الأرض والقمر ..التأثير المتبادل ..عالم الكون . الفضاء

لو لم يكن القمر موجودا لكان توجيه محور دوران الأرض غير مستقر، وخاضعا لتغيرات

شواشية chaotic كبيرة على مدى العصور، ولكان من المحتمل جدا أن تؤثر التغيرات المناخية
الناتجة في تطور الحياة المنظَّمة على نحو ملحوظ.

لقد تآلفنا جميعا مع تغير الفصول الذي يحدث نتيجة ميل مستوى خط الاستواء السماوي على مستوى فلك الأرض حول الشمس. وينشأ عن هذا الميل، الذي يبلغ 23× 27، الدوائر القطبية polar circles التي يدوم فيها كل من النهار والليل عدة أشهر. كذلك فإن توزع كمية الحرارة الشمسية على سطح الأرض يتوقف على ميلها الأعظم، مما يجعله أحد العناصر الأساسية لفهم مناخ الأرض. وتبين الحسابات التي أجراها مكتب خطوط الطول Bureaudes Longitudes في باريس أن القمر يجعل تذبذبات ميل الأرض مستقرة، ومن ثم فإنه يؤدي دور منظم مناخي للأرض.
في عام 120 قبل الميلاد، اكتشف <هيپارخس> أن اتجاه محور دوران الأرض ليس ثابتا بالنسبة إلى النجوم. وحقيقة الأمر أنه يرسم مخروطا في الفضاء مرة كل 26000 سنة. وهذه الظاهرة التي تسمى مبادرة الاعتدالين precession of theequinoxes هي نتيجة عزم الليّ torque الذي يخضع له الانتفاخ الاستوائي للأرض بتأثير القمر والشمس. ومن الممكن أن نلاحظ بسهولة ظاهرة المبادرة هذه لمحور دوران جسم صلب عندما ندوِّر بُلْبُلا (خزروفا) عاديا على طاولة. إن إحدى نتائج هذه الظاهرة هي أن محور الأرض الدوراني لا يتجه دوما نحو نجم القطب، لكنه ـ بدلا من ذلك ـ يرسم دائرة كبيرة في الكرة السماوية. وهذه الحقيقة تبعث الضيق في نفوس المنجمين أحيانا، ذلك أن مبادرة الاعتدالين قد باعدت بين التقويم البروجي والحركة الظاهرية للشمس.

ومبادرة الاعتدالين تؤثر أيضا في مناخ الأرض. إن فلك الأرض ليس دائريا في الواقع، إذ إنه كما بيّن <كپلر> في أوائل القرن السابع عشر قطع ناقص ellipse تقريبا تقع الشمس في إحدى بؤرتيه. والاختلاف المركزي eccentricity لهذا القطع (الذي يقيس استطالته) صغير (0.017)، لكنه يكفي لتغيير كمية حرارة الشمس التي تبلغ الأرض عندما تكون في الحضيض perihelion، وهي النقطة التي تكون فيها الأرض أقرب ما تكون من الشمس، مقارنة بالكمية التي تبلغها وهي في الأوج aphelion، وهي النقطة التي تكون فيها الأرض أبعد ما تكون عن الشمس. وفي الوقت الحاضر، فإن الأرض تجتاز الحضيض في 4 يناير (كانون الثاني) خلال فصل الشتاء في النصف الشمالي من الكرة الأرضية. ومن شأن هذا الاختلاف في البعد تقليل التباينات الموسمية في النصف الشمالي من الكرة الأرضية، وإبرازها في نصفها الجنوبي. وبعد مرور 13000 سنة سينعكس الوضع وتصبح التباينات الموسمية بارزة على نحو أكبر في النصف الشمالي من الكرة الأرضية. وهكذا فإن مبادرة الاعتدالين تؤثر في كمية التشميس في بقعة معينة من الأرض خلال السنة. وفي الحقيقة فإنه يبدو من الممكن أن نعزو تغيرات مناخية أكثر أهمية إلى التغيرات في الاختلاف المركزي لفلك الأرض وميله.

1 - يتوقف تغير الفصول على الميل الأعظم obliquity للأرض (a) وعلى مبادرة الاعتدالين precession ofthe equinoxes (b). في الصيف تكون كمية الحرارة الشمسية التي يستقبلها النصف الشمالي من الكرة الأرضية أكبر من تلك التي يستقبلها نصفها الجنوبي. وحسب زاوية المبادرة، فقد تكون الأرض في أقرب نقطة من الشمس (الحضيض) خلال صيف نصفها الشمالي، أو خلال شتائه، كما هو سائد حاليا. ونتيجة لذلك يحدث زيادة أو نقصان في التباينات الموسمية seasonalcontrasts.

