Содержание
Sci-One. Самые опасные угрозы из космоса / Хабр
В истории Земли было как минимум пять массовых вымираний флоры и фауны. Самая крупная катастрофа случилась примерно 250 миллионов лет назад. Тогда по какой-то причине погибли 95% всех существ на планете. Среди версий о причинах вымираний есть несколько связанных с реальными угрозами из космоса. И это не какие-нибудь фантазии про инопланетян или злых богов. Так что же может прийти из глубин межзвездного пространства и вызвать глобальную катастрофу? И как нам предсказать такую угрозу? Главная проблема человечества здесь в том, что люди не воспринимают космические угрозы всерьез. А зря. Удар из космоса — вопрос времени. Смотрите видео наших друзей из Sci-One, а текстовую версию читайте под катом.
Согласно статистике, в видимой нами части Вселенной каждую секунду происходит как минимум один взрыв звезды. Если звезда в разы больше нашего Солнца, то при исчерпании водорода в ее ядре она обычно превращается в сверхновую.
А чем крупнее звезда, тем быстрее истощается «бак» — всего за несколько миллионов лет. Происходит гравитационный коллапс. Радиус «поражения» сверхновых — несколько десятков световых лет.
Жесткое излучение, возникшее в результате вспышки, ионизирует азот и кислород в атмосфере Земли, из-за чего образуется диоксид азота. В больших количествах он может оказать катастрофическое воздействие на защитный озоновый слой нашей планеты. Но и это не все: при взаимодействии диоксида азота с парами воды образуется азотная кислота, выпадающая в виде вредоносных дождей. Вместе жесткое ультрафиолетовое излучение и обильные кислотные дожди могут уничтожить растительность на Земле (в фильме «Интерстеллар» показана такая тотальная катастрофа, когда человечество осталось без шансов что-то вырастить). И в добавление ко всему диоксид азота снизит прозрачность атмосферы, что может вызвать глобальное похолодание.
Уничтожить Землю может и гамма-всплеск — мощнейший выброс энергии во Вселенной.
За несколько секунд энергии выделяется столько, сколько излучает наше Солнце в течение 10 миллиардов лет. Ученые пока не пришли к единому мнению, что является источником гамма-всплесков, самой жесткой формы электромагнитного излучения. Это могут быть и коллапсирующие массивные звезды.
С гамма-всплеском некоторые исследователи связывают ордовикско-силурийское массовое вымирание на Земле, которое случилось примерно 450 миллионов лет назад. Тогда живые существа обитали в основном в морях и океанах. И погибло, по последним подсчетам, 85% видов морской фауны. От такой катастрофы нам спастись, скорее всего, не удастся, если только человечество не мигрирует заранее с планеты. Но хорошая новость в том, что в ближайшие тысячелетия, похоже, нам не грозит оказаться в зоне действия гамма-всплеска. В нашей галактике подобное происходит очень редко, и поблизости не обнаружено звезд, которые могли бы устроить столь неприятный сюрприз.
Не все угрозы можно вовремя заметить.
В нашей Солнечной системе, по самым приблизительным подсчетам, есть около трех тысяч «невидимых» комет. Они почти не отражают свет, потому что частично испарились — потеряли воду и газы. В 1983 году одну такую комету все же заметили, только это произошло почти случайно и уже после того, как она пролетела рядом с Землей. Незамеченной она прошла в 5 миллионах километров от нашей планеты — ближе, чем любая другая комета за последние 200 лет. Из расчетных 3000 «невидимых» комет человечеству на сегодня удалось отследить только 25.
Астероидная угроза тоже вполне реальна. Большинство астероидов сосредоточено в пределах пояса астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Но иногда они сталкиваются друг с другом или под воздействием гравитации более крупных объектов покидают привычные орбиты.
В ООН даже создали международную сеть предупреждения: если астрономы замечают потенциально опасный астероид, то Управление ООН по вопросам космического пространства должно организовать спасательную миссию.
Ученые и инженеры рассматривают много сценариев спасения планеты. Самый известный и очевидный — это разрушение потенциально опасного объекта. Как, например, в фильме «Армагеддон». Но что может произойти с астероидом, если его попытаться уничтожить? Ученые из Лос-Аламосской лаборатории смоделировали взрыв атомной бомбы мощностью 1 мегатонна на поверхности астероида размером 500 на 150 метров. Как показали расчеты, этого должно хватить, чтобы избежать угрозы большого удара. Но нельзя гарантировать, что обломки астероида не ударят по Земле картечью. Чтобы они полностью сгорели в атмосфере и не достигли поверхности планеты, каждому из них надо быть менее 30 метров в диаметре.
Другие моделирования защиты от астероидов с помощью ядерных взрывов: раз, два.
Правда, у человечества нет ни одного более-менее эффективного способа спасти Землю от действительно большой глыбы. По данным NASA на январь 2016 года, в Солнечной системе обнаружено более 700 тысяч астероидов. Агентство даже создало на своем сайте отдельную страницу, где можно посмотреть, когда и какие объекты летят в сторону Земли и насколько они опасны.
Но какой-то единой системы слежения пока нет. Хотя небесные тела размером от 100 метров способны устроить на Земле региональную катастрофу, а те, что больше километра, оставят человечеству мало шансов. Такие удары породят гигантские взрывы, ударная волна от столкновения обойдет земной шар. Часть кинетической энергии передастся земной коре и вызовет землетрясения и цунами. Для оценки потенциальной опасности сближения используются две шкалы — Туринская и Палермская. Они похожи, но вторая несколько сложнее. Обе шкалы учитывают кинетическую энергию объекта и вероятность столкновения с Землей.
Один из самых больших доказанных ударных кратеров расположен в Южной Африке — его диаметр достигает трехсот километров. В 2005 году его внесли в Список Всемирного наследия ЮНЕСКО. По современным оценкам, кратер Вредефорт появился после удара астероида диаметром от 5 до 10 километров — такого хватит для уничтожения всей цивилизации. Падение вредефортского астероида вызвало многочисленные землетрясения и цунами, а порожденная им тепловая ударная волна могла стать причиной пожаров по всему миру.
Как следствие, выброс в атмосферу большого количества сажи и углекислого газа привел к изменению климата, на несколько лет лишив планету солнечных лучей. Возможно, именно эта катастрофа положила конец господству динозавров, но пока это не общепринятая теория.
