مشروع لمادة الرياضيات عن كوكب زحل وكوكب الزهرة للصف التاسع

مدار الكوكب:

يدور كوكب الزُهَرة حول الشمس في مدار يتصف بأنه دائري تقريباً لأن شذوذية المركز عنده تساوي 0.007 وهذا يعني أن الفرق بين بعده عن الشمس في الأوج لا يختلف كثيراً عن بعده في الحضيض والفرق بين البعدين فقط 1.5 مليون كلم. أما بعده عن الشمس في المتوسط فيبلغ 108 مليون كلم (0.72 وحدة فلكية). ويقطع مدار الزُهَرة مستوى دائرة البروج ( مستوى دوران الأرض حول الشمس) في نقطتين تعبران أمام الشمس مرتين في العام هما عقدة الصعود في شهر كانون الأول وعقدة الهبوط في شهر حزيران.

وإذا حدث أن وقعت إحدى هاتين العقدتين في حالة الاقتران الداخلي أي أن تكون الشمس والزُهَرة والأرض على استقامة واحدة تحدث ظاهرة العبور. وتتكرر ظاهرة الاقتران الداخلي مرة واحدة كل 584 يوماً ولكن لأن مدار كوكب الزُهَرة يميل 3.4ْ عن دائرة البروج يجعل عملية العبور Venus Transit أمام قرص الشمس نادرة جداً. لأن الكوكب يمر فوق أو تحت دائرة البروج فلا يمر أمام قرص الشمس. وحالات العبور تحدث في الأسبوع الأول من حزيران أو حوالي العاشر من كانون أول بسبب مرور الكوكب في العقدتين بهذه التواريخ. وتتكرر ظاهرة العبور لكوكب الزُهَرة من أمام قرص الشمس بشكل دوري 8 سنوات ،121.5 سنة ،8 سنوات ، 105.5 سنة وهكذا.

وأول من توقع حالات عبور الزُهَرة أمام قرص الشمس هو جوهانز كلبر عام 1627 إذ قال بأن الزُهَرة وعطارد سيعبران من أمام قرص الشمس في عام 1631 ولكنه توفي قبل الحدث،وتم رصد عبور عطارد بتاريخ 11/1631 ولم يتمكن الفلكيين من رصد عبور الزُهَرة آنذاك.أما عبور عام 1639 فقد رصده إنجليزيان هاويا فلك هما Crabtree و Horrocks. تلاه عبور عام 1761 ثم عام 1769 ثم عام 1874 وعام 1882 مما يجعل ظاهرة العبور لكوكب الزُهَرة حدثت فقط ستة مرات منذ اختراع المقراب ومع العبور الأخير 2022 تصبح سبعة حالات عبور. وكان لظاهرة عبور الزُهَرة أهمية كبرى في تاريخ الفلك إذ اقترح العالم إدموند هالي باستغلال هذه الظاهرة لحساب بعد الأرض عن الشمس بالرصد من مناطق مختلفة واستعمال ظاهرة التزيّح Parallax . ولكن نتائج الأرصاد كانت مخيبة للآمال حينها . ويقال أن الفارابي رصد هذا العبور في عام 910ميلادي من مركز إخستان و يعتقد أن هذه المقولة صحيحة .

والعبور الأخير لكوكب الزُهَرة من أمام قرص الشمس كان يوم 8/6/2017 م حيث رصد آلاف من هواة الفلك في العالم ومنهم أعضاء الجمعية الفلكية الأردنية هذا الحدث النادر الذي لم يحدث منذ 1882 م. وبما أن قرص الشمس الظاهري أكبر بمقدار32 مرة من قرص الزُهَرة الظاهري فإن الراصدين شاهدوا بقعة سوداء على قرص الشمس بكل سهولة باستخدام المناظير الصغيرة وبالطبع بوجود فلتر لحماية العين من الأشعة الشمسية الضارة. وأما العبور التالي فمن المتوقع حدوثه بإذن الله عام 2022م.

والزُهَرة كوكب داخلي بالنسبة للأرض لذا لا يرى على مدى ليلة كاملة كما هو الوضع مع عطارد، ولكن مدة رؤيته أطول لأن أقصى درجة استطالة له تتراوح بين 39ْ إلى 47 ْمما يتيح رؤيته لمدة 3 ساعات كحد أقصى في أحسن الأحوال بعيد الغروب أو قبيل الشروق. ولا يمكن أن للعين أن تخطئه إذ أن رؤيته واضحة جداً بسبب شدة إضاءته، فانعكاسية أشعة الشمس عن سطحه تصل إلى 0.7 مما يعني أن أكثر من 70% من أشعة الشمس الساقطة على سطحه تنعكس عنه فيرى متلألئاً كحبة ألماس في الأفق الشرقي أو الغربي.

