کیهان شناسی (Cosmology)

نگاه اجمالی

مطالعه کائنات از زمین و آسمان و خورشید آغاز شد. انسانهای دوره ما قبل علم عقیده داشتند که در مرکز جهان هستند و خورشید و سایر سیارات به گرد زمین مرکزی می‌گردند. کپرنیک مرکز عالم را در نزدیکی خورشید فرض کرد که زمین نیز همراه سایر سیارات به گرد آن می‌چرخد. گالیله هم به کمک تلسکوپ خود واقعیاتی را جهت نظام جهانی پیشنهادی کپرنیک کشف کرد.

کپلر ، اسحاق نیوتن ، … کائنات را فراتر از گذشته گسترش دادند و درگیری با مسایل کیهانی ادامه داشت تا اینکه آلبرت انیشتین در 1915 با ارائه نظریه نسبیت عام نشان داد که فضا و ماه محدود ، ولی نامحصور است که می‌تواند منبسط یا منقبض شود. او کائنات را دارای تاریخ دانست. در این دوره که به دوره کیهانی معروف شده فکر بشر معطوف به گذشته جهان شد و دانشمندان در سراسر جهان اکنون در فکر پاسخ به این سوالات هستند که :

• جهان در گذشته چگونه بوده است؟
• آینده جهان چه خواهد بود؟
• فرآیند تکوین کیهان تا کی ادامه خواهد یافت؟ و …

علم کیهان شناسی

کیهان شناسی شاخه‌ای از علم ستاره شناسی است که به مطالعه آغاز ساختار کلی و تکاملی جهان می‌پردازد. ستاره شناسان با استفاده از علم ریاضی‏‏‏‏ الگوهایی فرضی از جهان ساخته و مشخصات این الگوها را با جهان شناخته شده مقایسه می‌کنند. کیهان شناسی ، گذشته ، حال و آینده کائنات را بررسی می‌کند. کائنات تمام چیزهای موجود در عالم را شامل می‌شود: چه مرئی باشد چه نامرئی ، چه کشف شده باشد چه کشف نشده باشد.

تاریخچه و سیر تحولی کیهان شناسی

• اقلیدس ، ریاضیدان یونانی ، (حدود 300 سال قبل از میلاد) ، با استفاده از سه بعد طول ، عرض و ارتفاع ، فضا را تعریف کرد. تعریفی که اسحاق نیوتن (1727 - 1643) ، فیزیکدان و ریاضیدان انگلیسی ، از جهان ارائه داد. مطابق با نظریات اقلیدس بود . فضایی لایتناهی که با استفاده از سه بعد طول ، عرض و ارتفاع تعریف می شد. اما نظریه فضای لایتناهی عاری از مشکل نیست. طبق قضیه اولبرس که از نام ستاره شناس آلمانی ، ویلهلم اولبرس (1840 - 1758) گرفته شده ، اگر ستارگان به یک شکل در تمام فضای لایتناهی پراکنده شوند، در تمامی جهات ستاره‌ای وجود خواهد داشت. اگر چیزی در مسیر ستارگان دور دست قرار نگیرد تمام آسمان درخشندگی خورشید را خواهد داشت که عملا چنین نیست.

• آلبرت انیشتین (1955 - 1879) ، دانشمند آمریکایی آلمانی تبار ، با ارائه نظریه نسبیت عام در سال 1915 مشکل نظریه نیوتن را حل کرد. آلبرت انیشتین نشان داد که فضا و ماده موجود در آن ، محدود اما نامحصور است (یک جهان دو بعدی به شکل سطح یک کره را تصور کنید، این جهان محدود خواهد بود اما هیچ لبه یا حصاری نخواهد داشت). جهان محدود اما نامحصور آلبرت انیشتین ، ساکن است اما به آسانی می‌تواند منبسط یا منقبض شود.

• نظریه انبساط جهان با کشفی که ادوین هابل (1953 - 1889) ، ستاره شناس آمریکایی ، به عمل آورد، قوت گرفت. او دریافت که کهکشانها در حال حرکت در جهان هستند. او همچنین متوجه شد که کهکشانهای دورتر ، سریعتر از کهکشانهای نزدیکتر حرکت می‌کنند. در سال 1931 ، ژرژ لومتر (1966 - 1894) ، دانشمند بلژیکی ، اعلام کرد که عامل این انبساط ، تجزیه خود بخود آنچه که او اتم اولیه نامیده است (اتم اولیه یک ماهیت تنهاست که در برگیرنده تمام ماده و انرژی موجود در جهان است).

