آفرینش کیهان، مه‌بانگ و راه شیری
کیهان مجموعهٔ کهکشان‌ها و فضای میان آن‌هاست؛ اندازه‌گیری‌های نجومی نشان می‌دهد کیهان در حال گسترش است و کهکشان‌ها پیوسته از هم دور می‌شوند. طبق نظریهٔ مه‌بانگ، این ترتیب طی شده است: انفجار بزرگ، پیدایش ذرات زیراتمی، تشکیل گازهای هیدروژن و هلیم، کاهش تدریجی دما، شکل‌گیری سحابی‌ها و سرانجام پیدایش ستاره‌ها و کهکشان‌ها. ادوین هابل نشان داد کهکشان‌های دورتر تندتر از ما دور می‌شوند. سن کیهان حدود ۱۴.۱ میلیارد سال است.
کهکشان مجموعه‌ای از ستاره‌ها، گاز، غبار و فضای بین‌ستاره‌ای است که گرانش متقابل کنار هم نگهشان داشته. کیهان صدها میلیارد کهکشان دارد. راه شیری یکی از بزرگ‌ترین کهکشان‌های شناخته‌شده و مارپیچی‌شکل است؛ در برآمدگی مرکزی‌اش یک سیاهچاله قرار دارد، از پهلو شبیه عدسی محدب دیده می‌شود و قطرش حدود ۱۰۰ هزار سال نوری است. منظومهٔ شمسی نه در مرکز کهکشان، بلکه در لبهٔ یکی از بازوها قرار دارد. ترتیب زمانی کلی: مه‌بانگ، راه شیری، منظومهٔ شمسی، و سپس موجودات زنده از ساده به پیچیده.
منظومهٔ شمسی
منظومهٔ شمسی شامل خورشید، ۸ سیاره، حدود ۲۰۰ قمر، خرده‌سیاره‌ها و میلیون‌ها سیارک است. سیارات به دو گروه تقسیم می‌شوند:
سیارات سنگی (عطارد، زهره/ناهید، زمین، مریخ/بهرام) کوچک‌تر، متراکم‌تر و نزدیک‌تر به خورشیدند؛ سیارات گازی (مشتری/برجیس، زحل/کیوان، اورانوس، نپتون) بسیار بزرگ‌تر و دورترند.
از زمین‌مرکزی تا قوانین کپلر
در نظریهٔ زمین‌مرکزی بطلمیوس (رایج تا حدود قرن ۱۶ میلادی)، زمین ثابت در مرکز عالم بود و ماه، خورشید و پنج سیارهٔ شناخته‌شده در مدارهای دایره‌ای دور آن می‌گشتند. دانشمندان ایرانی مانند ابوسعید سجزی و خواجه نصیرالدین طوسی با اندازه‌گیری‌های دقیق به این نظریه ایراد گرفتند.
نیکولاس کوپرنیک نظریهٔ خورشیدمرکزی را مطرح کرد: زمین هم مانند سیارات دیگر در مداری دایره‌ای دور خورشید می‌گردد و حرکت روزانهٔ خورشید در آسمان فقط ظاهری و نتیجهٔ چرخش زمین به دور محور خودش است.
یوهانس کپلر با بررسی داده‌های رصدی نشان داد مدارها دایره نیستند:
| قانون | محتوا |
|---|---|
| اول | مدار هر سیاره بیضی است و خورشید در یکی از دو کانون آن قرار دارد. |
| دوم | خط واصل سیاره به خورشید در زمان‌های مساوی مساحت‌های مساوی می‌روبد؛ یعنی سیاره نزدیک خورشید تندتر حرکت می‌کند. |
| سوم | ادامهٔ فرمول را افقی ببین — مربع دورهٔ گردش با مکعب فاصله از خورشید متناسب است. |
در قانون سوم، ادامهٔ فرمول را افقی ببین بر حسب سال و ادامهٔ فرمول را افقی ببین بر حسب واحد نجومی (AU) است. طبق قانون دوم، سیاره در حضیض تندتر و در اوج کندتر حرکت می‌کند. کانون دوم بیضی همیشه خالی است.
یک سال نوری فاصله‌ای است که نور در یک سال می‌پیماید؛ از ضرب سرعت نور در تعداد ثانیه‌های سال حدود ادامهٔ فرمول را افقی ببین کیلومتر به‌دست می‌آید که تقریباً برابر ۶۳ هزار واحد نجومی است.
حرکات زمین، مدارهای نام‌دار و فصل‌ها
زمین دو حرکت اصلی دارد: حرکت وضعی (چرخش حدود ۲۴ ساعته به دور محور، از غرب به شرق) که شب و روز را می‌سازد، و حرکت انتقالی (گردش بیضوی به دور خورشید) که همراه با انحراف محور فصل‌ها را پدید می‌آورد.