Одна из самых знакомых на первый взгляд угроз — вспышки на нашем Солнце. Точнее, корональные выбросы массы. Выглядят они очень красиво. Нередко можно слышать, что эти выбросы вызывают геомагнитные бури, которые способны влиять на физическое самочувствие и настроение людей. Федеральный резервный банк Атланты даже провел исследование на эту тему. В нем доказывается, что корональные выбросы Солнца так влияют на биржевых игроков, что те впадают в уныние и обретают склонность срочно избавляться от акций. Представляете, произойдет какая-нибудь мегавспышка и обезумевшие трейдеры начнут массово продавать акции? Это может спровоцировать панику, из-за которой мировая экономика обрушится за пару дней.
А дальше — войны, голод, болезни. Хотя ряд ученых все же сомневаются, что корональные выбросы способны так влиять на человечество. Пока что не подтверждена прямая связь между нашим физическим состоянием, поведением и геомагнитными бурями, которые провоцируются особенно агрессивными ударами потоков солнечной плазмы.
Тем не менее Солнце все равно сможет прикончить современную цивилизацию одним только своим ветром, если постарается. И чем дальше, тем выше такая опасность. Корональные выбросы могут происходить несколько раз в день. В среднем за один выброс наше светило избавляется от 10 миллиардов тонн плазмы. Это выглядит так: от Солнца отрывается замкнутая петля скрученных магнитных силовых линий. Она несет с собой сгусток плазмы из электронов и протонов с небольшим количеством гелия, кислорода и других элементов. Эта петля вытягивается в межпланетное пространство, и может образоваться «жгут», который обвивает сгусток плазмы, — тогда получается магнитное облако. «Ударяя» по магнитосфере Земли, оно вызывает очень сильные возмущения в околоземном космическом пространстве.
Самая сильная из зафиксированных геомагнитных бурь произошла в 1859 году и известна как «Событие Кэррингтона». Во время бури наблюдались масштабные сбои и отключения телеграфной связи в Европе и Северной Америке, а в магнитных обсерваториях стрелки магнитометров упирались в край шкалы. Северное сияние можно было наблюдать по всей Земле, даже на Карибах. Выбросы, подобные этому, происходят на Солнце примерно раз в 500 лет. Современный мир настолько сильно зависит от электричества и электроники, что сегодня аналогичная буря нанесла бы огромный ущерб цивилизации. Из-за колебаний магнитного поля в многокилометровых линиях электропередачи появятся индукционные токи. Начнутся перегрузки, из-за них будут отключаться целые системы. Погаснет свет, остановятся лифты и электротранспорт, начнутся перебои с водоснабжением, в больницах перестанет работать медтехника, будут происходить аварии в промышленности. Короче, пострадает практически каждая сфера жизни людей. Электричество может отключиться на целых континентах, а восстановление заняло бы месяцы и годы.
И последнее, во многом неожиданное следствие вспышек на Солнце — разбухание атмосферы. В 1979 году это уже привело к неуправляемому сходу с орбиты и падению на Землю первой и единственной американской орбитальной станции Skylab. Аномальное излучение может не только вывести из строя многие спутники в околоземном космическом пространстве, но и повлиять на работу бортовой аппаратуры пассажирских самолетов — а их в небе ежедневно летает более 8000. К слову, нечто подобное могло произойти в 2012 году, но Земля и основной поток плазмы разминулись.
Опасный астероид: зачем зонд NASA меняет маршрут
К уже знаменитому астероиду Апофис отправляется миссия, которая позволит досконально выяснить, угрожает ли космический визитер Земле. Причем речь идет не о новом запуске, а об очередном задании для зонда OSIRIS-REx, уже несколько лет странствующего по Солнечной системе. Теперь он поможет ученым не только ответить на вопрос об опасности Апофиса, но и заглянуть во времена образования Земли, считает научный обозреватель Forbes Анатолий Глянцев
Вопросы к траектории
Астероид 99942 Апофис был открыт в 2004 году.
Астрономы рассчитали, что он сблизится с нашей планетой в 2029, 2036 и 2068 годах. И если первые два рандеву ничем не угрожают человечеству, то к третьему есть вопросы.
Падение астероида диаметром около 340 м, если оно и случится, не вызовет глобальной катастрофы. Но оно может стереть с лица земли крупный город. Правда, города занимают ничтожную часть поверхности планеты, и вероятность столь точного попадания крайне мала.
Еще недавно Апофис занимал первое место в рейтинге самых опасных астероидов Центра изучения околоземных объектов NASA. В этом перечне используется Палермская шкала, учитывающая вероятность столкновения, размер астероида и время до ближайшей встречи.
Ученые пересмотрели свои выводы после 5 марта 2021 года. Тогда Апофис сблизился с Землей на 17 млн км. Это примерно в 44 раза дальше Луны, но очень близко по меркам астероидов. Астрономы не упустили шанса и использовали 70-метровую антенну комплекса дальней космической связи Голдстоун в качестве локатора.
В результате расстояние до Апофиса было измерено с погрешностью всего 150 м. Новые данные позволили заключить, что и в 2068 году каменный гость благополучно разминется с нашей планетой. Апофис был исключен из перечня потенциально опасных объектов.
Материал по теме
Но ставить точку в этой истории рано. На траекторию 300-метрового тела могут воздействовать силы, которых более крупный объект просто не заметил бы, вплоть до давления солнечного света. Чтобы аккуратно учесть все эти факторы, нужно знать об астероиде практически все: плотность, рельеф, состав и т.д.
К счастью, в 2029 году Апофис подойдет к Земле на 32 000 км. Он окажется ближе, чем геостационарные спутники, и будет виден даже невооруженным глазом. Несомненно, в этот момент его будут пристально изучать в телескопы. Но краткое сближение вряд ли позволит собрать всю необходимую информацию. Единственный способ получить максимум данных — отправить к астероиду космический зонд.
И у NASA как раз есть подходящий.
Продолжение одиссеи
Зонд OSIRIS-REx был запущен еще в 2016 году к астероиду Бенну. Сегодня именно это небесное тело считается самым опасным по Палермской шкале. В 2018-м аппарат вышел на орбиту вокруг Бенну и изучал его почти два с половиной года.
