Και κάτι άλλο... (321 άρθρα)

Ένας μυστηριώδης ηλεκτρομαγνητικός μηχανισμός μπορεί να είναι πιο σημαντικός από την πυροδότηση νευρώνων στον εγκέφαλό μας για την κατανόηση της λειτουργίας της συνείδησής μας.

 Τον 19ο αιώνα ο φυσικός Χέρμαν φον Χέλμχολτς (Hermann von Helmholtz) φιλοδοξούσε να εξηγήσει διαμέσου φυσικοχημικών διεργασιών το φαινόμενο της ζωής, σε αντίθεση με την τότε δημοφιλή φιλοσοφική θεωρία της φυσιολογίας, τον βιταλισμό. Οι οπαδοί του βιταλισμού υποστήριζαν ότι τα έμβια όντα διαφέρουν από τα άψυχα αντικείμενα επειδή περιέχουν μια «ζωτική σπίθα», την οποία ορισμένοι πίστευαν ότι ήταν η ψυχή. Η σχολή του Χέλμχολτζ αμφισβήτησε αυτή τη θεωρία, δηλώνοντας ότι μόνο οι κοινές φυσικοχημικές λειτουργίες εμπλέκονται στη ζωή ενός οργανισμού. Από τότε μέχρι σήμερα οι φυσικοχημικοί νόμοι ερμήνευσαν, και εξακολουθούν να ερμηνεύουν πολλά μυστήρια της βιολογίας και της φυσιολογίας.

Όμως υπάρχουν ακόμα περίπλοκα και ακατανόητα φαινόμενα που σχετίζονται με την ζωή. Κραυγαλέο παράδειγμα είναι η ανθρώπινη συνείδηση. Ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί παραμένει ένα ανοιχτό ερώτημα μέχρι σήμερα.

Η ανθρωπινη συνείδηση πρέπει να σχετίζεται με την λειτουργία διαφόρων κυττάρων στον εγκέφαλο. Οι νευρώνες, είναι ένας εξειδικευμένος τύπος κυττάρων του εγκεφάλου μας που βρίσκεται στο επίκεντρο της σημερινής νευροεπιστήμης. Είναι οι βασικοί φορείς της ηλεκτροχημικής επικοινωνίας στον εγκέφαλο. Συμμετέχουν στην διάδοση των νευρικών σημάτων και την επεξεργασία πληροφοριών.
Οι νευροεπιστήμονες προσπαθούν να εξηγήσουν την αντίληψη, την μνήμη, την γνωστική λειτουργία, ακόμη και την ίδια τη συνείδηση ​​ως προϊόντα δισεκατομμυρίων τέτοιων μικροσκοπικών νευρώνων που εκτοξεύουν τις μικροσκοπικές αιχμές ηλεκτρικής τάσης τους μέσα στον εγκέφαλό μας.

Αυτές οι ενεργητικές αιχμές όχι μόνο μεταφέρουν πράγματα όπως πόνο και άλλες αισθητηριακές πληροφορίες στο συνειδητό μυαλό μας, αλλά θεωρητικά είναι επίσης ικανές να εξηγήσουν κάθε λεπτομέρεια της πολύπλοκης συνείδησής μας. Τουλάχιστον κατ’ αρχήν. Οι λεπτομέρειες αυτής της «νευρωνικής κωδικοποίησης» δεν έχουν ακόμη διευκρινιστεί.

Ενώ οι νευροεπιστήμονες έχουν επικεντρωθεί εδώ και καιρό στις αιχμές που ταξιδεύουν στα εγκεφαλικά κύτταρα, τα φαινόμενα «εφαπτικού» πεδίου (“ephaptic” field effects) μπορεί τελικά να είναι ο πρωταρχικός μηχανισμός για την γνωστική λειτουργία. Πρόκειται για ένα ενδιαφέρον αναδυόμενο πεδίο έρευνας στην νευροεπιστήμη. Αυτά τα φαινόμενα, που προκύπτουν από τα ηλεκτρικά πεδία που παράγονται από τους νευρώνες και όχι από τις συναπτικές πυροδοτήσεις τους, μπορεί να παίζουν πρωταγωνιστικό ρόλο στην κατανόηση της πολυπλοκότητας και της δυναμικής της ανθρώπινης συνείδησης.

Οι ερευνητές του εγκεφάλου έχουν από καιρό αναγνωρίσει ότι υπάρχουν διάφοροι τρόποι εκτός από την ‘πυροδότηση’ με την οποία θα μπορούσαν να επικοινωνούν οι νευρώνες, όπως ο ελάχιστα γνωστός μηχανισμός που είναι γνωστός ως εφαπτική σύζευξη (ephaptic coupling). Αυτή η σύζευξη προκύπτει από ηλεκτρομαγνητικά πεδία στη μέση και μεγάλη κλίμακα αλληλεπιδράσεων του εγκεφάλου, μαζί με πεδία πολύ μικρότερης κλίμακας που συνοδεύουν συναπτικές αιχμές (που προέρχονται από την δραστηριότητα ενός τύπου Η/Μ πεδίων υψηλής τοπικότητας) και λειτουργούν σε κλίμακα νανομέτρων.

Οι νευρώνες του αμφιβληστροειδούς, για παράδειγμα, λειτουργούν χωρίς νευρική πυροδότηση. Αυτά τα κύτταρα χρησιμοποιούν έναν τύπο ηλεκτροδιάχυσης, τη διάχυση φορτισμένων σωματιδίων χωρίς συνάψεις, τα σημεία σύνδεσης μεταξύ των νευρώνων. Η ηλεκτροδιάχυση περνά κατά μήκος ενός σήματος στο οπτικό νεύρο με πολύ γρήγορους ρυθμούς και με υψηλό εύρος ζώνης. Δεν θα μπορούσαμε να δούμε χωρίς αυτό.

Το «εφαπτικό» στην εφαπτική σύζευξη σημαίνει απλώς «αγγίζω». Αν και δεν είναι πολύ γνωστά, τα φαινόμενα εφαπτικού πεδίου προκύπτουν από τις ηλεκτρικές και μαγνητικές αλληλεπιδράσεις που περιγράφονται στα σχολικά βιβλία. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι αυτές οι ίδιες δυνάμεις παίζουν μεγαλύτερο ρόλο στον εγκέφαλο από ό,τι υποπτευόμαστε και ίσως ακόμη και στη συνείδηση.

Τα φαινόμενα εφαπτικού πεδίου περιγράφονται με αξιόλογο τρόπο σε μια εργασία του 2019 από το εργαστήριο Case Western Reserve του Dominique Durand. Αυτό το εργαστήριο έδειξε ότι ο εγκεφαλικός φλοιός του ποντικιού επηρεάστηκε χωρίς συναπτικές συνδέσεις – εκ φύσεως, με αλληλεπιδράσεις εφαπτικού πεδίου. Βρήκαν ότι η επίδραση μειώθηκε μετά από μια ορισμένη απόσταση, όπως θα περιμέναμε. Σε απόσταση 400 μm ή περισσότερο, το φαινόμενο του εφαπτικού πεδίου στην ουσία εξαφανίστηκε. Αυτά τα αποτελέσματα θεωρήθηκαν τόσο σημαντικά από τους κριτές της εργασίας που ζήτησαν από το εργαστήριο Durand να αναπαράγει τα αποτελέσματα όχι μία αλλά δύο φορές πριν εγκρίνουν τη δημοσίευσή της. 

Μια άλλη ερευνητική ομάδα συνέκρινε την ταχύτητα των επιδράσεων του εφαπτικού πεδίου σε διάφορους ιστούς, διαπιστώνοντας ότι η ταχύτητα διάδοσης των εφαπτικών πεδίων στη φαιά ουσία είναι περίπου 5.000 φορές μεγαλύτερη από τη νευρική πυροδότηση. Επιπλέον, η πιθανή πυκνότητα πληροφοριών από τα εφαπτικά πεδία είναι έως και 125 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη σε σχέση με την αντίστοιχη της συναπτικής πυροδότησης.

Πληθώρα αποδεικτικών στοιχείων δείχνουν ότι η συναπτική πυροδότηση είναι απαραίτητη για την κίνηση, την ακοή, το άγγιγμα και πολλά άλλα, αλλά δεδομένης της πολύ μεγαλύτερης πυκνότητας πληροφοριών στα εφαπτικά πεδία και της διάχυσης των εφαπτικών πεδίων, θα ήταν εξαιρετικά περίεργο αν η εξέλιξη δεν είχε ‘οικειοποιηθεί’ αυτό το αποτέλεσμα για σημαντικές εγκεφαλικές λειτουργίες. Πράγματι, φαίνεται ότι το έχει κάνει, με διάφορους τρόπους.

Ο Walter Freeman δήλωνε σε μια εργασία του 2006 ότι οι παραδοσιακές ταχύτητες συναπτικής πυροδότησης δεν μπορούσαν να εξηγήσουν την ταχύτητα των γνωστικών λειτουργιών που είχε παρατηρήσει όλα αυτά τα χρόνια σε κουνέλια και γάτες. Αντίθετα, η πρόσφατη πληθώρα ευρημάτων εφαπτικών επιδράσεων αναδεικνύει έναν στέρεο μηχανισμό για να εξηγήσει αυτές τις ταχύτητες. Η πρόσφατη θεωρητική εργασία των Tam Hunt και Mostyn Jones, βασισμένη σε αυτά τα ευρήματα, πρότεινε ότι τα εφαπτικά πεδία μπορεί στην πραγματικότητα να είναι ο πρωταρχικός μηχανισμός για τη συνείδηση ​​και τη νόηση, παρά η νευρωνική πυροδότηση.

Μια άλλη πρόσφατη εργασία των Κώστα Αναστασίου και Christof Koch, επισημαίνει την σημασία των εφαπτικών φαινομένων. Διαπιστώνουν ότι πράγματι, η εφαπτική σύζευξη μπορεί να εξηγήσει τον «γρήγορο συντονισμό» που απαιτείται για την λειτουργία της συνείδησης ​​«ακόμη και με την απουσία πολύ γρήγορων συνάψεων». Αυτή η εργασία θα μπορούσε να φέρει το πεδίο της επιστήμης του εφαπτικού πεδίου (ephaptic field) από τα περιθώρια της νευροεπιστήμης στο προσκήνιο. Τα ευρήματά της σχετικά με την ταχύτητα και τη διεισδυτικότητα των εφαπτικών φαινομένων μπορεί να προοιωνίζουν μια θεμελιωδώς νέα κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της γνωστικής λειτουργίας και της συνείδησης.

ΠΗΓΗ

Το έντονο φαινόμενο της παγίδευσης θερμότητας από τα μόρια διοξειδίου του άνθρακα (CO₂) της ατμόσφαιρας μπορεί να εξηγηθεί κβαντομηχανικά. Επομένως, η μελέτη της κβαντικής συμπεριφοράς του CO₂ συνεισφέρει στην κατανόηση της ανθρώπινης επίδρασης στο φυσικό φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής.

