فیزیک فضا

انسان کنجکاو همواره در جریان پیشرفت علوم مختلف از فضای بالای سر خود غافل نبوده است و تلاش فوق العاده زیادی را جهت گشودن اسرار آن انجام داده است

نگاه اجمالی

انسان کنجکاو همواره در جریان پیشرفت علوم مختلف از فضای بالای سر خود غافل نبوده ‌است. و تلاش فوق‌العاده زیادی را جهت گشودن اسرار آن انجام داده‌است. انواع ماهواره‌های فضایی ، سفینه‌های فضایی ، تلسکوپهای گوناگون از جمله ابزار و وسایلی هستند که در این راستا توسط انسان ایجاد شده‌اند.فیزیک فضا یکی از این شاخه‌های علم فیزیک است که تا اندازه‌ای پاسخگوی هزاران سوال موجود در ذهن بشر در مورد فضا می‌باشد. بخشی از فیزیک فضا که در آن اجرام آسمانی مورد مطالعه قرار می‌گیرد، مکانیک سماوی است. در این بخش نیروهای موثر بر حرکت اجسامی نظیر سیارات ، ماهواره‌ها و پروپهای مصنوعی مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

قوانین کپلر

در سال ۱۶۱۹ ، کپلر در مورد حرکت سیارات سه قانون اساسی خود را با استفاده از مشاهدات تیکو براهه بیان کرد. قوانین کپلر که پایه و اساس قوانین نیوتن و مکانیک کلاسیک برای حرکت سیارات است، عبارتند از :حرکت سیارات به ‌دور خورشید در یک مدار بیضوی انجام می‌گیرد که خورشید در یکی از کانونهای آن بیضی قرار دارد.مدار یک سیاره به ‌دور خورشید ، سطحی را تشکیل می‌دهد که این سطح جاروب شده توسط خط واصل بین سیاره و خورشید با زمان حرکت سیاره نسبت مستقیم دارد.نسبت بین مربع دوره تناوب گردش هر سیاره و مکعب نصف محور بزرگ مدار بیضوی ، در مورد هر سیاره منظومه شمسی عدد یکسانی است.

فیزیک اتمسفر

فیزیک فضا یک علم بسیار جدید است. با وجود این یک تکنولوژی مهم سبب حل بسیاری از ناشناخته‌های قبلی بوده ‌است. محیط ، فضایی از اندرکنش‌های زیادی مانند نیروی گرانشی ، ماگنتواستاتیک ، الکترواستاتیک ، الکترومغناطیس و ... ، نسبت به زمان تغییرات مهمی را نشان می‌دهد که طبیعت ترکیب و توزیع ماده ، دمای گاز بین ستاره‌ای را تغییر می‌دهد.در فیزیک اتمسفر پارامترهای مهم معین در هر نقطه از اتمسفر مانند فشار ، چگالی ، دما ، میدان مغناطیسی زمین ، میدان الکتریکی ، تابش الکترومغناطیسی موجود در اتمسفر ، ذرات باردار و شهاب سنگها مورد مطالعه قرار می‌گیرند.

برهمکنش نور خورشید با اتمسفر

انرژی تابش خورشیدی در مسیر فاصله خورشید تا زمین در اثر برخورد با گازهای موجود در اتمسفر زمین در فرایندهای مختلفی شرکت می‌کند. در اثر این فرایندها قسمت اعظمی از تابش خورشیدی که برای انسان و موجودات زنده زیان ‌آور است، جذب می‌گردند. تعدادی از این پدیده‌های برهمکنشی عبارتنداز :

جذب تابش در اتمسفر :در اتمسفر زمین عناصری مانند اوزن ، اکسیژن ، ازت ، هلیوم ، گاز کربنیک ، هیدروژن و گازهای دیگر وجود دارد. همچنین می‌دانیم که امواج الکترومغناطیسی از ذراتی به‌ نام فوتون تشکیل شده‌اند. این فوتونها بعد از گسیل از خورشید توسط عناصر موجود در جو زمین تحت فرایندهای مختلف مانند پدیده فوتوالکتریک ، اثر کامپتون و ... جذب می‌شوند.

پدیده یونش :در اثر برهمکنش فوتون با گازهای موجود در جو زمین ، این گازها یونیزه می‌شوند. اتمهای یونیزه دوباره در اثر برخورد با الکترونهای موجود در اتمسفر در فرایند ترکیب مجدد شرکت می‌کنند. این فرایندها همچنین در جو زمین انجام می‌شوند. یکی از نتایج این فرایندها ایجاد پلاسما در اتمسفر می‌باشد.

تابش فیزیک امواج کوتاه خورشیدی

اکنون تکنولوژی پژوهشهای فضایی توسعه یافته ‌است و اطلاعات غیر مستقیم تابش خورشیدی که موجب یونش می‌شوند، به حد کافی مورد مطالعه قرار گرفته است. اطلاعات اولیه حاصل از پرتاب موشکها ، اشعه ایکس تابشی ناشی از خورشید ، ، خطوط طیفی لیمن ذره آلفا را نتیجه داده ‌است. با دستگاههای مجهزتر می‌توان طیف فیزیک امواج کوتاه خورشید را عکسبرداری کرد و اثر فوتوالکتریکی را با موشکها مشاهده کرد.

