Содержание
Кондиционирование в космосе
Для поддержания жизнедеятельности человека в космосе разработана и постоянно совершенствуется система жизнеобеспечения (СЖО). Это сложный многокомпонентный комплекс, состоящий из ряда самостоятельных, но взаимосвязанных систем. Собственно, за кондиционирование в нашем земном понимании отвечают две из них – система обеспечения газового состава и система обеспечения теплового режима.
Для жизни человека в космосе необходимо прежде всего поддерживать определенное давление и состав окружающей газовой среды, постоянно пополнять количество кислорода и удалять углекислый газ. Кроме того, в газовой среде и на стенках кабин и отсеков КА постепенно накапливается вода, выделяемая космонавтами при дыхании и в виде пота. Ее тоже нужно удалять. И, наконец, еще одна задача, которую нужно решить при кондиционировании в космосе, – это очистка воздуха от мельчайших пылинок, крошек, мусора. В космосе это еще важнее, чем на Земле. Дело в том, что в невесомости пыль и мусор не сядут на пол – там нет ни силы тяжести, ни пола. Со всем этим и должен справиться «космический кондиционер».
Решения разработчиков этой системы в СССР и США отличаются друг от друга. В американских кораблях «Меркурий», «Джемини», «Аполлон» (кроме «Шаттлов») применена чисто кислородная атмосфера с давлением 260-280 мм ртутного столба. Такое решение упрощает задачи конструкторов, поскольку снижает требования к прочности элементов конструкции корабля и позволяет уменьшить его вес. А каждый килограмм на орбите пока еще дороже золота. Но кислородный состав «воздуха» вынуждает астронавтов перед стартом около двух часов дышать в корабле чистым кислородом, а при выведении аппарата на орбиту стравливать давление из кабины. Запасы кислорода на американских кораблях находятся в баллонах высокого давления.
Наши специалисты решили создать внутри корабля атмосферу, подобную земной. С точки зрения комфорта это наилучшее решение. Но при наддуве скафандров (а это необходимо в случае нарушения герметичности космического корабля и, как следствие, резкого падения давления в кабине) создается большой перепад давления: внутри скафандра примерно 760 мм ртутного столба, снаружи – ноль. В этих условиях космонавт становится практически обездвижен. Выход есть: снизить давление и перейти на дыхание чистым кислородом, что технически очень непросто. Но это, пожалуй, единственная проблема. Вторая очевидная проблема – увеличение веса корабля – имеет обратную сторону, которая означает значительный плюс для экипажа, – радиационная защита в кораблях с земной атмосферой значительно лучше за счет увеличения толщины оболочки корабля.
В длительных полетах это имеет решающее значение. Поэтому в современных космических кораблях – как в российских, так и в американских – создается земная атмосфера. Отвечает за ее воспроизведение система, которая по терминологии отечественной космонавтики называется СОГС – система обеспечения газового состава.
СОГС предусматривает в качестве основного источника кислорода регенерационную установку, в которой кислород восстанавливается из воды. Интересна история создания первой подобной установки. Специалистам ОКБ-124 под руководством Г. И. Воронина в конце 50-х годов прошлого века было поручено решить вопрос об обеспечении кислородом космонавтов на космическом корабле «Восток». Решение было выбрано в пользу применения регенерационной установки, но в авиации опыта конструирования и применения регенераторов не было. Тогда с помощью предприятий-разработчиков регенерационных установок для подводных лодок был подобран ее тип и материал, который при прохождении через него влажного воздуха выделял кислород с образованием щелочи. Щелочь вступала в реакцию с углекислым газом и связывала его, превращая в твердое вещество. Ресурс установки – 12 суток, что ораздо больше ресурса системы подачи кислорода первого пилотируемого КА США «Меркурий» (36 часов).
Повышенный ресурс СОГС КА «Восток» имел большое значение для спасения космонавтов при отказе тормозного двигателя. В этом случае КА все равно бы оказался на Земле за счет естественного торможения, поскольку остатки атмосферы на высотах орбитального полета еще имеются. Ожидаемое время нахождения КА на орбите без выдачи тормозного импульса – около недели, космонавт на «Востоке» мог относительно спокойно дождаться приземления, правда, это могло случиться практически в любой точке траектории, например в Тихом океане или в горах Южной Америки. Малый ресурс системы подачи кислорода «Меркурия» требовал повышенной надежности работы тормозного двигателя. Его отказ приравнивался к гибели астронавта, так как корабль остался бы на орбите значительно дольше заданных 36 часов.