• فرد هویل ، ستاره شناس انگلیسی ، حاضر به پذیرفتن نظریه انفجار بزرگ نبود و آنرا به تمسخر گرفت. در عوض او معتقد به یک اصل کامل ستاره شناسی بود و در سال 1948 اعلام کرد که جهان در هر زمان و مکانی که مورد آزمایش قرار گیرد باید یکسان به نظر رسد. یا به عبارت خلاصه‌تر ، جهان دارای حالتی پایدار است. طبق نظر هویل ، بوجود آمدن مداوم ماده در سرتاسر فضا باعث ایجاد توازن در انبساط جهان شده و حالت پایای آنرا حفظ می‌کند (سرعت بوجود آمدن ماده که حدود یک اتم هیدروژن در یک لیتر در هر 20 سال می‌باشد بقدری کند است که قابل مشاهده در آزمایشگاه نیست). بین نظریه‌های جهان پایدار و انفجار بزرگ چند تفاوت اساسی وجود دارد. مثلا طبق نظریه حالت پایا ، اندازه و چگالی کهکشانهای جدید و قدیم در سراسر جهان بایستی یکسان باشد. اما طبق نظریه انفجار بزرگ ، اندازه و چگالی اجسام جدیدتر بایستی مطابق با میزان فاصله‌شان افزایش یابد.
  
  
  
   

نظریه‌های متداول در پیدایش جهان

نظریه انفجار بزرگ (Big Bang)

طبق این نظریه که مقبولترین نظریه در پیدایش جهان است، همه ماده و انرژی که هم اکنون در جهان وجود دارد، زمانی در گوی کوچک بی‌نهایت سوزان ولی فوق‌العاده چگال متمرکز بوده است. این آتشگوی کوچک حدود 15 میلیارد سال قبل منفجر شد و همه مواد در فضا پخش شدند. با گذشت زمان این گسترش و پراکندگی ادامه یافت. تراکم توده‌هایی از این مواد در نواحی مختلف باعث بوجود آمدن ستارگان و کهکشانها در فضا شد، ولی گسترش همچنان ادامه دارد.

نظریه جهان نوسان کننده

مطابق این نظریه ، انبساطی که با انفجار بزرگ آغاز شد، بر اثر نیروی گرانشی سرانجام متوقف شده و منقبض خواهد شد، تا مجددا همه جهان به آتشگوی اولیه باز گردد. سپس انفجار دوم روی خواهد داد و روند فوق در سیکلی دو برابر تکرار خواهد شد.

نظریه جهان پایدار

بنابر این نظریه ، جهان آغاز و انجام ندارد و همیشه به همان صورتی بوده و خواهد بود که اکنون به چشم ناظر می‌آید. در این نظریه ماده بطور مداوم در جهان تولید می‌شود تا چگالی جهان ثابت بماند.

آینده جهان

هرسه مورد فوق نظریاتی فرضی هستند، با قبول دو نظر اول ، اگر نیروی گرانشی کل کائنات به اندازه کافی نیرومند باشد، روزی انبساط جهان پایان خواهد یافت و کائنات با روندی معکوس مراحل عظیم انفجار بزرگ را تجربه خواهد کرد. این احتمال را کائنات بسته می‌گویند. ولی اگر گرانش نیروی دوم برای عقب کشیدن کهکشانها را نداشته باشد، انبساط کائنات تا ابد ادامه خواهد یافت. این احتمال را هم کائنات باز می‌گویند. نظریه سوم تا آینده بی‌نهایت جهان را بی‌تغییر می‌داند.

هر چند که ماهیت اجسام شبه ستاره‌ای هنوز بطور کامل شناخته نشده است، چنین به نظر می‌رسد که اجسامی جوان و متراکم باشند که فقط در پایانه‌های جهان مرئی یافت می‌شوند. وجود شبه ستاره‌ها باعث شد تا بسیاری به اعتبار نظریه حالت پایا مشکوک شوند. با کشف تشعشع میکرو ویو زمینه کیهان توسط آرنو پنزیس (1936 - 1933) و رابرت ویلسون در سال 1965 ، نظریه حالت پایا اعتبار خود را تقریبا بطور کامل از دست داد. تشعشع مایکرو ویو زمینه کیهان توسط جورج گاموف (1968 - 1904) ، ستاره شناس آمریکایی اوکراینی تبار ، پیش بینی شده بود و امروزه به عنوان بازتابی از انفجار بزرگ تصور می شود.

