چرا در فضا هوا سرد است

با وجود دمای بسیار بالای خورشید، دلیل سردی فضای بیرون از زمین چیست؟ این یک سوال بسیار خوب است که یک پاسخ تقریبا ساده دارد. برخلاف زیستگاه معتدل ما در زمین، منظومه شمسی پر از دماهای بسیار بالا و بسیار پایین است. خورشید توده عظیمی از گاز و آتش است که دمای هسته آن 15 میلیون درجه سانتیگراد و مساحت آن 5500 درجه است. اما دمای فضای منظومه شمسی، یعنی دمایی که پس از عبور از جو زمین به آن می رسیم، تقریباً منفی 270 درجه سانتی گراد است. ولی چطور این ممکن است؟

دما در کیهان با تابش منتقل می شود، یعنی یک موج مادون قرمز از اجسام گرمتر به اجسام سردتر می رسد. این موج به مولکول ها برخورد کرده و باعث گرم شدن آنها می شود. زمین نیز به همین ترتیب گرمای خود را از خورشید می گیرد، اما نکته مهم بین این دو، نحوه گرم شدن مولکول ها است. در روش تابش فقط مولکول هایی که مستقیماً در مسیر تابش قرار دارند گرم می شوند و سایر نواحی خنک می مانند. به عنوان مثال، طبق اطلاعات منتشر شده توسط ناسا، شب های سیاره عطارد حدود 540 درجه سردتر از دمای قسمت های عقبی است که در معرض خورشید قرار دارند.

اما بر خلاف عطارد، روی زمین وقتی در سایه هستیم یا حتی در شب های تابستان، هوای اطراف ما گرم است. علت این پدیده نحوه انتقال گرما به سیاره آبی ماست. گرما در زمین به سه طریق انتقال می یابد: همرفت، هدایت و تابش. هنگامی که تابش خورشیدی مولکول های موجود در جو زمین را گرم می کند، این مولکول ها انرژی اضافی را به مولکول های اطراف خود منتقل می کنند. به این روش انتقال حرارت بین مولکول ها رسانایی می گویند که به عنوان یک واکنش زنجیره ای می تواند فضای اطراف مسیر مستقیم تابش خورشید را نیز گرم کند.

اما در خارج از جو زمین خلاء وجود دارد و این دلیل اصلی سرد بودن فضاست. مولکول های گاز در فضا تعداد بسیار کمی دارند و به دلیل فاصله زیاد بین آنها نمی توانند با یکدیگر برخورد کنند. به همین دلیل، هنگامی که این مولکول ها توسط موج مادون قرمز خورشید گرم می شوند، رسانایی رخ نمی دهد. علاوه بر این، انتقال گرما از طریق همرفت همچنین باعث انتشار گرما در سطح زمین می شود، در حالی که همرفت در فضای خارج از سیاره ما که گرانش وجود ندارد امکان پذیر نیست.

کاوشگر خورشیدی پارکر

کاوشگر خورشیدی پارکر

نکات فوق مسائلی است که مهندسان تیم پروژه DART (DART) و کاوشگر خورشیدی پارکر ناسا باید به آن توجه کنند. همانطور که از نام این کاوشگر پیداست، پارکر بخشی از ماموریت ناسا برای مطالعه خورشید است. این کاوشگر اطلاعاتی را از بیرونی ترین لایه خورشید به نام تاج جمع آوری می کند. در آوریل 2019، پارکر به فاصله 24 میلیون کیلومتری از این جهنم سوزان رسید، که کمترین مسافتی است که تا به حال توسط یک وسیله نقلیه ساخته دست بشر به آن رسیده است. سپرهای حرارتی این فضاپیما که در یک طرف قرار گرفته اند این مطالعه را امکان پذیر کرده است.

به گفته الیزابت آبل، مهندس حرارتی پروژه دارت، عملکرد این سپرهای حرارتی جلوگیری از تابش خورشید به فضاپیما است. بنابراین وقتی این سپرها با دمای 120 درجه سانتیگراد روبرو می شوند، بدنه فضاپیما دمایی نزدیک به منفی 115 درجه دارد.

خانم آبل به عنوان مهندس ارشد پروژه DART باید از روش های عملی برای مدیریت دمای فضا استفاده کند. اختلاف دمای زیاد بین اتاق‌هایی که در فضای خالی قرار دارند و مناطقی که در معرض نور مستقیم خورشید هستند، چالشی جدی برای این پروژه است. برخی از قسمت های فضاپیما باید به اندازه کافی خنک شوند تا مدارها به هم متصل نشوند و سایر قسمت ها باید تا حد زیادی گرم شوند تا عملکرد خود را حفظ کنند.

آماده کردن یک دستگاه برای کار در دماهای بسیار بالا یا بسیار پایین ممکن است غیرممکن به نظر برسد، اما به هر حال شرایط در فضا همین است. در این میان، زمین مورد عجیبی است. در میان بخش های بسیار گرم و بسیار سرد منظومه شمسی، این جو سیاره ما بود که درجه حرارت را به طرز شگفت انگیزی معتدل نگه داشت.

بیشتر بخوانید: اکتشافات جدید در نیمه پنهان ماه

امتیاز: 4.4 از 5 (7 رای)

کمی صبر کنم…

شاید هرگز به سرد بودن فضا فکر نکرده باشید؟ یا خورشید چقدر داغ است؟ اینها سوالات بسیار جالبی هستند و جالبتر این است که بدانیم خورشید بسیار داغ است، چرا فضا باید اینقدر سرد باشد؟

بر اساس گزارش آنلاین به نقل از popsci، برخلاف خانه ما، زمین، دمای منظومه شمسی بسیار زیاد است. به عنوان یک بمب گازی و آتشین دمای سطح خورشید حدود 5540 درجه سانتیگراد است و دمای هسته آن در حدود 15000000 درجه سانتیگراد است. اما دمای پس زمینه کیهان به طرز وحشتناکی سرد است و با دور شدن از جو زمین، دما به 270- درجه سانتیگراد می رسد.

