Что называется космосом или космическим пространством

Космическое пространство

Космическое пространство — это пространство, которое существует за пределами Земли и между небесными телами. Космическое пространство не совсем пусто — это жесткий вакуум, содержащий низкую плотность частиц, преимущественно плазму водорода и гелия, а также электромагнитное излучение, магнитные поля, нейтрино, пыль и космические лучи. Базовая температура космического пространства, установленная фоновым излучением от Большого взрыва, составляет 2,7 кельвина (-270,45 °C; −454,81 °F). Плазма между галактиками составляет около половины барионной (обычной) материи Вселенной; она имеет плотность менее одного атома водорода на кубический метр и температуру в миллионы кельвинов. Местные концентрации вещества сконцентрировались в звезды и галактики. Исследования показывают, что 90 % массы в большинстве галактик находится в неизвестной форме, называемой темной материей, которая взаимодействует с другим веществом посредством гравитационных, но не электромагнитных сил. Наблюдения показывают, что большая часть массы-энергии в наблюдаемой Вселенной — это темная энергия, тип энергии вакуума, который плохо изучен. Межгалактическое пространство занимает большую часть объема Вселенной, но даже галактики и звездные системы почти полностью состоят из пустого пространства.

Космическое пространство не начинается на определенной высоте над поверхностью Земли. Линия Кармана, находящаяся на высоте 100 км (62 мили) над уровнем моря, традиционно используется как начало космического пространства в космических договорах и для ведения аэрокосмической документации. Рамки международного космического права были установлены Договором о космосе, который вступил в силу 10 октября 1967 года. Этот договор исключает любые притязания на национальный суверенитет и разрешает всем государствам свободно исследовать космическое пространство. Несмотря на разработку резолюций ООН по использованию космического пространства в мирных целях, противоспутниковое оружие было испытано на околоземной орбите.

Люди начали физическое освоение космоса в 20 веке с появлением полетов на воздушных шарах на большой высоте. За этим последовали пилотируемые полеты на ракетах, а затем и на околоземную орбиту, впервые достигнутую Юрием Гагариным из Советского Союза в 1961 году. Из-за высокой стоимости полета в космос полет человека в космос был ограничен низкой околоземной орбитой и Луной. С другой стороны, беспилотные космические корабли достигли всех известных планет Солнечной системы.

Космическое пространство представляет собой сложную среду для исследования человеком из-за опасности вакуума и радиации. Микрогравитация также оказывает негативное влияние на физиологию человека, вызывая как атрофию мышц, так и потерю костной массы. Помимо этих проблем со здоровьем и окружающей средой, очень высока экономическая стоимость вывода объектов, в том числе людей, в космос.

Содержание

[править] Формирование и состояние

Размер всей вселенной неизвестен и может быть бесконечным. Согласно теории Большого взрыва, очень ранняя Вселенная была чрезвычайно горячим и плотным состоянием около 13,8 миллиарда лет назад, которое быстро расширялось. [1] Приблизительно 380 000 лет спустя Вселенная остыла достаточно, чтобы позволить протонам и электронам объединиться и образовать водород — так называемая эпоха рекомбинации. Когда это произошло, материя и энергия разъединились, позволив фотонам свободно перемещаться через постоянно расширяющееся пространство. Материя, оставшаяся после первоначального расширения, с тех пор подверглась гравитационному коллапсу с образованием звезд, галактик и других астрономических объектов, оставив после себя глубокий вакуум, который образует то, что сейчас называется космическим пространством. Поскольку свет имеет конечную скорость, эта теория также ограничивает размер непосредственно наблюдаемой Вселенной.

Современная форма Вселенной была определена на основе измерений космического микроволнового фона с помощью таких спутников, как зонд Уилкинсона для микроволновой анизотропии. Эти наблюдения показывают, что пространственная геометрия наблюдаемой Вселенной является «плоской», а это означает, что фотоны, идущие по параллельным путям в одной точке, остаются параллельными, когда они проходят через пространство до предела наблюдаемой Вселенной, за исключением локальной гравитации. Плоская Вселенная в сочетании с измеренной плотностью массы Вселенной и ускоряющимся расширением Вселенной указывает на то, что в космосе имеется ненулевая энергия вакуума, которая называется темной энергией.