Το 1896, ο Σουηδός φυσικός Svante August Arrhenius ήταν ο πρώτος που υπολόγισε την σχέση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη με την συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, στην εργασία του με τίτλο ‘On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground‘. Στα συμπεράσματά του (υπερ)εκτιμά ότι ο διπλασιασμός της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα θα προκαλέσει μια αύξηση στην μέση θερμοκρασία της γήινης επιφάνειας κατά 5 έως 6 ^oC. Επιπλέον, από τους πίνακες που παραθέτει φαίνεται μια λογαριθμική σχέση μεταξύ της αύξησης θερμοκρασίας της Γης συναρτήσει της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα. Έκτοτε, ολοένα και πιο εξελιγμένα σύγχρονα κλιματικά μοντέλα έχουν επιβεβαιώσει το κεντρικό συμπέρασμα του Arrhenius: ότι κάθε φορά που η συγκέντρωση CO₂ στην ατμόσφαιρα διπλασιάζεται, η μέση θερμοκρασία της Γης θα αυξάνεται μεταξύ 2 και 5 βαθμών Κελσίου.

διαβάστε σχετικά: ‘Μια κάποια κλιματική ευαισθησία‘

Ωστόσο, ο φυσικός λόγος για τον οποίο το CO₂ συμπεριφερόταν με αυτόν τον τρόπο παρέμενε μυστήριο όχι μόνο για τον Arrhenius και για τους επιστήμονες του 19ου αλλά και εκείνους του 20ου αιώνα, που ασχολήθηκαν με το φαινόμενο.

Έτσι, φτάσαμε στο 2022, όταν οι φυσικοί David M. Romps, Jacob T. Seeley και Jacob P. Edman με την δημοσίευσή τους ‘Why the Forcing from Carbon Dioxide Scales as the Logarithm of Its Concentration‘ διευθέτησαν την διαφωνία σχετικά με την προέλευση της «λογαριθμικής κλιμάκωσης» του φαινομένου του θερμοκηπίου. Πρόκειται για τον τρόπο με τον οποίο η αύξηση της θερμοκρασίας της Γης είναι η ίδια ως απόκριση σε οποιονδήποτε διπλασιασμό της συγκέντρωσης του CO₂, ανεξάρτητα από συγκεκριμένες τιμές.

Στη συνέχεια, την άνοιξη του 2024, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Robin Wordsworth του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ περιέγραψε λεπτομερώς γιατί το μόριο CO₂ είναι τόσο καλό στην παγίδευση θερμότητας χρησιμοποιώντας θεμελιώδεις φυσικές αρχές. Οι ερευνητές εντόπισαν μια παράξενη ιδιορρυθμία της κβαντικής δομής του μορίου που εξηγεί γιατί είναι ένα τόσο σημαντικό αέριο στο φαινόμενο του θερμοκηπίου – και γιατί η συγκέντρωση περισσότερου διοξειδίου άνθρακα στην ατμόσφαιρα επιδρά στο φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής. Η εργασία τους δημοσιεύθηκε στο περιοδικό The Planetary Science Journal με τίτλο ‘Fermi Resonance and the Quantum Mechanical Basis of Global Warming‘.

Η δημοσίευση αυτή είναι μια καλή απάντηση σε όλους εκείνους που λένε ότι η υπερθέρμανση του πλανήτη είναι απλώς κάτι που προκύπτει από αδιαφανή υπολογιστικά μοντέλα. Αντίθετα, η υπερθέρμανση του πλανήτη συνδέεται με μια αριθμητική σύμπτωση που περιλαμβάνει δύο διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους μπορεί να διεγερθεί το CO₂. Αν δεν υπήρχε αυτή η σύμπτωση τότε πολλά πράγματα θα ήταν διαφορετικά.

Ένα παλιό συμπέρασμα

Πώς μπόρεσε ο Arrhenius να κατανοήσει τα βασικά του φαινομένου του θερμοκηπίου πριν καν ανακαλυφθεί η κβαντική μηχανική; Η θεμελίωση της κλιματικής επιστήμης ξεκίνησε με τον Jean Baptiste Joseph Fourier, έναν Γάλλο μαθηματικό και φυσικό ο οποίος πριν από 200 χρόνια (ακριβώς!) συνειδητοποίησε ότι η ατμόσφαιρα της Γης δρα ως «κουβέρτα» και μονώνει τον πλανήτη από το «κρύο» του διαστήματος, μια ανακάλυψη που ξεκίνησε το πεδίο της κλιματικής επιστήμης. Στη συνέχεια, το 1856, μια Αμερικανίδα, η Eunice Newton Foote, απέδειξε πειραματικά ότι το διοξείδιο του άνθρακα είναι ιδιαίτερα αποδοτικό στην απορρόφηση της θερμότητας. Την σκυτάλη πήρε ο Ιρλανδός φυσικός John Tyndall ο οποίος μέτρησε την ποσότητα του υπέρυθρου φωτός που απορροφά το CO₂, δείχνοντας την επίδραση που ο Arrhenius στη συνέχεια ποσοτικοποίησε χρησιμοποιώντας βασικές γνώσεις για τη Γη.

Η Γη εκπέμπει θερμότητα με τη μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας. Η ουσία του φαινομένου του θερμοκηπίου είναι ότι μέρος αυτής της ακτινοβολίας, αντί να διαφεύγει κατευθείαν στο διάστημα, απορροφάται (κυρίως) από τα μόρια του CO₂ στην ατμόσφαιρα. Ένα μόριο απορροφά το φως και μετά το εκπέμπει ξανά. Στη συνέχεια θα το κάνει κάποιο άλλο κ.ο.κ.. Μερικές φορές το φως επανεκπέμπεται προς την επιφάνεια της Γης. Μερικές φορές κατευθύνεται προς το διάστημα, αφήνοντας τη Γη απειροελάχιστα πιο κρύα, αλλά μόνο εφόσον καταφέρει να διασχίσει ένα δύσκολο πριονωτό μονοπάτι προς το κρύο ανώτερο τμήμα της ατμόσφαιρας.

Χρησιμοποιώντας μια πιο ακατέργαστη εκδοχή της ίδιας μαθηματικής προσέγγισης που ακολουθούν σήμερα οι επιστήμονες του κλίματος, ο Arrhenius κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η προσθήκη περισσότερου CO₂ θα προκαλούσε την αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας του πλανήτη. Είναι σαν να προσθέτετε μόνωση στους τοίχους σας για να διατηρείτε το σπίτι σας πιο ζεστό το χειμώνα – η θερμότητα από τον φούρνο σας ενώ θα εκπέμπεται με τον ίδιο ρυθμό, θα διαφεύγει δυσκολότερα.

Λίγα χρόνια αργότερα, ωστόσο, ο Σουηδός φυσικός Knut Ångström δημοσίευσε μια διαφωνία. Υποστήριξε ότι τα μόρια του CO₂ απορροφούν μόνο ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος υπέρυθρης ακτινοβολίας στα 15 μm. Και υπήρχε ήδη αρκετό αέριο στην ατμόσφαιρα για να παγιδεύσει το 100% του φωτός των 15 μm που εκπέμπει η Γη, οπότε η προσθήκη περισσότερου CO₂ δεν θα έκανε τίποτα παραπάνω.
Εκείνο που δεν γνώριζε ο Ångström ήταν ότι το CO₂ μπορεί να απορροφήσει μήκη κύματος και ελαφρώς μικρότερα ή μεγαλύτερα από 15 μm, αν και λιγότερο εύκολα. Αυτό το φως συλλαμβάνεται λιγότερες φορές κατά τη διάρκεια του ταξιδιού του προς το διάστημα.

Αλλά αυτός ο ρυθμός σύλληψης αλλάζει αν διπλασιαστεί η ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα. Τώρα το φως έχει διπλάσια μόρια προς αποφυγή πριν διαφύγει, και τείνει να απορροφάται περισσότερες φορές στην διαδρομή του. Διαφεύγει από ένα υψηλότερο, ψυχρότερο στρώμα της ατμόσφαιρας, ώστε η εκροή της θερμότητας να επιβραδύνεται με το σταγονόμετρο. Η αυξημένη απορρόφηση αυτών των μηκών κύματος γύρω από τα 15 μm είναι που ευθύνεται σε μεγάλο ποσοστό για το φαινόμενο του θερμοκηπίου.

Παρά το λάθος, η εργασία του Ångström έριξε αρκετές αμφιβολίες για τη θεωρία του Arrhenius. Ακόμη και σήμερα, οι σκεπτικιστές της συναίνεσης για την ανθρωπογενή επιρροή στην κλιματική αλλαγή επικαλούνται μερικές φορές το «λογικό» επιχείρημα του Ångström για τον «κορεσμό άνθρακα».

Επιστροφή στα βασικά

Σε αντίθεση με εκείνες τις πρώτες μέρες, η σύγχρονη εποχή της κλιματικής επιστήμης έχει προχωρήσει σε μεγάλο βαθμό μέσω υπολογιστικών μοντέλων που αποτυπώνουν τις πολλές περίπλοκες και χαοτικές πτυχές της ακατάστατης, μεταβαλλόμενης ατμόσφαιράς μας. Αυτό κάνει τα συμπεράσματα πιο δυσνόητα.

Πολλοί σκεπτικιστές φυσικοί δυσκολεύονται να αποδεχθούν τα αποτελέσματα των κλιματικών μοντέλων που τρέχουν στους υπολογιστές, προβάλλοντας ως επιχείρημα ότι πρόκειται για υπολογισμούς που προκύπτουν από ένα «μαύρο κουτί» χωρίς κανείς να τους κατανοεί σε βάθος. Το να μη μπορεί κανείς να εξηγήσει σε κάποιον με χαρτί και μολύβι ή πίνακα και κιμωλια γιατί παίρνουμε αυτά τα αποτελέσματα προκαλεί δυσφορία.

Γι αυτό κάποιοι επιστήμονες έχουν θέσει ως στόχο να οικοδομήσουν μια όσο το δυνατόν απλή εξήγηση (αλλά όχι απλοϊκή) της επίδρασης της συγκέντρωσης CO₂ στο κλίμα της Γης.

Ένα βασικό ερώτημα ήταν η προέλευση της λογαριθμικής κλιμάκωσης του φαινομένου του θερμοκηπίου – η αύξηση της θερμοκρασίας από 2 έως 5 βαθμούς που προβλέπουν τα μοντέλα ότι θα συμβεί για κάθε διπλασιασμό του CO₂. Μια θεωρία υποστήριζε ότι η κλιμάκωση προέρχεται από το πόσο γρήγορα μειώνεται η θερμοκρασία με το υψόμετρο. Αλλά το 2022, μια ομάδα ερευνητών χρησιμοποίησε ένα απλό μοντέλο για να αποδείξει ότι η λογαριθμική κλιμάκωση προέρχεται από το σχήμα του «φάσματος» απορρόφησης του διοξειδίου του άνθρακα – από το γεγονός ότι η ικανότητά του να απορροφά φως ποικίλλει ανάλογα με το μήκος κύματος του φωτός.

