Высота до космоса от земли: Высота где начинается космос. Какое расстояние от Земли до космоса: км от открытой поверхности

«беспредельная» Земля и измеримый Космос

Андрей Кузьмин
«Природа» №2, 2021

Аристарху Самосскому удалось установить, что Земля (и даже диаметр орбиты Земли) представляется точкой по сравнению с размерами Космоса и что из-за ее малости невозможно наблюдать параллаксы неподвижных звезд. Согласно его взглядам, тела менее массивные должны обращаться вокруг наиболее массивного, расположенного в центре. Аристарх показал, что свойства пространства таковы, что его можно познать на основе наблюдений (учитывая то, что они произведены с подвижной Земли). Второе важное сформулированное им положение заключается в том, что Солнце занимает центральное положение в Космосе ввиду своей наибольшей массы, которой оно обладает в силу больших размеров. Согласно его третьему положению, сфера звезд симметрична относительно центра Космоса, то есть — Солнца.

Архимед создал на основе достижений Аристарха и собственных наблюдений геогелиоцентрическую модель Космоса, которая, в отличие от гелиоцентрической модели Аристарха, была принята сообществом. Архимед превращает астрономию в точную математическую дисциплину, не нарушая традиции геоцентризма. Космос Архимеда измерим геометрическими способами — путем астрономических наблюдений при помощи глаза и угломерных инструментов с опорой на геометрию Евклида.

Космос Аристарха Самосского

Аристарх Самосский (родился около 310 г. до н. э.) совершил существенный прорыв (отчасти основанный на научной интуиции) в осознании размеров, т.е. масштабов Космоса. В отсутствие достаточных достоверных измерений ему удалось создать совершенно корректную (с точки зрения современных представлений) геометрическую модель ближних объектов Космоса (в первую очередь, системы Земля — Луна — Солнце) и представить ее своим современникам, которые ее не приняли.

О результатах, полученных Аристархом Самосским в области математического построения элементов картины Космоса, известно из комментариев александрийского ученого Паппа (IV в. н. э.), на «Собрании» которого основаны знания о многих утраченных произведениях ученых Античности. Из оригинальных произведений Аристарха Самосского сохранился только один из ранних его трудов — «О величинах и расстояниях Солнца и Луны» [1, с. 32].

Свое построение Аристарх Самосский начал с перечисления шести аксиом. Согласно первой из них, Луна отражает солнечный свет, заимствуя его у Солнца. Эта аксиома дает объективный образ видимого «оптического взаимодействия» Луны и Солнца с позиций земного наблюдателя.

Согласно второй аксиоме, Земля представляет собой точку (и центр по отношению к лунной сфере). Эта аксиома имеет исключительное значение, поскольку в ней в неявной форме присутствует констатация факта чрезвычайной малости Земли по сравнению с размерами Космоса. Аристарх преодолевает чувственную картину, включающую огромную Землю и обозримый Космос, превращая самоочевидные ощущения в абстрактную идеальную модель, для исследования которой можно использовать геометрическую теорию Евклида.

Третья аксиома гласит: в момент, когда солнечным светом освещается ровно половина Луны, большой круг, разделяющий светлую и темную сторону Луны, лежит в плоскости, проходящий через глаз (т.е. положение наблюдателя совпадает с положением точки и центра второй аксиомы).

Четвертая аксиома содержит результат определения углового расстояния между Солнцем и Луной в момент, описанный в третьей аксиоме. Приведенный результат — 87° (эта величина указана Аристархом: меньше четверти окружности без тридцатой части этой четверти [1, с. 32]) — чрезвычайно завышен и противоречит второй аксиоме, поскольку, если бы Земля действительно была точкой и центром по отношению к размерам самой малой сферы — Луны, угол между Солнцем и Луной должен был составить 90°.

Во второй аксиоме Аристарх сформулировал важное абстрактное геометрическое утверждение. В четвертой — представил умозрительные рассуждения о наиболее ярких объектах неба (о Солнце и Луне). Совокупность наблюдений и интуитивных ощущений соразмерности этих объектов и взаимных расстояний между ними и Землей привели его к мысли о возможности измерить эти расстояния.

Пятая аксиома утверждает, что ширина тени Земли, которую можно наблюдать во время затмений, вмещает две Луны (буквально: ширина тени Земли соответствует удвоенному диаметру Луны).

Шестая аксиома определяет угловой размер Луны величиной в 2° (буквально: диаметр Луны представлен как 1/15 часть знака Зодиака), что превышает среднее значение в четыре раза.

В четвертой — шестой аксиомах представлены не результаты наблюдений, а некие положения, стремящиеся априори представить Космос как выражение определенных числовых пропорций.

Сформулированные таким образом аксиомы подготовили основу для составления наглядных геометрических схем (более наглядных, чем схемы, построенные с учетом реальных пропорций). Примерно так же поступают и авторы современных книг, в иллюстрациях которых явления в системе Земля — Луна — Солнце практически всегда показаны без соблюдения реальных масштабов, что, с одной стороны, делает их более наглядными и простыми для восприятия идеи, с другой — приводит к обману читателя-зрителя чрезвычайно значительными искажениями реальных физических пропорций.

Ученый «формулирует» идеальный геометрический образ, благодаря которому ему удается получить достаточно правдоподобные оценки расстояний и величин объектов. (Папп, опираясь на методику Аристарха и ссылаясь на Птолемея, привел в своих комментариях более точные результаты). Для Аристарха главным было решить задачу в общем виде — определить относительные расстояния и относительные размеры, выраженные в любых условных единицах, и продемонстрировать вывод о центральном положении Солнца (на основании как полученного результата, так и догадки, что тело меньшего размера, а значит менее массивное, должно обращаться вокруг тела более массивного).

Для рождения гелиоцентрической гипотезы, Аристарху также понадобилась уверенность, что размеры небесных тел в целом соответствуют величине их масс — чем больше тело, тем оно массивнее. Говоря современным языком, плотность «огненного» Солнца должна быть примерно равна плотности «водно-земной» Земли и плотности Луны, природа которой отчасти похожа на Землю.

Огненный шар большего диаметра легче, например, шара каменного, пусть и диаметра меньшего. Из этого следует необходимость теоретической догадки о достаточно высокой плотности солнечного вещества. Это никак не следует из непосредственного опыта наблюдений Солнца, которое представляется прежде всего огненным шаром. Можно было предположить наличие внутри пламени запасов топлива — по аналогии с бытовой печью или каким-либо горящим объектом.

Далее неизбежно следует вопрос об исчерпаемости (или неисчерпаемости — ввиду божественной природы) источника солнечного огня. Какими бы ни были рассуждения Аристарха, они привели его к верному выводу о Солнце как о самом массивном теле. Но массивное тело не может обращаться вокруг меньшего тела менее массивного, следовательно, именно Солнце должно быть неподвижным центром Космоса.

В «Псаммите» Архимед (умер в 212 г. до н. э.) обращается к Гелону Сиракузскому со словами: Ты знаешь, что, по представлению некоторых астрономов, мир имеет форму шара, центр которого совпадает с центром Земли, а радиус равен длине прямой, соединяющей центры Земли и Солнца. Но Аристарх Самосский в своих «Предположениях», написанных им против астрономов, отвергая это представление, приходит к заключению, что мир гораздо больших размеров, чем только что указано. Он полагает, что неподвижные звезды и Солнце не меняют своего места в пространстве, что Земля движется по окружности вокруг Солнца, находящегося в его центре, и что центр сферы неподвижных звезд совпадает с центром Солнца, а размер этой сферы таков, что окружность, описываемая, по его предположению, Землей, находится к расстоянию неподвижных звезд в таком же отношении, в каком центр шара находится к его поверхности [1, с. 61]. То есть размер земной орбиты «бесконечно» мал (или «равен точке») по сравнению с размером Космоса (т.е. диаметром «сферы неподвижных звезд»).

Основываясь на шести аксиомах, Аристарх сделал вывод о центральном положении Солнца, который далее обосновывается путем решения в общем виде нескольких геометрических задач.

Оценки реальных размеров появятся лишь в дальнейшем у Архимеда и распространятся на диаметры всех планетных сфер. Они были основаны на приблизительной (завышенной) оценке размера Земли. Ответ на вопрос о происхождении этой оценки найден в письменных источниках, фиксирующих устную древнеиранскую мифологическую традицию. В них в форме откровения сообщается размер Земли, который завышен приблизительно в пять с половиной раз. В некоторых мифологических текстах размер Земли называется беспредельным.

Завышенная в пять с половиной раз оценка (порядок достаточно адекватен порядку оценки Аристарха Самосского относительно реальных размеров Луны и Солнца) могла быть получена методом, подобным тому, который в дальнейшем (на рубеже II и III вв. до н. э.) реализовал Эратосфен.

Первая (более ранняя хронологически) оценка возникла в результате обнаружения факта, что полюс мира (вместе со всей системой созвездий) меняет свою высоту над горизонтом при перемещении в направлении север — юг. В период ранее VII в. до н. э. уже существовала развитая система дорог по всей территории Центральной Евразии [2]. Тогда и возникает идея «покатой» (т.е. полукруглой, дискообразной-выпуклой) Земли [3].

В рамках такой модели оценить размер «выпуклого земного диска» можно, измерив, на какое расстояние в направлении севера или юга нужно переместиться, чтобы высота полюса мира стала выше (при движении в сторону севера) или ниже (при движении в сторону юга) на ту или иную часть полного небесного круга. Умножив длину пройденного вдоль меридиана пути на отношение величины изменения наблюдаемого угла высоты северного полюса мира над горизонтом (по отношению к угловой величине полной окружности), можно получить достаточно точный размер длины окружности земного меридиана.

Возможность измерений высоты полюса мира, выполненных на различных широтах, вместе с верной интерпретацией причины возникновения разницы положили предел беспредельной Земле. Изменение высоты полюса мира может быть объяснено именно наличием кривизны населяемой людьми части ее поверхности. Экстраполируя этот результат, можно оценить расстояние до той «критической» точки, по достижении которой путешественник рискует буквально скатиться с плоско-выпуклого (подобному панцирю черепахи) земного диска в пространство «низа». Нижний мир представляет собой некую бездну, вероятнее всего заполненную водами мирового Океана.

Кроме того, беспредельность Земли тоже подвергается сомнению — в связи с наблюдением восходов и заходов Солнца и Луны и явлением сумерек. Это объясняли двумя способами. Согласно первому, светила заходят «за мировую гору» (находящуюся на севере), и тогда Земля, скорее всего, не имеет пределов. Согласно второму, они заходят под/за горизонт и обходят Землю по пространству «низа», тогда размер протяженности Земли ограничен по меньшей мере расстоянием до светил.

