Какая температура в космосе?
Всем нам с самого детства известно, что в африканских странах обычно царит жаркая погода, а в Антарктиде — всегда холодно. Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, насколько тепло или холодно в открытом космосе? Температура является результатом движения молекул, из которых состоят все материальные объекты — чем быстрее движутся эти крошечные частицы, тем объект горячее. Так как в космосе нет никаких частиц и он считается вакуумным пространством, понятие «температура» к нему совершенно не применимо. Однако, чтобы ответ на интересующий многих людей все-таки существовал, ученые уверяют, что температура космоса — это «абсолютный ноль». Но значит ли это, что космические корабли не нагреваются в космосе до высоких температур и там всегда относительно хорошая погода? Что-то не верится, поэтому давайте разбираться.
В открытом космосе не помогут ни шорты, ни шуба — нужен специальный костюм
Вакуум — это пространство, в котором нет никаких веществ, даже воздуха. С переводе с латинского, слово «vacuus» переводится как как «пустой».
Погода в космосе
Если говорить коротко, то «абсолютный ноль» — это самая низкая температура, которая возможна во Вселенной, холоднее уже некуда. В Цельсиях этот показатель равен -273,15 градусам. При такой температуре атомы, которые являются мельчайшими частицами всех химических элементов, полностью перестают двигаться. В открытом космосе молекулы есть, но их очень мало, так что они практически не взаимодействуют друг с другом. Движения нет, а это явный признак «абсолютного нуля», подробнее о котором написано в этом материале.
Интересный факт: самая холодная температура воздуха на нашей планете была зафиксирована в 1983 году, на территории Антарктиды. Тогда столбики термометров опустились до -89,15 градусов Цельсия
Экстремальные условия космоса
Итак, по словам ученых, в открытом космосе температура равна -273,15 градусам Цельсия. Но это совершенно не значит, что все попадающие в космос объекты мгновенно обретают ту же температуру. Как и на поверхности нашей планеты, космические корабли, спутники и другие объекты могут нагреваться и охлаждаться, причем до экстремальных уровней. Но передача тепла в космосе возможна только одним способом.
Вообще, существует три способа передачи тепла:
- проводимость, которую можно наблюдать при нагревании металлического стержня — если нагреть один конец, со временем горячей станет и противоположная часть;
- конвекция, которую можно наблюдать, когда теплый воздух перемещается из одной комнаты в другую;
- излучение, когда испускаемые космическими объектами элементарные частицы вроде фотонов (частиц света), электронов и протонов объединяются, образуя движущиеся частицы.
Как вы уже догадались, в космосе объекты нагреваются под воздействием активности элементарных частиц — ведь мы уже выяснили, что температура является результатом движений молекул? Фотоны и другие элементарные частицы могут излучаться Солнцем и другими космическими объектами.
Насколько сильно и быстро будут нагреваться или охлаждаться попавшие в космос объекты, напрямую зависит от их местоположения относительно звезд и планет, размеров, формы и так далее. Например, летящий в космосе космический корабль будет буквально раскален со стороны Солнца, а его теневая сторона будет очень холодной. Чем дальше корабль находится от небесного светила — тем сильнее будет разница в степени нагрева.
При строительстве космических кораблей важно учитывать экстремальные изменения температур
Международная космическая станция постоянно находится под воздействием солнечного света. Сторона, которая обращена к Солнцу, нагревается до 260 градусов Цельсия. Теневая сторона, в свою очередь, охлаждена до 100 градусов Цельсия. Экипажу космической станции иногда приходится выходить на поверхность конструкции и подвергаться резким сменам температур. Поэтому их костюмы оснащены системой нагрева и охлаждения, благодаря которой исследователи космоса чувствуют себя относительно комфортно.
О том, какие бывают скафандры, недавно писал мой коллега Артем Сутягин. Оказывается, они бывают не только космическими.
Чем дальше от Солнца расположены космические объекты, тем они холоднее. Например, температура на Плутоне, которая расположена очень далеко, равняется -240 градусам Цельсия. А самое холодное место во Вселенной расположено в туманности Бумеранг — температурный режим в этом регионе равен -272 градусам Цельсия.
Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Там вы найдете материалы, которые не были опубликованы на сайте!
В общем если вы когда-нибудь фантастическим образом окажетесь в открытом космосе, вам понадобится костюм, внутри которого температура будет регулироваться автоматически. Но резкие изменения температуры — не единственная проблема, которая будет вас поджидать. В космическом пространстве человеческое тело терпит много изменений, о которых можно почитать в этом материале.
О космическом тепле и холоде
В жаркие летние дни самое время поговорить о жаре и холоде космоса. Благодаря научно-фантастическим фильмам, научно- и не очень научно-популярным передачам, у многих закрепилось убеждение, что космос — это невообразимо холодное место, в котором самое главное — найти как согреться. Но на самом деле все гораздо сложнее.
Фото космонавта Павла Виноградова
Чтобы разобраться тепло или холодно в космосе, надо сначала вернуться к азам физики. Итак, что такое тепло? Понятие температуры применимо к телам, чьи молекулы находятся в постоянном движении. При получении дополнительной энергии, молекулы начинают двигаться активнее, а при потере энергии — медленнее.
Из этого факта следует три вывода:
1) у вакуума температуры нет;
2) в вакууме есть только один способ теплопередачи – излучение;
3) объект в космосе, фактически группу движущихся молекул, можно охладить, если обеспечить контакт с группой медленно движущихся молекул или нагреть, обеспечив контакт с быстро движущейся группой.
Первый принцип используется в термосе, где вакуумные стенки удерживают температуру горячего чая и кофе. Точно так же перевозят сжиженный природный газ в танкерах. Второй принцип определяет так называемые условия внешнего теплообмена, то есть взаимодействие Солнца (и/или других источников излучения) и космического аппарата. Третий принцип используется при проектировании внутренней конструкции космических аппаратов.