Одно необходимое замечание о работе СОГС. Важную роль на борту КА в условиях невесомости – там нет конвекции – играют вентиляторы и воздуховоды. Они установлены в отсеках так, чтобы не возникало застойных зон и обеспечивалось равномерное перемешивание газовой среды. В противном случае возможна ситуация, когда космонавт (или астронавт), неподвижно выполняя какой-то длительный эксперимент или во время сна, «выдышит» кислород в пространстве рядом с собой и почувствует себя плохо от избытка углекислого газа.
Каждое новое поколение КА имело на борту усовершенствованные системы СОГС. Так, в составе СОГС транспортного корабля «Союз» используются регенератор и поглотитель углекислого газа с газоанализатором, блоком вентиляторов и фильтрами для поглощения вредных газов и пыли. При изменении парциального давления кислорода газоанализатор выдает сигнал на привод исполнительного устройства, который, распределяя газовую смесь между регенератором и поглотителем, регулирует скорость реакции в регенераторе и скорость поглощения углекислого газа и вредных примесей в поглотителе.
На первой долговременной орбитальной станции «Салют» принцип работы СОГС не изменился. Были добавлены дополнительные блоки поглощения углекислого газа. С учетом значительного увеличения объема кабины были установлены воздуховоды и циркуляционные вентиляторы. Дополнительный фильтр вредных примесей был способен поглощать выделения материалов станции и продуктов жизнедеятельности экипажа (аммиак, окись углерода, сероводород, ацетон, жирные кислоты, углеводороды и др.). В схему обеспечения Международной космической станции воздухом, пригодным для дыхания, включены сложные многокомпонентные устройства, которые взаимодействуют друг с другом.
Основной системой подачи кислорода в гермообъемы МКС является российская система «Электрон», которая работает по принципу разложения воды на кислород и водород (водород удаляется за борт станции). Все системы обеспечения жизнедеятельности МКС дублируются на случай отказов. Дублирующей для «Электрона» системой является твердотопливный генератор кислорода (ТГК). Кислород в генераторе получают из шашек, в которых находится кислородсодержащее вещество в твердом виде. Шашки «поджигают» (конечно, речь идет не об открытом пламени), и в процессе горения выделяется кислород. Температура внутри шашки достигает +450°С. Для одного человека необходимо около 600 литров кислорода в сутки. В зависимости от типа шашки при ее сгорании выделяется от 420 до 600 литров кислорода.
Кроме того, кислород доставляется на МКС грузовыми кораблями «Прогресс» в баллонах в газообразном виде под высоким давлением. Как мы уже говорили, для нормальной жизнедеятельности на станции нужно очищать атмосферу от углекислого газа.
Заметим, что превышение содержания углекислого газа в атмосфере гораздо опаснее, чем снижение количества кислорода. Это к вопросу о том, что некоторые производители бытовых кондиционеров пытаются выдать как свое преимущество «доставку кислорода» в комнату.
Не надо этим заниматься. Лучше бы боролись с углекислотой. Основным средством для очистки атмосферы от углекислого газа на борту МКС является система «Воздух». Принцип работы этой системы состоит в адсорбции (поглощении) углекислого газа с последующей вакуумной регенерацией поглотительных патронов.
Блок очистки атмосферы от микропримесей (БМП) очищает воздух от всевозможных вредных газообразных примесей в атмосфере станции. Это тоже система регенерационного типа, ее патроны работают в режиме очистки 18-19 суток с последующей регенерацией. Ресурс ее главных функциональных элементов – патронов очистки атмосферы – составляет три года, но даже за десять лет работы системы необходимость их замены не возникла: газоанализаторы показывают отличное состояние атмосферы.
Кроме того, нормальный состав атмосферы поддерживают дублирующие системы: одноразовые поглотительные патроны, фильтры удаления вредных примесей и очистки от дыма, а также устройство обеззараживания воздуха «Поток», которое автоматически включается каждые сутки на шесть часов и обеззараживает атмосферу МКС.
Теперь рассмотрим работу систем терморегулирования. Ее задача – поддержание температуры КА и газовой среды (атмосферы) в его герметичных обитаемых отсеках. Для сравнения – у поверхности Земли привычный для нас в быту кондиционер должен использоваться при температуре наружного воздуха в среднем от -15 до +40°C, при этом окружающая среда – воздух за окном – либо холодный, либо теплый. На орбите условия работы космического кондиционера совсем другие. Определяющими тепловыми воздействиями в ходе орбитального полета являются солнечное излучение и тепловыделение от работающей на борту аппаратуры.