النظرية الفلكية لپاليوكليماتس
كان كپلر يرى أن فلك الأرض قطع ناقص ثابت على حاله. لكن <نيوتن> تحدى هذه النظرة حين أثبت أن كتل الكواكب الأخرى تُحْدِثُ اضطرابا في فلك الأرض، أي إن هذا الفلك قطع ناقص في التقريب الأول فقط، إذ إن اختلافه المركزي وميله يتغيران كلاهما. وقد كان <لوڤرييه> LeVerrier (الذي اشتهر باكتشافه عام 1846 لكوكب نبتون استنادا إلى اضطرابات فلك أورانوس) أول من حدد القيم العددية للتغيرات «طويلة الأجل» secular الممكنة في الاختلاف المركزي لمسار الأرض. وقد استفاد في عمله هذا من حسابات حركة الأرض في فلكها التي بدأها <لاپلاس> قبل الثورة الفرنسية بوقت قصير. وحسابات لوفرييه هذه هي التي قادت الفلكي اليوغسلافي <M. ميلانكوفڤتش> عام 1941 إلى وضع فرضية مفادها أن العصور الجليدية حدثت نتيجة تغيرات التشميس الأرضي في خطوط العرض العليا الناجمة عن تغيرات طويلة الأجل في فلك الأرض وتوجيه محور دورانها. لكن هذه النظرية لم تحظ بقبول سريع، ذلك أن التغيرات في التشميس لم تبد ملائمة لتعليل التجلد glaciation، إلا أنها حازت قبولا واسعا في العقدين الأخيرين. فالقياسات التي أجراها <J. أمبري> ومعاونوه للتركيز النسبي لنظائر الأكسجين O18 و O16 الموجودة في كربونات الطبقات الرسوبية البحرية يمكن أن تُعزى إلى الثخانة السابقة للقبعتين الجليديتين القطبيتين polar ice caps. ويمكن من هنا تقدير متوسط درجات حرارة المحيط في الماضي السحيق، وهذا يزودنا بسجل تقريبي لمناخ الأرض الذي كان يسودها منذ أكثر من ثلاثة ملايين سنة. هذا وإن السجلات الجيولوجية تبين الظروف المناخية منذ قرابة 200 مليون سنة، ولكن على نحو أقل دقة بكثير. وفضلا عن ذلك، فإن النماذج المحسَّنة للاستجابات المناخية نتيجة التغيرات في فلك الأرض تُبَيِّن أن آثار التغيرات في التشميس يمكن أن تتضخم نتيجة حوادث ثانوية كاتساع القبعتين الجليديتين أو تغيرات تركيب الجو.

2 - مبادرة الاعتدالين. إن الأرض ليست كروية تماما، بل مفلطحة قليلا إذ تتسطح في القطبين وتنتفخ في خط استوائها. ونتيجة الفعل التثاقلي gravitational للشمس والقمر، فإن محور الأرض الدوراني يرسم مخروطا مثل البلبل. ويرسم هذا المحور دائرة كبيرة على الكرة السماوية مرة كل 26000 سنة تقريبا. وقبل 5000 سنة كان اتجاه القطب الشمالي يتحدد بنجم ألفا Alpha في كوكبة التنين Dragon وليس بنجم القطب polaris. وبعد 13000 سنة سيتحدد هذا الاتجاه بالنسر الواقع Vega

إن قسما أساسيا من أي دراسة للتغيرات في تشميس الأرض يتجلى في حسابات تغيرات ميلها الأعظم الناجمة عن الاضطرابات التي تحدثها في الأرض الكواكبُ الأخرى. ومقدار هذا التغير خلال مليون سنة لا يتجاوز ± 1.3 درجة حول القيمة الوسطى للميل الأعظم التي تساوي 23.3 درجة. ومع أن هذا التغير لا يبدو كبيرا، فإنه كاف لإحداث تغيرات قدرها 20 في المئة تقريبا في التشميس الصيفي الذي يتلقاه ذلك الجزء من الأرض الواقع عند خط العرض الشمالي 65 درجة. وكمية الحرارة الإضافية المستقبلة خلال الصيف في خطوط العرض العليا هي عامل مهم في الدراسات المناخية، ذلك أنها تذيب الجليد المتراكم خلال فصل الشتاء وتحول دون امتداد القبعتين القطبيتين. ومن ثم فإن التغيرات الطفيفة في ميل الأرض تمثل عاملا حاسما في تنظيم المناخ المعتدل نسبيا الذي ساد الأرض طوال بضعة ملايين السنين الأخيرة، وفي السماح بظهور الحياة المنظمة كما نفهمها. إن العصور الجليدية تشكل تغيرات مناخية بالغة الأهمية، لكنها لم تكن كافية لتغيِّرَ على نحو مستمر ظروف الحياة على سطح الأرض.

3 - في هذه المحاكاة العددية، أُزيل القمر على نحو مفاجئ في التاريخ الحالي (t = 0). ونتيجة لتأثير الاضطرابات الكوكبية ووجود القمر، فإن الميل الأعظم للأرض ليس ثابتا، بل يخضع لتغيرات صغيرة (± 1.3 درجة) حول قيمته الوسطى (23.3 درجة) (a). وهذه التغيرات الصغيرة كافية لإحداث تغييرات تعادل 20 في المئة تقريبا في التشميس الذي تتلقاه الأرض في درجة العرض الشمالي 65 درجة (b). واستنادا إلى نظرية ميلانكوفيتش، فإن هذه التغيرات هي سبب الحقب الجليدية. وبعد إزالة القمر، فإن التغيرات في الميل الأعظم للأرض على مدى مليون سنة ازدادت زيادة كبيرة.

