9.3: فوهات الصدم
- Page ID
- 197222
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- قارن وتباين الأفكار حول كيفية تشكل الفوهات القمرية
- شرح عملية تكوين فوهة الارتطام
- ناقش استخدام أعداد الفوهات لتحديد الأعمار النسبية للأشكال القمرية
أصل الفوهات البركانية مقابل التأثير
يوفر القمر معيارًا مهمًا لفهم تاريخ نظامنا الكوكبي. تُظهر معظم العوالم الصلبة آثار التأثيرات، وغالبًا ما تعود إلى العصر الذي كان فيه قدر كبير من الحطام من عملية تكوين نظامنا لا يزال موجودًا. على الأرض، تم محو هذا التاريخ الطويل من خلال جيولوجيتنا النشطة. على القمر، في المقابل، يتم الحفاظ على معظم تاريخ التأثير. إذا استطعنا فهم ما حدث على القمر، فقد نتمكن من تطبيق هذه المعرفة على عوالم أخرى. القمر مثير للاهتمام بشكل خاص لأنه ليس مجرد قمر، بل قمرنا - عالم قريب شارك تاريخ الأرض لأكثر من 4 مليارات سنة وحافظ على سجل تم تدميره بالنسبة للأرض بسبب جيولوجيتنا النشطة.
حتى منتصف القرن العشرين، لم يدرك العلماء عمومًا أن الحفر القمرية كانت نتيجة التأثيرات. نظرًا لأن الحفر الصدمية نادرة للغاية على الأرض، لم يتوقع الجيولوجيون أن تكون السمة الرئيسية لجيولوجيا القمر. لقد استنتجوا (ربما دون وعي) أنه نظرًا لأن الحفر التي لدينا على الأرض بركانية، يجب أن يكون للحفر القمرية أصل مماثل.
كان غروف كيه جيلبرت، وهو عالم في هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية في تسعينيات القرن التاسع عشر، من أوائل الجيولوجيين الذين اقترحوا أن الحفر القمرية كانت نتيجة الارتطام. وأشار إلى أن الفوهات القمرية الكبيرة - ذات الحواف الجبلية والدائرية ذات الطوابق عمومًا تحت مستوى السهول المحيطة - أكبر ولها أشكال مختلفة عن الحفر البركانية المعروفة على الأرض. الفوهات البركانية الأرضية أصغر وأعمق وتحدث دائمًا تقريبًا على قمم الجبال البركانية (الشكل\(\PageIndex{1}\)). كان البديل الوحيد لشرح فوهات القمر هو أصل التأثير. وقد أرسى تفكيره الدقيق، على الرغم من عدم قبوله في ذلك الوقت، أسس العلوم الحديثة للجيولوجيا القمرية.
استنتج جيلبرت أن الفوهات القمرية نتجت عن الارتطامات، لكنه لم يفهم لماذا كانت جميعها دائرية وليست بيضاوية. يكمن السبب في سرعة الهروب، وهي الحد الأدنى للسرعة التي يجب أن يصل إليها الجسم للابتعاد نهائيًا عن جاذبية جسم آخر؛ إنها أيضًا السرعة الدنيا التي سيصطدم بها المقذوف الذي يقترب من الأرض أو القمر. تجذبها جاذبية الجسم الأكبر، تصطدم القطعة القادمة بسرعة هروب على الأقل، وهي 11 كيلومترًا في الثانية للأرض و 2.4 كيلومترًا في الثانية (5400 ميل في الساعة) للقمر. تُضاف سرعة الهروب هذه مهما كانت السرعة التي يتمتع بها المقذوف بالفعل فيما يتعلق بالأرض أو القمر، وعادة ما تكون 10 كيلومترات في الثانية أو أكثر.
عند هذه السرعات، تنتج طاقة التأثير انفجارًا عنيفًا يحفر كمية كبيرة من المواد بطريقة متماثلة. تؤكد صور فوهات القنابل والقذائف على الأرض أن فوهات الانفجار دائمًا ما تكون دائرية بشكل أساسي. بعد الحرب العالمية الأولى فقط أدرك العلماء التشابه بين الحفر الصدمية وحفر الانفجار، ولكن للأسف، لم يعش جيلبرت ليرى فرضية التأثير الخاصة به مقبولة على نطاق واسع.