По оценкам, средняя плотность энергии современной Вселенной составляет 5,9 протонов на кубический метр, включая темную энергию, темную материю и барионную материю (обычное вещество, состоящее из атомов). На атомы приходится только 4,6 % общей плотности энергии, или плотность одного протона на четыре кубических метра. Плотность Вселенной явно неоднородна; она варьируется от относительно высокой плотности в галактиках, включая очень высокую плотность в структурах внутри галактик, таких как планеты, звезды и черные дыры, до условий в огромных пустотах, которые имеют гораздо более низкую плотность, по крайней мере, с точки зрения видимого вещества. В отличие от материи и темной материи, темная энергия, похоже, не сконцентрирована в галактиках: хотя темная энергия может составлять большую часть массы-энергии во Вселенной, влияние темной энергии на 5 порядков меньше, чем влияние гравитации материи и темной материи в пределах Млечного Пути.

[править] Регионы

Космос — это частичный вакуум: его различные области определяются различными атмосферами и «ветрами», которые доминируют в них, и простираются до точки, в которой эти ветры уступают место другим. Геопространство простирается от атмосферы Земли до внешних границ магнитного поля Земли, после чего уступает место солнечному ветру межпланетного пространства. Межпланетное пространство простирается до гелиопаузы, после чего солнечный ветер уступает место ветрам межзвездной среды. Затем межзвездное пространство продолжается до краев галактики, где исчезает в межгалактической пустоте.

[править] Геокосмическое пространство

Геокосмическое пространство — это область космического пространства около Земли, включая верхнюю атмосферу и магнитосферу. Радиационные пояса Ван Аллена лежат внутри геопространства. Внешняя граница геопространства — это магнитопауза, которая образует границу между магнитосферой Земли и солнечным ветром. Внутренняя граница — ионосфера. Изменчивые космические погодные условия в геопространстве зависят от поведения Солнца и солнечного ветра; тема геокосмического пространства неразрывно связана с гелиофизикой — изучением Солнца и его влияния на планеты Солнечной системы.

[править] Межпланетное пространство

Межпланетное пространство определяется солнечным ветром, непрерывным потоком заряженных частиц, исходящих от Солнца, который создает очень тонкую атмосферу (гелиосферу) на миллиарды километров в космос. Этот ветер имеет плотность частиц 5-10 протонов/см³ и движется со скоростью 350—400 км/с (780 000—890 000 миль в час). Межпланетное пространство простирается до гелиопаузы, где влияние галактического окружения начинает преобладать над магнитным полем и потоком частиц от Солнца. Расстояние и сила гелиопаузы варьируются в зависимости от уровня активности солнечного ветра. Гелиопауза, в свою очередь, отклоняет галактические космические лучи с низкой энергией, причем этот эффект модуляции достигает максимума во время солнечного максимума.

[править] Межзвездное пространство

Межзвездное пространство — это физическое пространство внутри галактики, за пределами влияния каждой звезды на окружающую плазму. Содержимое межзвездного пространства называется межзвездной средой. Примерно 70 % массы межзвездной среды состоит из неподеленных атомов водорода; большая часть остатка состоит из атомов гелия. Он обогащен следами более тяжелых атомов, образованных в результате звездного нуклеосинтеза. Эти атомы выбрасываются в межзвездную среду звездными ветрами или когда эволюционирующие звезды начинают сбрасывать свои внешние оболочки, например, во время образования планетарной туманности. Катаклизмический взрыв сверхновой звезды генерирует расширяющуюся ударную волну, состоящую из выброшенных материалов, которые еще больше обогащают среду. Плотность вещества в межзвездной среде может значительно варьироваться: в среднем составляет около 106 частиц на м³, но в холодных молекулярных облаках может содержаться 108—1012 частиц на м³.