Когда говорят о температуре космоса, то могут подразумевать две разные температуры: температуру рассеянного в пространстве газа или температуру тела, находящегося в космосе. Как все знают, в космосе вакуум, но это не совсем так. Почти все пространство там, по крайней мере внутри галактик, наполнено газом, просто он настолько сильно разрежен, что не оказывает почти никакого теплового воздействия на помещенное в него тело.
В разреженном космическом газе молекулы встречаются крайне редко, и воздействие их на макро тела, такие как спутники или космонавты, незначительно. Такой газ может быть разогрет до экстремальных температур, но из-за редкости молекул, космические путешественники его не почувствуют. Т.е. для большинства обычных космических аппаратов и кораблей совсем не важно какая температура у межпланетной и межзвездной среды: хоть 3 Кельвина, хоть 10000 градусов Цельсия.
Важно другое: что из себя представляет наше космическое тело, какой оно температуры, и какие источники излучения есть поблизости.
Главный источник теплового излучения в нашей Солнечной системе — это Солнце. И Земля довольно близко к нему, поэтому, на околоземных орбитах очень важно настроить «взаимоотношения» космического аппарата и Солнца.
Чаще всего рукотворные объекты в космосе стараются укутать в многослойное одеяло, не дающее теплу спутника уходить в космос и не позволяющее лучам Солнца поджаривать нежные внутренности аппарата. Многослойное одеяло называется ЭВТИ — экранно-вакуумная теплоизоляция, «золотая фольга», которая на самом деле не золотая и не фольга, а покрытая специальным сплавом полимерная пленка, похожая на ту, в которую заворачивают цветы.
Впрочем, в некоторых случаях и у некоторых производителей, ЭВТИ не похожа на фольгу, но выполняет ту же изолирующую функцию.
Иногда некоторые поверхности спутника специально оставляют открытыми для того, чтобы они или поглощали солнечное излучение, или отводили в космос тепло изнутри. Обычно в первом случае поверхности покрывают черной эмалью, сильно поглощающей излучение Солнца, а во втором – белой эмалью, хорошо отражающей лучи.
Бывают случаи, когда на борту космического аппарата приборы должны работать при очень низкой температуре. Например, обсерватории «Миллиметрон» и JWST будут наблюдать тепловое излучение Вселенной и для этого и зеркалам их бортовых телескопов, и приёмникам излучения нужно быть очень холодными. На JWST главное зеркало планируется охлаждать до — 173 градусов Цельсия, а на «Миллиметроне» — ещё ниже, до — 269 градусов Цельсия. Для того, чтобы Солнце не нагревало космические обсерватории, они укрываются так называемым радиационным экраном: своеобразным многослойным солнечным зонтиком, похожим на ЭВТИ.
Кстати, как раз для таких «холодных» спутников важным становится небольшой нагрев от разреженного космического газа и даже от заполняющих всю Вселенную фотонов реликтового излучения. Отчасти поэтому, что «Миллиметрон», что JWST отправляют подальше от теплой Земли в точку Лагранжа, за 1,5 млн км. Кроме солнечных зонтиков на этих научных спутниках будет сложная система с радиаторами и многоступенчатыми холодильниками.
На других, менее сложных аппаратах сброс тепла в космосе тоже осуществляется через излучение с радиаторов. Обычно их как раз и покрывают белой эмалью и стараются разместить либо параллельно солнечному свету, либо в тени. На метеоспутнике «Электро-Л» требовалось охладить матрицу инфракрасного сканера до -60 градусов Цельсия. Это было достигнуто при помощи радиатора, который постоянно держали в тени, а каждые полгода спутник разворачивали на 180 градусов, чтобы наклон земной оси не приводил к попаданию радиатора под солнечные лучи. В дни равноденствий спутник приходилось держать немного под углом, отчего на снимках появлялись артефакты у полюсов Земли.
Перегрев является одним из препятствий в создании космического аппарата с мощным ядерным источником энергии. Электричество на борту получается из теплоты с КПД гораздо меньше 100%, поэтому излишек тепла приходится сбрасывать в космос. Традиционные, используемые сейчас радиаторы были бы слишком большими и тяжелыми, поэтому сейчас в нашей стране проводятся работы по созданию капельных холодильников-излучателей, в которых теплоноситель в виде капелек пролетает через открытый космос и отдает ему тепло изучением.
Главный источник излучения в Солнечной системе – это Солнце, но планеты, их спутники, кометы и астероиды, вносят свой весомый вклад в тепловое состояние космического аппарата, который пролетает около них. Все эти небесные тела обладают своей температурой и являются источниками теплового излучения, которое, к тому же, взаимодействует со внешними поверхностями аппарата иначе, чем более «горячее» излучение Солнца. А ведь планеты еще и отражают солнечное излучение, причем планеты с плотной атмосферой отражают диффузно, безатмосферные небесные тела – по особому закону, а планеты с разреженной атмосферой типа Марса – ещё совершенно иначе.
При создании космических аппаратов требуется учитывать не только «взаимоотношения» аппарата и космоса, но и всех приборов и устройств внутри, а также и ориентацию спутников относительно источников излучения. Для того чтобы одни не нагревали других, а третьи не замерзали, и чтобы поддерживалась рабочая температура на борту, разрабатывается отдельная служебная система. Она называется «Система обеспечения теплового режима» или СОТР. В нее могут входить нагреватели и холодильники, радиаторы и тепловоды, датчики температуры и даже специальные компьютеры. Могут использоваться активные системы или пассивные, когда роль обогревателей выполняют работающие приборы, а радиатора — корпус аппарата. Именно такая простая и надежная система создана для частного российского спутника «Даурии Аэроспейс».
Более сложные активные системы задействуют циркулирующий теплоноситель или тепловые трубы, подобные тем, что часто используются для отвода тепла от центрального процессора к радиатору в компьютерах и ноутбуках.