Αυτό ανάγεται σε εκείνα τα μήκη κύματος που είναι ελαφρώς μεγαλύτερα ή μικρότερα από 15 μm. Μια κρίσιμη λεπτομέρεια είναι ότι το διοξείδιο του άνθρακα είναι «χειρότερο» – αλλά όχι πολύ «χειρότερο» – στην απορρόφηση του φωτός με αυτά τα μήκη κύματος. Η απορρόφηση πέφτει και στις δύο πλευρές της κορυφής με τον κατάλληλο ρυθμό για να προκαλέσει την λογαριθμική κλιμάκωση.

«Το σχήμα αυτού του φάσματος είναι ουσιαστικό», δήλωσε ο David Romps, που συμμετείχε στην εργασία του 2022. «Αν το αλλάξετε, δεν θα έχετε τη λογαριθμική κλιμάκωση.» Το σχήμα του φάσματος του διοξειδίου του άνθρακα είναι ασυνήθιστο – τα περισσότερα αέρια απορροφούν ένα πολύ στενότερο εύρος μηκών κύματος. «Η ερώτηση που είχα στο πίσω μέρος του μυαλού μου ήταν: Γιατί έχει αυτό το σχήμα;» είπε ο Romps. «Αλλά δεν μπορούσα να καταλάβω τον ακριβή λόγο για τον οποίο συνέβαινε αυτό».

Κανονικοί τρόποι ταλάντωσης

Ο Wordsworth, Jacob Seeley και Keith Shine στράφηκαν στην κβαντομηχανική για να βρουν την απάντηση. Το φως αποτελείται από πακέτα ή κβάντα ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια. Μόρια όπως το CO₂ απορροφούν τα φωτόνια μόνο όταν αυτά έχουν ακριβώς τη σωστή ποσότητα ενέργειας για να διεγείρουν το μόριο σε μια διαφορετική κβαντομηχανική κατάσταση.

Το διοξείδιο του άνθρακα βρίσκεται συνήθως στην θεμελιώδη του κατάσταση, όπου τα τρία άτομά του βρίσκονται στην ίδια ευθεία, με το άτομο άνθρακα στο κέντρο, σε ίση απόσταση από τα δυο άτομα του οξυγόνου. Όμως διαθέτει επίσης και «διεγερμένες» καταστάσεις.

Ένα φωτόνιο με μήκος κύματος 15 μm μεταφέρει την ενέργεια που απαιτείται ακριβώς για να ρυθμίσει το άτομο άνθρακα να στροβιλίζεται γύρω από το κεντρικό σημείο σε ένα είδος κίνησης χούλα-χουπ. Οι κλιματικοί επιστήμονες έχουν ενοχοποιήσει εδώ και καιρό αυτή την κατάσταση hula-hoop για το φαινόμενο του θερμοκηπίου, αλλά – όπως προέβλεπε ο Ångström— το φαινόμενο απαιτεί μια ακριβώς συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας, σύμφωνα με τους Wordsworth et al. Η κατάσταση hula-hoop δεν μπορεί να εξηγήσει τη σχετικά αργή μείωση του ρυθμού απορρόφησης φωτονίων πέρα ​​από τα 15 mμ, επομένως δεν μπορεί να εξηγήσει από μόνη της την κλιματική αλλαγή.

Όμως οι Wordsworth et al βρήκαν ότι το κλειδί, είναι ο άλλος τύπος κίνησης, όπου τα δύο άτομα οξυγόνου εκτινάσσονται επανειλημμένα προς και μακριά από το κέντρο άνθρακα, σαν να τεντώνουν και να συμπιέζουν ένα ελατήριο που τα συνδέει. Αυτή η κίνηση απαιτεί πολύ περισσότερη ενέργεια για να προκληθεί μόνο από τα υπέρυθρα φωτόνια που εκπέμπει η Γη.

Αλλά οι συγγραφείς διαπίστωσαν ότι η ενέργεια αυτού του τρόπου ταλάντωσης τυχαίνει να είναι πολύ κοντά στο διπλάσιο αυτής της κίνησης χούλα-χουπ ώστε οι δύο καταστάσεις κίνησης αναμειγνύονται η μία με την άλλη. Υπάρχουν ειδικοί συνδυασμοί των δύο κινήσεων, που απαιτούν λίγο περισσότερη ή μικρότερη από την ακριβή ενέργεια της κίνησης χούλα-χουπ.

Αυτό το μοναδικό φαινόμενο ονομάζεται συντονισμός Fermi από τον διάσημο φυσικό Enrico Fermi, ο οποίος το διατύπωσε σε μια εργασία του 1931. Αλλά η σύνδεσή του με το κλίμα της Γης έγινε για πρώτη φορά σε μια περσινή δημοσίευση των Shine και Perry με τίτλο ‘Radiative forcing due to carbon dioxide decomposed into its component vibrational bands‘. Πρόκειται για ένα αποτέλεσμα που μας δείχνει τελικά την άμεση σύνδεση της κβαντικής μηχανικής με τη μεγαλύτερη εικόνα.

Κατά κάποιο τρόπο ο υπολογισμός αυτός μας βοηθά να κατανοήσουμε την κλιματική αλλαγή καλύτερα από οποιοδήποτε μοντέλο υπολογιστή. Είναι θεμελιωδώς σημαντικό να κατανοούμε τις βασικές αρχές από τις οποίες προέρχονται τα διάφορα φαινόμενα. Και η εν λόγω δημοσίευση ενισχύει την υπόθεση της ανθρωπογενούς συνεισφοράς στο φυσικό φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής, δείχνοντας ότι βασίζεται σε βασικές κβαντομηχανικές έννοιες – με λίγα λόγια σε απλή φυσική.

Υπενθυμίζεται ότι αυτόν τον Ιανουάριο, το Εργαστήριο Παγκόσμιας Παρακολούθησης της NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) ανέφερε ότι η συγκέντρωση του CO₂ στην ατμόσφαιρα έχει αυξηθεί από το προβιομηχανικό επίπεδο των 280 μερών ανά εκατομμύριο σε ένα ρεκόρ 419,3 μέρη ανά εκατομμύριο έως το 2023, προκαλώντας εκτιμώμενη αύξηση θερμοκρασίας 1 βαθμού Κελσίου μέχρι στιγμής.

ΠΗΓΗ

Αστεροσκοπείο Σκίνακα: Σε λειτουργία το νέο υπερσύγχρονο οπτικό τηλεσκόπιο

Ένα νέο, υπερσύγχρονο οπτικό τηλεσκόπιο λειτουργεί πλέον, από τις 20 Νοεμβρίου, στο Αστεροσκοπείο Σκίνακα, πάνω από τα Ανώγεια, στην κοινή ερευνητική υποδομή του Πανεπιστημίου Κρήτης και του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Ερευνας (ΙΤΕ), που δημιουργήθηκε χάρη στη δωρεά έκτασης 15 στρεμμάτων, στην ομώνυμη κορυφή του Ψηλορείτη, από τον Δήμο Ανωγείων.

Η αγορά του τηλεσκοπίου, που κατασκευάστηκε από την αυστριακή εταιρεία ASA Astrosysteme GbmH, με διάμετρο 1.0 μ., πραγματοποιήθηκε με χορηγία 500.000 ευρώ από την Επιτροπή «Ελλάδα 2021», με αφορμή την επέτειο των 200 χρόνων από την Επανάσταση.

Το νέο τηλεσκόπιο, το οποίο η πρόεδρος της Επιτροπής Γιάννα Αγγελοπούλου-Δασκαλάκη, κατά την τελετή ανακοίνωσης της χορηγίας στις 9 Ιουνίου 2022, βάφτισε ως «200+», δεν θα χρησιμοποιηθεί μόνο για την έρευνα και την εκπαίδευση της νέας γενιάς σε θέματα αστρονομίας. Θα αποτελέσει, σύμφωνα με σχετική ανακοίνωση, ένα εθνικό σημείο αναφοράς για την ανάπτυξη καινοτόμων τεχνολογιών και υπηρεσιών που σχετίζονται με τηλεπικοινωνίες νέας γενιάς, με δορυφόρους οι οποίοι βασίζονται στη χρήση λέιζερ, καθώς και ένα κέντρο παρακολούθησης της θέσεως των δορυφόρων αυτών, οι οποίοι είναι πλέον χιλιάδες και περιστρέφονται μερικές εκατοντάδες χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια της Γης. Οι δραστηριότητες αυτές θα οδηγήσουν στην ανάπτυξη τεχνογνωσίας σε τομείς αιχμής, καθώς και σε νέες θέσεις εργασίας και οικονομική ανάπτυξη στην Κρήτη.

O Βασίλης Χαρμανδάρης, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Κρήτης και διευθυντής του Αστεροσκοπείου Σκίνακα και του Ινστιτούτου Αστροφυσικής του ΙΤΕ, αναφέρει στο ΑΠΕ: «Είναι δύσκολο να περιγράψω τον ενθουσιασμό όλων των αστρονόμων στο ακαδημαϊκό οικοσύστημα του νησιού. Μετά από σχεδόν 30 χρόνια, ένα νέο τηλεσκόπιο έχει αρχίσει να συλλέγει το φως των άστρων στον Σκίνακα! Χάρη στο νέο τηλεσκόπιο μπορούμε να αξιοποιήσουμε με τον καλύτερο δυνατό τρόπο την εντυπωσιακή δυναμική που έχει το νεοσύστατο Ινστιτούτο Αστροφυσικής, και να συνεχίσουμε να προσελκύουμε τους καλύτερους ερευνητές και φοιτητές από την Ελλάδα και το εξωτερικό. Νέους ανθρώπους που, με καλές ιδέες και σκληρή δουλειά, βασιζόμενοι στις υποδομές μας και στο εύρυθμο ακαδημαϊκό περιβάλλον του φιλόξενου νησιού μας, κάνουν τα όνειρά τους πραγματικότητα και την Κρήτη διάσημη».

Επίσης, μέσα στο 2025 θα ολοκληρωθεί η κατασκευή του «Αστεροσχολείου», ενός κτιρίου 360 τ.μ. που περιλαμβάνει αίθουσα 85 θέσεων, το οποίο επίσης επιχορηγήθηκε από την Επιτροπή «Ελλάδα 2021», με χορηγία ύψους 1 εκατ. ευρώ, ένα όραμα 15 χρόνων του Δήμου Ανωγείων. Οπως δήλωσε ο δήμαρχος Ανωγείων Σωκράτης Κεφαλογιάννης, «ο Δήμος Ανωγείων, από την ίδρυση του Αστεροσκοπείου πριν από 40, σχεδόν, χρόνια μέχρι και σήμερα, το στηρίζει, διότι γνωρίζει τη σημασία που έχει η υποδομή αυτή, όχι μόνο για την περιοχή μας και την Κρήτη, αλλά και ολόκληρη τη χώρα μας. Το νέο κτίριο, το “Αστεροσχολείο”, εντάσσεται στον στρατηγικό σχεδιασμό του δήμου για την ανάπτυξη της ευρύτερης ορεινής περιοχής. Αναμένεται να ολοκληρωθεί μέσα στο 2025 και μαζί με τα τηλεσκόπια του Αστεροσκοπείου Σκίνακα θα αποτελέσει πόλο έλξης και συνδετικό κρίκο ανάμεσα στον Δήμο Ανωγείων, το Πανεπιστήμιο Κρήτης και το ΙΤΕ. Οι τρεις φορείς από κοινού θα οργανώσουμε εκεί πολιτιστικές και εκπαιδευτικές δράσεις, καθώς και δραστηριότητες στην αναπτυσσόμενη θεματική του αστροτουρισμού. Το νέο κτίριο θα μας βοηθήσει ώστε να αναλάβουμε κοινές πρωτοβουλίες που θα συνεισφέρουν απτά στην ήπια και ποιοτική ανάπτυξη της ορεινής Κρήτης, αναδεικνύοντας, πάντα με σεβασμό στην παράδοση, την ιστορία, τον πολιτισμό, αλλά και το λαμπρό μέλλον του τόπου μας».