[править] Межгалактическое пространство

Межгалактическое пространство — это физическое пространство между галактиками. Исследования крупномасштабного распределения галактик показывают, что Вселенная имеет структуру, напоминающую пену, с группами и скоплениями галактик, расположенными вдоль волокон, которые занимают примерно десятую часть всего пространства. Остальная часть образует огромные пустоты, которые в основном пусты от галактик. Обычно пустота охватывает расстояние (10-40) h −1 Мпк, где h — постоянная Хаббла в единицах 100 км/с Мпк −1 , или безразмерная постоянная Хаббла.

Источник

Космическое пространство

Космическое пространство (космос) — относительно пустые участки Вселенной, которые лежат вне границ атмосфер небесных тел. Вопреки распространённым представлениям, космос не является абсолютно пустым пространством — в нём существует очень низкая плотность некоторых частиц (преимущественно водорода), а также электромагнитное излучение и межзвездное вещество. Слово «космос» имеет несколько различных значений. Иногда под космосом понимают всё пространство вне Земли, включая небесные тела.

Содержание

Границы

Чёткой границы не существует, потому что атмосфера разрежается постепенно по мере удаления от земной поверхности, и до сих пор нет единого мнения, что считать фактором начала космоса. Если бы температура была постоянной, то давление бы изменялось по экспоненциальному закону от 100 кПа на уровне моря до нуля. Международная авиационная федерация в качестве рабочей границы между атмосферой и космосом установила высоту в 100 км (линия Кармана), потому что на этой высоте для создания подъёмной аэродинамической силы необходимо, чтобы летательный аппарат двигался с первой космической скоростью, из-за чего теряется смысл авиаполёта [1] [2] [3] [4] .

Астрономы из США и Канады измерили границу влияния атмосферных ветров и начала воздействия космических частиц. Она оказалась на высоте 118 километров, хотя сами NASA считают границей космоса 122 км. На такой высоте шаттлы переключались с обычного маневрирования с использованием только ракетных двигателей на аэродинамическое с «опорой» на атмосферу [2] [3] .

Солнечная система

Пространство в Солнечной системе называют межпланетным пространством, которое переходит в межзвёздное пространство в точках гелиопаузы солнцестояния. Вакуум космоса на самом деле не является абсолютным — в нём присутствуют атомы и молекулы, обнаруженные с помощью микроволновой спектроскопии, реликтовое излучение, которое осталось от Большого Взрыва, и космические лучи, в которых содержатся ионизированные атомные ядра и разные субатомные частицы. Также есть газ, плазма, пыль, небольшие метеоры и космический мусор (материалы, которые остались от деятельности человека на орбите). Отсутствие воздуха делает космическое пространство (и поверхность Луны) идеальными участками для астрономических наблюдений на всех длинах волн электромагнитного спектра. Доказательством этого являются фотографии, полученные при помощи космического телескопа Хаббл. Кроме того, бесценную информацию о планетах, астероидах и кометах Солнечной системы получают с помощью космических аппаратов.

Воздействие пребывания в открытом космосе на организм человека

Как утверждают учёные НАСА, вопреки распространённым представлениям, при попадании в открытый космос без защитного скафандра человек не замёрзнет, не взорвётся и мгновенно не потеряет сознание, его кровь не закипит. Вместо этого настанет быстрая смерть от недостатка кислорода. Кроме того, со слизистых оболочек организма (язык, глаза, лёгкие) начнёт быстро испаряться вода. Некоторые другие проблемы — декомпрессионная болезнь, солнечные ожоги незащищённых участков кожи и поражение подкожных тканей — начнут сказываться уже через 10 секунд. В какой-то момент человек потеряет сознание из-за нехватки кислорода. Смерть может наступить примерно через 1-2 минуты, хотя точно это неизвестно. Тем не менее, если не задерживать дыхание в лёгких (попытка задержки приведёт к баротравме), то 30-60 секунд пребывания в открытом космосе не вызовут каких-либо необратимых повреждений человеческого организма. [5]

