خورشيد عامل و منشاء انرژي‌هاي گوناگوني است كه در طبيعت موجود است از جمله: سوخت‌هاي فسيلي كه در اعماق زمين ذخيره شده‌اند، انرژي آبشارها و باد، نمو گياهان كه حيوانات و انسان براي رشد خود از آلفا استفاده مي‌كنند، كليه مواد آلي كه قابل تبديل به انرژي حرارتي و مكانيكي هستند، امواج درياها، قدرت جزر و مد كه بر اساس جاذبه و حركت زمين به دور خورشيد و ماه حاصل مي‌شود، اينها همه نمادهائي از انژي خورشيدي هستند. وابستگي شديد جوامع صنعتي به منابع انرژي بخصوص سوختهاي نفتي و بكارگيري و مصرف بي‌رويه آنها منابع عظيمي را كه طي قرون متمادي در لايه‌هاي زمين تشكيل شده بود تخليه مي‌نمايد با توجه به اينكه منابع زيرزميني انرژي باد سرعت فوق‌العاده‌اي مصرف مي‌شوند و در آينده‌اي نه چندان دور چيزي از آنها باقي نخواهد ماند نسل فعلي وظيفه دارد به آن دسته از منابع انرژي كه داراي عمر و توان زياد است روي آورد و دانش خود را براي بهره‌برداري از آنها گسترش دهد.

خورشيد يكي از دو منبع مهم انرژي است كه بايد به آن روي آورد كه در ضمن به تكنولوژي پيشرفته و پرخرج نيز نياز نداشته و مي‌تواند به عنوان يك منبع مفيد و تامين كننده انرژي در اكثر نقاط جهان بكار گرفته شود به علاوه استفاده از آن انرژي هسته‌اي، خطر و اثرات نامطلوبي از خود باقي نمي‌گذارد و براي كشورهائي كه فاقد منابع زيرزميني هستند مناسبترين راه براي دسترسي به نيرو و رشد و توسعه اقتصاد مي‌باشد.

  شناخت انرژي خورشيدي و استفاده از آن براي منظورهاي مختلف به زمان ما قبل تاريخ باز مي‌گردد. مهمترين روايتي كه در رابطه با استفاده از تابش خورشيد بيان شده داستان ارشميدس دانشمند و مخترع بزرگ يونان قديم مي‌باشند كه ناوگان روم را با استفاده از انرژي حرارتي خورشيد به آتش كشيد. گفته مي‌شود كه ارشميدس با نصب تعداد زيادي آئينه‌هاي كوچك مربعي شكل در كنار يكديگر كه روي پايه متحرك قرار داشت اشعه خورشيد را از راه دور روي كشتيهاي روميان متمركز ساخته و به اين ترتيب آنها را به آتش كشيده است. به همين علت از ارشميدس به عنوان بنيانگذار استفاده از تابش خورشيد نام مي‌برند در حاليكه منابع مصري قديميتر از آن است.

در عصر حاضر از انرژي خورشيدي توسط سيستم‌هاي مختلف و براي مقاصد متفاوت استفاده و بهره‌گيري مي‌شود كه عبارتند از:

1)       سيستم‌هاي فتوبيولوژيك: تغييراتي كه در حيات و زيست گياهان و جانداران به وسيله نور خورشيد و فتوسنتز ايجاد مي‌گردد فرآيند كود حيوانات و استفاده از گاز آن.

2)    سيستم‌هاي فتوشيميايي: تغييرات شيميايي در اثر نور خورشيد – الكتروليزرهاي نوري – سلولهاي فتوولتاژئيك الكتروشيمي – تاسيسات تهيه هيدروژن.

3)       سيستم‌هاي فتو ولتائيك: تبديل انرژي خورشيدي به انرژي الكتريكي – سلولهاي خورشيدي

4)    سيستمهاي حرارتي و برودتي: شامل سيستمهاي تهيه آب گرم -   گرمايش و سرمايش ساختمانها – تهيه آب شيرين – سيستمهاي انتقال و پمپاژ – سيستمهاي توليد فضاي سبز (گلخانه‌ها) – خشك‌كنها و اجاقهاي خورشيدي – سيستمهاي سردسازي – برجهاي نيرو – خشك‌كن خورشيدي.

در مورد پيدايش خورشيد فرضيه‌اي كه بيشتر مورد قبول واقع شده، اين است كه منشاء ايجاد خورشيد توده‌اي ابري شكل گازهائي هستند كه تشكيل دهنده عمده آنها هيدروژن بوده است. در مرحله اول و در نتيجه نيروي جاذبه مركزي، ذرات هيدروژن روي هم متراكم شده و در اثر تراكم، تصادم شديدي بين ذرات هيدروژن بوجود آمده و در نتيجه افزايش بيش از حد فشار و دما، تحولات هسته‌اي پديد آمده و حاصل آن آزاد شدن منابع عظيم انرژي بوده است از مجموع انرژي تابشي خورشيد كه بوسيله زمين و جو آن دريافت مي‌شود در حدود 35 درصد آن مجدداً به فضاي خارج از جو بازتاب مي‌گردد. قسمت اعظم اين بازتابي در جو زمين در برخورد اشعه با ابرها و غبارهاي جوي انجام مي‌گيرد و بخش كمتري از آن، در سطح زمين در نتيجه انعكاس اشعه بوسيله آبها – برفها و سنگريزه‌ها حادث مي‌شود.

قسمتي از باقيمانده انرژي، در حين عبور از جو زمين، در اثر برخورد با ذرات هوا و غبار و بخار آب موجود در جو، به دفعات زياد تغيير مسير داده و پس از اين برخوردها، به صورت تشعشعات پراكنده به سطح زمين و يا فضاي خارج تابيده مي‌شود. همچنين در حدود 10 الي 15 درصد انرژي تشعشعي دريافت شده از خورشيد، به وسيله ذرات بخار آّب – كربن دي‌اكسيد و ازون موجود در جو زمين جذب مي‌شود.

  قابل توجه است كه در طبقات فوقاني جو زمين، گاز ازون تقريباً تمام اشعه ماوراء‌بنفش را جذب مي‌كند و اين تصفيه اشعه از نظر سلامت زندگي انسانها حائز اهميت فوق‌العاده ايست زيرا كه اشعه ماوراء بنفش در پوست و چشم انسان تأثيرات بسيار نامطلوب دارد. بخار آب و كربن دي‌اكسيد در طبقات تحتاني جو زمين، اشعه مادون قرمز را جذب مي‌كند.

1)       سيستم‌هاي فتوبيولوژي:

عملكرد فتوسنتز در گياهان قديمي‌ترين روشها استفاده از انرژي خورشيدي است گياهان انرژي خورشيد را جذب كرده و با كمك آن گاز كربنيك و آب را به مواد قندي تبديل مي‌كنند. همچنين در اين فعل و انفعالات گياهان اكسيژن را آزاد و نيتروژن و مواد فسفري را كه براي ادامه حيات و رشد خود لازم دارند جذب مي‌كنند. نتيجه اين فرآيند، ذخيره‌سازي بيولوژيكي انرژي خورشيدي مي‌باشد انرژي ذخيره شده در گياهان از طريق سوزاندن چوب و يا تهيه سوختهائي از قبيل الكل و متان بازيابي مي‌شود.

2)       سيستم‌هاي شيمي خورشيدي:

اين سيستم‌ها به دو دسته كلي تقسيم مي‌شوند.

الف) سيستم‌هاي فتوشيميائي كه در آنها از نور خورشيد در عمليات شيميايي استفاده مي‌شود.

ب) سيستم‌هاي هليوترميك در آنها از حرارت خورشيد به عنوان يك منبع حرارتي بهره‌گيري شده و عمليات شيميايي انجام مي‌گيرد. براي تهيه سوختي مثل هيدروژن از روش فتوشيميايي و يا از روش حرارتي در الكتروليز استفاده مي‌شود و هيدروژن ذخيره شده را براي توليد انرژي مكانيكي – حرارتي و الكتريكي و غيره بكار برد.

عمليات فتوسنتز در گياهان و تشكيل سوختهاي فسيلي در زيرزمين، و ذخيره‌سازي بيولوژيكي انرژي خورشيد در موارد و بالاخره تهيه سوختهائي از قبيل الكل و متان و هيدروژن، همگي تابع يك سري فعل و انفعالات شيميايي بوده و مي‌توان آنها را بخشي از سيستم‌هاي شيمي خورشيدي به حساب آورد.

  در سالهاي 1969 دو پژوهشگر ژاپني نتيجه تحقيقات خود را به عنوان رشته جديدي از سلول‌هاي الكتروليز اعلام كردند اين دو پژوهشگر يك صفحه تيتانيوم دي‌اكسيد ( Tio ) جريان الكتريكي بين دو قطب كاتدوآند برقرار شده و آب نيز به دو عنصر تشكيل دهنده خود يعني اكسيژن و هيدروژن استفاده كرد. تهيه الكتريسته با استفاده از سلولهاي خورشيدي در رشته شيمي نيز استفاده از الكتروليز امكان‌پذير بوده به علاوه از سلولهاي فتوالكتروليت، براي تجزيه شيميايي و تهيه و ذخيره هيدروژن با روشهاي گوناگون استفاده مي‌شود.

3)    سيستم‌هاي فتو ولتائيك: سيستمي كه در آن انرژي خورشيدي بدون بهره‌گيري از مكانيزم‌هاي متحرك و شيميايي به انرژي الكتريكي تبديل شود، اثر آن را فتو ولتائيك مي‌نامند. عاملي كه در اين فرآيند بكار مي‌رود سلول خورشيدي ناميده مي‌شود. حدود 35 سال پيش براي اولين بار و به عنوان مولد الكتريكي در سفينه‌هاي فضائي از اين سلول‌ها استفاده گرديد و مدتي است كه بهره‌گيري از آنها در زمين نيز تداول شده است سلول‌هاي خورشيدي قادرند انرژي خورشيدي را بازدهي معادل 5 تا 20 درصد مستقيماً به الكتريسته تبديل كنند. اگر چه انرژي الكتريكي نوري هنوز به ميزان كافي از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نمي‌باشد ولي در سالهاي اخير كاهش چشمگيري در هزينه‌هاي مربوط به بهره‌برداري از اين سيستم‌ها مشاهده گرديده و انتظار مي‌رود در آينده نيز با تحقيقات لازم در نوع سلولهاي نوري، كاهش قيمت ادامه يابد ولي نبايد فراموش كرد در مناطق دور و در جاهائي كه دسترسي به سوخت و الكتريسته ارزان مقدور نباشد از سيستم‌هاي فتو ولتائيك استفاده مي‌شود. با استفاده از انرژي خورشيد و سلول‌هاي خورشيدي و با ايجاد اختلاف پتانسيل فشار الكتريكي در نيمه‌ هادئي كه بطور مناسب ساخته شده‌اند الكتريسته توليد مي‌شود. امروزه مؤثرترين و ارزانترين سلولهاي خورشيدي ماده‌اي به نام سيليسيم مي‌باشد. ماسه يكي از منابع مهم سيليسيم بوده كه پس از پالايش آن كريستالهاي سيليسيم بدست مي‌آيد و پس از بريده شدن بصورت صفحه آماده مي‌شود.

