между землей и космосом что
Что находится за пределами Солнечной системы?
Космические зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2» позволили человечеству познакомиться с Солнечной системой. До запуска аппаратов в 1977 году мы практически ничего не знали о большинстве планет нашего галактического дома. Как пишет в своей книге «Голубая точка. Космическое будущее человечества» астроном и популяризатор науки Карл Саган, «эти аппараты поведали нам о чудесах других миров, об уникальности и хрупкости нашего, о рождениях и закатах. Они открыли нам отдаленные уголки Солнечной системы. Именно они исследовали тела, которые, возможно, станут родиной наших далеких потомков». Сегодня, 43 года спустя «Вояджеры» по-прежнему бороздят космические просторы и отправляют на Землю данные о том, что их окружает – таинственное, темное межзвездное пространство. Будучи первыми искусственными объектами, покинувшими нашу Солнечную систему, «Вояджеры» рискуют вторгнуться на неизведанную территорию, находящуюся в миллиардах километров от дома. Ни один другой космический корабль еще не заплывал так далеко в космический океан.
За пределами сферы влияния нашей звезды скрывается холодное, таинственное межзвездное пространство
Если считать пределом Солнечной системы расстояние, на котором наша звезда больше не может удерживать на орбитах какие-либо тела, то «Вояджеры» проведут в ней еще десятки тысяч лет.
Астроном, астрофизик, популяризатор науки Карл Саган («Голубая точка. Космическое будущее человечества»).
Что такое межзвездное пространство?
Вдали от защитных объятий Солнца край Солнечной системы кажется холодным, пустым и безжизненным местом. Неудивительно, что зияющее пространство между нами и ближайшими звездами долгое время казалось пугающе огромным пространством небытия. До недавнего времени это было место, куда человечество могло заглянуть лишь издалека.
Астрономы уделяли межзвездному пространству лишь мимолетное внимание, предпочитая вместо этого сконцентрировать внимание телескопов на светящихся массах соседних звезд, галактик и туманностей. Между тем оба «Вояджера» до сих пор отправляют на Землю данные из этой странной области, которую мы называем межзвездным пространством.
На протяжении последнего столетия ученые строили картину того, из чего состоит межзвездная среда, в основном благодаря наблюдениям с помощью радио и рентгеновских телескопов. Они обнаружили, что межзвездное пространство состоит из чрезвычайно диффузных ионизированных атомов водорода, пыли и космических лучей, перемежающихся плотными молекулярными облаками газа, которые считаются местом рождения новых звезд.
Но его точная природа непосредственно за пределами нашей Солнечной системы была в значительной степени загадкой, главным образом потому, что Солнце, все планеты и пояс Койпера содержатся в гигантском защитном пузыре, образованном солнечным ветром, известным как гелиосфера.
Когда Солнце и окружающие его планеты проносятся через галактику, этот пузырь ударяется о межзвездную среду, как невидимый щит, удерживая большинство вредных космических лучей и других материалов.
Размер и форма гелиосферного пузыря изменяются по мере прохождения через различные области межзвездной среды. На изображении показао местоположение космических аппаратов «Вояджер-1″и «Вояджер-2».
Но его спасательные свойства также затрудняют изучение того, что лежит за пределами гелиосферы. Вот почему по мнению некоторых ученых единственный способ получить представление о межзвездном пространстве – это улететь далеко от Солнца, оглянуться назад и получить изображение из-за пределов гелиосферы. Но это не простая задача – по сравнению со всей галактикой Млечный Путь наша Солнечная система выглядит меньше, чем рисовое зернышко, плавающее посреди Тихого океана. И все же, «Вояджеры» находятся далеко от внешнего края гелиосферы.
Еще больше интересных статей о том, какие тайны Солнечной системы открыли роботизированные зонды «Вояджер», читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте.
Гелиосфера и солнечный ветер
Гелиосфера, как выяснили ученые, неожиданно велика, что говорит о том, что межзвездная среда в этой части галактики менее плотна, чем считалось раньше. Солнце прорезает путь через межзвездное пространство, словно корабль, движущийся по воде, создавая «носовую волну» и протягивая за ней след, возможно, с хвостом (или хвостами) в форме, подобной форме комет. Оба Вояджера прошли через «нос» гелиосферы, и поэтому не предоставили никакой информации о хвосте.
«По оценкам «Вояджеров», гелиопауза имеет толщину около одной астрономической единицы (149 668 992 километров, что составляет среднее расстояние между Землей и Солнцем). На самом деле это не поверхность. Это регион со сложными процессами. И мы не знаем, что там происходит,» – рассказал BBC.com Джейми Рэнкин, исследователь из Принстонского университета.
