15 фактов, которые нужно знать тем, кто хочет отправиться на Марс. Гравитация на земле и на марсе
Гравитация — сила, создавшая Вселенную
Сила притяжения определяет движение всех небесных тел
Гравитация — самая могущественная сила во Вселенной, одна из четырех фундаментальных основ мироздания, определяющая его структуру. Когда-то благодаря ей возникли планеты, звезды и целые галактики. Сегодня она удерживает на орбите Землю в ее нескончаемом путешествии вокруг Солнца.
Притяжение имеет огромное значение и для повседневной жизни человека. Благодаря этой невидимой силе пульсируют океаны нашего мира, текут реки, капли дождя падают на землю. Мы с детства ощущаем вес своего тела и окружающих предметов. Огромно влияние гравитации и на нашу хозяйственную деятельность.
Первая теория гравитации была создана Исааком Ньютоном в конце XVII столетия. Его Закон всемирного тяготения описывает данное взаимодействия в рамках классической механики. Более широко этот феномен был изложен Эйнштейном в его общей теории относительности, увидевшей свет в начале прошлого века. Процессы, происходящие с силой тяготения на уровне элементарных частиц, должна объяснить квантовая теория гравитации, но ее еще только предстоит создать.
Сегодня мы знаем о природе гравитации гораздо больше, чем во времена Ньютона, но, несмотря на столетия изучения, она все еще остается настоящим камнем преткновения современной физики. В существующей теории гравитации есть множество белых пятен, и мы до сих пор точно не понимаем, что ее порождает, и как происходит перенос этого взаимодействия. И уж, конечно, мы очень далеки от возможности управлять силой притяжения, так что антигравитация или левитация еще долго будут существовать только на страницах фантастических романов.
Что же упало на голову Ньютона?
О природе силы, которая притягивает предметы к земле, люди задумывались во все времена, но приоткрыть завесу тайны удалось только в XVII столетии Исааку Ньютону. Основу для его прорыва заложили труды Кеплера и Галилея – блестящих ученых, изучавших движения небесных тел.
Еще полтора века до ньютоновского Закона всемирного тяготения польский астроном Коперник полагал, что притяжение — это «…не что иное, как естественное стремление, которым отец Вселенной одарил все частицы, а именно соединяться в одно общее целое, образуя тела шаровидной формы». Декарт же считал притяжение следствием возмущений в мировом эфире. Греческий философ и ученый Аристотель был уверен, что масса влияет на скорость падения тел. И только Галилео Галилей в конце XVI века доказал, что это неверно: если отсутствует сопротивление воздуха, все объекты ускоряются одинаково.
Разработка теории гравитации заняла у великого Ньютона двадцать лет жизни. Рассказы о яблоках — не более чем красивая легенда
Вопреки распространенной легенде о голове и яблоке, Ньютон шел к пониманию природы гравитации более двадцати лет. Его закон гравитации – одно из самых значимых научных открытий всех времен и народов. Он универсален и позволяет вычислять траектории небесных тел и точно описывает поведение предметов, окружающих нас. Классическая теория тяготения заложила основы небесной механики. Три закона Ньютона дали ученым возможность открывать новые планеты буквально «на кончике пера», в конце концов благодаря им человек смог преодолеть земную гравитацию и совершить полет в космос. Они подвели строгую научную базу под философскую концепцию о материальном единстве мироздания, в котором все природные явления взаимосвязаны и управляются общими физическими правилами.
Ньютон не просто опубликовал формулу, позволяющую высчитать, чему равна сила, притягивающая тела друг к другу, он создал целостную модель, в которую также вошел математический анализ. Данные теоретические выводы были неоднократно подтверждены на практике, в том числе и с помощью самых современных методов.
В ньютоновской теории любой материальный объект порождает поле притяжения, которое называется гравитационным. Причем сила пропорциональна массе обоих тел и обратно пропорциональна расстоянию между ними:
F = (G m1 m2)/r2
G – это гравитационная постоянная, которая равняется 6,67×10−11 м³/(кг·с²). Первым ее смог высчитать Генри Кавендиш в 1798 году.
В повседневной жизни и в прикладных дисциплинах о силе, с которой земля притягивает тело, говорят как о его весе. Притяжение между двумя любыми материальными объектами во Вселенной – вот что такое гравитация простыми словами.
Сила притяжения – самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий физики, но благодаря своим особенностям она способна регулировать движение звездных систем и галактик:
- Притяжение работает на любых расстояниях, в этом главное отличие силы тяжести от сильного и слабого ядерного взаимодействия. С увеличением расстояния его действие уменьшается, но оно никогда не становится равным нулю, поэтому можно сказать, что взаимное влияние оказывают даже два атома, находящиеся на разных концах галактики. Просто оно очень мало;
- Гравитация универсальна. Поле притяжения присуще любому материальному телу. Ученые пока не обнаружили на нашей планете или в космосе объект, который бы не участвовал во взаимодействии данного типа, поэтому роль гравитации в жизни Вселенной огромна. Этим тяготение отличается от электромагнитного взаимодействия, влияние которого на космические процессы минимально, поскольку в природе большинство тел электрически нейтральны. Гравитационные силы нельзя ограничить или экранировать;
- Тяготение действует не только на материю, но и на энергию. Для него не имеет никакого значения химический состав объектов, играет роль только их масса.
Используя ньютоновскую формулу, силу притяжения можно легко рассчитать. Например, гравитация на Луне в несколько раз меньше земной, потому что наш спутник имеет сравнительно небольшую массу. Но ее достаточно для формирования в Мировом океане регулярных приливов и отливов. На Земле ускорение свободного падения равняется примерно 9,81 м/с2. Причем на полюсах оно несколько больше, чем на экваторе.
Сила гравитации определяет движение Луны вокруг Земли, что вызывает чередование приливов и отливов в Мировом океане
Несмотря на огромное значение для дальнейшего развития науки, ньютоновские законы имели целый ряд слабых мест, не дававших покоя исследователям. Было непонятно, как действует гравитация через абсолютно пустое пространство на огромные расстояния, причем с непостижимой скоростью. Кроме того, постепенно стали накапливаться данные, которые противоречили законам Ньютона: например, гравитационный парадокс или смещение перигелия Меркурия. Стало очевидным, что теория всемирного тяготения требует доработки. Эта честь выпала на долю гениального немецкого физика Альберта Эйнштейна.
Притяжение и теория относительности
Отказ Ньютона обсуждать природу гравитации («Я гипотез не измышляю») был очевидной слабостью его концепции. Неудивительно, что в последующие годы появилось множество теорий гравитации.
Большинство из них относились к так называемым гидродинамическим моделям, которые пытались обосновать возникновение тяготения механическим взаимодействием материальных объектов с некой промежуточной субстанцией, имеющей те или иные свойства. Исследователи называли ее по-разному: «вакуум», «эфир», «поток гравитонов» и т. д. В этом случае сила притяжения между телами возникала в результате изменения этой субстанции, при ее поглощении объектами или экранировании потоков. В реальности все подобные теории имели один серьезный недостаток: довольно точно предсказывая зависимость гравитационной силы от расстояния, они должны были приводить к торможению тел, которые двигались относительно «эфира» или «потока гравитонов».
Эйнштейн подошел к решению этого вопроса с другой стороны. В его общей теории относительности (ОТО) гравитация рассматривается не как взаимодействие сил, а как свойство самого пространства-времени. Любой объект, имеющий массу, приводит к его искривлению, что и вызывает притяжение. В этом случае гравитация – это геометрический эффект, который рассматривается в рамках неевклидовой геометрии.
Проще говоря, пространственно-временной континуум воздействует на материю, обуславливая ее движение. А та, в свою очередь, влияет на пространство, «указывая» ему, как искривляться.