На борту зонда имеется целый арсенал научных приборов. Три фотокамеры и два спектрометра изучали Бенну в видимом свете и инфракрасных лучах, составляя его карты, определяя температуру и состав грунта. Лазерный альтиметр сканировал рельеф астероида. Приемник рентгеновских лучей определял содержание в грунте различных химических элементов. Маневры зонда вблизи поверхности позволили картировать гравитационное поле астероида, а это ключ к его внутреннему строению. Наконец, в марте 2020 года зонд взял пробы грунта.
Зонд OSIRIS-REx в момент сбора образцов (Фото NASA)
Благодаря миссии OSIRIS-REx Бенну стал одним из самых изученных астероидов Солнечной системы.
До него лишь пять астероидов (Эрос, Итокава, Рюгу, Церера и Веста) имели искусственные спутники и только с двух (Итокава и Рюгу) были взяты образцы вещества.
Среди прочего данные зонда позволили заново оценить опасность столкновения Бенну с Землей. Оказалось, что вероятность такого события до 2300 года составляет лишь 0,057%.
Сейчас OSIRIS-REx направляется к Земле. Ожидается, что 24 сентября 2023 года он сбросит капсулу с образцами грунта. После этого зонд останется без работы. Между тем его аппаратура исправна, а в баках достаточно топлива для новых маневров. Было бы нерационально махнуть рукой на аппарат стоимостью в $1,16 млрд.
Поэтому в NASA подыскали для зонда новую цель. Это уже опробованная практика. Японский аппарат «Хаябуса-2», в декабре 2020 года доставивший грунт с астероида Рюгу, тоже отправился за новыми свершениями. В 2026 году он должен посетить объект 2001 CC21, а в 2031-м — небесное тело 1998 KY26.
Можно вспомнить и зонд «Новые горизонты», который после исследования Плутона направился к астероиду Аррокот.
Материал по теме
Перебрав все потенциальные цели OSIRIS-REx, эксперты остановились на Апофисе. Поэтому новая миссия получила название OSIRIS-APEX. Астрономический термин «апекс» был образован как аббревиатура от словосочетания Apophis Explorer, то есть «исследователь Апофиса». Такая игра слов обычна для именования космических миссий.
Зонд выйдет на орбиту вокруг Апофиса вскоре после сближения того с Землей в 2029 году. Но первый необходимый для этого маневр придется провести уже в декабре 2023 года.
Бюджет OSIRIS-APEX составит $200 млн. На эти скромные по меркам межпланетных полетов деньги Апофис будет изучен почти так же подробно, как и Бенну. Правда, брать пробы грунта не планируется: на борту аппарата была только одна капсула для сбора образцов.
Однако ученые попытаются использовать двигатели зонда, чтобы поднять с поверхности Апофиса облако пыли и изучить его на просвет.
У астрономов есть веские причины интересоваться астероидным грунтом. Он куда меньше изменился со времен образования Солнечной системы, чем вещество Земли или других планет. Изучение этих «консервов» помогает исследователям понять, как образовался наш космический дом.
Что происходит с космическим мусором: чем он опасен и как люди избавляются от него
#Космос
Поделиться:
Илья Егоров
«Кинопоиск»
С момента начала освоения космоса у человечества появилась новая проблема – космический мусор. Его очень много на земной орбите, хоть некоторая часть и улетает в космос (но потенциально может вызвать некоторые трудности уже там).
Сейчас люди задумываются над решением этой проблемы. Некоторые компании планируют специальные миссии для очистки космоса – и часть из них стартует в ближайшие несколько лет.
Что такое космический мусор
Если кратко, то это не астероиды и прочие космические тела. Это продукты космической деятельности человека. Под космическим мусором понимают:
- Выведенные из строя спутники. Глава исследовательской группы астронавтики университета Саутгемптона Хью Льюис говорил: «Каждый спутник, выходящий на орбиту, потенциально может стать космическим мусором»;
- Разрушенные космические корабли и их части;
- Части ракет, которыми были уничтожены спутники.
Сайт Всемирного экономического форума публикует данные (актуальны на ноябрь-2021, но в целом картина кардинально не поменялась): сейчас на орбите Земли летает 9600 тонн космического мусора. Правительство США отслеживает полеты более 23 тысяч объектов, размеры которых не превышают мяч для софтбола. Существует около 500 тысяч объектов, которые по длине чуть больше 1 см, и более 100 миллионов – чья длина не достигает и сантиметра.
Всего же на орбите Земли вращаются около трех тысяч неактивных спутников разных размеров.
И с каждым запуском спутника, с каждым полетом ракет количество космического мусора может только увеличиваться. Вот пример: в 1982 году СССР отправил на орбиту спутник «Космос-1408», который весил более 2 тысяч кг. Его уничтожение в ноябре 2021-го привело к появлению более 1,5 тысячи объектов орбитального мусора. Часть объектов покинула земную орбиту и улетела в космос или горела в земной атмосфере. Другая – до сих пор движется по одной и той же траектории. По независимым оценкам, на орбите осталось более 75% от всей массы «Космоса-1408».
А это более наглядный пример: отделение части ракеты SL-10 в открытом космосе. Обломки и общая часть остались в космосе.
Ведущий инженер компании SpaceX Томас Мюллер говорит: «Мы покоряем космос, за что заслуживаем отдельную оценку в эволюционном плане. Но мы умудряемся мусорить даже там. Это халатность: люди не должны думать, что все рассосется самостоятельно.
Это не так! Это вообще не так. В перспективе это может вызвать огромную проблему, которая уничтожит миллионы и миллиарды долларов».
Чем опасен космический мусор
Для самой Земли – ничем. Физика позволяет мусору балансировать на орбите планеты, что исключает внезапный дождь из обломков ракет и спутников (только если притяжение планеты внезапно не станет сильнее). Но вот для космической деятельности это огромные проблемы:
1. Если человек не займется очисткой орбиты от космического мусора, то через пару десятков лет резко снизится число мест, откуда службы смогут запускать объекты в космос.
2. Не забывайте про огромные скорости, на которых движутся такие объекты – около 27 тысяч км/ч. На такой скорости гайка пробьет металлический пласт толщиной в несколько десятков сантиметров. То есть под угрозой целостность спутников и ракет. Фатальные аварии случаются редко. Например, в последний раз кто-то ломался из-за космического мусора в 2021 году (китайский спутник). До этого последняя подобная катастрофа происходила в 2009-м.