На солнечной стороне орбиты идет интенсивный нагрев поверхности КА, обращенной к Солнцу (противоположная сторона при этом остается холодной). На теневой части орбиты КА охлаждается. Температура поверхности КА при этом может меняться в очень широких пределах – от +200 до -200°C. Тепловыделение внутренних источников – приборов, агрегатов, самого экипажа – достигает значительных величин и постоянно увеличивается по мере усложнения стоящих перед экипажами задач. Если на американском космическом корабле «Джемини», например, тепловыделение бортовой аппаратуры составляло порядка 500-600 ккал/ч, тепловыделение самих астронавтов – 230 ккал/ч (то есть в сумме примерно 1 кВт), то на современной Международной космической станции речь идет уже о 70-80 кВт (!). Подчеркнем – здесь и далее речь идет только об орбитальном участке полета. Участки выведения на орбиту и особенно спуска с нее требуют своих решений.
Таким образом, конструктор космических аппаратов (КА) – транспортных кораблей и станций – вынужден решать две прямо противоположные задачи: одновременно предохранять космический аппарат от переохлаждения и от перегрева. Для их решения используется система, в отечественной космонавтике называемая СОТР – система обеспечения теплового режима. Это вторая главная часть космического кондиционера. СОТР представляет собой совокупность различных средств и устройств, регулирующих внешний и внутренний теплообмен КА. В состав СОТР входят средства пассивного терморегулирования (СПТР) и комплекс средств активного регулирования тепловых процессов, называемый системой терморегулирования (СТР). СПТР – это набор конструктивных элементов, обеспечивающих заданные параметры теплообмена с помощью излучения и теплопроводности (терморегулирующие покрытия, тепловая изоляция и термозащита, термомосты и термосопротивления), а СТР – это вентиляционные устройства, жидкостной контур с теплообменными устройствами и средствами регулирования тепловых потоков, активные средства регулирования лучистого теплообмена и т.д.
Главное в СПТР – это термозащита, своего рода космическая «шуба». Только в космосе она служит не столько для согрева, сколько для термоизоляции конструкции корабля. Роль такой «шубы» выполняет так называемая экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ) – она многослойная, требует тщательного подбора материалов. «Пошив» и «надевание» «шубы» на космический корабль – это трудоемкая технологическая операция.
Но одной изоляции мало. Прежде всего она не решает задачи отвода избытка тепла. Для этого и предназначена система терморегулирования – СТР. Принцип ее построения наглядно раскрывается на примере космических кораблей «Восток» и «Восход». В ее состав входили основной и резервный вентиляторы, теплообменник и система автоматического регулирования температуры. Приводимый в движение вентилятором (а как иначе, без вентилятора никак) воздух снимал тепло, исходившее от приборов гермоотсека и от космонавта (на «Восходе» – от космонавтов), и далее он направлялся в теплообменник. Космонавт устанавливал необходимую температуру, поддерживавшуюся потом автоматически. Чувствительный элемент в соответствии с заданной температурой вырабатывал управляющий сигнал, который влиял на положение специальной шторки, определявшей расход воздуха в теплообменнике. С помощью шестеренчатого гидронасоса через трубы теплообменника прокачивался хладагент, отбиравший тепло от воздуха и переносивший его (тепло) на радиационную поверхность. Циркулируя по трубопроводам, расположенным на этой поверхности, хладагент отдавал ей свое тепло, излучавшееся далее в космос. Такая система весьма эффективно поддерживала заданную температуру с точностью ±1,5°С.
Следующее поколение СТР было реализовано в конструкции корабля «Союз» и долговременной орбитальной станции (ДОС) «Салют». Весьма большие размеры гермоотсека ДОС «Салют», значительные тепловые мощности, выделяемые ее аппаратурой и экипажем, заставили найти новые подходы к решению проблемы обеспечения теплового режима, хотя основные элементы СТР этих КА похожи друг на друга. Прежде всего это два основных жидкостных контура: внутренний, предназначенный для терморегулирования жилых отсеков, и внешний, служащий для отвода избыточного тепла от гермоотсека в космосе. Тепло снималось из внутреннего объема КА с помощью двигавшегося под напором вентиляторов воздуха и передавалось в газожидкостном теплообменнике жидкости, прогонявшейся с помощью гидронасосов по гидромагистрали.
Далее оно передавалось в жидкостно-жидкостном теплообменнике внешнему контуру и сбрасывалось в космос с радиационной поверхности (радиатора) наружного теплообменника. Для решения задачи удаления влаги из атмосферы станции служили специальные холодильно-сушильные аппараты. Влага оседала на охлаждавшихся до температуры порядка +5°С поверхностях этих аппаратов, собиралась в емкости, а затем подавалась в систему, регенерировавшую из конденсата воду.
