فيزيك فضا و اتمسفر

[MOJTABA 77 8304]

فيزيك فضا (Spase Physics)

 

انسان كنجكاو همواره در جريان پيشرفت علوم مختلف از فضاي بالاي سر خود غافل نبوده ‌است. و تلاش فوق‌العاده زيادي را جهت گشودن اسرار آن انجام داده‌است. انواع ماهواره‌هاي فضايي ، سفينه‌هاي فضايي ، تلسكوپهاي گوناگون از جمله ابزار و وسايلي هستند كه در اين راستا توسط انسان ايجاد شده‌اند.

 

فيزيك فضا يكي از اين شاخه‌هاي علم فيزيك است كه تا اندازه‌اي پاسخگوي هزاران سوال موجود در ذهن بشر در مورد فضا مي‌باشد. بخشي از فيزيك فضا كه در آن اجرام آسماني مورد مطالعه قرار مي‌گيرد، مكانيك سماوي است. در اين بخش نيروهاي موثر بر حركت اجسامي نظير سيارات ، ماهواره‌ها و پروپهاي مصنوعي مورد مطالعه قرار مي‌گيرد.

 

قوانين كپلر

 

در سال 1619 ، كپلر در مورد حركت سيارات سه قانون اساسي خود را با استفاده از مشاهدات تيكو براهه بيان كرد. قوانين كپلر كه پايه و اساس قوانين نيوتن و مكانيك كلاسيك براي حركت سيارات است، عبارتند از :

 

- حركت سيارات به ‌دور خورشيد در يك مدار بيضوي انجام مي‌گيرد كه خورشيد در يكي از كانونهاي آن بيضي قرار دارد.

 

- مدار يك سياره به ‌دور خورشيد ، سطحي را تشكيل مي‌دهد كه اين سطح جاروب شده توسط خط واصل بين سياره و خورشيد با زمان حركت سياره نسبت مستقيم دارد.

 

- نسبت بين مربع دوره تناوب گردش هر سياره و مكعب نصف محور بزرگ مدار بيضوي ، در مورد هر سياره منظومه شمسي عدد يكساني است.

 

فيزيك اتمسفر

 

فيزيك فضا يك علم بسيار جديد است. با وجود اين يك تكنولوژي مهم سبب حل بسياري از ناشناخته‌هاي قبلي بوده ‌است. محيط ، فضايي از اندركنش‌هاي زيادي مانند نيروي گرانشي ، ماگنتواستاتيك ، الكترواستاتيك ، الكترومغناطيس و ... ، نسبت به زمان تغييرات مهمي را نشان مي‌دهد كه طبيعت تركيب و توزيع ماده ، دماي گاز بين ستاره‌اي را تغيير مي‌دهد.

 

در فيزيك اتمسفر پارامترهاي مهم معين در هر نقطه از اتمسفر مانند فشار ، چگالي ، دما ، ميدان مغناطيسي زمين ، ميدان الكتريكي ، تابش الكترومغناطيسي موجود در اتمسفر ، ذرات باردار و شهاب سنگها مورد مطالعه قرار مي‌گيرند.

 

برهمكنش نور خورشيد با اتمسفر

 

انرژي تابش خورشيدي در مسير فاصله خورشيد تا زمين در اثر برخورد با گازهاي موجود در اتمسفر زمين در فرايندهاي مختلفي شركت مي‌كند. در اثر اين فرايندها قسمت اعظمي از تابش خورشيدي كه براي انسان و موجودات زنده زيان ‌آور است، جذب مي‌گردند. تعدادي از اين پديده‌هاي برهمكنشي عبارتنداز :

 

- جذب تابش در اتمسفر :

 

در اتمسفر زمين عناصري مانند اوزن ، اكسيژن ، ازت ، هليوم ، گاز كربنيك ، هيدروژن و گازهاي ديگر وجود دارد. همچنين مي‌دانيم كه امواج الكترومغناطيسي از ذراتي به‌ نام فوتون تشكيل شده‌اند. اين فوتونها بعد از گسيل از خورشيد توسط عناصر موجود در جو زمين تحت فرايندهاي مختلف مانند پديده فوتوالكتريك ، اثر كامپتون و ... جذب مي‌شوند.

 

-پديده يونش :

 

در اثر برهمكنش فوتون با گازهاي موجود در جو زمين ، اين گازها يونيزه مي‌شوند. اتمهاي يونيزه دوباره در اثر برخورد با الكترونهاي موجود در اتمسفر در فرايند تركيب مجدد شركت مي‌كنند. اين فرايندها همچنين در جو زمين انجام مي‌شوند. يكي از نتايج اين فرايندها ايجاد پلاسما در اتمسفر مي‌باشد.

 

تابش فيزيك امواج كوتاه خورشيدي

 

اكنون تكنولوژي پژوهشهاي فضايي توسعه يافته ‌است و اطلاعات غير مستقيم تابش خورشيدي كه موجب يونش مي‌شوند، به حد كافي مورد مطالعه قرار گرفته است. اطلاعات اوليه حاصل از پرتاب موشكها ، اشعه ايكس تابشي ناشي از خورشيد ، ، خطوط طيفي ليمن ذره آلفا را نتيجه داده ‌است. با دستگاههاي مجهزتر مي‌توان طيف فيزيك امواج كوتاه خورشيد را عكسبرداري كرد و اثر فوتوالكتريكي را با موشكها مشاهده كرد.