Вероятнее всего, в других, более поздних трудах Аристарха Самосского есть и более точные определения некоторых измеряемых величин. Тому свидетельство — следующий фрагмент из «Псаммита» Архимеда: Диаметр Солнца больше стороны тысячеугольника, вписанного в большой круг мира. Это я допускаю, опираясь на мнение Аристарха, утверждающего, что видимый размер Солнца составляет одну семьсот двадцатую часть его орбиты, называемой зодиаком [1, с.  62].

Итак, в результате анализа шести аксиом Аристарх сформулировал следующий вывод: Отсюда можно вывести, что расстояние от Земли до Солнца больше расстояния до Луны более чем в восемнадцать, но менее чем в двадцать раз — на основании предположения о Луне, рассеченной пополам; что такое же отношение имеет диаметр Солнца к диаметру Луны; что диаметр Солнца к диаметру Земли имеет отношение большее, чем 19 к 3, но меньшее, чем 46 к 6 — на основании найденного для расстояний отношения, сделанного предположения относительно тени, а также допущения, что Луна стягивает пятнадцатую часть зодиака [1, с. 32].

Аристарх сделал весьма скромный вывод (более точные оценки отношений значительно увеличивают значение диаметра Солнца, о чем сообщил Папп). Но даже такой результат достаточно наглядно показывает, что видимые размеры небесных тел не отражают их истинных взаимных пропорций. Они могут значительно отличаться от видимых, так как зависят от степени удаленности небесных тел от земного наблюдателя.

Геометрический образ Космоса Архимеда

Система мира Архимеда впервые представила размеры (диаметры) всех планетных сфер, включая «сферу неподвижных звезд», определяющую предел Космоса. Отмечу, что в построении Птолемея (около 150 г. н. э.) при вычислении видимых положений планет расстояния между их сферами (орбитами) не рассматривались.

О результате, полученном Архимедом, сообщил римский христианский писатель Ипполит (живший в III в. н. э.) в сочинении «Опровержении всех ересей». Завершая подробное перечисление архимедовых планетных расстояний, Ипполит сделал важное замечание: Изложенные Архимедом числа и приводимые другими отношения касательно расстояний, если они не будут находиться в созвучных отношениях, то есть в так называемых платоновских двойных и тройных, то, оказываясь вне созвучий, они не могут сохранить гармоничного строения Вселенной [4, с. 370].

Все расстояния между элементами Космоса имеют конкретные размеры. Космос Архимеда обладает двумя центрами. Нельзя исключить, что им было «построено» несколько вариантов числовых соотношений Космоса, но поздние авторы сохранили и передали лишь тот вариант, который более остальных соответствовал идеям Платона.

О необходимости следовать Платону говорил Макробий: Также и Архимед считал, что он определил число стадий, на которое от поверхности Земли удалена Луна, а от Луны — Меркурий, от Меркурия — Венера, от Венеры — Солнце, от Солнца — Марс, от Марса — Юпитер, от Юпитера — Сатурн; все же расстояние от Сатурна до самого звездного неба он измерил только рассуждением. Однако это архимедово измерение отвергнуто платониками, как не сохраняющее двойных и утроенных интервалов [4, с. 370].

Построение Архимеда анализировали, опираясь на идеи Платона (точнее, на идеи числовой гармонии, вероятно, восходящие к Пифагору), а те элементы, которые им не соответствовали, могли быть отвергнуты при принятии построения Архимеда в целом.

При конструировании модели механизма Космоса Архимед опирался на результаты Аристарха Самосского. Но главное — в основе его построения были наблюдаемые пределы изменений яркостей планет в связи с их максимально возможными угловыми удалениями от Солнца. Одним из результатов анализа этих параметров стало частичное обоснование гелиоцентризма.

Противоречия, связанные с особенностями движений Меркурия, Венеры и Марса, а также сопутствующие изменения их блеска привели к созданию бицентричной геоцентрической системы, в которой вторым подвижным центром стало Солнце. Солнце в такой системе — центр трех сфер: Меркурия, Луны и Марса. Сфера Марса заключает в себе сферу Луны и дважды пересекает сферы Солнца, Юпитера и Сатурна. Иными словами, в модели Архимеда Марс при прохождении наиболее удаленного от Земли участка своей орбиты оказывается «выше» Сатурна.

Подобная модель Космоса во многом снимает противоречия, возникающие в связи с наблюдаемыми особенностями движений Меркурия и Венеры, постоянно сопровождающими Солнце, а также объясняет особую асимметрию в движении Марса (для него характерны особо протяженные петли), которая сочетается с весьма значительными изменениями его звездной величины, что не наблюдается ни у одной из других планет.

Первыми шагами в построении Архимеда было выяснение расстояний от Земли до сферы (орбиты) Луны и от Земли до сферы (орбиты) Солнца. Определения сделаны согласно методике Аристарха Самосского. Их основой, помимо прочего, стали полученные тем результаты, происходящие из его поздних, не сохранившихся до наших дней трудов.

Определение расстояний от Солнца до сферы (орбиты) Меркурия и от Солнца до сферы (орбиты) Венеры производилось на основе измерений максимально возможных угловых расстояний (говоря языком современной астрономии, элонгаций), на которые Меркурий и Венера удаляются от Солнца.

Способ определения расстояния между Солнцем и сферой (орбитой) Марса не столь очевиден. Архимед априори мог предполагать, что дистанция от Солнца до сферы (орбиты) Марса равна удвоенному расстоянию от Солнца до сферы Венеры, а отношение диаметров орбит Венеры и Меркурия равно отношению орбит Марса и Венеры. Таким образом, если у Меркурия диаметр орбиты равен одной условной единице, то у Венеры — двум, а у Марса — четырем. Такая гипотеза в целом может быть подтверждена измерениями интервалов времени между наблюдаемыми противостояниями Марса, если использовать аналогию с движением Венеры, предполагая равенство и равномерность их скоростей [5].

Диаметры орбит Юпитера и Сатурна были подобраны на основе, в первую очередь, их яркостей, почти не меняющихся ни в течение их полных циклов, ни в течение года. Из этих наблюдаемых фактов может следовать, что именно Земля — центр их орбит.

Исходя из того, что яркость Сатурна приблизительно равна яркости Марса в периоды, близкие к его соединениям с Солнцем, Архимед заключил, что орбиты Марса и Сатурна в это время совпадают (пересекаются или по крайней мере находятся рядом). Если следовать логике последовательности чисел, то в этом случае, чтобы получить точную, соответствующую числовому эскизу величину радиуса орбиты Сатурна, нужно умножить радиус орбиты Меркурия на шесть. Более яркому Юпитеру как раз остается пространство — сфера (орбита), радиус которой равен пяти радиусам орбиты Меркурия.

Остается завершить картину, заключив ее в сферу неподвижных звезд, «подняв» ее на некоторую высоту над сферой Сатурна так, чтобы наиболее удаляющаяся по причине особой асимметрии сфера Марса также оказалась внутри нее.

Что касается конкретных размеров всех описанных сфер Космоса, то стало возможным оценить их на основе измерений расстояний Земля — орбита Луны и Земля — орбита Солнца. Такая задача — на уровне имеющихся как наблюдательных, так и теоретических возможностей — уже была решена Аристархом Самосским. В работе Архимеда, получив геометрическое (основанное на новом анализе особенностей движений планет) развитие, идея измерения диаметров планетных сфер была реализована в оценке радиусов всех сфер Космоса, включая сферу неподвижных звезд.

Решающая роль в обосновании геоцентрической модели Космоса принадлежит отсутствию видимых изменений в сфере неподвижных звезд, неизбежных в случае движения Земли вокруг Солнца. Такое движение приводило бы к циклическим (годовым) изменениям расстояний от той или иной звезды, что меняло бы ее яркость и видимое положение относительно небесных координат, а также других звезд. Поскольку «небо неподвижных звезд» остается совершенно неизменным, Земля неподвижна и пребывает в центре «сферы неподвижных звезд», т.е. в центре Космоса.

Луна, Солнце, Сатурн и Юпитер в модели Архимеда движутся вокруг Земли, а Меркурий, Венера и Марс — вокруг Солнца. Движение Луны и Солнца самоочевидно. Венера и Меркурий постоянно сопровождают Солнце, и их яркости значительно меняются. Марс, не связанный с Солнцем, как Венера и Меркурий, в системе Архимеда находился на гелиоцентрической орбите по причине весьма значительных изменений его яркости и, следовательно, весьма значительного изменения расстояния между ним и Землей. В результате Марс в Космосе Архимеда оказывается на «правильной» гелиоцентрической орбите, круг которой включал Землю вместе с орбитой Луны. Таким образом, Марс может значительно приближаться к Земле, но всегда остается при этом «выше» Луны.

Юпитер и Сатурн в модели Архимеда остаются на геоцентрических орбитах. Так как их яркости не претерпевают каких-либо заметных изменений и могут быть определены как постоянные, расстояние от Земли (наблюдателя) до этих планет, как и до сферы неподвижных звезд, в рамках модели следовало считать неизменными.

Структура Космоса: от раннего Средневековья к ренессансу античной науки

В начале 1-го тысячелетия н. э. была популярна восходящая к системе Архимеда так называемая египетская система мира, известная также как система мира Марциана Капеллы (V в.).

Именно о египетской (по сути созданной Архимедом) системе Космоса сообщал Николай Коперник (1473–1543), ссылаясь на Марциана Капеллу: Поэтому я полагаю, никак не следует пренебрегать тем, что написал в энциклопедии Марциан Капелла и что хорошо знали некоторые другие латинские писатели. Они полагают, что Венера и Меркурий обращаются вокруг находящегося в середине Солнца, и по этой причине думают, что эти планеты могут отойти от Солнца не дальше, чем позволяет кривизна их орбит, поэтому эти светила не обходят вокруг Земли, как другие планеты, но имеют повернутые внутрь апсиды. Следовательно, что же другое хотят сказать эти писатели, как не то, что центр орбит этих светил находится около Солнца. Таким образом, орбита Меркурия помещается внутри орбиты Венеры, более чем вдвое большей, и находит по величине вполне соответствующее место [6, с.  32–33].

Египетская система мира повторяла систему мира Архимеда, за исключением орбиты Марса, которая в египетской системе остается геоцентрической. Вероятнее всего, комментаторы Архимеда сочли недостаточно обоснованным гелиоцентризм Марса, тогда как факт гелиоцентричности орбит Венеры и Меркурия был вполне убедителен.

