نجوم و کیهان‌شناسی

معتبرترین شیوه برای اندازه‌گیریِ سنِ یک سنگ عبارت است از تاریخ‌گذاری پرتوسنجشی (radiometric dating) که مبتنی بر اندازه‌گیریِ دقیقِ سهمِ اتم‌های گوناگون در سنگ است. مبنای این شیوه آن است که برخی اتم‌ها با زمان دچار تغییر می‌شوند، به‌گونه‌ای که می‌توانیم مشخص کنیم چه مدت این اتم‌ها درون ساختار جامد سنگ قرار داشته‌اند.
ایزوتوپ و واپاشیِ پرتوزایشی
شاید از دورۀ مدرسه به یاد دارید که مشخصۀ هر عنصر شیمیایی، تعداد پروتون‌هایی است که در هستۀ آن وجود دارد. تفاوتِ ایزوتوپ‌های یک عنصر، تنها در تعداد نوترون است. برای مثال، هر اتمی که شش پروتون در هستۀ خود دارد،؛ اتم کربن است، اما کربن دارای سه ایزوتوپ است: کربن12، که علاوه بر شش پروتون، 6 نوترون نیز دارد؛ کربن13، که علاوه بر شش پروتون، 7 نوترون دارد؛ و کربن14، که دارای 8 نوترون است.
بیشترِ اتم‌ها و کربن‌هایی که در زندگی روزمره با آن‌ها برخورد داریم، پایدارند، به این معنی که هستۀ آن‌ها همواره بدون تغییر باقی می‌ماند. برای مثال، بیشترِ کربنِ موجود در بدن ما کربن12 است، که پایدار می‌باشد. اما برخی ایزوتوپ‌ها ناپایدارند، به این معنی که هستۀ آن‌ها در معرضِ تغییر خودبه‌خود، یا واپاشی است؛ مثلاً تجزیه می‌شوند یا اینکه یک پروتون به نوترون تبدیل می‌گردد. می‌گوییم این هسته‌های ناپایدار، پرتوزا (radioactive)هستند. کربن14 نمونه‌ای از یک ایزوتوپ پرتوزا است، زیرا با تغییرِ خودبه‌خود به نیتروژن14 تبدیل می‌شود.
نرخِ واپاشی پرتوزایشی همواره برای یک ایزوتوپِ پرتوزای به‌خصوص، ثابت است، و دانشمندان می‌توانند این نرخ را در آزمایشگاه اندازه بگیرند. معمولاً برای بیان نرخ واپاشیِ یک عنصر از نیمه‌عمرِ آن استفاده می‌کنیم که عبارت است از زمان لازم برای آنکه نیمی از هسته‌های آن دچار واپاشی شوند. به این نکته توجه کنید که اندازه‌گیریِ نرخ واپاشی و تعیین نیمه‌عمرِ یک ایزوتوپ در آزمایشگاه، تنها چند ماه تا چند سال طول می‌کشد، هرچند خودِ نیمه‌عمر، میلیاردها سال باشد. نیمه‌عمر کربن14 حدود 5700 سال است، که آن را به ایزوتوپی سودمند برای باستان‌شناسانی تبدیل می‌کند که در تلاش‌اند تا قدمت سکونت‌گاه‌های انسان‌های باستانی را تعیین نمایند، اما این نیمه‌عمر برای تاریخ‌گذاریِ سنگ‌هایی با قدمت میلیون‌ها یا میلیاردها سال، بیش‌ازحد کوتاه است. البته نیمه‌عمرِ بیشتر ایزوتوپ‌ها بسیار طولانی‌تر از این است.