 

پديده‌هاي بارز فيزيك فضا

 

-فروغ آسماني :

 

آسمان شب سياه كاملا تاريك نيست. ستارگان ، سيارات ، نور منطقه البروجي و ماه هر كدام سطح زمين را روشن مي‌كنند. در عرضهاي بالاتر شعله‌هاي شفق و سوسوزدن در سراسر آسمان وجود دارد و اين پديده‌ها بر حسب اقتضا در عرضهاي متوسط زمين ظاهر مي‌شوند. اتمسفر سياره در پي اين اثرات تابش مي‌كند، كه اين تابش را فروغ آسماني مي‌گويند.

 

- شفق قطبي :

 

در عرض‌هاي بالاي زمين ، آسمان شب گاهي به صورت ناگهاني و به شكل متحرك روشن مي‌شود كه اين درخشش‌ها را شفق قطبي مي‌گويند. اين درخشش‌ها شفاف هستند و مي‌توان ستارگان را از داخل آنها مشاهده كرد. اغلب درخشندگي آنها به اندازه‌اي است كه با نور آنها مي‌توان نوشته‌اي را مطالعه كرد. معمولا در هر شب روشن مي‌توان شفق قطبي شمالي و شفق قطبي جنوبي را در آسمان مشاهده كرد.

 

- طوفان مغناطيسي :

 

اغلب در ميدان مغناطيسي زمين يك تغيير ناگهاني ظاهر مي‌گردد كه اين آشفتگي مغناطيسي به ‌عنوان طوفان مغناطيسي معروف است. فراواني ظهور اين طوفان به صورت مستقيم به دوره يازده ساله فعاليت خورشيدي مربوط است. با وجود اين زماني كه يك شعله بزرگ خورشيدي ظاهر مي‌شود، يك طوفان مغناطيسي با يك يا دو روز تاخير شروع مي‌شود.

 

- كمربندهاي تشعشعي زمين :

 

در مورد پديده‌هاي مربوطه به ذرات باردار موجود در جو زمين نظريه‌هاي گوناگوني به‌وسيله دانشمندان مختلف ارائه شده‌است. از جمله اين افراد مي‌توان به اشتورمر (Stormer) و بيركلند (Birkeland) اشاره ‌كرد كه بيشتر عمر خود را صرف مطالعه و مشاهدات شفق قطبي كردند. وان آلن و گروه پژوهشگر او با هدف مطالعه اشعه كيهاني كنتورهايي از نوع كايگرمولر را در ماهواره‌هاي خود تعبيه كردند. آنان توانستند مناطق تشعشعي از ذرات باردار را كه در ميدان مغناطيسي زمين به‌دام افتاده بودند، نشان دهند. اين مناطق به كمربندهاي تشعشعي وان آلن معروف شدند.

 

ارتباط فيزيك فضا با شاخه‌هاي ديگر فيزيك

 

شاخه‌هاي مختلف علم فيزيك را مي‌توان مانند دانه‌هاي يك زنجير تصور كرد كه به صورت محكم به يكديگر پيوند خورده‌اند، با اين تفاوت كه در برخي موارد مرز موجود ميان اين دانه‌ها به اندازه‌اي پيچيده است كه به راحتي نمي‌توان آن را تشخيص داد. به ‌عنوان مثال فضاي بالاي سرمان توسط علوم مختلف فيزيك مانند نجوم ، كيهان شناسي ، اختر فيزيك ، مكانيك سماوي ، فيزيك هوا فضا ، فيزيك محيط زيست ، فيزيك نظري ، فيزيك مواد ، فيزيك هسته‌اي و ... مورد مطالعه قرار مي‌گيرد. طبيعت امواج الكترومغناطيسي كه خورشيد به عنوان يك چشمه عظيم توليد اين فيزيك امواج است، در فيزيك امواج و فيزيك راديو بررسي مي‌شود. هر كدام از اين علوم ، فضا را از ديدگاه خاصي مورد توجه قرار مي‌دهد.

 

ارتباط فيزيك فضا با علوم ديگر

 

تنها شاخه‌هاي مختلف علم فيزيك نيست كه با فيزيك فضا ارتباط ناگسستني دارند، بلكه علوم ديگر مانند زمين شناسي ، شيمي ، رياضيات ، هوا فضا ، زيست شناسي و ... نيز به نوعي با فيزيك فضا در ارتباط هستند. به عنوان مثال ماهيت گازهاي تشكيل‌دهنده اتمسفر در علم شيمي به تفضيل مورد تجزيه و تحليل قرار مي‌گيرد.

 

آينده فيزيك فضا

 

يكي از مزايا و يا به بيان ديگر معايب علم بشري اين است كه همواره ناقص بوده و روز به روز در حال پيشرفت و تكامل است. عيب بودن از اين لحاظ كه ناقص است و مزيت بودن از اين لحاظ كه اين نقص ، انسان را به تحرك و تحقيق وادار مي‌كند و همين امر موجب پيشرفت در علوم مختلف مي‌شود. فيزيك فضا نيز از اين پيشرفت و ترقي مستثني نمي‌باشد. شايد روزگاري تمام اطلاعات بشر از فضا محدود به چند نظريه و يا پيشگويي بود، اما امروزه با فرستادن انواع سفينه‌هاي فضايي و ماهواره‌ها به فضا ، اطلاعات بسيار درست و دقيقي از فضا در اختيار انسان قرار مي‌گيرد.