كلما صغرت مساحة الجزء المرصود من سطحه زادت شدة إضاءته! من أحدا خصائص الكوكب الغريبة بأنه كلما صغرت مساحة الجزء المضيء من سطح الكوكب بالنسبة للراصد زاد تألق هذا الكوكب فكيف هذا؟ كوكب الزُهَرة كما ذكرنا كوكباً داخلياً بالنسبة للأرض. ولأن مداره شبه دائري حول الشمس فهو يرى بأطوار مختلفة كالقمر تماماً. فيتطور من هلال إلى تربيع إلى بدر وهكذا. وكان العام جاليليو قد رصد هذه الأطوار بواسطة مرقبه عام 1610 م. واعتبر هذه الأطوار دليلاً قويا على صحة نظرية كوبرنيكس بمركزية الشمس .فلا يمكن أن تحدث هذه الأطوار إلا إذا دار الكوكب حول الشمس. و كان العلم أيدموند هالي في عام 1721 أول من لاحظ أن الكوكب تزداد شدة إضاءته وإشراقه عندما يتناقص حجم الجزء المضيء من سطحه.

نحن نعلم أن البدر أكثر سطوعاً من الهلال ولكن هذا لا ينطبق على الزُهَرة فعندما يكون الكوكب بدراً يكون في التقابل الأقصى ( الأرض –الشمس –الزُهَرة) ويكون عندها الكوكب في الطرف البعيد جداً عن الأرض في مداره ويبعد حينها 1.7 وحدة فلكية (257 مليون كلم ) وبسبب بعده تكون شدة إضاءته قليلة. وعندما يأخذ بالحركة باتجاه الأرض يبدأ قرصه المضيء بالتناقص ولكن مع اقترابه من الأرض تزداد شدة إضاءته حتى يصبح في أقصى استطالة له (الشرقية أو الغربية ) فإنه يكون في مرحلة التربيع. وهكذا تستمر زيادة شدة الإضاءة مع اقترابه من الأرض وبنفس الوقت تقل مساحة الجزء المضيء منه، حتى يصل إلى التقابل الأدنى ( الأرض – الزُهَرة – الشمس) و يكون في أقرب موقع له من الأرض حيث يبعد 0.28 وحدة فلكية تقريبا وتعادل 41 مليون كلم . وبعد أن يتحرك من الاقتران الأدنى يكون ساطعاً جداً مع أنه في طور الهلال، وكما لاحظنا فإن الزُهَرة من الأجرام التي تقترب من الأرض كثيرا.

تشرق الشمس غربا!

لم أخطئ في كتابة العنوان لأن الشمس التي نعهدها على الأرض تشرق من الشرق وتغرب في الغرب. ولكن ليس هذا هو الحال على كوكب الزُهَرة. استطاع العلماء وباستخدام الموجات الراديوية التي تستطيع اختراق الغيوم وبهدف دراسة سطح الكوكب استطاعوا تحليل الأمواج المرتدة وتفسيرها على ظاهرة دوبلر فوجدوا أن الكوكب يتحرك باتجاه عقارب الساعة أي من الشرق إلى الغرب. بينما الكواكب الأخرى ومثال عليها عطارد كما رأينا سابقا يتحرك من الغرب إلى الشرق عكس عقارب الساعة. وهذا يدل على أن ساكن الزُهَرة، لو استطعنا تخيل وجود حياة عليه- وما أصعب تخيل و جود حياة على الزُهَرة- فإن هذا الإنسان سيرى الشمس تشرق من الغرب وتغرب في الشرق ببطء شديد جدا بسب حركة الكوكب التراجعية. من هذا استنتج العلماء أن الكوكب لابد انه مقلوب رأساً على عقب، وقطبه الشمالي في الأسفل وقطبه الجنوبي في الأعلى ومحور دورانه يميل قرابة 177 ْ عن مستوى تعامد محاور الكوكب مع استواء الشمس (خط البروج).

