, עד שהגבישים הסתדרו מחדש. אבל לגבי השאלה מהו אותו גל אקוסטי ומה מקורו המדויק - לא מצאתי תשובה משכנעת באינטרנט.

החלטתי להעריך את אורך הגל על ידי השוואה לגודלו של טיל השיגור (אטלס 5). אורך הטיל עומד על כ-58 מטר, והמרחק בין שיא לשיא בגל הנראה בסרטון די קרוב לאורך הטיל, כלומר אורך הגל הוא בסדר גודל של עשרות מטרים. הורדתי את הסרטון למחשב שלי ובעזרת מעבר בין פריימים בודדים הערכתי את מהירות הגל - מצאתי שהיא קרובה למהירות הקול באוויר (בערך 300 מטר לשנייה בגובה של 10 ק"מ), ולכן אני מסיק שככל הנראה מדובר בגלי קול. חלוקת מהירות הגל באורך הגל נותנת את התדר. מתקבל תדר נמוך מאוד, פחות מעשרה הרץ. אלו תדרים שיכולים להופיע במנוע הטיל (למשל רעידות מכניות) ובהחלט ייתכן שמקור הגל במנוע, והוא נראה רק כשהוא פוגע בשכבת ענני הצירוס הדקה ומניע את גבישי הקרח הלוך ושוב למרחק של עשרות מטרים.

לסיכום, אלו הן המסקנות שלי:
מנוע הטיל יצר באופן מתמשך גלי קול בתדרים נמוכים מאוד וכאשר הם פגעו בשכבת ענני הצירוס ניתן היה לראות אותם עקב תזוזת גבישי הקרח בענן. התזוזה הרסה את סידור הגבישים וכלב השמש נעלם עד שהגבישים חזרו למקומם. הטיל היה קרוב למהירות הקול, ולכן הגלים שהוא יצר הגיעו לענן בערך ביחד איתו. הרגע שבו מופיע הגל בסרטונים הוא פחות או יותר הרגע שבו חזית הגלים פוגעת בענן.

האיור הבא מתאר חזית של גלי קול שנוצרים על ידי מטוס שטס במהירות נמוכה ממהירות הקול (שמאל) ושווה למהירות הקול (ימין). במקרה של תנועה במהירות הקול החזית מהווה גל הלם - שינוי חד בלחץ האוויר הנובע מהצטברות גלי קול רבים על קו אחד. לדעתי במקרה שלנו התופעה מופיעה לפני שהטיל מגיע למהירות הקול והיא לא קשורה להיווצרות גל הלם. 

היווצרות גל הלם בעת טיסה במהירות הקול (איור ימני) לעומת טיסה במהירות נמוכה יותר (איור שמאלי)

אני לא בטוח שההסבר שלי נכון, אבל לפחות כרגע הוא נראה לי הגיוני. מצד שני, מדוע לא ראו את התופעה בשיגורים קודמים? האם מעולם לא התבצע שיגור דרך שכבת ענני צירוס? האם היה משהו מיוחד בטיל הזה שגרם להיווצרות של גלי קול חזקים במיוחד בתדרי תת-שמע?

לקריאה ולצפייה נוספת:
על השיגור באתר APOD
סרטון נוסף של נאס"א

החלקיק האלוהי

לא קל להסביר מדע, במיוחד כשהמושגים מסובכים ולא אינטואיטיביים. בשנים האחרונות קבעתי לי כמה כללים ואני מנסה לא לסטות מהם:
  1. ההסבר צריך להיות מדויק.
  2. ההסבר צריך להיות ברור.
  3. ההסבר לא חייב להיות מלא - ניתן להימנע מפרטים שאינם הכרחיים ורק מסבכים.

במיוחד למדתי להיזהר מהשוואות ואנלוגיות. אני משתמש באנלוגיה לתופעה אחרת רק אם האנלוגיה מדויקת לחלוטין ואם אני בטוח שהתופעה השנייה מוכרת לשומעים ויש להם הבנה טובה לגביה. במילים אחרות אם אני אומר שתופעה א' דומה לתופעה ב', אבל כל אחד מבין אחרת את תופעה ב' - הסתבכתי. כמו כן, אני מנסה להמעיט בתיאורים ובסופרלטיבים, ולהימנע מכינויים כמו "הכי חשוב", "מפורסם מאוד", "קטלני ביותר" או "עוצמתי".