عملية الحفر
دعونا نفكر في كيفية تأثير هذه السرعات العالية على إحداث حفرة. عندما تصطدم هذه القذيفة السريعة بكوكب ما، فإنها تخترق قطره مرتين أو ثلاث مرات قبل أن تتوقف. خلال هذه الثواني القليلة، يتم نقل طاقة الحركة إلى موجة صدمة (تنتشر عبر الجسم المستهدف) وإلى حرارة (تبخير معظم المقذوف وبعض الهدف المحيط). تؤدي موجة الصدمة إلى كسر صخرة الهدف، بينما يولد بخار السيليكات المتوسع انفجارًا مشابهًا لانفجار قنبلة نووية تم تفجيرها على مستوى الأرض (الشكل). يعتمد حجم الحفرة المحفورة بشكل أساسي على سرعة التأثير، ولكن بشكل عام يبلغ قطرها 10 إلى 15 مرة من قطر القذيفة.
يؤدي انفجار صدمي من النوع الموصوف أعلاه إلى نوع مميز من فوهة البركان، كما هو موضح في الشكل. يكون التجويف المركزي في البداية على شكل وعاء (تأتي كلمة «فوهة البركان» من الكلمة اليونانية التي تعني «الوعاء»)، ولكن ارتداد القشرة يملأها جزئيًا، مما ينتج أرضية مسطحة وأحيانًا يخلق قمة مركزية. حول الحافة، تخلق الانهيارات الأرضية سلسلة من التراسات.
يتم رفع حافة الحفرة بقوة الانفجار، بحيث ترتفع فوق كل من الأرض والتضاريس المجاورة. يحيط بالحافة بطانية مقذوفة تتكون من مادة تم إلقاؤها بسبب الانفجار. يعود هذا الحطام لتكوين منطقة جبلية وعرة، عادة ما يكون عرضها حوالي قطر فوهة البركان. تسقط المقذوفات الإضافية ذات السرعة العالية على مسافات أكبر من الحفرة، وغالبًا ما تحفر فوهات ثانوية صغيرة حيث تصطدم بالسطح (الشكل/(9.2.4\)).
يمكن أن تمتد بعض تيارات المقذوفات هذه لمئات أو حتى آلاف الكيلومترات من فوهة البركان، مما يخلق أشعة فوهة البركان الساطعة البارزة في الصور القمرية التي يتم التقاطها بالقرب من المرحلة الكاملة. ترتبط أشعة فوهة القمر الأكثر سطوعًا بالحفر الصغيرة الكبيرة مثل Kepler و Tycho.
مراقبة القمر
يعد القمر من أجمل المناظر في السماء، وهو الكائن الوحيد القريب بما يكفي للكشف عن تضاريسه (المعالم السطحية مثل الجبال والوديان) دون زيارة من مركبة فضائية. يُظهر تلسكوب هواة صغير إلى حد ما بسهولة الحفر والجبال على القمر التي لا يزيد عرضها عن بضعة كيلومترات.
حتى كما يُرى من خلال منظار جيد، يمكننا ملاحظة أن مظهر سطح القمر يتغير بشكل كبير مع مرحلته. في المرحلة الكاملة، لا تظهر أي تفاصيل طبوغرافية تقريبًا، ويجب أن تنظر عن كثب لرؤية أكثر من بضع حفر. هذا لأن ضوء الشمس يضيء السطح بشكل مستقيم، وفي هذه الإضاءة المسطحة، لا يتم إلقاء أي ظلال. والأمر الأكثر وضوحًا هو المنظر بالقرب من الربع الأول أو الثالث، عندما يتدفق ضوء الشمس من الجانب، مما يتسبب في إلقاء المعالم الطبوغرافية بظلال حادة. غالبًا ما يكون من الأفضل دائمًا دراسة سطح كوكبي تحت هذه الإضاءة المائلة، عندما يمكن الحصول على أقصى قدر من المعلومات حول تخفيف السطح.