3. В основном заполнится зона, находящаяся на высоте в тысяче км над Землей. Это повлияет на безопасность миссий, рассчитанных на освоение дальнего космоса. То есть возможны в первую очередь проблемы с приемом и передачей сигнала. Это касается как спутников (например, «Джеймс Уэбб», который настроен на удаление от нашей звездной системы), так и колониальных миссий (в ближайшее десятилетие сразу несколько компаний запланировали полеты на Марс с участием людей). Довольно проблематично прорваться через слой металлического мусора, не повредив космический корабль.
4. Космический мусор увеличивает расходы для спутниковых операторов.
Тоже космический мусор, но уже на Марсе
Keystone Press Agency/Global Look Press
NASA классифицирует мусор по высотам:
- 600-1000 км над Землей и меньше – через несколько лет он упадет на Землю. Часть объектов из-за небольших размеров сгорит в атмосфере;
- 1000+ км – мусор так и останется на орбите.
Хью Льюис рассказывал: «Ученые хорошо следят за космическим мусором. Но правда в том, что ни одна компания в мире не сможет сказать, сколько его на орбите. Люди научились отслеживать мусор по скорости. Но есть и такой, который летает медленнее. Люди смогут обнаружить весь мусор, если будут запускать больше спутников. Чувствуете парадокс: больше мусора мы увидим, если потенциально создадим больше мусора?»
В науке даже есть термин «Синдром Кесслера». Он связан с теорией американского ученого и астрофизика Дональда Кесслера. Кесслер в 1976-м предположил, что со временем люди создадут столько мусора, что ограничат сами себе изучение космоса на ближайшие несколько десятков лет.
Борется ли человек с загрязнением космоса
Да, и самую большую инициативу в этом деле проявляют японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) вместе Европейским космическим агентством. На данный момент они сотрудничают с несколькими стартапами по всему миру, которые поставили перед собой цель очистить ближайший космос от мусора.
Как именно люди борются с космическим мусором? Две важные программы за последнее время:
1. В 2018 году была запущена миссия Surrey Satellite Technology RemoveDEBRIS с выбросом огромной сети. Она захватывала его и меняла траекторию полета. Но такая ситуация работала с крупными объектами: они либо улетали в космос, либо падали вниз и сгорали в атмосфере.
2. Другой вариант предложила японская компания Astroscale, которая сотрудничает с провайдером широкополосной спутниковой связи OneWeb. Европейское космическое агентство и Космическое агентство Великобритании предоставили миссии финансовую поддержку в размере 14,8 млн евро. В планах – сбор мусора c помощью специальных устройств, которые притягивают спутники и его части с помощью магнитов. Такие аппараты состоят из двух частей: сервисный спутник (175 кг) и клиентский спутник (15 кг).
Это работает так:
Первое испытание было проведено еще в 2021 году (запуск произошел на Байконуре). Тогда клиентский спутник от соединился от сервисного, провел в полете пару минут, собрал некоторые детали и состыковался с базой снова.
В дальнейшем компании проработают сервис, чтобы тот мог совершать длительные полеты, полеты на сложных траекториях и без труда захватывать сильно крутящиеся объекты. Полномасштабная миссия запланирована на 2024 год.
Логичный вопрос: как можно контролировать количество мусора устройством, которое может стать мусором? После завершения миссии устройство Astroscale покидает орбиту и сгорает в атмосфере. То есть самоуничтожается и не оставляет за собой следов.
НЕ ПРОПУСТИ ГОЛ
Илья Егоров
Автор и редактор. Италия, «Арсенал», «Формула 1» и биографии.
Еще по теме
ученых НАСА рассматривают риски для здоровья от космических путешествий
Астронавты НАСА Том Маршберн (слева) и Кайла Бэррон за пределами шлюза Quest на Международной космической станции во время выхода в открытый космос в четверг, 2 декабря 2021 года. Эксперты продолжают изучать влияние космоса на организм человека.
(Изображение предоставлено НАСА ТВ)
Люди не созданы для жизни в космосе, и пребывание там может представлять серьезный риск для здоровья. Для космических администраций, таких как НАСА, основная цель состоит в том, чтобы выявить эти риски, чтобы, как мы надеемся, помочь их уменьшить.
Это было главной темой виртуального симпозиума NASA «Космические полеты для всех» в ноябре, виртуального симпозиума, посвященного обсуждению современных знаний и научных исследований о влиянии космических полетов на здоровье человека. Во время панельной дискуссии под названием «Риски для здоровья человека при разработке будущих программ» 9 ноября ученые НАСА обсудили эти риски и то, как они используют существующие знания для планирования будущих миссий.
Каждый участник дискуссии подчеркнул, что риски для здоровья, связанные с космическими путешествиями, сложны и многогранны, и что при планировании будущих миссий необходимо тщательно учитывать все виды рисков.
Связанные: Космические путешествия могут серьезно изменить ваш мозг
При обсуждении рисков, связанных с пребыванием в космосе и космическими путешествиями, можно выделить пять основных типов рисков, которые ученые выделили в презентации.
Два типа риска, радиация и измененная гравитация, происходят просто от пребывания в космосе, сказали они. Исследования показали, что оба могут иметь серьезные негативные последствия для тела и даже для мозга . Другие, такие как изоляция и заключение, а также пребывание во враждебной закрытой среде, охватывают риски, связанные с жизненными ситуациями, которые необходимы в космосе, включая риски как для психического, так и для физического здоровья.
Кроме того, существуют риски, связанные с тем, что вы находитесь далеко от Земли. Чем дальше люди удаляются от Земли, тем более рискованной становится жизнь в космосе практически во всех отношениях.
Все, от свежих продуктов до лекарств с истекшим сроком годности, будет чрезвычайно трудно сделать доступным из-за более дальних поездок. На Международной космической станции астронавты находятся недалеко от нас, и мы можем регулярно отправлять припасы экипажам на орбите. Но миссия на Луну или Марс создаст больше проблем.