التغيرات في الميل الأعظم للأرض
إن الاضطرابات التي تتعرض الأرض لها نتيجة تأثير الكواكب الأخرى تجعل فلك الأرض يدور في الفضاء بحركةٍ يمكن تمثيلها تقريبا على أنها مجموع عدة دورانات rotations منتظمة، كل منها ناجم عن تأثير كوكب معين، وأدوار periods هذه الدورانات تمتد من 40000 سنة إلى عدة ملايين من السنين. وينجم عن هذه الحركة المعقدة «لِبُلْبُلِنَا» الأرضي نشوء تذبذبات (تنوّسات) صغيرة في الميل الأعظم. وإذا كان دور هذه الحركة لفلك الأرض قريبا من دور مبادرة محورها، فقد تنشأ ظاهرة التجاوب resonance الكلاسيكية. والتجاوب يحدث، على سبيل المثال، لدى دفع أرجوحة بالطريقة الصحيحة في كل مرة تبلغ فيها الأرجوحة أعلى نقطة. وحتى لو كانت كل دفعة ضعيفة، فإن تذبذبات الأرجوحة تزداد سعة (وبخاصة إذا لم يوجد احتكاك). لكنه إذا كان يتم دفع الأرجوحة في فترات عشوائية، فلا يحدث شيء غير عادي في الحالة العامة.
وعوضا عن استعمال الأدوار، فإننا سندرس السرعات الدورانية لهذه الحركات المختلفة. ولما كانت كل حركات المبادرة التي نتناولها بطيئة جدا، فإنه يُعَبَّر عنها بوحدات الثواني القوسية في السنة.
ونشير إلى هذه الوحدات باختصار بالثواني في السنة. وهكذا فإن سرعة دورانية قدرها ثانية في السنة تساوي دورا قدره360 ×3600= 1296000 سنة. وسأقوم بإجراء تغيير طفيف في المصطلحات بتسمية هذه السرعات الدورانية ترددات frequencies. عندئذ يكون تردد مبادرة فلك الأرض 50.47 ثانية في السنة، في حين تكون الترددات الرئيسة لحركة فلك الأرض محصورة بين 26.33 ثانية في السنة ونحو 0.67 ثانية في السنة، حيث الترددان الأساسيان هما 18.85 و 17.75 ثانية في السنة.
وهكذا فإننا بعيدون عن حدوث تجاوب، الأمر الذي يفسر التغيرات الصغيرة نسبيا المرصودة في ميل الأرض. وهذا يختلف عما هي عليه الحال في كوكب المريخ الذي تردد مبادرته 7.5 ثانية في السنة والذي ميله في الوقت الحاضر 25.2 درجة. وقد لاحظ <W. وارد> من مختبر (مخبر) الدفع النفاث في كاليفورنيا أن كون التجاوبات المدارية orbital الطويلة الأجل قريب بعضها من بعض يجعل المريخ خاضعا لتغيرات جوهرية في ميله (من مرتبة ±10 درجات).

ماذا يحدث لو أزيل القمر؟
للإجابة عن هذا السؤال فإنني لن أقترح أي أمر متطرف، كإزالة القمر فيزيائيا، وإنما سأدرس ـ باستخدام المحاكيات العددية بالحاسوب ـ تأثير القمر في دينامية الأرض. نحن نعلم أن القمر مسؤول عن نحو ثلثي عزم الليّ المؤثر في الانتفاخ القطبي للأرض، وأن الشمس مسؤولة عن الثلث الباقي . ومن دون القمر، فإن تردد مبادرة الأرض سينخفض من قيمته الحالية وهي 50.47 إلى قرابة 15.6 ثانية في السنة، مقتربا بهذا من الترددات المدارية للأرض وهذا يؤدي إلى احتمال حدوث تجاوب. وفي عام 1982، دَرَس وارْد هذه المسألة باستخدام نموذج مبسط، وتوصل إلى أن إزالة القمر تُخلِّف تغيرات في الميل الأرضي من مرتبة التغيرات في ميل المريخ. لكن غياب القمر يعني أيضا سرعة دورانية أكبر للأرض، الأمر الذي يزيد من حجم انتفاخها الاستوائي. وطبقا لما استنتجه وارْد، فإن الزيادة في عزم الليّ الشمسي الناجمة عن الزيادة في الانتفاخ تعادل غياب عزم اللي الناشئ عن القمر، وهذا يؤدي في النهاية إلى تغيّرات في الميل الأعظم قريبة من تلك المُلاحَظَة حاليا.

ومنذ عهد قريبتمت دراسة هذه المسألة في مكتب خطوط الطول بباريس، ولكن باستخدام نموذج للحركة الأرضية أدق بكثير. وقد استفدنا من حسابات الحركة المدارية للأرض والكواكب الأخرى التي أجريت في وقت سابق على نموذج فترة زمنية طولها نحو 400 مليون سنة. وهذه الحسابات هي التي استعملتُها عام 1989 كي نبين أن الحركة المدارية للنظام الشمسي، وبوجه خاص حركة كواكبه الداخلية (عطارد والزهرة والأرض والمريخ)، شواشية chaotic. ومن ثم كان من الممكن القيام بدراسة عددية، على مدى فترات زمنية طويلة جدا، للتغيرات في توجيه الأرض الناجمة عن تغيراتها المدارية. حاكينا أولا اختفاءً مفاجئًا للقمر، ثم رصدنا سلوك ميل الأرض طوال مليون سنة. إن هذه فترة زمنية قصيرة نسبيا لا يكفي طولها، مثلا، لبروز آثار ناجمة عن الطبيعة الشواشية للحركة المدارية التي نتقصاها. ومع ذلك، لاحظنا وجود تغيرات من مرتبة ± 15 درجة في الميل الأعظم للأرض، وكانت التغيرات الناتجة في التشميس بدرجة العرض الشمالية 65 أكبر بكثير مما كانت عليه الحال في السابق. ولو كانت التغيرات في التشميس بدرجات العرض الكبيرة مسؤولة عن حقب التجلّد، كما تؤكد نظرية ميلانكوفيتش، لكان من المحتمل جدا أن تولِّد التغيرات المبيّنة في الشكل 3 تغيرات في درجة الحرارة على سطح الأرض أهم بكثير.
بيد أن هدفنا ليس التخلص من القمر، وإنما فهم التطور المحتمل للأرض لو لم يوجد القمر، وهذا يقودنا بصورة طبيعية إلى طرح السؤال عن أصل القمر.

