9.1: الخصائص العامة للقمر

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197223

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

ناقش ما تم تعلمه من استكشاف القمر المأهول والآلي
وصف تكوين وهيكل القمر

تبلغ كتلة القمر واحدًا وثمانين كتلة الأرض وحوالي سدس جاذبية سطح الأرض - وهي نسبة منخفضة جدًا بحيث لا يمكن الاحتفاظ بالغلاف الجوي (الشكل\(\PageIndex{1}\)). يمكن لجزيئات الغاز المتحركة أن تتسرب من الكوكب بنفس الطريقة التي يهرب بها الصاروخ، وكلما انخفضت الجاذبية، أصبح تسرب الغاز إلى الفضاء أسهل. بينما يمكن للقمر الحصول على جو مؤقت من التأثير على المذنبات، يتم فقدان هذا الغلاف الجوي بسرعة عن طريق التجمد على السطح أو عن طريق الهروب إلى الفضاء المحيط. يعاني القمر اليوم من نقص كبير في مجموعة واسعة من المواد المتطايرة، تلك العناصر والمركبات التي تتبخر في درجات حرارة منخفضة نسبيًا. تم تلخيص بعض خصائص القمر في الجدول\(\PageIndex{1}\)، إلى جانب القيم المقارنة لعطارد.

جانبان للقمر. — الشكل: تُظهر\(\PageIndex{1}\) الصورة اليسرى جزءًا من نصف الكرة الأرضية الذي يواجه الأرض؛ ويمكن رؤية العديد من ماريا الداكنة. تُظهر الصورة اليمنى جزءًا من نصف الكرة الأرضية بعيدًا عن الأرض؛ وتهيمن عليه المرتفعات. تبلغ دقة هذه الصورة عدة كيلومترات، على غرار المناظير عالية الطاقة أو التلسكوب الصغير.

الجدول\(\PageIndex{1}\): خصائص القمر والزئبق
الملكية	القمر	زئبق
الكتلة (الأرض = 1)	0.0123	0.055
القطر (كم)	3476	4878
الكثافة (جم/سم 3)	3.3	5.4
الجاذبية السطحية (الأرض = 1)	0.17	0.38
سرعة الهروب (كم/ثانية)	2.4	4.3
فترة التناوب (أيام)	27.3	58.65
مساحة السطح (الأرض = 1)	0.27	0.38

استكشاف القمر

معظم ما نعرفه عن القمر اليوم مستمد من برنامج أبولو الأمريكي، الذي أرسل تسع مركبات فضائية موجهة إلى قمرنا الصناعي بين عامي 1968 و 1972، وهبط 12 رائد فضاء على سطحه (الصورة المصغرة لهذا الفصل). قبل عصر دراسات المركبات الفضائية، كان علماء الفلك قد رسموا خريطة لجانب القمر الذي يواجه الأرض بدقة تلسكوبية تبلغ حوالي كيلومتر واحد، لكن جيولوجيا القمر بالكاد كانت موجودة كموضوع علمي. كل ذلك تغير بداية من أوائل الستينيات. في البداية، أخذت روسيا زمام المبادرة في استكشاف القمر مع Luna 3، التي أعادت الصور الأولى للجانب البعيد من القمر في عام 1959، ثم مع Luna 9، التي هبطت على السطح في عام 1966 ونقلت الصور والبيانات الأخرى إلى الأرض. ومع ذلك، فقد طغت هذه الجهود في 20 يوليو 1969، عندما وطأت قدم أول رائد فضاء أمريكي القمر.

\(\PageIndex{2}\)يلخص الجدول رحلات أبولو التسع: ست رحلات هبطت وثلاث رحلات أخرى دارت حول القمر ولكنها لم تهبط. كانت عمليات الإنزال الأولية على السهول المسطحة المختارة لأسباب تتعلق بالسلامة. ولكن مع زيادة الخبرة والثقة، استهدفت وكالة ناسا البعثات الثلاث الأخيرة إلى مناطق أكثر إثارة للاهتمام من الناحية الجيولوجية. كما زاد مستوى الاستكشاف العلمي مع كل مهمة، حيث أمضى رواد الفضاء أوقاتًا أطول على القمر وحملوا معدات أكثر تفصيلاً. أخيرًا، عند هبوط أبولو الأخير، ضمت وكالة ناسا عالمًا واحدًا، وهو عالم الجيولوجيا جاك شميت، بين رواد الفضاء (الشكل\(9.1.2\)).