Действие гравитации с точки зрения Эйнштейна
Силы притяжения действуют и в микромире, но на уровне элементарных частиц их влияние, по сравнению с электростатическим взаимодействием, ничтожно. Физики считают, что гравитационное взаимодействие не уступало остальным в первые мгновенья (10 -43 сек.) после Большого взрыва.
В настоящее время концепция гравитации, предложенная в общей теории относительности, является основной рабочей гипотезой, принятой большинством научного сообщества и подтвержденной результатами многочисленных опытов.
Эйнштейн в своей работе предвидел удивительные эффекты гравитационных сил, большая часть из которых уже нашла подтверждение. Например, возможность массивных тел искривлять световые лучи и даже замедлять течение времени. Последний феномен обязательно учитывается при работе глобальных спутниковых систем навигации, таких как ГЛОНАСС и GPS, в противном случае через несколько суток их погрешность составляла бы десятки километров.
Кроме того, следствием теории Эйнштейна являются так называемые тонкие эффекты гравитации, такие как гравимагнитное поле и увлечение инерциальных систем отсчёта (он же эффект Лензе-Тирринга). Эти проявления силы тяготения настолько слабы, что долгое время их не могли обнаружить. Только в 2005 году благодаря уникальной миссии НАСА Gravity Probe B был подтверждён эффект Лензе-Тирринга.
Гравитационное излучение или самое фундаментальное открытие последних лет
Гравитационные волны – это колебания геометрической пространственно-временной структуры, распространяющиеся со скоростью света. Существование этого феномена также было предсказано Эйнштейном в ОТО, но из-за слабости силы тяготения его величина очень мала, поэтому долгое время его не могли обнаружить. В пользу существования излучения говорили только косвенные свидетельства.
Подобные волны генерируют любые материальные объекты, движущиеся с асимметричным ускорением. Ученые описывают их как «рябь пространства-времени». Наиболее мощными источниками такого излучения являются сталкивающиеся галактики и коллапсирующие системы, состоящие из двух объектов. Типичный пример последнего случая – слияние черных дыр или нейтронных звезд. При подобных процессах гравитационное излучение может переходить более 50% от общей массы системы.
Так можно изобразить «рябь пространства-времени», которые и являются гравитационным излучением
Гравитационные волны впервые были обнаружены в 2015 году с помощью двух обсерваторий LIGO. Практически сразу это событие получило статус крупнейшего открытия в физике за последние десятилетия. В 2017 году за него была присуждена Нобелевская премия. После этого ученым еще несколько раз удавалось фиксировать гравитационное излучение.
Еще в 70-е годы прошлого века – задолго до экспериментального подтверждения – ученые предлагали использовать гравитационное излучение для осуществления дальней связи. Его несомненное преимущество – это высокая способность проходить сквозь любые вещества, не поглощаясь. Но в настоящее время это вряд ли возможно, потому что существуют огромные трудности с генерацией и приемом этих волн. Да и реальных знаний относительно природы гравитации у нас пока недостаточно.
Сегодня в разных странах мира работает несколько установок, подобных LIGO и строятся новые. Вероятно, что в ближайшем будущем о гравитационном излучении мы узнаем больше.
Альтернативные теории всемирного тяготения и причины их создания
В настоящий момент доминирующей концепцией гравитации является ОТО. С ней согласуется весь существующий массив экспериментальных данных и наблюдений. В то же время она имеет большое количество откровенно слабых мест и спорных моментов, поэтому попытки создания новых моделей, объясняющих природу гравитации, не прекращаются.
Все, разработанные к настоящему моменту теории всемирного тяготения можно разбить на несколько основных групп:
- стандартные;
- альтернативные;
- квантовые;
- теории единого поля.
Попытки создания новой концепции всемирного тяготения предпринимались еще в XIX столетии. Разные авторы включали в нее эфир или корпускулярную теорию света. Но появление ОТО поставило точку на этих изысканиях. После ее публикации цель ученых изменилась — теперь их усилия были направлены на улучшение модели Эйнштейна, включение в нее новых природных явлений: спина частиц, расширения Вселенной и др.
К началу 80-х годов физики экспериментальным путем отвергли все концепции, за исключением тех, которые включали в себя ОТО как неотъемлемую часть. В это время в моду вошли «струнные теории», выглядевшие весьма многообещающе. Но опытного подтверждения эти гипотезы так и не нашли. За последние десятилетия наука достигла значительных высот и накопила огромный массив эмпирических данных. Сегодня попытки создать альтернативные теории гравитации вдохновляются в основном космологическими исследованиями, связанными с такими понятиями, как «темная материя», «инфляция», «темная энергия».
Одной из главных задач современной физики является объединение двух фундаментальных направлений: квантовой теории и ОТО. Ученые стремятся связать притяжение с остальными видами взаимодействий, создав таким образом «теорию всего». Именно этим и занимается квантовая гравитация – раздел физики, который пытается дать квантовое описание гравитационного взаимодействия. Ответвлением данного направления является теория петлевой гравитации.
Несмотря на активные и многолетние усилия, достичь этой цели пока не удается. И дело даже не в сложности этой задачи: просто в основе квантовой теории и ОТО лежат абсолютно разные парадигмы. Квантовая механика работает с физическими системами, действующими на фоне обычного пространства-времени. А в теории относительности само пространство-время — это динамическая составляющая, зависящая от параметров классических систем, находящихся в ней.
Наряду с научными гипотезами всемирного тяготения, существуют и теории, весьма далекие от современной физики. К сожалению, в последние годы подобные «опусы» просто заполонили интернет и полки книжных магазинов. Некоторые авторы таких
militaryarms.ru
15 фактов, которые нужно знать тем, кто хочет отправиться на Марс
Невероятные факты
Проект Mars One намерен отправить первых людей на Марс с целью основать там первую колонию.
Однако этот полет будет в один конец, и никто не вернётся.
Более 200 000 людей подали заявки на полет на Марс, и были выбраны первые 1058 человек, которые пройдут в следующий этап. Группа из первых 4-х отобранных человек приземлится на Красной планете уже в 2025 году, но каждые два года к ним будет присоединяться следующая группа марсонавтов.
Вот несколько фактов, которые нужно знать всем желающим навсегда покинуть планету Земля и отправиться на Марс.
Сколько лететь до Марса?
1. Это будет очень долгий и невеселый полет
Компания Mars One заявила, что полет займет от 7-ми до 8-ми месяцев (минимум 210 дней), в зависимости от взаимного расположения Земли и Марса.
Космонавты проведут все это время в очень тесном пространстве (около 20 кв. метров на каждого), лишенные многих удобств. Они не смогут помыться, будут питаться консервами и слышать постоянный шум от вентиляторов, компьютеров и систем поддержания жизни. В случае солнечной бури им придется укрыться в еще более узком пространстве для защиты.
2. Это станет испытанием для психики
Когда Россией был проведен проект Марс-500, где шесть добровольцев находились в замкнутом пространстве в течение 520 дней, выяснилось, что у четырёх из них во время миссии появились проблемы со сном или развилась депрессия.
У одного члена экипажа появилось хроническое недосыпание, из-за чего пострадала его концентрация и внимание.
Читайте также: Завершился 520-дневный "полет на Марс"
Полет на Марс
3. Люди никогда не были в космосе так долго
В настоящий момент космонавты проводят не больше полугода на Международной космической станции. Это связано с тем, как микрогравитация влияет на организм человека, включая потерю костной и мышечной ткани. Стоит помнить, что полет на Марс займет не меньше 200 дней, что больше полугода.
Время на Марсе и год на Марсе
4. Будет сложно привыкнуть к марсианскому времени
День на Марсе длится на 40 минут длиннее, чем на Земле. Хотя это может показаться не такой большой разницей, для нас, тех, кто привык жить по 24-часовому циклу, это станет довольно ощутимо.
