من قبل فيليب أبل كوستا

تبدو الأرض من الفضاء مثل الرخام الأزرق.

عند النظر إليها من الفضاء ، تبدو الأرض وكأنها كرة مثالية. نفس الانطباع الذي لدينا أمام الشمس والقمر ، وكذلك أمام صور الكواكب الأخرى في النظام الشمسي أو حتى بعض أقمارها الصناعية.

اعتمادًا على المسافة ، تجعلنا صورة الأرض نفكر في الرخام الأزرق^[1] - انظر الصورة المصاحبة لهذا المقال. غلبة اللون الأزرق لها علاقة بحقيقة أن المحيطات تغطي معظم سطح الأرض (حوالي 71٪).^[2]

شكل وحجم الأرض.

التكهنات حول شكل الكوكب قديمة. اليونانيون ، على سبيل المثال ، بناءً على ملاحظات ظل الأرض على القمر أثناء الكسوف ، افترضوا بالفعل أن الكوكب كان كرة عملاقة. والأكثر إثارة للإعجاب: تمكن الإغريق من حساب أبعاد مثل هذه الكرة.

هذا ما فعله إراتوستينس القيرواني (276-194 قبل الميلاد) ^[3].

طور الفيلسوف وعالم الفلك اليوناني طريقة حساب حصل من خلالها على تقدير دقيق للغاية لمحيط الأرض - 250 ملعب ، أو 46.250 كم. ^[4].

هذا هو تعليق سينغ (2006 ، ص 20-1):

"في مكتبة [الإسكندرية] ، علم إراتوستينس بوجود بئر بخصائص رائعة ، يقع بالقرب من مدينة سيينا ، في جنوب مصر ، بالقرب من أسوان الحالية. في كل عام ، في ظهر يوم 21 يونيو ، يوم الانقلاب الصيفي ، كانت الشمس تسطع مباشرة في البئر وتضيء كل شيء حتى القاع. أدرك إراتوستينس أنه في ذلك اليوم بالذات ، يجب أن تكون الشمس في السماء مباشرة ، وهو أمر لم يحدث أبدًا في الإسكندرية ، التي كانت على بعد عدة مئات من الكيلومترات شمال سيينا. نحن نعلم اليوم أن سيينا قريبة من مدار السرطان ، خط العرض في أقصى الشمال حيث يمكن أن تظهر الشمس في أوجها. "

وإدراكًا منه أن انحناء الأرض كان السبب وراء عدم سطوع الشمس فوق سينا ​​والإسكندرية في نفس الوقت ، تساءل إراتوستينس عما إذا كان لا يمكنه استخدام هذا لقياس محيط الأرض. لم يفكر في المشكلة بنفس الطريقة التي نفكر بها ، لأن تفسيره للهندسة وشروحه كانا مختلفين ، ولكن هنا شرح حديث لنهجه. [ضع في اعتبارك] كيف وصلت أشعة الضوء الموازية القادمة من الشمس إلى الأرض ظهر يوم 21 يونيو. في نفس اللحظة التي انغمس فيها ضوء الشمس عموديًا في قاع البئر في سينا ​​، وضع إراتوستينس عصا في الأرض عموديًا في الإسكندرية وقاس الزاوية بين العصا وأشعة الشمس. والمهم في المشكلة هو أن هذه الزاوية تساوي الزاوية بين خطين شعاعيين مرسومين من الإسكندرية وسيينا إلى مركز الأرض. قاس الزاوية لتكون 7,2 درجة.

تخيل الآن شخصًا ما في سيينا يقرر السير في خط مستقيم إلى الإسكندرية ، ثم يواصل المشي حتى يدور حول العالم ويعود إلى سيينا. عندما يدور حول الأرض بالكامل ، فإنه يصف دائرة كاملة تغطي 360 درجة. وبالتالي ، إذا كانت الزاوية بين سيينا والإسكندرية 7,2 درجة فقط ، فإن المسافة بين سيينا والإسكندرية تمثل 7,2 / 360 أو 1/50 من محيط الأرض. باقي الحساب بسيط. قاس إراتوستينس المسافة بين المدينتين ، والتي تحولت إلى 5.000 ملعب. إذا كان هذا يمثل 1/50 من محيط الأرض ، فيجب أن يكون المحيط الكلي 250.000 ملعب.

سيتم استخدام نفس الطريقة لاحقًا لحساب الكميات الفلكية الأخرى ، مثل مسافات الأرض والشمس والأرض والقمر. ^[5].

2 - "رأيت الأرض! إنها جميلة جدا."

