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
Основные сферы планеты Земля: литосфера, гидросфера, биосфера и атмосфера
Земля — 3-я планета от Солнца, расположенная между Венерой и Марсом. Она является самой плотной планетой Солнечной системы, крупнейшей из четырех планет земной группы и единственным астрономическим объектом, который, как известно, содержит жизнь. Согласно радиометрическому датированию и другим способам исследований, наша планета образовалась около 4,54 млрд лет назад. Земля гравитационно взаимодействует с другими объектами в космосе, особенно с Солнцем и Луной.
Земля состоит из четырех основных сфер или оболочек, которые зависят друг от друга и являются биологическими и физическими компонентами нашей планеты. Их научно называют биофизическими элементами, а именно гидросферой («гидро» для воды), биосферой («био» для живых существ), литосферой («лито» для суши или земной поверхности) и атмосферой («атмо» для воздуха). Эти основные сферы нашей планеты далее делятся на различные под-сферы.
Рассмотрим все четыре оболочки Земли более подробно, чтобы понять их функции и значение.
Литосфера — твердая оболочка Земли
Литосфера, иногда называемая геосферой, относится ко всем горным породам Земли. Она включает земную кору и верхнюю часть мантии. Выше, литосфера ограничена атмосферой, а ниже — астеносферой (слоем в верхней мантии Земли). Валуны горы Эверест, песок на пляжах Майами и лава, извергающаяся с горы Килауэа на Гавайях, являются примерами компонентов литосферы.
Литосфера является самой твердой сферой нашей планеты. Ее фактическая толщина может варьироваться от примерно 40 км до 280 км. Литосфера заканчивается в момент, когда минералы земной коры становятся вязкими и жидкими. Точная глубина, при которой это происходит, зависит от химического состава горной породы, а также от температуры и давления.
Существует два типа литосферы: океаническая литосфера и континентальная литосфера. Океаническая связана с океанической корой и немного плотнее континентальной литосферы. Континентальная литосфера, связанная с континентальной корой, может быть намного толще, чем океаническая, простираясь на 200 км ниже поверхности Земли.
Наиболее известной особенностью, связанной с литосферой Земли, является тектоническая активность, которая описывает взаимодействие огромных плит литосферы, называемых тектоническими плитами.
Литосфера разделена на тектонические плиты, которые соединяются между собой как зазубренная головоломка. Эти плиты не имеют постоянного расположения; они медленно двигаются. Большая часть тектонической активности происходит на границах этих плит, где они могут сталкиваться, разрываться или пододвигаться друг под друга. Движение тектонических плит стало возможным благодаря тепловой энергии от мантийной части литосферы. Тепловая энергия делает твердую литосферу более эластичной.
Тектоническая активность отвечает за некоторые из самых драматических геологических событий Земли: землетрясения, вулканы, орогенез (горообразование) и глубокие океанические впадины, которые образовались в результате тектонической активности в литосфере.
Гидросфера — водная оболочка Земли
Гидросфера — водная оболочка, включающая всю воду на нашей планете. К ней относится вода, которая находится на поверхности планеты, под землей и в воздухе. Гидросфера планеты может быть жидкостью, паром или льдом.
На Земле жидкая вода существует на поверхности в виде океанов, озер и рек. Под землей она встречается в колодцах и водоносных горизонтах, а также как грунтовые воды. Водяной пар наиболее заметен в виде облаков и тумана.
Замерзшая часть гидросферы Земли состоит из льда: ледников, ледяных вершин и айсбергов, и имеет свое название — криосфера.
Вода проходит через гидросферу благодаря циклическому перемещению. Она накапливается в облаках, затем падает на Землю в виде дождя или снега. Эта вода собирается в реках, озерах и океанах. Затем она испаряется в атмосферу, чтобы снова начать цикл. Этот процесс называется гидрологическим циклом.
По оценкам ученых, на нашей планете есть более 1386 млн. км³ воды.