کتاب «آشنایی با نجوم»، صفحه 94

دانشمندان برای پاسخ به این پرسش، روش‌های بسیاری را که برای حذف کربن‌دی‌اکسید از جوّ وجود دارد در نظر می‌گیرند، از قبیل جذب به‌وسیلۀ گیاهان، حل شدن در اقیانوس‌ها، و تولیدِ تدریجیِ صدف‌های دریایی و سنگ‌های کربناتی. جزئیات این فرایندها نسبتاً پیچیده است و عدم‌قطعیت‌هایی نیز در آن‌ها وجود دارد؛ ضمن اینکه پاسخ به پرسش بالا به این نیز بستگی دارد که تا قبل از توقفِ تزریق کربن‌دی‌اکسید به جوّ، در مجموع چه مقدار از این گاز را اضافه کرده‌ایم، اما به‌طور خلاصه می‌توان شناخت کنونی‌مان را این‌گونه بیان کرد:
برای چند دهۀ نخست، زمین و اقیانوس‌ها با سرعت نسبتاً زیاد، کربن‌دی‌اکسید را جذب خواهند کرد، لذا حدود یک سوم از تمام کربن‌دی‌اکسیدی که از دوران پیشاصنعتی به جوّ اضافه کرده‌ایم، در مدت 20 تا 50 سال حذف می‌گردد. اما بعد از آن، نرخ حذف کربن‌دی‌اکسید به‌شدت کُند می‌شود. حتی بعد از 2000 سال، چیزی بین 15% تا 40% از کربن‌دی‌اکسیدی که اضافه کرده‌ایم همچنان در جوّ باقی خواهد ماند، و ده‌ها هزار سال طول می‌کشد تا غلظت کربن‌دی‌اکسید به‌طور کامل به مقدار پیشاصنعتیِ خود بازگردد. (در این بحث، تنها فرایندهای طبیعی را در نظر گرفتیم، اما چه بسا در آینده از ترفندهایی استفاده کنیم که می‌توانند کربن‌دی‌اکسید را از جوّ بزدایند.)

بیشتر جوّ زمین به نیتروژن و اکسیژن اختصاص دارد. این دو گاز با هم، حدود 99% از جوِّ «خشکِ» زمین را تشکیل می‌دهند (78% نیتروژن و 21% اکسیژن). باوجوداین، مولکول‌های نیتروژن و اکسیژن، نور فروسرخ را جذب نمی‌کنند، و ازاین‌رو در گرمایشِ سطح زمین نقشی ندارند. به عبارت دیگر، بدون مقادیرِ نسبتاً اندکِ گازهای گلخانه‌ای در جوِّ زمین (مخصوصاً بخار آب، کربن‌دی‌اکسید، و متان) که قادر به جذب نور فروسرخ هستند، تمام نور فروسرخِ منتشرشده از سطح زمین مستقیماً به فضا می‌گریخت، و سیارۀ ما کاملاً یخ می‌زد.
شاید بپرسید که چرا برخی مولکول‌ها می‌توانند نور فروسرخ را جذب کنند و بقیه نمی‌توانند؛ در پاسخ باید گفت که این توانایی به ساختار آن‌ها مربوط است. نیتروژن و اکسیژن در جوّ زمین، مولکول‌هایی هستند که در آن‌ها دو اتم به یکدیگر پیوند خورده‌اند. به منظورِ جذب فوتون‌های نور فروسرخ، مولکول‌ها باید قادر به لرزش و چرخش به‌گونه‌ای باشند که شکل آن‌ها را تغییر می‌دهد؛ و این کار در مولکول‌هایی که تنها از دو اتم ساخته شده‌اند نسبتاً دشوار است، به‌خصوص در مواردی که هر دو اتم یکسان هستند. در مقابل، این نوع لرزش و چرخش، در بسیاری از مولکول‌هایی که بیش از دو اتم دارند، نسبتاً آسان است؛ و به همین دلیل است که بخار آب، کربن‌دی‌اکسید، و متان، نور فروسرخ را به‌خوبی جذب می‌کنند، و لذا گازهای گلخانه‌ای به حساب می‌آیند.

کتاب «الفبای گرمش زمین»، صفحات 14 و 15

بله، اما خیلی ضعیف. جوّ مریخ عمدتاً از کربن‌دی‌اکسید تشکیل شده است (حدود 95%)، اما جوِّ این سیاره آنقدر رقیق است (فشار سطحی کمتر از یک‌درصدِ فشار در سطح زمین) که عملاً مقدار کلیِ کربن‌دی‌اکسید بسیار اندک است. در نتیجه، اثر گلخانه‌ای تأثیر کمی در گرم کردنِ مریخ دارد، و فاصلۀ بیشتر از خورشید، آن را کاملاً سرد می‌کند، با دمای میانگینِ منفی 50 درجه سانتیگراد در سطح. از نظر علمی، شگفت‌آور آن است که به‌خوبی می‌توان در مریخ به شواهدی روشن دست یافت که بر وجود آبِ مایعِ سطحی در گذشتۀ این سیاره دلالت دارند؛ و این نشان می‌دهد که در گذشتۀ دور، مریخ بسیار گرم‌تر از امروز بود، و این نیز به نوبۀ خود یعنی یک اثر گلخانه‌ای خیلی قوی‌تر. دانشمندان حالا به‌خوبی می‌توانند توضیح دهند که چرا در گذشته، مریخ دارای یک اثر گلخانه‌ای قوی بود و چرا این اثر بالاخره تا این حد ضعیف شد.