Температура жидкости внутреннего контура регулировалась с помощью автоматики и регуляторов. Это позволяло поддерживать на необходимом уровне температуру стенок холодильно-сушильного агрегата, а значит, и уровень влажности воздуха в отсеках. Температура воздуха также регулировалась автоматически. Так как при изменении температуры жидкости изменяется и занимаемый ею объем, то есть меняется давление в охлаждающих трактах, в системе терморегулирования был предусмотрен компенсатор объема.
Когда на станции нет экипажа и ее аппаратура выделяет мало тепла, температура воздуха в гермоотсеке понижается. Для того чтобы она не опустилась ниже допустимого предела, в составе системы терморегулирования был предусмотрен электрообогреватель. В ходе многолетней эксплуатации таких орбитальных станций и космических кораблей, как «Салют» и «Союз», было установлено, что использовать в целях обеспечения комфортного климата сушильно-холодильные системы не самый лучший вариант. Таких систем попросту недостаточно для того, чтобы поддерживать требуемую обработку искусственной атмосферы и оптимальный уровень влажности. Поэтому при переходе к эксплуатации орбитального многоблочного комплекса «Мир» перед разработчиками встал вопрос о создании инновационных кондиционирующих установок. Впервые за всю историю мирового космического машиностроения был разработан и введен в постоянную эксплуатацию высокоэффективный и компактный комплекс автономного типа, основанный на парокомпрессионном цикле. Данная система кондиционирования работала с так называемыми компрессорами «сухого типа», наряду с уникальным воздухоохладительным модулем нового поколения.
Надежность компрессорного оборудования в условиях орбитального функционирования обеспечивал сварной каркас на основе алюминиевых сплавов. Внутренняя часть, а именно холодильный контур, по которому циркулировал фреон, был изготовлен с использованием исключительно нержавеющих металлов.
Дальнейшее развитие получила система терморегулирования Международной космической станции. Радиаторы современной МКС работают на аммиаке. Испаряясь при комнатной температуре (при давлении в 10 атмосфер), аммиак хорошо работает в холодильном цикле, охлаждая МКС, нагревающуюся на солнце и за счет своих внутренних процессов. Внутренний контур МКС использует для охлаждения обычную воду, которая охлаждается испарением аммиака из внешнего контура. На сегодня штурные радиаторы позволяют МКС скидывать в окружающее пространство около 70 кВт тепловой мощности с возможностью увеличения теплового сброса еще на 14 кВт.
Сегодня на Международной космической станции площадь радиаторов для сброса тепла уже сравнима с площадью солнечных батарей (рис. 2). Бортовые системы МКС на дневной стороне непрерывно подворачивают панели солнечных батарей и радиаторов, ориентируя первые на максимальный прием солнечного света, а вторые на минимальный. Минимизировать солнечный нагрев самих радиаторов должен и их белый цвет – эстетика здесь ни при чем. На теневой же стороне станция ориентирует панели батарей и радиаторов к плоскости орбиты, подобно крыльям и килям летящего самолета. Здесь первостепенной задачей на 45 темных минут становится минимизировать сопротивление остатков атмосферы, которые на высоте 400 км все же есть и тормозящий эффект которых виток за витком постепенно сказывается, что приводит к замедлению и снижению высоты орбиты. Станция как бы шевелит «крыльями» – медленно и непрерывно. Со стороны очень красиво…
Перед разработчиками было поставлено достаточно много технических и конструкционных задач, которые удалось решить в ходе многочисленных наземных испытаний. Конструкция орбитальных кондиционеров непрерывно совершенствуется и обновляется. Это, в свою очередь, позволяет добиваться более значимых успехов для космонавтов в создании более комфортных условий пребывания на орбите.
Текст: Михаил Николаев
Источник: Журнал «ON» (http://on-m.ru/2017/12/18/konditsionirovanie-v-kosmose)
Строение, состав и значение атмосферы: что отделяет космос от человека: Статьи экологии ➕1, 25.03.2022
Атмосфера — это газовая оболочка небесных тел. Она есть не только у Земли, но и у многих других крупных космических объектов, например у Солнца. У атмосферы нет видимых границ, отделяющих ее от межпланетного пространства, но она вращается вместе с астрономическим телом, удерживаемая силой гравитации.
Фото: NASA / Unsplash
Рассмотрим его на примере нашей планеты. Атмосфера защищает все живое от вредного ультрафиолетового излучения. Также в ней сгорают падающие метеориты: до Земли долетает лишь космическая пыль. А если бы не парниковый эффект (нагрев нижних слоев атмосферы), средняя температура воздуха за окном опустилась бы на 20, а то и на 30 °C.