В океанах содержится более 97 % запасов воды на Земле. Остальная часть приходится на пресную воду, две трети которой находится в замерзшем состоянии в полярных регионах планеты и на снежных вершинах гор. Интересно отметить, что, хотя вода покрывает большую часть поверхности планеты, она составляет всего 0,023 % общей массы Земли.
Биосфера — живая оболочка Земли
Биосфера состоит из частей Земли, где существует жизнь. Она простирается от самых глубоких корневых систем деревьев, до глубоководных океанических желобов, от пышных тропических лесов до высоких горных вершин.
Поскольку жизнь существует на суше, в воздухе и в воде, биосфера перекрывает все эти сферы. Хотя биосфера имеет высоту около 20 километров, почти вся жизнь сосредоточена примерно от 500 м ниже поверхности океана до 6 км над уровнем моря.
Биосфера существует около 3,5 миллиардов лет. Самые ранние жизненные формы биосферы, называемые прокариотами, выживали без кислорода. Древние прокариоты включали одноклеточные организмы, такие как бактерии и археи.
Биосферу иногда считают одной большой экосистемой — сложным сообществом живых и неживых компонентов, функционирующих как единое целое. Однако чаще всего биосфера описывается как совокупность множества экологических систем.
Атмосфера — воздушная оболочка Земли
Атмосфера — это совокупность газов, окружающих нашу планету, удерживаемых на месте земной гравитацией. Большая часть нашей атмосферы находится вблизи земной поверхности, где она наиболее плотная. Воздух Земли на 79 % состоит из азота и чуть менее 21 % — из кислорода, а также аргона, двуокиси углерода и других газов. Водяной пар и пыль также являются частью атмосферы Земли. Другие планеты и Луна обладают очень разными атмосферами, а некоторые вообще не имеют таковой. В космосе нет атмосферы.
Атмосфера настолько распространена, что она почти незаметна, но ее вес равен слою воды глубиной более 10 метров, которая покрывает всю нашу планету. Нижние 30 километров атмосферы содержат около 98 % всей ее массы.
Ученые утверждают, что многие из газов в нашей атмосфере были выброшены в воздух ранними вулканами. В то время вокруг Земли было мало или вообще не было свободного кислорода. Свободный кислород состоит из молекул кислорода, не связанных с другим элементом, таким как углерод (с образованием углекислого газа) или водород (с образованием воды).
Свободный кислород, возможно, был добавлен в атмосферу примитивными организмами, вероятно бактериями, во время фотосинтеза. Позднее более сложные формы растительной жизни добавили больше кислорода в атмосферу. Кислороду в сегодняшней атмосфере, вероятно, потребовалось миллионы лет чтобы накопиться.
Атмосфера действует как гигантский фильтр, поглощая большую часть ультрафиолетового излучения и позволяя проникать солнечным лучам. Ультрафиолетовое излучение вредно для живых существ, и может вызвать ожоги. Тем не менее солнечная энергия необходима для всей жизни на Земле.
Атмосфера Земли имеет слоистую структуру. От поверхности планеты к небу идут следующие слои: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Другой слой, называемый ионосферой, простирается от мезосферы до экзосферы. Вне экзосферы находится космос. Границы между атмосферными слоями четко не определены и изменяются в зависимости от широты и времени года.
Взаимосвязь оболочек Земли
Все четыре сферы могут присутствовать в одном месте. Например, кусок почвы будет содержать минералы из литосферы. Кроме того, будут присутствовать элементы гидросферы, представляющие собой влагу в почве, биосферы как насекомых и растений и даже атмосферы в виде почвенного воздуха.
Все сферы взаимосвязаны и зависят друг от друга, как единый организм. Изменения в одной сфере приведут к изменениям в другой. Поэтому все, что мы делаем на нашей планете, влияет на другие процессы в ее пределах (даже если мы не можем этого увидеть своими глазами).
Для людей, занимающихся проблемами окружающей среды, очень важно понимать взаимосвязь всех оболочек Земли.
Источник