أول إنسان النسخة كانت الأرض ككرة عملاقة هي رائد الفضاء السوفيتي يوري [ألكسييفيتش] غاغارين (1934-1968).

في 12/4/1961 ، على متن المركبة الفضائية فوستوك 1 وتدور حول الأرض على ارتفاع متوسط ​​322 كم ^[6]، أنشأ غاغارين حلقة واحدة حول الكوكب.

استغرقت الرحلة 108 دقيقة فقط ^[7]، لكنها كانت كافية لتحويل الحلقة إلى إنجاز تاريخي ملحمي.

أثناء وجوده في المدار ، بالإضافة إلى إلقاء "خطاب رسمي" موجه إلى البشرية جمعاء ، قال غاغارين لزملائه السوفييت: "أرى الأرض! إنها جميلة جدا" ^[8].

3 - مفلطح كروي.

اتضح أن الأرض ليست كروية تمامًا. تشير القياسات الصارمة إلى أن نصف القطر الاستوائي (6.378،6.357 كم) أكبر قليلاً من نصف القطر القطبي (XNUMX،XNUMX كم) ^[9]. ثم يقال إن الكرة الأرضية هي جسم كروي - أي جسم كروي تقريبًا.

ربما كان هذا الانحراف مفاجأة لليونانيين ، ولكن ليس للشخص الذي تنبأ به وشرح ذلك: عالم الرياضيات الإنجليزي وعالم الطبيعة إسحاق نيوتن (1643-1727). ^[10].

على حد تعبير نوسينزفيج (2013 ، ص 249):

حسب نيوتن تأثير دوران الأرض على شكلها: في حالة عدم وجود دوران ، أي تحت تأثير الجاذبية فقط ، يجب أن يكون للكواكب شكل كروي ؛ ومع ذلك ، فإن "قوى الطرد المركزي" الناتجة عن الدوران تؤدي إلى تسطيح في القطبين والتوسع عند خط الاستواء ، مما يؤدي إلى شكل كروي مفلطح [...] ^[11].

وفقًا لحساب نيوتن ، يجب أن يكون القطر القطبي للأرض عند خط الاستواء مثل 229/230 ، مما يؤدي إلى قيمة إهليلجية مقدارها 1/230 ^[12].

4- الجاذبية وشكل الأجرام السماوية.

ولكن ، بعد كل شيء ، لماذا الأرض والشمس والقمر والعديد من الأجرام السماوية الأخرى كروية؟

تتعلق الإجابة بما يلي: كل جسم فلكي يزيد قطره عن حد أدنى معين يميل إلى أن يصبح كرويًا لسبب بسيط هو أن شكله يبدأ في التشكيل بواسطة جاذبية.

على حد تعبير Luminet (1996 ، ص.53-4):

"الأرض كروية تقريبًا لأنها جسم فلكي ، وعلى هذا النحو ، فإن شكلها محكوم بالجاذبية. بعبارات عامة جدًا ، تخضع جميع أشكال الكون للقوى الأساسية الأربعة. من بين هذه الأشكال الأساسية ، هناك نوعان من التفاعلات النووية التي تحكم بنية النوى الذرية - على الرغم من أن هذا ليس هدفنا اليوم - الكهرومغناطيسية والجاذبية.

مثال جيد على الأجسام الضخمة إلى حد ما ، ولكن ليس لدرجة منع القوى الكهرومغناطيسية وقوى الجاذبية من العمل في نفس الوقت ، هو الكويكبات ونواة المذنبات. يمكن أن يتراوح قطر هذه الأشياء بين بضعة كيلومترات وبضع مئات من الكيلومترات ولها أشكال غريبة تمامًا ، مثل تلك الموجودة في الحصى التي نجدها على الشاطئ: ليس لها شكل كروي ، لأنها غير منحوتة عن طريق الجاذبية. في الواقع ، يمكن إثبات أن الجاذبية تصبح فقط القوة المنظمة المهيمنة من الأجسام التي يبلغ أقطارها 500 كيلومتر. هذا هو السبب في أن جميع الأجسام في النظام الشمسي ، التي يزيد قطرها عن 500 كيلومتر - أي جميع الكواكب ومعظم الأقمار الصناعية للكواكب - لها أشكال كروية. لماذا؟ لأن طبيعة الجاذبية هي التي تفرضها. تجذب قوة الجاذبية كل مادة في الجسم إلى ما نسميه مركز الكتلة (أو مركز الجاذبية) للجسم. ^[13]. إنه يعمل بنفس الطريقة في جميع الاتجاهات ، بكثافة تعتمد فقط على كتلة الجسيمات وبعدها عن المركز. لذلك ، إذا كان الجسم متجانسًا ، فإن الجاذبية حتما "تنحته" في شكل كروي. هذا ينطبق على الكواكب و من باب أولى للنجوم ، والتي هي أكبر بكثير ".

