מדעים פלנטריים

מדעים פלנטריים או פלנטולוגיה (מיוונית "פלנטה" - כוכב לכת, ו"לוגוס" - דרך) הם ענף במדעי הטבע העוסק בחקר כוכבי לכת (לרבות כדור הארץ וכוכבי לכת חוץ-שמשיים), ירחים ושביטים. פלנטולוגיה חוקרת את הדינמיקה, אבולוציה, הרכב כימי ותכונות פיזיקליות וכימיות אחרות של מערכת השמש ומערכות פלנטריות אחרות.

מדעים פלנטריים הם מדעים בינתחומיים, המשלבים בין מדעי כדור הארץ לבין מדעי החלל וכוללים מספר תחומי מחקר, כגון גאולוגיה פלנטרית (הכוללת גאופיזיקה וגאוכימיה), מדעי האטמוספירה, אוקיינוגרפיה (חקר אוקיינוסים), הידרולוגיה (חקר זורמים), גלציולוגיה (חקר קרחונים), אקזופלנטולוגיה (חקר כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש) ואסטרוביולוגיה. המשותף לכל הענפים הוא סדרי גודל של גרמי השמים הנחקרים: המדעים חוקרים גופים החל מגודל של מטאורואיד ועד לגודל של ענק גזים. לפעמים גם חקר ננסים חומים נכלל במחקר הפלנטולוגי.

לענף מדעי זה ישנם ענפים תאורטיים, תצפיתיים ואף ניסיוניים. התצפיות כוללות איתור כוכבי לכת חוץ שמשיים, שימוש בחישה מרחוק ושימוש בגשושיות ורוברים (רכבים לא מאוישים) רובוטיים כדוגמת מארס סיינס לברטורי ולונוחוד 1 הנשלחים לנחות על גופים מחוץ לכדור הארץ. ניסויים הנעשים במעבדות בכדור הארץ כוללים הדמיות של תהליכים אסטרונומיים (כלומר אסטרופיזיקה ניסויית). המחקר תאורטי כולל סימולציות מחשב ומודלים מתמטיים של תהליכים כגון היווצרות כוכב לכת והתפתחותו בזמן, המבנה הפנימי של כוכבי לכת, דינמיקה וזרימה בהם. נתונים תצפיתיים של פלנטות מחוץ למערכת השמש מאורגנים ונחקרים בכלים סטטיסטיים (כלומר אסטרוסטטיסטיקה) במטרה למצוא מגמות שיכולות להצביע על תהליכים שונים במערכות פלנטריות.

מדעים פלנטריים נלמדים ונחקרים במחלקות לפיזיקה או למדעי כדור הארץ במוסדות לימוד שונים בעולם. בישראל לדוגמה, באוניברסיטת תל אביב מדעים פלנטריים הם חלק מחוג לגאופיזיקה ומדעים אטמוספיריים ופלנטריים, בפקולטה למדעים מדויקים. בנוסף קיים חקר של כוכבי לכת בטכניון בפקולטה לפיזיקה.

רקע היסטורי

חקר כוכבי לכת קשור הדוק לאסטרונומיה ולאסטרופיזיקה. תצפיותיו של גלילאו גליליי ב-1609 גילו ירחים סביב כוכב הלכת צדק (נקראים כיום הירחים הגליליאניים), ואת אי אחידות של שטח פני הירח. גלילאו שיער שגם כוכבי לכת אחרים המקיפים את השמש הם בעלי שטח פנים לא אחיד המכיל הרים ועמקים, בדומה לכדור הארץ. הירח וכוכבי לכת במערכת השמש היו בין האובייקטים הנחקרים ביותר בטלסקופים אופטיים החל מהמאה ה-17 ועד למאה ה-20. חוקי קפלר תיארו היטב את תנועתם של כוכבי לכת סביב השמש.

