مقدمه
صریحا فیزیک درون سیارات را شاخه اى از ژئوفیزیک بدانیم لکن این علم قرابت زیادى با ژئوفیزیک زمین سخت دارد.ژئو فیزیک معمولا به دو معناى عام و خاص به کار مى رود.به معناى عام ژئوفیزیک شامل مطالعه فیزیک زمین در کلیه پدیده هاى وابسته مى باشد.از این رو هواشناسى و فیزیک جو،فیزیک اقیانوسها،مغناطیس کره زمین و پیرامون آن و دینامیک زمین را علاوه بر مطالعه پدیده هاى درونى مورد مطالعه قرار مى دهد.
اما به معناى خاص ژئوفیزیک در موردپدیده هاى فیزیکى درون زمین سخت سخن مى گوید و شامل شاخه هایى چون گرانى سنجی،لرزه شناسی،ژئوفیزیک، ژئو الکتریک،ژئودینامیک،فیزیک سنگ ،زمین گرمایى و. . . . مى شود. چنین تطابقى در مورد فیزیک سیارات نیز وجود دارد. فیزیک سیارات نیز به مفهوم کلى در مورد درون سیارات، اتمسفرومگنتوسفر آنها و نیز دینامیک سیارات(حرکت هاى مدارى ،وضعی،تقدیمى و. . . ) سخن مى گوید. لکن مطالعه پدیده هاى درون سیارات موضوع شاخه زمین شناسى سیارات(سیاره شناسى )مى باشد و استفاده از روشهاى فیزیکى در شناخت این پدیده ها موضوع فیزیک درون سیارات است. در همه موارد فوق روش کار بر اندازه گیرى میدان هاى فیزیکى (گرانی،مغناطیسى و. . .
) کار بر روى داده هاواطلاعات و تصحیح اندازه گیریها با توجه به دانسته هاى موجود و تجسس هاى آزمایشگاهى و نهایتا” تجزیه و تحلیل هاى فیزیکى بنا شده است. مطالعه دقیق این شاخه از نجوم،در وهله اول نیازمند شناخت نظریات مربوط به پیدایش منظومه شمسى است چرا که نوع شکل گیرى وتکامل منظومه خورشیدى در ساختار اجرام موجود در آن دخیل بوده است. بخصوص مواد درون این اجرام نتیجه نحوه تشکیل کل منظومه مى باشد. در یک تقسیم بندى غیر دقیق مى توان موضوعات اصلى فیزیک درون سیارات را با عنوانهاى زیر بیان نمود.
-فیزیک مواد تشکیل دهنده : مطالعه علت شکل گیرى سیاره،ساختار مواد،کانى ها و سنگ هاى سطحى یا درونى سیارات یا عناصر و گازهاى تشکیل آنها. براى مثال تحقیق راجع به این پرسش که چرا سیارات خاکى چگالى و ترکیب متفاوتى از سیارات مشترى گونه دارند. این امر مساله اختلاف در چگالى بین سیارات و نیز اختلاف چگالى بین عمق هاى یک سیاره را نیز شامل مى شود.تصویر درونى از موادتشکیل دهنده براى زمین از مطالعه گسیل امواج زلزله ناشى ازتکتونیک صفحه اى آن استنباط شده است وبراى ماه از مطالعه لرزه هاى کوچک حاصل از برخورد سنگ هاى آسمانى و براى سیارات و اقمار از روى تخمین هایى که از چگالى کلى سیاره در دست است تصویر درونى شکل گرفته.
-گرانى سنجی:هدف از این بخش مطالعات اندازه گیرى g (شتاب گرانش) براى سیارات است.
– گرماى درونی:مطالعه چشمه هاى گرمایى و گرادیان گرما در اعماق سیاره و علت آن که عمدتا” با واپاشى هاى هسته اى ومواد رادیواکتیو درون آنها مرتبط است و البته از دیدگاهى دیگر با گرماى اولیه سیاره در حال شکل گیرى وانرژى حاصل از آن.
– میدان مغناطیسى و الکتریکی:مطالعه و اندازه گیرى بزرگى و جهت میدان مغناطیسى درسیارات،دلیل وجود آنها،نقش دینامیک چرخشى سیاره و نیز جنس مواد درونى آن،تاثیر آنها بر مگنتوسفر سیارات،القاى الکتریکى سطحى ناشى از میدانهاى مغناطیسى و….
