نگاه اجمالی
انسان کنجکاو همواره در جریان پیشرفت علوم مختلف از فضای بالای سر خود غافل نبوده است. و تلاش فوق‌العاده زیادی را جهت گشودن اسرار آن انجام داده‌است. انواع ماهواره‌های فضایی ، سفینه‌های فضایی ، تلسکوپهای گوناگون از جمله ابزار و وسایلی هستند که در این راستا توسط انسان ایجاد شده‌اند.
فیزیک فضا یکی از این شاخه‌های علم فیزیک است که تا اندازه‌ای پاسخگوی هزاران سوال موجود در ذهن بشر در مورد فضا می‌باشد. بخشی از فیزیک فضا که در آن اجرام آسمانی مورد مطالعه قرار می‌گیرد، مکانیک سماوی است. در این بخش نیروهای موثر بر حرکت اجسامی نظیر سیارات ، ماهواره‌ها و پروپهای مصنوعی مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
قوانین کپلر
در سال 1619 ، کپلر در مورد حرکت سیارات سه قانون اساسی خود را با استفاده از مشاهدات تیکو براهه بیان کرد. قوانین کپلر که پایه و اساس قوانین نیوتن و مکانیک کلاسیک برای حرکت سیارات است، عبارتند از :
حرکت سیارات به دور خورشید در یک مدار بیضوی انجام می‌گیرد که خورشید در یکی از کانونهای آن بیضی قرار دارد.
مدار یک سیاره به دور خورشید ، سطحی را تشکیل می‌دهد که این سطح جاروب شده توسط خط واصل بین سیاره و خورشید با زمان حرکت سیاره نسبت مستقیم دارد.
نسبت بین مربع دوره تناوب گردش هر سیاره و مکعب نصف محور بزرگ مدار بیضوی ، در مورد هر سیاره منظومه شمسی عدد یکسانی است.
فیزیک اتمسفر
فیزیک فضا یک علم بسیار جدید است. با وجود این یک تکنولوژی مهم سبب حل بسیاری از ناشناخته‌های قبلی بوده است. محیط ، فضایی از اندرکنش‌های زیادی مانند نیروی گرانشی ، ماگنتواستاتیک ، الکترواستاتیک ، الکترومغناطیس و ... ، نسبت به زمان تغییرات مهمی را نشان می‌دهد که طبیعت ترکیب و توزیع ماده ، دمای گاز بین ستاره‌ای را تغییر می‌دهد.
در فیزیک اتمسفر پارامترهای مهم معین در هر نقطه از اتمسفر مانند فشار ، چگالی ، دما ، میدان مغناطیسی زمین ، میدان الکتریکی ، تابش الکترومغناطیسی موجود در اتمسفر ، ذرات باردار و شهاب سنگها مورد مطالعه قرار می‌گیرند.
برهمکنش نور خورشید با اتمسفر
انرژی تابش خورشیدی در مسیر فاصله خورشید تا زمین در اثر برخورد با گازهای موجود در اتمسفر زمین در فرایندهای مختلفی شرکت می‌کند. در اثر این فرایندها قسمت اعظمی از تابش خورشیدی که برای انسان و موجودات زنده زیان آور است، جذب می‌گردند. تعدادی از این پدیده‌های برهمکنشی عبارتنداز:
جذب تابش در اتمسفر: در اتمسفر زمین عناصری مانند اوزن ، اکسیژن ، ازت ، هلیوم ، گاز کربنیک ، هیدروژن و گازهای دیگر وجود دارد. همچنین می‌دانیم که امواج الکترومغناطیسی از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده‌اند. این فوتونها بعد از گسیل از خورشید توسط عناصر موجود در جو زمین تحت فرایندهای مختلف مانند پدیده فوتوالکتریک ، اثر کامپتون و ... جذب می‌شوند.
پدیده یونش: در اثر برهمکنش فوتون با گازهای موجود در جو زمین ، این گازها یونیزه می‌شوند. اتمهای یونیزه دوباره در اثر برخورد با الکترونهای موجود در اتمسفر در فرایند ترکیب مجدد شرکت می‌کنند. این فرایندها همچنین در جو زمین انجام می‌شوند. یکی از نتایج این فرایندها ایجاد پلاسما در اتمسفر می‌باشد.