Соблюдение теплового режима, зачастую, оказывается решающим фактором работоспособности аппарата. Например, чуткий к перепадам температуры «Луноход-2» погиб из-за какой-то смехотворной горсти черного реголита на своей крыше. Солнечное излучение, которое уже не отражалось теплоизоляцией, привело к перегреву оборудования и выходу из строя «лунного трактора».
В создании космических аппаратов и кораблей, соблюдением теплового режима занимаются отдельные инженерные специалисты по СОТР. Один из них — Александр Шаенко из «Даурии Аэроспейс», занимался спутником DX1, и он помог в создании данного материала. Сейчас Александр занялся чтением лекций о космонавтике и созданием собственного спутника, который послужит популяризации космоса, став самым ярким объектом в небе после Солнца и Луны.
Поэтому нам в «Даурии» нужен новый специалист по СОТР. Если у вас есть такой знакомый, пусть напишет в наш сколковский офис.
masterok
Просматривая художественные фантастические фильмы про космос не редко можно обратить внимание, что показывая открытый космос в кадре все в инее, кристалликах льда, а люди превращаются почти мгновенно в замороженные фигуры.
Так можно ли замерзнуть в космосе?
Многие всерьёз убеждены, что в космосе очень холодно. В кино сценаристы и режиссёры регулярно превращают в глыбы льда несчастных астронавтов. Но давайте посмотрим на обычный настоящий космический скафандр. Если думаете, что внутри внушительного ранца за спиной космонавта находится мощная система обогрева, то ошибаетесь!
Системой обогрева скафандры не оборудованы вообще, а вот система охлаждения там действительно внушительная. Зачем же оборудовать системой охлаждения костюм для работы в «ледяном холоде космического пространства»?
А ответ прост: вокруг космонавта – пустота, вакуум. Тот самый вакуум, который используется в обыкновенных термосах и который является лучшим в мире теплоизолятором, идеальной «шубой». Теплу, которое выделяется внутри скафандра человеком и работающими системами, а также теплу, поступающему извне (от Солнца), попросту некуда «убегать» – и, если бы не система охлаждения, космонавт буквально сварился бы внутри скафандра за 5-10 минут.
«Минуточку, – скажете вы. – А как же «температура открытого космоса -273 С», «абсолютный ноль» и все такое?»
Дело в том, что температура вещества – это скорость движения молекул. А там, где молекул по сути нет (то есть в вакууме), вообще не очень корректно говорить о температуре. Вот если мы измерим температуру на поверхности какого-нибудь астероида в тени, там нам будет и минус 150, и минус 270 (если забраться подальше от Солнца).
Почему космос холодный
Почему в космосе так холодно, в то время как на Солнце невероятно горячо? Казалось бы, это элементарный вопрос из школьной программы, но, если задуматься, оказывается все далеко не так просто. Ученые дали исчерпывающий ответ на космическую загадку.
Солнце – это ближайшая к нам звезда, которая относится к типу G2V, являющаяся желтым карликом. Несмотря на относительно небольшие размеры по сравнению со многими космическими гигантами, Солнце очень горячо – температура его поверхности составляет 5500 градусов по Цельсию, а ядра – 15,7 миллионов по Кельвину. Между тем, если отдалиться от Солнца достаточно далеко, к примеру до орбиты Нептуна, то температура падает до -270°C. Это буквально на три градуса выше абсолютного нуля. Как такое может быть?
Тепло в космосе распространяется в виде излучения инфракрасной волны энергии, которая мигрирует от более горячих объектов к более холодным. Волны излучения возбуждают молекулы, заставляя их нагреваться – именно так тепло распространяется от Солнца к Земле. Но суть в том, что излучение нагревает только молекулы вещества, которое находится непосредственно на его пути. Все остальное остается холодным. Возьмите Меркурий: согласно NASA, разницы температур планеты составляет более 500 градусов по Цельсию – дневная сторона прогревается до 427°C, тогда как ночная опускается до -193°C.
На Земле ночная температура все еще остается относительно теплой даже при смене сезонов. Это происходит потому, что тепло распространяется по нашей голубой планете через плотную газовую атмосферу тремя способами: проводимостью, конвекцией и излучением. Когда солнечные лучи нагревают молекулы в нашей атмосфере, они передают эту дополнительную энергию соседним молекулам. Этот перенос тепла от молекулы к молекуле называется проводимостью, и это цепная реакция, которая нагревает области за пределами солнечного света на темной стороне.
Космическое пространство является вакуумом. Космический вакуум, конечно, не является совершенным, ведь даже в межзвездном пространстве существует по 5-10 атомов водорода на кубический сантиметр. Тем не менее, молекулы газа в глубоком космосе слишком разреженные и находятся далеко друг от друга, чтобы регулярно сталкиваться и передавать энергию. Таким образом, даже когда Солнце нагревает их инфракрасным излучением, передача тепла посредством проводимости невозможна. Точно так же конвекция – форма теплопередачи, которая происходит в присутствии силы тяжести – она важна для рассеивания тепла по всей Земле, но не происходит в невесомом пространстве.
Защита от горячего Солнца и вселенского холода
Инженер-термист Элизабет Абель проекта DART от NASA, разрабатывает системы терморегуляции для космических аппаратов, созданных для длительных путешествий в космосе. Одним из ее проектов был солнечный зонд Parker, собирающий данные через внешний слой атмосферы звезды, называемый короной. В апреле 2019 года зонд прошел максимально близко к поверхности Солнца – на расстоянии в 15 миллионов километров. Теплозащитный экран, размещенный с одной стороне зонда, позволил реализовать рискованный маневр.
"Тепловой экран был спроектирован так, чтобы никакое солнечное излучение не расплавило космический корабль. В то время, как защита прогревается до 250°C, сам аппарат остается холодным с температурой корпуса -238°C", – объясняет Элизабет Абель.