במאה ה-20 נוספו לתצפיות האופטיות מכדור הארץ שיטות תצפית נוספות ובהן רדיו-טלסקופים וטלסקופי חלל. גשושיות חלל נשלחו להקיף ולצלם כוכבי לכת אחרים (כדוגמת קאסיני-הויגנס שנשלחה לשבתאי וגלילאו שנשלחה לצדק), כלי רכב לא מאוישים הנושאים ציוד מדידה נחתו על כוכבי לכת ועל הירח.

בסוף שנות ה-80 של המאה ה-20 החל שלב חדש בחקר כוכבי לכת, שהוא חקר אקזופלנטות, כלומר כוכבי לכת המקיפים כוכבים אחרים. בתחילת המאה ה-21 שוגר טלסקופ החלל קפלר במטרה לגלות כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש.

במקביל למחקר התצפיתי, פותחו מודלים תאורטיים לגבי היווצרות, התפתחות ומבנה פנימי של כוכבי לכת. מנגנוני היווצרות מקובלים הם ספיחה לליבה (Core accretion) ואי יציבות בדיסקה (Disc instability). שני המודלים המתחרים מתארים היווצרות של כוכבי לכת מדיסקה קדם פלנטרית.

דיסציפלינות

אסטרונומיה פלנטרית
ניתן לחלק את הענף לשתי מחלקות מרכזיות: תצפיתית ותאורטית. התצפיות כוללות בעיקר איסוף מידע על גרמי שמיים מטלסקופים בתחומים שונים של אורכי גל (לרבות קרינה בתחום הנראה תת אדומה, וקרינת רדיו). תצפיות אלו יכולות לעזור בהבנת ההרכב והמבנה, הסיבוב ותווי השטח של כוכבי לכת וכוכבי שביט.

המחקר התאורטי מתמקד בעיקר בדינמיקה וסיבוב של כוכבי לכת ושימוש בחוקי קפלר לתיאור של תנועות של כוכבי לכת במערכת השמש ומחוצה לה.

גאולוגיה פלנטרית
גאולוגיה פלנטרית, מכונה גם גאולוגיה קוסמית מתבססת על שיטות וידע מגאולוגיה המיושמות על כוכבי לכת ארציים (כוכב חמה, נוגה ומאדים) והירח. המדע חוקר את הפעילות הסייסמית, מכתשים, הרי געש ותהליכים געשיים אחרים בכוכבי לכת אלו. בנוסף נחקרת פעילות בירחים אחרים של כוכבי לכת במערכת השמש, כדוגמת פעילות געשית על פני איו.

גאומורפולוגיה פלנטרית

בדומה לתהליכים גאומורפולוגיים הנצפים בכדור הארץ, בכוכבי לכת אחרים נחקרים ומשוחזרים תהליכים שהובילו ליצירת פני שטח נוכחיים. גאומורפולוגיה פלנטרית חוקרת מספר סוגים של תווי שטח מרכזיים:
 מבנים הנוצרים עקב לחץ, כדוגמת מכתשים ואגנים מבניים
 מבנים געשיים וטקטוניים, כדוגמת הרי געש, זרמי לבה, סדקים.
 בלייה חללית - תהליכי ארוזיה בחלל החיצון: פגיעת מטאוריטים וחשיפה לחלקיקים אנרגטיים מהשמש. לדוגמה שכבת האבק על פני הירח (רגולית) היא תוצאה של פגיעה של מטאוריטים קטנים באדמת הירח.
 מבנים הנוצרים מזרימה, הן של מים והן של תרכובות נוזליות אחרות כמו פחמימנים ואמוניה, בהתאם למרחק הגרם מהשמש.
ניתן לשחזר את ההיסטוריה הגאולוגית של הגרם באמצעות השוואה בין שכבות קרקע שונות. כל חתך של סלע מכיל שכבות מסודרות לפי סדר היווצרותן: השכבות העליונות הן הצעירות ביותר והתחתונות הן העתיקות ביותר. עיקרון זה, שהתגלה על ידי ניקולאוס סטנו במאה ה-17 בכדור הארץ, מיושם במאה ה-21 לירחים וכוכבי לכת אחרים. כך מיפוי פני הירח על ידי לונר אורביטר עזר לבנות את הטור הסטרטיגרפי שלו.