محور زمین نسبت به عمود بر صفحهٔ مدارش ۲۳.۵ درجه انحراف دارد. همین انحراف به‌علاوهٔ کروی‌بودن زمین، زاویهٔ تابش خورشید را در عرض‌های جغرافیایی مختلف متفاوت می‌کند و فصل‌ها را می‌سازد — نه تفاوت فاصلهٔ زمین تا خورشید. شاهدش این است که در تیرماه، گرم‌ترین ماه نیمکرهٔ شمالی، زمین در اوج و دورتر از خورشید است (۱۵۲ میلیون کیلومتر) و در دی‌ماه در حضیض (۱۴۷ میلیون کیلومتر)؛ میانگینشان، ۱۵۰ میلیون کیلومتر، همان یک واحد نجومی است. در استوا طول شب و روز در تمام سال برابر است.
پنج مدار نام‌دار زمین: قطبی شمال (۶۶.۵ درجهٔ شمالی)، رأس‌السرطان (۲۳.۵ شمالی)، استوا (صفر درجه، بزرگ‌ترین مدار)، رأس‌الجدی (۲۳.۵ جنوبی) و قطبی جنوب (۶۶.۵ جنوبی).
در اعتدالین (۱ فروردین و ۱ مهر) خورشید بر استوا، در انقلاب تابستانی (۱ تیر) بر رأس‌السرطان و در انقلاب زمستانی (۱ دی) بر رأس‌الجدی عمود می‌تابد. در اعتدالین طول شب و روز در سراسر زمین برابر است و در انقلابین اختلافشان بیشینه می‌شود؛ در انقلاب زمستانی، قطب شمال ۲۴ ساعت شب کامل و قطب جنوب ۲۴ ساعت روز کامل دارد.
زاویهٔ تابش از رابطهٔ زیر به‌دست می‌آید:
ادامهٔ فرمول را افقی ببینکه ادامهٔ فرمول را افقی ببین زاویهٔ تابش در محل و ادامهٔ فرمول را افقی ببین اختلاف عرض آن محل با مدار تابش عمود همان روز است. جسم روی مدار تابش عمود در ظهر بی‌سایه است؛ شمالی‌تر از آن سایه رو به شمال و جنوبی‌تر رو به جنوب می‌افتد، و هرچه اختلاف عرض بیشتر، سایه بلندتر.
تکوین زمین و چهار کره
حدود ۴.۶ میلیارد سال پیش زمین از تجمع ذرات کیهانی به‌صورت کره‌ای مذاب شکل گرفت و حدود ۴ میلیارد سال پیش سطحش سرد شد و سنگ‌های آذرین یعنی کرهٔ سنگ پدید آمدند. سپس گازهای آتشفشانی کرهٔ هوا را ساختند، تراکم بخار آب کرهٔ آب را پدید آورد و سرانجام کرهٔ زیست شکل گرفت و نخستین جانداران در دریاهای کم‌عمق پدیدار شدند — یعنی ترتیب تشکیل: سنگ، هوا، آب، زیست.
سن‌سنجی در زمین‌شناسی
سن نسبی فقط ترتیب تقدم و تأخر رویدادها را مشخص می‌کند، نه عدد سن. شش قانون اصلی‌اش:
روی‌هم‌قرارگیری (در توالی رسوبی دست‌نخورده لایهٔ پایینی قدیمی‌تر است)، قطع‌شوندگی تودهٔ آذرین و قطع‌شوندگی گسل (هرچه دیگری را بریده جوان‌تر است)، قطعه‌سنگ محصور در تودهٔ آذرین یا در سنگ رسوبی (قطعه همیشه از سنگ دربرگیرنده‌اش قدیمی‌تر است)، و هوازدگی و فرسایش که معمولاً جدیدترین رویداد توالی‌اند.
سن مطلق با عناصر پرتوزا به‌دست می‌آید که با سرعت ثابت واپاشی می‌کنند. نیم‌عمر مدتی است که نصف عنصر پرتوزا به عنصر پایدار تبدیل شود، و سن نمونه برابر است با نیم‌عمر ضرب‌در تعداد نیم‌عمرهای سپری‌شده.
| عنصر پرتوزا | عنصر پایدار | نیم‌عمر |
|---|---|---|
| اورانیم ۲۳۸ | سرب ۲۰۶ | ۴.۵ میلیارد سال |
| اورانیم ۲۳۵ | سرب ۲۰۷ | ۷۱۳ میلیون سال |
| توریم ۲۳۲ | سرب ۲۰۸ | ۱۴.۱ میلیارد سال |
| کربن ۱۴ | نیتروژن ۱۴ | ۵۷۳۰ سال |
| پتاسیم ۴۰ | آرگون ۴۰ | ۱.۳ میلیارد سال |
کربن ۱۴ به‌دلیل نیم‌عمر کوتاهش برای سن‌سنجی بقایای موجودات زنده (فسیل، استخوان، چوب) به کار می‌رود و برای سنگ‌های قدیمی از اورانیم، توریم یا پتاسیم. برای یافتن سن، کسر باقی‌مانده را به شکل ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌نویسیم؛ مثلاً ادامهٔ فرمول را افقی ببین یعنی سه نیم‌عمر.
