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. انواع ماهواره های فضایی ، سفینه های فضایی ، تلسکوپهای گوناگون از جمله ابزار و وسایلی هستند که در این راستا توسط انسان ایجاد شده اند.فیزیک فضا یکی از این شاخه های علم فیزیک است که تا اندازه ای پاسخگوی هزاران سوال موجود در ذهن بشر در مورد فضا می باشد. بخشی از فیزیک فضا که در آن اجرام آسمانی مورد مطالعه قرار می گیرد، مکانیک سماوی است. در این بخش نیروهای موثر بر حرکت اجسامی نظیر سیارات ، ماهواره ها و پروپهای مصنوعی مورد مطالعه قرار می گیرد.
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 می گیرد که خورشید در یکی از کانونهای آن بیضی قرار دارد.مدار یک سیاره به دور خورشید ، سطحی را تشکیل می دهد 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 ناشناخته های قبلی بوده است. محیط ، فضایی از اندرکنش های زیادی مانند نیروی گرانشی ، ماگنتواستاتیک ، الکترواستاتیک ، الکترومغناطیس و … ، نسبت به زمان تغییرات مهمی را نشان می دهد که طبیعت ترکیب و توزیع ماده ، دمای گاز بین ستاره ای را تغییر می دهد.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 می گیرند.
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 می کند. در اثر این فرایندها قسمت اعظمی از تابش خورشیدی که برای انسان و موجودات زنده زیان آور است، جذب می گردند. تعدادی از این پدیده های برهمکنشی عبارتنداز :
جذب تابش در اتمسفر :در اتمسفر زمین عناصری مانند اوزن ، اکسیژن ، ازت ، هلیوم ، گاز کربنیک ، هیدروژن و گازهای دیگر وجود دارد. همچنین می دانیم که امواج الکترومغناطیسی از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده اند. این فوتونها بعد از گسیل از خورشید توسط عناصر موجود در جو زمین تحت فرایندهای مختلف مانند پدیده فوتوالکتریک ، اثر کامپتون و … جذب می شوند.
پدیده یونش :در اثر برهمکنش فوتون با گازهای موجود در جو زمین ، این گازها یونیزه می شوند. اتمهای یونیزه دوباره در اثر برخورد با الکترونهای موجود در اتمسفر در فرایند ترکیب مجدد شرکت می کنند. این فرایندها همچنین در جو زمین انجام می شوند. یکی از نتایج این فرایندها ایجاد پلاسما در اتمسفر می باشد.
تابش فیزیک امواج کوتاه خورشیدی
اکنون تکنولوژی پژوهشهای فضایی توسعه یافته است و اطلاعات غیر مستقیم تابش خورشیدی که موجب یونش می شوند، 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 می توان طیف فیزیک امواج کوتاه خورشید را عکسبرداری کرد و اثر فوتوالکتریکی را با موشکها مشاهده کرد.
پدیده های بارز فیزیک فضا
فروغ آسمانی :آسمان شب سیاه کاملا تاریک نیست. ستارگان ، سیارات ، نور منطقه البروجی و ماه هر کدام سطح زمین را روشن می کنند. در عرضهای بالاتر شعله های شفق و سوسوزدن در سراسر آسمان وجود دارد و این پدیده ها بر حسب اقتضا در عرضهای متوسط زمین ظاهر می شوند. اتمسفر سیاره در پی این اثرات تابش می کند، که این تابش را فروغ آسمانی می گویند.
شفق قطبی :در عرض های بالای زمین ، آسمان شب گاهی به صورت ناگهانی و به شکل متحرک روشن می شود که این درخشش ها را شفق قطبی می گویند. این درخشش ها شفاف هستند و می توان ستارگان را از داخل آنها مشاهده کرد. اغلب درخشندگی آنها به اندازه ای است که با نور آنها می توان نوشته ای را مطالعه کرد. معمولا در هر شب روشن می توان شفق قطبی شمالی و شفق قطبی جنوبی را در آسمان مشاهده کرد.
طوفان مغناطیسی :اغلب در میدان مغناطیسی زمین یک تغییر ناگهانی ظاهر می گردد 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 می شود، یک طوفان مغناطیسی با یک یا دو روز تاخیر شروع می شود.
کمربندهای تشعشعی زمین :در مورد پدیده های مربوطه به ذرات باردار موجود در جو زمین نظریه های گوناگونی به وسیله دانشمندان مختلف ارائه شده است. از جمله این افراد می توان 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 ماهواره های خود تعبیه کردند. آنان توانستند مناطق تشعشعی از ذرات باردار را که در میدان مغناطیسی زمین به دام افتاده بودند، نشان دهند. این مناطق به کمربندهای تشعشعی وان آلن معروف شدند.
ارتباط فیزیک فضا با شاخه های دیگر فیزیک
شاخه های مختلف علم فیزیک را می توان مانند دانه های یک زنجیر تصور کرد که به صورت محکم به یکدیگر پیوند خورده اند، با این تفاوت که در برخی موارد مرز موجود میان این دانه ها به اندازه ای پیچیده است که به راحتی نمی توان 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 هسته ای و … مورد مطالعه قرار می گیرد. طبیعت امواج الکترومغناطیسی که خورشید به عنوان یک چشمه عظیم تولید این فیزیک امواج است، در فیزیک امواج و فیزیک رادیو بررسی می شود. هر کدام از این علوم ، فضا را از دیدگاه خاصی مورد توجه قرار می دهد.
ارتباط فیزیک فضا با علوم دیگر
تنها شاخه های 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 تشکیل دهنده اتمسفر در علم شیمی به تفضیل مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد.
