با وجود گرمای خورشید چرا سرمایی شدید در فضا حکم‌فرماست؟

خورشید یک گوی آتشین گازی است که دمای هسته‌‌‌ی آن به 15 میلیون درجه سلسیوس و دمای سطحش به 5600 درجه می‌رسد. پس چرا با وجود گرمای خورشید فضا به شدت سرد است؟

برخلاف زیستگاه ماه که شرایطی متعادل دارد؛ منظومه شمسی پر است از دماهای افراطی؛ تا جایی که به محض خروج از اتمسفر زمین، با دمای منفی 270 درجه سانتی‌گراد مواجه می‌شویم. اما اگر گرمای خورشید به سیاره ما می‌رسد؛ آیا نباید فضای اطراف زمین را هم گرم کند؟

گرما در کیهان به صورت پرتو یا تشعشع انتقال می‌یابد؛ موج مادون قرمز انرژی که از اشیای گرم‌تر به سمت اشیای سردتر حرکت می‌کند. این امواج پس از تماس با هر چیزی، با برانگیختن مولکول‌های آن باعث گرم شدنش می‌شوند. گرمای خورشید هم از همین طریق به زمین می‌رسد. اما نکته اینجاست که انرژی تابشی، تنها اجسام و موادی را گرم می‌کند که درست در مسیر مستقیمش قرار داشته باشند؛ هر چیزی خارج از این خط مستقیم، سرد باقی می‌ماند.

مثلا عطارد را درنظر بگیرید: دمای شب در این سیاره می‌تواند بیش از 500 درجه سانتی‌گراد، سردتر از دمای روز در بخشی‌هایی از آن باشد که پرتوی خورشید را دریافت می‌کنند.

پس چرا روی زمین، محیط اطراف گرم باقی می‌ماند؛ حتی در سایه یا شب‌های تاریک برخی فصول؟ دلیلش این است که گرما در سیاره آبی ما به جای یک روش، از سه طریق حرکت می‌کند: رسانش (conduction)، هم‌رفت (convection) و پرتو (radiation).

در کره زمین گرمای خورشید به سه روش جابه‌جا می‌شود

وقتی با تابش خورشید، مولکول‌ها در اتمسفر زمین گرم می‌شوند؛ حرارت مازاد را به مولکول‌های اطراف خود می‌دهند. آن‌ها نیز به نوبه‌ی خود، همسایگان‌شان را گرم می‌کنند. این انتقال مولکول به مولکول حرارت، رسانش یا هدایت نام دارد.

در واقع، واکنشی زنجیری است که مناطق خارج از مسیر مستقیم خورشید را گرم می‌کند. اما در فضای تهی و خلا، مولکول‌های گاز آن‌قدر کم و دور از هم هستند که با یکدیگر تماس پیدا نمی‌کنند. پس حتی اگر با امواج اینفرارد خورشید گرم شوند، قادر به انتقال گرمای خورشید از طریق رسانش نیستند.

این موضوع در مورد هم‌رفت یا وزش هم صدق می‌کند؛ نوعی از انتقال حرارت که تنها در محیط‌های دارای جاذبه اتفاق می‌افتد. بنابراین هم‌رفت برای پراکندن دما در سراسر زمین، نقش مهمی ایفا می‌کند؛ اما در فضا با جاذبه‌ی صفر، نقشی ندارد.

«الیزابت آبل» مهندس حرارت در پروژه DART ناسا با آگاهی از همین موارد، چندین وسیله و دستگاه را برای ماموریت‌های بلند مدت فضایی طراحی کرده است. دانش او به ویژه هنگام کار روی کاوشگر خورشیدی پارکر مفید واقع شد.

همان‌طور که از نامش پیداست، این فضاپیما بخشی از ماموریت ناسا برای مطالعه روی خورشید است. کاوشگر پارکر با زوم کردن روی خارجی‌ترین لایه از اتمسفر ستاره که تاج خورشیدی (corona) نام دارد، اطلاعات جمع‌آوری می‌کند.

در آوریل 2019، پارکر به فاصله 25 میلیون کیلومتری خورشید رسید؛ جهنمی که پیش‌تر هیچ فضاپیمای دیگری نزدیک آن هم نشده بود. این به لطف سپر حرارتی پارکر ممکن شد که مهندسان در یک سمت آن نصب کرده بودند. آن‌طور که آبل توضیح می‌دهد:

وظیفه‌ی سپر حرارتی این بود که مانع تماس پرتوی خورشید با فضاپیما بشود. نتیجه اینکه وقتی سپر، گرمای خورشید را تا 120 درجه سانتی‌گراد حس می‌کرد؛ دمای خود فضاپیما بسیار پایین‌تر بود و به منفی 115 درجه می‌رسید.

البته همین اختلاف فاحش دما هم چالش‌هایی به همراه داشت؛ زیرا برخی از تجهیزات فضاپیما باید سرد باقی می‌ماندند و برخی اجزای دیگر برای کارکرد صحیح، نیازمند گرم شدن بودند.

شاید این تغییر دمای صدها درجه‌ای، دیوانه‌وار به نظر برسد؛ اما اوضاع در فضا به همین منوال است و در واقع، زمین را باید تافته جدا بافته بدانیم. سیاره ما در میان سرمای سوزناک و گرمای جان‌گداز، اعتدال را حفظ می‌کند؛ حداقل فعلا که این‌گونه است.