Вслед за рассуждением об описании орбит Венеры и Меркурия у Марциана Капеллы Коперник сделал следующий логических ход: Если теперь кто-нибудь на этом основании отнесет к тому же центру и Сатурн с Юпитером и Марсом, определив только величину их орбит так, чтобы они вместе с этими планетами охватывали и окружали неподвижную Землю, то не ошибется, как показывают числовые отношения их движений. Действительно, известно, что эти планеты находятся ближе к Земле всегда около времени своих восходов вечером (то есть когда они бывают в противостоянии с Солнцем, а Земля занимает место между ними и Солнцем), а всего дальше они бывают от Земли около времени своих заходов вечером, когда скрываются вблизи Солнца, и Солнце, очевидно, бывает между ними и Землей. Все это достаточно ясно показывает, что центр их скорее относится к Солнцу и будет тем же самым, вокруг которого совершают свои обращения Венера и Меркурий [6, с. 33]. Итак, если все сферы наблюдаемых планет имеют один центр, то из данных наблюдений с неизбежностью следует, что «выше» орбиты Венеры, но «ниже» орбиты Марса существует дополнительное пространство. Это пространство (вероятнее всего, по требованию гармонии) должно быть также заполнено сферой. По аналогии с другими планетными сферами здесь может быть сфера самой Земли, обращающаяся вокруг того же центра. Вот как сформулировал это Коперник: Если же они все связаны с одним центром, то необходимо, чтобы в пространстве, остающемся между выпуклостью сферы Венеры и вогнутостью Марса, находился тоже круг или гомоцентрическая с ним по обеим своим поверхностям сфера, которая вместила бы в себя Землю вместе с сопутствующей ей Луной и всем тем, что содержится под сферой Луны. Действительно, мы никак не можем отделить от Земли Луну, бесспорно самую близкую к ней, в особенности если в указанном пространстве найдем достаточно обширное и подходящее для нее место. Поэтому нам не стыдно признать, что весь этот подлунный мир и центр Земли движутся по упомянутому Великому кругу между другими планетами, заканчивая свое обращение вокруг Солнца в один год, и что около Солнца находится центр мира [6, с. 33].

Далее Коперник формулирует вывод о необходимости движения Земли: Если же Солнце остается неподвижным, то все видимое движение его должно, скорее, найти себе объяснение в подвижности Земли [6, с. 33]. Затем следует объяснение отсутствия наблюдаемых параллаксов звезд, что еще в Античности служило главным научным аргументом опровержения подвижности Земли: Величина же мира является столь большой, что, хотя расстояние Земли от Солнца и имеет достаточно заметную величину по отношению к размерам любых планетных орбит, оно по сравнению со сферой неподвижных звезд не будет заметным [6, с. 33].

Свои выводы Коперник подкрепил утверждением, согласно которому природа стремится к максимальной простоте и лаконичности: Я полагаю, что это допустить легче, чем устремлять свой ум почти в бесконечное множество сфер, а ведь это принуждены делать те, которые удерживают Землю в середине мира. Но должно, скорее, следовать мудрости природы, которая как бы больше всего боится произвести что-нибудь излишнее или бесполезное, но зато часто одну вещь обогащает многими действиями [6, с. 33].

Коперник начал свои логические рассуждения с модели Космоса Марциана Капеллы, восходящей к модели Космоса Архимеда. Он основывался на интуитивном ощущении необходимости гармонии и вынужден был преодолевать заведомо занижаемые со времен Античности размеры небесных сфер. Для Коперника античная модель была лишь промежуточным шагом в последовательности рассуждения, которая завершилась утверждением гелиоцентризма. И произошло это задолго до появления трудов Кеплера относительно гармонии Космоса и геогелиоцентрической системы Тихо Браге.

Тихо Браге (1546–1601) во второй половине XVI в. создал свою геогелиоцентрическую модель Космоса, которую опубликовал в Ураниборге в 1588 г. В критике (как Птолемея, так и Коперника) он опирался, в частности, на «Псаммит» Архимеда как на древнего астронома, ссылавшегося на Аристарха Самосского.

Браге упрекал Птолемея за излишнюю сложность его построения, а Коперника — за подвижность Земли. Факт движения Земли Тихо категорически не принимал. Вероятно, Тихо смог реконструировать систему Архимеда, информация о которой была известна из многочисленных комментариев. Модель Архимеда, безусловно, вдохновила Тихо, который стремился найти простую красивую схему, не нарушая при этом покоя Земли.

В целом система Тихо Браге повторяла Архимедову, за исключением того что в его Космосе Юпитер и Сатурн тоже имели гелиоцентрические орбиты. Таким образом, в предложенной им системе вокруг Земли обращаются только Луна и Солнце.

Оценки планетных расстояний Архимеда в системе Тихо Браге могли быть приняты, но именно как диаметры орбит, поскольку хрустальные сферы ученый опровергал. Основывалось это на установленном Браге факте, что кометы — не атмосферные явления, как считал Аристотель [7], а свободно движущиеся космические тела. При наличии хрустальных сфер кометы не могли бы перемещаться по пространству Космоса столь свободно, как это показали наблюдения Браге. Система мира Тихо Браге еще долго сохраняла популярность среди ученых, не принимавших концепцию движения Земли. В статусе одной из актуальных моделей мира она просуществовала вплоть до середины XVIII в.

«Небесный атлас» И. Доппельмайера [8], включает таблицу Systema Mund Tychonicum, где модель мира Тихо Браге представлена не только в виде схемы: ей посвящена также отдельная таблица, включающая подробное представление ее математических параметров (размеров и пропорций) [9]. Главными положениями ее обоснования по-прежнему были отсутствие наблюдаемых параллаксов неподвижных звезд, адекватное математическое описание и очевидность неподвижности Земли.

***

Из гелиоцентрической системы Аристарха Самосского история астрономии сохранила лишь сведения о расстояниях до Луны и Солнца, важные догадки о реальных отношениях размеров и масс небесных тел, а также правильный вывод о центральном положении Солнца — наиболее массивного из них.

О результатах астрономических трудов Аристарха известно в основном из работ Архимеда, для которого эти результаты стали основой собственных наблюдений небесных тел и теоретических исследований Космоса.

В завершение приведу наиболее значимые количественные результаты, полученные в процессе геометрической «реконструкции» планетных сфер.

Относительная (выраженная в радиусах Земли) величина расстояния до Луны составила 60,9 (современное значение — от 56 в перигее до 64 в апогее). Абсолютное значение расстояния до Луны было значительно преувеличено из-за оценки радиуса Земли, превышающего реальные размеры. Расстояние до Солнца в системе Архимеда превышает расстояние до Луны в 10 раз. Поскольку эта величина чрезвычайно занижена, ее абсолютное значение (даже с учетом преувеличения базовой величины — радиуса Земли), а также все абсолютные значения диаметров планетных орбит оказались значительно меньше истинных.

Важным достижением Архимеда, безусловно, стало адекватное определение относительных радиусов орбит Меркурия, Венеры и Марса. Относительные (выраженные в радиусах орбиты Земли) величины диаметров орбит Меркурия, Венеры и Марса очень близки современным значениям. Для Меркурия Архимед привел значение 0,38 (современное значение 0,39, ошибка 8%). Для Венеры — 0,72 (совпадает с современным). Для Марса — 1,44 (современное значение — 1,52, ошибка 5%) [5]. Для Меркурия и Венеры эти данные были получены Архимедом путем измерений углов максимальных наблюдаемых удалений этих планет от Солнца.

Методика определения Архимедом диаметра орбиты Марса достоверно не известна. Такой результат мог быть получен весьма сложным геометрическим способом на основе измерений периодов противостояний (последовательных повторов углов в 180°) и квадратур (углов в 90°) между Марсом и Солнцем и последующего соотнесения этих периодов с периодом его обращения. Такой способ возможен, поскольку Архимед рассматривал орбиту Марса как гелиоцентрическую.

Другой вероятный способ — теоретический. Архимед, исходя из сформулированного им гармонического правила увеличения диаметров орбит (1:2:4:5:6) и принимая диаметр орбиты Меркурия за условную единицу, мог определить диаметры орбит остальных планет, включая Марс. Диаметр орбиты Венеры больше орбиты Меркурия в два раза, Марса — в четыре. Диаметры геоцентрических орбит Юпитера и Сатурна больше диаметра гелиоцентрической орбиты Меркурия соответственно в пять и в шесть раз.

Разумеется, диаметры орбит Юпитера и Сатурна, определенные согласно этому правилу, оказались еще более занижены. Кроме того, первый способ, который мог быть использован для определения диаметра орбиты Марса, здесь неприменим, поскольку центром орбит этих планет Архимед полагал Землю.

Литература
1. Веселовский И. Н. Аристарх Самосский — Коперник античного мира // Историко-астрономические исследования. Вып. VII. М., 1961; 11–70.
2. Новоженов В. А. Чудо коммуникации и древнейший колесничный транспорт Евразии. М., 2012.
3. Гурев Г. А. Системы мира. М., 1950.
4. Архимед. Сочинения. М., 1962.
5. Житомирский С. В. Античные представления о размерах мира // Историко-астрономические исследования: Вып. XVI. М., 1983; 291–326.
6. Коперник Н. О вращениях небесных сфер. М., 1964.
7. Аристотель. Метеорологика. Л., 1983.
8. Doppelmayer J. G. Atlas Coelestis in quo Mundus Spectabilis. Nuremberg, 1742.
9. Саплин А. Ю. Небо. Т. I. Тула, 2016.
10. Gent R. H. van. Andreas Cellarius. Harmonia Macrocosmica. Taschen, 2006.

Вторжение в космос | Наука и жизнь

Когда мир облетела весть, что в Советском Союзе успешно запущен первый искусственный спутник Земли, военные и политические деятели США приложили все усилия к тому, чтобы умалить важное значение этого научно-технического достижения. Они заявили, что спутник не имеет никакой ценности для ведения научных исследований. Они дошли даже до таких маловразумительных утверждений, что маленькая Луна якобы представляет собой всего лишь «кусок железа, заброшенный в пространство».

Выход ракеты на заданную орбиту и отделение защитного конуса.

Примерная схема размещения аппаратуры во втором искусственном спутнике. 1 — Защитный конус. 2 — Прибор для исследования коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца. 3 — Сферический контейнер. 4 — Кабина с подопытным животным. 5—Аппаратура для изучения космических лучей. 6— Радиотелеметрическая аппаратура. 7 — Источник электропитания.

Схема прибора для регистрации интенсивности космических лучей. Схема приемника для исследования коротковолнового излучения Солнца.

‹

›

Открыть в полном размере

Полет первого искусственного спутника дал возможность нашим ученым получить цепные сведения о процессах, происходящих в верхних слоях земной атмосферы. Наблюдения за траекторией полета спутника и его ракеты-носители позволяют уточнить наши представления о плотности земной атмосферы на больших высотах, о ее физических свойствах, обуславливающих проходимость радиоволн различной частоты, а также выяснить непосредственные причины изменения характеристик ионизированных слоев. Эти данные имеют первостепенное значение для прогнозирования распространения радиоволн и обеспечения надежной радиосвязи.