«Οι επενδύσεις αυτές είναι εξαιρετικά σημαντικές, και δεν θα είχαν πραγματοποιηθεί χωρίς την προσφορά της Επιτροπής “Ελλάδα 2021” την οποία θα ήθελα να ευχαριστήσω και πάλι προσωπικά», τόνισε ο κ. Χαρμανδάρης θυμίζοντας το ρητό του Ινστιτούτου Αστροφυσικής και του Αστεροσκοπείου Σκίνακα «The Sky is not our limit!» που σημαίνει πως «Ο ουρανός δεν είναι το όριό μας».

ΠΗΓΗ

Μια κλασική ερώτηση φυσικής, που μάλλον δεν θα μπει ποτέ στις πανελλαδικές εξετάσεις, είναι η εξής: «Πόσο χρόνο χρειάζεται ένα αντικείμενο να διασχίσει υποθετικό τούνελ, που διέρχεται από το κέντρο της Γης, πέφτοντας ελεύθερα από το ένα άκρο στο άλλο;»

Με την προϋπόθεση ότι ότι η μάζα της Γης είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη σε έναν τέλεια σφαιρικό όγκο (σταθερή πυκνότητα) και ότι δεν υπάρχει αντίσταση του αέρα, η απάντηση που προκύπτει είναι μη αναμενόμενη (διαβάστε σχετικά: Ελεύθερη πτώση προς το κέντρο της Γης).

Όμως, αυτό είναι ένα θεωρητικό ερώτημα. Το πρακτικό ερώτημα είναι το αν πράγματι μπορούμε να σκάψουμε μια τρύπα που να διέρχεται από το κέντρο της Γης και να φτάνει στην άλλη πλευρά της.

Η απάντηση είναι πολύ πιο δύσκολη απ’ ότι φανταζόμαστε, σύμφωνα με τον Andrew Gase, επίκουρο καθηγητή γεωεπιστημών στο Boise State Universitye.

Ο παππούς του Andrew Gase, του έλεγε όταν ήταν μικρός πως αν έσκαβε τρύπες στην αυλή θα κατέληγε στην Κίνα.
«Στην πραγματικότητα, αν μπορούσα να σκάψω κατευθείαν μέσα από τον πλανήτη, θα έβγαινα στον Ινδικό Ωκεανό, περίπου 1.800 χιλιόμετρα δυτικά της Αυστραλίας», αναφέρει ο επιστήμονας. Καθώς ο μικρός Andrew συνέχιζε να σκάβει, κάποια στιγμή το φτυάρι του χτύπησε σε έναν βράχο, λιγότερο από ένα μέτρο κάτω από την επιφάνεια! Αυτό ήταν! Δεν μπορούσε να πάει βαθύτερα.

Ως γεωφυσικός, σήμερα ο Andrew Gase γνωρίζει πολύ καλά τη δομή της Γης, η οποία έχει τρία κύρια στρώματα:
– Το εξωτερικό περίβλημα, που ονομάζεται φλοιός και αποτελεί ένα πολύ λεπτό στρώμα ελαφρού πετρώματος. «Το πάχος του σε σχέση με τη διάμετρο της Γης είναι παρόμοιο με το πόσο παχιά είναι η φλούδα ενός μήλου σε σχέση με τη διάμετρό του».
– Ο μανδύας, που βρίσκεται κάτω από τον φλοιό που είναι πολύ πιο παχύς, όπως η σάρκα του μήλου. «Είναι φτιαγμένος από ισχυρά, βαριά πετρώματα που ρέουν έως και μερικά εκατοστά το χρόνο, καθώς τα θερμότερα πετρώματα ανεβαίνουν μακριά από το κέντρο της Γης και τα ψυχρότερα πετρώματα βυθίζονται προς αυτό».
– Ο πυρήνας, στο κέντρο της Γης, ο οποίος είναι κατασκευασμένος από εξαιρετικά καυτό υγρό και στερεό μέταλλο, με τις θερμοκρασίες εδώ να είναι μεταξύ 2.500 με 5.200 βαθμούς Κελσίου.

Τα εξωτερικά στρώματα της Γης ασκούν πίεση στα στρώματα που βρίσκονται από κάτω και οι δυνάμεις αυτές αυξάνονται σταθερά με το βάθος, όπως συμβαίνει και στον ωκεανό – ακριβώς όπως η πίεση στα αυτιά μας γίνεται ισχυρότερη όσο βουτάμε βαθύτερα κάτω από το νερό.

Αυτό, σύμφωνα με τον Gase, έχει ιδιαίτερη σημασία για το σκάψιμο μέσα στη Γη, επειδή όταν ανοίγεται μια τρύπα, τα τοιχώματα κατά μήκος των πλευρών της τρύπας δέχονται τεράστια πίεση από τα υπερκείμενα πετρώματα, και γίνονται εξαιρετικά ασταθή, αφού δημιουργείται κενό. Τα ισχυρότερα πετρώματα μπορούν να υποστηρίξουν μεγαλύτερες δυνάμεις, αλλά όλα τα πετρώματα μπορούν να καταρρεύσουν αν η πίεση είναι αρκετά μεγάλη.

Έτσι, όταν σκάβεις έναν λάκκο, ένας τρόπος για να αποτρέψεις τα τοιχώματα από το να καταρρεύσουν προς τα μέσα υπό την πίεση είναι να τα κάνεις λιγότερο απότομα, ώστε να κλίνουν προς τα έξω όπως οι πλευρές ενός κώνου. Ένας άλλος καλός κανόνας, σύμφωνα με τον Gase, είναι να κάνεις τον λάκκο τρεις φορές ευρύτερο από το βάθος του.

Ασταθή τοιχώματα

Το βαθύτερο ανοιχτό ορυχείο στη Γη είναι το ορυχείο Bingham Canyon στη Γιούτα, το οποίο σκάφτηκε με εκσκαφείς και εκρηκτικά στις αρχές της δεκαετίας του 1900 για την εξόρυξη μεταλλεύματος χαλκού. Ο λάκκος του ορυχείου έχει βάθος 1,2 χιλιόμετρα και πλάτος 4 χιλιόμετρα. Δεδομένου ότι το ορυχείο είναι υπερτριπλάσιο σε πλάτος από το βάθος του και τα τοιχώματα έχουν κλίση, τα τοιχώματα του λάκκου δεν είναι πολύ απότομα ή ασταθή.

Παρ’ όλα αυτά, το 2013, μία από τις πλαγιές κατέρρευσε, προκαλώντας δύο τεράστιες κατολισθήσεις που απελευθέρωσαν 145 εκατομμύρια τόνους θρυμματισμένου πετρώματος στον πυθμένα του λάκκου. Ευτυχώς, όπως λέει το Conversation, κανείς δεν τραυματίστηκε, αλλά οι κατολισθήσεις προκάλεσαν ζημιές εκατοντάδων εκατομμυρίων δολαρίων.

Για τον Gase, αν υποθέταμε πως ο πλανήτης ήταν ολόκληρος στερεός και επιχειρούσαμε να τον σκάψουμε, το βάθος μιας τρύπας σε όλο το μήκος του πλανήτη θα ήταν ισοδύναμο με τη διάμετρο της Γης. Έτσι, η τρύπα θα έπρεπε να είναι περίπου τριπλάσια σε πλάτος από τη διάμετρο της Γης για να είναι σταθερή. Προφανώς, αυτό είναι ένα αδύνατο εγχείρημα που θα άλλαζε εντελώς το σχήμα του πλανήτη.

Εκσκαφή VS γεώτρησης

Η γεώτρηση μπορεί να προχωρήσει σε μεγαλύτερο βάθος πιο γρήγορα από την εκσκαφή, επειδή χρειάζεται να μετακινηθεί λιγότερο υλικό και η μικρότερη επιφάνεια μιας γεώτρησης αντέχει μεγαλύτερη δύναμη.

Οι ενεργειακές εταιρείες πραγματοποιούν συνήθως γεωτρήσεις έως και 5 χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια για να βρουν πετρέλαιο και φυσικό αέριο.
Η βαθύτερη γεώτρηση στη Γη είναι η Kola στη βορειοδυτική Ρωσία, η οποία εκτείνεται σε βάθος 12,2 χιλιομέτρων. Βαθιές γεωτρήσεις όπως αυτή μπορούν να πουν στους επιστήμονες πολλά για το εσωτερικό της Γης.

Ωστόσο, το έργο Kola εγκαταλείφθηκε τελικά λόγω των προκλήσεων της γεώτρησης, όπως οι θερμοκρασίες που ήταν πολύ υψηλές για να λειτουργήσει ο εξοπλισμός, οι βλάβες του εξοπλισμού και το υψηλό κόστος.

Η γεώτρηση είναι μια κουραστική διαδικασία: ένα περιστροφικό τρυπάνι στο άκρο ενός κοίλου, γεμάτου λάσπη σωλήνα αλέθει το πέτρωμα, διεισδύοντας μόλις μερικές ίντσες ανά λεπτό για πολύ σκληρά πετρώματα. Υποθέτοντας σταθερή πρόοδο με αυτόν τον ρυθμό, ο Gase λέει ότι θα χρειαζόντουσαν εκατοντάδες χρόνια για να διατρηθεί η Γη.

Καθώς το τρυπάνι τρυπάει βαθύτερα, απαιτείται περισσότερος χρόνος για την αντικατάσταση των σπασμένων εξαρτημάτων. Και τα χιλιόμετρα των σωλήνων του τρυπανιού μπορεί να γίνουν τόσο βαριά που δεν μπορούν να στρίψουν ή να τραβηχτούν έξω από την οπή.

Η πίεση είναι επίσης ένα ζήτημα. Τα τοιχώματα των γεωτρήσεων βρίσκονται υπό τεράστια πίεση και είναι επιρρεπή στην αστοχία. Η αργή κίνηση του μανδύα της Γης θα προκαλέσει τελικά την κάμψη και την κατάρρευση μιας γεώτρησης.
Μάγμα, αέρια και υγρό μέταλλο βαθιά στη Γη, υπό τεράστια πίεση, θα μπορούσαν να εκραγούν μέσω της γεώτρησης προς την επιφάνεια.