الجدول\(\PageIndex{2}\): رحلات أبولو إلى القمر
رحلة	التاريخ	موقع الهبوط	الإنجاز الرئيسي
أبولو 8	ديسمبر 1968	—	أول إنسان يطير حول القمر
أبولو 10	مايو 1969	—	أول مركبة فضائية تلتقي في مدار القمر
أبولو 11	يوليو 1969	ماري ترانكويليتاتيس	أول هبوط بشري على القمر؛ تم إرجاع 22 كيلوغرامًا من العينات
أبولو 12	نوفمبر 1969	أوسيانوس بروسيلياروم	حزمة تجربة أبولو الأولى لسطح القمر (ALSEP)؛ زيارة مركبة Surveyor 3 Lander
أبولو 13	أبريل 1970	—	تم إحباط الهبوط بسبب انفجار في وحدة القيادة
أبولو 14	يناير 1971	ماري نوبيوم	أول «عربة» على القمر
أبولو 15	يوليو 1971	ماري إمبريوم/هادلي	أول مركبة «روفر»؛ زيارة إلى هادلي ريل؛ سافر رواد الفضاء 24 كيلومترًا
أبولو 16	أبريل 1972	ديكارت	أول هبوط في المرتفعات؛ تم إرجاع 95 كيلوغرامًا من العينات
أبولو 17	ديسمبر 1972	مرتفعات برج الثور - ليترو	جيولوجي بين أفراد الطاقم؛ تم إرجاع 111 كيلوغرامًا من العينات

عالم على القمر. — \(\PageIndex{2}\)عالم الجيولوجيا (ولاحقًا عضو مجلس الشيوخ الأمريكي) هاريسون «جاك» شميت أمام صخرة كبيرة في وادي ليترو على حافة المرتفعات القمرية. لاحظ مدى سواد السماء على القمر الخالي من الهواء. لا توجد نجوم مرئية لأن السطح مضاء بشكل ساطع بالشمس، وبالتالي فإن التعرض ليس طويلاً بما يكفي للكشف عن النجوم.

بالإضافة إلى الهبوط على سطح القمر ودراسته من مسافة قريبة، حققت بعثات أبولو ثلاثة أهداف ذات أهمية كبيرة لعلوم القمر. أولاً، جمع رواد الفضاء ما يقرب من 400 كيلوغرام من العينات للتحليل المختبري المفصل على الأرض (الشكل\(\PageIndex{3}\)). كشفت هذه العينات الكثير عن القمر وتاريخه مثل جميع الدراسات القمرية الأخرى مجتمعة. ثانيًا، قامت كل عملية هبوط لأبولو بعد الهبوط الأول بنشر حزمة تجارب أبولو على سطح القمر (ALSEP)، والتي استمرت في العمل لسنوات بعد مغادرة رواد الفضاء. ثالثًا، حملت وحدات قيادة أبولو المدارية مجموعة واسعة من الأدوات لتصوير وتحليل سطح القمر من الأعلى.

الشكل:\(\PageIndex{3}\) التعامل مع صخور القمر. يتم تحليل العينات القمرية التي تم جمعها في مشروع أبولو وتخزينها في مرافق وكالة ناسا في مركز جونسون للفضاء في هيوستن، تكساس. هنا، يقوم أحد الفنيين بفحص عينة من الصخور باستخدام القفازات في بيئة مغلقة لتجنب تلويث العينة.

غادر آخر إنسان القمر في ديسمبر 1972، بعد أكثر من ثلاث سنوات بقليل من قيام نيل أرمسترونغ بـ «قفزة عملاقة للبشرية». تم قطع برنامج استكشاف القمر في منتصف الطريق بسبب الضغوط السياسية والاقتصادية. كانت تكلفتها حوالي 100 دولار أمريكي، موزعة على 10 سنوات - أي ما يعادل بيتزا كبيرة واحدة للشخص الواحد في السنة. لكن بالنسبة للعديد من الناس، كانت عمليات الهبوط على سطح القمر واحدة من الأحداث المركزية في تاريخ القرن العشرين.

