Η βασική λειτουργία του Planet Physics είναι να ενθαρρύνει, να προωθήσει και να υποστηρίξει την εκπαίδευση στον τομέα της Φυσικής, κάνοντας τη μάθηση απτή, ενδιαφέρουσα και διαδραστική.

Το φαινόμενο Doppler στην Αστρονομία

Σήμερα, θα μελετήσουμε το φαινόμενο Doppler στο πλαίσιο της αστρονομίας. Αυτό το φαινόμενο, το οποίο αναλύσαμε πρόσφατα στο πεδίο του Ήχου, παίζει καθοριστικό ρόλο στην κατανόηση του σύμπαντος.

.

Στην αστρονομία, το φαινόμενο Doppler χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της κίνησης ουράνιων αντικειμένων, όπως τα αστέρια και οι γαλαξίες. Όταν ένα αστέρι απομακρύνεται από τη Γη, το φως που εκπέμπει φαίνεται να μετατοπίζεται προς το κόκκινο άκρο του φάσματος, ένα φαινόμενο γνωστό ως “μετατόπιση προς το ερυθρό”. Αντίθετα, αν ένα αστέρι μας πλησιάζει, το φως του μετατοπίζεται προς το μπλε άκρο του φάσματος, γνωστό ως “μετατόπιση προς το μπλε”.

.

Αυτές οι μετατοπίσεις του φωτός παρέχουν κρίσιμα δεδομένα για τη δομή και τη συμπεριφορά του Σύμπαντος. Για παράδειγμα, η ανακάλυψη της ερυθράς μετατόπισης συνέβαλε καθοριστικά στην επιβεβαίωση ότι το Σύμπαν διαστέλλεται, έναν ακρογωνιαίο λίθο της σύγχρονης κοσμολογίας. Η μετατόπιση προς το μπλε από την άλλη, μπορεί να υποδεικνύει ουράνια αντικείμενα που κινούνται προς το μέρος μας, πράγμα κρίσιμο για τη μελέτη της τοπικής δυναμικής του γαλαξία μας.

.

Μετατόπιση του φωτός προς το ερυθρό όμως, δεν έχουμε μόνο όταν ένα ουράνιο σώμα απομακρύνεται από εμάς: στο διάστημα συναντάμε και τη βαρυτική ερυθρά μετατόπιση! Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται όταν το φως διέρχεται μέσα από ένα (ισχυρό) βαρυτικό πεδίο. Σε αντίθεση με το φαινόμενο Doppler, το οποίο προκαλείται από την κίνηση της πηγής (ή του παρατηρητή), η βαρυτική ερυθρά μετατόπιση συμβαίνει λόγω της καμπύλωσης του χωροχρόνου γύρω από ένα αντικείμενο με μεγάλη βαρύτητα, όπως για παράδειγμα μια μαύρη τρύπα. Καθώς το φως βγαίνει από το βαρυτικό πεδίο, χάνει ενέργεια, με αποτέλεσμα το μήκος κύματός του να μετατοπίζεται προς το ερυθρό άκρο του φάσματος. Η έννοια αυτή αποτελεί κρίσιμη πτυχή της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν και έχει επιβεβαιωθεί με διάφορα πειράματα και παρατηρήσεις.

.

Fun fact: Η βαρυτική ερυθρά μετατόπιση λαμβάνεται υπόψη στο Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού Θέσης (GPS), λόγω της βαρύτητας της Γης. Αν δεν το υπολογίζαμε, τα σφάλματα θα καθιστούσαν το GPS πρακτικά…άχρηστο!

Σιδηρομαγνητικό υγρό (Ferrofluid)

Έχετε δει ποτέ ένα υγρό που χορεύει «στο ρυθμό» ενός μαγνήτη; Το ferrofluid (σιδηρομαγνητικό υγρό) είναι μια αξιοσημείωτη ουσία που κάνει ακριβώς αυτό, θολώνοντας τα όρια μεταξύ υγρού και μαγνήτη. Αυτό το σκούρο, ελαιώδες υγρό αποτελείται από σιδηρομαγνητικά σωματίδια νανοκλίμακας, που αιωρούνται σε έναν υγρό φορέα. Όταν εκτίθεται σε μαγνητικό πεδίο, σχηματίζει εκθαμβωτικά μοτίβα και σχήματα που μοιάζουν να αψηφούν τη βαρύτητα.

.