Έτσι, με τα σημερινά δεδομένα και τις τεχνολογίες γεώτρησης που διαθέτουμε, είναι αδύνατον να σκαφτεί ο μανδύας και ο πυρήνα της Γης και να φτάσουμε στην άλλα πλευρά. Προς το παρόν, μπορούμε απλώς να θαυμάζουμε επιτεύγματα, όπως η τεραστίου βάθους γεώτρηση Kola και το ορυχείο Bingham Canyon, και να ονειρευόμαστε ότι κάποια στιγμή, θα πετύχουμε ανασκαφή πετρωμάτων σε ακόμα μεγαλύτερα βάθη.

ΠΗΓΗ

Το σφαιρωτό σμήνος Messier 15 

Στην αστρονομία σφαιρωτό αστρικό σμήνος ονομάζεται μια σχετικά πυκνή συγκέντρωση βαρυτικά δεσμευμένων αστέρων που έχει σφαιρικό ή σχεδόν σφαιρικό σχήμα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το σφαιρωτό σμήνος Μεσιέ 15 (γνωστό και ως M15 ή NGC 7078) που βρίσκεται σε απόσταση περίπου 33.600 ετών φωτός από τη Γη. Έχει ηλικία 12,5±1,3 δισεκατομμύρια έτη και είναι ένα από τα παλαιότερα γνωστά σφαιρωτά σμήνη. Ανακαλύφθηκε από τον Jean-Dominique Maraldi το 1746 και περιλαμβάνεται στον κατάλογο Messier.

Το σφαιρικό σμήνος Μ15 είναι ορατό με γυμνό μάτι όταν επικρατούν εξαιρετικές συνθήκες. Για παράδειγμα απόψε (18/11/24), λίγο μετά τις 10 μμ θα βρίσκεται χαμηλά στον δυτικό ουρανό, στη θέση που δείχνει το παρακάτω διάγραμμα:

Το Μ15 είναι μια σφαίρα γεμάτη αστέρια. Έχει διάμετρο περίπου 210 έτη φωτός, όμως περισσότερα από τα μισά άστρα είναι συσσωρευμένα στην κεντρική περιοχή με εύρος λίγο μεγαλύτερο από 10 έτη φωτός. Σύμφωνα με την εργασία των Puragra Guhathakurta et al που δημοσιεύθηκε πριν από 20 χρόνια στο περιοδικό στο Astronomical Journal, είναι πολύ πιθανό τα άστρα του M15 εκτός από την αμοιβαία αλληλεπίδραση της βαρύτητάς τους, να βρίσκονται υπό την επίδραση ενός γιγαντιαίου κεντρικού αντικειμένου – αν και μια μαύρη τρύπα δεν είναι απαραίτητα η καλύτερη εξήγηση για αυτό που βλέπουμε. Αλλά αν κάποιο σφαιρωτό σμήνος έχει μια μαύρη τρύπα στο κέντρο του, το M15 είναι ο πιο πιθανός υποψήφιος.

Υπολογίζεται ότι περιέχει 100.000 διακριτά άστρα, εκ των οποίων τα 30.000 βρισκονται σε ακτίνα 22 ετών φωτός από το κέντρο του σμήνος. Όσο πιο κοντά κοιτούσε το τηλεσκόπιο Hubble, τόσο περισσότερα άστρα έβρισκε. Αυτή η αύξηση της αστρικής πυκνότητας συνεχίζεται σε απόσταση 0,06 ετών φωτός από το κέντρο – περίπου 100 φορές η απόσταση του Πλούτωνα από τον Ήλιο μας. Η ανίχνευση διακριτών άστρων κοντά στον πυρήνα ήταν στο όριο της διακριτικής ικανότητας του Hubble.

Οι Guhathakurta et al θεώρησαν ότι τα άστρα συνωστίζονται πολύ πιο κοντά στο κέντρο και υπολόγισαν την κατανομή των άστρων ως συνάρτηση της απόστασης από τον πυρήνα, για να καταλήξουν στο συμπέρασμα ότι γιαυτό ευθύνεται: είτε μια μαύρη τρύπα στο κέντρο του σφαιρικού σμήνους είτε το φαινόμενο της βαρυτο-θερμικής (gravo-thermal) καταστροφής. Σύμφωνα με τον Guhathakurta, είναι μια καταστροφή με την έννοια ότι μόλις ξεκινήσει αυτή η διαδικασία μπορεί να ξεφύγει πολύ γρήγορα. Όμως άλλες διαδικασίες θα μπορούσαν να αναγκάσουν τον πυρήνα να αναπηδήσει πριν καταρρεύσει μέχρι τέλους.

H βαρυτο-θερμική καταστροφή

Το 1962, ο V. A. Antonov έκανε μερικές αξιοσημείωτες προσομοιώσεις που έδειξαν ότι στη Νευτώνεια μηχανική, τα βαρυτικά συστήματα θα μπορούσαν να παραβιάσουν τους συνήθεις κανόνες της θερμοδυναμικής. Αντί να φτάσουν σε ισορροπία, μπορεί να γίνονται όλο και πιο θερμότερα!

Έστω ότι αφήνονται ελεύθερα υπό την επίδραση της βαρύτητάς τους πολλά άστρα (Ν σημειακές μάζες m) σε μια μεγάλη σφαίρα ακτίνας r, υποθέτοντας ότι ανακλώνται ελαστικά από την εσωτερική επιφάνεια της σφαίρας. Επιπλέον θεωρούμε ότι οι σημειακές μάζες είναι «δεσμευμένες βαρυτικά», δηλαδή η ολική τους ενέργεια είναι αρνητική (Ε<0), που σημαίνει ότι δεν θα μπορούσαν να διαφύγουν στο άπειρο, ακόμη κι αν δεν υπήρχε η ανακλαστική σφαίρα. Πώς θα εξελιχθεί το σύστημα;

Ο V. A. Antonov απέδειξε αριθμητικά ότι, εκτός από μερικές ειδικές αρχικές συνθήκες το σύστημα καταλήγει σε ισορροπία, όταν η ακτίνα της σφαίρας είναι μικρότερη από μια κρίσιμη τιμή της ακτίνας: r_c=0,335 GM²/(-E), όπου Μ=Ν^.m η συνολική μάζα των άστρων.

Αλλά το πιο εντυπωσιακό είναι αυτό που συμβαίνει όταν η ακτίνα της σφαίρας ξεπερνά το παραπάνω όριο. Σε αυτή την περίπτωση κάποια άστρα θα συγκεντρωθούν κοντά στο κέντρο και θα σχηματίσουν ένα πυκνό σμήνος. Τελικά αυτό το σύμπλεγμα θα αρχίσει να καταρρέει και θα γίνει πολύ «θερμό». Με άλλα λόγια τα άστρα του σμήνους αρχίζουν να κινούνται πολύ γρήγορα. Τελικά, όλα τα άστρα στη σφαίρα θα συνεχίζουν να κινούνται όλο και πιο γρήγορα! Και η πίεση στα τοιχώματα της σφαίρας σνεχώς θα αυξάνεται! Αυτό είναι το βαρυτο-θερμικό φαινόμενο.

Δεν παραβιάζεται η αρχή διατήρησης της ενέργειας, διότι η αυξανόμενη αρνητική δυναμική ενέργεια του συρρικνούμενου σμήνους εξισορροπεί την αυξανόμενη κινητική ενέργεια των άστρων που κινούνται όλο και πιο γρήγορα. Θεωρώντας τα άστρα ως σημειακές μάζες η αρνητική δυναμική ενέργεια του συστήματος γίνεται αυθαίρετα μεγάλη, κάνοντάς το να παραβιάζει τους συνήθεις κανόνες της θερμοδυναμικής. Μπορεί να συνεχίσει αέναα να μετατρέπει τη δυναμική ενέργεια σε κινητική ενέργεια, όπως συμβαίνει στις μπάλες που κυλούν υπό την επιδραση του βαρυτικού πεδίου σε ένα (φανταστικό) πλάγιο επίπεδο που δεν τελειώνει ποτέ!

Για να αποτραπεί η έκρηξη της σφαίρας εξαιτίας της συνεχώς αυξανόμενης πίεσης στο εσωτερικό, μπορούμε να αυξήσουμε την ακτίνας της. Αυτό θα βοηθήσει – αλλά όχι για πολύ. Η πίεση θα μειωθεί στην αρχή. Αλλά το κεντρικό σμήνος θα συνεχίσει να θερμαίνεται και θα θερμάνει όλα τα άστρα γύρω του. Και η πίεση θα αυξηθεί πάλι.

Υπάρχει μόνο ένας τρόπος για να σταματήσουμε αυτή την απρόσμενη αύξηση της θερμοκρασίας. Να συρρικνωθεί η σφαίρα, ενάντια στην τεράστια πίεση που ασκεί το αέριο των άστρων στο εσωτερικό. Μόλις η σφαίρα γίνει αρκετά μικρή – περίπου στο μέγεθος του πυκνού σμήνος των άστρων κοντά στο μέσον – θα επιστρέψουμε στην ισορροπία. Αλλά η θερμοκρασία και η πίεση τώρα είναι πολύ υψηλότερη από πριν. Επιπλέον, ακόμη κι όταν το αέριο των άστρων φαίνεται να βρίσκεται σε ισορροπία, δεν είναι. Είναι απλώς μια μετασταθής κατάσταση. Τελικά, τυχαία θα σχηματιστεί ένα μικρό πυκνό σμήνος και θα συμβεί η βαρυτο-θερμική καταστροφή!

Οι D. Lynden-Bell και Roger Wood, στο άρθρο τους με τίτλο «The gravo-thermal catastrophe in isothermal spheres and the onset of red-giant structure for stellar systems» , περιγράφουν με γλαφυρό τρόπο την βαρυτο-θερμική καταστροφή σε μια σφαίρα γεμάτη άστρα καθώς η θερμοκρασία και η πίεση στο εσωτερικό της αρχίζουν να αυξάνουνν ανεξέλεγκτα!

Υπενθυμίζεται ότι όταν λέμε «άστρα» εννοούμε μεγάλης μάζας σημειακά σωματίδια. Αλλά επειδή τα άστρα συγκρούονται μάλλον σπάνια, η μελέτη των σημειακών σωματιδίων που αλληλεπιδρούν μέσω της Νευτώνειας βαρύτητας μας βοηθά να κατανοήσουμε τα ρεαλιστικά αστρικά σμήνη. Στα σφαιρικά σμήνη, η πυκνότητα συχνά γίνεται τόσο υψηλή στο κέντρο που τα άστρα συγκρούονται και σχηματίζουν μια μαύρη τρύπα στο κέντρο!