Солнечным ветром исследователи называют поток ионизированных частиц, исходящих из солнечной коры (со скоростью 300—1200 км/с) в окружающее космическое пространство. Солнечный ветер – один из основных компонентов межпланетной среды.
Так, в представлении художника, выглядит солнечная буря, обрушившаяся на Марс.
И хотя всплески солнечного ветра могут предоставить ученым интересные данные о том, что происходит в межзвездном пространстве, они, по-видимому, оказывают удивительно небольшое влияние на общий размер и форму гелиосферы.
Оказывается, то, что происходит вне гелиосферы, имеет гораздо большее значение, чем то, что происходит внутри нее.
Солнечный ветер может нарастать или ослабевать с течением времени, не оказывая существенного влияния на пузырь. Но если этот пузырь переместится в область галактики с более плотным или менее плотным межзвездным ветром, то он начнет сжиматься или расти. Ну что же, надеемся, что «Вояджеры» еще долго будут отправлять на Землю данные о том, что их окружает, а мы с вами наконец подробнее узнаем о том, что именно происходит в этом таинственном межзвездном пространстве.
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Официальная» граница между атмосферой и космосом — линия Кармана (Karman line) — это 100 километров высоты. Выбрана она не из-за круглого значения. На этой высоте плотность воздуха уже столь мала, что аппарат, поддерживаемый аэродинамическими силами, должен лететь с первой космической скоростью, чтобы не упасть. А поскольку он в таком случае не упадёт и без крыльев, получается, что тут проходит «водораздел» между аэронавтикой и астронавтикой (принятый FAI), а значит — между атмосферой и космосом. Хотя воздушная оболочка планеты, понятно, на 100 км не обрывается.
Геофизики назовут с ходу ещё несколько слоёв и «границ», определяемых состоянием вещества в самых верхних «этажах» атмосферы. А, к примеру, в США, чтобы считаться состоявшимся астронавтом, нужно побывать на высоте более 80 километров (скорость при этом значения не имеет)ю
Канадцы же подошли к проблеме с другой стороны. Они решили выяснить, где проходит раздел между относительно слабыми ветрами земной атмосферы и космическими потоками заряженных частиц, несущихся со скоростями до 1000 км/ч.
После тщательного анализа всех данных, группа учёных из Канады и США в своей статье в Journal of Geophysical Research опубликовала итоги эксперимента с Supra-Thermal Ion Imager, рассказывающие о поведении «межпланетной погоды» в промежуточной зоне между атмосферой и космосом.
Для нас же в том исследовании важна одна цифра — 118 километров. Именно там проходит край космоса, если руководствоваться критерием появления космического ветра.
Один из авторов работы, Дэвид Надсен (David Knudsen) из Калгари, говорит: «Эти данные позволяют нам рассчитать энергетические потоки в земной атмосфере, что в конечном счёте может помочь нам понять взаимосвязь между космосом и окружающей средой. Это может привести к более глубокому пониманию взаимосвязи между солнечными пятнами и переменами в земном климате, а также того, как космическая погода влияет на спутники связи, навигации и энергетические системы».
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.
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:
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.
Арктика – ступень между Землёй и космосом
Арктический научный центр. Архитектор – Савинова В.А. Источник.
Космос – это суровая экстремальная среда. Холод, радиация, нехватка или полное отсутствие кислорода, неотвратимое воздействие на физиологию и психику космонавтов. Сейчас к подобным условиям можно подготовиться, например, в Центре подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина. Или отправиться в Антарктиду, где средовые условия схожи и изучаются на ряде научно-исследовательских станций. Или всё же можно не ехать так далеко?
Ведь в нашем полушарии есть зона, занимающая четверть России, где условия столь же экстремальны. Это Арктика. На Северном полюсе так же холодно, содержание кислорода понижено и психологические условия непростые. Там возможно проводить подготовку и получать впечатления о космосе, не выезжая для этого в сложных условиях на Южный полюс.
Станция «Конкордия»: космос в Антарктиде
Может возникнуть закономерный вопрос: а существует ли уже что-то подобное? Конкретный опыт целой станции, давно и успешно ведущей большое количество научных изысканий и использующей для этого особенности расположения? Да, это французско-итальянская научно-исследовательская станция «Конкордия» во внутриконтинентальной Антарктиде.
Научно-исследовательская станция Конкордия. Источник.