Среди всех небесных тел Солнечной системы только в составе земной атмосферы есть кислород, необходимый для жизни большинства организмов. Кроме того, в газовой оболочке Земли образуются осадки, подпитывающие реки и водоемы.
Газовая оболочка Земли на 78% состоит из азота (N2) и на 21% — из кислорода (O2). Объем остальных газов — озона, метана, аргона, радона, углекислого газа, гелия, неона, криптона, водорода и закиси азота — составляет всего 1%.
Также в атмосфере есть частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, в том числе оксиды металлов, минералы и сажа. Они попадают туда как в результате естественных процессов, например выветривания горных пород, так и работы производств, автомобильных выхлопов, добычи полезных ископаемых и так далее.
Фото: denizunlusu / iStock
Из-за увеличения выбросов закиси азота, углекислого газа, метана и других парниковых газов состав земной атмосферы изменяется, а средняя температура на планете выросла на 1,1 °C с конца XIX века. Ученые прогнозируют, что глобальное потепление продолжится, если не снизить темпы загрязнения воздуха.
Из-за наклона земной оси (около 23,44 градуса от перпендикуляра к земной орбите) солнечные лучи распределяются неравномерно по поверхности нашей планеты. Области со схожим климатом образуют климатические пояса: арктический, тропический, экваториальный, умеренный и другие.
Климат — это погодные условия, повторяющиеся в определенной местности в течение десятков и сотен лет. На его формирование влияет несколько факторов:
Географическая широта. Количество тепла, попадающее на поверхность Земли, зависит от того, под каким углом падают лучи солнца. Он равен 90 °C в тропиках и уменьшается по направлению к полюсам. Самая низкая температура (до −89,2 °C) зафиксирована в Антарктиде. А самым жарким местом на Земле считается пустыня Деште-Лут в Иране (до 71 °C).
Близость к морям и океанам. Вода медленнее нагревается и остывает. Поэтому в прибрежных регионах мягкие зимы и умеренно теплое лето, нет больших годовых и суточных колебаний температуры. Близость к морю также обеспечивает больший объем осадков.
Ветры, которые могут быть постоянными (не меняющими направления), сезонными и местными (циркулирующими на определенной территории). Они переносят влажный или сухой воздух.
Океанические течения. Теплые течения прогревают воздух — как Гольфстрим в Северном полушарии, а холодные делают климат более суровым, как течение Западных Ветров в Южном полушарии.
Рельеф. Вершины высоких гор, покрытые льдом и снегом, отражают большое количество солнечной энергии обратно в атмосферу. Кроме того, они сдерживают перемещение воздушных масс. Поэтому на Земле немало мест, где выпадает слишком много или слишком мало осадков. Например, засушливый климат Центральной Азии связан с тем, что поблизости находится много высоких гор.
Фото: hadynyah / iStock
Переселение народов, голод и вымирание: чем грозит глобальное потепление
Четыре главных вывода Межправительственной группы экспертов ООН
Земная атмосфера состоит из нескольких слоев: более плотные притягиваются к поверхности планеты силой гравитации.
Это нижний слой атмосферы, содержащий около 80% воздуха. Верхний предел тропосферы находится на высоте от 7 до 20 км. По мере удаления от Земли она становится более разреженной, температура ее понижается, достигая минимального значения −56 °C. Здесь образуются облака, ветер, циклоны и другие явления, влияющие на климат.
Фото: mdesigner125 / iStock
Нижние 1-2 км тропосферы называют планетарным пограничным слоем. В нем формируются турбулентные потоки — вихревые движения воздушных масс с разной амплитудой и скоростью. Их можно почувствовать при полете на авиалайнере, во время прохождения сквозь облака. Турбулентные потоки обеспечивают обмен теплом и влагой между слоями атмосферы.
Между тропосферой и стратосферой находится тропопауза, где температура перестает снижаться.
Фото: zhongguo / iStock
На расстоянии от 8 до 50 км от поверхности Земли располагается стратосфера. В нее входит озоновый слой, защищающий живые организмы от светового, ультрафиолетового и теплового излучения солнца. Некоторые участки озонового слоя оказались истончены. Самая крупная озоновая дыра находится над Антарктикой, площадь разрыва достигает почти 23 млн кв. км. Впервые ученые заметили истощение концентрации озона в конце 1970-х. Причиной этого стали загрязняющие атмосферу выбросы: соединения фтора, углерода и хлора. Они используются для заправки холодильников и кондиционеров, а также в аэрозолях и вспенивателях. Хотя эти вещества не опасны для людей, последствия разрушения озонового слоя могут стать катастрофическими. Международные усилия по его защите привели к тому, что к 2015 году вредные выбросы снизились более чем на 90%. Сейчас озоновый слой восстанавливается, сообщают метеорологи. Антарктическая дыра может полностью затянуться к середине XXI века.