ΠΗΓΗ

Στα μέσα της δεκαετίας του 1970 η αισιοδοξία σχετικά με την επιτυχή πρόβλεψη σεισμών έφτασε στο αποκορύφωμά της, όταν οι κινέζοι ανακοίνωσαν πως είχαν προβλέψει με επιτυχία έναν πραγματικά μεγάλο και καταστροφικό σεισμό. Στις 4 Φεβρουαρίου 1975 ένας σεισμός μεγέθους 7,3 χτύπησε τη βιομηχανική πόλη Χαϊτσενγκ, προκαλώντας σημαντικές ζημιές σε κτίρια, αλλά μόνο μικρές απώλειες σε ανθρώπινες ζωές. Επιστήμονες που μελέτησαν τα αρχεία περίπου 30 χρόνια μετά κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι πράγματι υπήρξε πρόβλεψη βασισμένη σε πρόδρομα φαινόμενα, όπως η αύξηση της συχνότητας των μικροσεισμών και παρατηρήσεις της συμπεριφοράς ζώων, και πιο συγκεκριμένα φιδιών και άλλων ερπετών που ξύπναγαν από την χειμερία νάρκη τους ανεβαίνοντας στην επιφάνεια του εδάφους (Σχετικά με την πρόβλεψη των σεισμών)

Επιστήμονες στρατολογούν χιλιάδες σκύλους, κατσίκες και άλλα ζώα φάρμας- καθώς και ένα ευρύ φάσμα άγριας ζωής – προκειμένου να παρακολουθήσουν μέσω δορυφόρου τις μετακινήσεις τους. Πρόκειται για μια νέα διεθνή επιστημονική συνεργασία που έχει ως στόχο να επιβεβαιώσει- ή όχι- το αν τα ζώα μπορούν να προβλέψουν σεισμούς ή ηφαιστειακές εκρήξεις. Οι ερευνητές θα τοποθετήσουν μικροσκοπικούς πομπούς σε θηλαστικά, πτηνά και έντομα και στη συνέχεια, ένας ειδικός δορυφόρος- που θα εκτοξευτεί το επόμενο έτος- θα παρακολουθεί τις κινήσεις αυτών των ζώων.

Ο στόχος των επιστημόνων δεν είναι μόνο να μελετήσουν πώς αντιδρούν τα ζώα σε επικείμενα φυσικά γεγονότα όπως οι ηφαιστειακές εκρήξεις, αλλά και να αποκτήσουν νέες γνώσεις για τη μετανάστευση, την εξάπλωση ασθενειών μεταξύ των ζώων και τον αντίκτυπο της κλιματικής κρίσης σε αυτά, λένε οι ερευνητές.

«Τελικά, ελπίζουμε να εκτοξεύσουμε έναν στόλο περίπου έξι δορυφόρων και να δημιουργήσουμε ένα παγκόσμιο δίκτυο παρατήρησης που όχι μόνο θα παρέχει λεπτομέρειες για τις μετακινήσεις της άγριας ζωής και την υγεία των ζώων σε ολόκληρο τον πλανήτη, αλλά θα αποκαλύπτει πώς τα πλάσματα αντιδρούν σε φυσικά φαινόμενα όπως οι σεισμοί», δήλωσε στον Guardian ο επικεφαλής του έργου, Μάρτιν Βικέλσκι από το Max Planck Institute of Animal Behavior στη Γερμανία.

Η αξία της μελέτης των ζώων σχετικά με την πρόβλεψη των ηφαιστειακών εκρήξεων έχει ήδη αποδειχθεί σε πρώιμα πειράματα στη Σικελία στις πλαγιές της Αίτνας, είπε ο ερευνητής.

«Διαπιστώσαμε ότι τα κατσίκια είναι πολύ καλά στην πρόβλεψη μεγάλων ηφαιστειακών εκρήξεων» πρόσθεσε.

Οι αισθητήρες έδειξαν ότι τα ζώα γίνονταν νευρικά πριν από μια ηφαιστειακή έκρηξη και αρνούνταν να μετακινηθούν σε λιβάδια που βρίσκονταν σε μεγαλύτερο υψόμετρο, κάτι που υπό κανονικές συνθήκες θα έκαναν.

«Ξέρουν εκ των προτέρων τι έρχεται. Δεν καταλαβαίνουμε πώς το κάνουν, αλλά το κάνουν», είπε χαρακτηριστικά.

Ομοίως, ερευνητές παρακολούθησαν σκύλους, πρόβατα και άλλα ζώα φάρμας στα βουνά Abruzzo έξω από τη Ρώμη και διαπίστωσαν ότι και εκείνα αντέδρασαν στους επτά από τους οκτώ μεγάλους σεισμούς που έπληξαν την περιοχή τα τελευταία 12 χρόνια.

Οι ιστορίες ζώων που συμπεριφέρονται παράξενα πριν από σεισμούς ή εκρήξεις δεν είναι κάτι καινούριο. Ο Θουκυδίδης είχε γράψει ότι οι αρουραίοι, οι σκύλοι, τα φίδια και οι νυφίτσες εγκατέλειψαν την πόλη της Ελίκης λίγο πριν από έναν σεισμό το 373 π.Χ. Το ίδιο φαινόμενο παρατηρήθηκε και πριν την εκδήλωση ενός σεισμού που έπληξε την κινεζική πόλη Χαϊτσένγκ το 1975, όταν τα φίδια και οι αρουραίοι της περιοχής βγήκαν από τα λαγούμια τους. Το γιατί αυτά τα ζώα συμπεριφέρθηκαν με αυτόν τον τρόπο είναι λιγότερο σαφές.

«Κατά τη διάρκεια της δημιουργίας ενός σεισμού, οι τεκτονικές πλάκες γλιστρούν η μία πάνω στην άλλη κάτω από τεράστιες πιέσεις με αποτέλεσμα να εκτοξεύονται ιόντα από τα πετρώματα στον αέρα. Τα ζώα μπορεί να αντιδρούν σε αυτό», πρότεινε ο Βικέλσκι, ο οποίος είναι και ιδρυτής της International Cooperation for Animal Research Using Space (Icarus), μιας διεθνούς συνεργασίας στην οποία συμμετεχουν επιστημονικές ομάδες από όλο τον κόσμο.

Οι ερευνητές έχουν εξοπλίσει αγριογούρουνα με «ηλεκτρονικά» αυτιά- μικροσκοπικά επιταχυνσιόμετρα που ζυγίζουν 30 γραμμάρια. Ανάλογα με τις αλλαγές στις κινήσεις του ζώου, τα επιταχυνσιόμετρα μπορούν να ανιχνεύσουν εάν έχει αναπτύξει αφρικανική πανώλη των χοίρων – έναν εξαιρετικά μεταδοτικό ιό που εξαπλώνεται εύκολα μεταξύ αγριόχοιρων και οικόσιτων χοίρων.

Το να γνωρίζουμε πότε εμφανίζεται μια επιδημία στη φύση θα μπορούσε να είναι σημαντικό για τον περιορισμό των επιπτώσεων της νόσου στις φάρμες, λένε οι ερευνητές.

«Αυτό αλλάζει το παιχνίδι για την παρακολούθηση ασθενειών της άγριας ζωής», δήλωσε ο Κέβιν Μορέλ, ένας επιστήμονας του Ινστιτούτου Max Planck.

Η τεχνολογία πιθανώς θα βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν τις διαδικασίες που οδηγούν στη μετανάστευση των ζώων. Οι ερευνητές έχουν επίσης τοποθετήσει πομπούς σε μικροσκοπικά πλάσματα και οι κινήσεις τους θα μπορούσαν σύντομα να αποκαλύψουν τα μυστήρια που κρύβονται πίσω από τις μεταναστεύσεις των χιλιάδων χιλιομέτρων που κάνουν μεταξύ Ευρώπης και Αφρικής κάθε χρόνο.

«Ομοίως, θα είμαστε σε θέση να μελετήσουμε τους πληθυσμούς των ζώων για να προσδιορίσουμε πώς ανταποκρίνονται στις αλλαγές των οικοτόπων που προκαλούνται από την υπερθέρμανση του πλανήτη», κατέληξε ο ερευνητής.

ΠΗΓΗ

Το ρεκόρ όλων των εποχών στον αγώνα ταχύτητας των 100 μέτρων είναι τα 9,58 δευτερόλεπτα του Usain Bolt, που σημειώθηκε το 2009. Ποιος είναι τελικά ο ταχύτερος χρόνος στο κατοστάρι για ένα ιδανικό ανθρώπινο σώμα και ιδανικές συνθήκες αγώνα;

Ξεκινώντας το 2008, ο Γιουσέιν Μπολτ άρχισε να καταρρίπτει τα ρεκόρ σε αποστάσεις σπριντ, επιτυγχάνοντας τον ταχύτερο χρόνο του στα 100 μέτρα των 9,58 δευτερολέπτων, που σημειώθηκε το 2009, ένα ρεκόρ που ισχύει μέχρι σήμερα, μετά από σχεδόν 15 χρόνια. Εκτός από τον Bolt, κανένας άνθρωπος δεν έχει τρέξει ποτέ 100 μέτρα σε λιγότερο από 9,73 9,69 δευτερόλεπτα, αν και ο Noah Lyles και άλλοι θα προσπαθήσουν να σπάσουν αυτό το ρεκόρ φετινούς Ολυμπιακούς Αγώνες του 2024 στο Παρίσι. 

Πολλοί έχουν αναρωτηθεί: ποιό είναι το απόλυτο όριο για την ανθρώπινη ταχύτητα στα 100 μέτρα;

Ένας τέλειος αθλητής σε ανατομία, εκκίνηση, επιτάχυνση, αντοχή και μέγιστη ταχύτητα, με λίγα λόγια ένας υπερ-αθλητής, πόσο γρήγορα θα μπορούσε να τρέξει υπό ιδανικές συνθήκες σε έναν αγώνα 100 μέτρων;

Στη συνέχεια, γίνεται ένας υπολογισμός του ελάχιστου δυνατού χρόνου στο κατοστάρι, κάνοντας μερικές απλές υποθέσεις για τους τρεις βασικότερους παράγοντες που καθορίζουν μια κούρσα 100 μέτρων: τον χρόνο αντίδρασης, την μέγιστη επιτάχυνση και την μέγιστη ταχύτητα (που θα μπορούσε να αποκτήσει και να διατηρήσει για τον απαραίτητο χρόνο ένας υπερ-αθλητής).

1) Ο χρόνος αντίδρασης
Για την τέλεια κούσρα των 100 μέτρων, πρώτος στόχος είναι η τέλεια εκκίνηση: ακριβώς 0,10 δευτερόλεπτα μετά την εκπυρσοκρότηση του πιστολιού. Ο χρόνος της ανθρώπινης αντίδρασης είναι περιορισμένος. Μικρότερος χρόνος από τα 0,10 δευτερόλεπτα σημαίνει παράβαση της εκκίνησης που σηματοδοτεί το πιστόλι του αφέτη.
Προφανώς ο υπερ-αθλητής θα κάνει την τέλεια εκκίνηση μετά από 0,1 sec, ακριβώς.

2) Η επιτάχυνση μέχρι την μέγιστη ταχύτητα
Μελετώντας τις ταχύτερες εκκινήσεις στους αγώνες των 100 μέτρων, βρέθηκε ότι οι άνθρωποι μπορούν επιταχύνουν με ρυθμούς έως και 7 m/sec² (μέτρα/δευτερόλεπτο ανά δευτερόλεπτο).
Υποθέτουμε λοιπόν ότι ένας υπερ-αθλητής μπορεί να διατηρήσει σταθερή επιτάχυνση α_max=7 m/sec², μέχρι να αποκτήσει την μέγιστη δυνατή ταχύτητα.