المقطع الختامي

في ملخص: (1) الأرض كروية لأنها جسم فلكي كبير بما يكفي (قطره> 500 كم) لدرجة أن شكلها محكوم بالجاذبية. عندما تصبح الجاذبية القوة المهيمنة ، تميل الجاذبية إلى جعل الأجرام السماوية تتخذ شكلاً كرويًا. (2) لكن الأرض ليست كرة مثالية. الانحراف (غير محسوس في الصورة - انظر الشكل المصاحب لهذه المقالة) هو نتيجة دوران الكوكب. تميل قوة الطرد المركزي الناتجة عن هذه الحركة إلى جعل تراكم المادة أكبر قليلاً على طول المحور الاستوائي للكوكب.

* فيليبي إيه بي إل كوستا عالم أحياء. مؤلف الكتب ، من بين آخرين ، التطوري الطائر والمخترعون الآخرون لعلم الأحياء الحديث.

تم اقتباس هذه المقالة وتعديلها من الكتاب قوة المعرفة والمقالات الأخرى: دعوة إلى العلم (في الصحافة).

المراجع

بورستين ، دي جي. 1989 [1983]. المكتشفون. الملكية الأردنية ، الحضارة.

Boyer، CB & Merzbach، UC. 2012 [2011]. تاريخ الرياضيات، الطبعة الثالثة. SP ، بلوشر.

Comins، NF & Kaufmann، WJ، III. 2010 [2008]. اكتشاف الكون، الطبعة الثامنة. بورتو أليغري ، بوكمان.

كريستي ، ت. 2015. ارتباك تقويمي أم فقط متى مات نيوتن؟ عصر النهضة ماتيماتيكوسبتاريخ 20/3/2015. [مدونة المؤلف هي هنا.]

جاريسون ، ت. 2010 [2006]. أساسيات علم المحيطات، الطبعة الرابعة. SP ، Cengage.

Luzum، B & more 11. 2011. نظام IAU 2009 للثوابت الفلكية: تقرير مجموعة عمل IAU حول المعايير الرقمية لعلم الفلك الأساسي. الميكانيكا السماوية وعلم الفلك الديناميكي 100: 293-304.

نوسينزفيج ، جلالة الملك. 2013. دورة الفيزياء الأساسية ، v. 1: ميكانيكا، الطبعة الثالثة. SP ، بلوشر.

رونان ، كاليفورنيا. 1987 [1983]. تاريخ مصور للعلوم ، المجلد. 1: من الأصول إلى اليونان. الملكية الأردنية ، J الزهار.

ساجان ، سي 1996 [1994]. نقطة زرقاء شاحبة. SP ، Companhia das Letras.

سينغ ، س. 2006 [2004]. الانفجار الكبير. RJ ، سجل.

ستيفنسون Morrison LV & Hohenkerk CY. 2016. قياس دوران الأرض: 720 قبل الميلاد إلى 2015 ميلادي. أعمال الجمعية الملكية أ 472: 20160404 (http://dx.doi.org/10.1098/rspa.2016.0404).

الملاحظات

[1] كرة أو رخام أزرق (هندسة ، الرخام الأزرق) كيف أصبحت إحدى الصور الملونة الأولى للأرض معروفة. بتاريخ 7/12/1972 ، التقط الصورة عالم الجيولوجيا ورائد الفضاء الأمريكي هاريسون شميت (مواليد 1935). (توجد صورة فوتوغرافية سابقة مؤرخة في عام 1967. لكنها التقطت بواسطة قمر صناعي وهي غير معروفة نسبيًا - انظر هنا.) كان شميت واحدًا من ثلاثة أفراد في رحلة أبولو 17 (7-19 / 12/1972) ، وهي آخر مهمة مأهولة تهبط على القمر.

[2] يُظهر باقي سطح الأرض (29٪) ألوانًا أخرى ، خاصةً درجات اللون الأخضر (الغابات المغلقة) ، أو النغمات البنية (الصحاري ، أو المناطق التي أزيلت منها الغابات أو الغطاء النباتي المتناثر) أو درجات اللون الأبيض (القبعات القطبية وقمم الجبال ، المهددة اليوم من قبل عملية ذوبان متسارعة). مزيج من الخصائص الفيزيائية والكيميائية يعطي مياه المحيط لونها المزرق - انظر Garrison (2010).