Огромная разница температур между холодным космосом и кипящим Солнцем создает серьезные проблемы. Отдельным частям космического корабля необходима комфортная температура, чтобы он оставался достаточно холодным для избегания короткого замыкания, в то время как другим нужны нагревательные элементы, чтобы они оставались достаточно теплыми для функционирования.
14.2K постов 44.3K подписчика
Правила сообщества
Какие тут могут быть правила, кроме правил установленных самим пикабу 🙂
На самом деле вакуум не холодный. И не горячий. Он никакой. Отдельные атомы водорода нагреты до очень высокой температуры, но они ни на что не влияют. Именно поэтому так остро стоит вопрос охлаждения космических станций. Вакуум не проводит тепло, поэтому то тепло, что вырабатывается в ходе повседневной деятельности, очень сложно отвести.
Температура поверхности взята по цельсию, а ядра по фаренгейту. Разница в 273 градуса тут конечно очень важна. Граждане, когда вы перестанете бездумно копипастить?
Температура это средняя энергия колебания частиц в среде. В космосе частиц нет (почти), поэтому понятие температуры к нему не применяется. Статья, мягко говоря, не ок. Как бонус: если вы окажетесь в открытом космосе в скафандре, то не замёрзнете, а сваритесь. Если без, то просто задохнетесь (возможно вскипит кровь)
Физику 8 класса вы, очевидно, пропустили. Самое начало учебника, где про теплопередачу: параграф на теплопроводность, параграф на конвекцию и параграф на излучение.
Солнце, 8 марта 2023 года
Хромосфера (длина волны 656.28 нм, видимый диапазон):
Оборудование:
-хромосферный телескоп Coronado PST H-alpha 40 mm
-монтировка Sky-Watcher AZ-GTi
-светофильтр Deepsky IR-cut
-астрономическая камера QHY5III178m.
Фотосфера (длина волны 540 нм, видимый диапазон):
Оборудование:
-телескоп Levenhuk Ra R66 ED Doublet Black
-монтировка Sky-Watcher AZ-GTi
-клин Гершеля Lacerta
-светофильтр Baader Solar Continuum
-светофильтр ND3
-астрономическая камера QHY5III178m.
Фотосфера (длина волны 393.3 нм, ближний ультрафиолет):
Оборудование:
-телескоп Levenhuk Ra R66 ED Doublet Black
-монтировка Sky-Watcher AZ-GTi
-клин Гершеля Lacerta
-светофильтр Antlia CaK 3nm
-светофильтр ND96-09
-астрономическая камера QHY5III178m.
Место съемки: Анапа, двор.
На Энцеладе нашли все химические ингредиенты жизни
В океане спутника Сатурна обнаружили фосфор, ключевой компонент молекул ДНК и РНК. Теперь известно, что на Энцеладе имеются все базовые элементы, входящие в состав биомолекул, – все необходимое для появления жизни.
Энцелад – один из больших спутников Сатурна. Его поверхность покрывает толстый слой льда, из разломов которого время от времени выбиваются гейзеры, которые указывают, что там, на глубине, имеется достаточно обширный океан жидкой воды. Это делает Энцелад одним из самых перспективных мест для поиска внеземной жизни. На такую возможность указывает и анализ его воды. В ней обнаруживаются и метан, и более сложные органические молекулы.
tg
Вид на другие планеты из-за горизонта Луны
Трудно поверить, но эти фотографии сделаны с Земли астрономами-любителями. Удивительно, что можно увидеть мельчайшие детали Марса и край Луны в таком же хорошем виде.
Венера: от тропического рая к преисподней
О самой яркой и красивой утренней и вечерней звезде на земном небосводе знали с глубокой древности. Правда, многие народы тогда – в частности, римляне, египтяне, греки – считали, что это две разных планеты, утром появляется одна, а вечером – другая, и называли их разными именами. Другие же, даже более ранние цивилизации – древние шумеры, майя – знали, что это одна и та же планета.
Долгое время Венера считалась планетой, очень похожей на Землю. Еще Ломоносов в 1761 году, наблюдая прохождение Венеры между Солнцем и Землей, в момент схождения планеты с солнечного диска заметил вокруг неё светящийся ободок, и записал вывод, что «планета Венера окружена знатною воздушною атмосферою, таковой (лишь бы не большею), каковая обливается около нашего шара земного. »
Не имея возможности разглядеть поверхность нашей ближайшей соседки в телескопы из-за плотного слоя облаков, ученые считали, что атмосфера Венеры, подобно земной, состоит из азота и кислорода, а её климат, учитывая близость к Солнцу, представляет собой аналог мезозойской эры Земли – жаркий и влажный. Океаны, тропические леса, гигантские ящеры, а, возможно, и более развитые животные – всё это представлялось совершенно реальным вплоть до середины XX века.
В 1961 году в СССР был снят фильм «Планета бурь» по одноименной повести Александра Казанцева, где космонавты, отправившиеся на Венеру, нашли её именно такой: много воды, богатая растительность и звери, похожие на динозавров.
Только когда появились радиотелескопы, представления о Венере стали меняться. Было установлено, что Венера вращается гораздо медленнее Земли: венерианские сутки длятся больше года.Также выяснилось, что планета вращается по часовой стрелке, т.е. в обратном направлении, с востока на запад. Если бы она вращалась так же, как Земля, то почти всегда была бы повернута к Солнцу одной и той же стороной, а благодаря своему обратному вращению Венера подставляет Солнцу то один, то другой бок, меняя их через каждые 117 земных суток.
Но главное: были сделаны измерения температуры планеты и получена ошеломляющая цифра: 326 градусов по Цельсию (микроволновые наблюдения Майера). Правда, результаты исследований противоречили друг другу: наблюдения, сделанные А. Д. Кузьминым, показали гораздо более низкие температуры.
Выяснить точно, что из себя представляет наша соседка, можно было только одним способом: отправить на Венеру зонд, который сумел бы произвести прямые измерения ее характеристик.