تُركت صواريخ أبولو العملاقة المصممة للسفر إلى القمر لتصدأ على مروج مراكز ناسا في فلوريدا وتكساس وألاباما، على الرغم من أنه تم مؤخرًا نقل بعضها على الأقل إلى الداخل إلى المتاحف (الشكل\(\PageIndex{4}\)). اليوم، لا تخطط وكالة ناسا ولا روسيا لإرسال رواد فضاء إلى القمر، ويبدو أن الصين هي الدولة الأكثر احتمالاً لمحاولة هذا العمل الفذ. (في جزء غريب من السخرية، يتساءل بعض الناس عما إذا كنا قد ذهبنا إلى القمر على الإطلاق، واقترحوا بدلاً من ذلك أن برنامج أبولو كان مزيفًا، تم تصويره على مسرح صوتي في هوليوود. انظر المربع أدناه للحصول على ردود بعض العلماء على هذه الادعاءات.) ومع ذلك، أصبح الاهتمام العلمي بالقمر أقوى من أي وقت مضى، حيث قامت أكثر من نصف دزينة من المركبات الفضائية العلمية - المرسلة من وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية واليابان والهند والصين - بالدوران أو الهبوط على أقرب جار لنا خلال العقد الماضي.

اقرأ The Great Moon Hoax حول الادعاء بأن وكالة ناسا لم تنجح أبدًا في وضع الناس على القمر.

صاروخ القمر على الشاشة. — الشكل\(\PageIndex{4}\) الأول من صواريخ Saturn 5 غير المستخدمة المصممة للذهاب إلى القمر أصبحت الآن من المعالم السياحية في مركز جونسون للفضاء التابع لناسا في هيوستن، على الرغم من أنه تم نقلها إلى الداخل منذ التقاط هذه الصورة.

أصبح استكشاف القمر مؤسسة دولية مع العديد من المركبات الفضائية الآلية التي تركز على علوم القمر. أرسل الاتحاد السوفيتي رقمًا في الستينيات، بما في ذلك إرجاع عينات الروبوت. \(\PageIndex{3}\)يسرد الجدول بعض أحدث البعثات القمرية.

الجدول\(\PageIndex{3}\): بعض البعثات الدولية إلى القمر
عام الإطلاق	مركبة فضائية	نوع المهمة	وكالة
1994	كلمنتاين	المداري	الولايات المتحدة (USAF/وكالة ناسا)
1998	منقّب القمر	المداري	الولايات المتحدة (وكالة ناسا)
2003	ذكي-1	المداري	أوروبا (إيسا)
2007	سيلين 1	المداري	اليابان (جاكسا)
2007	التغيير 1	المداري	الصين (CNSA)
2008	شاندرايان-1	المداري	الهند (إيسرو)
2009	للمحترفين	المداري	الولايات المتحدة (وكالة ناسا)
2009	الصليب	مرطام	الولايات المتحدة (وكالة ناسا)
2010	التغيير 2	المداري	الصين (CNSA)
2011	الكأس	مدارات مزدوجة	الولايات المتحدة (وكالة ناسا)
2013	سيدة	المداري	الولايات المتحدة (وكالة ناسا)
2013	التغيير 3	لاندر/روفر	الصين (CNSA)
2018	التغيير 4	لاندر/روفر على فارسايد	الصين (CNSA)

تكوين وهيكل القمر

تكوين القمر ليس مثل تكوين الأرض. بمتوسط كثافة يبلغ 3.3 جم/سم ³ فقط، يجب أن يكون القمر مصنوعًا بالكامل تقريبًا من صخور السيليكات. بالمقارنة مع الأرض، يتم استنفادها في الحديد والمعادن الأخرى. يبدو الأمر كما لو أن القمر يتكون من نفس السيليكات الموجودة في غلاف الأرض وقشرتها، مع إزالة المعادن والمواد المتطايرة بشكل انتقائي. توفر هذه الاختلافات في التكوين بين الأرض والقمر أدلة مهمة حول أصل القمر، وهو موضوع سنتناوله بالتفصيل لاحقًا في هذا الفصل.