Στην καρδιά της μαγείας του ferrofluid βρίσκονται μικροσκοπικά σωματίδια, συχνά κατασκευασμένα από μαγνητίτη, αιματίτη ή κάποια άλλη ένωση που περιέχει σίδηρο. Αυτά τα σωματίδια είναι επικαλυμμένα με μια ουσία που δεν τους επιτρέπει να συσσωματωθούν μεταξύ τους, οπότε μπορούν να επιπλέουν ελεύθερα στον υγρό φορέα, συνήθως ένα διάλυμα με βάση το λάδι ή το νερό. Όταν ένας μαγνήτης πλησιάζει, οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου έλκουν τα σωματίδια σιδήρου σε σχηματισμό, δημιουργώντας αιχμές κατά μήκος των γραμμών του πεδίου. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως Rosensweig ή «αστάθεια κάθετου πεδίου» (normal field instability).

.

Τα σιδηρομαγνητικά υγρά έχουν διάφορες εφαρμογές, λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων τους. Στα ηχεία, χρησιμοποιούνται για την ψύξη και την απόσβεση της κίνησης του πηνίου, βελτιώνοντας την ποιότητα του ήχου. Σε σκληρούς δίσκους και άλλα ευαίσθητα ηλεκτρονικά συστήματα, χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία στεγανών γύρω από περιστρεφόμενους άξονες, εμποδίζοντας την είσοδο σκουπιδιών, ενώ παράλληλα επιτρέπουν στον άξονα να περιστρέφεται ελεύθερα. Η αεροδιαστημική βιομηχανία χρησιμοποιεί επίσης τα σιδηρομαγνητικά υγρά στη δημιουργία υγρών στεγανών σε διαστημόπλοια, σε σημεία όπου τα παραδοσιακά στερεά στεγανά θα αποτύγχαναν.

.

Το ferrofluid εφευρέθηκε το 1963 από τον Steve Papell, έναν μηχανικό της NASA, με σκοπό την κίνηση καυσίμων στο διάστημα. Στη μηδενική βαρύτητα, οι συμβατικές αντλίες δεν θα μπορούσαν να λειτουργήσουν, αλλά το ferrofluid θα μπορούσε να κατευθυνθεί με τη χρήση μαγνητικών πεδίων. Αν και στην πράξη η εφεύρεση του Papell δεν υλοποιήθηκε, το ferrofluid στις μέρες μας συναρπάζει μικρούς και μεγάλους σε μουσεία Φυσικής και Science Centers.

Πώς φτιάχνονται τα σύννεφα;

Τα σύννεφα σχηματίζονται όταν οι υδρατμοί ανεβαίνουν ψηλά στην ατμόσφαιρα, ψύχονται και συμπυκνώνονται σε μικροσκοπικά σταγονίδια ή παγοκρυστάλλους. Η διαδικασία αυτή συμβαίνει όταν ο θερμός αέρας που μεταφέρει υγρασία από την επιφάνεια της Γης ανυψώνεται και ψύχεται στο σημείο δρόσου, με αποτέλεσμα να δημιουργείται η υπέροχη ποικιλία των νεφών που κοσμούν τον ουρανό μας.

.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι σύννεφων, που ταξινομούνται ανάλογα με την εμφάνισή τους και το ύψος στο οποίο σχηματίζονται. Τα σύννεφα υψηλού επιπέδου, όπως οι «θύσσανοι» (cirrus), είναι αραχνοΰφαντα και μοιάζουν με φτερά. Βρίσκονται σε υψόμετρο πάνω από 6.000 μέτρα, όπου οι θερμοκρασίες είναι ψυχρές. Τα σύννεφα μεσαίου επιπέδου, όπως τα «υψιστρώματα» (altostratus), σχηματίζονται γενικά μεταξύ 2.000 και 6.000 μέτρων και συχνά καλύπτουν τον ουρανό σε ένα ομοιόμορφο στρώμα. Τα χαμηλού επιπέδου σύννεφα, όπως οι φουσκωμένοι «σωρείτες» (cumulus), παρατηρούνται συχνά σε υψόμετρο κάτω από τα 2.000 μέτρα και μπορεί να μοιάζουν με βαμβακερές μπάλες με έντονα περιγράμματα. Υπάρχουν επίσης κάθετα αναπτυγμένα σύννεφα, όπως οι «σωρειτομελανίες» (cumulonimbus), πανύψηλοι γίγαντες που μπορούν να καλύψουν όλα τα επίπεδα σύννεφων και συχνά συνδέονται με έντονα καιρικά φαινόμενα, όπως καταιγίδες.