Задержки связи будут увеличиваться, и, вероятно, будут отключения связи, сказала Шарми Уоткинс, помощник директора по исследованиям в Управлении здоровья человека и производительности НАСА, которая участвовала в дискуссии на этом обсуждении. Она сказала, что возвращение на Землю также займет больше времени, если возникнет неотложная медицинская помощь.
«Мы не собираемся измерять его в часах, а скорее в днях, в случае Луны, и, возможно, в неделях или месяцах, когда мы начнем думать о Марсе», — сказал Уоткинс.
Стив Платтс, главный научный сотрудник программы НАСА по исследованию человека, разложил различные уровни риска в космосе и обсудил, как НАСА использует «поэтапный подход», когда речь идет об исследованиях здоровья человека. В этом подходе начальные «этапы» включают исследования воздействия на здоровье пребывания в космосе, которые также проводились в смоделированных условиях на Земле, от экспериментов по изоляции в Антарктиде до радиационного облучения в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, Нью-Йорк.
Точно так же эксперименты на космической станции помогут нам подготовиться к риску на Луне и Марсе — эти более поздние этапы основаны на знаниях, полученных в результате моделирования.
«Мы работаем на Земле, мы работаем на низкой околоземной орбите, а затем мы будем выполнять миссии на Луну, и все это для того, чтобы помочь нам добраться до Марса», — сказал Платтс.
Истории по теме:
Тем не менее, как бы мы ни готовились на Земле, каждая космическая миссия сопряжена с риском, поэтому НАСА установило медицинские стандарты, чтобы минимизировать этот риск для астронавтов.
НАСА разработало более 800 стандартов здоровья на основе текущих исследований. Эти стандарты описывают все, от того, сколько космических астронавтов должно быть в космическом корабле, до того, сколько мышц и костей космонавт может потерять без серьезного вреда. Эти стандарты также включают уровни физической подготовки и здоровья, которым должны соответствовать космонавты перед полетом в космос.
Все стандарты здоровья НАСА для астронавтов — 9.0019 доступен онлайн .
Миссия может повлиять на здоровье астронавтов, но это также работает и наоборот — проблемы со здоровьем у астронавтов могут повлиять на миссию, если они не смогут адекватно выполнять задачи миссии, сказала Мэри Ван Баален, исполняющая обязанности директора по управлению рисками человеческой системы. в НАСА и модератор панели. Она подчеркнула сложное взаимодействие между этими двумя типами столкновений, оба из которых должны учитываться учеными НАСА при планировании миссий.
«Космические путешествия — рискованное предприятие, — сказала она. «И природа человеческого риска сложна».
Полную запись панельной дискуссии и других докладов с симпозиума можно посмотреть здесь .
Следуйте за нами в Twitter @Spacedotcom или Facebook.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам , чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.
com.
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Ребекка Сон — независимый научный писатель. Она пишет на различные темы, связанные с наукой, здоровьем и окружающей средой, и особенно интересуется тем, как наука влияет на жизнь людей. Она была стажером в CalMatters и STAT, а также научным сотрудником в Mashable. Ребекка, уроженка Бостона, изучала английскую литературу и музыку в колледже Скидмор в северной части штата Нью-Йорк, а затем изучала научную журналистику в Нью-Йоркском университете.
Опасности космических путешествий
Скорочтение
- Космонавты и космические туристы сталкиваются с риском радиации, которая может вызвать заболевание и повредить органы.
- Исследователи использовали суперкомпьютеры для исследования радиационного облучения исторической космической миссии.
- Ускорение вычислений позволит в один прекрасный день смоделировать радиационное облучение астронавтов в реальном времени.
Наряду с известными опасностями космоса — низкими температурами, сокрушительным давлением, изоляцией — космонавты также сталкиваются с рисками радиации, которая может вызвать заболевание или повредить органы.
Рискованный бизнес . Излучение солнечного ветра и галактических космических лучей представляет большую опасность для человека на низкой околоземной орбите. Последствия для здоровья могут включать рвоту, усталость и ожоги кожи. Предоставлено НАСА.
Хотя это и не считается непосредственной угрозой для текущих миссий, астронавты однажды могут столкнуться с излучением солнечного ветра и галактических космических лучей. Сколько радиации, какого рода и каковы ожидаемые последствия этого облучения для здоровья астронавтов, остаются открытыми вопросами для космических агентств.
Джеффри Ченселлор, научный сотрудник Техасского университета A&M, провел более десяти лет, изучая эти вопросы в рамках четырех миссий НАСА.
Недавно, сотрудничая с врачом и ученым НАСА Джоном Чарльзом и астронавтом Сереной Аунон-Ченселлор, Чанселлор изучил последствия для здоровья воздействия космического излучения на низковысотных полярных орбитах.
Исследователи использовали в качестве тестового примера Пилотируемую орбитальную лабораторию (MOL), которая была задумана в 1963, но никогда не летал.
«Это был такой уникальный орбитальный профиль, — говорит Ченселлор. «Полярная, малая высота… Я не мог предположить, какие будут последствия. Поэтому я решил сделать шаг назад и применить передовые вычислительные и численные методы к этому профилю миссии».
Они обнаружили, что относительно минимальное экранирование космического корабля программы MOL и его полярная орбита с большим наклоном сделали бы экипаж уязвимым для сильного воздействия космического излучения и событий с солнечными частицами.
Глаза в небе
MOL был задуман как экспериментальная лаборатория для пилотируемых космических полетов, но в 1965 году, в разгар холодной войны, был преобразован в секретную разведывательную платформу.
Корабль должен был двигаться по низкой околоземной орбите и неоднократно пролетать над северным и южным полярными регионами. Орбиты этого типа подвергаются большему радиационному облучению, чем орбиты ближе к экватору, потому что они менее защищены гравитационным полем Земли.
В августе 1972 года — через три года после прекращения планирования миссии MOL — на Земле произошло исторически крупное событие с солнечными частицами. Канцлер задавался вопросом, как это излучение повлияло бы на пилотов MOL, которые находились на орбите в течение 30 дней на корабле с тонким экраном.
Исследователи сосредоточились на излучении от двух источников: солнечного ветра и галактических космических лучей. Считается, что часть космического излучения проходит сквозь стенки шаттлов.
Часть проходит через тело; остальные откладывают свою энергию на коже или даже внутри тела, воздействуя на органы.