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 می کند و همین امر موجب پیشرفت در علوم مختلف می شود. فیزیک فضا نیز از این پیشرفت و ترقی مستثنی نمی باشد. شاید روزگاری تمام اطلاعات بشر از فضا محدود به چند نظریه و یا پیشگویی بود، اما امروزه با فرستادن انواع سفینه های فضایی و ماهواره ها به فضا ، اطلاعات بسیار درست و دقیقی از فضا در اختیار انسان قرار می گیرد.
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 می گیرد که خورشید در یکی از کانونهای آن بیضی قرار دارد.مدار یک سیاره به دور خورشید ، سطحی را تشکیل می دهد 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 ناشناخته های قبلی بوده است. محیط ، فضایی از اندرکنش های زیادی مانند نیروی گرانشی ، ماگنتواستاتیک ، الکترواستاتیک ، الکترومغناطیس و … ، نسبت به زمان تغییرات مهمی را نشان می دهد که طبیعت ترکیب و توزیع ماده ، دمای گاز بین ستاره ای را تغییر می دهد.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 می گیرند.
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 می کند. در اثر این فرایندها قسمت اعظمی از تابش خورشیدی که برای انسان و موجودات زنده زیان آور است، جذب می گردند. تعدادی از این پدیده های برهمکنشی عبارتنداز :
جذب تابش در اتمسفر :در اتمسفر زمین عناصری مانند اوزن ، اکسیژن ، ازت ، هلیوم ، گاز کربنیک ، هیدروژن و گازهای دیگر وجود دارد. همچنین می دانیم که امواج الکترومغناطیسی از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده اند. این فوتونها بعد از گسیل از خورشید توسط عناصر موجود در جو زمین تحت فرایندهای مختلف مانند پدیده فوتوالکتریک ، اثر کامپتون و … جذب می شوند.
پدیده یونش :در اثر برهمکنش فوتون با گازهای موجود در جو زمین ، این گازها یونیزه می شوند. اتمهای یونیزه دوباره در اثر برخورد با الکترونهای موجود در اتمسفر در فرایند ترکیب مجدد شرکت می کنند. این فرایندها همچنین در جو زمین انجام می شوند. یکی از نتایج این فرایندها ایجاد پلاسما در اتمسفر می باشد.
تابش فیزیک امواج کوتاه خورشیدی
اکنون تکنولوژی پژوهشهای فضایی توسعه یافته است و اطلاعات غیر مستقیم تابش خورشیدی که موجب یونش می شوند، 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 می توان طیف فیزیک امواج کوتاه خورشید را عکسبرداری کرد و اثر فوتوالکتریکی را با موشکها مشاهده کرد.
پدیده های بارز فیزیک فضا
فروغ آسمانی :آسمان شب سیاه کاملا تاریک نیست. ستارگان ، سیارات ، نور منطقه البروجی و ماه هر کدام سطح زمین را روشن می کنند. در عرضهای بالاتر شعله های شفق و سوسوزدن در سراسر آسمان وجود دارد و این پدیده ها بر حسب اقتضا در عرضهای متوسط زمین ظاهر می شوند. اتمسفر سیاره در پی این اثرات تابش می کند، که این تابش را فروغ آسمانی می گویند.
شفق قطبی :در عرض های بالای زمین ، آسمان شب گاهی به صورت ناگهانی و به شکل متحرک روشن می شود که این درخشش ها را شفق قطبی می گویند. این درخشش ها شفاف هستند و می توان ستارگان را از داخل آنها مشاهده کرد. اغلب درخشندگی آنها به اندازه ای است که با نور آنها می توان نوشته ای را مطالعه کرد. معمولا در هر شب روشن می توان شفق قطبی شمالی و شفق قطبی جنوبی را در آسمان مشاهده کرد.
طوفان مغناطیسی :اغلب در میدان مغناطیسی زمین یک تغییر ناگهانی ظاهر می گردد 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 می شود، یک طوفان مغناطیسی با یک یا دو روز تاخیر شروع می شود.
کمربندهای تشعشعی زمین :در مورد پدیده های مربوطه به ذرات باردار موجود در جو زمین نظریه های گوناگونی به وسیله دانشمندان مختلف ارائه شده است. از جمله این افراد می توان 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 ماهواره های خود تعبیه کردند. آنان توانستند مناطق تشعشعی از ذرات باردار را که در میدان مغناطیسی زمین به دام افتاده بودند، نشان دهند. این مناطق به کمربندهای تشعشعی وان آلن معروف شدند.
ارتباط فیزیک فضا با شاخه های دیگر فیزیک
شاخه های مختلف علم فیزیک را می توان مانند دانه های یک زنجیر تصور کرد که به صورت محکم به یکدیگر پیوند خورده اند، با این تفاوت که در برخی موارد مرز موجود میان این دانه ها به اندازه ای پیچیده است که به راحتی نمی توان 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 هسته ای و … مورد مطالعه قرار می گیرد. طبیعت امواج الکترومغناطیسی که خورشید به عنوان یک چشمه عظیم تولید این فیزیک امواج است، در فیزیک امواج و فیزیک رادیو بررسی می شود. هر کدام از این علوم ، فضا را از دیدگاه خاصی مورد توجه قرار می دهد.
ارتباط فیزیک فضا با علوم دیگر
تنها شاخه های 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 تشکیل دهنده اتمسفر در علم شیمی به تفضیل مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد.
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 می کند و همین امر موجب پیشرفت در علوم مختلف می شود. فیزیک فضا نیز از این پیشرفت و ترقی مستثنی نمی باشد. شاید روزگاری تمام اطلاعات بشر از فضا محدود به چند نظریه و یا پیشگویی بود، اما امروزه با فرستادن انواع سفینه های فضایی و ماهواره ها به فضا ، اطلاعات بسیار درست و دقیقی از فضا در اختیار انسان قرار می گیرد.