קוסמוכימיה, גאוכימיה ופטרולוגיה

אחת הבעיות המרכזיות למחקר היא היעדר דגמים הניתנים לבחינה במעבדות. עם זאת, דגמים מאדמת הירח ומאדים שהובאו לכדור הארץ על ידי משלחות של תוכנית אפולו האמריקאיות ולונוחוד הסובייטיות שופכים אור על המבנה הכימי של גופים אלו. בנוסף ברשותם של החוקרים דוגמאות של אסטרואידם שונים. מטאוריטים שפגעו בכדור הארץ נפגמו על ידי חשיפה מביוספירה, חמצון ותנאים אחרים השוררים בכדור הארץ, אך באזור אנטארקטיקה ניתן למצוא שאריות של מטאוריטים שהרכבם כמעט שלא השתנה כתוצאה משהותם בכדור הארץ.

סוגים שונים של מטאוריטים שמקורם בחגורת האסטרואידים כוללים כמעט את כל סוגי מבנה אסטרואידים המוכרים, לרבות כאלה שנוצרו משברי מעטפת וליבה של אסטרואידים אחרים. בדיקה כימית של הדגמים יחד עם תצפיות אסטרונומיות נותנות אפשרות לעקוב אחרי מוצאו המדויק של המטאוריט.

קיים מספר מועט של מטאוריטים ממאדים בכדור הארץ. מספרם המועט והיעדר מידע לגבי השכבה שבה הם נוצרו אינם מאפשרים לקבוע את הרכב הליתוספירה של מאדים. נכון לאוגוסט 2014 נמצאו בכדור הארץ 65 מטאוריטים שמקורם במאדים.

דוגמאות של קרקע שהובאו על ידי תוכנית אפולו ולונוחוד עזרו בהבנת הרכבו של הירח. זהו הגוף השני (אחרי כדור הארץ) במערכת השמש מבחינת היקף הידע על הרכבו הכימי. נמצאו בכדור הארץ מעל 50 מטאוריטים שונים שמקורם הוא בירח.

גאופיזיקה

גשושיות הנשלחות במשימות החלל מסוגלות לאתר קרינה אלקטרומגנטית בתחום רחב. ניתן לאפיין כוכב לכת על סמך שדה כבידתי ושדה מגנטי. מדעי הגאופיזיקה חוקרים שדות אלו. מדידת שינויים בתאוצה של גשושית החגה סביב פלנטה מאפשרת להסיק מידע לגבי מומנטים כבידתיים בפלנטה ואנומליות בה. אנומליות אלו יכולות לעזור בהבנת מבנה הפלנטה. מדידות דומת נעשו לירח בשנות ה-70 של המאה ה-20 וכך מופו מסקונים (mascon, אזורים עם צפיפות גבוהה מסביבתם) בימות הירח.

אם השדה המגנטי של כוכב לכת גבוה מספיק (כדוגמת השדה המגנטי של כדור הארץ), הוא יוצר מגנטוספירה סביב אותו כוכב לכת. מדידות הראו שמגנטסופירה של כדור הארץ משמעותית גם במרחק של כ-10 רדיוסי כדור הארץ ממרכז כוכב הלכת. רוח השמש היא זרם חלקיקים אנרגטיים, בעיקר חלקיקים טעונים (פרוטונים ואלקטרונים) הנפלטים מהשמש. בגלל השדה המגנטי, חלקיקים אלו מקיפים את כדור הארץ וממשיכים לחלל כזנב מגנטי. במגנטוספירה קיימים אזורים צפופים יותר בחלקיקים טעונים, המכונים חגורות ואן אלן.