Определение уровней радиации, с которыми пилоты MOL могли бы столкнуться за легкой защитой транспортного средства, потребовало сбора данных, экстраполяции и моделирования. Ченселлор и его сотрудники смоделировали профиль орбиты MOL, космическую погоду и геомагнитные силы тех лет, а также перенос частиц и тяжелых ионов, с которыми могла столкнуться такая траектория.
Объединив эти факторы, отобрав их и смоделировав тысячи раз на суперкомпьютере TACC Lonestar5, Чанселлор и его сотрудники обнаружили, что в нормальных условиях экипаж MOL выдержал бы 113,6 миллизиверта (мЗв; мера дозы радиации) до их на кожу и 41,6 мЗв на органы кроветворения (например, костный мозг или лимфатические узлы) во время 30-дневного полета — вполне в пределах пределов воздействия для астронавтов НАСА.
Однако во время «наихудшего сценария» солнечной бури 1972 года их кожа подверглась бы облучению 1770 мЗв, а их органы получили бы 451 мЗв, оба из которых превышают пределы облучения НАСА.
Такое воздействие могло вызвать у экипажа тошноту, рвоту, усталость и, возможно, ожоги кожи.
Хотя в исследовании изучались исторические миссии MOL, исследователи имеют в виду будущие коммерческие космические полеты, подобные тем, которые предлагались SpaceX или Virgin Galactic, которые, вероятно, будут перемещаться по аналогичной орбите, чтобы продемонстрировать красоту Земли из космоса.
Преодоление ограничений
Усилия по моделированию риска космического излучения не новы. Но десятилетия исследований привели к нескольким практическим мерам по снижению радиации.
«Несмотря на годы исследований, понимание космической радиационной обстановки и риска, который она представляет для космонавтов, остается ограниченным», — говорит Чанселлор.
Но до недавнего времени у ученых не было возможностей для точного моделирования излучения.
«Это та область, в которой более совершенные алгоритмы и более мощные компьютеры существенно меняют возможности, — говорит Ченселлор.
«Я не думаю, что мы добились бы такого прогресса без возможности использовать высокопроизводительные многоядерные компьютеры. Это меняет правила игры».
Каждый из трех тестовых случаев из MOL, которые команда запускала на Lonestar5, требовал 150 000 вычислительных часов и генерировал 2,5 терабайта данных.
«Тот факт, что я могу распараллелить задачу и иметь 1000 процессоров, выполняющих каждое вычисление, и делать это за три-четыре часа вместо трех-четырех месяцев, является огромным преимуществом», — говорит он. «Чем больше образцов вы возьмете, тем точнее будут результаты и тем больше у вас будет уверенности».
Когда Чанселлор повторил некоторые из своих вычислений на Stampede2, новейшем суперкомпьютере TACC и одном из самых быстрых в мире, он смог получить результат за пять минут, а не за пять часов.
«Он быстро дымится», — говорит Ченселлор. «Когда я впервые начал получать результаты от Stampede, я позвонил своему другу, который работает в управлении полетами по радиации в НАСА, и сказал: «Вы, ребята, должны заняться этим».
точных моделей и определять в режиме реального времени, как солнечная буря или другое космическое событие может повлиять на астронавтов — возможность, которая однажды может спасти жизни.
Прочтите оригинальную статью на веб-сайте TACC здесь.
Опасности космических путешествий
Прежде чем отправить астронавтов в межпланетную миссию, мы
необходимо исследовать, как условия в космосе влияют на здоровье человека.
Поэтому Международная космическая станция имеет огромное значение для обеспечения
здоровье экипажа космического корабля, путешествующего на другие планеты
Исследование — важная стратегия выживания в эволюции.
миграция экспансивных видов зависит от изучения их ближайших или удаленных
окружение для новых источников пищи или безопасных мест обитания; это также может прийти как
в результате демографического давления или изменений окружающей среды. Человеческий вид имеет
добавил еще одну причину для исследования, а именно любопытство. Это интеллектуальное стремление
исследование неизведанного привело великих европейских исследователей в Америку,
Австралия и Антарктида между пятнадцатым и семнадцатым веками.
Любознательность в отношении природы также является движущей силой изучения людьми
полярные шапки, взбираясь на горные вершины и ныряя в бездны
океаны. Теперь конечная граница для исследования в двадцать первом веке
пространство. Астрономические наблюдения и спутники уже дали огромные
знания о нашей Солнечной системе и Вселенной за ее пределами. Но эти
технологии могут дать лишь ограниченную картину того, что происходит снаружи;
со временем людям самим придется отправиться на другие планеты, чтобы
исследовать их более подробно. Огромные успехи в ракетостроении и
технологии космических кораблей за последние 50 лет, движимые в основном национальными
соображения безопасности, потребность в улучшении связи или желание
наблюдать изменения окружающей среды и деятельность человека на земле, сделали это
возможно отправить человека на околоземную орбиту и на Луну. Возможно,
эти достижения в конечном итоге сделают возможным транспортировку астронавтов в
другие планеты, и Марс в частности ().
Открыть в отдельном окне
Поздняя весна на Марсе.
Источник: НАСА.
Но между исследованием Земли и
исследуя космос. Прежде всего, космос — это неумолимая среда, которая
не допускает человеческих ошибок или технических сбоев. Для людей, покидающих Землю
орбите в течение длительного времени, существует еще больше опасностей. Один — ближний
отсутствие гравитации в космосе; наличие высокоэнергетического ионизирующего космического луча
(HZE) ядер это другое. Потому что и невесомость, и космические лучи
серьезные последствия для здоровья астронавтов на космическом корабле, направляющемся к Марсу, мы сначала
необходимо исследовать их влияние на клетки, ткани и наши гормональные и иммунные
системы. Однако, хотя мы и способны производить ядра HZE на Земле и изучать
их воздействие на биологический материал, мы не можем моделировать длительные периоды
низкая гравитация и их аддитивное воздействие на клетки и ткани. Таким образом
Международная космическая станция (МКС) будет играть чрезвычайно важную роль в
оценке опасности для здоровья человека в космосе и при разработке
возможные меры противодействия.
Много информации об адаптации космонавтов к нулю
гравитации (0 г ) в космосе и по возвращении до 1 г на Земле.