Этой работой занялся Советский Союз. Первые три попытки окончились неудачей; наконец, 18 октября 1967 года зонд под названием «Венера-4» вошел в атмосферу планеты. Конструкторы аппарата еще питали довольно оптимистические надежды: он строился из расчета температуры 270° С, состава атмосферы на 80-85% – из азота, была даже предусмотрена возможность приводнения. На всякий случай зонду добавили запас прочности, позволяющий выдержать давление до 20 атмосфер.
В результате аппарат из алюминиевого сплава на высоте 28 км над поверхностью прекратил передачу данных, ведь температура за бортом составляла уже 262 °C, а давление — 18 атмосфер. Тем не менее капсула успела передать на Землю первые прямые измерения температуры, давления, плотности и провела 11 автоматических химических экспериментов для анализа атмосферы. Обнаружилось, что атмосфера Венеры на 95% состоит из углекислого газа, и в сочетании с данными, полученными американским зондом «Маринер-5», было установлено, что давление на поверхности намного выше ожидаемого: от 75 до 100 атмосфер.
Эти открытия означали, что все представления о Венере как о «запасной планете», пригодной для жизни землян, можно было выбросить на помойку. Для многих ученых всего мира это стало тяжким разочарованием, а руководитель проекта Александр Бабакин сказал тогда: «Мы осиротели. Мы одни в нашей Солнечной системе, совсем одни!»
Теперь ученые продолжили исследования Венеры для того, чтобы найти ответ на вопрос: почему же планету, которая произошла из того же облака газов и пыли, что и Земля, находящуюся на благоприятном для возникновения жизни расстоянии от Солнца, – постигла столь печальная участь? Что, как говорится, «пошло не так»?
Первым аппаратом, благополучно спустившимся на поверхность Венеры (и вообще первым в мире устройством, достигнувшим поверхности другой планеты), был зонд «Венера-7». Он был построен уже с учетом вновь открывшихся реалий: корпус — из титанового сплава, рассчитанный на давление до 180 атмосфер и перегрузку свыше 300 единиц, улучшенная теплоизоляция позволяла аппарату функционировать на поверхности планеты — при максимальном давлении и внешней температуре до 530°С — в течение не менее 30 минут. Увы, аппарат смог передать только температуру поверхности, которая оказалась равной 475±20°С, давление – 90±15 атмосфер.
Только 5 марта 1982 года, с зонда «Венера-14» было получено цветное панорамное изображение венерианского пейзажа:
Раскаленная пустыня, плотное, абсолютно непрозрачное небо, состоящее из углекислого газа – ни звезд, ни Солнца, ни теней. Только ядовитые сернокислые облака, рассеянный красноватый свет повсюду и ни капли воды. Воображаемый когда-то рай оказался преисподней.
Углекислая атмосфера Венеры действует подобно стеклу в теплице: она, пропуская свет, задерживает тепло — и создает такой сильный парниковый эффект, что свинец на поверхности планеты — плавится, а горы — светятся в темноте:
Однако анализ заборов грунта, сделанные «Венерой-14», показал, что порода поверхности планеты – аналог земного океанического базальта.
Этот факт подтвердил теорию о том, что когда-то на Венере были океаны, но потом исчезли, испарились. И все же – почему образовавшиеся от испарений облака водяного пара не задержали воду на Венере, как задерживают её на Земле? Для ответа на этот вопрос нужны были новые исследования.
В XXI веке ученые стали располагать технологиями, позволяющими «увидеть» поверхность Венеры, не спускаясь на столь негостеприимную планету и не жертвуя зондом – к тому же ни один из аппаратов не смог проработать на Венере больше двух часов. 9 ноября 2005 года запущен зонд «Венера-экспресс», обладающий новейшим оборудованием: с помощью инфракрасного излучения зонд может «заглянуть» под плотные облака и, оставаясь на безопасной для своей работы высоте, передать на Землю подробное изображение венерианской поверхности:
Впервые ученые могут составить трехмерную карту Венеры.
Но это далеко не все возможности аппарата: исследуя атмосферу нашей соседки, «Венера-экспресс» открыл в ней частицы гелия, водорода и кислорода, улетающие в космическое пространство. Их немного, но раз процесс продолжается до сих пор – значит, раньше элементов, из которых состоит вода, было гораздо больше – еще одно подтверждение, что миллиарды лет назад на Венере были океаны.
Почему же частицы водяного пара улетают в космос?
Еще в далеком 1962 году американская АМС «Маринер-2» выяснила, что Венера не имеет магнитного поля. Ученые считают, что оно не может образоваться из-за слишком медленного вращения планеты.
На Земле магнитное поле образуется из-за довольно быстро вращающегося железного ядра, и именно оно защищает нашу атмосферу от «сдувания» в космическое пространство солнечным ветром. Если бы не мощный магнитный «щит» Земли, наша атмосфера могла бы заметно «похудеть». Венера же – не окружена магнитосферой, поэтому верхние слои её воздушной оболочки вместе с частицами водяного пара постоянно улетучиваются:
Так за миллиарды лет почти вся вода, существовавшая когда-то на Венере, сначала испарилась, а затем улетела в космос, выталкиваемая давлением солнечного ветра.
Следующий вопрос – откуда в атмосфере Венеры взялось так много углекислого газа?
«Венера-экспресс», заглядывая пучком инфракрасных лучей под облака. Установил, что 85% поверхности Венеры – горы и долины, каменные глыбы и кратеры – состоят из лавы. Получается, что когда-то на Венере разом происходило извержение тысяч вулканов. Что могло спровоцировать такое явление?
Дело в том, что кора этой планеты, в отличие от земной, цельная. Земная кора состоит из нескольких тектонических плит,
и наибольшая сейсмическая активность наблюдается именно в тех районах, где плиты сходятся или расходятся, высвобождая накопившийся в недрах жар.