سيسليسيم يك نيمه هادي است كه به طور خالص از نظر هدايت الكتريكي هادي ضعيفي است ولي اگر در موقع پالايش به آن فسفر اضافه شود بار منفي (الكترون) پيدا كرده و در صورتيكه بود اضافه شود بار مثبت (حفره) پيدا مي‌كند. نوع اول را سيليسيم «نوع N » و نوع دوم را سيليسيم «نوع P » مي‌نامند مي‌دانيم كه سيليسيم داراي 4 الكترون در مدار خارجي خود مي‌باشد. هنگامي كه تعدادي اتم فسفر به داخل كريستال سيليسيم وارد شود با توجه به اينكه فسفر داراي 5 الكترون در مدار خارجي خود دارد 4 الكترون مدار خارجي فسفر با 4 الكترون مدار خارجي فسفر با 4 الكترون مدار خارجي سيليسيم يك مدار بوجود آورده و به اين ترتيب يك الكترون به صورت آزاد باقي مانده يعني سيليسيم با بار منفي باردار شده و نيمه‌هادي نوع N بوجود مي‌آيد. از طرفي اگر بجاي فسفر از اتم بور كه سه الكترون در مدار خارجي دارد استفاده شود حفره‌هائي كه مثل الكترون قابليت حركت دارند ايجاد شده و سيليسيم بطور مثبت باردار مي‌شود يعني نيمه‌هادي نوع P بوجود مي‌آيد. حال اگر يك طرف يك سيليسيم نوع P را از نوع N الكترونهاي آزاد و اتم‌هاي فسفر با بار مثبت وجود دارند. حال اگر يك فوتون (ذره‌اي از نور) به اتصال P-N برخورد كند. الكترون از اتم سيليسيم جدا كرده و در نتيجه حفره بوجود آورد. حفره‌هاي مزبور تحت تأثير ميدان موجود به سمت ناحيه P و الكترون به سوي ناحيه N حركت كرده و اين دو حركت مخالف با بارهاي مختلف، يك جريان الكتريكي بوجود مي‌آورند. با اتصال كنتاكتهائي به رويه‌هائي قطعات نيمه هادي، مداري تشكيل مي‌شود كه اجازه برگشت الكترون‌ها را به اتصال نوع ‌ P از ميان يك بار خارجي مي‌دهد.

4)       سيستم‌هاي حرارتي خورشيدي ( THERMAL SOLAR ENERGY )

روش‌هاي گرما خورشيدي، با استفاده از انواع كلكتورها و روش‌هاي غيرفعال، جهت جذب كردن و جمع‌آوري انرژي حرارتي خورشيد طراحي شده، و براي منظورهائي از قبيل گرم كردن آب و هوا و توليد بخار و سرد كردن و... بكار برده شده‌اند.

سيستم‌هاي گرما خورشيدي را مي‌توان به ترتيب زير طبقه‌بندي كرد:

1) سيستم‌هاي آب گرم خورشيدي                             2) سيستم‌هاي گرمايش و سرمايش ساختمانها

3) سيستم‌هاي تهيه آب شيرين و آب مقطرگيري                         4) سيستم‌هاي انتقال پمپاژ

5) سيستم‌هاي توليد فضاي سبز                                            6) سيستم‌هاي خشك‌كنن و خوراك پز خورشيدي

7) سيستم‌هاي سرد كننده خورشيدي                                    8) برجهاي نيرو نيروگاههاي خورشيدي

فضانوردان کسانی هستند که برای کار کردن در فضا آموزش می‌بینند. آنان گاهی هفته‌ها و ماهها در ایستگاههای فضایی یا سفینه‌های فضایی به پژوهشهایی ویژه می‌پردازند. دیدکلی آزمایشهایی که فضانوردان انجام می‌دهند به کشف آنچه در فضا وجود دارد یا تأثیر شرایط فضا بر زمین کمک می‌کند. از سال 1961 میلادی ، که نخستین سفر فضایی انسان انجام شد، فضانوردان توانسته‌اند روی ماه راه بروند و در مدار زندگی کنند. کار در فضا کار در سفینه فضایی شامل نگهداری و تعمیر ابزارها ، آزمایشهای علمی و پرتاب و تعمیر ماهواره‌ها است. برای آنکه فضانوردی بتوانند با سفینه فضایی پرواز کند، باید دوره‌ی اموزش خلبانهای ارتش را بگذراند. متخصصان سفینه‌های فضایی مهندسان یا دانشمندانی تراز اول هستند. نیروهای شدید فضانوردان باید برای شرایط غیر عادی فضا آماده شوند. ابتدا باید آموزش ببینند که چگونه در برابر نیروی گرانش (نیروی شدیدی که هنگام برخاستن سفینه باعث می‌شود انسان وزن خود را شش برابر وزن معمول احساس کند)، مقاومت کنند. برای عادت کردن به کمبود گرانش در فضا ، فضانوردان در محفظه‌های بسیار بزرگ آب و هواپیماهای بلند پرواز که احساس بی وزنی را به وجود می‌آورند، تمرین می‌کنند. بیماری فضا بیش از چهل درصد فضانوردان چند روز اول دچار بیماری فضازدگی می‌شوند؛ زیرا بی وزنی روی حس تعادل آنها اثر می‌گذارد. همچنین کمبود گرانش به تدریج گلبولهای قرمز خون فضانوردان را که حامل اکسیژن هستند کاهش می‌دهد و باعث خستگی می‌شود. ورزشگاه فضایی ممکن است به سبب کمبود گرانش در فضا ، قد فضانوردان تا پنج سانتیمتر بلندتر و قلب ، ماهیچه‌ها و استخوانهای آنها ضعیف شود. این تغییرها را می‌توان با برنامه غذایی خاص و انجام دادن تمرینهای ورزشی روزانه و منظم در ورزشگاهی درون سفینه مهار کرد. لباس فضایی و توپ نجات لباس فضایی ای. ا. یو. فضانورد را هنگامی که خارج از سفینه کار می‌کند، از تابشها حفظ می‌کند. توپ نجات مخصوصی را برای جابجایی فضانوردان به سفینه‌ای دیگر ، در مواقع اضطراری طراحی کرده‌اند. حد مجاز پرتوگیری سفینه‌های فضایی پیوسته در معرض بیماران ذره‌های پرتوزایی هستند که بطور معمول جو زمین جلوی آنها را می‌گیرد. هر فضانوردی با خود ابزاری دارد که مقدار پرتویی را که در معرض آن است، اندازه می‌گیرد. حد مجاز پرتوگیری در طول عمر انسان صد راد (واحد تابش) است. این حد مدت زمانی را که یک فضانورد می‌تواند در فضا به سر برد محدود می‌کند و مأموریتهای فضایی به مریخ یا سیاره‌های دور دیگر را که بیش از دو سال به طول می‌انجامد، به خطر می‌اندازد. وقتی سفینه در معرض تابش مستقیم خورشید باشد، دما در فضا بین 200- درجه تا بیش از 100 درجه سانتیگراد در نوسان است محفظ دمای پایدار در سفینه فضایی بسیار مهم است و این کار به همان روش دستگاههای تهویه‌ی هوا در ساختمانهای روی کره‌ی زمین ، انجام می‌شود. در فضا شب و روز وجود ندارد؛ ولی فضانوردان برای آنکه بدانند چه وقت کار و چه وقت استراحت کنند برنامه روزانه خود را در دوره‌ای زمانی که به اندازه شبانه روز زمین است، تنظیم می‌کنند. لایکا ، اولین سگ فضا نورد اتحاد جماهیر شوروی سابق در سال 1957 م. سگی به نام لایکا را به فضا فرستاد. لایکا در فضا جان باخت، زیرا هیچ راهی برای بازگشت سفینه به زمین وجود نداشت.

اغلب درباره سفرهاي فضايي مطالبي مي‌شنويم، اما به راستي مرز بين فضا و زمين كجاست؟ از چه منطقه‌اي بايد گذر كنيم تا اسم‌ ما نيز در فهرست پرافتخار فضانوردان ثبت شود؟ اين مقاله تلاش دارد تا به اين پرسش اوليه پاسخ گويد.

فضاي بيروني [Outer Space]  كه به اختصار فضا نيز ناميده مي‌شود، به منطقه‌اي نسبتاً خالي از جهان اطلاق مي‌گردد كه بعد از لايه جو اجرام سماوي قرار دارد. بنابراين اگر در ماه زندگي كنيم، پا در ماه و سر در فضا داريم چون اين جرم سماوي فاقد جو است اما اوضاع در زمين متفاوت است و براي رسيدن به فضا بايد كيلومترها از سطح اين جرم سماوي دور شويم.

بيشتر ماهواره هاي ساخته شده تاکنون حول کره زمين در حرکتند و در مواردي چون مطالعه کائنات، ايستگاه هاي هوا شناسي، انتقال تماس هاي تلفني از فراز اقيانوس ها، رديابي و تعيين مسير کشتي ها و هواپيماها و همينطور امور نظامي به کار مي روند.

ماهواره هايي نيز وجود دارند که دور ماه، خورشيد، اجرام نزديک به زمين و سياراتي نظير زهره، مريخ و مشتري در حال گردش مي باشند. اين ماهواره ها اغلب اطلاعات مربوط به جرم آسماني که حول آن در گردشند را جمع آوري مي کنند.

به جز ماهواره هاي مصنوعي مذکور اشياي در حال گردش ديگري نيز در فضا وجود دارند از جمله فضا پيما ها، کپسول هاي فضايي و ايستگاه هاي فضايي که به آنها نيز ماهواره مي گوييم. البته اجرام ديگري نيز در فضا وجود دارند به نام زباله هاي فضايي شامل بالا برنده هاي مستهلک راکت ها، تانک هاي خالي سوخت و ... که به زمين سقوط نکرده اند و در فضا در حرکتند. در اين مقاله به اين اجرام نمي پردازيم.

(اسپاتنيک 1 اولين ماهواره مصنوعي)

اتحاد جماهير شوروي پرتاب کننده اولين ماهواره مصنوعي، اسپاتنيک 1، در سال 1957 بود ( اسپاتنيک در زبان روسي به معني همسفر مي باشد). از آن زمان ايالات متحده و حدود 40 کشور ديگر سازنده و پرتاب کننده ماهواره به فضا بوده اند.

امروزه قريب به 3000 ماهواره فعال و 6000 زباله فضايي در حال گردش به دور زمين اند.

انواع مدارها

مدارهاي ماهواره ها اشکال گوناگوني دارند. برخي دايره شکل و برخي به شکل بيضي مي باشند. مدارها از لحاظ ارتفاع (فاصله از جرمي که ماهواره حول آن در گردش است) نيز با يکديگر تفاوت دارند. براي مثال بعضي از ماهواره در مداري دايره شکل حول زمين خارج از اتمسفر در ارتفاع 250 کيلومتر(155 مايل) در حرکتند و برخي در مداري حرکت مي کنند که بيش از 32200 کيلومتر (20000 مايل) از زمين فاصله دارد. ارتفاع بيشتر مدار برابر است با دوره گردش ( مدت زمانيکه ماهواره يک دور کامل در مدار خود حرکت مي کند) طولاني تر.

يک ماهواره زماني در مدار خود باقي مي ماند که بين شتاب ماهواره ( سرعتي که ماهواره مي تواند در طي يک مسير مستقيم داشته باشد ) و نيروي گرانش ناشي از جرم آسماني که ماهواره تحت تاثير آن مي باشد و دور آن در گردش است تعادل وجود داشته باشد. چنانچه شتاب ماهواره اي بيشتر از گرانش زمين باشد ماهواره در يک مسير مستقيم از زمين دور مي شود و چنانچه اين شتاب کمتر باشد ماهواره به سمت زمين سقوط مي کند.