Запуск второго искусственного спутника — целой летающей лаборатории — явился новым шагом вперед в области завоевания человеком космоса. Полученные при помощи приборов, находящихся на борту второго спутника, научные данные и наблюдения над подопытным животным позволили значительно расширить человеческие познания в области физических процессов, происходящих в космическом пространстве, и проследить за жизнедеятельностью животного в условиях космического полета.

Как устроен второй спутник

В отличие от первого спутника, имевшего форму шара весом 83,6 килограмма, второй спутник представляет собой последнюю ступень ракеты-носителя с расположенными на ней источниками питания, контейнерами и научной аппаратурой, общий вес которых составляет 508,3 килограмма. Это в 6 раз больше веса первого спутника. Максимальное удаление второго спутника от поверхности Земли достигает 1 700 километров, что примерно вдвое превышает наибольшую высоту, достигнутую при запуске первого спутника. Период обращения его вокруг Земли составляет 103,7 минуты — на 7,5 минуты больше, чем период обращения первого спутника в момент начала его движения.

Эти данные трудно даже сравнить с теми, которые, по предварительным предположениям, будут у первого американского спутника. Согласно программе МГГ, американцы должны были запустить свой спутник в июле 1957 года. Но, как сообщает теперь официальная американская печать, он будет запущен не ранее марта будущего года. Его диаметр, как предполагается, будет равен 50 сантиметрам (20 дюймов), вес—9,8 килограмма (21,5 фунта), угол наклона к плоскости экватора — от 35 до 40 градусов, максимальная высота полета — 400 километров (300 миль). На опубликованной карте предполагаемого полета из штата Флорида американский спутник должен захватить относительно узкую полосу около экватора, не проходя над европейскими странами.

Как известно, размеры второго советского спутника значительно больше размеров первого. Это дало возможность установить на нем большое количество различной аппаратуры. Приборы на спутнике размешены следующим образом. Головная часть ракеты снабжена силовой рамой. В передней части рамы установлен прибор для исследования излучении Солнца в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра, сферический контейнер (конструкция которого аналогична первому спутнику) с радиопередатчиками и герметичная кабина с подопытным животным — собакой. Аппаратура для изучения космических лучей, радиотелеметрическая аппаратура и приборы для измерении температуры установлены непосредственно на корпусе ракеты.

Наружная поверхность сферического контейнера и кабины с животным была отполирована и подвергнута специальной обработке. Это было сделано для того, чтобы отражать падающие солнечные лучи и не допускать перегрева внутри кабины и контейнера. Для предохранения установленных на раме приборов и контейнеров от воздействия аэродинамических сил, возникающих при прохождении ракетой плотных слоев земной атмосферы, они были защищены снаружи специальным конусом, который автоматически был сброшен после выхода ракеты-носителя на заданную орбиту.

Внутри сферического контейнера, помимо радиопередатчиков, были размещены источники их электропитания и чувствительные элементы, регистрирующие изменения давления и температуры, а также система регулирования этих параметров. Один радиопередатчик работал в режиме непрерывного излучения с длиной волны 7,5 метра. Сигналы второго радиопередатчика, работающего с длиной волны 15 метров, имели вид телеграфных посылок длительностью около 0,3 секунды с паузами такой же продолжительности. В том случае, когда температура и давление внутри сферического контейнера менялись, длительность посылок и пауз между ними также изменялась.

На наружной поверхности и внутри кабины, а также на различных элементах конструкций и приборах были тоже расположены датчики для измерения температуры. В самой кабине были установлены датчики, с помощью которых производилось непрерывное изучение жизнедеятельности животного. Результаты всех измерений с помощью радиотелеметрической системы периодически передавались на Землю.

Излучение Солнца

Какие же новые данные мы получили в результате запуска второго спутника?

Первостепенный научный практический интерес для физики, астронавтики и геофизики представляет исследование коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца.

Известно, что земная атмосфера полностью поглощает коротковолновое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца, предохраняя тем самым живые организмы от их разрушительного воздействия. В то же время это делает невозможным наблюдение коротковолнового излучения Солнца с Земли.

Хотя общая энергия коротковолнового излучения Солнца по сравнению с энергией, излучаемой им в видимой части спектра, сравнительно невелика, тем не менее это излучение вызывает в атмосфере различные процессы, приводящие к образованию сильно ионизированных слоев, оказывающих существенное влияние на условия распространения радиоволн.

Под влиянием физических процессов, происходящих в малоизученных внешних слоях атмосферы Солнца (хромосфере и короне), ионизированные слои земной атмосферы претерпевают непрерывные изменения, которые могут приводить к появлению магнитных бурь, нарушению радиосвязи и т. д. Применение высотных ракет положило начало исследованию этой области солнечного спектра. Однако только использование искусственных спутников впервые дает возможность проведения систематических измерений коротковолнового излучения Солнца на протяжении длительных отрезков времени.

С этой целью на втором спутнике установлены три приемника. Они представляют собой специальные фотоэлектронные умножители, расположенные под углом в 120 градусов друг к другу. Это сделано для того, чтобы увеличить вероятность попадания солнечной радиации на фотокатод приемника при различном положении спутника по отношению к Солнцу.

Вот как работают эти приемники.

Под действием падающей рентгеновской или ультрафиолетовой радиации из фотокатода вылетают электроны. Бомбардируя покрытую специальным составом металлическую пластину, они выбивают из нее так называемые вторичные электроны. Эти вторичные электроны, в свою очередь, бомбардируют следующую пластину и снова выбивают на неё уже большее количество электронов. Тот же процесс повторяется на всех последующих этапах, пока электронный поток с последней пластины не собирается коллектором-анодом. Чтобы получить представление о том, какое усиление может быть достигнуто в умножителе, достаточно сказать, что если каждый первичный электрон будет выбивать 4 вторичных электрона, а число пластин (так называемых эмиттеров) равно 10, то коэффициент усиления умножителя будет равен 1000000.

Перед фотоумножителем помещен диск с набором фильтров, при вращении которого входное отверстие фотоумножителя попеременно перекрывается пленками алюминия, бериллия, фтористого лития и полиэтилена различной толщины. Это позволяет выделить различные диапазоны в рентгеновской области спектра Солнца и линию водорода в далекой ультрафиолетовой области. Перестановка различных фильтров (2 фильтра в секунду) производится с помощью шагового механизма, работающего от специального генератора.

Вращаясь вокруг Земли, спутник часть времени проводит на не освещенном Солнцем участке своей орбиты. Поэтому с помощью фотосопротивлений и системы автоматики электрические цепи аппаратуры включались только в том случае, когда Солнце попадало в поле зрении одного из приемников радиации. Это давало возможность экономно расходовать источники электропитания.

Сигналы от приемника в виде импульсов напряжения, число которых пропорционально интенсивности падающей на фотокатод радиации, поступали на счетно-интегрирующую схему, соединенную с радиотелеметрической системой, с помощью которой осуществлялась передача сигналов на Землю.

Посланцы из мирового пространства

Не менее широкие перспективы открывает применение искусственных спутников для исследования космических лучей. Приходящие на Землю из мирового пространства космические лучи представляют собой потоки атомных ядер, обладающих большой энергией. Попадая в земную атмосферу, космические «тяжелые» ядра расчленяются на более легкие, образуя новые частицы — мезоны, при распаде которых возникают электроны и фотоны.

Магнитное поле Земли сильно искривляет траекторию движения космических лучей, создавая около неё как бы своеобразный энергетический барьер. Высота этого барьера максимальна у экватора и постепенно уменьшается к полюсам. Только частицы, обладающие очень большой энергией, могут достичь любых районов Земли, а частицы малых энергий достигают лишь районов, находящихся вблизи Северного и Южного полюсов.

В результате ряда процессов, которые происходят в мировом пространстве с космическими лучами, интенсивность и состав космических лучей изменяются. Обычно интенсивность космических лучей слабо изменяется со временем. Однако во время бурных процессов на Солнце она сильно возрастает. За последние 15 лет зарегистрировано пять сильных возмущений интенсивности космического излучения, причем самое большое из них наблюдалось 23 февраля 1956 года. В этом случае интенсивность даже на уровне моря изменилась в несколько раз. Так же, как и при наблюдениях коротковолнового излучения Солнца с Земли, наличие земной атмосферы значительно затрудняет исследования космических лучей. Вот почему так важны наблюдения, которые проводились на спутнике впервые на высоте в несколько сот километров над темной поверхностью.

Для регистрации наряженных космических частиц на спутнике было установлено два одинаковых прибора. Оси счетчиков обоих приборов располагались на корпусе ракеты-носители перпендикулярно друг к другу. В том случае, когда через счетчик проходила электрически заряженная частица, в нем возникала искра, дающая импульс на радиотехническую схему, предназначенную для счета числа частиц космического излучения.

После того, как было сосчитано определенное число частиц, сигнал об этом с помощью радиотелеметрического устройства поступал на Землю, а счетчик снова начинал производить регистрацию частиц, и когда число импульсов достигало прежней величины, об этом снова передавался сигнал на Землю. Интенсивность космических лучей (то есть число частиц, проходящих через счетчик за секунду) может быть вычислена, если разделить числа зарегистрированных частиц на время, в течение которого они были сосчитаны.

Во время полета оба прибора функционировали нормально, причем отчетливо выявилась зависимость космического излучения от геомагнитной широты. Зная эту зависимость, можно определить распределение частиц по энергиям, то есть узнать энергетический спектр космического излучения и проследить за его изменением в течение всего времени работы аппаратуры, сопоставив эти изменения с теми процессами, которые имели при этом место в окружающем нас мировом пространстве.

Первый космический пассажир

Помимо информации о процессах, происходящих в верхних слоях атмосферы, не менее важной проблемой, решаемой с помощью второго искусственного спутника Земли, было изучение поведения живого организма в космическом пространстве. Впервые в космос проникло живое существо. Наблюдения за ним помогут выявить ряд важных закономерностей для будущего космического полета.

Успешному осуществлению длительного полета животного в космическом пространстве предшествовала большая и широкая программа исследований, проведенных при подъеме животных с помощью ракет до высоты 100—210 километров. Сначала животные поднимались в герметичных кабинах, оборудованных специальными малогабаритными системами регенерации воздуха. После автоматического отделения от ракеты кабина на парашюте опускалась на Землю.

Впоследствии животные помещались в специальные высотные безмасочные скафандры с прикрепленными к ним парашютами и на высоте до 100 километров автоматически выбрасывались из кабины. Спуск на парашюте продолжался с этой высоты примерно час. В других случаях животные совершали «затяжной прыжок» с высоты 40—45 километров, парашют при этом автоматически раскрывался только на высоте 4 километров. Проведенные эксперименты показали, что животные переносят полет вполне удовлетворительно, не испытывая каких-либо вредных для организма последствий.

Однако не следует забывать, что условия кратковременного полета на ракетах существенно отличаются от тех, в которых находится животное при длительном полете на искусственном спутнике Земли.