В нижних слоях стратосферы обычно проходят трассы пассажирских авиалайнеров. Также в стратосфере возникают световые явления, в том числе северное сияние, молнии и зарницы.
Фото: bjdlzx / iStock
Это самая холодная часть земной атмосферы, воздух здесь охлаждается до −143 °C. Воздушные шары, поднявшиеся до мезосферы, зависают на месте из-за малого давления газов. То же самое происходит и с самолетами, если они не оборудованы ракетными двигателями. Также мезосферу невозможно исследовать с помощью спутников и суборбитальных зондов.
В мезосфере сгорает большая часть метеоров и вспыхивает метеоритный поток Персеиды — звездопад, который можно увидеть в июле-августе. Остатки небесных тел (от 10 до 100 тысяч тонн ежедневно) оседают на земле в виде космической пыли.
Границей между мезосферой и термосферой служит мезопауза. Здесь заканчивается активное поглощение излучения Солнца.
Нижняя граница термосферы совпадает с линией Кармана, за которой начинается космос. Технически в состав этого слоя входят газы, которые движутся вместе с нашей планетой и входят в атмосферу. Но их количество незначительно, поэтому полет за линию Кармана считается космическим.
Термосфера охватывает пространство на высоте от 100 до 800 км над уровнем моря. Здесь очень высокая температура — до 1800 °C. Космические аппараты в ней не плавятся из-за разреженного воздуха, создающего эффект вакуума.
Термосферу и экзосферу разделяет термопауза. Температура здесь относительно стабильна, так как на этой высоте солнечные лучи являются единственным источником тепловой энергии.
Последний слой земной атмосферы с нижней границей на высоте порядка 700 км. Ее основной составляющей является водород, также попадаются отдельные атомы азота и кислорода. Экзосфера простирается до 100 тыс. км от Земли. Здесь происходит выветривание атмосферы: выход частиц газовой оболочки (гелия и водорода) на собственные орбиты. Это не опасно, так как потери компенсируются образованием новых частиц.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен.
Автор
Вера Жихарева
Почему не весь наш воздух уходит в космос?
Здесь вы можете увидеть похожий на кожу щит, напоминающий полосу, в атмосфере Земли. Снимок сделан с Международной космической станции. (Фото: НАСА)
СПРОСИТЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЯ: Возможно, из атмосферы просачивается больше, чем вы думаете, но, к счастью, у нас здесь все еще достаточно воздуха.
Лассе БьорнстадЖурналистка
Почти все живущие живут в атмосфере – воздухе, которым мы дышим и в котором живем, который окружает всю Землю.
Но как воздух остается на месте? Мы ощущаем окружающую нас атмосферу как нечто очень легкое и неосязаемое.
Но в эфиры не взлетает. Он удерживается на месте той же силой, которая удерживает все остальное на Земле: гравитацией.
«Земля большая и тяжелая, — говорит Бьорн Самсет. Он физик и старший научный сотрудник Центра международных климатических исследований Цицерона в Осло.
«Эти газы не могут уйти, пока есть земля, которая удерживает их на месте».
Земля была создана из целого ряда различных элементов более 4 миллиардов лет назад. В этом процессе молекулы элементов оседают от самых тяжелых внутри к самым легким снаружи, и все удерживается на месте одной и той же силой гравитации.
Самые легкие молекулы подвешены наподобие тонкой вуали или очень тонкой жидкости вокруг планеты.
Самсет указывает, что все эти молекулы в атмосфере аккумулировались бы слоями, от самых тяжелых внизу до самых легких на самом краю, если предположить, что в атмосфере не происходило перемешивания. Но в реальном мире солнце добавляет в атмосферу огромное количество энергии, и там происходит много всего.
Бьёрн Самсет, физик и старший научный сотрудник Центра международных климатических исследований Цицерона. (Фото: Цицерон)
Крошечная часть воздуха уходит в космос. По данным Европейского космического агентства, ежедневно в космос уходит около 90 тонн атмосферы.
Звучит много, но это всего лишь крошечная часть атмосферы.
«Вероятно, пройдет более 150 миллиардов лет, прежде чем атмосфера исчезнет таким образом», — говорит Самсет.
Почему улетучивается часть кислорода — сложный вопрос, но мы вернемся к нему позже в этой статье.
Но сначала: что на самом деле витает в воздухе?