براي درک بهتر تعادل بين گرانش و شتاب، جسم کوچکي را در نظر بگيريد که به انتهاي يک رشته طناب متصل و در حال چرخش است. اگر طناب پاره شود جسم متصل به آن در يک مسير صاف به زمين مي افتد. طناب در واقع کار گرانش را انجام مي دهد تا شي بتواند به چرخش خود ادامه دهد. ضمنا وزن شي و طناب مي توانند نشانگر رابطه بين ارتفاع ماهواره و دوره گردش آن باشد. طناب بلند مانند ارتفاع بلند است. هر چه طناب بلندتر باشد زمان بيشتري نياز است تا شي متصل به آن يک دور کامل بچرخد. طناب کوتاه مانند ارتفاع کوتاه است و در زمان کمتري شي مذکور يک دور کامل در مدار خود گردش خواهد کرد.

انواع گوناگوني از مدارها وجود دارند اما اغلب ماهواره هايي که حول زمين در گردشند در يکي از اين چهار گونه مدار حرکت مي کنند. (1) ارتفاع بلند، ژئوسينکرنوس. (2) ارتفاع متوسط. (3) سان سينکرنوس، قطبي. (4) ارتفاع کوتاه . شکل اغلب اين گونه مدارها دايره ايست.

مدارهاي ارتفاع بلند، ژئوسينکرنوس بر فراز استوا و در ارتفاع 35900 کيلومتر(22300 مايل) قرار دارند. ماهواره هاي اينگونه مدارها حول محور عمودي زمين با سرعت و جهت برابر حرکت زمين حرکت مي کنند. بنابراين هنگام رصد آنها از روي زمين همواره در نقطه اي ثابت به نظر مي رسند. براي پرتاب و ارسال اين ماهواره ها انرژي بسيار فراواني لازم است.

ارتفاع يک مدار متوسط حدود 20000 کيلومتر (12400 مايل) و دوره گردش ماهواره هاي آن 12 ساعت است . مدار خارج از اتمسفر زمين و کاملا پايدار است. امواج راديويي که از ماهواره هاي موجود در اين مدارها ارسال مي گردد در مناطق بسيارزيادي از زمين قابل دريافت است. پايداري و وسعت مناطق تحت پوشش اين گونه مدارها آنها را براي ماهواره هاي ردياب مناسب مي نمايد.

مدارهاي سان سينکرنوس، قطبي، ارتفاع نسبتا کوتاهي دارند. آنها تقريبا از فراز هر دو قطب زمين عبور مي کنند.مکان اين مدارها متناسب با حرکت زمين به دور خورشيد در حرکت است به گونه ايکه ماهواره ي اين مدار خمواره در يک ساعت محلي ثابت از استوا عبور مي کند. از آنجاييکه اين ماهواره ها از همه عرض هاي جغرافي زمين مي گذرند قادرند که اطلاعات را از تمامي سطح زمين دريافت نمايند. در اينجا مي توان ماهواره TERRA را به عنوان مثال نام برد. وظيفه اين ماهواره مطالعه اثرات چرخه ها ي طبيعي و فعاليت هاي انسان بر روي آب و هواي کره زمين است. ارتفاع مدار اين ماهواره 705 کيلومتر (438 مايل) و دوره گردش آن 99 دقيقه است. زمانيکه اين ماهواره از استوا عبور مي کند ساعت محلي هميشه 10:30 صبح و يا 10:30 شب است.

يک مدار ارتفاع کوتاه درست بر فراز جو زمين قرار دارد جايي که تقريبا هوايي براي ايجاد تماس و اصطکاک وجود ندارد. براي ارسال ماهواره به اين نوع مدارها انرژي کمتري نسبت به سه نوع مدار مذکور ديگر لازم است. ماهواره ها ي مطالعاتي که مسئول دريافت اطلاعات از اعماق فضا مي باشند غالبا در اين مدارها در حرکتند. براي مثال تلسکوپ هابل که در ارتفاع 610 کيلومتر(380 مايل) با دوره گردش 97 دقيقه در حرکت است.

انواع ماهواره ها

ماهواره هاي مصنوعي بر اساس ماموريت هاي شان طبقه بندي مي شوند. شش نوع اصلي ماهواره وجود دارند. (1) تحقيقات علمي، (2) هواشناسي، (3) ارتباطي، (4) درياب، (5) مشاهده زمين، (6) تاسيسات نظامي.

ماهواره هاي تحقيقات علمي اطلاعات را به منظور بررسي هاي کارشناسي جمع آوري مي کنند. اين ماهواره ها اغلب به منظور انجام يکي از سه ماموريت زير طراحي و ساخته مي شوند. (1) جمع آوري اطلاعات مربوط به ساختار، ترکيب و تاثيرات فضاي اطراف کره زمين. (2) ثبت تغييرات در سطح و جو کره زمين. اين ماهواره ها اغلب در مدارهاي قطبي در حرکتند. (3) مشاهده سيارات، ستاره ها و اجرام آسماني در فواصل بسيار دور. بيشتر اين ماهواره ها در ارتفاع کوتاه در حرکتند. ماهواره هاي مخصوص تحقيقات علمي حول سيارات ديگر، ماه و خورشيد نيز حضور دارند.

ماهواره هاي هواشناسي به دانشمندان براي مطالعه بر روي نقشه هاي هواشناسي و پيش بيني وضعيت آب و هوا کمک مي کنند. اين ماهواره ها قادر به مشاهده وضعيت اتمسفر مناطق گسترده اي از زمين مي باشند.

بعضي از ماهواره هاي هواشناسي در مدارهاي سان سينکرنوس، قطبي، در حرکتند که توانايي مشاهده بسيار دقيق تغييرات در کل سطح کره زمين را دارند. آنها مي توانند مشخصات ابرها، دما، فشار هوا، بارندگي و ترکيبات شيميايي اتمسفر را اندازه گيري نمايند. از آنجا که اين ماهواره ها همواره هر نقطه از زمين را در يک ساعت مشخص محلي مشاهده مي کنند دانشمندان با اطلاعات به دست آمده قادر به مقايسه دقيق تر آب و هواي مناطق مختلف اند. ضمنا شبکه جهاني ماهواره هاي هواشناسي که در اين مدارها در حرکتند مي توانند نقش يک سيستم جستجو و نجات را بر عهده گيرند. آنها تجهيزات مربوط به شناسايي سيگنال هاي اعلام خطر در همه هواپيما ها و کشتي هاي خصوصي و غير خصوصي را دارا هستند.

بقيه ماهواره هاي هواشناسي در ارتفاع هاي بلند تر در مدارهاي ژئوسينکرنوس قرار دارند. از اين مدارها، آنها مي توانند تقريبا نصف کره زمين و تغييرات آب و هوايي آن را در هر زمان مشاهده کنند. تصاوير اين ماهواره ها مسير حرکت ابرها و تغييرات آنها را نشان مي دهد. آنها همينطور تصاوير مادون قرمز نيز تهيه مي کنند که گرماي زمين و ابرها را نشان مي دهد.

ماهواره هاي ارتباطي در واقع ايستگاه هاي تقويت کننده سيگنال ها هستند، از نقطه اي امواج را دريافت و به نقطه اي ديگر ارسال مي کنند. يک ماهواره ارتباطي مي تواند در آن واحد هزاران تماس تلفني و چندين برنامه شبکه تلويزيوني را تحت پوشش قرار دهد. اين ماهواره ها اغلب در ارتفاع هاي بلند، مدار ژئوسينکرنوس و بر فراز يک ايستگاه در زمين قرار داده مي شوند.

يک ايستگاه در زمين مجهز به آنتني بسيار بزرگ براي دريافت و ارسال سيگنال ها مي باشد. گاهي چندين ماهواره که دريک شبکه و در مدارهاي کوتاه تر قرار گرفته اند، امواج را دريافت و با انتقال دادن سيگنال ها به يکديگر آنها را به کاربران روي زمين در اقصي نقاط آن مي رسانند. سازمانهاي تجاري مانند تلويزيون ها و شرکت هاي مخابراتي در کشورهاي مختلف از کاربران دائمي اين نوع ماهواره ها هستند.

به کمک ماهواره هاي ردياب، کليه هواپيماها، کشتي ها و خودروها بر روي زمين قادربه مکان يابي با دقت بسيار زياد خواهند بود. علاوه بر خودروها و وسايل نقليه اشخاص عادي نيز ميتوانند از شبکه ماهواره هاي ردياب بهره مند شوند.در واقع سيگنال هاي اين شبکه ها در هر نقطه اي از زمين قابل دريافتند.

دستگاه هاي دريافت کننده، سيگنال ها را حداقل از سه ماهواره فرستنده دريافت و پس از محاسبه کليه سيگنال ها، مکان دقيق را نشان مي دهند

ماهواره هاي مخصوص مشاهده زمين به منظور تهيه نقشه و بررسي کليه منابع سياره زمين و تغييرات ماهيتي چرخه هاي حياتي در آن، طراحي و ساخته مي شوند. آنها در مدارهاي سان سينکرنوس قطبي در حرکتند. اين ماهواره ها دائما در شرايط تحت تابش نور خورشيد مشغول عکس برداري از زمين با نور مرئي و پرتو هاي نا مرئي هستند.

رايانه ها در زمين اطلاعات به دست آمده را بررسي و مطالعه مي کنند. دانشمندان به کمک اين ماهواره معادن و مراکز منابع در زمين را مکان يابي و ظرفيت آنها را مشخص مي کنند.همينطور مي توانند به مطالعه بر روي منابع آبهاي آزاد و يا مراکز ايجاد آلودگي و تاثيرات آنها و يا آسيب هاي جنگل ها و مراتع بپردازند.

ماهواره هاي تاسيسات نظامي مشتمل از ماهواره هاي هواشناسي، ارتباطي، ردياب و مشاهده زمين مي باشند که براي مقاصد نظامي به کار مي روند.برخي از اين ماهواره ها که به ماهواره هاي جاسوسي نيز شهرت دارند قادر به تشخيص دقيق پرتاب موشک ها، حرکت کشتي ها در مسير هاي دريايي و جابجايي تجهيزات نظامي در روي زمين مي باشند.

زندگي و مرگ ماهواره ها

ساخت يک ماهواره

هر ماهواره حامل تجهيزاتي است که براي انجام ماموريت خود به آن ها نياز دارد. براي مثال ماهواره اي که مامور مطالعه کائنات است مجهز به تلسکوپ و ماهواره مامور پيش بيني وضع هوا مجهز به دوربين مخصوص براي ثبت حرکات ابرها است.

علاوه بر تجهيزات تخصصي، همه ماهواره ها داراي سيستمهاي اصلي براي کنترل تجهيزات خود و عملکرد ماهواره مي باشند. از جمله سيستم تامين انرژي، مخازن، سيستم تقسيم برق و ... . در هر يک از اين بخش ها ممکن است از سلول هاي خورشيدي براي جذب انرژي مورد نياز استفاده شود. بخش داده ها و اطلاعات نيز مجهز به رايانه هايي به منظور جمع آوري و پردازش اطلاعات به دست آمده از طريق تجهيزات و اجراي فرامين ارسال شده از زمين مي باشد.