تابش فیزیک امواج کوتاه خورشیدی
اکنون تکنولوژی پژوهشهای فضایی توسعه یافته است و اطلاعات غیر مستقیم تابش خورشیدی که موجب یونش می‌شوند، به حد کافی مورد مطالعه قرار گرفته است. اطلاعات اولیه حاصل از پرتاب موشکها ، اشعه ایکس تابشی ناشی از خورشید ، ، خطوط طیفی لیمن ذره آلفا را نتیجه داده است. با دستگاههای مجهزتر می‌توان طیف فیزیک امواج کوتاه خورشید را عکسبرداری کرد و اثر فوتوالکتریکی را با موشکها مشاهده کرد.
پدیده‌های بارز فیزیک فضا
فروغ آسمانی: آسمان شب سیاه کاملا تاریک نیست. ستارگان ، سیارات ، نور منطقه البروجی و ماه هر کدام سطح زمین را روشن می‌کنند. در عرضهای بالاتر شعله‌های شفق و سوسوزدن در سراسر آسمان وجود دارد و این پدیده‌ها بر حسب اقتضا در عرضهای متوسط زمین ظاهر می‌شوند. اتمسفر سیاره در پی این اثرات تابش می‌کند، که این تابش را فروغ آسمانی می‌گویند.
شفق قطبی: در عرضهای بالای زمین ، آسمان شب گاهی به صورت ناگهانی و به شکل متحرک روشن می‌شود که این درخشش‌ها را شفق قطبی می‌گویند. این درخشش‌ها شفاف هستند و می‌توان ستارگان را از داخل آنها مشاهده کرد. اغلب درخشندگی آنها به اندازه‌ای است که با نور آنها می‌توان نوشته‌ای را مطالعه کرد. معمولا در �
مقدمه
لایه اوزون قسمتی از استراتوسفر است که حاوی گاز طبیعی اوزون O3 است. اوزون توانایی جالب توجهی در جذب برخی از فرکانسهای اشعه فرابنفش دارد. لایه اوزون زیاد چگال نیست. اگر آنرا در تروپوسفر متراکم شود ضخامت آن تنها در حد چند میلیمتر می‌شود. اوزون در جو زمین عموما توسط شکستن مولکول دو اتمی اکسیژن به دو اتم تنها بوسیله نور فرابنفش بوجود می‌آید. اکسیژن تک اتمی با اکسیژن نشکسته ترکیب می‌شود و اوزون را بوجود می‌آورند. مولکول اوزون ناپایدار است و هنگامی که نور فرابنفش به آن برخورد می‌کند به یک مولکول اکسیژن و یک اکسیژن اتمی شکسته می‌شود. به این فرآیند مداوم واکنش زنجیره‌ای اوزون اکسیژن نامیده می‌شود. بدین ترتیب لایه اوزون در استراتوسفر بوجود می‌آید.
تخریب لایه اوزون
لایه اوزون می‌تواند در حضور کلر ، فلوئور و یا برم تخریب شود که عمدتا به آن سوراخ اوزون گفته می‌شود. این عناصر در برخی ترکیبات پایدار بخصوص کلرو فلوئورو کربنها (CFC) که به استراتوسفر راه یافته‌اند یافت می‌شوند که بوسیله فعالیت نور فرابنفش روی آنها تجزیه می‌شوند. گازهای نامبرده از هوا چگال‌ترند، به همین خاطر در سطح زمین پخش می‌شوند و تقریبا با اکثر مواد آلی واکنش می‌دهند. کلر اتمی این توانایی را دارد که به مولاریته اوزون را به اندازه تقریبا100000 برابر کاهش بدهد.
تراکم اوزون اتمسفری در لایه اوزون توسط یک عامل مهم جهانی تغییر می‌کند و آن دلیل این است که لایه اوزون در نزدیکی استوا ضخیمتر و در نزدیکی قطبها نازکتر است. ضخامت لایه‌های اوزون در نیمکره شمالی در سال تقریبا 4% کاهش می‌یابد. حدود 4.6% از سطح زمین بوسیله لایه اوزون پوشیده نمی‌شود که به آنها سوراخ اوزونی گفته می‌شود. سوئدیها در 23 ژانویه 1978 اولین مردمانی بودند که مصرف افشانه‌ها را به دلیل صدمه زدن به لایه اوزون ممنوع کردند. در دوم آگوست 2003 دانشمندان اعلام کردند که فرسایش لایه اوزون به سبب ممنوعیت استفاده از کلرو فلوئورو کربنها در حال کاهش است.