В то же время год на Марсе длится 687 дней, а это значит, что те, кто будет жить на Красной планете, будут почти в два раза моложе землян.
Полет на Марс в один конец
5. Вы никогда больше не увидите Землю
Когда космонавты программы "Аполлон" отправились на Луну, они говорили о том, что чувствовали замешательство и расстройство по мере того, как все больше удалялись от Земли. Однако по сравнению с Марсом, Луна находится не так далеко.
Гравитация на Марсе
6. Как только вы привыкните к гравитации на Марсе, вы не сможете вернуться на Землю
Гравитация на Марсе составляет одну треть от земной. Так если бы ваш вес составлял 100 кг, то на Марсе вы бы весили 38 кг. Кости и мышцы человека атрофируются, и через какое-то время человеку уже будет сложно привыкнуть к земным условиям.
С такой же ситуацией сталкиваются космонавты, возвращающиеся на Землю.
Люди на Марсе
7. Первые поселенцы на Марсе не смогут иметь детей
Организаторы миссии Mars One советуют первым поселенцам не предпринимать попыток зачать детей. Во-первых, первое время колонии на Марсе не будут приспособлены для детей. Во-вторых, пока мало что известно о способности людей к зачатию в условиях сниженной гравитации и о том, сможет ли плод нормально развиваться в таких условиях.
8. Вам нужно будет постоянно поддерживать себя в форме
Если вы не любите физические упражнения, то полет на Марс - не для вас. Кости, мышцы, сердце и легкие работают по-другому в космосе. Космонавты на МКС тренируются по два часа в день, чтобы поддерживать нормальное состояние.
Условия жизни на Марсе
9. В случае болезни, вы будете находиться на расстоянии 362 миллионов км от Земли
Хотя у космонавтов будут необходимые средства для оказания помощи при распространённых травмах и болезнях, определённые заболевания будет достаточно трудно или практически невозможно лечить.
10. Вы всегда можете заразиться чем-то неизвестным на Марсе
Перед каждой миссией на Марс ученые предпринимают все усилия для дезинфекции марсоходов, чтобы бактерии с Земли не попали на Марс.
Однако в случае заражения космонавтов на Марсе, земляне вряд ли примут (если б это было возможно) их обратно, так как это может привести к распространению неизведанной внеземной эпидемии.
11. Вы больше не попробуете свои любимые блюда
Организаторы планируют, что колонизаторы будут выращивать на Марсе овощи. Так как количество еды, привезенной с Земли, будет ограничено, они в основном будут питаться тем, что вырастят, как например, шпинатом, салатом латук и соевыми бобами.
Читайте также: Чем будут питаться космонавты на Марсе?
Атмосфера на Марсе
12. Вы не сможете выйти на свежий воздух
Атмосфера на Марсе очень разреженная - около 1 процента от земной. Она на 96 процентов состоит из углекислого газа с небольшими следами кислорода.
Кроме того, на Марсе бывают огромные песчаные бури, которые могут продолжаться часам и накрыть планету на несколько дней. Этот песок может быть токсичным для людей. Космонавты смогут выходить за пределы поселения, но только в скафандрах.
Сигнал до Марса
13. Не будет ни общения по телефону, ни Интернета
Информация, отправленная с Марса, будет идти с задержкой в 3-22 минуты, а текстовые сообщения будут передаваться с задержкой в 6 минут, так что телефонная связь будет не очень практичной. Космонавты также не смогут воспользоваться Интернетом, за исключением нескольких сайтов, которые будут загружены с Земли.
Компания Mars One утверждает, что таким образом у марсонавтов будет доступ к любимым сайтам, но они не смогут бродить по Всемирной паутине.
Радиация на Марсе
14. Вы подвергнетесь высокому уровню радиации
Когда марсоход Curiosity отправился в 360-дневный полет на Марс, ученые измерили количество радиации, чтобы узнать, какому уровню радиации подвергнутся люди. Результат - 662 плюс минус 108 миллизиверт. Это примерно две трети от предельного количества радиации (1000 миллизиверт) за всю жизнь, которой подвергаются космонавты.
Так как на Марсе нет защитного магнитного поля, как на Земле, вы подвергнетесь еще большему количеству радиации каждый раз, когда будете выходить на поверхность.
Читайте также: Радиация станет главным препятствием для полетов людей на Марс
15. И если вы еще не поняли, вы умрете на Марсе, вдали от других людей.
Многие болезни будут неизлечимы на Красной планете. А даже если вы сможете вылечиться, вы умрете в миллионах километрах от друзей и семьи.
Перевод: Филипенко Л. В.
www.infoniac.ru
Сила тяжести на других планетах
До изобретения телескопа было известно лишь семь планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Земля и Луна. Их количество многих устраивало. Поэтому, когда в 1610 г. вышла книга Галилея «Звездный вестник», в которой он сообщил, что с помощью своей «зрительной трубы» ему удалось обнаружить еще четыре небесных тела, «никем еще не виданные от начала мира до наших дней» (спутники Юпитера), то это вызвало сенсацию. Сторонники Галилея радовались новым открытиям, противники же объявили ученому непримиримую войну.
Уже через год в Венеции вышла книга «Размышления об астрономии, оптике и физике», в которой автор утверждал, что Галилей заблуждается и число планет должно быть обязательно семь, так как, во-первых, в Ветхом Завете упоминается семисвечник (а это означает семь планет), во-вторых, в голове имеется лишь семь отверстий, в-третьих, существует только семь металлов и, в-четвертых, «спутники не видны для простого глаза, а поэтому и не могут оказывать влияние на Землю, следовательно, они не нужны, а поэтому они не существуют».
Однако подобными аргументами нельзя было остановить развитие науки, и теперь мы точно знаем, что спутники Юпитера существуют и число планет вовсе не равно семи. Вокруг Солнца обращаются девять больших планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон, из которых лишь первые две не обладают спутниками) и свыше трех тысяч малых планет, называемых астероидами.
Спутники обращаются вокруг своих планет под действием их гравитационного поля. Сила тяжести на поверхности каждой из планет может быть найдена по формуле FT = mg, где g = GM/R2 — ускорение свободного падения на планете. Подставляя в последнюю формулу массу M и радиус R разных планет, можно рассчитать, чему равно ускорение свободного падения g на каждой из них. Результаты этих расчетов (в виде отношения ускорения свободного падения на данной планете к ускорению свободного падения на поверхности Земли) приведены в таблице 7.
Из этой таблицы видно, что наибольшее ускорение свободного падения и, следовательно, наибольшая сила тяжести на Юпитере. Это самая большая планета Солнечной системы; ее радиус в 11 раз, а масса в 318 раз больше, чем у Земли. Слабее всего притяжение на далеком Плутоне. Эта планета меньше Луны: ее радиус всего лишь 1150 км, а масса в 500 раз меньше, чем у Земли!
Еще меньшей массой обладают малые планеты Солнечной системы. 98% этих небесных тел обращаются вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера, образуя так называемый пояс астероидов. Первый и самый большой астероид — Церера был открыт в 1801 г. Его радиус около 500 км, а масса примерно 1,2*1021 кг (т. е. в 5000 раз меньше, чем у Земли). Нетрудно подсчитать, что ускорение свободного падения на Церере примерно в 32 раза меньше, чем на Земле! Во столько же раз меньше там оказывается и вес любого тела. Поэтому космонавт, оказавшийся на Церере, смог бы поднять груз массой 1,5 т (рис. 110).
На Церере, однако, пока еще никто не был. А вот на Луне люди уже побывали. Впервые это произошло летом 1969 г., когда космический корабль «Аполлон-11» доставил на наш естественный спутник трех американских астронавтов: Н. Армстронга, Э. Олдрина и М. Коллинза. «Конечно, — рассказал потом Армстронг,— в условиях лунного притяжения хочется прыгать вверх... Наибольшая высота прыжка составляла два метра — Олдрин прыгнул до третьей ступеньки лестницы лунной кабины. Падения не имели неприятных последствий. Скорость настолько мала, что нет оснований опасаться каких-либо травм».
