چرا زمین آتش را به سوی ستاره ها میراند؟

"شعله های آتش" چه چیز انها را به سوی اسمان بر می انگیزد؟

"توپِ پلاستیکی در آب" تصور کنید یک توپ پلاستیکیِ توخالی را زیر آب (در عمق یک استخر) نگه داشته‌اید. به محض اینکه دستتان را رها کنید، توپ با سرعت به سمت سطح آب پرتاب می‌شود. چرا؟ چون چگالیِ هوای داخل توپ از آبِ اطرافش بسیار کمتر است. در اینجا، «آب» (به دلیل گرانش) سعی می‌کند فضای خالی را پر کند و در نتیجه، توپِ سبک‌تر را به سمت بالا می‌راند. ☆حالا این تصویر را به دنیای آتش بیاورید: شعله‌ی شمع، همان توپِ سبک است و هوای اطرافِ آن، همان آبِ سنگین.

"کالبدشکافی فیزیکی: چرا شعله‌ها همیشه رو به آسمان‌اند؟" حرکتِ آتش به سمت بالا، در واقع نشان‌دهنده‌ی یک «مبارزه‌ی نامرئی» در میان مولکول‌های هواست که از سه رکن اصلی تشکیل شده است! در ادامه به توصیف این سه رکن خواهیم پرداخت.

۱) اتساع حرارتی (قانونِ بازیِ فضایی) وقتی سوختی (مثل فتیله شمع یا چوب) می‌سوزد، انرژی آزاد می‌شود. این انرژی باعث می‌شود مولکول‌های گازِ اطراف شعله به‌شدت انرژی بگیرند و شروع به جنب‌وجوش سریع کنند. طبق قوانین ترمودینامیک، وقتی مولکول‌های یک گاز داغ می‌شوند، از هم فاصله می‌گیرند تا فضای بیشتری اشغال کنند. این یعنی گازِ داغ، کم‌چگال‌تر (سبک‌تر) از هوای خنک و متراکمِ اطرافش می‌شود.

2) نقش تعیین‌کننده‌ی گرانش (رانده شدن توسط سنگینی) بسیاری به اشتباه فکر می‌کنند آتش «نیروی رانش» دارد یا «می‌خواهد» بالا برود. اما حقیقت این است که آتش هیچ اراده‌ای برای بالا رفتن ندارد! این گرانش زمین است که هوای سردِ اطراف شعله را با قدرت به سمت پایین می‌کشد. وقتی هوای سرد و سنگین به سمت پایین می‌آید، راهی جز این ندارد که هوای داغ و سبک (شعله) را از زیر جارو کرده و آن را به سمت بالا «هل» بدهد. در واقع، شعله مثل یک مسافرِ ناخواسته است که توسط توده‌های هوای سنگینِ زیرین، به بالا رانده می‌شود.

۳) اثر همرفت (Convection) و چرخه اکسیژن این جابه‌جاییِ مداومِ هوای سردِ پایین به بالا، یک جریان دائمی به نام «همرفت» ایجاد می‌کند. این جریان برای بقای آتش حیاتی است. هوای سردِ تازه که به سمت پایین می‌آید، سرشار از اکسیژن است. این اکسیژن به پایه شعله می‌رسد، سوخت را تغذیه می‌کند و دوباره داغ می‌شود و بالا می‌رود. به همین دلیل است که شعله‌های آتش، شکلی کشیده و «اشکی‌مانند» به خود می‌گیرند؛ آن‌ها در واقع ردپای جریانِ مداومِ هوایی هستند که از پایین به بالا در حال عبور است.

"نگاهی علمی: در دنیای بی‌وزنی (میکروگرانش) چه رخ می‌دهد؟" اگر این آزمایش را به ایستگاه فضایی بین‌المللی ببریم، جایی که گرانشِ محسوس وجود ندارد تا هوای سرد را به پایین بکشد، تمامِ این معادلات برهم می‌خورد. در فضا، نه هوای سردی به سمت پایین کشیده می‌شود که هوای داغ را هل بدهد و نه جریانی به نام همرفت شکل می‌گیرد. در نتیجه، شعله‌ها دیگر آن شکل کشیده و اشکی را ندارند؛ بلکه به صورت "گوی‌های آبی‌رنگ و نیم‌کره‌ای" در اطراف فتیله شناور می‌مانند. در غیاب گرانش، آتش برای رسیدن به اکسیژن مجبور است فقط به «نفوذِ مولکولی» (diffusion) تکیه کند. این یک تجربه بصریِ بی‌نظیر است که به ما یادآوری می‌کند: جهتِ آتش، تنها یک قراردادِ زمینی است که توسط گرانش دیکته شده است.

آتش در واقع یک «جریانِ سیالِ در حال تغییر» است. اگر آسمان شب تاریک است چون جهان در حال انبساط و تغییر است، شعله آتش هم رو به بالا است چون زمین در حال کشیدنِ هوا به پایین است. هر دوی این پدیده‌ها، پیوند عمیقِ ما با قوانینِ فیزیکِ محیطی را نشان می‌دهند که در آن زندگی می‌کنیم. آیا تا به حال فکر کرده‌اید که اگر جوّ زمین غلیظ‌تر بود (مثلاً مثل یک سیاره سنگی با اتمسفر سنگین)، شکل این شعله‌ها چه تفاوتی پیدا می‌کرد؟؟