В НАСА описывают случай, когда человек случайно оказался в пространстве, близком к вакууму (давление ниже 1 Па) из-за утечки воздуха из скафандра. Человек оставался в сознании приблизительно 14 секунд — примерно такое время требуется для того, чтобы обеднённая кислородом кровь попала из лёгких в мозг. Внутри скафандра не возник полный вакуум, и рекомпрессия испытательной камеры началась приблизительно через 15 секунд. Сознание вернулось к человеку, когда давление поднялось до эквивалентного высоте примерно 4,6 км. Позже попавший в вакуум человек рассказывал, что он чувствовал и слышал, как из него выходит воздух, и его последнее осознанное воспоминание состояло в том, что он чувствовал, как вода на его языке закипает.

Журнал «Aviation Week and Space Technology» 13 февраля 1995 г. опубликовал письмо, в котором рассказывалось об инциденте, произошедшем 16 августа 1960 года во время подъёма стратостата с открытой гондолой на высоту 19,5 миль для совершения рекордного прыжка с парашютом (Проект «Эксельсиор»). Правая рука пилота оказалась разгерметизирована, однако он решил продолжить подъём. Рука, как и можно было ожидать, испытывала крайне болезненные ощущения, и ею нельзя было пользоваться. Однако при возвращении пилота в более плотные слои атмосферы состояние руки вернулось в норму. [6]

Границы на пути к космосу

• Уровень моря — 101,3 кПа (1 атм.; 760 мм рт. ст;) атмосферного давления.
• 4,7 км — МФА требует дополнительного снабжения кислородом для пилотов и пассажиров.
• 5,0 км — 50% от атмосферного давления на уровне моря.
• 5,3 км — половина всей массы атмосферы лежит ниже этой высоты.
• 6 км — граница постоянного обитания человека.
• 7 км — граница приспособляемости к длительному пребыванию.
• 8,2 км — граница смерти.
• 8,848 км — высочайшая точка Земли гора Эверест — предел доступности пешком.
• 9 км — предел приспособляемости к кратковременному дыханию атмосферным воздухом.
• 12 км — дыхание воздухом эквивалентно пребыванию в космосе (одинаковое время потери сознания

10—20 с); предел кратковременного дыхания чистым кислородом; потолок дозвуковых пассажирских лайнеров.

15 км — дыхание чистым кислородом эквивалентно пребыванию в космосе.

16 км — при нахождении в высотном костюме в кабине нужно дополнительное давление. Над головой осталось 10 % атмосферы.

10—18 км — граница между тропосферой и стратосферой на разных широтах (тропопауза).

19 км — яркость тёмно-фиолетового неба в зените 5% от яркости чистого синего неба на уровне моря (74,3—75 против 1500 свечей на м² [7] ), днём могут быть видны самые яркие звёзды и планеты.

19,3 км — начало космоса для организма человека — закипание воды при температуре человеческого тела. Внутренние телесные жидкости на этой высоте ещё не кипят, поскольку тело генерирует достаточно внутреннего давления, чтобы предотвратить этот эффект, но могут начать кипеть слюна и слёзы с образованием пены, набухать глаза.

20 км — верхняя граница биосферы: предел подъёма в атмосферу спор и бактерий воздушными потоками.

20 км — интенсивность первичной космической радиации начинает преобладать над вторичной (рождённой в атмосфере).

20 км — потолок тепловых аэростатов (монгольфьеров) (19 811 м) [8] .

25 км — днём можно ориентироваться по ярким звёздам.

25—26 км — максимальная высота установившегося полёта существующих реактивных самолётов (практический потолок).

15—30 км — озоновый слой на разных широтах.

34,668 км — рекорд высоты для воздушного шара (стратостата), управляемого двумя стратонавтами.

