Атмосфера и климат
Сайт об атмосфере, климате и метеорологии
Новый этап в исследовании атмосферы
До последнего времени атмосфера была исследована более или менее подробно до высоты 100 километров. Наиболее полные сведения были получены для нижнего слоя атмосферы — тропосферы, в которой, как уже говорилось, происходят все те явления, которые обусловливают погоду. Однако развитие высотной авиации и стремление человечества проникнуть в межпланетное пространство потребовали более тщательного исследования верхних слоев атмосферы. Этого же требовало изучение распространения радиоволн в верхней атмосфере.
Инструментальные исследования атмосферы на больших высотах стали возможны при помощи ракет и искусственных спутников Земли. Ведущую роль в этих исследованиях занимает советская наука.
Особенно большое развитие такие исследования получили в связи с работами по программе Международного геофизического года.
В соответствии с этой программой в нашей стране запущено большое количество ракет с метеорологическими (геофизическими) приборами. Советские ученые производят исследования атмосферы при помощи ракет в Арктике, в Европейской части СССР и в Антарктике.
4 октября 1957 года Советский Союз открыл эпоху завоевания космоса, успешно запустив первый в мире искусственный спутник Земли. Через месяц, 3 ноября 1957 года, у нас был запущен второй искусственный спутник Земли. Этот спутник, весом 508,3 килограмма, имел помимо научной аппаратуры на своем борту подопытное животное — собаку «Лайка». Наконец, 15 мая 1958 года советские ученые произвели запуск третьего искусственного спутника Земли, весом в 1327 килограммов— подлинную летающую научную лабораторию.
Кроме искусственных спутников Земли, в СССР в 1959 году были успешно запущены три мощные ракеты в сторону Луны. Первая из этих ракет, стартовавшая 2 января 1959 года, вышла из сферы земного притяжения, прошла на расстоянии около 5000 километров от Луны и превратилась в первую искусственную планету солнечной системы. Помимо исследования непосредственно межпланетного пространства, эта ракета позволила получить и ряд дополнительных сведений об атмосфере Земли.
Вторая ракета, запущенная в СССР в сторону Луны 12 сентября 1959 года, достигла Луны в 0 часов 02 минуты 24 секунды 14 сентября. Последняя ее ступень имела вес 1511 килограммов (без топлива). Она несла на себе контейнер с научной и радиотехнической аппаратурой. Подлинным триумфом советской науки и техники явилась исключительная точность выведения ракеты на орбиту, необходимую для попадания в Луну!
Вся научная аппаратура и средства радиосвязи во время полета ракеты действовали безукоризненно. Работа радиосредств, установленных в контейнере с научной и измерительной аппаратурой, прекратилась только в момент встречи с Луной.
Ровно через два года после запуска первого советского искусственного спутника Земли, 4 октября 1959 года, стартовала третья советская космическая ракета, на борту которой была установлена автоматическая межпланетная станция. Эта станция совершила облет Луны и выполнила обширную программу научных наблюдений, включая фотографирование невидимой с Земли стороны Луны.
Основными вопросами исследований атмосферы при помощи ракет и спутников являются: определение температуры, давления и химического состава атмосферы на различных высотах, изучение свойств ионосферы (концентрации ионов и электронов и др.)» исследование космических лучей, изучение коротковолновой ультрафиолетовой части спектра, изучение микрометеоритов, исследование земного магнитного поля.
Полеты советских ракет и искусственных спутников Земли уже дали нам весьма ценные данные о строении атмосферы и процессах, в ней совершающихся. Пока еще не все материалы наблюдений обработаны и опубликованы. Но уже то, что опубликовано, заставляет сейчас пересмотреть многие представления о состоянии атмосферы на больших высотах.
Искусственные спутники Земли позволили достаточно точно определить величины плотности атмосферы до высоты 600—800 километров. Изучение плотности при этом шло различными путями. На третьем спутнике, например, были впервые установлены специального типа манометры, с помощью которых была измерена плотность в области высот 225—500 километров. Были использованы наблюдения за расплыванием облака паров натрия, образованного на высоте 430 километров при полете высотной ракеты. По этим наблюдениям была рассчитана плотность атмосферы на указанной высоте.
Исследованиями установлено, что плотность атмосферы на больших высотах убывает с высотой значительно медленнее, чем на более низких высотах. Кроме того, плотность на освещенной стороне Земли существенно больше, чем на затемненной, ночной, и достигает наибольшего значения в полуденное время. Оказалось также, что над полярными районами атмосфера плотнее, чем над экваториальными.