На Венере же, благодаря отсутствию тектоники, в течение миллионов лет жар все накапливался, пока наконец давление пылающей мантии планеты не достигло критической величины: тогда лава стала неудержимо извергаться по всей поверхности, перемалывая кору и высвобождая триллионы тонн углекислого газа. А поскольку углекислый газ сравнительно тяжелый, то он и обволок в конце концов планету, создав ту самую плотную оболочку, которую мы наблюдаем теперь.
Новейший аппарат сделал еще одно удивительное открытие: в атмосфере нашей соседки, несмотря на крайне медленное вращение самой планеты, бушуют сильнейшие ураганы, скорость которых достигает 100 м/с. По сравнению с такими ветрами любой, даже самый страшный ураган на Земле (около 40 м/с) покажется легким бризом. Вот изображение двух огромных торнадо, бушующих на южном полюсе Венеры:
Происхождение столь мощных бурь ученые объясняют постоянным образованием очень горячего пара в атмосфере, которая намного плотнее земной.
Венеру, несмотря на её враждебный нрав, продолжают изучать. Считается, что она может содержать множество тайн о природе жизни на Земле. Может быть, именно Венера в прошлом послужила инкубатором земной жизни? Часть астробиологов уверены, что так и было.
Может ли Землю в будущем ждать такая же участь?
Пожалуй, что копией Венеры Земля не станет: благодаря тектонике коры нашей планеты вряд ли на Земле возможны столь мощные извержения лавы: жар от ядра постепенно высвобождается через щели между плитами, что остужает нашу планету. А, значит, на Земле не будет такой плотной углекислой атмосферы.
Однако, если Солнце когда-нибудь станет ближе, а Земля будет вращаться гораздо медленнее и потеряет свое магнитное поле, то, возможно, через миллиарды лет наша планета будет похожа на венерианскую пустыню.
Но до того времени у нас целые миллиарды лет в запасе.
Продолжим путешествие: следующая остановка — Земля и благодаря чему на ней смогла появиться жизнь.
Если понравилась публикация — ставьте лайк, делитесь в соцсетях и подписывайтесь, заходите на мой канал «Космическое путешествие» на Дзене.
Гравицапа для межпланетных перелётов или гравитационный манёвр
Вопрос эмиграции в последние десятилетия стоит наиболее остро. И если 40 лет назад пределом мечтаний было перебраться за океан, то в XXI веке умами овладела мечта о релокейшне на Марс, например. Однако там тоже в скором времени может стать тесно. Остаётся одна дорога — колонизация Солнечной Системы и экзопланет. Допустим, мы собрались покинуть внутреннюю область Солнечной Системы, а, если повезёт, то и совсем выбраться за её пределы. Помимо невероятных объёмов тушёнки и кислорода, необходимых для выживания в суровом Космосе, нам потребуется в разы на порядки большее количество топлива, чтобы всё это добро дотащить. И ещё столько же топлива, чтобы тащить то топливо. И ещё топливо.
И самое обидное, что скорее всего мы закончим свой век среди троянских астероидов Юпитера, померев от тоски. Потому что топлива всё равно ни на что не хватит. Однако присмотримся к нашей Солнечной системе повнимательнее. Вот те же «троянцы и греки» — не просто так столпились в точках Лагранжа L4 и L5 Юпитера. Их туда «затолкала» гравитация планеты-гиганта, не потратив ни единой капли гидразина.
Юпитер — оранжевый, «Троянцы» — зелёные за ним, «греки» — зелёные перед ним
Давайте же и мы применим дармовую энергию Природы для достижения благородной цели доставки полезной нагрузки в далёкий космос.
Как это работает
Идея использования гравитации пролетающей мимо планеты довольно проста. Все что нужно — это наличие вблизи трассы полета небесного тела, обладающего достаточно сильной гравитацией и подходящими для целей миссии положением и скоростью. Космический аппарат, попав в поле тяготения планеты обязательно изменит свою скорость. Здесь внимательный читатель может заметить, что аппарат, ускорившись гравитацией планеты, ею же и тормозится после сближения с небесным телом и что в результате никакого ускорения не будет. Действительно, скорость относительно планеты, используемой в качестве «гравитационной пращи», не изменится по модулю. Но она поменяет направление! А в гелиоцентрической (связанной с Солнцем) системе отсчета окажется, что скорость меняется не только по направлению, но и по величине, поскольку складывается из скорости аппарата относительно планеты и, по крайней мере частично, скорости самой планеты относительно Солнца. Бинго! Планеты будут «брать на буксир» наших путешественников.
Подобным способом можно без затрат топлива изменить кинетическую энергию межпланетной станции. При полетах к дальним, внешним, планетам Солнечной системы гравитационный манёвр используется для разгона (для этого траектория корабля должна пролегать «за» планетой, или как говорят, с внешней стороны орбиты):
… а при миссиях к внутренним планетам — напротив, для гашения гелиоцентрической скорости (тут, соответственно, пролетаем «перед» планетой):
Упрощая, можно сказать, что сближение аппарата с планетой с внутренней стороны ее орбиты приводит к тому, что аппарат отдает планете часть своего углового момента и замедляется; и наоборот, сближение с внешней стороны орбиты приводит к увеличению момента и скорости аппарата. Интересно, что никакими механическими акселерометрами на борту зарегистрировать изменение скорости аппарата в маневрах невозможно, — они постоянно регистрируют состояние невесомости.