Ускорение свободного падения на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле. Поэтому, прыгая вверх, человек поднимается там на высоту, в 6 раз большую, чем на Земле. Чтобы подпрыгнуть на Луне на 2 м, как это сделал Олдрин, требуется приложить такое же усилие, что и на Земле при прыжке на высоту 33 см.
Первые астронавты находились на Луне 21 ч 36 мин. 21 июля они стартовали с Луны, а 24 июля «Аполлон-11» уже приводнился в Тихом океане. Люди покинули Луну, но на ней осталось пять медалей с изображениями пяти погибших космонавтов. Это Ю. А. Гагарин, В. М. Комаров, В. Гриссом, Э. Уайт и R Чаффи.
??? 1. Перечислите все большие планеты, входящие в состав Солнечной системы. 2. Как называется самая большая из них и самая маленькая? 3. Во сколько раз вес человека на Юпитере превышает вес того же человека на Земле? 4. Во сколько раз сила тяжести на Марсе меньше, чем на Земле? 5. Что вы знаете о Церере? 6. Почему походка астронавтов на Луне напоминала скорее прыжки, чем обычную ходьбу?
phscs.ru
Предстоящий полет на Марс, к вопросу о гравитации.
Предстоящий полет человека на Марс всколыхнул все земное сообщество, став самой обсуждаемой темой за последние полвека. Это и вправду знатное событие в истории земной цивилизации, от которого мы ждём не только колонизации Марса, но также эволюционного витка к «человеку космического масштаба«.
Марсианские города — будущее Четвертой планеты
Отправляясь в путешествие по неизведанным дорогом, надо оценивать и опасность задуманного предприятия. Космос не любит торопливых, ведь хорошо известно — космическое пространство не отличается покладистостью доброго нрава.
Большинство проблем, связанных с большой продолжительностью космического полета (без учета радиационных влияний) уменьшаются или устраняются с помощью искусственной гравитации.Тогда как неблагоприятное влияние отсутствия гравитации и влияние радиационной обстановки выступают крупнейшими препятствиями на пути освоения Солнечной системы.
Передовые позиции в изучении Марса занимает NASA, активно наступающая на территории Красной планеты. Подобную миссию преследует «Элон Маск и К°», сосредоточив серьёзные мощности на немедленной колонизации Марса.
Но ведь если кто-то хочет выйти за пределы низкой околоземной орбиты, то Луна представляется более очевидным выбором, поскольку низкие эффекты гравитации могут быть исследованы более тщательно, причём в трёх днях пути от дома.
Наша ближайшая соседка отличное место для тестирования технологий длительных полётов в космосе, не так ли? На Луне можно хорошо «обкатать» и доработать по максимуму конструкции обитаемых баз в условиях чуждой окружающей среды.И ещё момент — при отработке лунных задач, конструкции космических аппаратов могут найти более совершенные технологии для длительных путешествий. Вы согласны с этим?
Так почему же НАСА не желает вернуться на Луну, отдавая предпочтение человеческому присутствию на Марсе? Почему Space X, так настойчиво игнорирует Луну, устремляясь к Марсу?
Впрочем, мы сейчас не преследуем цели теории заговора, якобы: «там явно что-то знают о катастрофе идущей на Землю», поэтому они хотят уйти на Красную планету. Нам просто интересен вопрос дальних странствий.
Слабое притяжение искусственной гравитации.
Концепция искусственной гравитации вызывается в воображении кадрами гигантских вращающихся модулей космических станций, как например в «Космической Одиссее 2001». Это выглядит самым приемлемым решением в плане длительных космических полётов. Да, это взгляд на вопрос глазами не специалиста, но потенциального путешественника.
Однако, создание даже примитивных конструкций, для получения искусственной силы тяжести, видимо более сложная задача, чем та, что НАСА или Space X готово решить при современном уровне технологий.Невесомость может быть, как восхитительна, так и коварна. С одной стороны, это позволяет астронавтам совершать невозможные на Земле вещи: например, перемещение крупногабаритного оборудования лёгким движением руки. И, конечно же, представляет серьезный интерес для ученых: начиная от биологии до материальных наук гидродинамики.
Длительное пребывание человека в условиях невесомости изучалось в течение многих десятилетий, и вывод тревожен — серьезные последствия для здоровья космонавтов. Исследователи набрали длинный перечень медицинских проблем, от хрупкости костей и потери мышечной массы до утери зрения.
НАСА планирует космические полеты за пределы околоземной орбиты, на Марс, длительностью от шести до девяти месяцев. Там разрабатывают способы по устранению последствий невесомости. Противоборство в основном заключается в составлении ежедневных часовых упражнениях, что является приоритетом для агентства.
Да, специалисты разрабатывают комплекс упражнений для противодействия невесомости, вымывающий кальций из костей. При этом никто не ведет эксперименты с контрмерой — созданием гравитации. А ведь это давно предложено в качестве средства для обеспечения по меньшей мере частичной тяжести, возможно достаточной, для снятия проблем со здоровьем.
Тем не менее, как это ни удивительно, искусственная гравитация является низким приоритетом в НАСА и Space X. Может быть, агентства еще не готовы в полной мере выйти в космос, слишком торопятся, отправляя людей и в без того опасный путь?
Ни один космический корабль марсианской миссии с человеком на борту, не предусматривает вращающихся конструкций в той или иной форме, для создания эффекта гравитации.Даже гигантский космический аппарат «Межпланетная транспортная система Space X», запланированный перевозить 100 человек разом, не создаёт искусственную силу тяжести, — а ведь в сущности, это уже обитаемая станция в космосе.
Специалисты о проблеме гравитации говорят:
Майкл Барратт, астронавт НАСА и врач, пояснил причины, почему агентство не приняло искусственную гравитацию как меру противодействия невесомости: Мы можем сохранить кости и мышцы, сердечно-сосудистую систему в порядке, сказал он в ходе конференции 2016 года в сентябре в Лонг-Бич, штат Калифорния. Мы не нуждаемся в искусственной гравитации.
Точку зрения астронавта поддержали руководители НАСА: Потеря костной ткани, потеря мышечной массы, работа вестибулярного аппарата, это те виды вещей, чью нормальную работу мы можем контролировать с помощью упражнений, говорит Билл Герстенмайер.Элон Маск, представляя проект марсианской миссии, не был озабочен проблемой невесомости, отклоняя создание местной гравитации для экипажа кораблей. «Я думаю, что вопросы по существу проблемы решены», считает вдохновитель Space X.Попутно говоря, что длительных полетов на МКС намного больше, чем время в запланированном путешествии на Марс.
Техническая реализация искусственной гравитации.
Тем не менее, эксперты рассматривали варианты по созданию силы тяжести. Серьёзной проблемой выступает техническая сторона проекта космического корабля, реализующего идею искусственной гравитации, либо посредством вращающегося модуля, либо созданием некой центрифуги.
«Мы рассмотрели много конструкций транспортных средств, пытаясь обеспечить искусственную гравитацию различными способами. На самом деле, это просто не работает, — поясняет Герстенмайер. Это существенная модернизация космического аппарата. Очень большая работа, тогда как есть задача просто попасть на Марс.
Хуже того, полагают специалисты: включение одной секции корабля поддерживающую силу тяжести, может создать новую череду проблем, потому что астронавты должны будут регулярно реадаптироваться между невесомостью и силой тяжести.
В свою очередь, это может спровоцировать синдром адаптации пространства. Астронавтам придётся пересекать зоны с невесомостью и гравитацией по нескольку раз в сутки, что может быть более проблематичным, чем просто пребывание в невесомости.