По торможению спутников в полете были получены некоторые данные о температуре верхней атмосферы. На высотах 228 и 368 километров температура изменяется в пределах 800—1500 градусов.
При полете третьего советского искусственного спутника Земли установленные на его поверхности кремниевые электрические батареи изменяли свою температуру в пределах от + 16 до +30 градусов.
С помощью специальных физических приборов — масс-спектрометров, установленных на третьем спутнике, были получены данные о химическом составе ионосферы на высотах 226—1000 километров. Эти данные свидетельствуют о том, что от высоты 226 километров до высоты по крайней мере 800 километров основным газом, ионизованные частицы которого образуют ионосферу, является атомарный кислород. Что касается атомарного азота, то оказалось, что его относительное содержание по отношению к атомарному кислороду меняется от 1 до 10 процентов в зависимости от высоты и географической широты; оно изменяется также по времени.
Важные данные были получены и в отношении концентрации заряженных частиц в ионосфере. Установлено, что на высоте 2000—3000 километров в каждом кубическом сантиметре пространства содержится по несколько сотен электронов. Значит, атмосфера Земли простирается до 2000—3000 километров, а не на 1000 километров, как это предполагалось ранее.
Измерения на ракетах и спутниках позволили обнаружить в верхних слоях атмосферы множество заряженных частиц — протонов и электронов — с самыми различными скоростями движения. Эта «лавина» протонов и электронов сильно ионизует верхние слои атмосферы, что и обусловливает их значительное нагревание.
Сталкиваясь с атомами и молекулами, быстрые электроны создают рентгеновские лучи. Это открытие поставило вопрос о серьезном препятствии на пути человека в межпланетное пространство, так как сильное рентгеновское излучение способно вызывать лучевую болезнь. В результате возникает необходимость как применения специальных мер защиты будущих астронавтов от влияния вредного излучения, так и тщательного выбора траекторий ракет с астронавтами, с таким расчетом, чтобы пребывание ракеты внутри особо опасных зон не было длительным.
Рассказанным далеко не исчерпывается все богатство данных о верхних слоях атмосферы, полученных и получаемых при помощи ракет и искусственных спутников Земли.
Источник
Расстояние от Земли до космоса
Освоение космического пространства происходит исходя из принципов международного права. Основы его заложены договором 1967 года, ратифицированным более чем 100 государствами. Парадоксально, но до сих пор ученые и правительства стран не пришли к единому мнению, сколько километров до космоса.
Что такое космос и где он начинается
Слово «космос» возникло в Древней Греции. В переводе оно означало порядок, строй, мир. Вселенная рассматривалась как противоположность хаосу и нагромождению материи. Впоследствии понятие трансформировалось. Современная наука относит к космосу пространство вне газовых оболочек небесных тел. Земной атмосферой считается область вокруг планеты, в которой воздушная среда вращается вместе с Землей как единое целое.
Чтобы определить с научной точки зрения начало космоса, нужно понять, где заканчивается атмосфера.
Для газовой оболочки Земли характерна выраженная слоистость из 5 сфер.
Первой от земной поверхности расположена тропосфера. Здесь сосредоточено около 80% массы атмосферы. Высота ее колеблется от 8-10 на полюсе до 16-18 км в тропиках.
Вторая оболочка носит название стратосфера. Она начинается от 8-16 и заканчивается до 50-55 км от поверхности Земли. В интервале 20-30 проходит озоновый слой, защищающий все живое на планете от агрессивного воздействия ультрафиолетовых лучей. За счет их поглощения озоном происходит нагревание воздуха.
Далее до высоты 80 км простирается мезосфера. С увеличением дистанции температура падает до -90° С.
От нее до уровня 500 км расположена термосфера. Газовый состав термосферы подобен приземному, но кислород переходит в атомарное состояние.
Самый верхний, наиболее разреженный атмосферный слой, — экзосфера. Она состоит из ионизированного газа (плазмы). Частицы здесь могут свободно удаляться в межпланетное пространство. Масса экзосферы меньше атмосферной в 10 млн раз. Нижняя граница начинается от 450 км над Землей, верхняя достигает нескольких тысяч километров.
Таким образом, исходя из своего научного определения космос начнется в экзосфере, где газовая среда не вращается как единое целое вместе с Землей.