Тем не менее, наше понимание этих эффектов не является полным; и не имеют
определены меры по их устранению.
Как и невесомость, и космические лучи
серьезные последствия для здоровья астронавтов на космическом корабле, направляющемся к Марсу, мы сначала
необходимо исследовать их влияние на клетки, ткани и наши гормональные и иммунные
системы
Наблюдения за космонавтами, путешествующими на космических кораблях, и русскими
многолетние пребывания космонавтов на космической станции «Мир» свидетельствуют о том, что
в 0 г оказывает серьезное воздействие на физиологию костей и мышц и
сердечно-сосудистая система. Например, возврат от 0 г к 1 г
приводит к неспособности поддерживать надлежащее кровяное давление в
вертикальное положение — ортостатическая непереносимость — и недостаточность крови
течь в мозг. Поэтому астронавты, возвращающиеся с орбиты, должны отдыхать
несколько минут и время, необходимое для нормализации артериального давления
увеличивается со временем, проведенным в 0 г .
Это может означать, что космонавты
путешествие на Марс, которое заняло бы не менее одного года в
0 г — потребуется значительное время, чтобы снова адаптироваться к гравитации после
приземлиться там или после их возвращения на Землю, если мы не найдем технологическую
решение создания искусственной гравитации на космическом корабле. Более того, там
другие сердечно-сосудистые эффекты, такие как сердечная аритмия и атрофия, которые
необходимо изучить более подробно, прежде чем мы сможем обеспечить безопасность космонавтов
в миссии на Марс. Другими последствиями длительного пребывания в условиях низкой гравитации являются потеря
костная масса и ухудшение мышечной массы. Без адекватных контрмер эти
может ухудшить способность космонавтов выполнять необходимые функции на
космическом корабле или на поверхности Марса.
Второй основной опасностью для людей-путешественников является присутствие
вышеупомянутых ядер HZE в космических лучах из-за ионизирующего эффекта, который
они воздействуют на атомы или молекулы.
Хотя они не достигают Земли
поверхности, потому что они либо поглощаются атмосферой, либо отклоняются
магнитного поля Земли, уже есть некоторые экспериментальные данные о
Раковые свойства электронов, нейтронов и протонов в космических лучах
и другие потенциальные вредные воздействия на биологический материал от многочисленных
Наземные эксперименты на лабораторных животных. Кроме того, исследования
Последствия атомных бомб, сброшенных на Японию в 1945 предоставил дополнительные данные
об опасности для здоровья радиации и ядер высоких энергий.
Однако космические лучи сильно отличаются от ядерных взрывов, потому что
они включают значительно большее количество ядер HZE — остатков
коллапсирующие звезды и взрывы сверхновых, которые были выброшены в космос.
Curtis & Letaw (1989) подсчитали, что на
трехлетней марсианской миссии, около 30% клеток тела будут пройдены
Ядра HZE со значениями Z — число протонов — от 10
и 28, и что практически все клетки будут пронизаны ядрами с З
значения от 3 до 9.
Эти обходы приводят к многочисленным событиям ионизации или
ударов по клеточным молекулам. Биологическое действие ядер HZE на рак
индукция, центральная нервная система, иммунная система и глаза не
хорошо известно, равно как и взаимодействие радиационных эффектов при 0 г
учился. Следовательно, нам нужно провести еще много экспериментов и на Земле.
как на МКС до здоровья и безопасности астронавтов, отправляющихся на Марс и
дальше можно быть уверенным.
Другая, еще серьезно не исследованная проблема в дополнение к
прямое повреждение клеток является более общим действием космической радиации на
иммунная система. Тодд и др. . (1999) по оценкам
что вероятность поражения иммунной системы равна или даже
выше, чем вероятность возникновения мутаций. Проблема оценки
эти косвенные радиационные эффекты усугубляются тем фактом, что мощность дозы
HZE, произведенного в экспериментах на Земле, относительно высоки, тогда как доза
скорости в космосе, за исключением прерывистого, но редкого солнечного
факелы – довольно низкие.
Однако даже такие низкие дозы могут вызвать
значительные осложнения из-за того, что описывается как «эффект свидетеля»
в каких ячейках — наблюдателях — которые не затронуты напрямую
излучение может быть затронуто соседними клетками, которые были поражены и погибли или
мутированы. Механизмы таких эффектов включают межклеточное
связь и выделение токсических продуктов из поврежденных клеток. Таким образом
эффекты на ткани могут быть значительно больше, чем те, которые оцениваются по
отдельные клетки, особенно при низких дозах, воздействующих только на часть клеток
в ткани. Кривая доза-реакция может вообще не быть прямой линией.
но вогнутой вниз, подразумевая, что риски при низких дозах могут быть даже
больше, чем риски, оцененные при более высоких дозах, используемых в экспериментах на
Земля (Бреннер и Эллистон, 2001). Следовательно,
необходимы дополнительные эксперименты для оценки эффектов низких доз HZE
частицы на отдельных клетках и биологических тканях или модельных организмах.
Простые эксперименты с дрожжами и бактериями на орбитальном космическом корабле
показано, что 0 г не оказывает существенного влияния на радиационную реакцию.
Но
эти эксперименты не проводились на высших организмах или биологических
тканей для исследования потенциального синергизма между радиацией, 0 g и
стресс космического полета на иммунную систему. Эти должны ждать
завершение МКС, но любое дальнейшее расширение космической станции сейчас
держаться из-за нехватки финансирования, в основном из-за того, что затраты на строительство были
выше, чем первоначально предполагалось (NRC, 2003). Как
Результатом является установка многочисленных объектов, таких как места обитания животных,
источник излучения и 1 г центрифуга, значительно отстает от графика, и
эксперименты на животных, такие как влияние 0 g на радиационные эффекты,
не может быть сделано.
Как ни странно, опасность радиации для здоровья в космосе стала
проблема, когда потенциальные опасности материалов, доставленных из космоса, были
обсуждалось. В 1975 году я присоединился к Совету по космическим наукам Национального исследовательского центра США.