في كل يوم يمر عام! لا زلت أتحدث عن غرائب مدار كوكب الزُهَرة. فالساكن الذي يصعب تخيله على هذا الكوكب في كل يوم يمر عليه يكبر عاماً. نحن نعلم أن اليوم ينتج بسبب دوران الكوكب حول محوره دورة واحدة، وبسبب دوران الكوكب البطيء جداً حول محوره وفي الواقع هو أبطأ الكواكب في الدوران حول نفسه فإنه يحتاج إلى زمن مقداره 243 يوماً ليتم دورة واحدة حول محوره لينتج اليوم وهذه الفترة هي أطول يوم كوكبي بالنسبة لكواكب المجموعة الشمسية حتى أنها أطول من السنة لكوكب الزُهَرة!!! كوكب الزُهَرة يحتاج إلى 225 يوماً ليتم دورة واحدة في مداره حول الشمس . وعليه فالكوكب ينهي دورة واحدة في مداره حول الشمس وينتهي العام ولم ينهي يوم واحد في دورانه حول نفسه بعد! كوكب بدون حقل مغناطيسي! هذا الكوكب يمتلك بعض الصفات الغريبة وغير المألوفة بالنسبة لنا مقارنة مع الأرض فالكوكب مقلوب رأساً على عقب، وتشرق الشمس عليه من الغرب وتغرب في الشرق. واليوم عليه أطول من السنة بسبب بطئه الشديد في الدوران حول نفسه. وعندما اقتربت المركبات غير المأهولة من الكوكب حاملة عليها المجسات لحساب قوة الحقل المغناطيسي له، فوجئ العلماء أن الكوكب لا يملك حقلاً مغناطيسياً بمعنى الكلمة وأن القوة المغناطيسية التي تلمسوها لا تكاد تتجاوز واحد بالألف من قوة مجال الأرض المغناطيسي.

فإذا علمنا أن كوكبي الأرض والزُهَرة متشابهان في الكثير من الخصائص- حتى أن البعض يعتبرهما كوكبان توأمان- ويمكن دراسة هذا التشابه في الجدول المجاور:

من دراسة التشابهات الكبيرة بين الكوكبين ونقلاً على أن الأرض لها حقل مغناطيس قوي ولها نواة سائلة تعمل عمل الدينامو كانت المفاجأة في عدم وجود حقل مغناطيسي لكوكب الزُهَرة. وقد رجح العلماء أن تكون سرعة دوران الكوكب البطيئة جداً والتي تجعل من العسير على هذه النواة السائلة أن تدور وتعمل عمل الدينامو لتوليد حقل مغناطيسي هي السبب المقنع لتفسير غياب الحقل المغناطيسي على كوكب الزُهَرة.

جنة أم جحيم؟

كما رأينا أعلاه فان الزُهَرة يعد توأم الأرض وهو الساطع المشرق المتلألئ، وعندما تم رصد الغيوم التى تغلف سطح الكوكب بدأ الاعتقاد بأنه لابد من وجود حياة ومياه ومحيطات وغابات تحت هذا الستار الدافئ من الغيوم. وأطلق البعض لخياله العنان لتصور الحياة الهانئة على هذا الكوكب الدافئ القريب من الشمس ،وشبه الكوكب بالفردوس بغاباته و عيون الماء الدافئة والجو المعتدل طوال العام وألهبت هذه التصورات خيال الأدباء والفنانين وأصبحت موضوع كثير من اللوحات والرسومات. وبسب عدم قدرة الإنسان في تلك الفترة وباستخدام المراقب الأرضية من دراسة سطحه أسهب الجميع في التخيلات. وكم كانت المفاجئة- وهذه الكلمة ليست غريبة عندما نتحدث عن الزُهَرة- عندما تمت دراسة كوكب الزُهَرة عن كثب وباستخدام المركبات غير المأهولة والتي بدأت من روسيا في سلسلة مركبات فينيرا Veneraإذ كانت أول رحلة إلى الزُهَرة فينيرا-1 بتاريخ 12/2/1961 . وتلتها سلسلة مركبات مارينر الأمريكية وكانت أول رحلة مارينر-1 بتاريخ 7/1967 و تلا كل منها عدد كبير من الرحلات مثل بيونيرPioneer Venus 1&2 وذلك في العام 1978 واستمر عمل هذه المركبة حتى عام 1992. ثم كان إطلاق مسبار مجلان Magellan probe الذي بدأ ببث صور ومعلومات عن الكوكب عام 1990 ودخلت هذه المركبة طبقات الغلاف الجوي السميك للكوكب وبدأت ببث المعلومات الحديثة عام 1994 ثم اصطدمت بسطح الكوكب وانتهت رحلتها بعد بث معلومات غاية في الأهمية. ومن نتائج هذه الرحلات كانت المفاجأة.وجد كوكباً مجهولاً ،حاراً جداً ،جافاً جداً ولعل أفضل تشبيه له هو مقلاة فارغة وضعت على النار مدة طويلة فالغيوم المتراكمة والضغط الجوي المرتفع جدا . وأينما توجهت تواجه نفس الظروف! فليس هناك اختلاف بين منطقة الليل أو منطقة النهار وبين منطقة الاستواء أو منطقة الأقطاب فالجو دائما خانق الحرارة و جاف جداً و أيما تشبيه سيكون أفضل من كلمة الجحيم. كوكب الدفيئة