تؤكد الدراسات الداخلية للقمر التي أجريت باستخدام أجهزة قياس الزلازل المأخوذة إلى القمر كجزء من برنامج أبولو عدم وجود نواة معدنية كبيرة. قدمت المركبة الفضائية المزدوجة GRAIL التي تم إطلاقها في مدار القمر في عام 2011 تتبعًا أكثر دقة للهيكل الداخلي. نعلم أيضًا من دراسة العينات القمرية أن المياه والمواد المتطايرة الأخرى قد استنفدت من القشرة القمرية. تُعزى الكميات الصغيرة من الماء المكتشفة في هذه العينات في الأصل إلى تسربات صغيرة في ختم الحاوية الذي أدخل بخار الماء من الغلاف الجوي للأرض. ومع ذلك، فقد خلص العلماء الآن إلى أن بعض المياه المرتبطة كيميائيًا موجودة في الصخور القمرية.

والأمر الأكثر إثارة هو اكتشاف الجليد المائي في الحفر المظللة بشكل دائم بالقرب من أقطاب القمر. في عام 2009، اصطدمت وكالة ناسا بمركبة فضائية صغيرة تسمى القمر الصناعي لرصد الحفرة القمرية واستشعارها (LCROSS) في فوهة كابيوس بالقرب من القطب الجنوبي للقمر. أدى التأثير بسرعة 9000 كيلومتر في الساعة إلى إطلاق طاقة تعادل 2 طن من الديناميت، مما أدى إلى تفجير عمود من بخار الماء والمواد الكيميائية الأخرى فوق سطح الأرض. كان هذا العمود مرئيًا للتلسكوبات في مدار حول القمر، وقامت المركبة الفضائية LCROSS نفسها بإجراء قياسات أثناء طيرانها عبر العمود. كما قامت مركبة فضائية تابعة لوكالة ناسا تسمى Lunar Soluteration Orbiter (LRO) بقياس درجات الحرارة المنخفضة جدًا داخل العديد من الفوهات القمرية، كما تمكنت كاميراتها الحساسة من تصوير الأجزاء الداخلية للفوهة بواسطة ضوء النجوم.

تقدر الكمية الإجمالية للجليد المائي في الحفر القطبية بالقمر بمئات المليارات من الأطنان. كسائل، لن يكون هذا سوى كمية كافية من الماء لملء بحيرة بعرض 100 ميل، ولكن بالمقارنة مع بقية القشرة القمرية الجافة، فإن الكثير من المياه رائع. من المفترض أن هذه المياه القطبية تم نقلها إلى القمر بواسطة المذنبات والكويكبات التي اصطدمت بسطحه. تجمدت بعض الأجزاء الصغيرة من المياه في بعض المناطق شديدة البرودة (المصائد الباردة) حيث لا تشرق الشمس أبدًا، مثل قاع الحفر العميقة في قطبي القمر. أحد أسباب أهمية هذا الاكتشاف هو أنه يثير إمكانية سكن الإنسان في المستقبل بالقرب من القطبين القمري، أو حتى قاعدة قمرية كمحطة طريق على الطرق المؤدية إلى المريخ وبقية النظام الشمسي. إذا أمكن استخراج الجليد، فإنه سينتج كلاً من الماء والأكسجين لدعم الإنسان، ويمكن تقسيمه إلى هيدروجين وأكسجين، وهو وقود صاروخي قوي.

ملخص

معظم ما نعرفه عن القمر مستمد من برنامج أبولو، بما في ذلك 400 كيلوغرام من العينات القمرية التي لا تزال قيد الدراسة المكثفة. تبلغ كتلة القمر واحد وثمانين كتلة الأرض وهو مستنفد بشدة في كل من المعادن والمواد المتطايرة. إنه مصنوع بالكامل تقريبًا من السيليكات مثل تلك الموجودة في غلاف الأرض وقشرتها. ومع ذلك، وجدت مركبات فضائية حديثة أدلة على وجود كمية صغيرة من المياه بالقرب من القطبين القمري، والتي ترسبت على الأرجح بسبب ارتطام المذنبات والكويكبات.