أصل القمر
يواجهنا القمر بعدد من المسائل الفلكية، فكتلته التي تساوي 1/81 من كتلة الأرض كبيرة جدا لتابعِ كوكبٍ، وهذا شيء فريد في النظام الشمسي. صحيح إن المشتري وزحل ونبتون دون غيرها من الكواكب تمتلك توابع كبيرة الكتل، لكن كتل هذه الكواكب أكبر من كتلة الأرض 318 و 95 و 17 مرة على التوالي. وهكذا فإن تكوُّن القمر يطرح مسألة متميزة اقتُرح لحلها عدد من السيناريوهات المختلفة.
ففي سيناريو الانشطار fission انتزعت القوى الطاردة centrifugal forces من الأرض، التي تدور حول محورها بسرعة (بدور قدره بين ساعتين وثلاث ساعات) جزءا كبيرا من معطفها (وشاحها) mantle ليكوّن هذا الجزءُ القمرَ. إلا أن هذا النموذج استُبعد تقريبا، ويُردُّ ذلك جزئيا إلى الصعوبة في تفسير مثل هذه السرعة الدورانية الابتدائية العالية للأرض، وإلى أن للأرض والقمر تركيبين كيميائيين مختلفين على نحو كبير، وإلى أن فلك القمر حول الأرض لا يقع قرب مستوى الأرض الاستوائي، إذ إنه، بدلا من ذلك، يميل 5 درجات فقط على مستوى الأرض حول الشمس.

4 - الطبقات الرسوبية التي درسها <G. وليامز> في أستراليا، (a) قبل 650 مليون سنة تكونت هذه الطبقات في مصب نهر نتيجة ترسبات متعاقبة من الطين الداكن والرمل الفاتح اللون بفعل المد والجزر. وإذا قبلنا أن طول السنة بقي ثابتا، فمن الممكن أن نستخلص من هذه السجلات طول اليوم والمسافة بين الأرض والقمر في الماضي السحيق. (b) إذا عدنا إلى الوراء 2.5 بليون سنة، فمن المحتمل أيضا أن تعكس هذه الطبقات آثار المد والجزر للقمر

ومن المحتمل أن القمر قد تكوَّن في مرحلة تكوّن الأرض نفسها خلال التحام مادةٍ في فلك حول الأرض. إن هذا يفسر قرب القمر من مستوى دائرة البروج ecliptic ولا يفسر الاختلاف الواضح في التركيب الكيميائي.
وفي فرضية الأسر capture، تكوّن القمر في بقعة مجاورة من الفضاء، ثم أُسِر بفعل حقل الأرض التثاقلي gravitational. وقد اقتُرح أسلوبان للأسر: أسر «لين» وأسر «عنيف». أما الأسر العنيف فيقتضي اصطداما قويا بين الأرض وجسم ضخم، ويتولد القمر من التحام الحطام الناجم عن الاصطدام. والمشكلة في هذين السيناريوهين ـ يحظى الأخير منهما بقبول أكبر ـ هي ضعف احتمال حدوثهما. ويُرَدُّ النزوع إلى الشك في سيناريو الأسر إلى «مبدأ الأوسطية» principle of mediocrity الذي يشترط في الحوادث أن تكون عامة شاملة وليست استثنائية.
وعلى الرغم من أن أصل القمر يظل مبهما وعرضة لتخمينات متنوعة، فإنه يمكن مع ذلك تعرُّف تاريخه إلى ماض بعيد جدا.

التاريخ البعيد للقمر
يؤثر القمر في الأرض بقوة جذبٍ نلاحظها يوميا من خلال حوادث المد والجزر. ولما كانت الأرض تدور حول محورها (مرة كل يوم) بسرعة أكبر من سرعة دوران القمر حول الأرض (مرة كل 28 يوما تقريبا)، فإن حركات مد وجزر تتم على سطح الأرض، ويصحب هذه الحركات تبديد للطاقة.

5 - تقابل كل نقطة من هذه الأشكال محاكاة لحركة الأرض على مدى 18 مليون سنة (a و b) بوجود القمر (c و d) وبدونه. إن القيم الصغرى والوسطى والعظمى للميل الأعظم للأرض خلال هذه المدة الزمنية مبينة في (b) و (d) كدالة للميل الأعظم الابتدائي. وإذا كانت الحركة مستقرة، فإن تردد المبادرة p يتغير باستمرار كدالة للميل الأعظم الابتدائي (e). وفي هذه المنطقة النظامية (التي تحوي الظروف الحالية للأرض) تكون التغيرات في الميل الأعظم للأرض طفيفة، كما في المناطق الزرقاء في الشكلين (a) و (c). وبالمقابل، ففي المنطقة الحمراء من الشكل (a) يكون تردد المبادرة غير محدد تماما، فالميل الأعظم للأرض شواشي chaotic، وقد يتغير بين 60 و 90 درجة على مدى بضعة ملايين من السنين. وبدون القمر وفي حال كون الأرض تنجز دورة كاملة حول محورها في 15 ساعة، فإن المنطقة الشواشية (اللون الأحمر) تمتد من 0 إلى نحو 90 درجة (c). وخلال مدة طولها 18 مليون سنة، فإن الميل الأعظم للأرض لا يمسح كامل المنطقة (d)، بيد أنه ما من عائق يمنعه من فعل ذلك في فترات زمنية أطول.

ويؤدي هذا بدوره إلى إبطاء سرعة الحركة الدورانية للأرض حول محورها (يطول اليوم 0.002 ثانية كل قرن)، وإلى زيادة في المسافة الوسطى بين القمر والأرض بنحو 3.5 سنتيمتر كل عام. وقبل عدة ملايين من السنين كانت الأرض تدور حول محورها على نحو أسرع بكثير، كما كان القمر أقرب كثيرا إلى الأرض.