هريک از تجهيزات جانبي و بخشهاي اصلي يک ماهواره به طور جداگانه طراحي، ساخته و آزمايش مي شوند. متخصصان بخشهاي مختلف را کنار هم گذاشته و متصل مي کنند تا زمانيکه ماهواره کامل شود و سپس ماهواره در شرايطي نظير شرايطي که هنگام ارسال از سطح زمين و هنگام استقرار در مدار خود خواهد داشت آزمايش مي شود. اگر ماهواره همه آزمايش ها را به خوبي گذراند آماده پرتاب مي شود.

پرتاب ماهواره

برخي ماهواره ها توسط شاتل ها در فضا حمل مي شوند ولي اغلب ماهواره ها توسط راکت هايي به فضا فرستاده مي شوند که پس از اتمام سوخت شان به درون اقيانوس ها مي افتند.بيشتر ماهواره ها در ابتدا با حداقل تنظيمات در مسير مدار خود قرار داده مي شوند. تنظيمات کامل را راکت هايي انجام مي دهند که داخل ماهواره کار گذاشته مي شوند. زمانيکه ماهواره در يک مسير پايدار در مدار خود قرار گرفت مي تواند مدت هاي درازي در همان مدار بدون نياز به تنظيمات مجدد باقي بماند.

انجام ماموريت

کنترل بيشتر ماهواره ها در مرکزي بر روي زمين است. رايانه ها و افراد متخصص در مرکز کنترل وضعيت ماهواره را تحت نظر دارند. آنها دستورالعمل ها را به ماهواره ارسال مي کنند و اطلاعات جمع آوري شده توسط ماهواره را دريافت مي نمايند. مرکز کنترل از طريق امواج راديويي با ماهواره در ارتباط است. ايستگاه هايي بر روي زمين اين امواج را از ماهواره دريافت و يا به آن ارسال مي کنند.

ماهواره ها معمولا به طور دائم از مرکز کنترل دستورالعمل دريافت نمي کنند. آنها در واقع مثل روبات هاي چرخان هستند.روباتي که سلول هاي خورشيدي خود را براي دريافت انرژي کافي تنظيم و کنترل مي کند و آنتن هاي خود را براي دريافت دستورات خاص از زمين آماده نگه مي دارد. تجهيزات ماهواره به صورت مستقل و اتوماتيک وظايف خود را انجام مي دهند و اطلاعات را جمع آوري مي کنند.

ماهواره ها ي موجود در ارتفاعات بلند مدار ژئوسينکرنوس در ارتباط هميشگي و دائم با زمين مي باشند. ايستگاه ها ي زمين مي تواند دوازده بار در روز با ماهواره هاي موجود در ارتفاع کوتاه ارتباط برقرار نمايند. در طول هر تماس ماهواره اطلاعات خود را ارسال و دستورالعمل ها را زا ايستگاه دريافت مي کند. تبادل اطلاعات تا زمانيکه ماهواره از فراز ايستگاه عبور مي کند مي تواند ادامه داشته باشد که معمولا زماني حدود 10 دقيقه است.

چنانچه قسمتي از ماهواره دچار نقص فني شود اما ماهواره قادر به ادامه ماموريت هاي خود باشد، معمولا همچنان به کار خود ادامه مي دهد. در چنين شرايطي مرکز کنترل روي زمين بخش آسيب ديده را تعمير و يا مجددا برنامه نويسي مي کند. در موارد نادري نيز عمليات تعمير ماهواره را شاتل ها در فضا انجام مي دهند. و اما چنانچه آسيب هاي وارد آمده به ماهواره به اندازه اي باشد که ماهواره ديگر قادر به انجام ماموريت هاي خود نباشد مرکز کنترل فرمان توقف ماهواره را صادر مي کند.

سقوط از مدار

يک ماهواره در مدار خود باقي مي ماند تا زمانيکه شتاب آن کم شود و در چنين حالتي نيروي گرانش ماهواره را به سمت پايين و به سمت اتمسفر مي کشاند. سرعت ماهواره هنگام برخورد با مولکول هاي خارجي ترين لايه اتمسفر کم مي شود. هنگامي که نيروي گرانش ماهواره را به سمت لايه هاي داخلي اتمسفر مي کشاند هوايي که در جلوي ماهواره قرار مي گيرد سريعا به قدري فشرده و داغ مي شود که در اين هنگام بخشي و يا تمامي ماهواره مي سوزد.

تاريخچه

در سال 1955 اتحاد جماهير شوروي تحقيقات خود را براي پرتاب ماهواره مصنوعي به فضا آغاز کرد. در تاريخ چهارم اکتبر 1957 اين اتحاديه ماهواره اسپاتنيک 1 را به عنوان اولين ماهواره مصنوعي به فضا ارسال نمود. اين ماهواره در هر 96 دقيقه يک دور کامل به دور زمين مي چرخيد و اطلاعات به دست آورده خود را به شکل سيگنال هاي راديويي قابل دريافت به زمين ارسال مي کرد. در تاريخ 3 نوامبر 1957 اتحاد جماهير شوروي دومين ماهواره مصنوعي يعني اسپاتنيک 2 را به فضا فرستاد. اين ماهواره حامل اولين حيواني بود که به فضا سفر کرد. سگي به نام لايکا. پس از آن ايالات متحده ماهواره کاوشگر1 را در تاريخ 31 ژانويه 1958 و ونگارد 1 را در تاريخ 17 مارس همان سال به فضا فرستاد.

نخستين ماهواره ارتباطي اکو1 در ماه آگوست سال 1960 از ايالات متحده به فضا فرستاده شد. اين ماهواره امواج راديويي به زمين مي فرستاد. در آوريل 1960 نيز اولين ماهواره هواشناسي تيروس 1 که تصاوير ابرها را به زمين ارسال مي کرد فرستاده شد.

نيروي دريايي آمريکا سازنده اولين ماهواره ردياب، ترانزيت 1ب در آوريل سال 1960 بود. به اين ترتيب تا سال 1965 در هر سال بيش از 100 ماهواره به مدارهايي در فضا فرستاده شدند.

از سال 1970 دانشمندان به کمک رايانه و نانو تکنولوژي موفق به اختراع سازه ها و تجهيزات پيشرفته تري براي ماهواره شده اند. علاوه بر ساير کشور ها ديگر سازمانهاي تجاري نيز مبادرت به خريداري و ارسال ماهواره نموده اند. در سالهاي اخير بيشتر از 40 کشور و از جمله ايران، ماهواره در اختيار دارند و نزديک به 3000 ماهواره در مدارها به انجام ماموريت هاي خود مي پردازند.

گرانش به هرچيزي بر روي زمين وزن مي دهد و منجر به سقوط اشيا به سمت زمين مي شود. در سطح زمين شتاب گرانش با g شناخته مي شود که حدود 10 متر در ثانيه است.

يک راکت قدرتمند به نام پرتاب گر به فضا پيما کمک مي کند تا بر نيروي گرانش غلبه کند. همه پرتاب گر ها داراي حداقل دو واحد راکت مي باشند. بخش اول بايد فشار لازم براي جدا شدن از سطح زمين را تامين کند. براي اين کار فشار اين پايه بايد متجاوز از وزن کل پرتاب گر و فضاپيما باشد.

پرتاب گر اين فشار را با سوزاندن سوخت و خارج کردن گاز ناشي از آن به دست مي آورد. سوخت موتور اين راکت ها ترکيب مخصوصي است به نام پروپلنت (propellant). اين سوخت ترکيبي از سوخت جامد، مايع و اکسيژنه، ماده اي که اکسيژن لازم براي سوخت را در فضا تامين مي کند، مي باشد. معمولا از اکسيژن مايع به عنوان اکسيژنه استفاده مي شود.

به حداقل شتاب لازم براي غلبه بر گرانش و ماندن در مدار، شتاب مداري مي گويند. اين شتاب حدودا g3 يعني سه برابر شتاب گرانش است. يک پرتاب گر معمولا ظرف 9 دقيقه به اين شتاب مي رسد. در ارتفاع 190 کيلومتري (120 مايل)، سرعت لازم براي اينکه يک فضا پيما شتاب مداري داشته باشد و در مدار بماند حدود 8 کيلومتر (5 مايل) در ثانيه است.

بيشتر راکت ها توسط يک وسيله نقليه به سکوي پرتاب آورده شده و سپس در مکان مناسب خود قرار مي گيرند. در اين هنگام پروپلنت از طريق لوله هايي مخصوص وارد محفظه سوخت راکت مي شود.

در لحظه پرتاب، موتور هاي راکت واحد يک روشن مي شوند تا زماني که نيروي فشارهاي ترکيب شده موتور ها از وزن راکت بيشتر شود. اين نيرو منجر به جدا شدن پرتاب گر از سکوي پرتاب مي شود. چنانچه پرتاب گري داراي چند واحد راکت باشد، راکت واحد يک پس از چند دقيقه سوخت خود را به پايان رسانده و از پرتاب گر جدا مي شود. در اين هنگام راکت واحد دو شروع به کار مي نمايد و چند دقيقه بعد سوخت آن نيز به اتمام رسيده و جدا مي شود. در صورت لزوم يک واحد کوچک راکت ديگر نيز روشن مي شود تا شتاب مداري به دست آيد.

پرتاب شاتل فضايي کمي با آنچه گفته شد متفاوت است. شاتل علاوه بر موتور هاي اصلي راکت، موتور هاي شتاب دهنده ديگري به نام بوستر(booster) با پروپلنت جامد دارد که باعث سوخته شدن پروپلنت مايع است.

نيروهاي حاصله از بوستر ها با نيروي موتور هاي اصلي ترکيب شده و منجر به جدا شدن پرتاب گر از سکو مي گردد. حدود دو دقيقه پس از پرواز، بوستر ها از شاتل جدا شده و توسط پاراشوت (چتر نجات) به زمين بر مي گردند. موتور هاي اصلي همچنان مشغول به کار باقي مي مانند تا زماني که شاتل تقريبا به شتاب مداري رسيده باشد. پس از آن موتور هاي کوچکي شاتل را در شتاب مداري نگه مي دارند.

براي رسيدن به مداري مرتفع تر، يک فضا پيما به راکت ديگري براي افزايش سرعت نياز دارد. زمانيکه سرعت فضا پيما 40% بيش تر از شتاب مداري باشد، اصطلاحا به شتاب فرار دست پيدا مي کند، يعني سرعت لازم براي رهايي از گرانش زمين.

بازگشت به زمين با مشکل سرعت بسيار بالاي فضاپيما و پايين آوردن اين سرعت همراه است. براي انجام اين کار، يک فضا پيما که گردش مداري دارد، از موتور هاي کوچکي براي تغيير مسير به سمت اتمسفر زمين استفاده مي کند. به اين عمل خروج از مدار و يا دي اربيت (de-orbit) گفته مي شود. فضا پيماهايي که از ماه و يا سيارات ديگر به زمين باز مي گردند نيز جهت خود را به سمت اتمسفر تغيير مي دهند. مقاومت هوا در اين ناحيه به صورت قابل توجهي از سرعت فضا پيما مي کاهد.

در شرايطي که سرعت فضا پيما هنگام ورود به اتمسفر بسيار زياد است، هوا نمي تواند با سرعت لازم از مسير فضا پيما بگريزد. در عوض مولکول هاي هوا در مقابل فضا پيما توده اي بسيار فشرده مي شوند. اين فشار بسيار زياد دماي هوا را تا 5500 درجه سانتيگراد بالاتر از دماي سطح خورشيد مي رساند. دماي به وجود آمده مي تواند فضاپيمايي بدون عايق را ظرف چند ثانيه بسوزاند.