После взлета многоступенчатой баллистической ракеты скорость полета начинает стремительно нарастать, пока не достигнет величины, необходимой для преодоления силы земного тяготения. Воздействие ускорения на живой организм зависит от его величины, времени действия, скорости нарастания, а также от направления, в котором вызываемая ускорением сила действует на тело животного.

При длительной тренировке животные постепенно привыкают безболезненно переносить те реальные ускорения, которые могут иметь место при движении ракеты-носителя на активном участке траектории ее полета до выхода спутника на орбиту. Кроме того, в настоящее время для этой цели созданы специальные противоперегрузочные костюмы, противодействующие нарушению мозгового кровообращения, которое может иметь место в результате воздействия ускорений.

После того, как спутник выходит на заданную орбиту, действие ускорении, связанных с нарастанием скорости, исчезает, исчезает и сила земного притяжения, и животное вступает в новые, чрезвычайно своеобразные условия — полной невесомости. Влияние невесомости, на живой организм, помимо кратковременных опытов при подъеме собак на ракетах, изучалось также и при полетах самолетов по специально разработанному режиму. Установлено, что в большинстве случаев кратковременное пребывание в состоянии невесомости не вызывает каких-либо существенных нарушении физиологических функций живого организма. Однако устойчивость организма к воздействию невесомости различна. Иногда при этим наблюдается расстройство в координации движений, нарушается кровообращение, возникают различного рода иллюзорные ощущении. Интересно, что при повторном многократном пребывании организма в условиях невесомости человек постепенно приспосабливается к этому необычному для него состоянию, начинает достаточно свободно ориентироваться в пространстве и приобретает способность совершать точно координированные движения.

Для того, чтобы находящееся в герметичной кабине спутника животное могло более безболезненно перенести воздействие ускорений и длительное время находиться в условиях невесомости, наиболее целесообразно его поместить в лежачее положение, закрепив корпус ремнями на специальном лотке, но таким образом, чтобы оно могло, свободно дышать головой и принимать пищу.

На высотах, где происходит движение спутника, атмосферное давление, по сути дела, отсутствует (составляя миллиардные доли миллиметра ртутного столба). Поэтому поддержание в кабине второго спутника необходимого газового состава осуществлялось с помощью высокоактивных химических соединении, выделяющих необходимый для дыхания кислород и поглощающих углекислоту и избыток водяных паров. Количество вещества, участвующее в этих химических реакциях, автоматически регулировалось с помощью специального устройства. Поскольку в условиях невесомости перемешивание воздуха отсутствует, потребовалось создание системы принудительной вентиляции, А поддержание внутри кабины определенного температурного режима осуществлялось специальной системой терморегулирования.

Не менее существенна проблема кормления животного в условиях космического полета. Ведь для поддержания нормального функционирования организма животному необходима жидкая пища. В условиях невесомости жидкость, как известно, не падает вниз в определенном направлении и может поэтому легко распространиться по всей кабине. Выдача отдельных порции пищи через заранее точно определенные промежутки времени может быть, например, осуществлена с помощью особого программного механизма и специальных релейных устройств.

Первое животное, совершившее длительный космический полет вокруг Земли, прошло серьезную предварительную тренировку. Оно приучалось к длительному пребыванию и специальной одежде в герметичной кабине малого объема. Постепенно у собаки выработалась устойчивость к действию вибрации и перегрузок, В результате этой тренировки, а также благодаря тому, что в герметичной кабине были созданы все необходимые условия, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность животного, оно хорошо перенесло длительное воздействие ускорений при выходе спутника на орбиту и последующее состояние невесомости.

Программа научных исследований, связанных с получением данных со второго спутника, была рассчитана на семь суток, после чего радиостанция спутника и бортовая телеметрическая аппаратура прекратили свою работу.

Полученные за эти семь дней медико-биологические данные об условиях существования живых организмов при длительных космических полетах, материалы по интенсивности солнечного излучения и космических лучей, о распространении радиоволн, температурах и давлениях представляют исключительный интерес для науки. В настоящее время все эти материалы подвергаются тщательной обработке и изучению.

Очень важное значение для изучения условий распространения радиоволн в ионосфере имеют измерения напряженности принимаемых со спутника сигналов. Результаты приема радиосигналов и измерение их уровней показывают, что на волне 15 метров эти сигналы зачастую принимались на громадных расстояниях, превышающих 15 тысяч километров. В некоторых случаях радиоволны приходили в приемник не по кратчайшему расстоянию, а путем обхода земного шара по более длинной дуге; в отдельных случаях наблюдалось явление кругосветного эха радиосигналов. Все эти явления указывают на наличие ионосферных радиоволноводов, а положение спутника вблизи области максимальной ионизации создает особо благоприятные условия для их использования.

Однако этим отнюдь не ограничивается круг вопросов, связанных с изучением верхней атмосферы и космического пространства. Новые автоматические лаборатории, которые, несомненно, появятся в Космосе, позволят произвести более детальные измерения давления и плотности высоких слоев атмосферы, определить степень ионизации и исследовать состав ионизированных слоев, измерить напряженность магнитного поля Земли и исследовать корпускулярные потоки Солнца. Большое значение для изучения условий будущих космических полетов имеет также исследование потока метеорных частиц, приходящих в земную атмосферу из межпланетного пространств. Успешный запуск в СССР первых двух искусственных спутников Земли, проведенные на них исследования верхних слоев атмосферы, а также длительный полет в космическом пространстве высокоразвитого живого существа — огромный вклад советской науки в дело успешного решения важнейших проблем, связанных с познанием Вселенной и покорением ее Человеком.

Расстояние от Земли до Луны

Луна с незапамятных времен была постоянным спутником нашей планеты и самым близким к ней небесным телом. Естественно, человеку всегда хотелось там побывать. Но далеко ли туда лететь и какое до нее расстояние?

Содержание:

• 1 Что такое
• 2 От чего зависит движение Луны
• 3 Чему равно
• 4 Как в древней Греции астрономы рассчитывали расстояние до Луны
• 5 Материалы по теме
• 6 Эволюция методик измерения расстояния до Луны
• 7 Эволюция системы Луна и Земля
• 8 Интересные факты

Что такое

Расстояние от Земли до Луны теоретически измеряется от центра Луны до центра Земли. Измерить это расстояние обычными методами, используемыми в обычной жизни, невозможно. Поэтому дистанция до земного спутника вычислялась по тригонометрическим формулам.

Перигей и апогей Луны

Аналогично Солнцу, Луна испытывает постоянное движение на земном небе вблизи эклиптики. Тем не менее, это движение значительно отличается от движения Солнца. Так плоскости орбит Солнца и Луны различаются на 5 градусов. Казалось бы, вследствие этого траектория Луны на земном небе должна быть похожа в общих чертах на эклиптику, отличаясь от нее только сдвигом на 5 градусов:

В этом движение Луна напоминает движение Солнца – с запада на восток, в противоположном направлении суточному вращению Земли. Но кроме того Луна движется по земному небу гораздо быстрее Солнца. Это связано с тем, что Земля совершает оборот вокруг Солнца примерно за 365 суток (земной год), а Луна вокруг Земли всего за 29 суток (лунный месяц). Это различие и стало стимулом к разбивке эклиптики на 12 зодиакальных созвездий (за один месяц Солнце смещается по эклиптике на 30 градусов). За время лунного месяца происходит полная смена фаз Луны:

Лунные фазы

В дополнение к траектории движения Луны добавляется ещё и фактор сильной вытянутости орбиты. Эксцентриситет орбиты Луны составляет 0.05 (для сравнения у Земли этот параметр равен 0.017). Отличие от круговой орбиты Луны приводит к тому, что видимый диаметр Луны постоянно меняется от 29 до 32 угловых минут.

В конечном итоге траектория положения Луны на земном небе постоянно мигрирует относительно фоновых звезд и эклиптики

За сутки Луна смещается относительно звезд на 13 градусов, за час примерно на 0.5 градусов. Современные астрономы часто используют покрытия Луны для оценок угловых диаметров звезд вблизи эклиптики.

От чего зависит движение Луны

Важным моментом теории движения Луны является факт того, что орбита Луны в космическом пространстве не является неизменной и стабильной. По причине сравнительно небольшой массы Луны, она подвержена постоянным возмущениям от более массивных объектов Солнечной Системы (прежде всего Солнца и Луны). Кроме того, на орбиту Луны оказывают влияние сплюснутость Солнца и гравитационные поля других планет Солнечной Системы. В результате этого величина эксцентриситета орбиты Луны испытывает колебания между 0.04 и 0.07 с периодом в 9 лет. Следствием этих изменений стало такое явление, как суперлуние. Суперлунием называется астрономическое явление, в ходе которого полная луна в несколько раз больше по угловым размерам, чем обычно. Так во время полнолуния 14 ноября 2016 года Луна находилась на рекордно близком расстоянии с 1948 года. В 1948 году Луна была на 50 км ближе, чем в 2016 году.

Сравнение видимого диаметра Луны на земном небе в перицентре и апоцентре лунной орбиты

Кроме того наблюдаются и колебания наклонения лунной орбиты к эклиптике: примерно на 18 угловых минут каждые 19 лет.

График изменения расстояния между Землей и Луной за 2 года

Чему равно

Свет от Земли до нашего спутника доберется очень быстро – за 1,255 секунд

Космическим кораблям придется потратить на полет к земному спутнику немало времени.   До Луны нельзя лететь по прямой – планета будет уходить по орбите в сторону от точки назначения, и путь придется корректировать. При второй космической скорости в 11 км/с (40 000 км/ч) полет теоретически займет около 10 часов, но на деле это будет происходить дольше. Все потому, что корабль на старте постепенно наращивает скорость в атмосфере, доводя ее до значения в 11 км/с, чтобы вырваться из поля тяготения Земли. Затем  кораблю придется тормозить при подлете к Луне. Кстати, эта скорость- максимум, чего удалось добиться современным космическим кораблям.

Пресловутый полет американцев на Луну в 1969 году, согласно официальным данным, занял 76 часов. Быстрее всех до Луны удалось долететь аппарату НАСА «Новые горизонты» — за 8 часов 35 минут. Правда, он не приземлился на планетоид, а пролетел мимо – у него была другая миссия.

Свет от Земли до нашего спутника доберется очень быстро – за 1,255 секунд. Но полеты на световых скоростях – пока что из области фантастики.

Можно попытаться представить путь до Луны в привычных величинах. Пешком при скорости 5 км/ч дорога до Луны займет порядка девяти лет. Если поехать на машине на скорость в 100 км/ч, то добираться до земного спутника придется 160 дней. Если бы на Луну летали самолеты, то рейс до нее продлился бы где-то 20 дней.

Как в древней Греции астрономы рассчитывали расстояние до Луны

Расстояние от Земли до Луны

Луна стала первым небесным телом, до которого удалось рассчитать расстояние от Земли. Считается, что первыми это сделали астрономы в Древней Греции.