3) Η τελική ταχύτητα
Η μεγαλύτερη τελική ταχύτητα που επιτεύχθηκε ποτέ από άνθρωπο ήταν 
τα 12,42 μέτρα/δευτερόλεπτο από τον Bolt. Ωστόσο, οι ανατομικές μελέτες δείχνουν ότι είναι εφικτές μέγιστες ταχύτητες έως 15,6-17,9 m/sec (μέτρα/δευτερόλεπτο). Στην πράξη, οι κορυφαίες ταχύτητες διατηρούνται μόνο για 3-4 δευτερόλεπτα.
Εδώ θα υποθέσουμε ότι ο υπερ-αθλητής μας μπορεί να διατηρήσει μια μέγιστη ταχύτητα υ_max=17,9 m/sec, μέχρι τον τερματισμό.

Τώρα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε απλή γυμνασιακή φυσική Α’ λυκείου:
● Ο υπερ-αθλητής κάνει την ιδανική εκκίνηση μετά από Δt₁=0,10 sec.
● Αναπτύσσει σταθερή επιτάχυνση α_max=7 m/sec² μέχρι να πιάσει την μέγιστη ταχύτητα υ_max=17,9 m/sec, για χρονικό διάστημα Δt₂=υ_max/α=2,56 sec, διανύοντας απόσταση s=1/2 α_max Δt₂² = 23 m.
● Διατηρώντας την σταθερή ταχύτητα υ_max=17,9 m/sec, διανύει το υπόλοιπο της διαδρομής σε χρονικό διάστημα, Δt₃=(100-s)/υ_max=4,3 sec.
● Αθροίζοντας τα τρία χρονικά διαστήματα (Δt₁+Δt₂+Δt₃) βρίσκουμε ότι ο υπεραθλητής θα έτρεχε τα 100 μέτρα σε χρόνο 6,96 δευτερόλεπτα!

Αν τα τρέξει γρηγορότερα, τότε μάλλον δεν είναι άνθρωπος.

ΠΗΓΗ

Στις 12 Νοεμβρίου 2024 και 6 μμ ώρα Ελλάδας, αρχίζει το νέο Έτος 38 στον πλανήτη Άρη

Μπορεί να θεωρείτε ότι είναι νωρίς για να γιορτάσετε τον ερχομό του νέου έτους, αλλά αυτό συμβαίνει μόνο επειδή είστε γήινοι: Η 12η Νοεμβρίου 2024 σηματοδοτεί το νέο έτος για τον πλανήτη Άρη. Το αρειανό νέο έτος έρχεται με την εαρινή ισημερία του Κόκκινου Πλανήτη και το ημερολόγιο (το αρειανό) αλλάζει τη σελίδα από το 37ο στο 38ο έτος.
Γιατί η 12η Νοεμβρίου θεωρείται Πρωτοχρονιά για τον Άρη; Και γιατί ο επίσημος υπολογισμός θέτει τον Κόκκινο Πλανήτη μόλις στο 38ο έτος του;

Η απάντηση περιλαμβάνει έναν συνδυασμό φυσικών κύκλων και της ανθρώπινης ανάγκης να επιβάλει την τάξη διαμέσου μιάς κάπως αυθαίρετης μέτρησης του χρόνου – σχεδόν όπως στη Γη.

Στον πλανήτη Γη, οι περισσότερες χώρες χρησιμοποιούν το Γρηγοριανό ημερολόγιο. Υιοθετήθηκε για πρώτη φορά το 1582 (αν και χρειάστηκε αρκετός χρόνος για να εξαπλωθεί σε όλο τον κόσμο) και είναι το τυπικό ημερολόγιό μας των 12 μηνών και 365 ημερών κάθε χρόνο – με μια ημέρα μπόνους να προστίθεται κάθε τέταρτο έτος. Το Γρηγοριανό ημερολόγιο ξεκινά την 1η Ιανουαρίου, ένα κατάλοιπο από το προηγούμενο, το Ιουλιανό ημερολόγιο της Ρωμαϊκής Αυτοκρατορίας. Για να τιμήσει τον θεό Ιανό, ο Ιούλιος Καίσαρας ανακήρυξε εκείνη την ημέρα ως την πρώτη του έτους.

Θα μπορούσαμε να ξεκινάμε το νέο έτος με βάση τις ισημερίες ή τα ηλιοστάσια. Αυτές οι ημερομηνίες βασίζονται στην κλίση του άξονα της Γης, περίπου 23 μοίρες σε σχέση με το επίπεδο της τροχιάς του. Το ηλιοστάσιο του Ιουνίου, για παράδειγμα, συμβαίνει όταν ο βόρειος πόλος του πλανήτη γέρνει περισσότερο προς τον ήλιο, κάτι που συμβαίνει περί την 21η του ίδιου μήνα κάθε χρόνο. (Σημειώστε ότι αυτό γίνεται όταν στο νότιο ημισφαίριο επικρατεί χειμώνας, γι’ αυτό οι αστρονόμοι αποφεύγουν να το αποκαλούν «θερινό ηλιοστάσιο».)

Οι αστρονόμοι προτιμούν να μετρούν τα πάντα στον ουρανό σε σχέση με την ισημερία του Μαρτίου, που ονομάζεται επίσης εαρινή ισημερία, απομεινάρι της εστιασμένης στο βόρειο ημισφαίριο μέτρησης χρόνου. Οι αστρονόμοι θεωρούν την ισημερία του Μαρτίου ως τη στιγμή που η θέση του ήλιου στον ουρανό διασχίζει τον ουράνιο ισημερινό, την προβολή του ισημερινού της Γης στον ουρανό. Αυτό είναι ένα εύχρηστο σημείο στο χρόνο και στο χώρο για τη μέτρηση πραγμάτων όπως οι θέσεις των πλανητών και των άστρων.

Τι σχέση έχουν αυτά με τον πλανήτη Άρη;

Στις αρχές του 20ου αιώνα, καθώς οι άνθρωποι άρχισαν να παρατηρούν τον Άρη με πιο ισχυρά τηλεσκόπια, εντόπισαν διάφορες αλλαγές να σαρώνουν τον πλανήτη σε σχέση με την μεταβαλλόμενη θέση στην τροχιά του. Στη συνέχεια, καθώς προέκυψαν εξαιρετικές επί τόπου παρατηρήσεις από τα διαστημικά σκάφη που στάλθηκαν στον Κόκκινο Πλανήτη, έγινε σαφές ότι χρειαζόμασταν κάποιου είδους ημερολόγιο για τον Άρη.

Ένα τέτοιο ημερολόγιο θα έπρεπε να είναι πολύ διαφορετικό από το δικό μας. Ένας προφανής λόγος είναι ότι ο Άρης βρίσκεται πιο μακριά από τον ήλιο και χρειάζονται σχεδόν δύο γήινα χρόνια για να ολοκληρώσει μια μόνο τροχιά γύρω από το άστρο μας. Ένα αρειανό έτος ισοδυναμεί με περίπου 687 γήινες ημέρες!

Μια ημέρα του Άρη – που ονομάζεται sol, για να τη διακρίνουμε από μια ημέρα της Γης – είναι επίσης λίγο μεγαλύτερη από την δική μας, διαρκεί 24 ώρες, 39 λεπτά και 35 δευτερόλεπτα. Υπάρχουν περίπου 668 sol σε ένα αρειανό έτος.

Αλλά αυτές οι διαφορές είναι στην πραγματικότητα λυτρωτικές γιατί μας απελευθερώνουν από την ιστορική μας κληρονομιά των αυθαίρετων κοινωνικοπολιτικών μηχανορραφιών (και στα ημερολόγια). Στον Άρη, μπορέσαμε να κάνουμε μια νέα αρχή, καθορίζοντας την καταμέτρηση των ετών, αρχίζοντας από το μηδέν.

Έτσι, οι πλανητολόγοι αποφάσισαν να ξεκινήσουν το νέο έτος του Άρη από την εαρινή ισημερία του πλανήτη. O Άρης παρουσιάζει μια αξονική κλίση που μοιάζει με της Γης, περίπου 25 μοιρών. Αυτό σημαίνει ότι έχει εποχές παρόμοιες με τις δικές μας, δημιουργώντας τις καιρικές αλλαγές που παρατηρούν οι αστρονόμοι. Καθώς οι θερμοκρασίες αυξάνονται κατά την διάρκεια της άνοιξης του Άρη, δημιουργούνται καταιγίδες σκόνης και μερικές μεγαλώνουν τόσο πολύ που μπορούν να καλύψουν μεγάλο μέρος του πλανήτη. Η έναρξη του καλοκαιριού σε ένα δεδομένο ημισφαίριο θερμαίνει εξαχνώνοντας το κάλυμα πάγου στον πόλο του. Θα μπορούσαμε λοιπόν να χρησιμοποιήσουμε την ισημερία ως ημερομηνία έναρξης του χρόνου.

Μακάρι όμως να ήταν τόσο απλά τα πράγματα. Η τροχιά της Γης γύρω από τον ήλιο είναι σχεδόν κύκλος και οι εποχές διαρκούν όλες περίπου τρεις μήνες. Αλλά η τροχιά του Άρη γύρω από τον ήλιο είναι αναμφισβήτητα ελλειπτική. Όταν ο πλανήτης είναι πιο κοντά στον ήλιο (τον χειμώνα στο βόρειο ημισφαίριο του) η τροχιακή του ταχύτητα είναι μεγαλύτερη από ό,τι όταν είναι πιο απομακρυσμένος (καλοκαίρι στο βόρειο ημισφαίριο) και σε συνδυασμό με την ελλειπτική τροχιά του, αυτό σημαίνει ότι οι εποχές έχουν αρκετά διαφορετικές διάρκειες. Έτσι, άνοιξη στο βόρειο ημισφαίριο έχει διάρκεια 194 αρειανών ημερών (sols), ενώ το καλοκαίρι 178, το φθινόπωρο 142 και ο χειμώνας διαρκεί 154 sols. Από μία άποψη λοιπόν, αυτές οι περίεργες εποχές θα έκαναν τη ζωή στον Άρη παράξενη, και από την άλλη ένα μη-λειτουργικό ημερολόγιο θα ήταν μια συνεχής πηγή επιπλέον εκνευρισμού.