صفحات عايق ساخته شده از الياف کوارتز که به بدنه برخي از فضاپيماها چسبانده مي شود عايق مناسبي براي اين دما مي باشد. سيستم هاي خنک کننده اي نيز ممکن است به کار روند. اخيرا فضاپيمايي داراي عايق هايي بود که گرما را لايه به لايه تبديل به بخار و جذب مي کرد.

اغلب مردم تصور مي کنند که گرم شدن فضاپيما ها به دليل اصطکاک و سايش آنها با هوا مي باشد. از لحاظ علمي اين باور صحيح نيست. هوا بسيار نازک است و سرعت برخورد آن با فضاپيما به قدري ناچيز است که نمي تواند مسبب اصطکاک زيادي باشد.

درمورد فضاپيما هاي بدون سرنشين يا کاوشگر ها، نيروي کاهش سرعت مي تواند بين g60 تا g90 در مدت زمان 10 تا 20 دقيقه باشد. شاتل ها براي ورود به اتمسفر از بال هاي خود استفاده مي کنند زمان کاهش سرعت بيش از 15 دقيقه و اندازه آن g2/11 است.

هنگامي که فضاپيما بيشتر سرعت خود را از دست داد، آزادانه در هوا به سمت پايين مي آيد. پاراشوت ها در اين هنگام سرعت را باز هم کمتر مي کنند همينطور ممکن است براي يک فرود آرامتر در آخرين ثانيه ها، يک راکت کوچک را روشن نمود. شاتل ها با استفاده از بالهاي خود مي توانند تا يک بزرگراه و يا فرودگاه پرواز و در آنجا فرود آيند. اخيرا يک کپسول فضايي ايالات متحده براي فرود از بالشتک هاي آب استفاده کرد و آنها را به درون اقيانوس انداخت.

فضايي که درست بالاي جو زمين است به طور کامل تهي نيست. اين فضا حاوي ذراتي از هوا، غبار فضايي و به طور محلي قطعاتي از فلزات يا مواد سنگي که به آنها احجار آسماني مي گويند،مي باشد. انواع متفاوتي از پرتو ها نيز در جريان اند. تا کنون هزاران ماهواره ي مصنوعي به اين منطقه از فضا ارسال شده اند.

ميدان مغناطيسي زمين از اتمسفر اين سياره فراتر رفته و در فضا قابل رويت است. اين ميدان مغناطيسي، ذرات الکتريکي موجود در فضا را جذب کرده و بدين ترتيب مناطقي از پرتو هاي راديويي به نام کمربندهاي ون آلن (Van Allen belts) ايجاد نموده است.

منطقه اي از فضا که در آن حرکت ذرات باردار تحت کنترل ميدان مغناطيسي زمين است ،مغناطيس کره (magnetosphere) ناميده مي شود. اين منطقه شبيه به قطره اشکي است که نقطه شروع آن نزديک خورشيد و به سمت زمين گسترده مي شود. ميدان مغناطيسي زمين فراتر از اين منطقه مغلوب ميدان مغناطيسي خورشيد مي گردد. اما وضع در مورد نيروي گرانش زمين کمي فرق دارد به اين صورت که اين نيرو تا فواصلي نظير 6/1 ميليون کيلومتر(1 ميليون مايل) همچنان تاثير گذار است و مي تواند ماهواره ها را در مدار خود نگه دارد.

فضاي بين سياره ها، فضاي ميان سياره اي ناميده مي شود. گرانش خورشيد حرکت سيارات را در اين منطقه کنترل مي کند و منجر به گردش سيارات به دور خورشيد مي شود.

فواصل زياد عموما سيارات را دور از يکديگر در فضاي ميان سياره اي نگه مي دارد. براي مثال زمين با فاصله 150 ميليون کيلومتر(93 ميليون مايل) از خورشيد در مدار خود در گردش است. فاصله سياره زهره از خورشيد 110 ميليون کيلومتر(68 ميليون مايل) است. هنگامي که سياره زهره درست بين زمين و خورشيد قرار مي گيرد کمترين فاصله با زمين يعني 40 ميليون کيلومتر(25 ميليون مايل) را دارا مي باشد.در چنين شرايطي فاصله زهره از زمين 100 برابر فاصله ماه از زمين است.

فضاي بين ستارگان، فضاي ميان ستاره اي ناميده مي شود. فواصل در اين منطقه بسيار زياد است به طوري که دانشمندان از واحد هاي کيلومتر و مايل استفاده نمي کنند. دانشمندان براي اندازه گيري فواصل در مقياس ميان ستاره اي از واحد سال نوري استفاده مي کنند. يک سال نوري برابر است با 46/9 تريليون کيلومتر(88/5 مايل). اين مقدار فاصله ايست که نور باسرعت خود يعني 792/299 کيلومتر(282/186 مايل) در مدت يک سال طي مي کند.

گازهاي متفاوت، لايه هايي از ابرهاي بسيار سرد غبار و تعداد کمي ستاره هاي دنباله داري که ميان ستارگان، سرگردانند همينطور اجرامي که هنوز به درستي کشف و شناسايي نشده اند، در فضاي بين ستاره اي وجود دارند.

دید کلی

سیاره مریخ

مطالعات یانگ

علت تفاوت رنگ اصلی و عینی

سیارات دو رنگ

• ماه که در پهنه فضا نقره‌ای به نظر می‌رسد، در واقع همچون قیر ، سیاه است.
  
  
• رنگ واقعی مریخ که آنرا نارنجی می‌بینیم، قهوه‌ای تیره است.
• چهره واقعی مشتری هیچ نشانی از رنگ قرمز باشکوه همراه با نوارهای نارنجی ندارد، بلکه به رنگ یکنواخت فیروزه‌ای است.
  
  

مقدمه

مریخ

ساختار نپتون

سیاره مانندها Asteroids

مقدمه

کاوشگر فضایی سفینه‌ای بی سرنشین است که برای کاوش منظومه شمسی به فضا پرتاب می‌شود. کاوشگر حامل تجهیزات و دوربینهایی جهت گردآوری اطلاعات و ارسال آن به زمین بصورت علایم رادیویی است. کاوشگرها از ستاره دنباله‌دار هالی دو سیارک و کلیه سیارات بجز پلوتون دیدن نموده‌اند و به خورشید نیز نزدیک شده‌اند، معمولا آنها از کنار سیارات یا قمرهایشان می‌گذرند و یا جهت نقشه برداری از سطح آنها در مدارشان می‌گردند و یا به منظور بررسی جزئیات محیط آنها فرود می‌آیند.

هدف از ساخت کاوشگرها حمل دوربینهای تلویزیونی و ابزارهای لازم برای جمع آوری اطلاعات به فضا است. این ابزارها اطلاعات حمع آوری شده به زمین را مخابره می‌کنند. موشک پرتاب ، تنها سرعت اولیه لازم را به کاوشگرهای فضایی می‌دهد و این موتورهای خود کاوشگر هستند که به آنها اجازه تغییر جهت می‌دهند.

انرژی کاوشگرهایی که به اکتشاف بین سیاره‌ای مشغولند، بوسیله سلولهای خورشیدی تأمین می‌شود، ولی انرژی کاوشگرهایی که در قسمتهای دورتر منظومه شمسی در حال اکتشاف هستند، بوسیله مواد رادیو اکتیو تأمین می‌شود. معمولا جهت آنتنهای رادیویی بطرف زمین است، تا از یک سو تصاویر و اطلاعات را به زمین بفرستد و از سوی دیگر دستورات لازم را از مرکز هدایت زمینی دریافت کنند.

وظایف مدار پیما

کاوشگری که در مدار یک سیاره قرار می‌گیرد، می‌تواند آن را از نزدیک مشاهده کند و تصاویری از آن رانیز به زمین بفرستد. این تصاویر سطح کامل سیاره مذکور را با جزئیات به تصویر می‌کشند. کاوشگرهایی که در مدار سیاره زهره می‌چرخیدند برای نفوذ در لایه ابرهای ضخیم و نقشه برداری سطح زیر آنها از رادار استفاده می‌کردند. کاوشگرها بدلیل سالها ماندن در مدار یک سیاره ، می‌توانند تغییرات سطح سیاره مذکور را ضبط کنند.

برای مثال ، مدار پیماهای وایکینگ به مدت 4 سال در مدار مریخ باقی ماندند و توانستند طوفانهای غباری در سطح مریخ را با جزئیات ضبط کنند. اگر در یک مأموریت از سفینه فرود استفاده شود، مدار پیما می‌تواند پیامهای ارسالی سفینه فرود از سطح یک سیاره یا قمر را گرفته و به زمین مخابره کند. پیامها در زمین بوسیله رایانه‌های مرکز هدایت تجزیه و تحلیل می‌شوند.

وظیف سفینه فرود

کاوشگرهای فرود به جمع آوری نمونه‌های خاکی و سنگی در سطح سیاره می‌پردازند. دانشمندان نمونه‌ها را از نظر ساختار شیمیایی مورد تجزیه قرار می‌دهند تا عناصر تشکیل دهنده آنها را کشف کنند. البته می‌توان این نمونه‌ها را به زمین آورد و در اینجا به مطالعه آنهاپرداخت. کاوشگرهای وایکینگ که در سال 1976 میلادی در سیاره مریخ فرود آمدند، آزمایشگاههای خود را به ابزار خودکار مجهز کرده بودند. این ابزار خاک را برای یافتن نشانه‌های حساس آزمایش می‌کردند. آنها همچنین هوای سیاره مریخ را مورد مطالعه قرار دادند. از دیگر کارهای آنها می‌توان به فرستادن تصاویر دقیق محلهای فرود در سیاره مریخ به زمین اشاره کرد.

می‌توان بقایای کاوشگرهایی که در سطح سیارات فرود آمده یا متلاشی شده‌اند را در مریخ ، زهره و ماه یافت. اکنون چهار کاوشگر فضایی سیارات منظومه شمسی را ترک کرده بسوی ستارگان دیگر رهسپارند.

مشخصات و وظایف کاوشگرها

اولین کاوشگری که از محدود منظومه شمسی خارج شد٬ پایونیر 10 بود که در 13 ژوئن 1983میلادی از مدار نپتون گذشت. این کاوشگر رهسپار ستاره راس 248 در صورت فلکی ثور است و انتظار می‌رود تا سال 2000 میلادی با زمین در ارتباط باشد. پایونیر 11 در جهت مخالف پایونیر 10 از منظومه شمسی خارج می‌شود.

ویجر 1 و 2 نیز تقریبا تا سال 2010 میلادی اطلاعاتی در مورد میدان انرژی خورشید مخابره خواهند کرد. انتظار می‌رفت کاوشگر گالیله که در سال 1989 میلادی پرتاب شده ٬ تا دسامبر 1997 میلادی اطلاعاتی درباره مشتری و چهار قمر بزرگ و درخشانش یعنی گانیمید ٬ کالیستو ٬ ‌آیو و اروپا به زمین مخابره کند. جوتو که فعالیتش بعد از ملاقات با ستاره دنباله‌دار هالی در سال 1986 میلادی متوقف شده بود٬ مجدداْ در سال 1992 میلادی برای رویارویی با ستاره دنباله دار گریگ - اسکیلرآپ بکار انداخته شد. بعدا به وضعیت سکون بازگردانده شد٬ ولی می‌توان در آینده آنرا فعال نمود.

