فيزيک فضا و اتمسفر

انسان کنجکاو همواره در جريان پيشرفت علوم مختلف، از فضاي بالاي سر خود غافل نبوده است، و تلاش زيادي را جهت گشودن اسرار آن انجام داده است. انواع ماهواره هاي فضايي و سفينه هاي فضايي، تلسکوپ ها و... از جمله ابزاري هستند که در اين راستا توسط انسان ايجاد شده اند. « فيزيک فضا» يکي از شاخه هاي علم فيزيک است، که تا اندازه اي پاسخگوي هزاران سال موجود در ذهن بشر درباره فضا است.
بخشي از فيزيک فضا که در آن اجرام آسماني مورد مطالعه قرار مي گيرد، «مکانيک سماوي» است. در اين بخش، نيروهاي موثر بر حرکت اجسامي نظير سيارات، ماهواره ها و کاوشگرهاي مصنوعي مورد مطالعه قرار مي گيرد.
محيط فضايي، مملو از اندر کنش هاي زيادي مانند نيروي گرانشي، مگنتواستاتيک، الکترواستاتيک، الکترومغناطيس و... است، و نسبت به زمان تغييرات مهمي را نشان مي دهد که طبيعت ترکيب و توزيع ماده، دماي گاز بين ستاره اي و... را تغيير مي دهد.

قوانين کپلر
 

در سال 1619، کپلر در مورد حرکت سيارات سه قانون اساسي خود را با استفاده از مشاهدات تيکو براهه بيان کرد.(1) قوانين کپلر که پايه و اساس قوانين نيوتن و مکانيک کلاسيک براي حرکت سيارات است، عبارتند از:
- حرکت سيارات به دور خورشيد در يک مدار بيضوي انجام مي گيرد که خورشيد در يکي از کانون هاي آن بيضي قرار دارد.

- مدار يک سياره به دور خورشيد، سطحي را تشکيل مي دهد که اين سطح جاروب شده توسط خط واصل بين سياره و خورشيد با زمان حرکت سياره نسبت مستقيم دارد.
- نسبت بين مربع دوره تناوب گردش هر سياره و مکعب نصف محور بزرگ مدار بيضوي، در مورد هر سياره منظومه شمسي عدد يکساني است.
در فيزيک اتمسفر پارامترهاي مهم معين در هر نقطه از اتمسفر مانند فشار، چگالي، دما، ميدان مغناطيسي زمين، ميدان الکتريکي، تابش الکترومغناطيسي موجود در اتمسفر، ذرات باردار و شهاب سنگها مورد مطالعه قرار مي گيرند.

برهمکنش نور خورشيد با اتمسفر
 

انرژي تابش خورشيدي در مسير فاصله خورشيد تا زمين، بر اثر برخورد با گازهاي موجود در اتمسفر زمين در فرايندهاي مختلفي شرکت مي کند. در اثر اين فرايندها قسمت اعظمي از تابش خورشيدي که براي انسان و موجودات زنده زيان آور است، جذب مي گردند. تعدادي از اين پديده هاي برهمکنش عبارتند از:

- جذب تابش در اتمسفر
 

در اتمسفر زمين، عناصري مانند اوزون، اکسيژن، ازت، هليوم، گاز کربنيک، هيدروژن و گازهاي ديگر وجود دارد. همچنين مي دانيم که امواج الکترومغناطيسي از ذراتي به نام فوتون تشکيل شده اند. اين فوتون ها بعد از گسيل از خورشيد توسط عناصر موجود در جو زمين تحت فرايندهاي مختلف مانند پديده فوتوالکتريک، اثر کامپتون(2) و... جذب مي شوند.

-پديده يونش
 

در اثر برهمکنش فوتون با گازهاي موجود در جو زمين، اين گازها يونيزه مي شوند. اتمهاي يونيزه دوباره در اثر برخورد با الکترون هاي موجود در اتمسفر در فرايند ترکيب مجدد شرکت مي کنند. يکي از نتايج اين فرايندها، ايجاد پلاسما(3) در اتمسفر است.

- تابش فيزيک امواج کوتاه خورشيدي
 

اکنون تکنولوژي پژوهش هاي فضايي توسعه يافته است و اطلاعات غيرمستقيم تابش خورشيدي که موجب يونش مي شوند. به حد کافي مورد مطالعه قرار گرفته است. اطلاعات اوليه حاصل از پرتاب موشک ها، اشعه ايکس تابشي ناشي از خورشيد، خطوط طيفي ذره آلفا را نتيجه داده است. با دستگاه هاي مجهزتر مي توان طيف فيزيک امواج کوتاه خورشيد را عکس برداري کرد و اثر فوتوالکتريک را نيز، با موشک ها مشاهده کرد.

پديده هاي بارز فيزيک فضا و اتمسفر
 

فروغ آسماني
 

آسمان شب سياه کاملا تاريک نيست. ستارگان، سيارات، نور منطقه البروجي و ماه هر کدام سطح زمين را روشن مي کنند. در عرض هاي بالاتر شعله هاي شفق و سوسو زدن در سراسر آسمان وجود دارد و اين پديده ها بر حسب اقتضا در عرضهاي متوسط زمين ظاهر مي شوند. اتمسفر سياره در پي اين اثرات تابش مي کند، که اين تابش را فروغ آسماني مي گويند.

- شفق قطبي
 

در عرض هاي بالاي زمين، آسمان شب گاهي به صورت ناگهاني و به شکل متحرک روشن مي شود که اين درخشش ها را شفق قطبي مي گويند. اين درخشش ها شفاف هستند و مي توان ستارگان را از داخل آنها مشاهده کرد. اغلب درخشندگي آنها به اندازه اي است که با نور آنها مي توان نوشته اي را مطالعه کرد. معمولاً در هر شب روشن مي توان شفق قطبي شمالي و شفق قطبي جنوبي را در آسمان مشاهده کرد.