چه کارخانه‌هایى بر روى اوزون تأثیر مى‌گذارند؟
کارخانجات مصرف کننده عمده گازهاى مخرب لایه اوزون در ایران ، عبارتند از: صنایع برودتى و سردکننده‌ها و سازندگان یخچالها و فریزرهاى خانگى ، صنعتى و تجارى ، صنایع ابر و اسفنج سازى ، بخش دفع آفات کشاورزى و سیستمهاى تهویه مطبوع ، کپسولهاى اطفاى حریق ، حلال اسپریهاى پاک کننده قطعات الکترونیکى و در ساخت کولر اتومبیلها.
ضرورت حفاظت از لایه اوزون
اگر لایه اوزون از بین برود، زندگی از کره زمین رخت بر خواهد بست. با از بین رفتن لایه حیاتی اوزون ، نسل بشری ، پوشش گیاهی و حیات جانوری در مدت کوتاهی به صورت اسفباری منقرض خواهد گردید. در حال حاضر که این لایه آسیب دیده است، تشعشعات ماورای بنفش که به زمین می‌رسد شدت یافته و این مسأله باعث ایجاد سرطانهای پوست ، تضعیف مکانیزم دفاعی و ایمنی بدن انسان و همچنین ایجاد آب مروارید گردیده است. علاوه بر آن به علت آسیب دیدن لایه اوزون کل نظام زیست محیطی (اکوسیستم) در سراسر پهنه گیتی دچار ناهماهنگی و عدم توازن جدی و فزاینده شده است.
پیامدهای ناشی از تخریب لایه اوزون
تخریب و سوراخ شدن لایه اوزون باعث عبور غیر قابل کنترل تابش فرابنفش خورشیدی می‌شود که سبب افزایش دمای زمین و ذوب یخهای قطبی و افزایش آب دریاها شده که در نهایت به زیر آب رفتن خشکیها می‌انجامد و نیز موجب سوختگی پوست ، ابتلا به سرطان پوست و بیماریهای چشمی ، همچنین وارد آمدن خسارت عمده به جانوران و گیاهان می‌شود و بالاخره باعث انقراض زندگی تمام موجودات می‌شود.
کارهاى حفاظتى که مردم باید انجام دهند چیست؟
کارهاى حفاظتى در برابر تابش فرابنفش خورشید، که مردم بایستى انجام دهند عبارتند از:
استفاده از عینکهاى آفتابى ضد اشعه B-UV بخصوص براى کسانى که به جهت شغلى مجبورند مدت زیادى را در تماس با تابش خورشید باشند.
استفاده از کلاههاى لبه دار بزرگ جهت محافظت از پوست صورت و گردن در برابر تابش
استفاده از پوشش کامل بخصوص دستها در برابر تابش
بیشترین شدت تابش UV-B در اواسط روزهاى (۱۱ صبح الى ۲ بعد از ظهر) فصل تابستان به سطح زمین مى‌رسد، لذا بهتر است در این ساعات کمتر در معرض تابش قرار گیریم.
لایه اوزون در قسمت شمالی زمین در سال 1980میلادی بین 15 تا20 درصد کاهش پیدا کرده است. برای رفع این مشکل جمعی از بهترین متخصصان زمین شناسی هر سال برای تحقیق و جستجو دور یکدیگر جمع می‌شوند. در سال 1992 پروکتیل مونترال درباره لایه اوزون مطالعه و تحقیقی داشت که فهمید بزرگ شدن سوراخ لایه اوزون بستگی به آلودگی هوا و تولید مواد سمّی دارد. در همان سال سازمان ملل متحد و حفاظت از محیط زیست برنامه‌ای را طرّاحی کرد که این برنامه جهت محافظت و حمایت از محیط زیست و مخصوصا لایه اوزون به نام برنامه UNEP طراحی کرد، که این برنامه جهت جلوگیری از تولید مواد سمّی و مواد شیمیایی آلوده کننده است.
مولکولهای اکسیژن (O2) به اکسیژن اتمیک (O) تبدیل می‌شوند. اکسیژن اتمیک به سرعت با مو لکولهای بیشتری ترکیب شده و به شکل اوزون می‌شود. آن پوشش حرارتی که در سطح بالا رشد کرده و سلامتی لایه اوزون را به خطر انداخته است و این مورد باعث شده است که اگر استراتوسفر نباشد ما نتوانیم بدون آن زنده بمانیم.