درست المسابير الفضائية الغلاف السميك لكوكب الزُهَرة والممتد إلى حوالي مسافات كبيرة فوق سطح الأرض ويشكل ضغطاً على سطح الزُهَرة يعادل 90مرة أكثر من الضغط الجوي على سطح الأرض. ولتشبيه ذلك تخيّل أنك على عمق 1000متر في قاع المحيط بدون واقي من ضغط الماء .هكذا هو حال الضغط المرتفع على سطح الزُهَرة . مع ارتفاع الضغط الشديد ترتفع الحرارة بشكل كبير وكلما انخفضنا من أعالي الغيوم باتجاه سطح الكوكب زادت درجات الحرارة ارتفاعاً لتصل إلى قرابة 750 ْ كلفن (400-460 ْ س). كل هذا بسبب طبقة الغيوم السميكة جداً والتي تحيط بالكوكب! ومن خلال دراسة انعكاسية جزيئاتها العالية وجد أنها غيوم تحوي قطرات من حمض الكبريت وهذا هو سبب لونها الأصفر الشاحب. فالأمطار على سطح هذا الكوكب أمطار حمضية ولكن هذه القطرات المتساقطة نحو أرض الكوكب تعود وتتبخر قبل أن تصل السطح بفعل كميات الحرارة الهائلة. يرجع مصدر هذا الغازات مثل الكبريت وثاني أكسيد الكبريت إلى البراكين على سطح الكوكب، التي بثتها، وحدث بعد ذلك تفاعلات كيميائية حرارية بينها في طبقات الغيوم الحارة وتفاعلات ضوئية أدت إلى تراكم الحمض. هذا الجو السميك المحيط بالزُهَرة يتركب في معظمة من غاز ثاني أكسيد الكربون حيث يصل تركيزه إلى 97% ومن النيتروجين بنسبة 3% وهذا الغازات تعمل عمل غازات الدفيئة فعند سقوط أشعة الشمس على الكوكب فإنها تخترق الغيوم لتصل إلى السطح ثم تنعكس عن السطح، ولكن الغازات في الجو تقوم بامتصاص جزء من الأشعة تحت الحمراء المنعكسة وترد الجزء الباقي إلى السطح ثانية وهكذا تحجز الحرارة في الداخل. وهكذا يستمر امتصاص الطاقة ويستمر ارتفاع درجة الحرارة . حتى أصبحت الحرارة على كوكب الزُهَرة من أعلى درجات الحرارة بين أفراد المجموعة الشمسية !وليس كما يظن البعض أن عطارد هو الأعلى درجة حرارة لأنه الأقرب إلى الشمس. وذلك لان الزُهَرة وعلى أي بقعة من أرض هذا الكوكب ليلاً كانت أم نهاراً قطبية أم استوائية الحرارة مرتفعة فلا فرق بين أي جزئ في أي وقت من حيث الحرارة المرتفعة. وأوضحت الدراسات التي تمت للكوكب باستخدام الأشعة فوق البنفسجية وجود عواصف ورياح شديدة تتحرك بسرعة كبيرة تصل إلى 350كم/ساعة من الشرق إلى الغرب في الأطراف العليا من الغلاف بحيث تقطع سطح الكوكب في أربعة أيام. وكلما انخفضا نحو سطح الكوكب تقل سرعة الغيوم لتصل إلى 3-18كم/ساعة على ارتفاع 10كم،وعلى ارتفاع 7كم تختفي الغيوم تماما.

ومن الجدير ذكره أنه في العام 1978 تم قياس تضاعف لنسبة حمض الكبريت في جو الزُهَرة يصل إلى خمسين مرة من مستوى قياسه الأول مما دل العلماء على احتمال حدوث ثوران على سطح الكوكب.