مقیاس زمانی زمین‌شناسی
سلسله‌مراتب زمانی از بزرگ به کوچک: ائون (ابردوران)، دوران، دوره، عهد. مرزها بر پایهٔ پیدایش یا انقراض گونه‌ها، کوه‌زایی، پیشروی و پسروی دریاها و یخبندان‌ها تعیین می‌شوند. پرکامبرین مجموع سه ائون هادئن، آرکئن و پروتروزوئیک است، یعنی از تشکیل زمین تا آغاز فانروزوئیک در ۵۴۱ میلیون سال پیش — تقریباً ۸۸ درصد کل تاریخ زمین.
| ائون / دوران | بازه (میلیون سال پیش) | رویداد کلیدی |
|---|---|---|
| هادئن | ۴۶۰۰ تا ۴۰۰۰ | تشکیل زمین |
| آرکئن | ۴۰۰۰ تا ۲۵۰۰ | نخستین یاخته‌های هسته‌دار |
| پروتروزوئیک | ۲۵۰۰ تا ۵۴۱ | — |
| پالئوزوئیک | ۵۴۱ تا ۲۵۱ | تریلوبیت، ماهی، دوزیست، خزنده |
| مزوزوئیک | ۲۵۱ تا ۶۶ | دایناسورها، نخستین پستاندار و پرنده |
| سنوزوئیک | ۶۶ تا کنون | گسترش پستانداران، انسان |
سه دوران آخر زیرمجموعهٔ ائون فانروزوئیکاند.
هر دوران به چند دوره تقسیم می‌شود و هر دوره با یک رویداد زیستی شناخته می‌شود؛ ترتیب پیدایش چنین است: بندپایان (کامبرین)، ماهی‌ها (اردوویسین)، گیاهان آوندار (سیلورین)، دوزیستان (دونین)، خزندگان (کربنیفر)، انقراض بزرگ پایان پالئوزوئیک (پرمین)، دایناسورها (تریاس)، پرندگان (ژوراسیک)، گیاهان گلدار و انقراض دایناسورها (کرتاسه)، گسترش پستانداران (پالئوژن) و سرانجام انسان (کواترنری).
چرخهٔ ویلسون و پیدایش اقیانوس‌ها
توزو ویلسون با تکیه بر نظریهٔ جابه‌جایی قاره‌های وگنر و فرضیهٔ گسترش بستر اقیانوس هس، نظریهٔ ورقه‌های سازندهٔ کره‌سنگ را مطرح کرد.
ورقهٔ قاره‌ای چگالی کمتر، ضخامت بیشتر و سنی تا ۳.۸ میلیارد سال دارد؛ ورقهٔ اقیانوسی چگال‌تر و نازک‌تر است و سنش از ۲۰۰ میلیون سال (برابر طول مزوزوئیک) بیشتر نمی‌شود. بعضی ورقه‌ها ترکیبی‌اند، مثل ورقهٔ هند. چهار مرحلهٔ چرخهٔ ویلسون:
۱. بازشدگی (واگرا): جریان‌های همرفتی کرهٔ سست پوستهٔ قاره‌ای را می‌شکافند و ماگما بالا می‌آید (شرق آفریقا).
۲. گسترش (واگرا): ماگما به بستر اقیانوس می‌رسد، پشتهٔ میان‌اقیانوسی می‌سازد و بستر گسترش می‌یابد (اطلس، دریای سرخ).
۳. بسته‌شدن (همگرا): فرورانش ورقهٔ اقیانوسی به زیر ورقهٔ قاره‌ای و بسته‌شدن اقیانوس (تتیس).
۴. برخورد (همگرا): برخورد دو ورقهٔ قاره‌ای، فشرده‌شدن رسوبات و کوه‌زایی (هیمالیا، زاگرس).
نوع سوم حرکت امتدادلغز است: ورقه‌ها در امتداد گسل کنار هم می‌لغزند بی‌آنکه پوسته‌ای ساخته یا نابود شود؛ پیامدش زمین‌لرزه‌های مکرر است. وسعت زمین ثابت می‌ماند چون گسترش بستر اقیانوس همزمان با فرورانش جبران می‌شود. فرورانش اقیانوسی-اقیانوسی جزایر قوسی و گودال دراز اقیانوسی می‌سازد و فرورانش اقیانوسی-قاره‌ای کوه‌های آتشفشانی حاشیهٔ قاره را. حدود ۲۰۰ میلیون سال پیش ابرقارهٔ پانگه‌آ به لورازیا در شمال و گندوانا در جنوب تقسیم شد.
دیرینه‌شناسی و سنجش از دور
دیرینه‌شناسی آثار و بقایای موجودات گذشته (فسیل) را در لایه‌های رسوبی بررسی می‌کند و به تعیین سن نسبی لایه‌ها و بازسازی محیط زیست گذشته می‌انجامد. سنجش از دور جمع‌آوری اطلاعات از سطح زمین بدون تماس فیزیکی است: ثبت امواج الکترومغناطیس بازتابی توسط ماهواره یا هواپیما، با خورشید به‌عنوان منبع اصلی انرژی. کاربردهایش اکتشاف معدنی، پایش سیل و ریزگرد و ردیابی تغییرات سطح زمین است، و به کل گسترهٔ امواج الکترومغناطیس تکیه دارد نه فقط نور مرئی.