هذا وإن معدل التباطؤ ليس ثابتا، ويمكن العثور على أدلة على تغيُّره في سجلات دورات المد والجزر الماضية. مثل الحيود البحرية المرجانية coralreefs وبعض الأحافير القشرية. وكان تحليل المخلفات الرسوبية هو الذي قاد الجيولوجي الأسترالي <G. وليامز> إلى الاستنتاج بأن طول اليوم قبل 2.5 بليون سنة كان 20 ساعة، في حين أن القمر كان يبعد عن الأرض مسافة 348000 كيلومتر تقريبا (مقارنة بالمسافة الحالية 384000 كيلومتر). ولإيجاد هذه المقادير حلل وليامز الترسبات التي كان يحملها البحر على نحو متعاقب إلى مصب أحد الأنهار بفعل المد والجزر. وقد مكنته الدورة السنوية للمد والجزر من تقدير السلّم الزمني time scale لهذه الترسبات بقبوله فرضية معقولة مفادها أن طول السنة لم يتغير على نحو محسوس بمرور الزمن. وهكذا فإن القمر كان موجودا في هذه الحقبة القريبة. وهناك سجلات أحفورية أكثر دقة تشير، على ما يبدو، إلى أن القمر كان موجودا منذ زمن أقدم يعود إلى 3.8 بليون سنة. فلو أن القمر أُسِر حقا، فمن الواضح أن أسره قد حدث خلال طور مبكر من أطوار تطور النظام الشمسي.

الأرض بلا قمر
رأينا آنفا أنه إذا لم يكن للقمر وجود، لكانت السرعة الدورانية للأرض حول محورها أعلى بعض الشيء، لأنه ما كان لدورانها حول محورها أن يتباطأ عندئذ نتيجة الآثار التبددية لحركات المد والجزر القمرية. وإذا قمنا بتقدير استدلالي extrapolation للقيم التي وُجِدت سابقا من قِبَل وليامز، فإننا نجد أن السرعة الدورانية البدائية للأرض حول محورها يمكن تقديرها بقرابة 1.6 مرة من قيمتها الحالية وذلك في يوم طوله نحو 15 ساعة. وفي مكتب خطوط الطول انطلقتُ مع كل من <F. جوتيل> و <P. روبوتيل> من هذه الفرضية لدراسة التغيرات الممكنة في الميل الأعظم للأرض. ولإنجاز هذه المهمة اتبعنا أسلوبا جديدا لتحليل استقرار الحركة، ألا وهو تحليل التردد.

وعادة، يقابل كلَّ قيمةٍ ابتدائية للميل الأعظم للأرض سرعةُ مبادرةٍ لمحور دورانها، وإذا كانت الحركة مستقرة، فإن سرعة المبادرة هذه تتغير باستمرار مع الميل الابتدائي. من ناحية أخرى، فإذا كانت الحركة شواشية، أو كانت غير مستقرة، فإن سرعة المبادرة لن تتحدد عندئذ بشكل وحيد، كما أنها تعتمد بقوة على الاختلافات الطفيفة في الشروط الابتدائية. لذا فإن بيانا graph لسرعة المبادرة كدالة function للميل الابتدائي يشير إلى استقرار الميول التالية . ويبين هذا التحليل منطقة شواشية واسعة من 0 إلى نحو 85 درجة للميل الأعظم الابتدائي. وأيا كان الميل الأعظم الابتدائي للأرض في هذا المجال، فإن ميلها الابتدائي، بغياب القمر، سيكون عرضة لتذبذبات قوية تمتد تقريبا على هذه المنطقة الشواشية بأكملها في بضعة ملايين من السنين.

ونعرض في الشكل 5 القيم الصغرى والوسطى والعظمى للميل الأعظم للأرض خلال فترة زمنية قدرها 18 مليون سنة من أجل قيم مختلفة للميل الأعظم الابتدائي. وفي فترة زمنية قصيرة كهذه، فإن الميل الأعظم لا يجوب المنطقة الشواشية الكلية في الأمثلة التي تناولناها، لكن تحليلنا يبين أن المدى الكلي للمنطقة هذه يمكن اجتيازه في فترات زمنية أطول. وفي غياب القمر، فإن الأرض تخضع لتغيرات في ميلها الأعظم هي من الشدة بحيث إنه يمكنها تغيير مناخ الأرض على نحو حاد. ولا بد من الإشارة إلى أنه إذا كان ميل الأرض 85 درجة، فإن محور دوران الأرض يقع قريبا جدا من مستوي مدارها حول الشمس، كما هي الحال في كوكب أورانوس. وعندئذ يسود الكوكبَ كلَّه أيامٌ وليالٍ تطول عدة أشهر، كما هي الحال في المناطق القطبية الآن. وفي القطبين، تبقى الشمس في كبد السماء فترات طويلة، وعلى الرغم من أنه لم تُجر حتى الآن محاكيات مناخية للأرض في حالة الميل هذه، فإنه من المحتمل أن يخلِّف مثلُ هذا التوزع الجديد المتطرف للتشميس تغيراتٍ ذات شأن في جو الأرض.
وبالطبع، فإنه باختيارنا سرعة دورانية ابتدائية للأرض بحيث تتم دورة كاملة حول محورها في 15 ساعة، نكون قد فعلنا ما يبدو أنه أكثر الاختيارات اعتدالا، لكن السيناريوهات الأخرى لتكوُّن القمر يمكن أن تؤدي إلى سرعات دورانية ابتدائية مختلفة. ولما كانت جميع هذه السيناريوهات تخمينية إلى حد بعيد، فإننا نختار دراسة استقرار الميل الأعظم للأرض في غياب القمر في حال جميع القيم الممكنة للسرعات الدورانية الابتدائية للأرض. وقد وجدنا أنه من أجل الأدوار الدورانية الواقعة بين 12 و 48 ساعة، فهنالك منطقة شواشية كبيرة جدا للميل الأعظم للأرض، تمتد من قرابة 0 إلى أكثر من 80 درجة. لذا فمن المنطقي القول بأن القمر يقوم بمهمة مُنظِّمٍ مناخي للأرض مؤمِّنا استقرارا مناخيا نسبيا على مدى العصور. وهذا يقودنا، بصورة طبيعية، إلى النظر في الحالات المشابهة على الكواكب الأخرى من النظام الشمسي.