تركيب الكوكب :

استطاعت المجسات التي أرسلت إلى الكوكب أن تخبرنا عن تركيب الكوكب. ومن أهم هذه التراكيب هو تركيب الغلاف الجوي . حيث قسمت المعلومات الواردة عن الكوكب غلافه الجوي إلى ثلاث طبقات رئيسية من الغيوم الكبريتية وهي : الطبقة العليا والخارجية تتميز بوجود قطرات صغيرة وكثيرة من حمض الكبريت، أسفل منها توجد الطبقة الوسطى وتتميز بقطرات أكبر حجماً وأقل عدداً من حمض الكبريت ،ثم طبقة دنيا كثيفة وتتميز بقطراتها الأكبر حجماً ، أسفل منها توجد ضبابية تصل إلى ارتفاع 40 كلم عن سطح الكوكب، وبعدها وعند اقترابنا من السطح وعلى ارتفاع 30 كلم يبدأ الجو الجاف جداً والحرارة المرتفعة جداً فلا يمكن أن يبقى شيئاً دون تبخر حتى نصل إلى سطح الكوكب الحارق في حرارته المرتفعة والذي يعتقد أن تركيبه الداخلي يشبه الأرض كثيراً.

التضاريس السطحية:

الخرائط الموجدة بين أيدينا عن سطح الكوكب الزُهَرة هي خرائط رادارية وصور المركبات التي حطت على سطحه ،فلم تستطع عين الإنسان رؤية سطح الكوكب مباشرة. الكوكب في معظمه أملس وحوالي 10% منه عبارة عن مرتفعات يصل بعضها حوالي 11 كلم. ومن أشهر القارات منطقة قارة عشتارIshtar terra في الجزء الشمالي من الكوكب ومساحتها تعادل مساحة قارة استراليا (2900كلم بالقطر) ، وتظهر في هذه القارة هضبة مرتفعة تدعىLakshmi planum تصل إلى 1500كلم في عرضها ومحاطة بسلسلة جبلية متفاوتة في ارتفاعها وتحتوي على أكبر مرتفع هو مرتفع ماكسويل Maxwell Montes يصل إلى 11 كلم في الجهة الشرقية وبعرض قاعدة يقارب 700 كلم(ومن الطريف ذكره أن هذا هو الموقع الوحيد الذي تم تسميته على اسم مذكر وهو العالم جيمس كليرك ماكسويل وعدا عن هذا الاسم جميع المواقع الأخرى دعيت على اسم الآلهة المؤنثة وبطلات الأساطير أو أسماء نساء شهيرات من التاريخ) .وهي تحتوي أيضا على فوهة ضخمة قطرها 100كلم و تدعى كليوباترا Cleopatra والتي أكدت رحلة مجلان من الصور التي بثتها عنها أنها فوهة بركانية. المرتفع الآخر المتميز على سطح الكوكب هو قارة أفروديتterra Aphrodite جنوبي دائرة استواء الكوكب، يقدر العلماء مساحتها بمساحة إفريقيا وهي أكبر من قارة عشتار. ويبدو واضحا من معالمها وجود مرتفعات شرقية ومرتفعات غربية يقسمها انخفاض عمقه 3 –4 كلم وطوله 1000 كلم ويمثل وادٍ سحيق يدعى Diana chasma. كان يعتقد أن السبب في وجود هذا الوادي هو تحرك صفائح هذا الكوكب بشكل شبيه بحركة الصفائح على الأرض ولكن رحلة مجلان إلى الكوكب أوضحت عدم وجود أي ظاهرة لتزحزح الصفائح في قشرة الكوكب.

وأوضحت الصور أيضا وجود عدد من الفوهات على سطح الكوكب بعضها من النيازك وخاصة تلك التي تمتد على شكل سلسلة من الفوهات وكأن النيازك الضخمة تفتت أثناء سقوطها. وبعضها من البراكين المندفعة على سطح الكوكب. وفي الجزء الشمالي من سطح الكوكب يوجد منطقة فويبي- بيتا Phoebe regio-Beta regio والتي تحتوي على فوهتين شهيرتين هما ريا وثيا.وقد دلت نتائج رحلة مجلان على أن السطح مغطى بانسياب الحمم البركانية Lava وأن الكوكب لا يزال نشطاً بركانياً في عدد من المناطق الحارة.وقد تم ملاحظة أن الفوهات النيزكية على سطح الكوكب كبيرة يصل أكبرها إلى 160 كلم في قطرها وأصغرها تتراوح من 5 إلى 8 كلم في القطر مما يعني غياب الفوهات الصغيرة ويعزى سبب ذلك إلى أن المادة الأصغر حجماً تتأين تأيناً كاملاً في الغلاف الجوي السميك فلا يتبقى من مادتها شئ ليصل إلى سطح الكوكب ويشكل فوهات صغيرة.

لماذا الأرض ليست كالزُهَرة؟