مارینر 10 در سال 1973 میلادی برای مطالعه زهره ، عطارد پرتاب شد که هنوز به دور خورشید می‌چرخد ولی تماس با این کاوشگر در سال 1975 میلادی قطع شد. ماژلان که در سال 1989میلادی برای نقشه برداری از زهره با کمک رادار پرتاب شد٬ شش بار این سیاره را بررسی کرد و سپس در مدار پایینتری مستقر شد. در 12 اکتبر 1994 میلادی ماژلان به درون جو زهره فرو رفت و منهدم شد.

پایونیر 10 که در مارس 1972 میلادی پرتاب شده ٬ بسوی ستاره‌ای به نام راس 248 در صورت فلکی ثور حرکت می‌کند و 33 هزار سال دیگر به آن می‌رسد. پایونیر 11 ٬ که در آوریل 1973 میلادی پرتاب شد٬ اکنون در مسیر ستاره لاندا عقاب در صورت فلکی عقاب حرکت می‌کند و طی مدت تقریبا 74 میلیون سال از آن می‌گذرد. در سپتامبر 1995 میلادی ناسا سرانجام تماس با پایونیر 11 را متوقف کرد، زیرا نیروی کاوشگر برای اداره تجهیزاتش و انتقال اطلاعات ضعیف بود.

ویجر 1 که در سپتامبر 1977 پرتاب شد٬ بسوی ستاره‌ای به نام 3888 79 + AC در صورت فلکی زرافه در حرکت است و 40 هزار سال طول می‌کشد تا ویجر 2 که در اوت 1977 پرتاب شده به ستاره شعرای یمانی در صورت فلکی دب اکبر برسد. انتظار می‌رود کاوشگر اولیسه که در سپتامبر 1995 میلادی سفرش را از زیر قطب جنوبی خورشید به بالای قطب شمالی آن تکمیل کرد، در سال 2000 میلادی به قطبهای خورشید باز گردد.

کاوشگرهای وایکینگ 1 و 2 که در سال 1976میلادی به مریخ رسیدند٬‌ در اواسط دهه 1980 میلادی به فعالیت خود خاتمه دادند و در مدار بالاتری مستقر شدند. آنها همچنان تا دهه اول یا دوم قرن بیست و یکم در مدار مریخ می‌چرخند و سپس به این سیاره سرخ اصابت می‌نمایند. خاک نشین وایکینگ 2 فقط چهار سال کار کرد. هر دو کاوشگر وایکینگ استرلیزه شده بودند تا مبادا مریخ را آلوده کنند.

عطارد یا تیر نخستین و نزدیکترین سیاره منظومه شمسی به خورشید است. از نظر اندازه نسبت به دیگر سیارات بعد از پلوتو کوچکترین آنها نیز به حساب می آید. قطر آن 4880 کیلومتر است. این سیاره در یک مدار بیضی شکل به دور خورشید می گردد که خروج از مرکز آن 0.2506 است. نزدیکترین فاصله آن از خورشید تنها 9/45 میلیون کیلومتر دورترین فاصله آن 7/69 میلیون کیلومتر فاصله دارد. لذا همواره در اطراف خورشید حضور دارد و برای ما تنها در هنگام طلوع و غروب قابل رویت است. این سیاره بسیار گرم است و درجه حرارت سطح آن در هنگام روز به حدود 427 درجه سانتیگراد و در شب به 173 درجه زیر صفر کاهش می یابد. عطارد هر 88 روز یک بار یک دور به گرد خورشید می چرخد ( دوره تناوب نجومی ). در حالی که در مدت 5/58 روز یک دور به دور خود می چرخد ( حرکت وضعی ). در عطارد هیچ گونه جوی وجود ندارد، ولی برخی مطالعات وجود مقدار کمی گاز هلیوم را که گفته می شود از طریق بادهای خورشید به گرد این سیاره قرار گرفته اند اثبات می کند. شکل ظاهری این سیاره بسیار آبله گون است و چهره ای شبیه به کره ماه دارد.

حفره های کوچک ویا بزرگ بسیاری در سطح آن دیده می شود که حکایت از برخورد شهاب سنگهای کوچک و بزرگ دارد البته قطر برخی از دهانه ها به ده ها کیلومتر می رسد. برخی از این دهانه ها محل خروج مواد مذاب است که امروزه با سنگهای مذاب پر شده اند و مانند کوه های آتشفشانی هستند.
گرچه از گذشته نسبتاً دور، این سیاره با کمک تلسکوپ مورد مطالعه قرار می گرفت، ولی از سال 1974 میلادی با پرواز سفینه مارینر 10 از کنار عطارد چندین هزار عکس از دشتهای مسطح و گودالهای کم و بیش بزرگ، به ایستگاه های زمینی مخابره شد. مارینر 10 میدان مغناطیسی ضعیفی حدود 1 درصد میدان مغناطیسی زمین را در اطراف این سیاره کشف کرد. این سیاره به علت گرمای زیاد در روز و دمای بسیار پایین در شب و نبود جو و نداشتن آب به شکل مایع در سطح یا عمق آن هیچ گونه امکانی برای پیدایش شکلی از حیات ایجاد نکرده استدر عین حال عطارد هیچ قمر ی ندارد. در این حالت سنگهای این سیاره به شدت منبسط می شوند و پس از غروب آفتاب و شب طولانی آن دما به شدت پایین می رود. علت آن هم نبودن جو در اطراف این سیاره است که دما را تعدیل نمی کند. سرد و گرم شدن سنگها در شب و روز و استمرار این امر طی قرون و اعصار تنها یک نوع فرسایش مکانیکی در سطح این سیاره به وجود می آورد. که به متلاشی شدن سنگها می انجامد. اختلاف دما در دو سوی این سیاره در میان سیارات منظومه شمسی منحصر به فرد است.
تنها طوفانهای مغناطیسی از سوی خورشید مقداری اتم های هلیوم باردار را در اطراف میدان مغناطیسی این سیاره به دام انداخته و فشار جوی ناچیزی (به میزان کمتر از یک میلیاردیم فشار جوی زمین) ایجاد کرده است. برای خنثی کردن جاذبه سطحی این سیاره در خارج شدن از سطح آن تنها به سرعتی به اندازه 4.25 کیلومتر بر ثانیه نیاز است. در حالی که در مورد زمین این مقدار حدود 11 کیلومتر بر ثانیه می باشد که به این سرعت سرعت گریز می گویند.
نام کوئی پر، کاوشگر نامی سیارات نیز به یکی از گودالهای بزرگ سیاره عطارد به قطر 25 کیلومتر تعلق یافته است.
دانشمندان معتقدند بر اثر برخورد سهمگین یک شهاب سنگ با این سیاره در گذشته بسیار دور، امروزه در نقطه مقابل این برخورد رشته کوه هایی ظاهر شده اند. در هر حال شهاب سنگها سطح این سیاره را در امان نگذاشته اند. محل اصابت این برخورد عظیم که امروزه رشته کوههای بلند و مدوری آن را احاطه کرده که به حوضه کالوریس به قطر 1300 کیلومتر شهرت یافته است. چگالی این سیاره به میزان 4/5 گرم بر سانتیمتر مکعب تخمین زده شده که اندکی بیشتر از چگالی زمین است. این حقیقت دانشمندان را بر آن داشته است که تصور کنند مرکز این سیاره از فلزات سنگینی مانند آهن تشکیل شده است که با توجه به حرکت آرام چرخشی این سیاره به دور خود میدان ضعیف مغناطیسی در خود ایجاد کرده است. فشار بادهای خورشیدی این میدان ضعیف را در جهت مقابل به خورشید بسیار فشرده کرده و در پشت آن بسیار گسترانده است. گروهی دیگر از دانشمندان پیدایش میدان مغناطیسی در عطارد را به وجود میدان مغناطیسی سنگواره ای نسبت می دهند که از روزگاران قدیم حاصل شده و باقی مانده است. در هر حال علت واقعی این میدان معلوم نیست.


ویژگیهای عطارد

همان گونه که قبلاً اشاره شد عطارد نزدیکترین سیاره به خورشید است که در کنار جرم بزرگی به نام خورشید با آن جاذبه وحشتناکش قرار گرفته است. عطارد برای آن که در دل خورشید سقوط نکند و جذب آن نشود دست به مقابله زده است. برای این کار عطارد با سرعت سرسام آوری به گرد خورشید می چرخد و سریعترین سرعت چرخشی به دور مرکز منظومه شمسی را از آن خود کرده است. این سرعت به حدی است که یک سال این سیاره کمتر از سه ماه به طول می انجامد. مدار این سیاره بیضی شکل است و با فاصله اندکی (به طور متوسط 9/57 میلیون کیلومتر) از خورشید و از روی زمین این سیاره در اطراف خورشید دیده می شود. گاهی کمی بعد از غروب خورشید در بالا دست خورشید و زمانی که به آن سوی این ستاره می رسد قبل از طلوع آفتاب در بالای افق شرقی دیده می شود.
حداکثر فاصله زاویه ای که این سیاره با خورشید دارد حدود 28 درجه است ( از دید زمین ). هنگامی که زاویه کشیدگی این سیاره در حدود 10 درجه است، از درون تلسکوپ به صورت هلال باریکی دیده می شود. لیکن زمانی که می خواهد از پشت خورشید عبور کند قرص روشن خود را به ما نشان نمی دهد. با توجه به 7 درجه انحراف مدار گردش این سیاره به دور خورشید این سیاره در هر بار گردش از جلوی خورشید عبور نمی کند. بلکه از بالا یا پایین خورشید می گذرد. در طول 100 سال عطارد تنها دو بار همچون نقطه تاریک و سیاه رنگی از مقابل قرص خورشید عبور می کند. که به ترانزیت یا عبور معروف است که آخرین آن در سال 1383 بود.

نگاه اجمالی

تاکنون نظریات زیادی در مورد منشا منظومه شمسی و زمین ارائه شده است، در میان آنها ، دو نظر اساسی وجود دارد. اولی فرضیه برخورد نزدیک نام گرفته است. بر این پایه است که سیاره‌ها ، از مواد جدا شده از خورشید ، تشکیل شده‌اند. بر طبق آن ، کشش گرانشی یک ستاره یا دنباله‌دار به حدی بوده است که هنگام عبور از کنار خورشید مقداری از ماده آن را بیرون کشیده است. زمین ما عضوی از خانواده خورشید است.

منظومه شمسی نه سیاره اصلی تعداد زیادی قمر طبیعی (اقمار) ، تعداد زیادی سیارکها ، تعداد نامعلومی ستاره‌های دنباله‌دار به همراه شهابها ، شهاب سنگها به دور خورشید در حال گسترش هستند.

محتویات منظومه شمسی

تمامی اجرامی که تحت نیروهای گرانشی خورشید در مدارها در گردشند، منظومه شمسی را تشکیل می‌دهند. این اجرام بر اساس جرمشان در سلسله مراتب مشخص قرار دارند، در راس آنها خورشید واقع است، سپس سیارات ، اقمار و حلقه‌های آنها ، خرده‌های بین سیاره‌ای (ستاره‌های دنباله‌دار ، سیارکها ، شهابها) و در آخرین مرتبه گازها و گرد و غبار بین سیاره‌ای قرار دارند.

نظریه برخورد نزدیک

در اوایل قرن بیستم میلادی دو اخترشناس امریکایی نظریه برخورد نزدیک را ارائه دادند که بنا به عقیده آنها ، ذراتی از ماده خورشید ، در اثر برخورد نزدیک یک ستاره دیگر بیرون ریخته است. بعدا این ذرات به همدیگر پیوسته و اجرام بزرگی را تشکیل می‌دهند که از این اجرام بزرگ ، سیاره‌ها بوجود آمده‌اند.