این یک پارادوکس بزرگ است که در بخشی از کهکشان که در مجاورت ما قرار دارد، دما در نقطه انجماد است و خورشید در مرکز منظومه شمسی هنوز در حال سوختن است! اگر خورشید خیلی داغ است، چرا فضا اینقدر سرد است؟

گرمای خورشید چگونه به زمین می رسد؟

این سوال یک دلیل منطقی دارد. گرما توسط تابش به کهکشان منتقل می شود. مانند موجی از انرژی مادون قرمز که از اجسام گرمتر به اجسام سردتر منتقل می شود.

هنگامی که این امواج تابشی با مولکول ها تماس پیدا می کنند، آنها را تحریک می کنند و باعث گرم شدن آنها می شوند.

این دقیقاً نحوه انتقال گرما از خورشید به زمین است. اما واقعیت این است که این تابش فقط مولکول ها و هر چیزی را که مستقیماً در مسیر خود قرار دارد گرم می کند و بقیه چیزها سرد می ماند.

به عنوان مثال، طبق گفته ناسا، فقط سیاره عطارد را در نظر بگیرید. دمای شب در این سیاره حدود 540 درجه سانتیگراد سردتر از روزی است که سیاره در معرض نور مستقیم خورشید قرار دارد.

اکنون آن را با زمین مقایسه کنید. حتی اگر در سایه باشید، هوای اطراف شما گرم می ماند. شما می توانید این اتفاق را حتی در تاریکی شب در فصول خاصی احساس کنید. در واقع، گرما در سیاره ما به جای یک راه، به سه طریق حرکت می کند: رسانایی، همرفت و تابش.

هنگامی که پرتوهای خورشید به مولکول های جو زمین برخورد می کند و آنها را گرم می کند، این مولکول ها انرژی مضاعف خود را به مولکول های اطراف منتقل می کنند. این مولکول ها به همسایگان خود ضربه می زنند و آنها را گرم می کنند. این انتقال گرما از یک مولکول به مولکول دیگر، همرفت نامیده می شود و این یک واکنش زنجیره ای است که مناطق دور از اشعه خورشید را گرم می کند.

چرا فضا گرم نمی شود؟

فضا در واقع یک خلأ بزرگ است. این بدان معنی است که کاملاً خالی است و مولکول های گاز در فضا آنقدر از هم دور هستند که به سختی می توانند مرتباً با هم برخورد کنند. بنابراین، حتی زمانی که تابش خورشید این مولکول ها را با امواج مادون قرمز گرم می کند، انتقال این گرما از طریق انتقال امکان پذیر نخواهد بود.

به طور مشابه، همرفت (روشی برای انتقال حرارت که در حضور گرانش اتفاق می‌افتد) در توزیع گرما در سراسر زمین بسیار مهم است، اما در فضا که گرانش صفر است، اتفاق نمی‌افتد.

الیزابت آبل، مهندس حرارتی پروژه دارت ناسا، در حالی که تجهیزات فضایی را برای سفرهای فضایی طولانی آماده می کند، به همه این چیزها فکر می کند. به گفته خودش، زمانی که روی کاوشگر خورشیدی پارکر کار می کرد، تمام این سوالات در ذهنش بود.

همانطور که از نامش پیداست، کاوشگر خورشیدی پارکر بخشی از ماموریت ناسا برای مطالعه خورشید است. این کاوشگر بر روی خارجی ترین لایه جو خورشید به نام تاج می نشیند و داده ها را جمع آوری می کند. در آوریل 2021، کاوشگر به فاصله 10 میلیون و 450 هزار کیلومتری از خورشید رسید که نزدیکترین فضاپیما به خورشید است. سپر حرارتی نصب شده در یک طرف این کاوشگر این امکان را ارائه می دهد.

آبل گفت: “مسئولیت سپر حرارتی این بود که اطمینان حاصل کند که تشعشعات خورشیدی تحت هیچ شرایطی به کاوشگر برخورد نمی کند.” هنگامی که سپر حرارتی به دمای بسیار بالایی می رسد (حدود 120 درجه سانتیگراد)، دمای خود کاوشگر بسیار کمتر است (حدود -150 درجه سانتیگراد).

آبل به عنوان مهندس حرارتی پیشرو برای DART (یک فضاپیمای کوچک طراحی شده برای برخورد با یک سیارک و از مسیر خارج کردن آن)، گام های عملی برای مقابله با دمای اعماق فضا برمی دارد.

تغییرات شدید دمایی بین دمای بسیار پایین فضا و گرمای جوشان خورشید چالش های منحصر به فردی را ایجاد می کند. برخی از قسمت‌های فضاپیما به اقدامات کمکی برای خنک ماندن به اندازه کافی برای جلوگیری از اتصال کوتاه نیاز داشتند، اما سایر قسمت‌ها برای ادامه کار به عناصر گرمایشی نیاز داشتند تا به اندازه کافی گرم بمانند.

آماده شدن برای تغییرات دمایی چند صد درجه ممکن است شگفت آور به نظر برسد، اما این دقیقاً همان چیزی است که در فضا اتفاق می افتد.

یک داستان واقعاً عجیب اینجا روی زمین در جریان است: بین سرمای شدید و گرمای شدید فضا، ما در سیاره‌ای زندگی می‌کنیم که جو آن همه چیز را به طرز شگفت‌آوری صاف و پایدار نگه می‌دارد. حداقل در شرایط فعلی!