بشر و کیهان شناسی

موارد فوق همه احتمالات مسئله هستند و ما همواره با این پرسشها روبرو هستیم که آیا کائنات روزی خود را با تمامیت واقعیت شکوهمندش بر ما آشکار خواهد ساخت؟ این امر غیر ممکن می‌نماید، ولی بشر هیچگاه از پژوهش دست بر نخواهد داشت. پس از کائنات بیگ بنگ به ساختن کائناتهای دیگری ادامه خواهد داد. کائناتی که روز به روز به کائنات حقیقی نزدیکتر خواهند شد بی آنکه به آن برسند.

 مقدمه

شفق قطبی چگونه تشکیل می‌شود؟

ارتفاع شفقهای قطبی

دوره تناوب ظهور شفق های قطبی

سایر پدیده‌های زیبای جوی

فرضیه بیرکلند در مورد لکه‌های خورشیدی

 مقدمه

زبانه‌ها و شعله‌های خورشیدی

باد خورشیدی

مسیر نامنظم دو میلیون سال طول می کشد تا انرژی تولید شده در مرکز خورشید به سطح آن رسیده و بصورت نورو گرما تابش کند، سپس بعد از فقط 8 دقیقه این انرژی به زمین می رسد.

چرخه‌ها و لکه‌های خورشیدی

مرگ خورشید

نگاه اجمالی

تاریخچه

سیر تحولی و رشد

شاخه‌های هواشناسی

• هواشناسی فیزیکی: بررسی ویژگیها و منشا تغییرات عوامل آب و هوا را مد نظر دارد.
• هواشناسی دینامیکی: به مطالعه توده‌های هوا و بررسی عوامل انرژی مجموعه اتمسفر و یا جریانات اتمسفری می‌پردازد.
• هواشناسی اتمسفر آزاد: پدیده‌های اتمسفر را از سطح زمین تا ارتفاعات بیشتر مطالعه می‌کند.
• هواشناسی زیستی
• هواشناسی کشاورزی
• هواشناسی هوانوردی
• هواشناسی مهندسی
• هیدروکلیماتولوژی

مقدمه
آنچه که ما به عنوان ابر می‌شناسیم در واقع تجمع ذرات بخار آب موجود در جو به دور هسته‌های تراکم و سرد شدن آنهاست. از آنجا که با مشاهده نوع و نحوه تغییرات ابرها می‌توان اطلاعات قابل ملاحظه‌ای درباره وضعیت جو بدست آورد، مطالعه و بررسی ابرها دارای اهمیت ویژه‌ای است. عامل اصلی تشکیل ابر صعود هوای گرم و مرطوب به سطح فوقانی جو و سرد شدن آن است و در صعود به ارتفاعات بالاتر جو تحت تأثیر فشار کم آن سطوح قرار گرفته و همگام با انبساط سرد می‌شود.

عومل موثر در صعود هوا

تربولانس مکانیکی (اصطکاکی)

این تربولانس در اثر عبور هوا بر روی ناهمواریهای سطح زمین ، در اثر برش باد و تغییرات بردار باد در جهت قائم نیز ایجاد می‌شود. بخشی از هوا که با مرز ساکن در تماس است خود نیز در حال سکون می‌باشد، اما با بالا رفتن هوا بر سرعت آن نیز افزوده می‌شود. با افزایش سرعت هوا به بیش از یک مقدار مشخص حرکات تربولانس ایجاد می‌شود. این تربولانس بیشتر باعث تشکیل ابرهای پوششی می‌شود.

تربولانس حرارتی (جابجایی عمودی)

این تربولانس نتیجه تابش خورشید بر خشکیها و گرم شدن سطح زمین است. اما گاهی این پدیده به علت عبور توده‌های سرد بر روی زمین گرم یا دریای گرمتر نیز بوجود می‌آید. این حرکت بیشتر در ایجاد ابرهای جوششی اهمیت دارد.

صعود در اثر ناهمواریها

هوای نزدیک سطح زمین و سطح فوقانی در صورت برخورد با موانع طبیعی مثل کوهستان وادار به صعود می‌شوند.

صعود ملایم و گسترده

بیشتر در اثر واگرایی سطوح فوقانی تروپوسفر بوجود می‌آید. در اثر جروج هوا در سطح فوقانی جرم ستون هوا در سطح زمین کاهش یافته و در نتیجه فشار ستون هوا در سطح زمین کاهش می‌یابد. این واگرایی در سطوح بالا و همگرایی در سطوح پایین باعث صعود ملایم و گسترده هوا در عمق زیادی از تروپوسفر می‌شود. در صورت وجود رطوبت کافی توسعه ابر بصورت گسترده روی خواهد داد. صعود ملایم و گسترده روی خواهد داد. صعود ملایم و گسترده بیشتر در نزدیکی منطقه جبهه و مرکز کم فشار رخ می‌دهد.