Примерное определение дистанции
Единого научного мнения, на каком расстоянии от Земли начинается космос, не существует. Ученые формируют свои доказательства исходя из различных видов физических параметров.
Есть идея, что космос начинается после исчезновения гравитационного воздействия Земли — на расстоянии 21 млн км.
На высоте 18,9-19,35 км при температуре человеческого тела начинает закипать вода. То есть для организма космос начнется на линии Армстронга. После того как в 1957 году первый искусственный спутник исследовал пространство над Землей, возникло понятие «ближний космос» (от 20 до 100 км).
В 50-х годах XX века исследователь Теодор фон Карман установил, что в 100 км от Земли полет для создания подъемной силы достигает момента первой космической скорости (7,9 м/с). Летательному аппарату не нужны крылья, и он превращается в спутник Земли.
Американские и канадские ученые, измерив границу влияния ветров атмосферы и начало воздействия космических частиц на высоте 118 км, предложили определять космическое пространство с данного значения.
Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства Правительства США отмечало расстояние 122 км, на котором шаттлы переключались с маневрирования двигателями на аэродинамику. А военно-воздушные силы своим пределом узаконили отметку 80,45 км.
В 1979 году СССР предложил считать границей космоса величину выше 100-110 км.
Официальное расстояние от поверхности земли до космоса
Страны не пришли к единому мнению, где заканчивается воздушное пространство. Это связано с проблемой установления высотного предела государственного суверенитета.
ФАИ (Международная авиационная федерация) регистрирует полет как космический, начиная от линии Кармана (100 км). В таком интервале от планеты аппарат может совершить полный орбитальный виток вокруг Земли, после чего начинаются его вход в плотные слои атмосферы, торможение и падение.
Международное космическое право базируется на следующих принципах:
- В космосе не существует границ государств.
- Исследования космического пространства проводятся в целях всего человечества согласно международному праву, включая устав ООН.
- В космосе запрещено размещать оружие массового уничтожения.
- Искусственные космические объекты находятся под юрисдикцией государства, запустившего их.
- Страны учитывают интересы друг друга, организуют консультации.
- Космонавты — посланцы человечества.
Данные нормы иногда вступают в противоречие с интересами мировых держав, так как вопрос о государственном суверенитете воздушного пространства тесно связан с лимитированием безвоздушных пространств.
На какой высоте летает МКС
Расстояние до Международной космической станции от Земли меняется от 330 до 417 км. В этом интервале сочетаются оптимальные показатели для проведения экспериментов в условиях невесомости и экономически обоснованная дальность доставки космонавтов и грузов.
Причины изменения расстояний
Причина периодической смены расстояний до МКС кроется в силе трения. Частицы атмосферы воздействуют на корпус станции, происходят медленное торможение и потеря высоты. За счет двигателей приходящих кораблей орбиту увеличивают.
Ранее расстояние от Земли до орбиты МКС варьировалось от 330 до 350 км. Выше ее не могли поднять по причине неспособности американских шаттлов улететь дальше этого расстояния от Земли.
После отмены программы «челноков» станцию удалось отдалить от Земли на 417 км в 2014 году. Сегодня МКС находится на уровне 406 км.
Локальная смена дистанции связана с космическим мусором. Чтобы избежать столкновений, ведется наблюдение в режиме онлайн за передвижением отработанных элементов летательных аппаратов. Если появляется угроза удара, экипаж станции выполняет маневр уклонения. Двигатели дают импульс, который выводит МКС на более высокую орбиту.
Источник
Где начало космоса?
Нам часто кажется, что космос очень далеко – великая и недосягаемая Вселенная большинством из нас созерцается лишь с поверхности Земли, но так ли на самом деле космос далеко?
Давайте начнём разбираться с того, что вообще такое – космос ? Современная наука относит к космосу пространство вне газовых оболочек небесных тел. Земной атмосферой считается область вокруг планеты, в которой воздушная среда вращается вместе с Землей как единое целое.
Чтобы определить с научной точки зрения начало космоса, нужно понять, где заканчивается атмосфера.
Провести строгую границу между атмосферой Земли и космосом не получится. Почему? Во-первых, чем больше будет высота, тем меньше будет плотность атмосферы. Во-вторых, космос не бывает абсолютно пустым. Даже за пределами галактик хоть один атом на один кубический метр, но всё – таки найдётся. Поэтому можно сказать, что атмосфера плавно перетекает в космос, стало быть, граница между нашей планетой и космосом будет условной.