Воздух, который не выходит
Воздух состоит из целого ряда различных газов, но на 80 процентов состоит из азота. Жизненно необходимый кислород составляет около 20 процентов, наряду с меньшими количествами аргона, углекислого газа, гелия, водорода и других веществ.
Но здесь наша интуиция о мире слегка подводит. Мы воспринимаем камни как нечто тяжелое и осязаемое, тогда как воздух — это нечто принципиально иное. Философы древности и других частей света считали четыре элемента земли, огня, воздуха и воды обладающими уникальными и отличными друг от друга качествами.
Но мир устроен не так. Все состоит из элементов, и эти элементы имеют массу и вес.
«На самом деле нет никакой разницы между молекулой азота и камнем, — говорит Самсет. «Или, как говорит Йода, это „только в твоем уме“».
«Чтобы молекула азота вылетела с Земли, она должна откуда-то получить энергию».
Чтобы молекула азота или камень поднялись над глубоким гравитационным полем Земли, необходима энергия.Когда мы отправляем объекты в космос, мы используем ракеты для противодействия гравитации.
Это требует много энергии, что объясняет, почему ракеты, которые мы используем, такие большие и требуют так много топлива. Чтобы избежать земного притяжения с уровня земли, вы должны подняться со скоростью более 40 000 километров в час.
Ракета «Сатурн-5» доставила на Луну луноход, космический корабль и трех астронавтов общим максимальным весом 130 тонн. Но для запуска в космос вся ракета весила 2 800 тонн, большую часть которой составляло топливо, по данным НАСА.
Молекула с азотом намного легче, чем груз ракеты, но для того, чтобы улететь, ей все равно нужно приложить энергию.
И это может произойти несколькими способами.
Эта ракета высотой более 110 метров состоит в основном из топлива. Чтобы освободиться от гравитационного притяжения Земли, требуется много энергии. (Изображение: НАСА)
Легкие элементы
Некоторые вещества, такие как гелий и водород, легче воздуха. Эти газы поднимаются в атмосферу, но это не значит, что они исчезают в космосе, когда вы прокалываете, например, гелиевый шар.
Небольшое количество гелия рассеяно в атмосфере, а внешний слой атмосферы – экзосфера – содержит крайне тонко рассеянный гелий и водород.
Солнце поставляет энергию, которая нагревает атмосферу и заставляет атомы и молекулы больше двигаться, и эта энергия может выбрасывать материю. Водород и гелий также добавляются в атмосферу от Солнца.
Молекулы в газе все время движутся и сталкиваются друг с другом, а иногда молекулы этих и других газов получают такой мощный толчок, что выбрасываются из атмосферы. Они достигают космической скорости, а затем освобождаются от гравитационного притяжения Земли.
«Там наверху гравитация слабее, чем на уровне земли», — говорит Самсет.
«Некоторые из этих толчков настолько сильны, что газы вырываются наружу. Это почти как случайная ракета».
Но этот эффект «случайной ракеты» составляет лишь малую часть, около 10-20 процентов того, что действительно улетает из атмосферы.
Почему именно исчезают остальные — загадка.
Почему исчезает кислород?
Молекулы кислорода и азота не должны выбрасываться из атмосферы, потому что они слишком тяжелые, говорит Джоран Моэн.
Моэн исследовал нашу просачивающуюся атмосферу с помощью небольших исследовательских ракет, запущенных со Шпицбергена, где он сейчас работает директором Университетского центра на Шпицбергене (UNIS).
Атом кислорода во много раз массивнее атома гелия.
Тем не менее, существует поток кислорода, гелия и водорода, который исчезает над магнитными полюсами Земли – атмосферная утечка. Исследовательские ракеты запускают через утечки, чтобы увидеть, что здесь происходит на самом деле.
Так художник представляет, как выглядит атмосферная утечка на магнитных полюсах Земли. Молекулы из атмосферы выбрасываются двумя потоками, и это составляет около 90 тонн потерянной атмосферы в день. (Фото: НАСА / Скриншот)
Эти утечки почти подобны шлейфам атомов, выступающим за пределы двух магнитных полюсов Земли. А здесь молекулы настолько тяжелые, что для их извлечения требуется много энергии.
Воздух в этих шлейфах очень плотный по сравнению с пространством вокруг них. Моэн описывает, как спутники внезапно испытывают гораздо большее сопротивление, когда они проходят через шлейфы, потому что плотность газа прямо там намного выше.
Моэн объясняет, что они не знают точно, откуда берется вся эта энергия, но ее можно проследить до солнечного ветра — потока заряженных частиц, непрерывно ударяющих в атмосферу. Эти частицы также создают северное сияние — явление, связанное с атмосферными шлейфами.