Совета (СРН), который рассматривал, среди прочего, проблему
объекты, возвращенные с Луны или других мест из космоса, могут содержать
вредные организмы, опасные для жизни на Земле. Соответствующий
решение в то время состояло в том, чтобы изолировать эти объекты и широко стерилизовать
их рентгеновскими лучами или ультрафиолетовым излучением, или высокими температурами. Из-за моего
опыта с различными опасностями радиационного облучения, меня впоследствии спросили
присоединиться к Комитету по космической биологии и медицине Совета космических наук,
и выступал в качестве председателя его Целевой группы по биологическому воздействию космоса
излучение. Комитет подготовил документ, озаглавленный Радиационная опасность для
Экипажи межпланетных миссий: биологические проблемы и стратегии исследований
(NRC, 1996; Сетлоу,
1999) с различными выводами и рекомендациями. Два особенно
следует отметить: «Общая расчетная неопределенность рисков
радиационно-индуцированные биологические эффекты колеблются от 4- до 15-кратного
от 4 до 15 раз меньше, чем наши нынешние оценки, потому что
неопределенностей как в пути частиц HZE, так и в их отколе
продукты проникают через экранирование и количественный способ, которым эти типы
радиация влияет на биологические функции» и «Если НАСА не получит доступ к
надежный источник частиц HZE .
.. для значительной части каждого года,
потребуется более 10 лет, возможно, более 20 лет… чтобы уменьшить нынешнее
большие неопределенности в поведении переноса частиц и в биологических
функции отклика».
По иронии судьбы радиация в космосе опасна для здоровья
стала проблемой только тогда, когда потенциальные опасности материала, возвращенного из
космос обсуждались
В ответ на доклад НАСА и Брукхейвенской национальной лаборатории
(BNL) создала финансируемый НАСА объект в BNL, NASA Space Radiation
Лаборатория (NSRL) по производству ядер HZE, имитирующих космическое излучение.
Введенный в эксплуатацию в июле этого года НРЛ будет проводить наземные эксперименты
для определения биологических эффектов ядер HZE и проверки соответствующих
контрмеры по минимизации уровня радиации в космическом аппарате. Один
очевидным способом уменьшить количество ядер HZE, пересекающих космический корабль, было бы
включить соответствующее экранирование. Обычные типы экранирования, думается
Это могут быть тяжелые металлы, такие как свинец, или более легкие металлы, такие как алюминий.
Однако, хотя поток частиц космических лучей легко ослабляется
таких щитов, частицы расщепляют ядра в щите, что производит
энергичные продукты расщепления — ядра с меньшей массой, которые также ионизируют
и выступать в качестве дополнительного источника излучения.
показывает долю ячеек, которые избегают пересечения частицами HZE в виде
зависит от массы алюминиевого экрана и времени нахождения в нем.
космос (Бреннер и Эллистон, 2001). Чем дольше
время, проведенное в космосе, тем больше клеток поражено — обратите внимание, что масса
экранирование имеет лишь незначительный эффект. Свинец был бы еще менее эффективным
экранирующий материал, чем алюминий; вообще, металлы очень бедны
меры по защите от радиации. Более легкие элементы, такие как вода
или пластмассы, поэтому могут быть гораздо лучшими щитами без добавления дополнительных
масса космического корабля. Будущие эксперименты, которые будут проводиться в NSRL,
предоставить дополнительные доказательства о различных защитных материалах и их влиянии на
биологические системы.
Открыть в отдельном окне
Расчетная вероятность того, что ядро кроветворного органа
не пересекаться ядром трека галактического космического луча, как функция
экранирование и длительность в свободном пространстве. Рисунок адаптирован из Brenner & Elliston (2001).
Понимание и оценка физиологических эффектов радиации и
гравитации требуют не только экспериментов на Земле, но и обширных исследований
МКС с достаточным количеством животных и/или людей (). Однако дальнейшее расширение и работа на МКС
застопорился из-за сокращения финансирования НАСА и, совсем недавно, из-за потери
из шаттл Columbia в феврале этого года. В дополнение
ISS сталкивается с проблемами трудоустройства. Первоначально экипаж из шести или семи космонавтов.
планировалось, что МКС будет обслуживать и эксплуатировать станцию, а также заниматься научной
эксперименты. Однако нехватка средств означает, что не хватает
большие космические аппараты, такие как космические челноки, доступные для перевозки экипажа,
оборудования и расходных материалов, а также служить спасательным транспортным средством в случае серьезной
авария на МКС.
Поэтому из соображений безопасности численность экипажа была уменьшена.
2002 г. до трех, потому что только российских КА, Союз , был в наличии
и в аварийной ситуации он может перевозить только трех членов экипажа.
Еще одна проблема помимо прямого повреждения
клеток является более общим воздействием космической радиации на иммунную
система
Потеря шаттла Columbia в феврале 2003 г.
усугубил эту проблему. Поскольку численность экипажа была уменьшена с шести до
в-третьих, большая часть времени космонавтов будет затрачиваться на эксплуатацию и техническое обслуживание
станции, что оставляет мало времени для проведения научных экспериментов.
Без значительно больших вливаний средств на поставку оборудования и
поддержка большего экипажа, сбор основной информации об опасностях
космические путешествия не будут осуществлены в ближайшие 10–20 лет. Мы
также нужен постоянно меняющийся экипаж из не менее шести астронавтов, чтобы получить
эпидемиологически значимые данные о физиологических и психологических
эффекты 0 г на космонавтов и эффективность противодействия.
Пока не
эти эксперименты можно провести, невозможно будет гарантировать безопасность
и самочувствие астронавтов в трехлетнем путешествии на Марс и обратно.
Открыть в отдельном окне
Международная космическая станция по состоянию на 20 августа 2001 года. Источник:
НАСА.
Итак, как мы можем удовлетворить наше любопытство о Солнечной системе и за ее пределами,
и продолжить более детальное исследование ближайших планет? Есть три
возможные решения. Первый и самый очевидный — это использование беспилотных космических аппаратов.
исследовать поверхность планет и совершить посадку, например, на Марс или
Европе — одном из спутников Юпитера — и вернуть образцы на Землю. Этот
вполне может быть сделано в течение следующих 10 лет. Второе решение состоит в том, чтобы
значительно увеличить финансирование МКС. Я не могу предположить, сколько это
было бы, потому что, судя по прошлому опыту, существуют большие неопределенности
в таких оценках. И эти средства даже затмили бы сумму денег
необходим для космического корабля, который мог бы перевозить экипаж из шести или семи астронавтов.