35 км — начало космоса для воды или тройная точка воды: на этой высоте вода кипит при 0 °C, а выше не может находиться в жидком виде.

37,65 км — рекорд высоты существующих турбореактивных самолётов (динамический потолок).

38,48 км (52 000 шагов) — верхняя граница атмосферы в 11 веке: первое научное определение высоты атмосферы по продолжительности сумерек (араб. учёный Альгазен, 965—1039 гг.) [9] .

39 км — рекорд высоты стратостата, управляемого человеком (Red Bull Stratos).

45 км — теоретический предел для прямоточного воздушно-реактивного самолёта.

48 км — атмосфера не ослабляет ультрафиолетовые лучи Солнца.

50 км — граница между стратосферой и мезосферой (стратопауза).

51,82 км — рекорд высоты для газовогобеспилотного аэростата.

55 км — атмосфера не воздействует на космическую радиацию.

70 км — верхняя граница атмосферы в 1714 г. по расчёту Эдмунда Холли (Галлея) на основе данных альпинистов, законе Бойля и наблюдений за метеорами [10] .

80 км — граница между мезосферой и термосферой (мезопауза).

80,45 км (50 миль) — официальная высота границы космоса в США.

100 км — официальная международная граница между атмосферой и космосом — линия Кармана, определяющая границу между аэронавтикой и космонавтикой. Аэродинамические поверхности (крылья) начиная с этой высоты не имеют смысла, так как скорость полёта для создания подъёмной силы становится выше первой космической скорости и атмосферный летательный аппарат становится космическим спутником.

100 км — зарегистрированная граница атмосферы в 1902 г.: открытие отражающего радиоволны ионизированного слоя Кеннелли — Хевисайда 90—120 км.

118 км — переход от атмосферного ветра к потокам заряжённых частиц.

122 км (400 000 футов) — первые заметные проявления атмосферы во время возвращения на Землю с орбиты: набегающий воздух начинает разворачивать Спейс Шаттл носом по ходу движения.

120—130 км — спутник на круговой орбите с такой высотой сможет сделать не более одного оборота.

200 км — наиболее низкая возможная орбита с краткосрочной стабильностью (до нескольких дней).

320 км — зарегистрированная граница атмосферы в 1927 г.: открытие отражающего радиоволны слоя Эплтона.

350 км — наиболее низкая возможная орбита с долгосрочной стабильностью (до нескольких лет).

690 км — граница между термосферой и экзосферой.

1000—1100 км — максимальная высота полярных сияний, последнее видимое с поверхности Земли проявление атмосферы (но обычно хорошо заметные сияния происходят на высотах 90—400 км).

2000 км — атмосфера не оказывает воздействия на спутники и они могут существовать на орбите многие тысячелетия.

36 000 км — считавшийся в первой половине 20-го века теоретический предел существования атмосферы. Если бы вся атмосфера равномерно вращалась вместе с Землёй, то с этой высоты на экваторе центробежная сила вращения будет превосходить над притяжением и частички воздуха, вышедшие за эту границу, будут разлетаться в разные стороны.

930 000 км — радиус гравитационной сферы Земли и максимальная высота существования её спутников. Выше 930 000 км притяжение Солнца начинает преобладать и оно будет перетягивать поднявшиеся выше тела.

21 миллион км — на таком расстоянии практически исчезает гравитационное воздействие Земли [2][3] .

Несколько десятков миллиардов км — пределы дальнобойности солнечного ветра.

15—20 триллионов км — гравитационные границы Солнечной системы, максимальная дальность существования планет.

Условия для выхода на орбиту Земли

Для того, чтобы выйти на орбиту, тело должно достичь определённой скорости. Космические скорости для Земли:

Если же какая-либо из скоростей будет меньше указаной, то тело не сможет выйти на орбиту. Первым, кто понял, что для достижения таких скоростей при использовании любого химического топлива нужна многоступенчатая ракета на жидком топливе, был Константин Эдуардович Циолковский.

Источник