پدیده‌های بارز فیزیک فضا

فروغ آسمانی :آسمان شب سیاه کاملا تاریک نیست. ستارگان ، سیارات ، نور منطقه البروجی و ماه هر کدام سطح زمین را روشن می‌کنند. در عرضهای بالاتر شعله‌های شفق و سوسوزدن در سراسر آسمان وجود دارد و این پدیده‌ها بر حسب اقتضا در عرضهای متوسط زمین ظاهر می‌شوند. اتمسفر سیاره در پی این اثرات تابش می‌کند، که این تابش را فروغ آسمانی می‌گویند.

شفق قطبی :در عرض‌های بالای زمین ، آسمان شب گاهی به صورت ناگهانی و به شکل متحرک روشن می‌شود که این درخشش‌ها را شفق قطبی می‌گویند. این درخشش‌ها شفاف هستند و می‌توان ستارگان را از داخل آنها مشاهده کرد. اغلب درخشندگی آنها به اندازه‌ای است که با نور آنها می‌توان نوشته‌ای را مطالعه کرد. معمولا در هر شب روشن می‌توان شفق قطبی شمالی و شفق قطبی جنوبی را در آسمان مشاهده کرد.

طوفان مغناطیسی :اغلب در میدان مغناطیسی زمین یک تغییر ناگهانی ظاهر می‌گردد که این آشفتگی مغناطیسی به ‌عنوان طوفان مغناطیسی معروف است. فراوانی ظهور این طوفان به صورت مستقیم به دوره یازده ساله فعالیت خورشیدی مربوط است. با وجود این زمانی که یک شعله بزرگ خورشیدی ظاهر می‌شود، یک طوفان مغناطیسی با یک یا دو روز تاخیر شروع می‌شود.

کمربندهای تشعشعی زمین :در مورد پدیده‌های مربوطه به ذرات باردار موجود در جو زمین نظریه‌های گوناگونی به‌وسیله دانشمندان مختلف ارائه شده‌است. از جمله این افراد می‌توان به اشتورمر (Stormer) و بیرکلند (Birkeland) اشاره ‌کرد که بیشتر عمر خود را صرف مطالعه و مشاهدات شفق قطبی کردند. وان آلن و گروه پژوهشگر او با هدف مطالعه اشعه کیهانی کنتورهایی از نوع کایگرمولر را در ماهواره‌های خود تعبیه کردند. آنان توانستند مناطق تشعشعی از ذرات باردار را که در میدان مغناطیسی زمین به‌دام افتاده بودند، نشان دهند. این مناطق به کمربندهای تشعشعی وان آلن معروف شدند.

ارتباط فیزیک فضا با شاخه‌های دیگر فیزیک

شاخه‌های مختلف علم فیزیک را می‌توان مانند دانه‌های یک زنجیر تصور کرد که به صورت محکم به یکدیگر پیوند خورده‌اند، با این تفاوت که در برخی موارد مرز موجود میان این دانه‌ها به اندازه‌ای پیچیده است که به راحتی نمی‌توان آن را تشخیص داد. به ‌عنوان مثال فضای بالای سرمان توسط علوم مختلف فیزیک مانند نجوم ، کیهان شناسی ، اختر فیزیک ، مکانیک سماوی ، فیزیک هوا فضا ، فیزیک محیط زیست ، فیزیک نظری ، فیزیک مواد ، فیزیک هسته‌ای و ... مورد مطالعه قرار می‌گیرد. طبیعت امواج الکترومغناطیسی که خورشید به عنوان یک چشمه عظیم تولید این فیزیک امواج است، در فیزیک امواج و فیزیک رادیو بررسی می‌شود. هر کدام از این علوم ، فضا را از دیدگاه خاصی مورد توجه قرار می‌دهد.

ارتباط فیزیک فضا با علوم دیگر

تنها شاخه‌های مختلف علم فیزیک نیست که با فیزیک فضا ارتباط ناگسستنی دارند، بلکه علوم دیگر مانند زمین شناسی ، شیمی ، ریاضیات ، هوا فضا ، زیست شناسی و ... نیز به نوعی با فیزیک فضا در ارتباط هستند. به عنوان مثال ماهیت گازهای تشکیل‌دهنده اتمسفر در علم شیمی به تفضیل مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد.

آینده فیزیک فضا

یکی از مزایا و یا به بیان دیگر معایب علم بشری این است که همواره ناقص بوده و روز به روز در حال پیشرفت و تکامل است. عیب بودن از این لحاظ که ناقص است و مزیت بودن از این لحاظ که این نقص ، انسان را به تحرک و تحقیق وادار می‌کند و همین امر موجب پیشرفت در علوم مختلف می‌شود. فیزیک فضا نیز از این پیشرفت و ترقی مستثنی نمی‌باشد. شاید روزگاری تمام اطلاعات بشر از فضا محدود به چند نظریه و یا پیشگویی بود، اما امروزه با فرستادن انواع سفینه‌های فضایی و ماهواره‌ها به فضا ، اطلاعات بسیار درست و دقیقی از فضا در اختیار انسان قرار می‌گیرد.

منبع: گروه علمی نابغه های ایران