Подобные уникальные условия прекрасно подходят для исследований ЕКА. Каждый год они посылают врача для изучения влияния среды на научные команды, поскольку условия пребывания на «Конкордии» очень похожи на происходящее на условной космической базе. Это и низкий уровень кислорода, и длительное отсутствие солнечного света, и невозможность спасения при экстренной ситуации. По словам учёных ЕКА, «Конкордия» является идеальной земной альтернативой для изучения космических проблем и проектирования будущих миссий на другие планеты. Эта станция – своеобразная модель космической базы на Земле, аналоговая среда.
Так что же происходит с приезжающими на станцию и почему специалисты ЕКА сравнивают местные условия с космическими?
Прежде всего, члены будущей экспедиции проходят обучение и знакомятся с обязательными техниками безопасности. Такие учения проводятся за несколько месяцев до отбытия и задают тон для объединения участников экспедиции, во многом как и подготовка астронавтов к космической миссии.
Затем прибывающие на станцию сталкиваются с непривычными условиями: большая высота над уровнем моря, очень холодный и сухой воздух и новые ощущения. Всё это может ошеломить человека. Так что здесь требуется период приспособления к новой среде, как и у астронавтов.
Период антарктической зимы характеризуется в том числе полной изоляцией станции от внешнего мира. То же происходит и на российской станции «Восток» – ближайшем к «Конкордии» объекте. Период этой отрезанности, когда научной экспедиции приходится быть полностью автономной, во многом схож с космическими экспедициями. Например, один только полёт до Марса может занять более шести месяцев и также проходить в условиях изоляции и автономности.
К числу исследований, проводимых на станции, можно отнести изучение последствий пребывания в невесомости и недостатка солнечного света и кислорода.
Эксперименты различны. Это могут быть и простые игры на память, фиксируемые мониторами активности, – они проверяют командную работу. Исследуются изменения моторных навыков, памяти, режима сна и настроения, командная работа. Сооружение скалодрома и планирование праздников помогли экспедиции 2018-го года справиться со сложными условиями. Примечательно, что история «досуга в полярную ночь» берёт своё начало с самых первых зимовок на континенте, о чём свидетельствуют дневники Карстена Борхгревинка и Роберта Скотта. Но возможны и более сложные занятия, например, на симуляторах «Союз». Участники делятся на две группы, которые по очереди «пилотируют» и «стыкуют» космический корабль на протяжении всей экспедиции. Это необходимо для проверки когнитивных и двигательных навыков. В исследовании измеряются снижение моторики и времени реакции, вызванное длительной изоляцией и кислородным голоданием. Проводятся и эксперименты с искусственным интеллектом: изучение способности компьютеров анализировать разговорный язык для создания автоматических и беспристрастных оценок настроения.
Эксперименты на симуляторе «Союз». Источник.
Кроме того, научные сотрудники регулярно сдают анализы. Это важно для изучения реакции иммунной системы на изоляцию. Образцы крови, мочи и слюны сравниваются со стресс-тестами для понимания, как стресс влияет на иммунную систему. Подобные исследования проводятся и на Международной космической станции.
В чём сходство Арктики с космосом?
Можно сказать, что уже сейчас «Конкордия» – ступень между Землёй и космосом. Единственный минус – она очень далеко, в Антарктиде. Именно поэтому важно присмотреться к Арктике, российскому Заполярью, с весьма схожими экстремальными условиями. Стоит рассмотреть их подробно:
● Содержание кислорода. Относительное содержание кислорода в арктической атмосфере на 4% ниже, чем в привычном большинству умеренном климате. Такие показатели влияют на неподготовленный организм. Одним из следствий является гиподинамия. Возникает она и у космических экспедиций, равно как и общее снижение тонуса мышц в результате невесомости и иных показателей силы тяжести. И решение этих проблем как в космосе, так и в Арктике одинаково. Это дополнительные физические нагрузки в спортивных залах или просто прогулки по коридорам специально спланированной для этого станции.
● Сенсорная депривация и недостаточная стимуляция мозга. Влияние условий изоляции и постоянного пребывания в одном замкнутом месте – как на арктической научно-исследовательской станции, так и на космическом корабле или внеземной базе – не пройдут для участников экспедиции бесследно. Длительное нахождение в закрытом пространстве ведёт к сенсорной депривации, отсутствию новых впечатлений и информации – стимулов для мозга. Дополнительно этому способствует и однообразный ландшафт, а отдалённая заснеженная Арктика – одноцветная пустыня без ярких акцентов, как Луна и Марс.