لایه گم شده
منطقه تیره در وسط این تصویر
ماهواره‌ای منطقه وسیعی از لایه
بسیار نازک شده اوزن در بالای
قطب جنوب را نشان می‌دهد.
بالای استراتوسفر مقداری از آلودگی مضّر اشعه فرا بنفش را و همچنین تشعشعاتی از خورشید (امواج بین 320 تا 240) را که باعث می‌شود لایه اوزون آسیب ببیند و همچنین جان گیاهان به خطر بیفتد را جذب می‌کند. اشعه فرا بنفش با تابیدن نور مولکولهای اوزون را می‌شکافد، ولی اوزون می‌تواند تغییر شکل بدهد و عکس العمل زیر از آن حاصل می‌شود:
O2 + O --------> O3 --------> O + O2 <-------- اشعه فرا بنفش + O3
همچنین اوزون در اثر عکس العمل زیر نابود می‌شود:
O3 + O -------> O2 + O2
عکس العمل دوم با افزایش پیدا کردن ارتفاع آهسته انجام می‌شود امّا عکس العمل سوم سریعتر انجام می‌شود. در بین همکاری عکس العملها تمرکز اوزون در حال تعادل است. در بالای اتمسفر اکسیژن اتمیک هنگامی که اشعه فرا بنفش در سطح بالایی است، پیدا می‌شود. در اثر حرکت استراتوسفر هوای متراکمتری بدست می‌آید و جذب اشعه فرا بنفش افزایش می‌یابد و سطح اوزون به حد اکثر و تخمینا" km20 می‌رسد. همراه با تئوری کمپمن یک مشکل نیز وجود داشت که این مشکل در سال 1960 تشخیص داده شد وحقیقت این بود که اوزون به وسیله عکس العمل 4 آهسته حرکت می کرد و دیده نمی شود.
گرم شدن زمین ترمیم حفره اوزون را به تعویق می اندازد دانشمندان هشدار داده اند :پدیده گرم شدن زمین می تواند تلاشها برای ترمیم حفره اوزون را که قرار بود تا سال 2050 انجام گیرد،حدود30سال به تعویق اندازد .این مو ضوع به رقم پیشرفتهایی است که با از رده خارج کردن مواد شیمیایی مخرّب اوزون انجام شده است. طبق گزارشی کاهش فراوانی در مصرف گازهای ساخته دست انسان بنام کلروفلورو کربن پدید آمده است. اینها گازهایی هستند که لایه محافظ زمین را می‌خورند.
به گفته دانشمندان اگر کشورها مصمم به دنبال نمودن این روند باشند ، حفره داخل لایه اوزون به آغاز به جمع شدن و کوچک شدن خواهد نمود تا اینکه ظرف 50 سال ترمیم خواهد شد. این جمع بندی و نتیجه گیری توسط مجمع بررسی فرآیندهای استراتوسفر و نقش آن در آب و هوا SPARC به عمل آمد. این مجمع از صدها کارشناس اقلیمی که دسامبر سال 1999در آرژانتین گرد هم آمدند و در سایه توجهات سازمان هواشناسی جهانی تشکیل جلسه دادند، شکل گرفته است. این دانشمندان هشدار دادند: حتّی اگر کاهش مصرف گازهای CFC برآورده شود، پدیده گرم شدن زمین _که نتیجه تولید گازهای گلخانه‌ای با وجود کربن به عنوان عنصر اصلی آن است و از سوختهای سنگواره‌ای بدست می‌آید_ می‌تواند محلت ترمیم حفره اوزون را چند دهه به تعویق اندازد.
به عنوان یک تناقض ، گرم شدن زمین ، جو را در نزدیکی سطح زمین حرارت می‌دهد اما لایه پایینی استراتوسفر یعنی جایی را که اوزون قرار دارد همچنان سرد نگه می‌دارد. این دماهای پایین بویژه درزمستان مسبب جمع شدن ابرهای استراتوسفر در نواحی قطبی می‌شود . این پدیده آغازگر واکنشهای نابود کننده اوزون توسط مولکولهای کلری است که توسط کلروفلورو کربنها آزاد می‌شوند. پیش بینیهای دایر بر اینکه حفره اوزون که بالای قطب جنوب قرار دارد، به زودی کوچک خواهد شد با آخرین اطلاعات مغایرت دارد که نشان می‌دهد این حفره در حال گسترش است و بطور بی‌سابقه‌ای در چند سال اخیر بزرگ شده است.