Баррет отметил, что он и его коллеги имеют технические озабоченности по поводу конструкции космических аппаратов, реализующих искусственную гравитацию. Космонавты боятся искусственной гравитации. Почему? Мы не любим большие движущиеся части.
Проблемы со зрением отмечали у некоторых астронавтов, что может привести к переоценке важности искусственной гравитации. В то же время, причина нарушения зрения не известна, и нет гарантии, что сила тяжести сможет устранить проблему.Есть много идей о том, почему это происходит. Одним из факторов является повышение уровня углекислого газа, полагают специалисты. Так, уровень углекислого газа на МКС в десять раз выше, чем в нормальных атмосферных условиях на Земле.
— Скорее всего, отсутствие гравитации связано с недостатком технологий, которых для решения вопроса на сегодня попросту нет. Ведь даже Герстенмайер, несколько скептически относясь к необходимости силы тяжести, не исключает этого полностью.Да, как мы теперь понимаем гравитация на космических кораблях-станциях дело технологий будущего.
Сегодня же, участники марсианской гонки стремятся первыми прибыть на Марс и развернуть там хоть что-то пригодное для жизни.Человечеству нужен подвиг: ослабленные долгим перелетом, на чужой планете, в непригодной для жизни атмосфере, — колонисты будут строить убежища, и выстраивать жизнь на Красной планете.Но кто-нибудь, может мне сказать, к чему такая спешка, когда наступление похоже на бегство?
hronokod.ru
Притяжение на марсе в сравнении с землей – гравитация на венере
Сила тяжести на других планетах
Представим себе, что мы отправляемся в путешествие по Солнечной системе. Какова сила тяжести на других планетах? На каких мы будем легче, чем на Земле, а на каких тяжелее?
Пока мы еще не покинули Землю, проделаем такой опыт: мысленно опустимся на один из земных полюсов, а затем представим себе, что мы перенеслись на экватор. Интересно, изменился ли наш вес?
Известно, что вес любого тела определяется силой притяжения (силой тяжести). Она прямо пропорциональна массе планеты и обратно пропорциональна квадрату ее радиуса (об этом мы впервые узнали из школьного учебника физики). Следовательно, если бы наша Земля была строго шарообразна, то вес каждого предмета при перемещении по ее поверхности оставался бы неизменным.
Но Земля — не шар. Она сплюснута у полюсов и вытянута вдоль экватора. Экваториальный радиус Земли длиннее полярного на 21 км. Выходит, что сила земного притяжения действует на экваторе как бы издалека. Вот почему вес одного и того же тела в разных местах Земли неодинаков.
Тяжелее всего предметы должны быть на земных полюсах и легче всего — на экваторе. Здесь они становятся легче на 1/190 по сравнению с их весом на полюсах. Конечно, обнаружить это изменение веса можно только с помощью пружинных весов. Небольшое уменьшение веса предметов на экваторе происходит также за счет центробежной силы, возникающей вследствие вращения Земли. Таким образом, вес взрослого человека, прибывшего с высоких полярных широт на экватор, уменьшится в общей сложности примерно на 0,5 кг.
Теперь уместно спросить: а как будет изменяться вес человека, путешествующего по планетам Солнечной системы?
Наша первая космическая станция — Марс. Сколько же человек будет весить на Марсе? Сделать такой расчет нетрудно. Для этого необходимо знать массу и радиус Марса.
Как известно, масса «красной планеты» в 9,31 раза меньше массы Земли, а радиус в 1,88 раза уступает радиусу земного шара. Следовательно, из-за действия первого фактора сила тяжести на поверхности Марса должна быть в 9,31 раза меньше, а из-за второго — в 3,53 раза больше, чем у нас (1,88 * 1,88 = 3,53). В конечном счете она составляет там немногим более 1/3 части земной силы тяжести (3,53 : 9,31 = 0,38). Таким же образом можно определить напряжение силы тяжести на любом небесном теле.
Теперь условимся, что на Земле космонавт-путешественник весит ровно 70 кг. Тогда для других планет получим следующие значения веса (планеты расположены в порядке возрастания веса):
Плутон 4,5 Меркурий 26,5 Марс 26,5 Сатурн 62,7 Уран 63,4 Венера 63,4 Земля 70,0 Нептун 79,6 Юпитер 161,2 Как видим, Земля по напряжению силы тяжести занимает промежуточное положение между планетами-гигантами. На двух из них — Сатурне и Уране — сила тяжести несколько меньше, чем на Земле, а на двух других — Юпитере и Нептуне — больше. Правда, для Юпитера и Сатурна вес дан с учетом действия центробежной силы (они быстро вращаются). Последняя уменьшает вес тела на экваторе на несколько процентов.
Следует заметить, что для планет-гигантов значения веса даны на уровне верхнего облачного слоя, а не на уровне твердой поверхности, как у земноподобных планет (Меркурия, Венеры, Земли, Марса) и у Плутона.
На поверхности Венеры человек окажется почти на 10% легче, чем на Земле. Зато на Меркурии и на Марсе уменьшение веса произойдет в 2,6 раза. Что же касается Плутона, то на нем человек будет в 2,5 раза легче, чем на Луне, или в 15,5 раза легче, чем в земных условиях.
А вот на Солнце гравитация (притяжение) в 28 раз сильнее, чем на Земле. Человеческое тело весило бы там 2 т и было бы мгновенно раздавлено собственной тяжестью. Впрочем, еще не достигнув Солнца, все превратилось бы в раскаленный газ. Другое дело — крошечные небесные тела, такие как спутники Марса и астероиды. На многих из них по легкости можно уподобиться… воробью!
Вполне понятно, что путешествовать по другим планетам человек может только в специальном герметичном скафандре, снабженном приборами системы жизнеобеспечения. Вес скафандра американских астронавтов, в котором они выходили на поверхность Луны, равен примерно весу взрослого человека. Поэтому приведенные нами значения веса космического путешественника на других планетах надо по меньшей мере удвоить. Только тогда мы получим весовые величины, близкие к действительным.
Коротцев О.Н.
В начало страницы
rpilot62.ru
Сила тяжести на других планетах
О путешествиях к звездам люди мечтали издревле, начиная с тех времен, когда первые астрономы рассмотрели в примитивные телескопы иные планеты нашей системы и их спутники. С тех пор прошло много веков, но увы, межпланетные и тем более полеты к другим звездам невозможны и сейчас. А единственным внеземным объектом, где побывали исследователи, является Луна. Мы знаем, что силой тяжести называется сила, с которой Земля притягивает различные тела.
Сила тяжести всегда направлена к центру планеты. Сила тяжести сообщает телу ускорение, которое называется ускорением свободного падения и численно равно 9,8м/с2. Это значит, что любое тело, независимо от его массы при свободном падении (без сопротивления воздуха) изменяет свою скорость за каждую секунду падения на 9,8 м/с.
Используя формулу для нахождения ускорения свободного падения
g = GМ/R2
, мы можем рассчитать значения g на поверхности любой планеты.
Масса планет M и их радиус R известны благодаря астрономическим наблюдениям и сложным расчетам.
а G — гравитационная постоянная (6,6742•10-11 м3с-2кг-1).
Если применить эту формулу для вычисления гравитационного ускорения на поверхности Земли (масса М = 5,9736•1024 кг, радиус R = 6,371•106 м), мы получим g=6,6742 * 10 *5,9736 / 6,371*6,371 = 9,822м/с2
Стандартное («нормальное») значение, принятое при построении систем единиц, g = 9,80665 м/с2, а в технических расчётах обычно принимают g = 9,81 м/с2.
Стандартное значение g было определено как «среднее» в каком-то смысле ускорение свободного падения на Земле, примерно равно ускорению свободного падения на широте 45,5° на уровне моря.