● Нехватка естественного освещения в полярную ночь – обыденность для Арктики. Солнце может скрываться как на несколько дней, так и на месяцы, не говоря про периоды его краткосрочного нахождения над горизонтом. То же верно и для космических и внеземных экспедиций: на них не будет окон, так как найти достаточно прочный, ограждающий от радиации, но в то же время прозрачный материал – трудная и в настоящее время нерешаемая задача.
● Проблема с ресурсами и рационом. И Арктика, и космос – не лучшее место для свежей пищи. Причины различны: в Арктике правят бал вечная мерзлота и низкая солнечная активность, а любые пространства вне Земли очевидно непригодны для производства исключительно земной пищи. Никакой свежей зелени, а ведь она очень важна, особенно для тех, кто испытывает серьёзные нагрузки. Что же делать? Решение здесь простое: оранжереи, позволяющие вырастить зелень и овощи без грунта и даже естественного освещения.
● Схожие условия по ограниченности ресурсов и добыче их альтернативными методами. Классическая энергия есть там, где её давно добывают проверенными методами в подходящих условиях. В Арктике с энергией, особенно в отдалённых местах, маленьких поселениях и на научно-исследовательских станциях, дела обстоят плохо. Чаще всего для получения электроэнергии используют дизель, а вода, если её нет на месте, привозится с «материка». Для космоса это тоже будет верным, ведь никто не ждёт там экспедиции с готовой ТЭЦ и скважинами. Необходимо будет открывать новые альтернативные источники получения ресурсов, и в этом Арктика и космос снова схожи.
Как может выглядеть «космос на Земле»?
Итак, даже в пределах России можно найти космос на Земле. Что делать дальше? Ответ в арктической архитектуре. Что она точно может предложить, так это создание новых научно-исследовательских станций на территории российской Арктики, в том числе и для проведения космических испытаний в максимально приближенной к космосу земной среде. Будет открыта возможность проводить испытания прямо на территории России. Отличная перспектива для наследницы космических достижений СССР и члена Арктического совета!
Площадкой для этих исследований станет научный центр. Передовой центр разработки новых космических решений, включающий всё необходимое для тренировки космонавтов и наблюдения за состоянием их здоровья. Хорошим примером подобных научных сооружений являются уже существующие здания, например, Canadian High Arctic Research Station (Канада, Нунавут), Svalbard Science Centre (Норвегия, Шпицберген).
Canadian High Arctic Research Station (Канадская высокоширотная исследовательская станция). Источник.
Svalbard Science Centre (Научный центр Шпицбергена). Источник.
Отличать экстерьер такого научного центра будет ряд особенностей, характерных для арктической архитектуры. Это, например, свайный фундамент с системой опор над землёй, сложный аэродинамический объём, расположение окон под углами. Но важно учитывать и внутреннюю организацию здания. Она должна, с одной стороны, позволять проводить соответствующие исследования, но, с другой стороны, быть достаточно комфортным местом. Очень важно, чтобы такой центр не просто обеспечивал космические условия, но и контролировал их. Чтобы это было не нырком с задержкой воздуха, а комфортным исследованием, завершив которое, можно вернуться в свою уютную каюту. И в ней об Арктике будет напоминать только то, что полярник сам решит оставить, – будь то пейзаж за окном или мрак полярной ночи.
Интерьер научного центра. Архитектор Савинова В.А. Источник.
Что уже сейчас можно сказать, например, об общественной зоне, достаточно важной для такого центра? Прежде всего, это будет не одна, но много небольших зон, исключающих монотонность, зажатость и однообразие. Отличать их будут прежде всего растения. Очевидный плюс включения зеленых зон в любой арктический интерьер обусловлен двумя факторами. Первый: новизна. В однообразном, большую часть времени заснеженном серо-белом арктическом ландшафте яркие зелёные листья тропических растений неожиданны. Второй: благотворное влияние зелёного цвета на психику. Однако нужны и другие, не только зелёные цветовые акценты. Умеренное включение стимулирующих теплых цветов (красный, оранжевый, жёлтый) также будет иметь благотворное влияние. Важным аспектом таких зон станет и вариативность их использования: они могут быть как местом уединения, так и местом для общения.
Интерьер научной станции. Архитектор Савинова В.А. Личный архив автора.
Подытожить можно следующим: исследования на благо освоения космоса и постижения неизведанного проводятся не только за пределами планеты. Используя средства современной арктической архитектуры, возможно уже сейчас создать инновационный российский центр по изучению приближенной к космосу среды и её влияния на человеческий организм. Пока человечеству недоступны внеземные одиссеи, есть смысл максимально подготовиться к ним здесь, на Земле.