السلوك الشواشي للميول العظمى للكواكب
باتباع أسلوب مماثل لذاك الذي اتبعناه في حالة الأرض والذي تم عرضه سابقا، درسنا استقرار توجيه محاور دوران جميع الكواكب الرئيسة في النظام الشمسي. ويمثل كوكبا عطارد والزهرة حالتين خاصتين لأن سرعتيهما الدورانيتين هما الآن بطيئتان جدا ـ وذلك يعود من دون ريب إلى ظاهرة المد والجزر الشمسية التي كانت تؤثر فيهما على مر الزمن. وللزهرة سمة أخرى حيّرت الفلكيين ردحا طويلا من الزمن، وهي أنها لا تدور حول محورها بالاتجاه نفسه لدوران الكواكب الأخرى، وبعبارة أخرى، فإنها مقلوبة رأسا على عقب. وحتى الآن، فقد ذهب معظم الفلكيين الذين تناولوا هذه الظاهرة بالبحث إلى أن الزهرة تكونت رأسا على عقب ـ أو أنها، على الأقل، تكونت ومحور دورانها في مستوى مدارها؛ لأن الآثار التبددية آنذاك التي تمخضت عن ظاهرة المد والجزر الشمسية، أو عن التفاعلات بين القلب (اللب) والمعطف، أو عن قوى المد والجزر الجوية الناشئة عن الشمس يمكن أن تقلبها رأسا على عقب.
لقد بيَّنّا بدلا من ذلك أنه حتى لو بدأت الزهرة بسرعة دورانية قريبة من السرعة الدورانية للأرض وفي الاتجاه نفسه، فإن وجود منطقة شواشية كبيرة في ميلها قد يُعرِّضها إلى إمالة شديدة بحيث يغدو محور دورانها قريبا جدا من مستوى فلكها. والآثار التبددية التي شرحناها قبل قليل يمكن أن توصل هذا المحور إلى وضعه الحالي الذي قد ينتهي باستقراره مع تباطؤ دوران الكوكب.

6 - تحليل استقرار الميل الأعظم للأرض (في غياب القمر) من أجل جميع قيم طول اليوم وجميع القيم الابتدائية للميل الأعظم للأرض. إن الحركات المستقرة توافق المنطقة الزرقاء، والحركات الشواشية الشديدة توافق المنطقتين الحمراء والبرتقالية. وفي المنطقة المستقرة التي يمكن أن نجد فيها الوضع الحالي للنظام المؤلف من الأرض والقمر، فإن التغيرات في الميل الأعظم للأرض طفيفة جدا. ومن ناحية أخرى، ففي المنطقة الحمراء الشواشية، قد يجتاز الميل الأعظم قطعة مستقيمة أفقية كاملة على مدى عدة ملايين من السنين. وعلى سبيل المثال، عندما تكون السرعة الدورانية 20 ساعة، فقد يتراوح الميل الأعظم للأرض بدون القمر من 0 إلى نحو 85 درجة.

[center]أما وضع عطارد فمختلف قليلا. وكما هي الحال في الزهرة، فإننا لا نعرف مدة الدورة الكاملة الابتدائية لعطارد حول محوره، لكنه يكفينا القول بأنها كانت أقل من 300 ساعة للتأكد من أن عطارد خضع في مجرى تاريخه إلى تغيرات شواشية في ميله تراوح بين 0 و 90 درجة خلال بضعة ملايين من السنين. وكما جرى للزهرة، فإن الآثار المستمرة لظاهرة المد والجزر تمكنت من إبطاء حركة عطارد الدورانية لتنتهي إلى وضعها الحالي.
إن كوكب المريخ بعيد عن الشمس، وكتلتا تابعيه فوبوس وديموس هما أصغر من أن تبطِّئا من سرعته الدورانية، ومن ثم فإن المدة الحالية لدورته حول محوره، وهي 24 ساعة و 37 دقيقة، قريبة من المدة الابتدائية لدورته حول محوره. والمستوى الاستوائي للمريخ يميل 25 درجة على مستوى فلكه؛ وسرعة مبادرته، التي قدرها 7.26 ثانية في السنة، قريبة من ترددات معينة لحركة فلكه. فضلا عن ذلك، فإن تغيرات ميل فلك المريخ أشد بكثير من تغيرات ميل فلك الأرض. ويترتب على هذا أن التغيرات في ميله على مدى مليون من السنين هي أيضا أشد بكثير من مقابلاتها في الأرض، وقد وجد <G. وارد> تغيرات في الميل من مرتبة ± 10 درجات حول قيمة وسطى قدرها 25 درجة. ومن شأن هذه التغيرات إحداث تغيرات مناخية كبيرة على سطح المريخ. وثمة بُنى معينة على سطحه تدل على هذه التغيرات.
إن الحسابات التي أجريناها منذ عهد قريب، والنتائج الحسابية التي حصل عليها <J. توما> و <J. ويزدم> من معهد ماساتشوستس للتقانة MIT، توفر الدليل على أن حركة المحور الدوراني للمريخ شواشية. ويترتب على هذا نتيجتان: إحداهما، كما هي الحال في حركات الكواكب الداخلية في أفلاكها، هي أنه من المستحيل التنبؤ بتوجيه محور المريخ طوال فترات تتجاوز ملايين السنين.
لكن الأهم من ذلك هو أن ميل المريخ معرض لتغيرات أكبر بكثير من تلك التي تنبأ بها وارْد، وهي تقع بين نحو 0 و 60 درجة في أقل من 50 مليون سنة. لذا فمن الضروري إعادة النظر في نماذج المناخات الماضية للمريخ في ضوء هذه النتائج الجديدة. ويترتب على وجود هذه المنطقة الشواشية الكبيرة في توجيه حركة المريخ نتيجة أخرى وهي أن ميل المريخ لا يمكن اعتباره ابتدائيا، وهذا يخلّص نماذج تكوين النظام الشمسي من أحد القيود.