فرضیه کانت – لاپلاس

نظریه مهم دیگر در سال 1755 میلادی (1134 شمسی) بوسیله فیلسوف آلمانی ، امانوئل کانت ، مطرح شد. نظر کانت به عقیده قابل قبول امروزی شبیه است. بر طبق آن ، منظومه شمسی از یک ابر گاز و غبار در حال چرخش ، شکل گرفته است. نظر کانت بوسیله ریاضیدان فرانسوی به نام پیر دو لاپلاس بسط داده شد. فرضیه کانت – لاپلاس ، یک ابر بسیار بزرگ از گازهای داغ را ترسیم می‌کند که به دور محور خود می‌چرخد. کانت و لاپلاس ، این ابر بزرگ را سحابی نامیده‌اند.

سرد شدن گاز سحابی ، باعث انقباض آن می‌شود. در این ضمن ، با انقباض جرم اصلی ، حلقه‌هایی از گاز در اطراف آن باقی می‌مانند. این جرم اصلی همان خورشید است. حلقه‌ها ، در اثر نیروی گریز از مرکز (نیرویی است که اجسام در حال چرخش را به طرف بیرون از مرکز چرخش می‌راند.) از مرکز دور می‌شوند. بنابراین فرضیه ، حلقه‌های جدا از هم ، منقبض شده و سیاره‌ها را بوجود آورده‌اند. دانشمندان در درستی این نظر تردید دارند، چرا که گازهای داغ گرایشی به انقباض ندارند، بلکه در فضا گسترش می‌یابند.

نظریه جدید ابرغبار

فیزیکدان آلمانی کارل فون وایتسزیکر بنیاد اصلی تئوری جدید ابر غبار را پیشنهاد کرد. بعد از آن اخترشناس امریکایی به نام جرارد کویپر نظر وایتسزیکر را به‌صورت تئوری جدید منشا منظومه شمسی تکمیل کرد. سیارات منظومه شمسی ، از همان گاز و غباری شکل گرفته‌اند که خورشید از آن پدید آمده است. ابر بزرگ با گردش خود در فضا به بخشهای کوچکتری تقسیم شده است.

ذرات موجود در این بخشها ، همدیگر را جذب کرده‌اند و سرانجام سیاره‌ها را بوجود آورده‌اند. بیشتر مواد ابر اصلی در اثر تابش خورشید از آن دور شده‌اند، ولی پیش از آنکه خورشید ، حالت ستاره به خود گیرد، اندازه سیاره‌ها به حدی رسیده بود که می‌توانستند در مداری به دور آن باقی بمانند یا گردش کنند.

شکل گیری منظومه شمسی

شکل گیری منظومه شمسی از دید دینامیک

منظومه شمسی یک ساختار منظم را برحسب خواص فیزیکی‌اش نشان می‌دهد، بطوری که اگر از بالای قطب شمال خورشید دیده شود، منظومه شمسی قواعد زیر را پیدا می‌کند:

·        سیارات در خلاف جهت عقربه‌های ساعت در اطراف خورشید می‌گردند، خورشید نیز در همان جهت به دور خود می‌چرخد.

·        به استثنای عطارد و سیاره پلوتو ، اکثر سیارات دارای صفحات مداری هستند که فقط بطور جزئی با صفحه دایرة‌البروج شیب دارند، مدارها تقریبا هم صفحه هستند.

·        به استثنای عطارد و پلوتو ، سیارات در مدارهایی می‌گردند که خیلی به دایره نزدیک هستند.

·        به استثنای زهره و سیاره اورانوس ، سیارات در خلاف جهت عقربه‌های ساعت (یعنی در همان جهت حرکت مداریشان) به دور خود می‌چرخند.

·        اکثر قمرها در همان جهتی که سیارات مادرشان به دور خود می‌چرخند و در نزدیکی صفحات استوایی سیارات قرار دارند.

·        ستاره‌های دنباله‌دار با دوره تناوب طولانی ، مدارهایی دارند که از همه جهات و زوایا می‌آیند، بر خلاف مدارهای هم صفحه سیارات ، اقمار ، سیارکها و ستاره‌های دنباله‌دار با دوره تناوب کوتاه.

·        سه عدد از سیارات مشتری‌گون شناخته شده‌اند که دارای حلقه هستند.

شکل گیری منظومه شمسی از دید شیمی

گالیلئو گالیله در سال 1564 در پیزا واقع در ایتالیا متولد شد وی تا 19 سالگی تمام مطالعات خود را در ادبیات متمرکز کرده بود تا یانکه روزی در یکی از مراسم مذهبی کلیسا مشاهده چهل چراغی که در بالای سرش نوسان می کرد توجه او را جلب کرد او هنگام مشاهده توجه کرد که هر چند دامنه نوسان هر بار کوتاهتر می شود لیکن زمان نوسان همواره ثابت باقی می ماند اغلب انسانها شاید در این مشاهده چیز خاصی را نمی یافتند ولی گالیله از روح کنجکاوی و پژوهشگر دانشمندان برخوردار بود او از آن لحظه شروع به اجرای یک رشته آزمایشهای عملی کرد به این ترتیب که وزنه هایی را به یک ریسمان بست و از محلی آویزان نمود و آنها را به این سو و آن سو به نوسان درآورد در آن دوران هنوز ساعتهای دقیق با عقربه ثانیه شمار نبود و بنابراین گالیله برای اندازه گیری زمان حرکات وزنه های آویزان و در حال نوسان از ضربات نبض خود سود می جست او دریافت که مشاهداتش در کلیسای جامع پیزا صحت دارد. اگر چه دامنه نوسان هر بار کوتاهتر می شد اما هر نوسان زمان مشابه نوسانهای قبلی را در بر می گرفت به این ترتیب گالیله قانون آونگ را کشف کرده بود قانون آونگ گالیله امروزه همچنان در امور گوناگون به کار می رود مثلاٌ‌ برای اندازه گیری حرکات ستارگان و یا مهار روند کار ساعتها از این قانون استفاده می کنند آزمایشهای او در باره آونگ آغاز فیزیک دینامیک جدید بود واکنشی که قوانین حرکت و نیروهایی را که باعث حرکت می شوند در بر می گیرد گالیله در سال 1588 در دانشگاه پیزا مدرک دکتری(استادی) گرفت و در همانجا برای تدریس ریاضیات باقی ماند.

او در 25 سالگی دومین کشف بزرگ علمی خود را به انجام رسانید کشفی که باعث از بین رفتن یک نظریه به جا مانده دو هزار ساله شد و دشمنان زیادی برایش افرید در دوران گالیله بخش بسیاری از علوم بر اساس فرضیه های فیلسوف بزرگ یونانی – ارسطو که در قرن 4 پیش از میلاد می زیست بنا شده بود اثر او به عنوان مرجع و سرچشمه تمامی علوم به شمار می آمد هر کس که به یکی از قانونها و قواعد ارسطو شک می کرد انسان کامل و عاقلی به شمار نمی آمد یکی از قواعدی که ارسطو بیان کرده بود این ادعا بود که اجسام سنگین تندتر از اجسام سبک سقوط می کنند گالیله ادعا می کرد که این قاعده اشتباه است به طوری که می گویند او برای اثبات این خطا از استادان هم دانشگاهی خود دعوت به عمل آورد تا به همراه او به بالاترین طبقه برج مایل پیزا بروند گالیله دو گلوله توپ یکی به وزن 5 کیلو و دیگری به وزن نیم کیلو با خود برداشت و از فراز برج پیزا هر دو گلوله را به طور همزمان به پایین دها کرد در کمال شگفتی تمام حاضران در صحنه مشاهده کردند که هر دو گلوله به طور همزمان به زمین رسیدند گالیله به این ترتیب یک قانون فیزیکی مهم را کشف کرد(سرعت سقوط اجسام به وزن آنها بستگی ندارد).

در همین موقع گالیله مشغول مطالعه بود که ناگهان شایع شد که در سوئیس عدسی‌ها را با هم ترکیب کرده اند وتوانسته اند اجسام را از مسافات دور مشاهده نمایند از این موضوع اطلاع صحیحی در دست نیست ولی اینطور مشهور است که زاخاری یانسن که در میدلبورک عینک ساز بود اولین دوربین نزدیک کننده اشیاء را بین سالهای 1590 و 1609 ساخته بود ولی عینک ساز دیگری بنام هانس یپرشی اختراع او را با تردستی از او می رباید و در اکتبر 1608 امتیاز آن را به نام خود ثبت می نماید گالیله هم در این موقع موفق به ساختن دوربین مشابهی گردید ولی این دستگاه قدرت زیادی نداشت اما مطلب مهم این بود که اصل اختراع کشف شده بود و ساختن دوربین قوی تر فقط کار فنی بود. این دوربین به رئیس حکومت ونیز تقدیم شد و در کنار ناقوس سن مارک گذاشته شد سناتورها و تجار ثروتمند در پشت دوربین قرار گرفتند و همگی دچار حیرت و تعجب شدند چون آنها خروج مؤمنین را از کلیسای مجاور و کشتیهایی را که در دورترین نقاط افق در حرکت بودند مشاهده نمدند ولی گالیله فوراٌ دوربین را به طرف آسمان متوجه ساخت مشاهده مناظری که تا آن زمان هیچ چشمی قادر به تماشای آن نبود شور و شعفی فراوان در گالیله به وجود آورد گالیله مشاهده نمود که ماه بر خلاف گفته ارسطو که آن را کره ای صاف و صیقلی می دانست پوشیده از کوه ها و دره هایی است که نور خورشید برجستگی های آنها را مشخص تر می سازد به علاوه ملاحظه نمود که چهار قمر کوچک به دور سیاره مشتری در حرکت هستند و بالاخره لکه های خورشید را به چشم دید دانشمند بزرگ در سال 1610 تماماین نتایج را در جزوه ای به نام کتاب قاصد آسمان انتشار داد که موجب تحسین و تمجید بسیار گشت ولی انتشار کتاب قاصد آسمان قط تحسین و تمجید همراه نداشت بلکه جمعی از مردم بر او اعتراض کردند و از او می پرسیدند چرا تعداد سیارات را 7 نمی داند و حال آنکه تعداد فلزات 7 است و شمعدان معبد 7 شاخه دارد ودر کله آدمی 7 سوراخ موجود است گالیله در جواب تمام سؤالات فقط گفت با چشم خود در دوربین نگاه کنید تا از شما رفع اشتباه شود.