- طوفان مغناطيسي
 

اغلب، در ميدان مغناطيسي زمين، يک تغيير ناگهاني ظاهر مي گردد که 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 که يک شعله بزرگ خورشيدي ظاهر مي شود، يک طوفان مغناطيسي نيز، با يک دو روز تأخير شروع مي شود.

- کمربندهاي تشعشي زمين
 

در مورد پديده هاي مربوطه به ذرات باردار موجود در جو زمين نظريه هاي گوناگوني به وسيله دانشمندان مختلف ارائه شده است. از جمله اين افراد مي توان به اشتورمر (Stormer) و بير کلند (Birkeland) اشاره کرد که بيشتر عمر خود را صرف مطالعه و مشاهدات شفق قطبي کردند. وان آلن و گروه او با هدف مطالعه اشعه کيهاني کنتورهايي از نوع گايگرمولر را در ماهواره هاي خود تعبيه کردند. آنان توانستند مناطق تشعشي ذرات باردار را که در ميدان مغناطيسي زمين به دام افتاده بودند، نشان دهند. اين مناطق به «کمربندهاي تشعشي وان آلن» معروف شدند.

ارتباط فيزيک فضا با شاخه هاي ديگر فيزيک
 

شاخه هاي مختلف علم فيزيک را مي توان مانند دانه هاي يک زنجير تصور کرد که به صورت محکم به يکديگر پيوند خورده اند. با اين تفاوت که در برخي موارد مرز موجود ميان اين دانه ها به اندازه اي پيچيده است که به راحتي نمي توان آن را تشخيص داد. به عنوان مثال فضاي بالاي سرمان توسط شاخه هاي مختلف فيزيک مانند نجوم، کيهان شناسي، اخترفيزيک، مکانيک سماوي، فيزيک ذرات بنيادي، فيزيک هوا فضا، فيزيک محيط زيست، فيزيک نظري، فيزيک مواد، فيزيک هسته اي و... مورد مطالعه قرار مي گيرد. طبيعت امواج الکترومغناطيسي، که خورشيد به عنوان يک چشمه عظيم توليد اين امواج است، در «فيزيک امواج» و «فيزيک راديو» بررسي مي شود. هر کدام از اين شاخه ها، فضا را از ديدگاه خاصي مورد توجه قرار مي دهد.

ارتباط فيزيک فضا با علوم ديگر
 

تنها، شاخه هاي مختلف علم فيزيک نيست که با فيزيک فضا ارتباط ناگسستني دارند، بلکه علوم ديگر مانند زمين شناسي، شيمي، رياضيات، هوافضا، زيست شناسي و... نيز به نوعي با فيزيک فضا در ارتباط هستند. به عنوان مثال ماهيت گازهاي تشکيل دهنده اتمسفر در علم شيمي به تفصيل مورد تجزيه و تحليل قرار مي گيرد.

آينده فيزيک فضا
 

يکي از مزايا و يا به بيان ديگر معايب علم بشري اين است که همواره ناقص بوده و روز به روز در حال پيشرفت و تکامل است. عيب بودن از اين لحاظ که ناقص است و مزيت بودن از اين لحاظ که اين نقص، انسان را به تحرک و تحقيق وادار مي کند و همين امر موجب پيشرفت در علوم مختلف مي شود. فيزيک فضا نيز از اين پيشرفت و ترقي مستثني نمي باشد. شايد روزگاري تمام اطلاعات بشر از فضا محدود به چند نظريه و يا پيشگويي بود، اما امروزه با فرستادن انواع سفينه هاي فضايي و ماهواره ها به فضا، اطلاعات بسيار درست و دقيقي از فضا در اختيار انسان قرار مي گيرد.

توضيحات:
 

1- يوهانس کپلر، رياضيدان و منجم آلماني، در موقعيتي قرار داشت که مي توانست به انبوهي از اطلاعات دقيق رصدي تيکو براهه دسترسي داشته باشد. کپلر به مدل زمين مرکزي براهه اعتقادي نداشت. اما، فردي مذهبي بود و اعتقادات کهن ديني درباره زمين مقدس که مرکز عالم قرار داده شده بود، در اعماق وجودش لانه داشت و به سختي مي توانست خود را به پيروي از اين مدل جديد قانع کند و از طرفي هم نمي توانست آنچه را مي ديد انکار کرد.
2- در اثر کامپتون يا پراش کامپتون، پرتوايکس در اثر اندرکنش با ماده انرژي خود را از دست داده و از اين رو طول موجش افزايش مي يابد. اثر کامپتون را مي توان به صورت برخورد فوتون-الکترون دانست که در آن انرژي و تکانه کل ثابت هستند. اين پديده در اخترفيزيک و فيزيک پزشکي اهميت فراوان دارد.
3- پلاسما گاز شبه خنثايي از ذرات باردار و خنثي است که رفتار جمعي از خود ارائه مي دهد. واژه پلاسما به گاز يونيزه شده اي گفته مي شود که همه، يا بخش قابل توجهي از اتم هاي آن، يک يا چند الکترون از دست داده و به يون هاي مثبت تبديل شده باشند: به گاز به شدت يونيزه شده اي که تعداد الکترون هاي آزاد آن تقريباً برابر با تعداد يون هاي مثبت آن باشد نيز، پلاسما گفته مي شود.
منابع:
1. دانشنامه رشد
2. دانشنامه آزاد فارسي، ويکي پديا
منبع: لذت فيزيک شماره20