تكوُّن النظام الشمسي
منذ أن أنجز <سافرونوڤ> عمله عام 1960، فإن نماذج تكوّن النظام الشمسي تقبل بوجود غيمة سديمية شمسية ابتدائية ضخمة جدا. ونظرا لوجود عدم استقرار تثاقلي فيها، فإن جزءا من هذه الغيمة تكثّف ليكوِّن الشمس، كما تكثف ما تبقى منها في أجسام صغيرة أو كوكبائيات planetoids. أما الكواكب فقد تكونت من أكبر هذه الكوكبائيات بعدما التحمت بها الكوكبائيات الصغيرة نتيجة لاصطدامها بها. بعد ذلك تم قذف قسم كبير من الكوكبائيات المتبقية بعيدا عن النظام الشمسي. وقد بين سافرونوڤ أنه إذا حدث الالتحام بين عدد كبير من الكويكبات planetesimals الصغيرة، فإن جميع الكواكب ستدور في اتجاه واحد بميل قريب جدا من الصفر. ولتعليل هذا التغير الكبير في الميول المرصودة للكواكب، كان على سافرونوڤ أن يقترح ما يسمى «المركِّبة التصادفية» stochastic component في آلية الالتحام، التي تقتضي طورا نهائيا تخضع فيه الكواكب إلى عدد من الاصطدامات العشوائية، حيث تكون الكوكبائيات على قدر من الضخامة يكفي لإحداث الميول المرصودة. وتبيِّن نتائجنا الحديثة أن جميع ميول الكواكب الداخلية قد تكون ناشئة عن فعل الاضطرابات الطويلة الأجل للكواكب التي يضاف إليها، في حالة عطارد والزهرة، الآثار التبددية التي أتينا على ذكرها آنفا.
ونبين أيضا أن ميول الكواكب الخارجية مستقرة جوهريا، وكذلك حركاتها في أفلاكها. ولا يمكننا أن نفسر على هذا النحو الميل الكبير لأورانوس (98 درجة)، بيد أنه يمكن تصوُّر سيناريو مماثل لذاك الذي اقترحناه للزهرة، في مرحلة مبكرة من تكون النظام الشمسي، في سياق فرضية سافرونوڤ لنظام شمسي ابتدائي ضخم.

احتمال وجود حياة خارج الأرض
في 12/10/ 1992 دشنت ناسا NASA برنامجا ضخما، أُطلق عليه اسم سيتي Search for Extra Terrestrial Intelligence SETI للبحث عن إشارات قادمة من حضارات متقدمة محتملة خارج الأرض. وعلى مدى السنوات العشر التالية، فإن هذا البرنامج سيستخدم المقاريب الراديوية للبحث في جزء كبير من طيف الترددات الراديوية عن إشارات من مصادر خارج الأرض. ولما كانت السماء فسيحة جدا، فقد جرى توجيه اهتمام خاص إلى نحو 800 نجم من نمط الشمس واقعة على مسافات أقل من 80 سنة ضوئية من الأرض. وسيجري رصد كل منها قرابة 20 ساعة، وهذا يبدو أقل زمن يحتمل أن يُكتَشف خلاله شيء ما، وذلك، على الأقل، من مصدر قوي من النمط الذي يمكن التوقع أن يصل منه شيء من هذه الأنظمة الواقعة خارج النظام الشمسي.