Благодаря притяжению к Земле течет вода в реках. Человек, подпрыгнув, опускается на Землю, потому что Земля притягивает его. Земля притягивает к себе все тела: Луну, воду морей и океанов, дома, спутники и т. п. Благодаря силе тяжести облик нашей планеты непрерывно меняется. Сходят с гор лавины, движутся ледники, обрушиваются камнепады, выпадают дожди, текут реки с холмов на равнины.
Все живые существа на земле чувствуют ее притяжение. Растения также «чувствуют» действие и направление силы тяжести, из-за чего главный корень всегда растет вниз, к центру земли, а стебель вверх.
Земля и все остальные планеты, движущиеся вокруг Солнца, притягиваются к нему и друг к другу. Не только Земля притягивает к себе тела, но и эти тела притягивают к себе Землю. Притягивают друг друга и все тела на Земле. Например, притяжение со стороны Луны вызывает на Земле приливы и отливы воды, огромные массы которой поднимаются в океанах и морях дважды в сутки на высоту нескольких метров. Притягивают друг друга и все тела на Земле. Поэтому ВЗАИМНОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ ВСЕХ ТЕЛ ВСЕЛЕННОЙ НАЗЫВАЕТСЯ ВСЕМИРНЫМ ТЯГОТЕНИЕМ.
Чтобы определить силу тяжести, действующую на тело любой массы, необходимо ускорение свободного падения умножить на массу этого тела.
F = g * m,
где m-масса тела, g – ускорение свободного падения.
Из формулы видно, что значение силы тяжести увеличивается с увеличением массы тела. Так же видно, что сила тяжести зависит также от величины ускорения свободного падения. Значит, делаем вывод: для тела неизменной массы значение силы тяжести меняется с изменение ускорения свободного падения.
Используя формулу для нахождения ускорения свободного падения g=GМ/R2
, мы можем рассчитать значения g на поверхности любой планеты. Масса планет M и их радиус R известны благодаря астрономическим наблю¬дениям и сложным расчетам. где G — гравитационная постоянная (6,6742•10-11 м3с-2кг-1).
Планеты издавна делились учеными на две группы. Первая – это планеты земного типа: Меркурий, Венера, Земля, Марс, с недавних пор – Плутон. Для них характерны относительно небольшие размеры, малое количество спутников и твердое состояние. Оставшиеся – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун – планеты-гиганты, состоящие из газообразного водорода и гелия. Все они движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, отклоняясь от заданной траектории, если рядом проходит планета-сосед.
Наша «первая космическая станция» - Марс. Сколько же человек будет весить на Марсе? Сделать такой расчет нетрудно. Для этого необходимо знать массу и радиус Марса.
Как известно, масса "красной планеты" в 9,31 раза меньше массы Земли, а радиус в 1,88 раза уступает радиусу земного шара. Следовательно, из-за действия первого фактора сила тяжести на поверхности Марса должна быть в 9,31 раза меньше, а из-за второго - в 3,53 раза больше, чем у нас (1,88 * 1,88 = 3,53). В конечном счете она составляет там немногим более 1/3 части земной силы тяжести (3,53 : 9,31 = 0,38). Она составляет 0,38 g от земной, это примерно в два раза меньше. Это значит, что на красной планете можно скакать и прыгать гораздо выше, чем на Земле, и все тяжести весить будут также значительно меньше. Таким же образом можно определить напряжение силы тяжести на любом небесном теле.
Теперь определим, напряжение силы тяжести на Луне. Масса Луны, как мы знаем, в 81 раз меньше массы Земли. Если бы Земля обладала такой маленькой массой, то напряжение силы тяжести на ее поверхности было бы в 81 раз слабее, чем теперь. Но по закону Ньютона шар притягивает так, словно вся его масса сосредоточена в центре. Центр Земли отстоит от ее поверхности на расстоянии земного радиуса, центр Луны – на расстоянии лунного радиуса. Но лунный радиус составляет 27/100 земного, а от уменьшения расстояния в 100/27 раза сила притяжения увеличивается в (100/27)2 раз. Значит, в конечном итоге напряжение силы тяжести на поверхности Луны составляет
1002 / 272 * 81 = 1 / 6 земного
Любопытно, что если бы на Луне существовала вода, пловец чувствовал бы себя в лунном водоеме так же, как на Земле. Его вес уменьшился бы в шесть раз, но во столько же раз уменьшился бы и вес вытесняемой им воды; соотношение между ними было бы такое же, как на Земле, и пловец погружался бы в воду Луны ровно на столько же, на сколько погружается он у нас.
ускорение свободного падения на поверхности некоторых небесных тел, м/с2
Солнце 273,1
Меркурий 3,68—3,74
Венера 8,88
Земля 9,81
Луна 1,62
Церера 0,27
Марс 3,86
Юпитер 23,95
Сатурн 10,44
Уран 8,86
Нептун 11,09
Плутон 0,61
Как видно из таблицы, почти идентичное значение ускорения свободного падения присутствует на Венере и составляет 0,906 от земной.
Теперь условимся, что на Земле космонавт-путешественник весит ровно 70кг. Тогда для других планет получим следующие значения веса (планеты расположены в порядке возрастания веса):
Плутон – 43 Н
Меркурий - 260 Н
Марс - 270 Н
Сатурн -730 Н
Уран 620 Н
Венера - 622 Н
Земля - 786 Н
Нептун - 776 Н
Юпитер – 1677 Н
Как видим, Земля по напряжению силы тяжести занимает промежуточное положение между планетами-гигантами. На двух из них - Сатурне и Уране - сила тяжести несколько меньше, чем на Земле, а на двух других - Юпитере и Нептуне - больше. Сила тяжести на Юпитере составляет 2,535 g относительно земной. Правда, для Юпитера и Сатурна вес дан с учетом действия центробежной силы (они быстро вращаются). Последняя уменьшает вес тела на экваторе на несколько процентов.
На поверхности Венеры человек окажется почти на 10% легче, чем на Земле. Зато на Меркурии и на Марсе уменьшение веса произойдет в 2,6 раза. Что же касается Плутона, то на нем человек будет в 2,5 раза легче, чем на Луне, или в 15,5 раза легче, чем в земных условиях.
Самое близкое к нам небесное тело - Луна. Люди там уже побывали и убедились в том, что действительно ускорение свободного падения на Луне в 6 раз меньше земного.
А вот на Солнце гравитация (притяжение) в 28 раз сильнее, чем на Земле. Человеческое тело весило бы там 20000 Н и было бы мгновенно раздавлено собственной тяжестью.
Вывод:
Если нам предстоит космическое путешествие по планетам Солнечной системе, то нужно быть готовым к тому, что наш вес будет меняться. Сила притяжения также оказывает различные воздействия на живых существ. Попросту говоря, когда будут открыты другие обитаемые миры, мы увидим, что их обитатели сильно отличаются друг от друга в зависимости от массы их планет. К примеру, будь Луна обитаема, то ее населяли бы очень высокие и хрупкие существа, и наоборот, на планете массой с Юпитер жители были бы очень низкие, крепкие и массивные. А иначе на слабых конечностях в таких условиях попросту не выживешь при всем желании. Сила притяжения сыграет важную роль и при будущей колонизации того же Марса.
spishy-u-antoshki.ru
Как освоение Марса может привести к возникновению нового человеческого вида
Запрет на половые контакты между землянами и марсианами, эффект основателя, изменения в микробиоме, естественный отбор в суровых условиях марсианской среды, плюс слабая гравитация — и вам станет ясно: заселение Марса в конечном итоге приведет к развитию совершенно нового человеческого вида.
Голливудский фильм «Космос между нами» (The Space Between Us), в скором времени выходящий в прокат, рассказывает историю мальчика, который рождается у одного из американских астронавтов на Марсе. Его мать умирает при родах, но ребенок выживает и растет под опекой небольшой колонии космонавтов на Красной планете. В трейлере к фильму мрачный закадровый голос сообщает исходную предпосылку фильма: «Его сердце просто не выдержит силы земного притяжения; у него слишком слабые кости». Иными словами, нет пути назад. Над этим вопросом стоит задуматься: если мы решим покинуть Землю, смогут ли наши потомки когда-нибудь вернуться назад?