Измерить расстояние до Луны пытались с незапамятных времен – первым это попытался сделать Аристарх Самосский. Он оценил угол между Луной и Солнцем в 87 градусов, поэтому вышло, что Луна ближе Солнца в 20 раз (косинус угла равного 87 градуса равен 1/20). Ошибка измерений угла привела к 20-кратной ошибке, сегодня известно, что это отношение на самом деле равно 1 к 400 (угол равен примерно 89.8 градусов). Большая ошибка была вызвана трудностью оценок точного углового расстояния между Солнцем и Луной с помощью примитивных астрономических инструментов Древнего мира. Регулярные солнечные затмения к этому времени уже позволили древнегреческим астрономам сделать вывод о том, что угловые диаметры Луны и Солнца примерно одинаковы. В связи с этим Аристарх сделал вывод, что Луна меньше Солнца в 20 раз (на самом деле примерно в 400 раз).

Для вычисления размеров Солнца и Луны относительно Земли Аристарх использовал другой метод. Речь идет о наблюдениях лунных затмений. К этому времени древние астрономы уже догадались о причинах этих явлений: Луна затмевается тенью Земли.

На схеме выше хорошо видно, что разность расстояний с Земли до Солнца и до Луны пропорциональна разнице между радиусами Земли и Солнца и радиусами Земли и её тени на расстояние Луны. Во времена Аристарха уже удалось оценить, что радиус Луны равен примерно 15 угловым минутам, а радиус земной тени составляет 40 угловых минут. То есть размер Луны получался примерно в 3 раза меньше размера Земли. Отсюда зная угловой радиус Луны можно было легко оценить, что Луна находится от Земли примерно в 40 диаметрах Земли. Древние греки могли лишь приблизительно оценить размеры Земли. Так Эратосфен Киренский (276 – 195 годы до нашей эры) на основе различий в максимальной высоте Солнца над горизонтом в Асуане и Александрии во время летнего солнцестояния определил, что радиус Земли близок к 6287 км (современное значение 6371 км). Если подставить это значение в оценку Аристарха насчет расстояния до Луны, то оно будет соответствовать примерно 502 тысяч км (современное значение среднего расстояния от Земли до Луны составляет 384 тысяч км).

Чуть позже математик и астроном II века до н. э. Гиппарх Никейский подсчитал, что расстояние до земного спутника в 60 раз больше, чем радиус нашей планеты. Его расчеты основывались на наблюдениях за движением Луны и его периодических затмениях.

Материалы по теме

Так как в момент затмения Солнце и Луна будут иметь одинаковые угловые размеры, то по правилам подобия треугольников можно найти отношение расстояний до Солнца и до Луны. Эта разница составляет 400 раз. Применяя еще раз эти правила, только уже по отношению к диаметрам Луны и Земли, Гиппарх вычислил, что диаметр Земли больше диаметра Луны в 2,5 раза. Т.е R_л = R_з/2,5.

Под углом в 1′ можно наблюдать предмет, размеры которого в 3 483 раза меньше, чем расстояние до него – эта информация во времена Гиппарха была всем известна. То есть, при наблюдаемом радиусе Луны в 15′ она будет ближе к наблюдателю в 15 раз. Т.е. отношение расстояния до Луны к ее радиусу будет равно 3483/15= 232 или S_л= 232R_л.

Соответственно, дистанция до Луны – это 232* R_з /2,5= 60 радиусов Земли. Это получается 6 371*60=382 260 км. Самое интересное, что измерения, выполненные при помощи современных инструментов, подтвердили правоту античного ученого.

Сейчас измерение дистанции до Луны проводится при помощи лазерных приборов, позволяющих измерить его с точностью до нескольких сантиметров. При этом измерения происходят за очень короткое время – не более 2 секунд, за которое Луна удаляется по орбите примерно на 50 метров от точки отправки лазерного импульса.

Эволюция методик измерения расстояния до Луны

Только с изобретением телескопа астрономы смогли получить более-менее точные значения параметров орбиты Луны и соответствия её размеров с размером Земли.

Пример эволюции астрономической единицы со временем

Более точный метод измерения расстояния до Луны появился в связи с развитием радиолокации. Первая радиолокация Луны была проведены в 1946 году в США и Великобритании. Радиолокация позволяла измерить расстояние до Луны с точностью в несколько километров.

Ещё более точным методом измерения расстояния до Луны стала лазерная локация. Для его реализации в 1960х годах на Луне было установлено несколько уголковых отражателей. Интересно отметить, что первые эксперименты по лазерной локации были проведены ещё до установки уголковых отражателей на поверхности Луны. В 1962-1963 годах в Крымской обсерватории СССР были проведены несколько экспериментов по лазерной локации отдельных лунных кратеров с использованием телескопов диаметром от 0. 3 до 2.6 метров. Эти эксперименты смогли определять расстояние до поверхности Луны с точностью в несколько сотен метров. В 1969-1972 годы астронавты программы “Аполлон” доставили на поверхность нашего спутника три уголковых отражателя. Среди них наиболее совершенным был отражатель миссии “Апполон-15”, так как он состоял 300 призм, тогда как два других (миссии “Апполон-11” и “Апполон-14”) только из ста призм каждый.

Карта положения уголковых отражателей

Кроме того в 1970 и 1973 годах СССР доставил на поверхность Луны ещё два французских уголковых отражателя на борту самоходных аппаратов “Луноход-1” и “Луноход-2”, каждый из которых состоял из 14 призм. Использование первого из этих отражателей обладает незаурядной историей. За первые 6 месяцев работы лунохода с отражателем удалось провести около 20 сеансов лазерной локации. Однако затем из-за неудачного положения лунохода вплоть до 2010 года не удавалось использовать отражатель. Лишь снимки нового аппарата LRO помогли уточнить положение лунохода с отражателем, и тем самым возобновить сеансы работы с ним.

В СССР наибольшее количество сеансов лазерной локации было проведено на 2.6-метровом телескопе Крымской обсерватории. Между 1976 и 1983 годами на этом телескопе было проведено 1400 измерений с погрешностью в 25 сантиметров, затем наблюдения были прекращены в связи со свертыванием советской лунной программы.

Всего же с 1970 по 2010 годы в мире было проведено примерно 17 тысяч высокоточных сеансов лазерной локации. Большинство из них было связано с уголковым отражателем “Аполонна-15” (как говорилось выше, он является наиболее совершенным – с рекордным количеством призм):

Из 40 обсерваторий, способных выполнять лазерную локацию Луны лишь несколько могут выполнять высокоточные измерения:

Большинство сверхточных измерений выполнено на 2-метровом телескопе в техасской обсерватории имени Мак Дональда:

В то же время наиболее точные измерения выполняет инструмент APOLLO, который был установлен на 3.5-метровом телескопе обсерватории Апач Пойнт в 2006 году. Точность его измерений достигает одного миллиметра:

Эволюция системы Луна и Земля

Главной целью всё более точных измерений расстояния до Луны являются попытки более глубокого понимания эволюции орбиты Луны в далеком прошлом и в отдаленном будущем. К настоящему времени астрономы пришли к выводу, что в прошлом Луна находилась в несколько раз ближе к Земле, а так же обладала значительно более коротким периодом вращения (то есть не была приливно захваченной).  Этот факт подтверждает импактную версию образования Луны из выброшенного вещества Земли, которая преобладает в наше время. Кроме того, приливное воздействие Луны приводит к тому, что скорость вращения Земли вокруг своей оси постепенно замедляется. Скорость этого процесса составляет увеличение земных суток каждый год на 23 микросекунды. За один год Луна отдаляется от Земли в среднем на 38 миллиметров. Оценивается, что в случае если система Земля-Луна переживет превращение Солнца в красный гигант, то через 50 миллиардов лет земные сутки сравняются с лунным месяцем. В результате Луна и Земля будут всегда повернуты к друг другу только одной стороной, как сейчас наблюдается в системе Плутон-Харон. К этому времени Луна отдалится до, примерно, 600 тысяч километров, а лунный месяц увеличится до 47 суток. Кроме того, предполагается, что испарение земных океанов через 2.3 миллиардов лет приведет к ускорению процесса удаления Луны (земные приливы значительно тормозят процесс).

Кроме того, расчеты показывают, что в дальнейшем Луна снова начнет сближаться с Землей по причине приливного взаимодействия с друг другом. При приближении к Земле на 12 тысяч км Луна будет разорвана приливными силами, обломки Луны образуют кольцо наподобие известных колец вокруг планет-гигантов Солнечной Системы. Другие известные спутники Солнечной Системы повторят эту судьбу гораздо раньше. Так Фобосу отводят 20-40 миллионов лет, а Тритону около 2 миллиардов лет.

Интересные факты

Между Землей и Луной можно поместить все остальные планеты Солнечной системы

Каждый год расстояние до земного спутника возрастает в среднем на 4 см. Причины – движение планетоида по спиральной орбите и постепенно падающая мощность гравитационного взаимодействия Земли и Луны.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 90381

Запись опубликована: 05.04.2018
Автор: Максим Заболоцкий

SPACE TODAY ONLINE — Space Today Online охватывает космос от Земли до края Вселенной

Исследовать :

Откройте для себя :

Набор для подготовки к тесту

Американский шаттл флота

Хрустящие цифры

Хаббл не одинок

Красота Хаббла

Грузовой буксир Жюля Верна ЕКА

Америка возвращается на Луну

Связь Солнца и Земли

Теперь Их всего восемь

Горы Творения

Скоро полета человека на Марс

Японский сокол в Итокава

Найденный! Десятая планета

Путешественники На краю

Deep Impact стреляет в комету

Пересечение галактики Космические паруса

ПОСЫЛЬНИК на Меркурий

Aura Aqua Terra Поезд А

Кассини приближается к Сатурну

Быстрая охота Гамма-всплески

МТО ретранслирует Марсианский Интернет

Генезис хоронит Звездная пыль в Юте

Юпитер Ледяная Луна Орбитальный аппарат

SMART-1 Картографирование Луны

Безопасное возвращение домой для Stardust

Марс, Меркурий, Кометы, Солнце

Зонды Дискавери

Скоро Иран в космосе

Европейский Астрономический спутник

Роверы едут по Марсу

Узнать :

Заключительный отчет Колумбийская трагедия

Проверка теории Эйнштейна

Телескоп 400 лет

Пересечение Солнца Транзит Венеры

Интеллектуальный анализ данных Виртуальная обсерватория

Самый большой инфракрасный телескоп

Хаббл поймал космический жук

Астероид пролетит мимо Земли

Тратить денег на космос

Черные дыры Пушистики?

Китай Второй пилотируемый полет

На Плутоне Теплая зима!

На Нептуне Весна!