למה הקדמתי את כל זה לנושא שרציתי לכתוב עליו? כי יש לי בעיה עם "החלקיק האלוהי". לא, לא עם בוזון היגס עצמו, אלא עם הכינוי שהדביקו לו. לפני שבוע שברתי את הראש איך להסביר לקבוצת תלמידים מה זה החלקיק הזה ולמה הוא מעניין כל כך את המדענים. בסוף ההרצאה נשאלתי: "האם דיברת על החלקיק האלוהי?". אני עונה "כן", ואז שאלת ההמשך: "האם הוא באמת החלקיק החשוב ביותר בטבע?", ומישהו אחר מוסיף: "למה הוא קשור לאלוהים?". ניסיתי לומר שאני לא רואה שום קשר בין החלקיק ובין אלוהים, לא בהיבט הפיזיקלי ולא בהיבט הפילוסופי, אבל לא בטוח ששכנעתי. לפעמים קשה לעקור קישור שנוצר בהבנה שלנו, וזו סיבה נוספת להמעיט באנלוגיות. בעיני עדיף שכל אחד יעשה את הקישור לתופעות דומות לפי הבנתו האישית.

כשהגעתי הביתה החלטתי לבדוק מי אשם בכל הסיפור, או במילים אחרות את מי אני צריך לקלל בכל פעם ששואלים אותי על האלוהות של חלקיק ההיגס. להפתעתי גיליתי שמדובר בלא אחר מלאון לדרמן, חתן פרס נובל לפיזיקה של שנת 1988, שכתב חמש שנים מאוחר יותר ספר פופולרי הנושא את השם המחייב: 

The God Particle: If the Universe Is the Answer, What is the Question?

או בתרגום לעברית: "החלקיק האלוהי: אם היקום הוא התשובה, מהי השאלה?"

אני כנראה לא היחיד שלא אוהב את השם "החלקיק האלוהי" ובמשאל בין פיזיקאים נבחר שם חדש: בוזון בקבוק השמפניה. לשם הזה יש משמעות, כי צורת התחתית של בקבוק שמפניה (ובקבוקי יין אחרים) דומה לצורת פוטנציאל שדה ההיגס. צורה זו מכונה גם פוטנציאל הכובע המקסיקני, ויש לה חשיבות רבה בהבנת תפקידו של בוזון ההיגס במודל הסטנדרטי של החלקיקים היסודיים. אבל אני חייב להודות שהשם המוצע לא כל כך קליט וקשה לי להאמין שהוא יתפוס.

פיטר היגס עצמו, אחד מאבות בוזון ההיגס, לא אהב את הכינוי שהודבק לחלקיק שלו. בראיון שנערך לפני שנה וחצי אמר היגס: "אני חושב שזה מביך, ולמרות שאני עצמי אדם לא מאמין, אני חושב שזה מסוג השימושים הלא נכונים בטרמינולוגיה שעלולים לדעתי לפגוע בחלק מהאנשים". בהמשך הראיון התבדח היגס והוסיף שלדרמן רצה להתייחס לחלקיק בכינוי "goddamn particle" (החלקיק הארור), אך העורך של הספר התנגד. ואולי זה דווקא רעיון טוב: אקרא לו מעכשיו "החלקיק הארור" - לפחות יש לי סיפור משעשע על מקור השם...

יום שלישי, 23 בפברואר 2010

ההפעלה של מאיץ ה-LHC ב-2010

עדכון קצר לגבי ה-LHC:

החדשות הטובות הן שהמאיץ יופעל מחדש בעוד שבועות ספורים והכוונה היא להפעיל אותו ברציפות במשך קרוב לשנתיים. החדשות הרעות הן שבמהלך השנתיים הללו האנרגיה של ההתנגשויות תהיה מחצית מהאנרגיה המתוכננת, כלומר 7TeV (טרה אלקטרון-וולט = מיליון מיליוני אלקטרון-וולט) בכל התנגשות, במקום 14TeV כמתוכנן. אלקטרון-וולט היא יחידת מידה לאנרגיה: זו האנרגיה שמקבל חלקיק טעון במטען של אלקטרון אחד המואץ על ידי מתח חשמלי של וולט אחד.