[3] حول الأهمية التاريخية لعمل إراتوستينس ، انظر رونان (1987) وبوير وميرزباخ (2012).

[4] في اليونان القديمة ، كان الملعب هو المسافة القياسية (185 م) التي تقام عندها السباقات. النتيجة التي حصل عليها إراتوستينس (46.250 كم) هي المبالغة الطفيفة في تقدير القيمة المعتمدة اليوم للمحيط الاستوائي للكوكب. دعنا نرى. طول المحيط (C) يقيس 2πr، حيث π ثابت و r إنه الشعاع. جعل π = 3,14 و r = 6,378 × 10⁶ م (انظر الملاحظة 8) ، نحصل عليه C = 4,0054 × 10⁷ م (أو 40.054،87 كم) ، أي ما يعادل XNUMX ٪ من القيمة التي حصل عليها الفيلسوف اليوناني.

[5] مثل الإغريق ، كان الملاحون الأوروبيون الذين وصلوا إلى العالم الجديد ، مثل كريستوفر كولومبوس (1451-1506) وبيدرو ألفاريس كابرال (1467-1520) ، على دراية بأننا نعيش على كوكب كروي. على حد تعبير بورستين (1989 ، ص 214): "بحلول هذا الوقت [1484] ، لم يعد لدى الأوروبيين المتعلمين أي شكوك حول كروية الكوكب". كان الخلاف يكمن في قيمة الأبعاد. نموذج الكرة الأرضية الذي اعتمده كولومبوس ، على سبيل المثال ، كان أصغر بكثير مما توقعته حسابات إراتوستينس. وهذا هو السبب في أن رحلته إلى العالم الجديد استغرقت وقتًا أطول من المتوقع.

[6] يدور جاجارين بالقرب من الكوكب ، ولم يأتِ ليرى الأرض على أنها a الرخام الأزرق. عندما التقط شميت صورته الشهيرة (انظر الملاحظة 1) ، كان أبولو 17 على بعد حوالي 45 كم من الأرض. بينما نبتعد أكثر ، تتغير صورة الكوكب وتستحضر تشبيهات واستعارات أخرى. في أوائل فبراير 1990 ، على سبيل المثال ، كان المسبار الفضائي فوييجر 5 (أطلق في 9/1977/6) على بعد حوالي XNUMX مليارات كيلومتر من الأرض. واستمر في الابتعاد عن النظام الشمسي. في هذه المسافة ، يكون كوكبنا غير محسوس عمليًا في صورة فوتوغرافية - يصبح بقعة على خلفية تتناثر عليها بقع أخرى لا حصر لها أو نقطة زرقاء شاحبة. نقطة زرقاء شاحبة) ، لاستخدام التعبير الأدبي الذي تبناه ساجان (1996).

[7] للاستجمام في الوقت الفعلي لرحلة غاغارين ، بما في ذلك الصور ومقاطع الصوت الأصلية ، شاهد الفيلم المدار الأول (2011) ، بقلم كريستوفر رايلي.

[8] لمزيد من التفاصيل ، انظر هنا e هنا.

[9] نصف القطر الاستوائي: ~ 6,37814 x 10⁶ م (لوزوم وآخرون 2011). تبلغ سرعة دوران الأرض الحالية 1.670،24 كم / ساعة. في غضون 40.080 ساعة ، تصف نقطة ثابتة على خط الاستواء محيطًا طوله 24 كم (= 1.670 ساعة × 2010 كم / ساعة). من الجدير بالذكر أنه مع انخفاض الدوران ، يزداد طول اليوم - لمزيد من التفاصيل ، انظر Comins & Kaufmann (1,8). كانت سرعة الدوران أكبر مرة أخرى ، مما يعني أن طول يوم الأرض كان أقصر مما هو عليه اليوم. تشير التقديرات إلى أن اليوم يكتسب 2016 مللي ثانية (جزء من الألف من الثانية) كل قرن (ستيفنسون وآخرون. XNUMX).

[10] لمناقشة سنوات ميلاد وموت نيوتن ، انظر كريستي (2015).

[11] شبه كروي مسدود هو الذي يكون محوره الاستوائي أكبر من المحور القطبي. عندما يكون المحور القطبي أطول ، يُقال إن الشكل الكروي منتشر.

[12] نوسينزفيج أيضًا (2013 ، ص 249): "أحدث التحديدات التجريبية تعطي قيمة إهليلجية قدرها 1/297."

[13] للحصول على التفاصيل الفنية ، انظر Comins & Kaufmann (2010) و Nussenzveig (2013).