فیزیك فضا (Space Physics)
فیزیك فضا (Space Physics)
انسان كنجكاو 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 ، تلسكوپهای گوناگون از جمله ابزار و وسایلی هستند كه در این راستا توسط انسان ایجاد شده‌اند.
فیزیك فضا یكی از این شاخه‌های علم فیزیك است كه تا اندازه‌ای پاسخگوی هزاران سوال موجود در ذهن بشر در مورد فضا می‌باشد. بخشی از فیزیك فضا كه در آن اجرام آسمانی مورد مطالعه قرار می‌گیرد، مكانیك سماوی است. در این بخش نیروهای موثر بر حركت اجسامی نظیر سیارات ، ماهواره‌ها و پروپهای مصنوعی مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
قوانین كپلر
در سال ۱۶۱۹ ، كپلر در مورد حركت سیارات سه قانون اساسی خود را با استفاده از مشاهدات تیكو براهه بیان كرد. قوانین كپلر كه پایه و اساس قوانین نیوتن و مكانیك كلاسیك برای حركت سیارات است، عبارتند از :
- حركت سیارات به دور خورشید در یك مدار بیضوی انجام می‌گیرد كه خورشید در یكی از كانونهای آن بیضی قرار دارد.
- مدار یك سیاره به دور خورشید ، سطحی را تشكیل می‌دهد كه این سطح جاروب شده توسط خط واصل بین سیاره و خورشید با زمان حركت سیاره نسبت مستقیم دارد.
- نسبت بین مربع دوره تناوب گردش هر سیاره و مكعب نصف محور بزرگ مدار بیضوی ، در مورد هر سیاره منظومه شمسی عدد یكسانی است.
فیزیك اتمسفر
فیزیك فضا یك علم بسیار جدید است. با وجود این یك تكنولوژی مهم سبب حل بسیاری از ناشناخته‌های قبلی بوده است. محیط ، فضایی از اندركنش‌های زیادی مانند نیروی گرانشی ، ماگنتواستاتیك ، الكترواستاتیك ، الكترومغناطیس و … ، نسبت به زمان تغییرات مهمی را نشان می‌دهد كه طبیعت تركیب و توزیع ماده ، دمای گاز بین ستاره‌ای را تغییر می‌دهد.
در فیزیك اتمسفر پارامترهای مهم معین در هر نقطه از اتمسفر مانند فشار ، چگالی ، دما ، میدان مغناطیسی زمین ، میدان الكتریكی ، تابش الكترومغناطیسی موجود در اتمسفر ، ذرات باردار و شهاب سنگها مورد مطالعه قرار می‌گیرند.
برهمكنش 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 شركت می‌كند. در اثر این فرایندها قسمت اعظمی از تابش خورشیدی كه برای انسان و موجودات زنده زیان آور است، جذب می‌گردند. تعدادی از این پدیده‌های برهمكنشی عبارتنداز :
- جذب تابش در اتمسفر :
در اتمسفر زمین عناصری مانند اوزن ، اكسیژن ، ازت ، هلیوم ، گاز كربنیك ، هیدروژن و گازهای دیگر وجود دارد. همچنین می‌دانیم كه امواج الكترومغناطیسی از ذراتی به نام فوتون تشكیل شده‌اند. این فوتونها بعد از گسیل از خورشید توسط عناصر موجود در جو زمین تحت فرایندهای مختلف مانند پدیده فوتوالكتریك ، اثر كامپتون و … جذب می‌شوند.
-پدیده یونش :
در اثر برهمكنش فوتون با گازهای موجود در جو زمین ، این گازها یونیزه می‌شوند. اتمهای یونیزه دوباره در اثر برخورد با الكترونهای موجود در اتمسفر در فرایند تركیب مجدد شركت می‌كنند. این فرایندها همچنین در جو زمین انجام می‌شوند. یكی از نتایج این فرایندها ایجاد پلاسما در اتمسفر می‌باشد.
تابش فیزیك امواج كوتاه خورشیدی
اكنون تكنولوژی پژوهشهای فضایی توسعه یافته است و اطلاعات غیر مستقیم تابش خورشیدی كه موجب یونش می‌شوند، به حد كافی مورد مطالعه قرار گرفته است. اطلاعات اولیه حاصل از پرتاب موشكها ، اشعه ایكس تابشی ناشی از خورشید ، ، خطوط طیفی لیمن ذره آلفا را نتیجه داده است. با دستگاههای مجهزتر می‌توان طیف فیزیك امواج كوتاه خورشید را عكسبرداری كرد و اثر فوتوالكتریكی را با موشكها مشاهده كرد.