قوانین نیوتن در مورد گرانش
اساس روش هاى محاسبه شتاب گرانی،قانون گرانش نیوتن است
Fنیروى بین دو ذره باجرمهاى m,m’ وفاصله جدایى r ازیکدیگر مى باشد وG ثابت جهانى گرانش است.
ازقانون دوم نیوتن نیروى گرانى وارد بر جرمm برابر است با: F=mg
بنابراین از دو رابطه بالا بدست مى آید:
پس شتاب گرانى وارد بر جسم در روى سطح یک سیاره را مى توان از رابطه بالا بدست آورد.اما روابط بالا با فرض کروى بودن سیاره و عدم چرخش آن و همچنین شرایط ایده آل دیگرى بدست آمده است که عملا این شرایط برقرار نمى باشد و به یک یک آنها اشاره خواهد گردید.
چه عواملى مى توانند بر روى g محاسبه شده فوق تاثیر بگذارند:
الف . عرض جغرافیایى :
اگرسیاره کروى بودبدون چرخش وهمگن، آنگاه g درهمه عرضهاى جغرافیایی(صرفنظر از سایر عوامل )یکسان مى بود و لیکن چرخش سیاره به دور محورش سبب وجود نیرویى به نام نیروى گریز از مرکز(این نیرو درچارچوبهاى نالخت همچون زمین تعریف مى شود )میگردد. نیروى مذکور به فاصله بیشینه است. این نیرو نیز بیشترین مقدار خود را دارا مى باشد و درقطبین کمترین مقدار را به سبب کمینه بودن فاصله تامحور دوران دارد. نیروى گریز از مرکز سبب کاهش مقدار g میشود. برآیند نیروى گریز از مرکز(fe)ونیروى گرانش به سمت مرکززمین(fg) برروى جسم با جرم m ، نیرویى است تقریبا مماس بر سطح کره(R ).
این نیرو هنگامیکه سیاره هنوز شکل جامد به خود نگرفته بوده است وبه صورت توده مایع داغى بود،سبب حرکت سیال به سمت استوا گردیده است. به همین دلیل سیارات به ویژه زمین قطر استواى بیشترى نسبت به قطر قطبى شان دارند.
درسال1967 با فرمول بین المللى زیر براى انجام محاسبه مقدار گرانى در هر عرض جغرافیایى و با نادیده گرفتن سایر عوامل موثر بر g ازسطح مرجع زمین ارائه گردید.:
مقدار9.780318 مقدار گرانى در استواى زمین وθ عرض جغرافیایى مى باشد.پهن شدگى قطبین((fh از رابطه زیر بدست مى آید:
a شعاع استوایى وc شعاع قطبى مى باشد.براى مثال مقدار فوق براى زمین حدود است.اگر زمین کاملا کروى بود انتظار داشتیم که a=c باشد یعنى f h برابر صفر است.درشماره آینده به سایر عوامل موثر بر شتاب گرانیg خواهیم پرداخت.
تئورى اى براى توضیح تفاوت هاى بین سیاره زهره و زمین:
زهره (ونوس) ازدیرباز خواهر زمین شناخته شده است به دلیل شباهتهاى بین زمین و زهره. قطر آن%95 قطر زمین است و حجم آن%82 حجم زمین است وازدیگر سیاره ها مدارش به زمین نزدیکتر است. با وجود تمام شباهت ها تفاوت هاى زیادى بین زهره و زمین وجود دارد. در سیاره زهره و زمین هر دو مقدار کمى بخار آب در اتمسفر آنها وجود دارد. تمام آبى که در زهره وجود دارد در اتمسفر آن قرار دارد. سیاره ها بیشتر جوشان گازى است که در هنگام فعالیت آتشفشانى ابتدائى از درون آنها رها شده است. آتشفشان ها در زمین مقدارزیادى بخار آب و دى اکسید کربن رها مى کنندکه درست شبیه آتشفشانها در زهره است. با استدلال نظرى هر دو سیاره زمانى داراى آب و مقادیرى دى اکسید کربن در جو خود بوده اند.