С каждым годом мы становимся к Марсу все ближе. НАСА надеется, что нога человека ступит на Красную планету через 30 лет, а Илон Маск называет цифру в 10 лет: сначала это будет пробный полет, между тем конечная цель заключается в создании самодостаточных марсианских городов. В своем выступлении в сентябре 2016 года Маск упомянул «два основных пути», по которым может пойти человечество: «Один путь — остаться на Земле навсегда, и тогда нас ждет окончательное вымирание. Альтернатива в том, чтобы стать осваивающей космическое пространство цивилизацией и мультипланетным видом».
Если мы когда-нибудь достигнем Марса, условия жизни там будут отличаться от земных по всем параметрам. Адаптация к более слабому воздействию гравитации, интенсивному излучению, а также полному отсутствию бактериальной флоры заставит несколько поколений марсианских колонистов испытать на себе ряд кардинальных эволюционных изменений в человеческой родословной, сопоставимых с началом прямохождения и увеличением объема головного мозга.
Первые эволюционные изменения могут оказаться быстрыми и малозаметными. Поскольку группа первых людей на Марсе неизбежно будет ограничена числом — Маск предложил отправить на борту космического корабля около ста человек — первые марсианские колонисты будут переживать явление, известное как эффект основателя. Этот феномен наблюдается каждый раз, когда новое место, подобное вулканическому острову, поднявшемуся с океанского дна, колонизируют новоприбывшие. Несколько лиц, которые устраиваются на новом месте, вне зависимости от того, как они туда попали, едва ли станут представлять большинство, к которому первоначально принадлежали. Чем меньше выборка, тем меньше вероятность того, что она будет представлять большую группу, из которой вышла.
Если мы отправим на Марс сотню колонистов, вероятность того, что они в точности представят всех живущих на Земле людей с точки зрения роста, цвета волос, склонности к развитию диабета или рака молочной железы, способности шевелить ушами или любых других генетических факторов, оказывается крайне низкой. Какими бы ни были черты, наличествующие у первых колонистов, они перейдут их детям, и таким образом растущая марсианская колония, даже при отсутствии естественного отбора, станет чем-то отличным от обитателей Земли. К примеру, если бы все космонавты, которых мы отправили на Марс, были рыжими, появилась бы еще одна причина называть Марс Красной планетой.
Эффекту основателя, разумеется, подвержены не одни только исследователи Марса или межпланетные путешественники. Он может возникнуть в любой изолированной или отобранной популяции. Но по мере смены ряда поколений изменения могут приобретать более выраженный и специфический характер. В условиях, когда гравитация составляет лишь одну треть от силы земного притяжения, беременность и роды могут протекать на Марсе гораздо сложнее. Исследователи эмбрионального развития у мышей установили, что показатели рождаемости у мышей, чьи зародыши формировались в искусственно созданных условиях микрогравитации, ниже, чем при нормальной силе притяжения. Интересно, что на оплодотворение — осуществляемое в пробирке — снижение гравитации, по-видимому, не влияет, но некоторые из полученных эмбрионов развивались не так хорошо, как эмбрионы, появившиеся при нормальной силе тяжести. Причины этого пока не ясны, но результаты свидетельствуют о том, что млекопитающие, включая человека, во время вынашивания плода могут испытывать больше трудностей на Марсе, чем на Земле. А это в свою очередь может оказывать новое давление эволюционного отбора, которое на Земле не наблюдается.
Недостаточная сила тяжести также будет приводить к снижению костной массы со скоростью примерно 1% — 2% в месяц. После двух или трех лет пребывания на Марсе поселенцы рискуют потерять половину своей костной массы — вероятно, этому процессу еще сильнее будут подвержены беременные женщины, поскольку при беременности организму требуется много кальция. Потеря плотности костной ткани повышает склонность людей к травмам, особенно к переломам бедра и позвоночника. Поскольку на Марсе подобные травмы могут иметь необратимые последствия, люди, от природы имеющие более высокую плотность костей — что скорее было свойственно нашим предкам, нежели современному человеку — имеют больше шансов выжить и передать свои гены. Поэтому в результате смены многих поколений люди на Марсе в конечном итоге будут от природы обладать более плотными костями по сравнению со своими предшественниками, а значит, будут более крепкими на вид.
Марсианским поселенцам также придется адаптироваться к высоким уровням радиации. При отсутствии магнитосферы или атмосферы, способных защитить планету, Марс подвергается агрессивному воздействию высокоэнергетических космических лучей, интенсивного ультрафиолетового излучения и солнечных частиц. За 500 дней пребывания на поверхности Марса человек получит дозу радиации, которая в шесть раз превышает максимальную годовую дозу, разрешенную сотрудникам департамента энергетики Соединенных Штатов. Скафандры или подземные жилые помещения могут предоставить некоторую защиту, но, безусловно, определенное время все равно необходимо будет проводить на поверхности Марса, выращивая сельскохозяйственные культуры, возводя здания и тому подобное.
Радиация повреждает ДНК, вызывая своего рода мутации, которые приводят к раку. Хотя для марсианских поселенцев радиация может означать более высокие показатели заболеваемости раком, она также способна ускорить процесс эволюции путем создания случайных генетических вариаций, в том числе тех признаков, которые полезны в марсианской среде.
Эти генетические вариации могут стать способами защиты нашего тела от радиационного воздействия. На Земле наша кожа вырабатывает меланин, пигмент, который действует как естественный солнцезащитный крем. Пигментация кожи развилась в человеческих популяциях как баланс между риском избыточного излучения, которое разрушает производство ДНК, и опасностью недостатка радиации, который препятствует нормальному формированию костей. Многие другие организмы используют меланин, чтобы защитить себя от излучения, в том числе грибы темной окраски, растущие на месте расплавления активной зоны ядерного реактора в Чернобыле. Разновидностью меланина, который обеспечивает организм человека максимальной защитой от солнечной радиации, является эумеланин, придающий коже темно-коричневый или черный цвет. Люди, у которых в коже гораздо больше эумеланина, смогут лучше переносить экстремальные уровни радиации на Марсе, в результате чего кожа у марсиан будет темнее, чем у кого-либо из землян.
С другой стороны, интенсивное излучение на Марсе может способствовать эволюции новых пигментов кожи. Каротиноиды — оранжевые пигменты, которые придают моркови соответствующую окраску — производятся многими растениями и микроорганизмами для защиты от солнечного излучения. Хотя каротиноиды есть у многих животных, большинство получает их из своего рациона. Одним из исключений является гороховая тля, маленькое насекомое, которое как правило имеет зеленую окраску, но в некоторых случаях приобретает красный цвет благодаря каротиноидам, которые сама и вырабатывает. Геномный анализ показал, что гороховые тли получили гены, отвечающие за производство каротиноидов, от одного гриба, это означает, что в редких случаях животные могут заимствовать оборудование для производства пигмента у других организмов. Суровые условия на Марсе могли бы повысить вероятность столь редких заимствований, если бы конечный результат — скажем, кожа ярко-оранжевого цвета — оказался особенно полезным.
Недавние исследования показали, что высокие уровни радиации также влияют на мозг, изменяя у некоторых, но не всех, мышей пространственную память и готовность предпринимать рискованные действия. Такого рода нарушения могут представлять серьезную угрозу успеху марсианской колонии. Тем не менее, если те же колебания чувствительности к радиации, которые мы наблюдаем у грызунов, обнаружатся среди людей, оказавшихся на Марсе, естественный отбор будет работать в пользу тех, кто менее подвержен влиянию излучения. Последующие поколения смогут развить устойчивость к вредному воздействию радиации на мозг, способствуя лучшей адаптации людей к марсианской среде и повышая их способность к дальнейшему освоению космоса, возможно, даже к путешествиям к более далеким пригодным для жизни планетам, таким как Проксима b.