پدیده‌های بارز فیزیك فضا
-فروغ آسمانی :
آسمان شب سیاه كاملا تاریك نیست. ستارگان ، سیارات ، نور منطقه البروجی و ماه هر كدام سطح زمین را روشن می‌كنند. 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 می‌كند، كه این تابش را فروغ آسمانی می‌گویند.
- شفق قطبی :
در عرضهای بالای زمین ، آسمان شب گاهی به صورت ناگهانی و به شكل متحرك روشن می‌شود كه این درخشش‌ها را شفق قطبی می‌گویند. این درخشش‌ها شفاف هستند و می‌توان ستارگان را از داخل آنها مشاهده كرد. اغلب درخشندگی آنها به اندازه‌ای است كه با نور آنها می‌توان نوشته‌ای را مطالعه كرد. معمولا در هر شب روشن می‌توان شفق قطبی شمالی و شفق قطبی جنوبی را در آسمان مشاهده كرد.
- طوفان مغناطیسی :
اغلب در میدان مغناطیسی زمین یك تغییر ناگهانی ظاهر می‌گردد كه 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 كه یك شعله بزرگ خورشیدی ظاهر می‌شود، یك طوفان مغناطیسی با یك یا دو روز تاخیر شروع می‌شود.
- كمربندهای 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 بیركلند (Birkeland) اشاره كرد كه بیشتر عمر خود را صرف مطالعه و مشاهدات شفق قطبی كردند. وان آلن و گروه پژوهشگر او با هدف مطالعه اشعه كیهانی كنتورهایی از نوع كایگرمولر را در ماهواره‌های خود تعبیه كردند. آنان توانستند مناطق تشعشعی از ذرات باردار را كه در میدان مغناطیسی زمین به‌دام افتاده بودند، نشان دهند. این مناطق به كمربندهای تشعشعی وان آلن معروف شدند.
ارتباط فیزیك فضا با شاخه‌های دیگر فیزیك
شاخه‌های مختلف علم فیزیك را می‌توان مانند دانه‌های یك زنجیر تصور كرد كه به صورت محكم به یكدیگر پیوند خورده‌اند، با این تفاوت كه در برخی موارد مرز موجود میان این دانه‌ها به اندازه‌ای پیچیده است كه به راحتی نمی‌توان آن را تشخیص داد. به عنوان مثال فضای بالای سرمان توسط علوم مختلف فیزیك مانند نجوم ، كیهان شناسی ، اختر فیزیك ، مكانیك سماوی ، فیزیك هوا فضا ، فیزیك محیط زیست ، فیزیك نظری ، فیزیك مواد ، فیزیك هسته‌ای و … مورد مطالعه قرار می‌گیرد. طبیعت امواج الكترومغناطیسی كه خورشید به عنوان یك چشمه عظیم تولید این فیزیك امواج است، در فیزیك امواج و فیزیك رادیو بررسی می‌شود. هر كدام از این علوم ، فضا را از دیدگاه خاصی مورد توجه قرار می‌دهد.
ارتباط فیزیك فضا با علوم دیگر
تنها شاخه‌های مختلف علم فیزیك نیست كه با فیزیك فضا ارتباط ناگسستنی دارند، بلكه علوم دیگر مانند زمین شناسی ، شیمی ، ریاضیات ، هوا فضا ، زیست شناسی و … نیز به نوعی با فیزیك فضا در ارتباط هستند. به عنوان مثال ماهیت گازهای تشكیل‌دهنده اتمسفر در علم شیمی به تفضیل مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد.
آینده فیزیك فضا
یكی از مزایا و یا به بیان دیگر معایب علم بشری این است كه همواره ناقص بوده و روز به روز در حال پیشرفت و تكامل است. عیب بودن از این لحاظ كه ناقص است و مزیت بودن از این لحاظ كه این نقص ، انسان را به تحرك و تحقیق وادار می‌كند و همین امر موجب پیشرفت در علوم مختلف می‌شود. فیزیك 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.
