Состав космоса безвоздушного пространства

Чем заполнен космический вакуум?

Так ли пуст космос как принято считать? Отличия светлых и темных туманностей и подсчет количества звездного вещества в чайной ложке космической пустоты

Принято считать, что космические пространства заполнены разве что вакуумом, то есть пустотой. Однако, такое утверждение не совсем верно.

Начнем хотя бы с того, что даже сами наши представления о вакууме, то есть безвоздушном пространстве, весьма относительны. Например, в электрической лампочке «нет воздуха», говорим мы, он оттуда выкачан. Сравнительно с комнатным воздухом там — вакуум. Но физик с помощью своих лучших насосов может так выкачать воздух из какой-либо стеклянной трубки, что по сравнению с ним пространство внутри электрической лампы будет просто кишеть мириадами молекул.

Так выглядит газовая диффузная туманность

Вот и космический вакуум также относителен. Газовые диффузные туманности, хотя и имеют плотность, меньшую чем одна миллиардная от миллиардной доли грамма в кубическом сантиметре, но все же никак не могут считаться “пустотой”. Но и там, где нет ни звезд ни туманностей, тоже не царит абсолютное “ничто”. Оно также заполнено газом, пускай и ничтожной плотности. Вот и выходит, что космический вакуум это никакая не пустота, а та же газовая среда, хотя и ужасно разряженная.

Впрочем, не только газовая! На спектрографе космический вакуум “светится” громадным количеством атомов различных химических элементов, но преобладают среди них ничто иное как кальций. Сперва это вызывало недоумение, но потом выяснилось, что ионизированный кальций поглощает свет главным образом в тех двух своих линиях, которые находятся в легко наблюдаемой части спектра. Атомы других элементов поглощают свет либо в очень многих линиях, как, например, железо, либо в такой области спектра (ультрафиолетовой), которая недоступна для изучения из-за ее полного поглощения в нашей атмосфере.

Поэтому-то линии других межзвездных атомов, если они есть, либо вообще не могут быть обнаружены, либо они менее заметны, потому что их общее поглощение разбивается на много разных поглощений — в каждой линии понемногу. Поэтому нет оснований считать ионизированный кальций единственным или преобладающим газом в межзвездных далях. Фигурально выражаясь, он только заявляет о своем присутствии громче других.

Можно все же попытаться найти и другие межзвездные газы, хотя бы слабые следы их. И действительно, после специальных поисков в спектрах звезд был найден межзвездный натрий, титан, калий, железо, циан и даже углеводород.

Общая плотность поглощающего межзвездного газа в несколько тысяч раз меньше плотности излучающих свет газовых туманностей. Полная же плотность межзвездного газа значительно больше и составляет не менее одной миллионной от миллиардной части одной миллиардной доли грамма в кубическом сантиметре. Если бы этот газ состоял из одного лишь водорода, то при такой плотности в 1 кубическом сантиметре содержалось бы только по одному атому, тогда как в таком же объеме комнатного воздуха их содержится 10 миллиардов миллиардов!

В действительности дело почти так и обстоит, так как водород на самом деле является главной составной частью межзвездного газа. Следующее за ним место занимает натрий, но на водород приходится 90% всей межзвездной среды, включая космическую пыль и метеориты. На долю последних приходится, как оказывается, ничтожная доля массы всей межзвездной среды, и больше всего в них весит самый легкий из газов.

И темные и светлые туманности которые мы видим с Земли, состоят из очень разряженных газов

Светлые туманности, то тут, то там видимые среди звезд и состоящие из газов, также светятся благодаря воздействию со стороны звезд, но в данном случае мы наблюдаем процесс так называемой флюоресценции – сама туманность не излучает света, а только отражает звездный, как правило исходящий от очень горячих звезд.

Подводя итог, хочу вновь задать вопрос, как и в начале: можно ли считать, что космос наполнен лишь пустотой? Нет, и мы в этом только что убедились. Однако, положа руку на сердце, мы должны признать и то, что такое утверждение не так уж далеко от действительности. Не смотря на наличие в космическом вакууме громадного числа атомов самых разных химический элементов, их количество, все-таки ничтожно мало.

В пределах доступной исследованиям части Вселенной на каждый кубический сантиметр звездного вещества приходится приблизительно 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 кубических сантиметров почти пустого пространства. А поскольку средняя плотность звезды лишь немного выше плотности воды, предыдущее утверждение можно перефразировать, сказав, что средняя плотность Вселенной порядка одного грамма на каждые 5 000 000 000 000 000 000 000 000 000 кубических сантиметров.

Это примерно в 10 триллионов раз меньше той плотности, которая считается высоким вакуумом, достигаемым при помощи обычной лабораторной техники.

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