Причём экономия топлива, достигаемая использованием волшебной силы гравитации колоссальная. Первая космическая скорость — 8 км/с обеспечивает нам вращение вокруг Земли. Для перехода на более высокую орбиту скорость надо увеличивать, и каждые 3 км/с дополнительного разгона втрое увеличивают стартовую массу космической ракеты. Чтобы с низкой околоземной орбиты (скорость 8 км/с) отправиться на марсианскую по эллиптической («гомановской») траектории, надо набрать около 3,5 км/с, к Юпитеру — 6 км/с, к Плутону — 8—9 км/с. Таким образом полезная нагрузка при полете к дальним планетам составляет лишь несколько процентов от выведенной на орбиту массы, а та, в свою очередь, лишь несколько процентов стартовой массы ракеты. А вот какой максимальный прирост скорости может дать нам гравитация планет:
Меркурий: 3,005 км/с
Венера: 7,328 км/с
Земля (надо же): 7,910 км/с
Луна (тоже мне планета): 1,680 км/с
Марс: 3,555 км/с
Юпитер: 42,73 км/с
Сатурн: 25,62 км/с
Уран: 15,18 км/с
Нептун: 16,73 км/с
Плутон (уже не планета, но всё же): 1,09 км/с
Если присмотреться, данные теоретические пределы приращения скорости примерно равны первой космической скорости для этих планет. При этом ваш трактор космический аппарат отклонится на 60 градусов от первоначальной траектории.
Может показаться, что топливо при подобных путешествиях вообще не нужно, но это, разумеется, не так. Во-первых, до ближайшего гравитирующего тела надо ещё долететь. Причём желательно долететь до Юпитера. Впрочем, для полётов к Юпитеру есть свои лайфхаки, о которых ниже. Во-вторых, далеко не всегда направление полёта после ускорения планетой нас устраивает, поэтому траекторию нужно корректировать двигателями. Кстати, это делать лучше в моменты, когда скорость минимальна — то есть ещё до входа в вираж, предварительно просчитав конус траекторий наперёд. Ну и в-третьих, в момент максимального действия гравитационной пращи, находясь в ближайшей окрестности планеты и обладая пиковой скоростью хорошо бы как следует подработать маршевым двигателем. При движении с высокой скоростью топливо имеет больше энергии, доступной для использования за счёт эффекта Оберта (причём при скорости, превышающей половину скорости реактивной струи, полученная кинетическая энергия может превысить потенциальную химическую энергию сгораемого топлива — радуйтесь, торсионщики!).
Хватит болтать — в дорогу!
Ракета с модулем Пионер 10 стартовала 3 марта 1972 года с базы ВВС США на мысе Канаверал носителем Атлас-Центавр. Гравитационный маневр вокруг Юпитера позволил станции превысить третью космическую скорость, достаточную для того, чтобы навсегда покинуть Солнечную систему. Пересечь орбиту Сатурна «Пионер-10» смог к февралю 1976 года, в июле 1979 года оказался за орбитой Урана, в 1983 году первым в истории пересек орбиту Нептуна. Последние данные от станции получены 23 января 2003 года, после чего «Пионер-10» прекратил свою работу. Сейчас аппарат находится на расстоянии 120 астрономических единиц от Солнца и через пару миллионов лет наконец-то приблизится к звезде Альдебаран.
Однако первый гравитационный манёвр совершила советская станция Луна-3 в 1959 году для того, чтобы вернуться обратно. Ну ладно, такой себе вираж, — зато это был манёвр с изменением плоскости траектории полёта. Подобные полёты и сегодня совершаются только при помощи гравитационной пращи. Например, аппарат для исследования полярных областей Солнца «Улисс» был вынужден «давать крюк» мимо Юпитера. Стартовав в 1990, он в 1992 году подлетел к газовому гиганту на расстояние 6 его радиусов и в 1994 году уже созерцал южный полюс Солнца с безопасного расстояния. Тут можете посмотреть на анимацию его полёта (гифка 3 мегабайта).
Американский Маринер 10 в 1974 году, наоборот, совершал торможение «об Венеру» для последующих сближений с Меркурием (весьма и весьма точных — 705 и 318 км!). Этот же метод используется и по сей день для исследования Меркурия — например, в миссиях «MESSENGER» и «БепиКоломбо». Тут я положил ссылочку на 8-мегабайтную гифку с анимацией движения последнего модуля за период 2019-2025 годы.
Если до соседней планеты лететь далеко и топлива жалко, можно сделать вот такой финт:
Аппарат миссии Юнона, взлетел с Земли, но с орбиты не сошёл, а произвёл гравитационный манёвр так же с Землёй, после чего направился на орбиту Юпитера. Таким же макаром разгонялся «Galileo Orbiter». Сначала аппарат направился к Венере, мимо которой прошел в феврале 1990 г. Затем по новой траектории в декабре он вернулся к Земле. Были переданы многочисленные фотографии Венеры, Земли и Луны, а наш герой понёсся далее.
7 декабря 1995-го исследовательский аппарат «Галилео» прибыл к Юпитеру и направил к нему исследовательский зонд (синие точки)
Про миссию Кассини-Гюйгенс, посадившую спускаемый аппарат на поверхность спутника Сатурна — Титана, говорить можно не один день. Шутка-ли — 20 лет работы на различных орбитах. Эти 20 лет стали возможны в том числе и благодаря максимально возможному использованию гравитации планет Солнечной Системы для экономии топлива.
Помимо плотной серии пиков в конце графика (когда аппарат к Сатурну и начал вращаться на его орбите) отчётливо видны моменты встреч с планетами (во время которых у аппарата прибавляется скорость), плавное снижение скорости (когда аппарат летел на встречу Сатурну, выбираясь из «гравитационной ямы» Солнца) с небольшим изломом у Юпитера.
Легендарный Кассини в общей сложности сделал 293 оборота вокруг Сатурна, среди которых выполнил 162 прохода вблизи его спутников и открыл 7 новых из них.
Разумеется, для выполнения гравитационных маневров дата старта должна быть выдержана весьма точно. Баллистики оперируют понятием «окно запуска» — это интервал дат, в пределах которого эффективность запланированных гравитационных маневров максимальна. Ближе к краям «окна» эффект становится меньше, а потребности в топливе — больше. Если же выйти за его границы, то носитель просто не сможет вывести аппарат на нужную орбиту, что приведет к срыву полета или недопустимому возрастанию его длительности. Например, запуск «Новых горизонтов», добывших нам такие милые фотографии Плутона, неоднократно переносился по погодным и техническим причинам. Задержись старт еще на несколько дней, и зонд отправился бы в полет уже без расчета на «гравитационную помощь» Юпитера и с меньшими шансами на успех.