.

Σχετικά με το χρώμα των νεφών, τα λεπτά σύννεφα φαίνονται λευκά, καθώς διασκορπίζουν όλα τα χρώματα του ηλιακού φωτός εξίσου, ενώ τα παχύτερα συχνά φαίνονται γκρίζα- όταν τα σύννεφα είναι αρκετά πυκνά, απορροφούν περισσότερο φως, διασκορπίζοντας λιγότερο, γεγονός που τους δίνει τη σκουρότερη εμφάνισή τους.

.

Τα σύννεφα διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην ενεργειακή ισορροπία της Γης. Αντανακλούν το ηλιακό φως, ψύχοντας τη Γη, αλλά επίσης παγιδεύουν τη θερμότητα, διατηρώντας τον πλανήτη ζεστό. Αυτή η δυαδικότητα είναι μέρος του γεγονότος ότι η πρόβλεψη της κλιματικής αλλαγής αποτελεί πρόκληση, καθώς μικρές αλλαγές στην κάλυψη ή τον τύπο των νεφών μπορεί να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στις παγκόσμιες θερμοκρασίες.

.

Fun fact: Παρά την «αιθέρια» εμφάνισή τους, τα σύννεφα δεν είναι τόσο ελαφριά όσο φαίνονται. Ένας μεμονωμένος σωρείτης μπορεί να ζυγίζει περισσότερο από 500 τόνους!

Τι είναι το Jet-stream?

Αναρωτηθήκατε ποτέ γιατί οι πτήσεις από τα δυτικά προς τα ανατολικά είναι συχνά ταχύτερες από το αντίστροφο ταξίδι; Η κοινή διαίσθηση θα μπορούσε να υποδείξει ότι, δεδομένου ότι η Γη περιστρέφεται από τα δυτικά προς τα ανατολικά, τα αεροπλάνα που πετούν προς τα ανατολικά θα έπρεπε να χρειάζονται περισσότερο χρόνο, καθώς κινούνται ενάντια στην περιστροφή της Γης. Ωστόσο, αυτό δεν ισχύει, και οι λόγοι για τους οποίους συμβαίνει αυτό έχουν τις ρίζες τους στη δυναμική της γήινης ατμόσφαιρας και στη φυσική της κίνησης.

.

Πρώτον, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι η περιστροφή της Γης δεν επηρεάζει τον χρόνο πτήσης. Όταν ένα αεροπλάνο απογειώνεται, διαθέτει ήδη την ταχύτητα περιστροφής της Γης. Αυτό σημαίνει ότι καθώς η Γη περιστρέφεται, το αεροπλάνο κινείται μαζί της, όπως ακριβώς ένα άτομο που πηδάει κατακόρυφα πάνω σε ένα κινούμενο τρένο, θα προσγειωθεί ξανά στο ίδιο σημείο (σε σχέση με το τρένο).

.

Ο κύριος λόγος για τον οποίο οι πτήσεις μπορεί να είναι ταχύτερες όταν κατευθύνονται προς τα ανατολικά, οφείλεται στα ρεύματα “jet streams”. Πρόκειται για ζώνες ισχυρών ανέμων που βρίσκονται στα ανώτερα επίπεδα της ατμόσφαιρας και πνέουν από τα δυτικά προς τα ανατολικά. Αυτοί οι άνεμοι δημιουργούνται από έναν συνδυασμό της περιστροφής της Γης και των θερμικών επιδράσεων του ήλιου, οι οποίες μαζί δημιουργούν μεγάλης κλίμακας μοτίβα ατμοσφαιρικής κίνησης.

.

Όταν τα αεροπλάνα πετούν από τα δυτικά προς τα ανατολικά, μπορούν να επωφεληθούν από αυτά τα jet streams, για να πάρουν μια πρόσθετη ώθηση, μειώνοντας σημαντικά τον χρόνο ταξιδιού. Αντίθετα, όταν πετούν προς τα δυτικά, τα αεροπλάνα πρέπει συχνά να «παλέψουν» ενάντια σε αυτούς τους ανέμους, οδηγώντας σε μεγαλύτερους χρόνους πτήσης.

.

Την επόμενη φορά λοιπόν που θα κλείσετε μια πτήση και θα αναρωτηθείτε για τη διαφορά στις διάρκειες μεταξύ ανατολικών και δυτικών δρομολογίων, θυμηθείτε: δεν πρόκειται για τη Γη που περιστρέφεται, αλλά για τους ανέμους που τη σαρώνουν.