10 000 градусов
«Заряженные частицы создают сильное нагревание атмосферы — от 5000 до 10 000 градусов Кельвина», — говорит Моэн.
Эти температуры приближаются к 10 000 градусов Цельсия.
Однако этот нагрев не генерирует достаточно энергии для выброса тяжелых атомов и молекул.
Моен говорит, что это, вероятно, связано с электрической связью между магнитным полем Земли и солнечным ветром, который сталкивается с магнитным полем.
Муфта добавляет энергии и имеет потенциал для сильного нагрева атмосферы. Частицы нагретой атмосферы могут следовать за магнитными линиями в магнитном поле Земли и выбрасываться над магнитными полюсами, образуя эти шлейфы.
Модель, показывающая магнитное поле вокруг Земли (круг в центре) и то, как оно изгибается под действием сильных солнечных ветров, которые обозначены красным цветом. Магнитные поля представлены всеми линиями. Солнечный ветер исходит слева. (Изображение: НАСА/скриншот)
«Но мы не нашли точных механизмов нагрева», — говорит Моэн. Он говорит, что это постоянная работа.
Магнитное поле Земли на самом деле защищает атмосферу — и всех нас, кто здесь живет — от заряженных частиц, которые приходят с солнечным ветром. Без магнитного поля атмосфера медленно, но верно отслаивалась бы и истончалась бы. Но это займет очень много времени, согласно Live Science.
Марс, вероятно, имел мощное магнитное поле в первые дни Солнечной системы, но, по данным BBC, это поле перестало работать миллиарды лет назад. В то время у Марса была гораздо более плотная атмосфера, которая сильно уменьшалась солнечным ветром. Это одна из причин, по которой Марс является пустынной планетой, которую мы знаем сегодня.
Так что хотя земная атмосфера и немного просачивается, она не иссякнет еще очень-очень долго.
И задолго до того, как весь воздух уйдет в космос, Земля станет для нас непригодной для жизни из-за расширения Солнца и повышения температуры.
Перевод Ингрид Нус.
Прочитайте норвежскую версию этой статьи на forskning.no.
космические исследования
пространство
естественные науки
Спросите Доктора Вселенная: Почему мы не можем дышать в космосе? | CAS в СМИ
Микайла Макле
На Земле у людей есть кислород для дыхания. Но в космосе очень мало кислорода для дыхания.
Космос на самом деле представляет собой своего рода вакуум, а это означает, что между планетами и звездами не так уж много материи или чего-то еще.
Лю
Для землян, таких как вы и я, кислород является неотъемлемой частью жизни. Хотя 21% атмосферы Земли состоит из кислорода, мой друг Имо Лю напомнил мне, что так было не всегда.
Будучи профессором биологии в Университете штата Вашингтон, она очень интересуется жизнью на нашей планете, которой 4,6 миллиарда лет.
«После того, как у нас появится первый кислород, начнут развиваться другие организмы, которым нужен кислород», — сказал Лю.
Узнать больше
Программа предварительной оценки WSU
- Категории
- Биологические науки
Подписаться
Подпишитесь на нашу RSS-ленту, используя вашу любимую программу для чтения, или зарегистрируйтесь ниже, чтобы получать новые заголовки по электронной почте.
Подписаться на CAS в СМИ
Категории
Антропология
Астрономия
Биологические науки
Химия
Криминальное правосудие и криминология
Аналитика данных
Цифровые медиа
Английский
Среда
Филиалы
Общие исследования
Языки. и связям с общественностью
Психология
Социология
Женские, гендерные и сексуальные исследования
АрхивыАрхивы
Выбрать месяц Декабрь 2022 Ноябрь 2022 Октябрь 2022 Сентябрь 2022 Август 2022 Июль 2022 Июнь 2022 Май 2022 Апрель 2022 Март 2022 Февраль 2022 Январь 2022 Декабрь 2021 Ноябрь 2021 Октябрь 2021 Сентябрь 2021 Август 2021 Июль 2021 Июнь 1 1 2 Февраль 2021 Май 2021 Апрель 2020 Декабрь 2020 Ноябрь 2020 Октябрь 2020 Сентябрь 2020 Август 2020 Июль 2020 Июнь 2020 Май 2020 Апрель 2020 Март 2020 Февраль 2020 Январь 2020 Декабрь 2019Ноябрь 2019 г. Октябрь 2019 г. Сентябрь 2019 г. Август 2019 г., июль 2019 г., июнь 2019 г., май 2019 г. Апрель 2019 г. Март 2019 г. Февраль 2019 г.