Прибавка к скорости в 4 км/с позволила добраться до Плутона прежде чем на нём начала замерзать атмосфера (так как планетоид сейчас удаляется от Солнца). Поэтому он тут такой красивый.
«Лестница Лагранжа»
В начале статьи я упомянул о точках Лагранжа на просто так. Они есть у каждой пары космических тел (обычно — Солнца и планеты, но есть и у планет со спутниками) и вблизи них космический аппарат может находиться довольно долго в состоянии неустойчивого равновесия и быть почти неподвижным относительно этой планеты. Например, точки L1 и L2 Земли находятся на оси Земля-Солнце.
На таких орбитах станции будут обращаться вокруг Солнца, оставаясь неподвижными относительно Земли, — в направлении к Солнцу и от него. Это так называемые точки Лагранжа L1 и L2, где космический аппарат может неподвижно висеть, расходуя малое количество топлива. Этим уже давно пользуются: в L1 работает солнечная обсерватория SOHO, а в L2 — трудится 6-метровый телескоп имени Джеймса Уэбба, который был построен на смену стареющему «Хабблу».
Взгляните на эту непростую траекторию аппарата ISEE-3/ICE:
Труженик ISEE-3/ICE четыре года (1978—1982) изучал Солнце с орбиты вокруг точки Лагранжа L1, а затем путем сложных гравитационных маневров у Земли и Луны он был направлен на встречу с кометами Джакобини — Циннера (1985) и Галлея (1986). В 2012 году он вернулся к нам, но интерес к миссии был уже потерян, и даже оборудование для связи с ним было списано. И в 2014 году связь с ним была окончательно потеряна, ну да ладно.
Среди многочисленных траекторий ухода от точки L1 есть такие, которые на время приводят аппарат на орбиту вокруг L2 (и наоборот). Причем для этого не требуется серьезных затрат топлива. Для случая с нашей планетой это не столь важно. То ли дело — система Юпитера или Сатурна, в которых для каждого большого спутника есть пара таких точек. Например, для Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто на орбите Юпитера. Двигаясь вокруг планеты, внутренние спутники обгоняют внешние, и если правильно подгадать, то ценой совсем небольших затрат топлива аппарат может перепрыгнуть с неустойчивой орбиты вокруг точки L2, скажем, спутника Ио на такую же орбиту вокруг точки L1 Европы. Покрутившись там и проведя наблюдения, можно подняться еще на одну ступеньку «лестницы» — к точке L2 Европы, а оттуда в нужный момент прыгнуть к L1 Ганимеда, а там и до Каллисто недалеко. Спускаться по этой «лестнице Лагранжа» тоже не возбраняется.
Именно такой план полета предлагался для большой исследовательской станции JIMO (NASA). Однако эту экспедицию отменили враги, и теперь вместо неё будет миссия JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer), которую Европейское Космическое Агентство готовит для изучения галилеевых спутников Юпитера. До сих пор спутники Юпитера исследовались только с пролетных траекторий. «Лестница Лагранжа» позволит станции подолгу зависать над спутником — изучать его поверхность и отслеживать происходящие на ней процессы.
Каковы перспективы? Автостопом до облака Оорта?
В нашей звёздной системе насчитывается несколько десятков крупных и тысячи не очень массивных космических тел. Разумеется, бросается в глаза «великолепная пятёрка»: Солнце, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Однако гравитационные возмущения в траектории полётов космических аппаратов вносят все тела Солнечной системы, не забывая возмущать орбиты друг друга. И сейчас мы уже можем позволить рассчитывать гравитационное влияние и малых планет Солнечной систем. Вот, например, миссия Rosetta к комете Чюрюмова-Герасименко (2004-2016 гг). Вначале аппарат двинулся к Солнцу и, обогнув его, вновь вернулся к Земле, откуда двинулся навстречу Марсу. Обогнув Марс, аппарат вновь сблизился с Землёй и затем снова вышел за орбиту Марса. К этому моменту комета находилась за Солнцем и ближе к нему, чем Rosetta. Новое сближение с Землёй направило аппарат в направлении кометы, которая в этот момент направлялась от Солнца вовне Солнечной системы. В конце концов Rosetta сблизилась с кометой с требуемой скоростью. Столь сложная траектория позволила снизить расход топлива за счёт использования гравитационных полей Солнца, Земли и Марса. Тут гифка с полным маршрутом аппарата.
А вот выход на орбиту кометы в целях её исследования и отправки на её поверхность спускаемого аппарата «Филы»:
Расчёт баллистических траекторий это «не решаемая» в лоб задача многих тел, требующая колоссальных вычислительных мощностей для совершения достаточного числа итераций. Но вот неуклонный рост этих самых вычислительных мощностей позволяет учитывать влияние всё большего числа массивных объектов, переводя это влияние из разряда неизбежной погрешности вычислений в разряд заранее предсказанных. Таким образом число «окон запуска» только растёт.
Вот тут, например, в очередной раз сообщается об обнаружении «скоростного хайвея» в Солнечной Системе — сложного переплетения гравитационных возмущений от тел Солнечной Системы, позволяющих точнее рассчитать траектории аппаратов и использовать ещё больше гравитационных манёвров вместо траты драгоценного топлива.
Кусок из компьютерной симуляции глобальной аркоподобной структуры орбит для астероидов и комет внешней (от 3 до 20 астрономических единиц) Солнечной системы. Попав на эти орбиты, космические тела могут существенно ускоряться. В нижней части изображён манёвр, последовательно затрагивающий Юпитер и Сатурн.
Постепенно расчёты полётов по нашей планетной системе будут становиться похожими больше на автобусное расписание нежели на ожидание у моря погоды. Точность небесной механики, помноженная на точность наблюдений и вычислений, способна совершить переворот в наших взглядах на космические путешествия.