بیشتر دى اکسید کربن روى زمین در اقیانوسها و صخره ها از قبیل سنگ هاى آهکى که در اقیانوس ها یافت مى شوند حل شده است. بهر حال زهره بخاطر موقعیت نزدیک آن نسبت به خورشید دماى سطحش بالاتر است. وتصور مى شود که مقدار محدودى اب (به صورت فشرده شده )به فرم مایع در آن وجود دارد. بنابراین دى اکسید کربن در جو باقى مى ماند. ابرهائى از بخار آب در میان مقدار زیادى دى اکسید کربن باعث اثرى مى شود که ما آن را فقط روى زمین در درجه هاى ملایم و ضعیف امتحان مى کنیم بنام “اثر گلخانه اى ” .
آیا تا به حال توجه کرده اید که سردترین شبهاى ما در زمین در زمانى رخ مى دهد که آسمان صاف است؟وقتى ما در هنگام شب آسمان ابرى داریم تفاوت بین درجه حرارت در روز و شب حداقل است.دلیلش این است که براى خنک شدن زمین در هنگام شب باید قسمتى از گرمایى را که در طول روز بدست آورده است به فضا بتاباند.نخستین زیان (اثر) گرما به شکل اشعه مادون قرمز اتفاق مى افتد.اشعه مادون قرمز نمى تواند از آب عبور کند بنابراین ابرها امواج مادون قرمز را به سمت زمین بازتاب مى کنند.بنابراین ابرها براى زمین تشکیل یک نوع پتو را مى دهند.
از دیر باز در تاریخ زمین و زهره در هر دو سیاره این اثر پوششى تجربه شده است. اما بخاطر درجه حرارت سیاره زهره مقدار بیشترى بخار آب نسبت به زمین دارد. بعلاوه زهره در جو خود مقدار زیادى دى اکسید کربن دارد که اشعه مادون قرمز را مات مى کند. از طرف دیگر دى اکسید کربن مانع عبور نور مرئى نمى شود بنابراین بیشتر نور مرئى به وسیله ابرهاى زهره بازتاب مى شوند. و قسمتى از آن از میان جو زهره عبور کرده و بوسیله سطح جذب شده و باعث گرم شدن سطح مى شود. در بالاى اتمسفر زهره اشعه مافوق بنفش از خورشید آب را به مواد تشکیل دهنده اش یعنى اکسیژن و هیدروژن مى شکند. هیدروژن از سیاره فرار کرده واکسیژن با دیگر عناصر موجود در جو ترکیب مى شود.
مقدار زیادى دى اکسید کرین در جو باقى مى ماند که به عمل خود با به دام انداختن اشعه مادون قرمز ادامه مى دهد.
قسمت گرمتر سیاره ونوس به دلیل وجود دى اکسید کربن در اتمسفر آن مقدار زیادى اشعه مادون قرمز منتشر شده را مى گیرد . به هرحال بیشتر تشعشعات نمى توانند فرار کنند بنابراین گرم شدن سیاره ادامه پیدا مى کند دماى زیاد سطح ونوس مقدار دى اکسید کربن خار ج صخره هاى سطحى را مى پزد. بنابراین واکنش زنجیر وار باعث گرم شدن سطح ورها شدن مقدار بیشترى دى اکسید کربن مى شود. گرم شدن سیاره به طور حتم براى همیشه ادامه پیدا نمى کند مقدارى از انرژى خورشیدى جذب شده بوسیله زهره پایدار مى شود. این در حالى است که قسمتى از انرژى که رها مى شودباعث بالا رفتن دماى سیاره مى شود.
بنابراین گرم شدن سیاره زهره ادامه پیدا مى کند تا هنگامى که مقدار انرژى که سیاره را ترک مى کند مساوى مقدار انرژى شودکه به آن اثابت مى کند در این حال موازنه (تعادل ) برقرار مى شود.
در ادامه این بحث بنا داریم چگونگى ثبت تصویر از ماه و مناظر زمینی- مقارنه و اختفاهای سیارات و ستارگان با ماه وهمچنین ماه گرفتگی(خسوف)کامل و ناقص را مورد بررسی قرار دهیم.