Огромная Антарктика Озоновая дыра

Спутниковый портрет Эверест

Ирак Афган Спутниковые войны

Представьте себе :

Млечный путь Охотники за планетами

Космические ракеты будущего

Видения 21 века

Русские собаки Животные в космосе

Темные тайны Седна, Квавар

Являются ли кометы источником атипичной пневмонии?

Удивительный Юпитер 61 Луна

Что это за магнетар ?

Атлантида песков Убар

Мечи в орала

Спутниковое слежение

Исчезающие животные

Сеть Разговор в глубоком космосе

Везде Вода Вода

Слушание Радио с Юпитера

Понять :

Черная дыра Самая дальняя

Земля Древняя астрономия

Космос Насколько это высоко?

Необыкновенная история

Радиолюбительские спутники

Новые американские космические ракеты

300 рейсов Дельта    Протон

Поиск метеоритов

Американские метеорологические спутники

Настройка Energy Spectrum

Цикл солнечных пятен Солнечный максимум

Близкий вызов Rock Buzzs Earth

Американцы-первопроходцы жили

На борту космической станции «Мир»

Астронавты космической станции

Беседа со школьниками

Найдите лучших астрономических телескопа

Где начинается космос? – Объяснение науки

С Новым годом всех моих читателей и подписчиков.

Многие из вас знают о недавнем испытательном полете космического корабля Virgin Space Ship Unity. 13 декабря 2018 года он достиг высоты 82,7 км, и в средствах массовой информации, например на новостном веб-сайте BBC, широко сообщалось, что он достиг «края космоса». Хотя точные даты не установлены, VSS Unity — это космический корабль, на котором группа Ричарда Брэнсона Virgin Galactic надеется доставить платных пассажиров в космос в конце этого года.

Изображение взято с https://www.virgingalactic.com/articles/first-space-flight

Хотя это большое достижение для Virgin Galactic, «астронавты» Virgin Galactic не поднялись достаточно высоко, чтобы достичь космоса. по крайней мере, в соответствии с наиболее широко используемым определением того, где начинается пространство. Высота, на которой заканчивается атмосфера Земли и начинается космос, несколько неясна.

Возможные определения космоса

Атмосфера Земли состоит из газа и явно нет фиксированной границы, где она заканчивается, а начинается космос. По мере того, как мы поднимаемся выше, его плотность падает, пока в конечном итоге не достигнет очень низкой плотности в пять частиц на кубический сантиметр, характерной для межпланетного пространства. На приведенной ниже диаграмме я проиллюстрировал несколько разных высот и обсужу, можно ли считать каждую из них находящейся в космосе.

8,8 км – Вершина Эвереста. На этой высоте атмосферное давление составляет всего одну треть от давления на уровне моря. Молодой здоровый человек, акклиматизированный к большой высоте, не мог прожить более 30 минут без дополнительного кислорода.

10,6 км – крейсерская высота Boeing 747. Давление воздуха на этой высоте составляет около 24% от давления на уровне моря, и человек умер бы в течение нескольких минут из-за нехватки кислорода. Тем не менее, эта высота обычно не считается достаточно высокой, чтобы ее можно было определить как космическую.

20,7 км – Максимальная высота Concorde. Это была максимальная высота, которую поднял сверхзвуковой самолет Конкорд, и это произошло во время испытательного полета в 1973 году. На этой высоте воздух настолько разрежен, что днем ​​небо темно-синее, а атмосферное давление составляет всего 7,6% от уровня моря.

Конкорд находился на вооружении с 1976 по 2003 год и мог двигаться со скоростью 2180 км/ч, что более чем в два раза превышает скорость звука. Он имел максимальную крейсерскую высоту 18,3 км и рекламировался как путешествующий «на краю космоса».

На высоте 20,7 км температура кипения воды составляет всего 30 градусов по Цельсию, поэтому человека, чья температура тела в норме составляет 37 градусов, ожидает крайне неприятная участь, если только он не будет заключен в скафандр или герметичную кабину – вода в их глазах, рту, горле и слизистой оболочке легких буквально выкипело бы. Поэтому можно было утверждать, что Конкорд в этом испытательном полете путешествовал в космосе.

41,4 км – мировой рекорд высоты на воздушном шаре. 905:05 Это было достигнуто Аланом Юстасом, старшим вице-президентом Google, в 2014 году. На этой высоте атмосферное давление составляет всего 0,237% от уровня моря, а плотность воздуха настолько низка, что днем ​​небо кажется черным. Хотя эта высота обычно не считается достаточно высокой, чтобы находиться в космосе, Юстас чувствовал, что на 90 504 он достиг космоса на 90 505. По возвращении он сказал

: «…Это было прекрасно. Вы могли видеть темноту космоса и слои атмосферы, которых я никогда раньше не видел».0537

, как указано в New York Times

100 км – высота, известная как линия Кармана, которую обычно принимают за границу пространства. Я расскажу об этом позже.

150 км – приблизительная минимальная высота, на которой спутник совершает полный оборот по орбите. На этой высоте плотность атмосферы Земли составляет примерно одну миллиардную от плотности на уровне моря.

Когда спутник находится на низкой орбите вокруг Земли, его быстрое движение через очень разреженные следы земной атмосферы приводит к трению, из-за которого спутник теряет энергию и возвращается к Земле по спирали. Чем выше орбита спутника, тем тоньше атмосфера, а значит, меньше трение и он дольше остается на орбите. На высоте 150 км толщина атмосферы такова, что типичный спутник теоретически может совершить один оборот по орбите, но он будет довольно быстро спускаться по спирали к Земле. На высотах ниже 150 км типичный спутник не сможет совершить один виток. На самом деле эта минимальная орбитальная высота является лишь приблизительной, поскольку величина трения, замедляющего спутник, также зависит от размера и формы объекта. На высоте 150 км тяжелый обтекаемый спутник мог оставаться в воздухе дольше одного витка.

400 км – Международная космическая станция (МКС).  На этой высоте плотность атмосферы составляет ничтожную половину триллионной (0,000 000 000 000 5) ее плотности на уровне моря, но этот очень разреженный газ по-прежнему вызывает небольшое атмосферное сопротивление на МКС. МКС теряет высоту со скоростью около 2 км в месяц, и ей необходимо несколько раз в год запускать собственные ракетные двигатели (или двигатели посещающих космические корабли), чтобы подняться на высоту. Если бы она этого не сделала, МКС продолжала бы терять высоту и через несколько лет вернулась бы на Землю, распавшись в процессе.

1000 км – на этой высоте плотность атмосферы настолько мала, что спутник будет оставаться на орбите более 1000 лет, не возвращаясь на Землю.

Плотность и давление воздуха на разных высотах

Данные с http://www.braeunig.us/space/atmos.htm

9005

9. Солнечная активность. Цифры в таблице выше взяты для низкой солнечной активности.

The Karman Line

Международная авиационная федерация (FAI), международная организация, устанавливающая стандарты и ведущая учет в области аэронавтики и космонавтики, определяет космос как начало на высоте 100 км над поверхностью Земли. На этой высоте плотность и давление атмосферы более чем в миллион раз ниже, чем на уровне моря. Эта высота называется линией Кармана в честь Теодора фон Кармана (1881-1963), венгерско-американского математика, аэрокосмического инженера и физика. Он подсчитал, что примерно на этой высоте самолет не сможет летать, потому что плотность воздуха слишком мала для создания достаточной подъемной силы воздушным потоком над крыльями самолета.0536 (подробнее см. примечания ниже).

Тем не менее, эта граница в 100 км несколько условна и не всеми принимается. Интересно, что Федеральное авиационное управление США (FAA) определяет космос как начинающийся не на линии Кармана, а на высоте 80 км над поверхностью Земли. Поэтому Virgin Galactic чувствовала себя достаточно уверенно, чтобы заявить на своем веб-сайте 13 декабря 2018 года, что испытательный полет в тот день позволил достичь космоса, преодолев 82,7 км, и что их пилоты, следовательно, были астронавтами:

Историческое достижение было признано Федеральным управлением гражданской авиации (FAA), которое объявило сегодня, что в начале следующего года они вручат пилотам Марку «Форджеру» Стаки и Фредерику «CJ» Стуркову крылья коммерческого астронавта FAA на церемонии в Вашингтоне. .

Однако, когда она начнет коммерческую эксплуатацию, Virgin Galactic доставит космических туристов на максимальную высоту 110 км, на 10 км выше линии Кармана. Это позволит избежать любых споров о том, поднялись ли они достаточно высоко, чтобы достичь космоса. Как описано в предыдущем посте, стоимость полета будет составлять 250 000 долларов США, что для меня слишком дорого.

Ричард Брэнсон, основатель Virgin Galactic, публично заявил, что будет пассажиром первого коммерческого космического полета VSS Unity . Миссис Гик чувствует, что ему серьезно нужно сменить парикмахера 🙂

Наконец,

Я хотел бы поблагодарить вас за то, что вы читаете и следите за моим блогом — некоторые из вас в течение последних пяти лет — и желаю вам счастливого и успешного 2019 г.  Чтобы узнать больше о блоге Science Geek, нажмите здесь или ссылку на главную страницу Science Geek в верхней части этой страницы.

Примечания

Движением самолета по воздуху управляют четыре силы.

• Тяга — это поступательная сила, обеспечиваемая двигателями, которая толкает самолет вперед.
• Сопротивление — это сила, вызванная сопротивлением воздуха при движении самолета по воздуху. Это замедляет самолет.
• Вес — сила тяжести, направленная вниз.
• Подъемная сила — это восходящая сила, вызванная тем, что когда самолет движется по воздуху, давление воздуха на нижней стороне крыла самолета выше, чем на верхней стороне. Это более высокое давление воздуха на нижней стороне толкает (или поднимает) самолет вверх.

Подъемная сила (L), создаваемая потоком воздуха над крыльями самолета, определяется уравнением подъемной силы AC _L

При следующих условиях.

• p плотность атмосферы
• v — скорость самолета относительно окружающего воздуха
• A – площадь поверхности крыльев самолета
• C _L — это число, известное как коэффициент подъемной силы, который зависит от размера и формы крыльев и свойств окружающей атмосферы.

Чтобы самолет оставался на постоянной высоте, создаваемая подъемная сила должна быть равна весу самолета.

Согласно уравнению подъемной силы, по мере уменьшения плотности атмосферы самолет должен двигаться быстрее, чтобы создать такую ​​же подъемную силу. На высоте около 100 км плотность атмосферы настолько мала, что скорость самолета должна быть больше 28 200 км/ч, чтобы обеспечить достаточную подъемную силу. Это скорость, необходимая для выхода на орбиту, поэтому самолет, движущийся на высоте 100 км, действительно находился бы на орбите вокруг Земли, а его пассажиры и экипаж были бы невесомы.