Потом есть еще микробиом — бактерии и другие крошечные организмы, обитающие внутри и на поверхности наших тел и оказывающие на наш организм серьезное воздействие. Эти микробы приобретаются нами в течение всей жизни, начиная с тех, которые мы получаем от наших матерей при прохождении через родовые пути. Раннее детство является важным периодом для развития здорового микробиома, поскольку дети получают дополнительные микробы от своих родителей, братьев и сестер, друзей и окружающей среды. Дети на Марсе не будут подвержены воздействию того множества разнообразных микробов, которые мы находим здесь, на Земле, и хотя ученые все еще надеются найти микробную жизнь на Марсе, убедительных доказательств ее существования до сих пор нет.
Утрата полезных микробов может привести к неблагоприятным физическим и психическим последствиями для здоровья марсианских поселенцев. Здесь на Земле мы уже видим снижение микробного разнообразия в микробиомах людей, живущих в городской среде, где мы делаем все возможное, чтобы дезинфицировать наши тела и окружающие предметы в целях предотвращения обмена заболеваниями. Во многих отношениях этот процесс приносит несомненную пользу — некогда повсеместно распространенные болезни, например, оспа, были побеждены благодаря разработке вакцин, а улучшение санитарных условий и доступность антибиотиков ограничили распространение других заболеваний конкретными регионами. Однако непредвиденным последствием нашей войны с микробами стало преследование полезных для нашего здоровья микроорганизмов, в том числе тех, которые сосуществуют с нами на протяжении тысячелетий и в настоящее время находятся под угрозой исчезновения.
Переселение на Марс может стать для этих микробов слишком большим испытанием, а их полная утрата почти наверняка окажется пагубной для человека. Люди с недостаточно разнообразным микробиомом более склонны к развитию ожирения, диабета 1-го типа, а также, возможно, других заболеваний, в том числе аллергии, астмы, целиакии и некоторых типов рака. Эксперименты, в которых мышей и кроликов выращивают в стерильных условиях, не позволяя им развивать какой бы то ни было микробиом вообще, свидетельствуют о довольно мрачных перспективах. Их иммунная и нервная системы не развиваются должным образом, к тому же под угрозой оказывается способность получать из пищи питательные вещества.
Микробы, обитающие в нашем кишечнике, играют крайне важную роль в пищеварении, поэтому в условиях полной утраты микробиома диеты марсианских поселенцев должны подвергнуться изменениям. Ученые могут разработать специально продукты питания, которые будут включать в себя только простые сахара, белки и жиры, которые легко усваиваются без помощи микроорганизмов. С другой стороны, если некоторые полезные микробы будут сопровождать человека на Марс, они сами могут развиваться вместе с ним. Благодаря короткому периоду генерации — некоторые виды бактерий размножаются каждые 30 минут — микробы развиваются гораздо быстрее, чем люди, что позволяет им быстро адаптироваться к меняющимся условиям. На них также повлияет радиация, повышая частоту их мутаций и способствуя дальнейшему ускорению их эволюции.
Те же процессы будут происходить с любыми растениями или животными, которые мы привезем с собой, а также с микробами, живущими внутри и на поверхности этих видов. Иными словами, создавая марсианскую колонию, мы заложим основы экосистемы нового типа. Обустройство Марса — намеренное изменение марсианской среды с целью приблизить ее условия к земным — может привести к развитию экосистем, которые не похожи ни на одну из существующих на планете Земля.
Хорошая новость в том, что, вероятно, на Марсе не будет проблемы с инфекционными болезнями. Как и в случае с микробиомом человека, единственными вирусами, патогенными бактериями и другими болезнетворными микроорганизмами на Марсе, вероятно, будут те, которые мы принесем с собой. Долгое межпланетное путешествие может стать карантином, который ограничит вероятность случайного появления инфекционных заболеваний на Марсе. Большинство инфекционных болезней, которые поражают людей, являются результатом инфекций, подхваченных нами у животных, в частности птиц и млекопитающих. Многие из них, например, сибирская язва и бешенство, переносят домашние животные, такие как овцы, крупный рогатый скот и собаки. Другие, такие как болезнь Лайма, в основном происходят от диких животных. На Земле мы постоянно сталкиваемся с новыми заболеваниями, такими как Эбола и Зика, отчасти потому, что эти микробы регулярно поражают то животных, то людей. На Марсе мы можем избежать этой проблемы, если не станем привозить туда птиц или млекопитающих, вместо этого отдав предпочтение набору насекомых, которые с меньшей вероятностью будут переносчиками инфекции, способной поражать организм человека (и требуют меньше корма).
С другой стороны, жизнь вне угрозы инфекционных заболеваний может привести к атрофии иммунной системы, которая рискует стать пережитком, подобным аппендиксу, или, возможно, полностью исчезнет. Эта атрофия может быть вызвана не только отсутствием заболеваний: во время космических полетов астронавты нередко страдают иммуносупрессией, которая во многом обусловлена стрессом, связанным со взлетом, посадкой и нахождением в замкнутом пространстве, но по некоторым данным, здесь также играет свою роль микрогравитация.
Марсиане с ослабленным иммунитетом в случае возвращения на Землю столкнутся с опасными для жизни болезнями, а люди, прибывшие с Земли, рискуют уничтожить всю марсианскую колонию, если принесут с собой какие-либо заболевания. Особенно высокими будут риски, связанные с болезнями, у которых нет явных симптомов, как это обычно происходит с передаваемыми половым путем инфекциями, такими как ВИЧ или хламидия. Тесные личные контакты — подобные сексу — между землянами и марсианами были бы чреваты очень большими рисками.
Соберите все это вместе: запрет на половые контакты между землянами и марсианами, эффект основателя, изменения в микробиоме, естественный отбор в суровых условиях марсианской среды, плюс слабая гравитация — и вам станет ясно: заселение Марса в конечном итоге приведет к развитию совершенно нового человеческого вида. Это обычное явление в мире животных и растений, изолированных на островах — вспомним знаменитых зябликов Дарвина. Но в то время как видообразование на островах может занять тысячи лет, ускоренная частота мутаций на Марсе и разительный контраст между условиями жизни на Марсе и на Земле, скорее всего, ускорят этот процесс. Всего за несколько сотен поколений — возможно, всего-навсего за шесть тысяч лет, сможет появиться новый вид человека.
В 1950 году Рэй Брэдбери опубликовал ряд связанных между собой коротких рассказов под названием «Марсианские хроники», где изобразил далекое будущее, в котором Марс колонизирован людьми, давно потерявшими всякий интерес к Земле и связь с ней. У марсиан Брэдбери коричневая кожа и желтые глаза. «Вы когда-нибудь задумывались о том — ну, о том живут ли люди на третьей планете?» — спрашивает одна из марсианок. «Третья планета не пригодна для жизни, — отвечает ее муж. — Наши ученые говорят, что в ее атмосфере слишком много кислорода».
Фантастика Брэдбери вполне может оказаться пророческой. Если Землю постигнут какие-то серьзные бедствия, колонизация Марса в долгосрочной перспективе может оказаться необходимым условием нашего выживания. Однако стратегия, призванная сохранить человеческий вид, в конечном счете может навсегда изменить нас.
Скотт Соломон — биолог и автор научных публикаций из Хьюстона. Преподает экологию, эволюционную биологию и научную коммуникацию в Университете Райс, где является профессором на кафедре Бионаук. Его первая книга Future Humans: Inside the Science of Our Continuing Evolution была опубликована 25 октября 2016 года издательством Йельского университета.
Источник
Читайте также:
fastsalttimes.com