مشاهدات و پژوهشهای گالیله او را به این وادی رهنمون شدند که فرضیه های علمی را که بر اساس آنها زمین در مرکزیت عالم قرار داشت و خورشید و سارگان به دور آن می گشتند مردود می شمرد. نزدیک به نیم قرن پیش از آن کوپرنیک اثر بزرگ خود را که طی آن ثابت کرد خورشید در مرکز دستگاه ستاره ای ما نیست و زمین و سیاره ها به دور آن می گردند- در معرض اذهان عموم قرار داده بود. این فرضیه کوپرنیک مورد لعن و نفرین کلیسا قرار گرفته بود و زمانی که گالیله اشکارا اعلام داشت که این فرضیه صحت دارد و او با آن موافق است، نظریه کوپرنیک بدست فراموشی سپرده شده بود اعلامیه گالیله اعتراضات شدید را برانگیخت روحانیون عالی مقام کلیسای کاتولیک دوباره خشمگینانه فرضیه کوپرنیک را به شدت محکوم کردهو آن را مطرود شمردند گاللیه با شخصیتهای بزرگی مانند کاردینال بلارین و کاردینال باربرینی سابقه دوستی داشت که از او حمایت می کردند ولی این شخصیتهای بزرگ نتوانستند مانع آن نبود و روحانیون برای هر چیز غیر از کتاب مقدس و ارسطو ارزش قائل نبودند و کلیسا هرگز اجازهنمی داد که یک فرد غیر روحانی کتاب مقدس را به مطابق میل خود تغییر دهد. چون این کار ممکن نبود طبعاٌٌ می بایست گاللیه محکوم شود و حتی اگر خود پاپ هم صمیم قلب معتقد به عقاید کوپرنیک بود محاکمه گالیله و محکومیت او اجتناب ناپذیر بود در سال 1632 که دوست کاردینال باربرینی بنام اوربن هفتم پاپ شده بود از موقعیت استفاده کرد و ضربت بزرگی را وارد نمود وی کتابی به زبان ایتالیایی منتشر کرد که در آن سه نفر مشغول گفتگو هستند یکی از آنها بطلمیوس و دو نفر دیگر از کوپرنیک دفاع می کنند. با انتشار این کتاب خشم و غضب روحانیون چند صد برابر گشت و بدتر از همه اینکه برای شخص پاپ این سوءتفاهم ایجاد شد که شخص ابله واحمقی در مکالمات از بطلمیوس دفاع می کند خود اوست. گالیله را به رم احضار کردند و او را در منزل یکی از اعضای عالی رتبه دیوان تفتیش عقاید جای دادند در همین اوقات دختر پدر مقدس مشغول تهیه ادعانامه او بود و در روز 20 ماه ژوئن 1633 محکوم را به آنجا احضار کردند و در 22 ژوئن وادارش نمودند که توبه نامه زیر را امضاء کند.

در هفتادمین سال زندگی در مقابل شما به زانو درآمده ام و در حالی که کتاب مقدس را پیش چشم دارم و با دستهای خود لمس می کنم توبه می کنم و ادعای خالی از حقیقت حرکت زمین را انکار می کنم و آنرا منفور و مطرود می نمایم.

گالیله بعد از محاکمه در منزل دوستش پیکولومینی اسقف شهر سین محبوس شد ولی بعد از مدتی به او اجازه داده شد تا در خانه ییلاقی خود واقع در آرستری اقامت کند.

گالیله تا دم مرگ بر اعتقاد خویش پای برجا ماند او به طور پنهانی به آزمایش‌های تجربی خود ادامه داد و پیش از آنکه در سال 1642 در آستری در حومه فلورانس دار فانی را وداع گوید دو کتاب ارزشمند دیگر را نیز به رشته تحریر درآورد آثار او نخست در سال 1835 از سوی کلیسای کاتولیک از لیست سیاه،(لیست کتابهای ممنوعه) خارج شد و اجازه انتشار یافت امروزه ما به گالیله به عنوان یک پژوهشگر سخت کوش که بشریت بسیار به او مدیون است احترام می گذاریم او به جهان نشان داد که یک دانشمند باید آزادی را داشته باشد که نظریه هایی را که اشتباه هستند نقد کند و نظریه های جدیدی را بنیان گذارد او همچنین نشان داد که یک دانشمند نباید خود را گرفتار دستورها و یا روایات دینی تحریف شده کند.

زندگی نامه

نیکولاس کوپرنیک در سال 1473 در شهر تورن واقع در لهستان متولد شد و چون پدرش را از دست داده بود تربیت و پرورش او بدست عمویش انجام گرفت، عمویش که یکی از کشیشان بزرگ بود او را برای تحصیل به دانشگاه کراکووی فرستاد. کوپرنیک در 23 سالگی برای تحصیل در رشته طب به دانشگاه پادو وارد شد و ضمنا در دانشگاه بولونی تحصیل نجوم می‌کرد، طولی نکشید که در اثر بروز استعداد خویش یک کرسی تدریس ریاضیات را بدست آورد.

کوپرنیک در سن 25 سالگی به شهر رم آمد، او در دانشگاه رم استاد اخترشناسی شد و به شاگرادنش علوم آسمان شناسی نقل شده از دورانهای پیشین را که اختر شناس یونانی بطلمیوس حدود 1370 سال قبل از زمان او بنیان نهاده بود تدریس می‌کرد. او در سال 1501 پس از چند سال تحقیق در ایتالیا به وطن خود بازگشت و در آنجا به عنوان متولی کلیسای جامع شهر فرائن بورگ در پروسیا و دبیر و مشاور عمویش در منطقه ارم لند بکار پرداخت. او به عنوان کشیش کلیسای شهر مراسم مذهبی را رهبری می‌کرد و به عنوان پزشک به معالجه بیماران می‌پرداخت. کوپرنیک در 24 مه سال 1543 وفات یافت. 

 اصل پیشنهادی کوپرنیک

در تصویر بطلمیوس از نظام عالم زمین مرکز عالم است و سیارات هر یک در دایره‌ای که شعاع آن فاصله سیاره تا زمین است به گرد زمین می‌چرخند. این نظریه پاکیزه و مرتب بود و می‌شد از آن برای محاسبات مداری سیاره‌ها نیز استفاده کرد. اما هر چه که بود نظریه‌ای غلط بود و باید 1700 سال می‌گذشت و مشاهدات نجومی با دقت کافی امکان پذیر و انجام می‌شد تا زمینه به زیر سؤال رفتن آن فراهم می‌گردید. آغازگر انقلاب علمی که سرانجام علم یونان را از تخت به زیر کشید نیکولاس کوپرنیک بود که با کار خود انسان اندیشگر را در مسیر خلاقیت بهتری قرار داد.

بر اساس نظریه بطلمیوس عالم از شرق به غرب به دور زمین می‌گردد، ولی کوپرنیک خود از آنچه که درس می‌داد ناراضی بود. بسیاری از چیزهایی که او مشاهده کرده بود با این فرضیه قابل توجیه و بیان نبود و خود فرضیه نیز دارای تضادها و تناقضهایی بود. مثلا چرا ستارگان در مقایسه با ماه سریعتر حرکت می‌کردند تا در مقایسه با خورشید؟ به همین جهت تصمیم گرفت کرسی استادی خود در دانشگاه را ترک کند تا بتواند عمیقتر و اصولی‌تر به پژوهش در دانش اختر شناسی بپردازد. به عنوان مخترع یک سیستم جدید سد بندی و ذخیره آب با یک آسیای آبران اختراع کرد که بوسیله آن آب آشامیدنی از یک رودخانه که در فاصله 3 کیلومتری قرار داشت به داخل شهر هدایت می‌شد و بالاخره به عنوان ریاضیدان و حسابدار یک روش پولی سکه‌ای جدید برای پروسیای غربی و پادشاهی لهستان بنا نهاد.

از آنجایی که نخستین تلسکوپ سالها پس از مرگ او اختراع شد، مجبور بود برای پژوهش در زمینه حرکات اجرام آسمانی تنها به چشمان خود متکی باشد. او برای اینکار دستور داد در اتاق مطالعه‌اش در برج کلیسا شکافهایی در سقف ایجاد کنند او می‌توانست شبها مشاهده کند که ستارگان چگونه بر فراز این شکافها عبور می‌کنند. وی در سال 1507 دریافت که اگر بجای زمین ، خورشید مرکز عالم فرض شود جداول نجومی موقعیت مکانی سیارات با دقت بس بهتری قابل محاسبه است.

موقعیت یابی سیارات

ترتیب جدیدی که کوپرنیک برای موقعیت سیارات بر پایه افزایش فاصله آنها تا خورشید در نظر گرفت – یعنی ترتیب: عطارد، زهره ، زمین ، ماه ، مریخ ، مشتری و زحل جای ترتیب قبلی در نظریه زمین مرکزی را گرفت. بنابر اصل پیشنهادی کوپرنیک چنانچه مدار گردش زمین به دور خورشید از مدارات مشتری و زحل تنگتر باشد زمین متناوبا‌ از آنها پیش افتاده ، سبب می‌شود آن دو در آسمان شب در حال چرخش در جهت معکوس به نظر آیند. دیگر اینکه پدیده تقدیم اعتدالین را اینک می‌شد با فرض تکان خوردن زمین (لرزش خفیف شبیه لرزش ژله) حین چرخش به دور محور خود توضیح داد.

اعتدالین به هنگام عبور خورشید از صفحه مدار بر استوای زمین رخ می‌دهند و برابری طول شب و روز در سراسر کره زمین را سبب می‌شوند اعتدال بهاری حوالی اول فروردین ماه و اعتدال پاییزی در حوالی آخر شهریور رخ می‌دهد، مشکل در آن زمان این بود که اعتدالین هر سال اندکی زودتر رخ می‌دادند و نظریه قدیمی بطلمیوس قادر به توضیح آن رویداد نبود. پیدایش فصول سال نیز اگر زمین در سال یکبار به دور خورشید می‌چرخید و محور آن با راستای قرار گرفتن خورشید زاویه می‌ساخت، بهتر قابل توضیح بود.

خورشید مرکزی یا زمین مرکزی

کوپرنیک ثابت کرد که در حقیقت این خورشید است که در مرکز جهان ما قرار دارد و زمین – مانند معدودی از اجرام آسمانی بزرگ دیگر که او مشاهده کرده بود، به دور خورشید در گردش است. او این سیاره‌ها را پلانت نامید که از واژه‌ای یونانی به معنای مهاجر گرفته شده است و شامل سیاراتی است که پیش از این ذکر شد. کوپرنیک درباره ماه فرضیه بطلمیوس را تأیید می‌کرد و به این باور بود که ماه واقعا‌ به دور زمین می‌چرخد، در حالیکه زمین به دور خورشید می‌گردد و ماه به عنوان قمر زمین به همراه آن به دور خورشید می‌گردد.

آثار بجا مانده از کوپرنیک

کوپرنیک تقریبا‌ چهل سال برای تکمیل پژوهشهای اختر شناسی خود وقت صرف کرد، با پایان یافتن پژوهشها ثابت کرد که تصویر جهانی بطلمیوس اشتباه است، خورشید و سایر ستارگان فقط در ظاهر به دور زمین می‌گردند. کوپرنیک تا اواخر عمر خود از چاپ کامل نظرات خارق العاده خویش خودداری کرد و تنها در سال 1543 بود که گفتار درباره چرخش کرات سماوی او انتشار یافت. افکار آماده در کتاب کوپرنیک بنیادی‌تر از آن بود که بتوان آنها را جدی گرفت، یک نسخه چاپ شده از آثارش درست قبل از مرگ در بستر بیماری بدست او رسید.

چون او در این آزمایش بیش از 70 سال سن داشت و مفلوج و تقریبا نابینا بود، بعید به نظر می‌رسید که موفق به دیدن این اثر بزرگ چاپی شده باشد، اثری که او برای خلق و ایجاد آن تمام عمرش را صرف کرده بود. چند روز پس از انتشار کتابش بدون آنکه بداند چه خدمت ارزنده‌ای به جهان بشریت کرده ، دار فانی را وداع گفت. سرانجام پس از گذشت 150 سال از مرگش دانشمندان اندیشه‌های او را پذیرفتند. کوپرنیک امروزه بیش از چهار سده پس از مرگش ، یکی از بزرگترینها در قلمرو دانش به شمار می‌رود.