Και τι γίνεται με την αρίθμηση των ετών και το περίεργο γεγονός ότι το αρειανό ημερολόγιο μέχρι στιγμής φτάνει μόνο στο Έτος 38; Οι επιστήμονες αποφάσισαν να σηματοδοτήσουν το Έτος 1 ως τη στιγμή που μια τεράστια θύελλα σκόνης ξέσπασε στην επιφάνεια του πλανήτη το 1956 – ένα από τα πιο αξιοσημείωτα γεγονότα σε άλλον πλανήτη κατά την πρώιμη διαστημική εποχή. Η εαρινή ισημερία για εκείνο το αρειανό έτος συνέβη στις 11 Απριλίου 1955, επομένως είναι πλέον αποδεκτή ως η πρώτη Πρωτοχρονιά στον πλανήτη. Για να γίνουν τα πράγματα λιγότερο ασαφή, οι επιστήμονες όρισαν επίσης το Έτος 0 ως αρχή της προηγούμενης ισημερίας, στις 24 Μαΐου 1953. Αυτό αποτρέπει κάθε παράξενο όπως αυτό του Γρηγοριανού ημερολογίου, το οποίο, επειδή δεν έχει Έτος 0, δημιουργεί περίεργες καταστάσεις όπως νέους αιώνες ξεκινώντας από χρόνια που τελειώνουν με 01 αντί για 00 (Ο 21ος αιώνας, για παράδειγμα, ξεκίνησε την 1η Ιανουαρίου, 2001. )

Με βάση τα παραπάνω το νέο έτος 38 στον πλανήτη Άρη ξεκινά σύμφωνα με το γήινο Γρηγοριανό ημερολόγιο, στις 12 Νοεμβρίου 2024, περίπου στις 16:00 UTC (ή 18:00 ώρα Ελλάδος). Ίσως εκείνη τη στιγμή, κάποιο από τα διαστημικά ρόβερ που εξερευνούν τον κόκκινο πλανήτη εντοπίσει επιτέλους τα μικρά πράσινα ανθρωπάκια που θα ανοίγουν σαμπάνιες γιορτάζοντας την πρωτοχρονιά τους.

ΠΗΓΗ

Έστω ότι με κάποιο μαγικό τρόπο μπορούσαμε να αντικαταστήσουμε όλη την ύλη που περιέχει ο όγκος της Γης με … βατόμουρα στιβαγμένα το ένα δίπλα στο άλλο. Ποιά θα ήταν τότε η εξέλιξη αυτού του νέου παράξενου πλανήτη;

Αν και πρόκειται για μια εντελώς παράλογη υπόθεση, οι συνέπειές της μπορούν να διερευνηθούν με επιστημονικό τρόπο χρησιμοποιώντας τους νόμους της φυσικής, όπως ακριβώς θα εφαρμόζονταν σε έναν μικρό ωκεάνιο εξωπλανήτη.

Δραστική μείωση της βαρύτητας

Η πυκνότητα του πολτού των βατόμουρων (μύρτιλα) είναι περίπου ίση με την πυκνότητα του νερού, δηλαδή ρ_πολτού=1000 kg/m³. Η πυκνότητα του σφαιρικού πλανήτη από βατόμουρα στιβαγμένα το ένα δίπλα στο άλλο, δεδομένου ότι υπάρχουν κενά αέρα μεταξύ τους, πρέπει να είναι μικρότερη. Σύμφωνα με την βιβλιογραφία είναι περίπου ρ_β=700 kg/m³. Αφού η κανονική Γη έχει πυκνότητα περίπου 5515 kg/m³, η ένταση του πεδίου βαρύτητας g_β=GM_β/R² στην επιφάνεια του βατομουρο-πλανήτη θα είναι: g_β=g_Γης·ρ_β/ρ_Γης=1,25 m/s². Επομένως, το πρώτο σημαντικό αποτέλεσμα είναι μια δραστική μείωση της βαρύτητας, η οποία όπως θα δούμε στη συνέχεια θα αυξηθεί κάπως, μέχρι 1,6 m/s².

Κατάρρευση από την πολτοποίηση των βατόμουρων

Αλλά τα βατόμουρα δεν είναι ιδιαίτερα ανθεκτικά στην πίεση όταν τα ζουλάμε. Ψάχνοντας τα σχετικά με την «μηχανική αντοχή των βατόμουρων» βρίσκουμε ότι η πίεση θραύσης τους είναι περίπου Ρ_θρ=10⁴ Ν/m². Αυτό μας επιτρέπει να εκτιμήσουμε σε ποιο βάθος z θα αρχίζει η σύνθλιψη των μούρων. Από την εξίσωση Ρ_θρ=ρ_β·g_β·z, βρίσκουμε z=11,4 m. Έτσι, ενώ στην επιφάνεια θα υπάρχουν ελεύθερα βατόμουρα, λίγα μέτρα πιο κάτω θα αρχίσουν να πολτοποιούνται. Αυτή η πολτοποίηση θα έχει ένα σημαντικό αποτέλεσμα: ο πολτός διαχωρίζεται από τον αέρα που διαφεύγει και σχηματίζεται μια μικρότερη σφαίρα.

Αν υποθέσουμε ότι ο πολτός είναι ασυμπίεστο ρευστό, τότε σχηματίζεται μια σφαίρα πολτού βατόμουρων που έχει την αρχική μάζα των βατόμουρων: Μ_π=Μ_β ή R_π³ρ_π=R_β³ρ_β , και θεωρώντας R_β=6378 km (ακτίνα Γης), ρ_β=700 kg/m³, ρ_πολτού=1000 kg/m³, παίρνουμε έναν πλανήτη με ακτίνα R_π=5663 km που περιβάλλεται από μια απέραντη ατμόσφαιρα. Η νέα ένταση του πεδίου βαρύτητας στην επιφάνεια του συρρικνωμένου πλανήτη εξαιτίας της πολτοποίσης των βατόμουρων θα είναι τώρα σχεδόν όση η επιτάχυνση της βαρύτητας στην επιφάνεια της Σελήνης⁽¹⁾.

Ένας παρατηρητής που στέκεται στην επιφάνεια της Γης την στιγμή της μετατροπής της σε πλανήτη από βατόμουρα, θα αισθανθεί να χάνει τα βατόμουρα κάτω από τα πόδια του, μέχρι η ακτίνα του πλανήτη μειωθεί κατά 715 ​​km. Επιπλέον θα βλέπει πίδακες αέρα και πολτού βατόμουρων να εκτοξεύονται παντού γύρω του.

Ο χρόνος t που απαιτείται για να γίνει η παραπάνω ρευστοποίηση-συρρίκνωση του πλανήτη μπορεί να υπολογιστεί εύκολα χρησιμοποιώντας διαστατική ανάλυση: (διαβάστε σχετικά: «Σε πόσο χρόνο θα κατέρρεε βαρυτικά ο Ήλιος» ).

Ωκεανός θερμής μαρμελάδας

Βέβαια το φαινόμενο δεν είναι τόσο απλό και στην πραγματικότητα θα διαρκέσει πολύ περισσότερο μέχρι να απελευθερωθεί ο εγκλωβισμένος αέρας και να αποκατασταθεί η ισορροπία. Επί πλέον, θα προκληθεί μεγάλη αύξηση της θερμοκρασίας. Καθώς ο πλανήτης θα συρρικώνεται εξαιτίας της πολτοποίησης των βατόμουρων, η βαρυτική δυναμική ενέργεια μειώνεται και μετατρέπεται σε θερμική⁽²⁾.

Θα προκύψει ένας βουερός ωκεανός βραστής μαρμελάδας βατόμουρων, με θερμοπίδακες αέρα, υδρατμών και μούρων. Ο πλανήτης μπορεί να θερμανθεί περαιτέρω εξαιτίας του φαινομένου θερμοκηπίου. Θα δημιουργηθεί μια πυκνή ατμόσφαιρα⁽³⁾ με σύννεφα και μόνιμες καταιγίδες, με ισχυρούς ανέμους να μαίνονται πάνω από μια παγκόσμια θάλασσα κόκκινης μαρμελάδας.

Πιθανότατα θα υπάρξει μαζική διαδικασία οξείδωσης, ίσως ζύμωση των σακχάρων σε αλκοόλες. Υπάρχει επίσης μια πιθανότητα στον πυρήνα και τον μανδύα του πλανήτη να δημιουργηθεί εξωτικός πάγος, διότι παρά τις υψηλές θερμοκρασίες, η πίεση στον πυθμένα του ωκεανού θα ήταν αρκετά υψηλή ώστε να προκαλέσει το σχηματισμό ενός κρυσταλλικού στερεού.

Μείωση της διάρκειας της ημέρας

Επιπλέον, ας σημειωθεί ότι η συρρίκνωση του πλανήτη θα αυξήσει την γωνιακή ταχύτητα ιδιοπεριστροφής και η διάρκεια της ημέρας θα μειωθεί. Εφαρμόζοντας την αρχή διατήρησης της στροφορμής παίρνουμε: , απ’ όπου εύκολα προκύπτει ότι η διάρκεια της ημέρας θα γίνει 18,9 ώρες.

Περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τους υπολογισμούς των ιδιοτήτων του πλανήτη από βατόμουρα βρίσκονται στο άρθρο του Anders Sandberg, με τίτλο «Blueberry Earth» , όπου με έναν παιδαγωγικό και διασκεδαστικό τρόπο εφαρμόζονται οι βασικές αρχές της πλανητικής επιστήμης. Η υπόθεση της μετατροπής της Γης σε πλανήτη από βατόμουρα μπορεί να είναι εξωφρενική, όμως οι ιδιότητες που θα αποκτήσει στη συνέχεια ο πλανήτης φαίνονται αρκετά φυσιολογικές σε σχέση με ότι υπάρχει εκεί έξω.

Σημειώσεις:
(1) Ενώ αρχικά στην επιφάνεια του πλανήτη από βατόμουρα η ένταση του πεδίου βαρύτητας είναι g_β=1,25 m/s², όταν η ακτίνα μειωθεί εξαιτίας της πολτοποίησης των εσωτερικών βατόμουρων στην τιμή R_π=5663 km, η νέα ένταση θα είναι:
(2) Εύκολα μπορεί κανείς να αποδείξει ότι η βαρυτική δυναμική ενέργεια ενός πλανήτη υπολογίζεται από την εξίσωση: . Xρησιμοποιώντας την παραπάνω σχέση υπολογίζουμε την θερμότητα που θα απελευθερωθεί: . Στη συνέχεια θεωρώντας την θερμοχωρητικότητα των βατόμουρων περίπου όση και του νερού μπορούμε να υπολογίσουμε την αύξηση της θερμοκρασίας περίπου στους 126 ^oC.
(3) Μπορούμε να εκτιμήσουμε το μέγεθος που ονομάζεται κλίμακα ύψους της ατμόσφαιρας, H=k_BT/mg, όπου k_B η σταθερά Μπόλτζμαν, m η μέση μοριακή μάζα του ατμοσφαιρικού αέρα, Τ η απόλυτη θερμοκρασία και g η επιτάχυνση της βαρύτητας, που μας δίνει μια εκτίμηση του πως μειώνεται η ατμοσφαιρική πίεση συναρτήσει του ύψους z για συγκεκριμένη θερμοκρασία [P(z) = P(0)e^−z/H]. Υποθέτοντας μια ατμόσφαιρα ίδιας σύνθεσης και θερμοκρασίας με τη Γη, προκύπτει Η=53 km. Αυτό σημαίνει ότι η πίεση θα μειώνεται λιγότερο με το υψόμετρο, επιτρέποντας πολύ πυκνότερα νέφη. Η ατμόσφαιρα του πλανήτη των βατόμουρων θα έχει μεγαλύτερη μάζα σε σύγκριση με την ατμόσφαιρα της Γης.

ΠΗΓΗ