ومع ذلك، فإن الإضاءة المسطحة في المرحلة الكاملة تبرز تباينات السطوع على سطح القمر، مثل تلك الموجودة بين ماريا والمرتفعات. لاحظ في الشكل أن العديد من فوهات الفرس الكبيرة تبدو محاطة بمادة بيضاء وأن خطوط الضوء أو الأشعة التي يمكن أن تمتد لمئات الكيلومترات عبر السطح مرئية بوضوح. يتم إخراج هذه الميزات الأخف وزنًا من تأثير تشكيل الحفرة.
بالمناسبة، لا يوجد خطر في النظر إلى القمر باستخدام المناظير أو التلسكوبات. ضوء الشمس المنعكس ليس ساطعًا أبدًا بما يكفي لإيذاء عينيك. في الواقع، يتمتع سطح القمر المضاء بنور الشمس بنفس سطوع المناظر الطبيعية المضاءة بنور الشمس من الصخور الداكنة على الأرض. على الرغم من أن القمر يبدو مشرقًا في سماء الليل، إلا أن سطحه، في المتوسط، أقل انعكاسًا بكثير من سطح الأرض، مع غلافه الجوي وغيوم بيضاء. يتضح هذا الاختلاف بشكل جيد من خلال صورة القمر وهو يمر أمام الأرض المأخوذة من المركبة الفضائية لمرصد المناخ في الفضاء السحيق (الشكل). منذ أن التقطت المركبة الفضائية الصورة من موقع داخل مدار الأرض، نرى كلا الجسمين مضاءين بالكامل (القمر الكامل والأرض الكاملة). بالمناسبة، لا يمكنك رؤية الكثير من التفاصيل على القمر لأن التعرض تم ضبطه لإعطاء صورة مشرقة للأرض، وليس القمر.
أحد الأشياء المثيرة للاهتمام حول القمر التي يمكنك رؤيتها بدون مناظير أو تلسكوبات يُطلق عليه عمومًا «القمر الجديد بين ذراعي القمر القديم». انظر إلى القمر عندما يكون هلالًا رقيقًا، ويمكنك غالبًا تحديد الدائرة الخافتة للقرص القمري بأكمله، على الرغم من أن ضوء الشمس يضيء على الهلال فقط. تتم إضاءة بقية القرص ليس بأشعة الشمس ولكن بواسطة ضوء الأرض - ضوء الشمس المنعكس من الأرض. إن ضوء الأرض الكاملة على القمر أكثر سطوعًا بحوالي 50 مرة من ضوء البدر الساطع على الأرض.
استخدام أعداد فوهة البركان
إذا كان العالم يعاني من تآكل ضئيل أو نشاط داخلي، مثل القمر خلال الثلاثة مليارات سنة الماضية، فمن الممكن استخدام عدد الحفر الصدمية على سطحه لتقدير عمر هذا السطح. ونعني بـ «العمر» هنا الوقت الذي حدث فيه اضطراب كبير على هذا السطح (مثل الانفجارات البركانية التي أنتجت ماريا القمرية).
لا يمكننا أن نقيس بشكل مباشر معدل تشكل الفوهات على الأرض والقمر، لأن متوسط الفاصل الزمني بين التأثيرات الكبيرة المكونة للحفر أطول من كامل فترة التاريخ البشري. مثالنا الأكثر شهرة لمثل هذه الحفرة الكبيرة، فوهة النيزك في أريزونا (الشكل\(\PageIndex{6}\))، يبلغ عمرها حوالي 50000 عام. ومع ذلك، يمكن تقدير معدل الحفر من خلال عدد الحفر على ماريا القمر أو حسابه من عدد «المقذوفات» المحتملة (الكويكبات والمذنبات) الموجودة في النظام الشمسي اليوم. يؤدي كلا الخطين من التفكير إلى نفس التقديرات تقريبًا.