Нравится:

Нравится Загрузка…

Привет, я Стив Херли. Я работаю в сфере ИТ. Я учился на докторскую степень в области астрономии в 1980-х годах. Вне работы моей настоящей страстью является объяснение научных концепций ненаучной аудитории. Мой блог (explainingscience.org) посвящен различным научным темам, но прежде всего астрономии. Она написана в стиле, понятном неспециалисту.
Публикации и видео
Ссылки на мои книги и видео можно найти на сайте www.explainingscience.org.
Просмотреть все сообщения Стива Херли

Почему определение границ космоса может иметь решающее значение для будущего космических полетов

В четверг утром, сразу после 8:00 по тихоокеанскому времени, два пилота на борту космического самолета Virgin Galactic зажгли ракетный двигатель транспортного средства высоко над пустыней Мохаве, в общей сложности 60 секунд, взлетев на высоту 82,7 километра. Когда аппарат достиг максимальной высоты, команда Virgin Galactic праздновала: наконец-то они достигли космоса — новый рекорд компании.

По крайней мере, Virgin Galactic утверждает, что отправился в космос. Но для многих это не место.

В какой-то момент, чем выше вы поднимаетесь по небу, плотная атмосфера Земли начинает истончаться, уступая место космическому вакууму. Но точная высота, на которой заканчивается воздушное пространство и начинается внешнее пространство, никогда не была полностью согласована, и многие разные группы предлагают разные ответы. Теперь одна международная организация рассматривает возможность изменения своего определения того, где «начинается» космос, потенциально приближая мир к консенсусу по сложной и удивительно напряженной теме.

«Где заканчивается чье-то воздушное пространство? Это явно представляет интерес».

Всемирная федерация воздушного спорта — или FAI, Fédération Aéronautique Internationale — объявила 30 ноября, что рассматривает возможность изменения линии Кармана — высоты, которая считается границей космоса. Линия названа в честь Теодора фон Кармана, венгерского инженера и математика, который первым рассчитал, где земная атмосфера становится слишком тонкой, чтобы самолеты могли летать. На протяжении десятилетий FAI устанавливала линию Кармана на высоте 100 километров или 62 мили. Но теперь организация, отвечающая за каталогизацию записей о воздушных и космических полетах, рассматривает возможность перемещения его на высоту 80 километров или 50 миль.

В краткосрочной перспективе изменение определения границы пространства кажется несущественным. Это может изменить некоторые исторические статистические данные о том, кто на самом деле был за пределами Земли (и пилоты, которые только что управляли космическим самолетом Virgin Galactic, могут похвастаться тем, что они сегодня были астронавтами). будущее космической отрасли. Например, это может усложнить то, какие транспортные средства мы считаем космическими кораблями и самолетами, изменив то, как мы будем регулировать эти транспортные средства в будущем. «Где заканчивается чье-то воздушное пространство? Это явно представляет интерес», — говорит Джонатан Макдауэлл, астрофизик из Гарварда и эксперт по космическим полетам.0536 Грань .

Давайте перейдем к техническим вопросам

FAI рассматривает возможность внесения изменений благодаря новому исследованию, представленному Макдауэллом. Как человек, который жадно записывает статистику космических полетов, Макдауэлл хотел выяснить, сколько ракет на самом деле отправилось в космос и сколько людей можно считать астронавтами. И чтобы по-настоящему ответить на эти вопросы, ему нужно было знать, где начинается космос. Поэтому он просмотрел всю историю космических полетов, чтобы понять, сможет ли он лучше определить это.

Проанализировав многочисленные наборы данных об орбитальной статистике космических кораблей за многие годы, он пришел к оценке, которая, по его словам, является более точной, чем та, которая в настоящее время используется FAI: 80 километров плюс-минус 10 километров. Проще говоря, это минимальная высота, на которой спутник может подняться и по-прежнему совершать обороты вокруг Земли. Чтобы оставаться на орбите, а также достигать такой малой высоты, аппарат должен находиться на эллиптической орбите. Это тот случай, когда космический корабль большую часть времени отклоняется далеко от Земли и проходит около 80 километров только за короткую часть пути. По словам Макдауэлла, в такой конфигурации космический корабль может оставаться на орбите в течение нескольких дней или недель.

Фотография ракеты SpaceX с длинной выдержкой, выводящей космический корабль на орбиту Изображение: SpaceX

Макдауэлл говорит, что 80 километров — это точка, в которой гравитация становится важнее атмосферы. «Вы находитесь в космосе, если можете игнорировать атмосферу», — говорит он. «И это не значит, что это не имеет никакого эффекта, но гравитация — это главное, о чем вам нужно беспокоиться».

Чтобы понять это, мы должны сначала понять, что нужно, чтобы выйти на орбиту. Самое главное это скорость. На высоте Международной космической станции (около 254 миль / 408 километров) космические корабли движутся со скоростью более 17 000 миль в час. Тебе нужно идти , что быстро , чтобы попасть в состояние постоянного вращения вокруг нашей планеты. К сожалению, наша атмосфера слишком плотная, чтобы позволить объекту двигаться по орбите вокруг Земли ниже в небе с такой же скоростью. «Вы бы очень быстро загорелись, потому что пытались бы лететь по воздуху слишком быстро», — говорит Макдауэлл. Вот что он имеет в виду, говоря, что атмосфера важна.

Даже на высоте более 80 километров атмосфера Земли все еще существует — она просто супертонкая. Спутники, которые вращаются на высоте более 80 километров, все еще взаимодействуют с частицами нашей атмосферы. Воздух настолько разрежен, что не вредит орбите космического корабля. «Тогда вопрос в том, где вы проводите границу, где вы больше не находитесь в космосе? Это когда вы не можете даже ненадолго нырнуть в атмосферу на орбитальной скорости и продолжать движение». говорит Макдауэлл.

Космический самолет VSS Unity компании Virgin Galactic, который некоторые теперь считают космическим кораблем Изображение: Virgin Galactic

Итак, если это самый технический ответ, то почему формальное определение FAI в итоге оказалось равным 100 километрам? Сам Карман установил свой предел в 83,8 километра в 1956 году — однако он даже не пытался найти границу космоса. В основном он пытался определить, как высоко может летать самолет и при этом достигать подъемной силы. В конечном итоге этот предел был неправильно истолкован как граница космоса, по словам Томаса Гангале, эксперта по космическому праву и исполнительного директора глобальной исследовательской сети OPS-Alaska. Он и Макдауэлл предполагают, что мы проползли до 100 километров, потому что люди просто начали округлять до красивого легко запоминающегося числа. «Около 1960, FAI решила установить предел в 100 километров только с целью установления рекордов — любой полет выше этого будет считаться космическим полетом».

Однако не все придерживаются определения пространства FAI. ВВС США, например, уже установили ограничение в 50 миль или примерно 80 километров и выдадут значки любому своему персоналу, который пролетит выше этой высоты. НАСА делает то же самое. И хотя у Федерального авиационного управления нет официального определения, оно обычно выдает значки космонавтов тем, кто прошел более 50 миль. Это то, что может стать более определенным по мере того, как все больше коммерческих игроков отправляются в космос. «Планы по выпуску и способ выпуска крыльев для космонавтов находятся на рассмотрении», — сообщил представитель FAA.0536 Грань .

Космическое право достигает новых высот

Но хотя разные организации имеют свои собственные определения, универсального согласия не существует. На самом деле США утверждают, что определение пространства с помощью международного права просто не обязательно. На заседании Организации Объединенных Наций в Вене в 2001 г. делегация США заявила следующее:

Что касается вопроса об определении и делимитации космического пространства, то мы внимательно изучили этот вопрос и выслушали различные заявления, сделанные на этот сеанс. Наша позиция по-прежнему заключается в том, что в определении или делимитации космического пространства нет необходимости. Никаких юридических или практических проблем не возникало в связи с отсутствием такого определения. Напротив, различные правовые режимы, применимые к воздушному и космическому пространству, хорошо зарекомендовали себя в соответствующих сферах. Отсутствие определения или делимитации космического пространства не препятствует развитию деятельности ни в той, ни в другой сфере.

Правда в том, что определение пространства может сделать международные отношения и правила немного более туманными. Если существует согласованная на международном уровне сплошная линия, где начинается космос, тогда другие страны могут возмутиться, если США будут летать на сверхвысокой высоте над чужой территорией, но ниже космической линии. Технически США могли лететь через воздушное пространство другой страны. Как бы то ни было, ничто не мешает США это сделать. «Они хотят оставить его неопределенным, прежде всего потому, что американские военные считают, что это дает им возможность действовать на любой высоте», — говорит Гангале. «Нельзя нарушать несуществующий закон».

«Нельзя нарушать несуществующий закон».

В конечном счете, установление границы могло бы помочь странам разобраться, какие типы законов должны применяться к каждой области неба: законы для самолетов или законы для космических кораблей. Но все становится еще сложнее, если принять во внимание тот факт, что существует большой разрыв между тем, куда может полететь самый высокий самолет, и тем, куда может полететь космический корабль. Самые высокие воздушные шары могут достигать высоты около 50 километров или 31 мили, а большинство самолетов летают намного ниже этой отметки. Так что на самом деле между самой высокой точкой, на которую может подняться самолет, и местом, где начинается космос, есть около 18-мильной зоны. Так должны ли законы для самолетов применяться к этому региону?

Эта «серая область» неба на самом деле используется только космическими кораблями — либо отправляющимися в космос, либо покидающими его. Кроме того, некоторые космические аппараты могут пролететь даже ниже этой серой зоны, чтобы вернуться на Землю. По словам Гангале, космический шаттл, например, когда возвращался из космоса, летал на высоте 34 километра над ограниченным воздушным пространством Кубы. Вот почему Гангале утверждает, что космический корабль должен определяться тем, куда он должен отправиться. «Любой полет, который стартует с намерением достичь [80-километровой] высоты, должен подпадать под действие космического права», — говорит он. «Это действительно намерение полета, которое решает, какой правовой режим применяется».

Dream Chaser корпорации Sierra Nevada Изображение: НАСА

Гангале считает, что сейчас настало время определить, что такое космос на самом деле, потому что все больше и больше коммерческих компаний имеют амбициозные планы полетов в космос. И некоторым из них, возможно, придется пролететь над частями Земли, которые также могут находиться ниже космической линии. Корпорация Sierra Nevada работает над небольшим крылатым транспортным средством, которое скользит обратно на Землю, как это делал космический шаттл. Возможно, будущие компании захотят избежать любых юридических проблем, которые могут возникнуть, если им придется лететь низко над другой страной по пути домой из космоса. И они могут захотеть узнать, какие законы применяются в случае какого-либо происшествия в воздухе. «В долгосрочной перспективе, когда мы увидим больше коммерческих операций на этих высотах, особенно выход на орбиту и возвращение обратно, эти частные компании захотят юридической определенности, которая была бы обеспечена установленной высотой или ограничением», — говорится в сообщении.