ما مدى برودة الفضاء وسخونة الشمس؟ هذه أسئلة مثيرة للاهتمام. يحتوي نظامنا الشمسي على مجموعة من درجات الحرارة المتباينة بين المنخفضة والمرتفعة، على عكس البيئة المعتدلة التي نشهدها على الأرض.
تتكون الشمس من كتلة من الغاز والبلازما مع درجة حرارة تقارب 15 مليون درجة مئوية، وتبلغ درجة حرارة سطح الشمس 5530 درجة مئوية. لكن بالمقابل، تبلغ درجة حرارة الفضاء، أو ما يُعرف باسم درجة حرارة الخلفية الكونية، نحو -270 درجة مئوية، عندما تصل إلى مسافة معينة بعيدًا عن الغلاف الجوي للأرض.
لكن كيف يحدث هذا التباين الهائل في درجات الحرارة؟ ظل هذا التساؤل محيرًا للعلماء زمنًا طويلًا.
يوجد تفسير منطقي للتباين بين درجة حرارة الفضاء الخارجي والشمس. تنتقل الحرارة عبر الكون في شكل إشعاع، وهو موجات من الطاقة تنتقل في صورة أشعة تحت حمراء، تنتقل من الأجسام الأسخن إلى الأجسام الأبرد. عندما تتلامس موجات الإشعاع مع الجزيئات، فإنها تثيرها، ما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة. بهذه الطريقة تنتقل حرارة الشمس إلى الأرض. لكن الإشعاع يؤدي فقط إلى تسخين الجزيئات والمواد الموجودة مباشرةً في مساره، تاركًا كل شيء آخر باردًا. مثلًا، تكون درجة الحرارة على كوكب عطارد ليلًا 530 درجة مئوية أقل من درجة حرارة الجانب الآخر المعرض للإشعاع.
على عكس درجات الحرارة القصوى للفضاء والشمس، يظل الجو على كوكب الأرض معتدلًا، سواءً باختلاف الليل والنهار أو في الفصول المتعاقبة. يرجع ذلك إلى حقيقة أن الحرارة تنتقل في كوكبنا بثلاث طرق، لا واحدة: التوصيل والحمل الحراري والإشعاع. عندما يسخن إشعاع الشمس جزيئات غلافنا الجوي، فإنها تنقل الطاقة الإضافية إلى الجزيئات المجاورة، ما يؤدي إلى تسخينها أيضًا. يُعرف انتقال الحرارة من جزيء إلى آخر بالتوصيل، ويخلق سلسلة من التفاعلات تسخن حتى المناطق الموجودة خارج مسار الأشعة القادمة مباشرةً من الشمس.
نظرًا إلى أن الفضاء فارغ، فإن جزيئات الغاز متناثرة فيه ومتباعدة جدًا ولا تتصادم معًا بانتظام. لهذا يؤدي الإشعاع إلى تسخين الجزيئات الموجودة في مسار الشمس مباشرةً، لكن هذه الحرارة لا تنتقل إلى الجزيئات الأخرى -أي إن التوصيل الحراري لا يحدث- بسبب تباعد الجزيئات وعدم وجود جزيئات كافية لإتمام عملية التوصيل. كذلك، نتيجة لانعدام الجاذبية في الفضاء، لا يحدث انتقال الحرارة بالحمل الحراري، وهو عملية نقل للحرارة تعتمد على الجاذبية، وهي الطريقة الأهم لتوزيع الحرارة على الأرض.
إليزابيث أبيل، المهندسة في مشروع (DART) التابع لناسا، كان عليها أن تضع كل هذه الأمور في الحسبان في أثناء عملها في مشروع مسبار باركر الشمسي.
مسبار باركر الشمسي، كما يدل الاسم، هو مسبار مهمته دراسة الشمس. يمر عبر الطبقة الخارجية من الغلاف الجوي للشمس، التي يُشار إليها باسم الهالة، لجمع المعلومات. في أبريل 2021، وصل المسبار إلى مسافة نحو 10.5 مليون كيلومتر من الشمس، ما يمثل أقرب مسافة وصلت إليها مركبة فضائية من الشمس على الإطلاق. يسمح الدرع الحراري للمسبار، الموضوع على أحد جوانب المسبار، بأن يكون هذا العمل الفذ ممكنًا.
قالت أبيل: «وظيفة الدرع الحراري هي التيقن من عدم لمس الإشعاع الشمسي لأي شيء على المركبة الفضائية» لهذا، مع أن الدرع الحراري يتعرض لحرارة شديدة، نحو 120 درجة مئوية، فإن المركبة الفضائية نفسها أبرد، إذ تبلغ درجة حرارتها نحو -150 درجة مئوية.
يمثل التباين الهائل بين الفضاء قارس البرودة والشمس اللاهبة تحديًا فريدًا. إذ تتطلب بعض أجزاء المركبة الفضائية أن تظل باردة لتجنب انقطاع التيار الكهربي، في حين يتطلب البعض الآخر وجود عناصر تدفئة للحفاظ على درجة حرارة مناسبة كي تعمل بكفاءة.
الاستعداد لوجود تقلبات في الحرارة تبلغ مئات الدرجات قد يبدو غريبًا، لكن هكذا هي الأمور في الفضاء. مع ذلك، تكمن الغرابة الحقيقية هنا على الأرض، فبين البرد القارس والحرارة اللاهبة، يحافظ غلافنا الجوي على درجة حرارة معتدلة.
اقرأ أيضًا:
لماذا لم نعثر على آثار حياة على سطح المريخ؟
نظرية فيزيائية جديدة تقترح أن الطاقة المظلمة أصلها من الثقوب السوداء
ترجمة: عبد الله محمد
تدقيق: أكرم محيي الدين