גאופיזיקה כוללת סייסמולוגיה וטקטונופיזיקה, דינמיקה של נוזלים גאופיזיים, פיזיקת מינרלים, גאודינמיקה, גאופיזיקה מתמטית ומדידות גאופיזיות. שיטות מדידה ומחקר המקובלות בכדור הארץ, יכולות לעזור להבנת מבנה של אובייקטים מחוץ לכדור הארץ, לדוגמה הר געש אולימפוס מונס על פני מאדים.

גאודזיה מציגה כמותית את צורתם ומידותיהם של כוכבי לכת. הגאודזיה מספקת תיאור של כוכב לכת, מהירות תנועותיו ונתוני כוח המשיכה ותופעות גאודינמיות על גבי גוף ומחוצה לה.

מדעים אטמוספיריים

בכוכבי לכת סלעיים, האטמוספירה היא שכבת גז המפרידה בין פני השטח המוצקים של כוכב לכת לבין שכבות היינון הדלילות. לא כל כוכבי הלכת הם בעלי אטמוספירה: הקיום שלה תלוי בהרכב הכימי של כוכב הלכת, במרחקו מהשמש ובמסתו. ירחים מסוימים כמו טיטאן וטריטון הם בעלי אטמוספירה משל עצמם.

בכוכבי לכת גזיים ובענקי הקרח ההבחנה בין ליבה לבין אטמוספירה לא תמיד ברורה, וקיימים אף מודלים בהם לצדק כלל אין ליבה.

סיבוב של כוכב לכת משפיע רבות על זרמים שבו. ניתן לראות פחיסות ניכרת בכוכבי לכת גזיים, והיא פחות ניכרת באטמוספירות של כוכבי לכת ארציים. סיבוב זה אחראי בין היתר להיווצרותם של העננים, הרוחות והמערבולות. את התופעות הללו ניתן לראות בקלות בשבתאי, בצדק וגם בנוגה, בו האטמוספירה צפופה ועבה.

פלנטולוגיה השוואתית
אחת השיטות הנפוצות במדעים פלנטריים היא שיטה השוואית. שיטה זו עוזרת לקבוע את תכונות של כוכב הלכת כאשר יש מחסור במידע מדוד, על סמך השוואתו לכוכבי לכת שכן קיים מידע עליהם. לדוגמה, ניתן להשוואת בין אטמוספירת כדור הארץ לבין זאת של הירח טיטאן ולחקור את הקשר בין התפחות של כוכבי לכת חיצוניים לבין מרחקם מהשמש.

כוכב הלכת אליו בדרך כלל משווים הוא כדור הארץ, שכן הוא כוכב הלכת עליו יש הכי הרבה מידע ומדידות גאופיזיות בו הן הקלות ביותר מבחינה טכנית. ההשוואות נעשות בעיקר בתחומים של גאולוגיה פלנטרית, מדעי אטמוספירה וגאומורפולוגיה.

מחקר בישראל

מחקר בנושא כוכבי לכת קיים במחלקות באוניברסיטאות ומכוני מחקר העוסקים באסטרופיזיקה או מדעי כדור הארץ, שכן אין גבול חד בין אסטרופיזיקה למדעים פלנטריים ובין מדעי כדור הארץ למדעים פלנטריים. בישראל, קיימות מחלקות למדעים פלנטריים בפקולטה למדעים מדויקים באוניברסיטת תל אביב ובפקולטה לכימיה במכון ויצמן, שתיהן משולבות עם מדעי כדור הארץ. בנוסף קיים מחקר בנושאים הקשורים לכוכבי לכת גם באוניברסיטאות אחרות.

קישורים חיצוניים

 
אתר החוג לגאופיזיקה, אוניברסיטת תל אביב
Department of Earth and Planetary Sciences, הפקולטה לכימיה, מכון ויצמן
Center for Astrophysics and Planetary Science האוניברסיטה העברית
היווצרות והתפתחות של פלנטות, ומודליים פנימיים של פלנטות, אוניברסיטת תל אביב

הערות שוליים

מדעי הטבע