Для газовой оболочки Земли характерна выраженная слоистость из 5 сфер, границы которых тоже весьма размыты.
Первой от земной поверхности расположена тропосфера. Здесь сосредоточено около 80% массы атмосферы. Высота ее колеблется от 8-10 км на полюсе до 16-18 км в тропиках. Это как раз тот слой, где «творится» погода – облака, дожди, грозы, словом, всё, что вам известно.
На вершине тропосферы находится тонкий слой, называемый тропопаузой , который является всего лишь «прослойкой» между тропосферой и стратосферой.
Вторая оболочка — стратосфера . Она начинается от 8-16 км и заканчивается до 50-55 км от поверхности Земли. В интервале 20-30 км проходит озоновый слой, защищающий все живое на планете от агрессивного воздействия ультрафиолетовых лучей. За счет их поглощения озоном происходит нагревание воздуха. Здесь летают большинство коммерческих авиалайнеров и путешествуют воздушные шары. Воздух в стратосфере не течет вверх и вниз, а движется параллельно поверхности в очень быстрых воздушных потоках. Поскольку стратосфера имеет более теплые температуры внизу и более прохладные наверху, конвекция (вертикальные перемещения воздушных масс) встречается редко в этой части атмосферы. Фактически, вы можете рассматривать из стратосферы кружащиеся под вами в тропосфере облака и даже бушующие бури.
После стратосферы идёт ещё одна «прослойка» — стратопауза .
От 50-55 км до 80 км простирается мезосфера . Верхняя область мезосферы является самым холодным естественным местом на Земле, где температура может опускаться ниже -143° C.
С 80 км до 500 км расположена термосфера . Газовый состав термосферы подобен приземному, но кислород переходит в атомарное состояние.
На высоте около 500 — 10 000 км над земной поверхностью находится экзосфера — внешний край атмосферы, граничащий с космосом. Здесь метеорологические спутники вращаются вокруг Земли. Это самый верхний, наиболее разреженный атмосферный слой. Он состоит из ионизированного газа (плазмы). Частицы здесь могут свободно удаляться в межпланетное пространство. Масса экзосферы меньше атмосферной в 10 млн раз. Нижняя граница начинается от 500 км над Землей, верхняя достигает нескольких тысяч километров.
По сути, космос начнется в экзосфере, где газовая среда не вращается как единое целое вместе с Землей.
Ниже границы с космосом совершаются аэродинамические полёты, выше этой границы – только космические полёты. Чем выше мы будем подниматься, тем большая скорость будет необходима для поддержания полёта. Так, на высоте около 100 км для орбитального полёта нужна будет первая космическая скорость – 7,9 км/с. Принято считать, что именно на высоте 100 км от Земли и начинается космос (хотя атмосфера ещё не закончилась!). Здесь же пролегает линия Кармана, названная в честь американского инженера Теодора фон Кармана. В XX веке он первым установил, что на этой высоте атмосфера становится настолько разреженной, что для продолжения движения вверх аппарат должен двигаться с первой космической скоростью. Позже астрономы провели более точные расчеты и вычислили, что атмосферные ветра полностью отсутствуют на высоте в 118 км, и там же появляются космические частицы. Так что до космоса всего 1 час езды на машине (если, конечно, ваша машина может ездить вертикально).
На самом деле, после линии Кармана достаточно большое сопротивление воздуха. Относительно стабильной является высота в 400 км – именно на ней и находится МКС. Выше МКС уже не поднимешь: там начинаются опасные радиационные пояса – место, где элементарные космические частицы, захваченные магнитным полем Земли, вынуждены годами скитаться вдоль магнитных линий. Пребывание в радиационных поясах несёт необратимые разрушительные последствия для организма – онкологические заболевания, мутации и прочие неприятности.
Можно ли считать, что мы освоили космическое пространство? Конечно же, нет. Да, хоть человеку и удалось вырваться за пределы ощутимой атмосферы и даже один раз слетать на Луну, всё равно этого пока ещё совсем недостаточно для того, чтобы гордо именовать себя «покорителями космоса». Настоящий космос, я думаю, начинается вовсе не в 100 км над головой, а там, где мы не будем чувствовать влияния магнитных полей Земли, её гравитации, а гравитационное поле нашей планеты перестанет ощущаться лишь на дистанции от неё в 1,5 млн км! Там людей ещё не было (расстояние от Земли до Луны = 380 000 км), но у человечества ещё всё впереди!
Источник