کتاب «الفبای گرمش زمین»، صفحۀ 18

گرچه کاوشگرها و سطح‌نشین‌ها می‌توانند آزمایش‌هایی را بر روی نمونه‌هایی از جوّ و سنگ سطحی انجام دهند، آزمایش‌ها باید از قبل طراحی گردد و تجهیزات لازم درون فضاپیما جا داده شود. یک راه برای حذفِ این محدودیت‌ها، طراحیِ مأموریت‌هایی است که در آن‌ها بتوان نمونه‌ها را از سایر دنیاها جمع‌آوری کرد و برای مطالعۀ دقیق‌تر به زمین آورد. تا این تاریخ، تنها چند «مأموریت نمونه‌آور» به ماه و تعدادی سیارک انجام شده است، به علاوۀ مأموریت موسوم به استارداست که در سال 2006 غبار دنباله‌دار را در یک «عبور از نزدیک» جمع‌آوری کرد و به زمین آورد. یکی از مأموریت‌های اخیر ناسا از این نوع، مأموریت اُسیریس رِکس است که در 2018 سیارک بِنو را لمس کرده، نمونه‌ای را جمع‌آوری نمود. طبق برنامه، این نمونه قرار است در سپتامبر 2023 به زمین برسد (شکل 7-19). سیارک‌هایی مانند بِنو، از نظر علمی بسیار مورد علاقه‌اند، زیرا عقیده بر این است که حاوی مواد نسبتاً بِکر از دوران بسیار اولیه در تاریخ منظومه شمسی می‌باشند. به‌علاوه، بِنو یکی از چند سیارکِ شناخته‌شده‌ای است که ممکن است روزی به زمین برخورد کند، و مأموریت اُسیریس رِکس به دانشمندان کمک کرد با دقت بیشتر، ویژگی‌ها و مدار آن را بشناسند تا در آینده بهتر بتوانند احتمال برخورد آن را محاسبه کنند. نتایج حاصل نشان می‌دهد که بِنو بین سال‌های 2175 و 2300 با احتمال حدود «1 در 1750» به زمین برخورد خواهد کرد. توجه نمایید علاوه بر اینکه احتمال این رویداد کوچک است، آنقدر هم در آیندۀ دوری قرار دارد که می‌توان امیدوار بود تا آن زمان به فناوری لازم برای منحرف کردن تهدید‌های بالقوۀ برخورد دست یابیم [بخش 6-4].

شکل 7-19: بازوی روباتیِ فضاپیمای اُسیریس رِکس هنگام تماس با سطح سیارک بِنو، و جمع‌آوری یک نمونه.

کتاب «حیات در کیهان» ، صفحه 308

چه موقع خورشید در آسمان مستقیماً بالای سرتان است؟ بسیاری پاسخ می‌دهند «هنگام ظهر». درست است که خورشید هر روز هنگام عبور از نصف‌النهار، به بالاترین نقطه می‌رسد، اما اگر در مدارگان زندگی نمی‌کنید (مناطقی از زمین [نزدیک به استوا] که بین عرض‌های 23.5 درجۀ شمالی و 23.5 درجۀ جنوبی قرار دارند)، خورشید هرگز مستقیماً بالای سرتان نخواهد بود. در حقیقت، هر موقع از روز که بتوانید خورشید را ببینید، مطمئن باشید که در سمت‌الرأسِ شما نیست. برای دیدن جسمی که در سمت‌الرأس است، باید سرتان را به عقب خم کنید که معمولاً آزاردهنده است، مگر آنکه دراز بکشید.

کتاب «آشنایی با نجوم»‌، صفحۀ 33