היות שמדובר בהתנגשויות של פרוטונים, שאינם חלקיקי יסוד, לא כל האנרגיה הזו זמינה ליצירת חלקיקים חדשים. למעשה, במרבית ההתנגשויות בכלל לא מתרחשת אינטראקציה בין מרכיבי הפרוטונים. התנגשויות אלו פחות מעניינות משום שכל מה שקורה בהן זה סטייה של הפרוטונים ממסלולם המקורי, מה שנקרא פיזור של פרוטונים. מהתנגשויות כאלו ניתן ללמוד על גודלו של הפרוטון, אך לא נוצרים בהן חלקיקים חדשים.

בחלק קטן מההתנגשויות, תתרחש אינטראקציה בין מרכיבי הפרוטון - קווארקים וגלואונים. לעתים יווצרו כתוצאה מכך חלקיקים חדשים משום שהאנרגיה המשתחררת בהתנגשות יכולה להפוך בחלקה למסה של חלקיק חדש בהתאם לנוסחה של איינשטיין . מערכת הסינון של הגלאים (trigger system) אמורה לזהות במהירות את ההתנגשויות המעניינות הללו ולשמור את המידע עליהן בזכרון, כלומר לרשום את הנתונים הנמדדים של כל החלקיקים שהתגלו בגלאי ואשר משויכים לאותן התנגשויות. האנרגיה הזמינה ליצירת החלקיקים תלויה באנרגיה שנושאים מרכיבי הפרוטון שנטלו חלק בהתנגשות, והאנרגיה שלהם היא מספר אקראי בעל התפלגות ידועה בדיוק לא רע (parton distribution function). זה אומר שאנו לא יודעים מראש אלו חלקיקים יטלו חלק בכל התנגשות ואנו לא יודעים את האנרגיה שלהם, אך אנו יכולים לדעת מה ההסתברות שזה היה גלואון או קווארק מסוים ומה ההסתברות שהייתה לו אנרגיה מסוימת. על כך מבוססות כל תכניות הסימולציה המדמות את ההתנגשויות במאיץ.

השורה התחתונה היא שרק בחלק קטן מאוד מההתנגשויות ייווצרו חלקיקים בעלי מסה גבוהה מאוד, ולכן הסיכוי לזהות חלקיקים לא מוכרים במשך השנתיים הקרובות נמוך למדי.

אגב, שאריות הפרוטונים, לאחר האינטראקציה בין מרכיביהם, מתגלות בגלאים, ובמידה רבה מפריעות לניתוח התוצאות. הן לא קשורות לחלקיקים החדשים שנוצרו, וחלק לא מבוטל מעבודת הפיזיקאים שמנתחים את תוצאות הניסוי היא לזהות בין מאות החלקיקים הנוצרים בכל התנגשות את אלו השייכים לשאריות הפרוטונים. באיור הבא אני מתאר באופן סכמטי את מה שקורה בהתנגשות בה מתרחשת אינטראקציה בין שני קווארקים - אחד מכל פרוטון. לצורך הפשטות ציירתי שלושה קווארקים בכל פרוטון. בפועל מתווספים אליהם קווארקים וגלואונים רבים שנוצרים ונעלמים כל העת.

תאור סכמטי של התנגשות ב-LHC, האינטראקציה באיור מתרחשת בין שני קווארקים - אחד מכל פרוטון

האמת על ההתחממות העולמית

הפעם פוסט בנימה הומוריסטית.

את התמונה הבאה צילם אנדי רוס (Andy Rouse), אחד מצלמי הטבע הטובים בעולם. היא צולמה במצר ברנספילד, בין אנטארקטיקה לאיי שטלנד הדרומיים. ביקשתי מאנדי, וקיבלתי את רשותו לפרסם את התמונה כאן בבלוג, וזו גם הזדמנות טובה להמליץ על האתר הנהדר של אנדי רוס.


 

נשאלת כמובן השאלה אם ההתחממות העולמית אחראית ליצירת הצורה המיוחדת של הקרחון :-)