پاسخ به یک پرسش عجیب و غریب فضایی/ خورشید به این داغی، چرا فضا اینقدر سرد است؟

شاید تا به حال به این نکته فکر نکرده باشید که فضا تا چه حد سرد است؟ یا حرارت خورشید چقدر است؟ این‌ها سوالات خیلی جالبی هستند و جالب‌تر اینجاست که با علم به اینکه خورشید تا این حد داغ است، چرا باید فضا اینقدر سرد باشد؟

به گزارش خبرآنلاین به نقل از popsci، برخلاف زیستگاه ما، کره زمین، دما در منظومه‌شمسی حالتی افراطی دارد. دمای سطح خورشید به‌عنوان بمبی از گاز و آتش، در حدود ۵۵۴۰ درجه سانتیگراد است و هسته آن دمایی در حدود ۱۵.۰۰۰.۰۰۰ درجه سانتیگراد دارد. اما دمای پس‌زمینه کیهان، به‌طرز عجیبی سرد است و وقتی کمی از جو زمین دور می‌شوید، دما به ۲۷۰- درجه سانتیگراد می‌رسد.

این یک پارادوکس بزرگ است که در قسمتی از کهکشان که در همسایگی ماست، دما در حد انجماد است و خورشید، در مرکز منظومه شمسی، همیشه شعله‌ور! اگر خورشید اینقدر داغ است، پس چرا فضا تا این حد سرد است.

گرمای خورشید چطور به زمین می‌رسد؟

دلیلی منطقی برای این پرسش وجود دارد. حرارت و گرما در کهکشان از طریق تابش و تشعشع منتقل می‌شود؛ به‌صورت موج مادون قرمزی از انرژی که از اجسام داغ‌تر به سمت اجسام سردتر حرکت می‌کند.

این موج‌های تابشی، وقتی در تماس با مولکول‌ها قرار می‌گیرند، آن‌ها را تحریک کرده و باعث گرم‌شدن‌شان می‌شوند.

این دقیقا شیوه انتقال گرما از خورشید به زمین است؛ اما نکته اینجاست که این تابش فقط مولکول‌ها و هر آنچه مستقیما در مسیرش هست را گرم می‌کند و هر چیز دیگری سرد باقی می‌ماند.

طبق اعلام ناسا، مثلا کافی است سیاره عطارد را در نظر بگیرید؛ دمای شبانه در این سیاره حدود ۵۴۰ درجه سانتیگراد سردتر از طول روز و زمانی است که این سیاره در معرض مستقیم تابش نور خورشید قرار دارد.

حالا این را با زمین مقایسه کنید؛ حتی اگر در سایه هم باشید، هوای اطراف شما گرم می‌ماند؛ این اتفاق را حتی در تاریکی شب در برخی فصول نیز حس می‌کنید. این بدین خاطر است که حرارت در سیاره ما، به جای یک شیوه، از سه طریق حرکت می‌کند: انتقال، همرفت و تابش.

وقتی اشعه‌های آفتاب به مولکول‌های جو زمین برخورد کرده و آن‌ها را گرم می‌کنند، این مولکول‌ها انرژی مضاعف‌شان را به مولکول‌های اطراف منتقل می‌کنند. این مولکول‌ها، به همسایه‌های خود برخورد کرده و آن‌ها را گرم می‌کنند. این انتقال حرارت از یک مولکول به مولکولی دیگر، انتقال نامیده می‌شود و این یک واکنش زنجیره‌ای است که مناطقی که خارج از مسیر تابش آفتاب هستند را گرم می‌کند.

چرا فضا گرم نمی‌شود؟

فضا، در حقیقت یک خلاء بزرگ است؛ یعنی کاملا خالی است و مولکول‌های گاز در فضا آنقدر از یکدیگر دور هستند که عملا نمی‌توانند مرتبا با هم برخورد کنند. پس حتی وقتی که تابش خورشید، با امواج مادون قرمز این مولکول‌ها را گرم می‌کند، جابجایی این گرما از طریق انتقال ممکن نخواهد بود.

به صورت مشابه، همرفت (شیوه‌ای از انتقال حرارت که در حضور گرانش اتفاق می‌افتد) در پراکندگی گرما در سراسر زمین اهمیت بالایی دارد، ولی در فضا که گرانش صفر است، این اتفاق نیز رخ نمی‌دهد.

الیزابت آبل، مهندس حرارتی در پروژه دارت ناسا، هنگامی که تجهیزات فضایی را برای سفر‌های طولانی در فضا آماده می‌کند، به همه این مسائل می‌اندیشد. به گفته او، زمانی که بر روی کاوشگر خورشیدی پارکر کار می‌کرده، همه این مسائل در ذهنش می‌گشته.

همان‌طور که از نام این کاوشگر مشخص است، کاوشگر خورشیدی پارکر، بخشی از ماموریت ناسا برای مطالعه درباره خورشید است. این کاوشگر بر روی بیرونی‌ترین لایه جو خورشید که تاج نامیده می‌شود، قرار گرفته و داده‌ها را جمع‌آوری می‌کند. در آوریل سال ۲۰۲۱، این کاوشکر به فاصله ۱۰.۴۵۰.۰۰۰ کیلومتری خورشید رسید که نزدیک‌ترین فاصله‌ای بود که یک فضاپیما توانست به خورشید نزدیک شود. سپر حرارتی نصب شده برروی یک سمت از این کاوشگر، این امکان را برایش فراهم می‌کرد.

آبل در این باره گفت: «مسئولیت سپر حرارتی این بود که اطمینان حاصل کند که تابش‌های خورشیدی تحت هیچ شرایطی به کاوشگر برخورد نمی‌کند.» زمانی که سپر حرارتی به دمای بسیار بالایی می‌رسد، (حدود ۱۲۰ درجه سلسیوس)، دمای خود کاوشگر به‌مراتب پائین‌تر است (حدود ۱۵۰- درجه سلسیوس).

آبل که مهندس حرارتی پیشرو DART است (یک فضاپیمای کوچک که برای برخورد با یک سیارک طراحی شده بود تا آن را از مسیر خارج کند)، گام‌هایی عملی برای مدیریت دمای اعماق فضا بر می‌دارد.

تغییرات شدید دما بین فضا با دمایی بسیار پائین و گرمای جوشان خورشید، چالش‌های منحصر به فردی را ایجاد می‌کند. بخش‌هایی از این فضاپیما برای آنکه به اندازه کافی خنک بماند تا اتصال کوتاه ایجاد نشود، به اقدامات کمکی نیاز داشتند، ولی دیگر بخش‌ها، به عناصر گرمایشی نیاز داشتند تا به اندازه کافی گرم مانده تا بتوانند به عملکردشان ادامه دهند.

آماده شدن برای تغییرات دمایی صد‌ها درجه‌ای، شاید حیرت‌آور به نظر برسد، ولی این دقیقا همان چیزی است که در فضا اتفاق می‌افتد.

داستان عجیب و غریب واقعی در کره زمین در جریان است: در بین سرمای شدید و گرمای آتشین حاکم بر فضا، ما در سیاره‌ای زندگی می‌کنیم که جو آن، شرایط را به‌طرز حیرت‌آوری ملایم و باثبات نگه می‌دارد. دست کم در شرایط فعلی!