بالنسبة للقمر، تشير هذه الحسابات إلى أنه يجب إنتاج فوهة بقطر كيلومتر واحد كل 200000 عام تقريبًا، وحفرة طولها 10 كيلومترات كل بضعة ملايين من السنين، وحفرة أو فتحتين بطول 100 كيلومتر كل مليار سنة. إذا ظل معدل الحفر على حاله، فيمكننا معرفة المدة التي يجب أن يستغرقها عمل جميع الفوهات التي نراها في ماريا القمرية. تظهر حساباتنا أن الأمر كان سيستغرق عدة مليارات من السنين. هذه النتيجة مماثلة للعمر المحدد للماريا من التأريخ الإشعاعي للعينات المعادة - 3.3 إلى 3.8 مليار سنة.
تشير حقيقة توافق هذين الحسابين إلى أن الافتراض الأصلي لعلماء الفلك كان صحيحًا: فالمذنبات والكويكبات بأعدادها الحالية تقريبًا تؤثر على أسطح الكواكب منذ مليارات السنين. تشير الحسابات التي أجريت للكواكب الأخرى (وأقمارها) إلى أنها تعرضت أيضًا لنفس عدد التأثيرات بين الكواكب خلال هذا الوقت.
ومع ذلك، لدينا سبب وجيه للاعتقاد بأنه قبل 3.8 مليار سنة مضت، يجب أن تكون معدلات التأثير أعلى بكثير. يصبح هذا واضحًا على الفور عند مقارنة أعداد الحفر في المرتفعات القمرية مع تلك الموجودة في ماريا. عادةً ما يكون عدد الحفر في المرتفعات أكثر بعشر مرات من تلك الموجودة في منطقة ماريا المماثلة. ومع ذلك، أظهر التأريخ الإشعاعي لعينات المرتفعات أنها أقدم بقليل من ماريا، وعادة ما تكون 4.2 مليار سنة بدلاً من 3.8 مليار سنة. إذا كان معدل التأثيرات ثابتًا طوال تاريخ القمر، فسيتعين أن تكون المرتفعات أقدم بعشر مرات على الأقل. وهكذا كان عليهم أن يتشكلوا منذ 38 مليار سنة - قبل وقت طويل من بدء الكون نفسه.
في العلوم، عندما يؤدي الافتراض إلى نتيجة غير قابلة للتصديق، يجب علينا العودة وإعادة فحص هذا الافتراض - في هذه الحالة، معدل التأثير الثابت. يتم حل التناقض إذا اختلف معدل التأثير بمرور الوقت، مع قصف أشد بكثير في وقت سابق مما كان عليه قبل 3.8 مليار سنة (الشكل). أنتج هذا «القصف الثقيل» معظم الحفر التي نراها اليوم في المرتفعات.
هذه الفكرة التي كنا نستكشفها - أن التأثيرات الكبيرة (خاصة خلال التاريخ المبكر للنظام الشمسي) لعبت دورًا رئيسيًا في تشكيل العوالم التي نراها - ليست فريدة في دراستنا للقمر. عندما تقرأ الفصول الأخرى عن الكواكب، سترى المزيد من المؤشرات على أن عددًا من الخصائص الحالية لنظامنا قد تكون بسبب ماضيه العنيف.
ملخص
قبل قرن من الزمان، أشار غروف جيلبرت إلى أن الفوهات القمرية كانت ناتجة عن التأثيرات، لكن عملية الحفر لم تكن مفهومة جيدًا حتى وقت قريب. تؤدي الارتطامات عالية السرعة إلى حدوث انفجارات وحفر فوهات بحجم 10 إلى 15 مرة من حجم المصدم مع حواف مرتفعة وبطانيات مقذوفة وقمم مركزية في كثير من الأحيان. كانت معدلات الحفر ثابتة تقريبًا على مدى الثلاثة مليارات سنة الماضية ولكن قبل ذلك كانت أكبر بكثير. يمكن استخدام أعداد الفوهات لاشتقاق الأعمار التقريبية للخصائص الجيولوجية على القمر والعوالم الأخرى ذات الأسطح الصلبة.