چرا ابرها از آسمان نمی‌افتند؟

ابرها از قطرات ریز آب و یا از بلورهای یخ و گاهی اوقات نیز از مخلوطی از این دو می‌باشند. معمولا ابر هنگامی تشکیل می‌شود که هوا به بالا رانده شود. چون هوای موجود در لایه‌های پایینتر نسبت به هوای موجود در بالا گرمتر بوده و از تراکم کمتری نیز برخوردار می‌باشد. لذا به بالا می‌رود (برخی اوقات نیز علت این رانش ، حرکت هوا به سمت بالای کوه و قله آن است). هنگامی که هوا به سمت بالا می‌رود، سرد می‌شود و سرانجام به سطحی می‌رسد که به سطح انقباض معروف است. در این هنگام هوا اشباع و بخار آب موجود در آن منقبض و متراکم می‌شود و به قطرات آب تبدیل می‌گردد.

اما اگر ابرها دوباره به سمت زمین می‌آمدند، هوا به تدریج گرم می‌شد و همینطور که آب پایین می‌آمد از سطح انقاض عبور می‌کرد و از آن خارج می‌شد، در نتیجه قطرات آب دوباره به حالت بخار در می‌آمدند و بدین ترتیب ابر از بین می‌رفت. در برخی مواقع ابر در لایه‌های بسیار پایین نیز وجود دارد و این همان چیزی است که به مه معروف است. مه در واقع ابری است که در سطح زمین تشکیل می‌شود. در صورتی که سطح انقباض در ارتفاع بسیار پایین قرار داشته باشد، باعث می‌شود که هوا در نزدیکی سطح ومین اشباع و بخار آب موجود در آن منقبض شود و تبدیل به مه یا ابر نزدیک به زمین گردد.

نامگذاری ابرها

در نامگذاری ابرها از کلمات لاتین با ریشه یونانی استفاده می‌شود. این نامگذاری با توجه به نوع و شکل و همچنین خصوصیات ابر انجام می‌گیرد. در جدول زیر کلماتی که در نامگذاری ابرها بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد را با معانی آورده شده:

سایر کلماتی که بکار می‌برند:

دسته‌های ابر

ابرها دارای ده دسته اصلی هستند که هر کدام از این ده دسته اصلی خود به یک یا چند دسته دیگر تقسیم می‌شوند. دسته‌های اصلی عبارتند از:

1. سیروس Ci
2. سیرو کومولوس Cc
3. سیرو استراتوس Cs
4. آلتو کومولوس Ac
5. آلتو استراتوس As
6. نیمبو استراتوس Ns
7. استراتو کومولوس Sc
8. استراتوس St
9. کومولوس CU
10. کومولو نیمبوس Cb

طبقه بندی ابرها

ابرها را از چند دیدگاه مختلف طبقه بندی می‌کنند:

1. از نقطه نظر ترکیب
2. از نقطه نظر شدت و سرعت فرآیند تراکمی که منجر به تشکیل ابر می‌شود.
3. از نقطه نظر ارتفاع کف ابر از سطح زمین:
   • ابرهای پایین
   • ابرهای میانی
   • ابرهای بالا
     

تفاوتی که ما در شکل ابرها می‌بینیم، نتیجه تفاوت در شدت و سرعت عمل فرآیند تراکمی است که منجر به تشکیل ابر می‌شود. از این منظر ابرها را به دو گروه تقسیم می‌کنند:

1. ابرهای پوششی
2. ابرهای جوششی

رابطه ابرها و جبهه‌ها

نزدیک شدن جبهه گرم با ظهور ابرهای سیروس و سیرو استراتوس که پیوسته ضخیم می‌شوند مشخص می‌گردد. در صورت وجود توربولانس امکان تشکیل سیرو کومولوس نیز وجود دارد. با نزدیکتر شدن جبهه گرم و پایین آمدن هوای گرم ابرهای میانی نظیر آلتو استراتوس و آلتو کومولوس نیز بوجود می‌آیند. گسترش این ابرها امکان بارش را نیز زیاد می‌کند.

از بین رفتن ابر

با توقف تمام فرآیندهای تشکیل ابر توسعه طبیعی آن نیز تضعیف می‌گردد. همچنین عواملی مانند گرم شدن هوا و بارش و اختلاط با هوای خشک اطراف باعث کاهش قطرات آب و کرستالهای یخی در ابر شده و بدین تدتیب ابر از بین می‌رود. عوامل مهم در از بین رفتن ابر:

1. گرم شدن ابر
2. کاهش رطوبت نسبی
3. خور تابگیری
4. کاهش انرژی تابشی
5. اختلاط ابر با هوای غیر اشباع اطراف
6. بارش