ثمة مبدأ أساسي يستند إليه أي مشروع من هذا القبيل: وهو أن وجودنا على الأرض ليس حالة شاذة، ومن ثَمّ فمن المرجح أن تتكرر هذه الحالة مرات عدة في مجرتنا في عدد من الأشكال المختلفة. بيد أنه، في حال نجم ما من مجرتنا، فليس لدينا حاليا أية فكرة حول احتمال وجود حياة منظمة شبيهة بتلك الموجودة على كوكبنا.
وحتى دون الإشارة إلى وجود حياة، ولا إلى الظروف التي قد تؤدي إلى تطور حضارة ربما لا تكون راغبة في الاتصال بغيرها باستخدام الأمواج الراديوية، فلا نملك حاليا أية فكرة عن احتمال وجود كواكب لنجم من تلك النجوم الشبيهة بالشمس. وعلى الرغم من التصريحات المتكررة عن اكتشاف كواكب خارج النظام الشمسي، فإنه لم يتم حتى الآن رصد أي من هذه الأجرام على نحو مباشر، والأرصاد التي جرت لقرص (محتمل) من كواكب من نمط بيتا ـ بيكتوريس هي الأرصاد المقنعة الوحيدة.
ومهما يكن من أمر، فإن كل التقديرات تقريبا لاحتمال وجود حياة خارج الأرض تُجمِعُ على أمر واحد هو أنه في أي نظام كوكبي، يقع الكوكب فيه، ليس بعيدا جدا عن شمسه وليس قريبا جدا منها، يمكن لهذا النظام أن يسمح بتطور حياة منظمة عليه مثل التي نعرفها على الأرض. وفي الواقع، فإن المحاكيات التي نفذها <M. هارت> عام 1978 بينت أنه خارج «منطقة صالحة للسُّكنى» رقيقة، فإن مفعول الدفيئة (الجُنّة) greenhouse effect في الجو قد يؤدي إلى وضعٍ من النمط الذي نرصده على الزهرة إذا كانت الأرض أقرب من الشمس بمقدار 5 في المئة فقط، في حين أنه إذا كانت الأرض أبعد قليلا عن الشمس فإنها ستعاني تجلدًا سريعا

وتبين حساباتنا أن الأمور ليست على هذا النحو، وأنه ربما كان تطور الحياة على الأرض مرتبطا بقوةٍ بحادث يبدو غير محتمل في النماذج الحالية لتكوّن الأنظمة الكوكبية، ألا وهو أن كوكبا موجودا في المنطقة الصالحة للسكنى قادر على أن يجعل التغيرات الطويلة الأجل في تشميسه مستقرة من خلال وجود تابع ضخم مثل القمر. وبالطبع، فيجب أن يكون بالإمكان اكتشاف ظروف خاصة أخرى تقود إلى استقرار مناخي طويل الأجل على الكوكب، لكن يجب التشديد على أن هذه الظروف قد تكون غير شائعة. إن احتمال وجود كواكب، في نظام كوكبي ما، تتمتع بمناخات مستقرة قريبة من مناخنا يجب بلا ريب أن يعاد فحصه وأن يخفض إلى عدة مراتب من الكبر، كما هي الحال في احتمال نجاح مشروع ناسا.

الأسئلة المتبقية
لقد أتيح لنا باستخدامنا لحركات كواكب النظام الشمسي في أفلاكها، إثبات أنه من المحتمل جدا أن تكون الأرض مدينة في استقرارها المناخي إلى وجود القمر. ويجب الإشارة أيضا إلى أنه إذا كان وجودنا مرتبطا على نحو وثيق بوجود القمر، فمن الممكن قبول سيناريو لتكوّن القمر، احتمال حدوثه قليل إلى درجة أننا لن نقبل به إذا قيدنا أنفسنا بالحالات العامة الشاملة. ومن ثم فإن نظريات تكوُّن القمر بحاجة إلى إعادة نظر.
وفضلا عن ذلك فإن الحركات المدارية للكواكب والأرض نفسها شواشية chaotic. ولا يبدو أنه يترتب على هذا تغيرات كبيرة في وسطائها المدارية على مدى بضع مئات من ملايين السنين، لكن الحالة قد تكون مختلفة في نظم كوكبية أخرى، إذ إن عدم الاستقرار المداري قد يولد تغيرات مناخية حادة، أو أنه قد يؤدي إلى أن يُقذف من النظام الكوكبي كوكب كان موجودا في البدء في المنطقة الصالحة للسكنى. والفهم الأعمق للدينامية الشاملة للنظم الكوكبية هو الذي سيسمح لنا بالإجابة، جزئيا على الأقل، عن مثل هذه الأسئلة.

كذلك، فإننا ما زلنا بعيدين عن فهم آلية تكوّن النظم الكوكبية. وإحدى الصعوبات الفائقة التي تواجهنا هي أنه لدينا مثال واحد فقط على النظم الكوكبية، ألا وهو نظامنا الشمسي. واكتشاف نظام آخر سيكون عنصرا أساسيا في فهم تاريخ نظامنا الشمسي، حتى ولو لم يوجد شكل من أشكال الحياة في النظام الآخر هذا.

وأخيرا، فإن التغيرات المناخيةَ ـ على سطح كوكب من الكواكب ـ الناجمةَ عن تغيرات كبيرة في فلكه أو توجيهه ما زالت غير مفهومة جيدا، ولا يسعنا إلا أن نأمل بأن إدراكا متزايدا للدينامية الجوية سيسمح لهذه التغيرات أن تُحاكى بنجاح باستخدام الحواسيب.
إن هذه المسائل المختلفة، التي تنتمي إلى مجالات مختلفة جدا من علم الفلك، تكوِّن مع بعضها برنامج بحوث واسعا، لكن الجهود المبذولة في حلها ستفضي دون ريب إلى فهم أفضل لأصول النظام الشمسي ولنشأة الحياة على الأرض.

بقلم:Jacques Laskar
فلكي وباحث في «المركز القومي الفرنسي للبحوث العلمية» CNRS وعضو في «مجموعة الفلك والنظم الدينامية» Astronomie et systèmes dynamiques في مكتب خطوط الطول بباريس.

م.ن

[/center]

» درع مغناطيسي حول الأرض.. عالم الفضاء والكون
» انقلاب التواريخ . تغير الفصول على مدار السنين . عالم الفضاء . الكون
» ظاهرة انشطار المذنبات. عالم الفضاء . الكون . المذنبات
» حزام مجرتنا . حزام المجرة. عالم الكون . الفضاء
» العواصف النجمية . عالم الكون . الفضاء . النجوم . العواصف النجمية