Есть ли в космосе вакуум: ВАКУУМ: КОСМОС, ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

Содержание

ВАКУУМ: КОСМОС, ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

Многие из нас не понимают природу вакуума и до сих пор считают, что вакуум – это просто ничто, пустота, пространство, лишенное материи и молекул. Вакуум как Пустота, такое понятие существовало еще в средние века и вызывало большой интерес среди ученых того времени.

В Средние века католическая церковь запрещала все исследования, связанные с пустотой, так как провозглашала это понятие священным. В 1211 году Уставом Парижского Собора заниматься “пустотой” было разрешено только теологам. Натурфилософы не имели такого права. Одним из главных постулатов теологии был: “Природа боится Пустоты”.

В 1640 году итальянский ученый Галилео Галилей, занятый в то время проектированием и строительством колодцев во Флоренции, определил “Силу боязни Пустоты” и показал, что она составляет 10 метров водяного столба или 1 кг на см2. Кто бы мог подумать, что на данном принципе будет построена аэрация водоемов и выбор насос компрессоров для пруда.

В 1643 году Эвангиелисто Торичелли, ученик Галилея, измерил эту силу, используя стеклянную трубку, запаянную с одного конца, и показал, что эта сила уравновешивается столбом ртути высотой 760 мм. Пустое пространство под поверхностью ртути было названо “Торригеллева пустота”, так как считали его абсолютно пустым. Сейчас мы знаем, что это пространство заполнено парами ртути с давлением около 1,2х10-3 мм. рт.ст (или 1,6х10-1 Па). Позже единица давления в 1 мм.рт.ст была названа тором в честь Торичелли. Большинство средств измерений вакуума, вакуумных датчиков, их диапазоны измерений указывается в торах. Более подробно с единицами измерения вакуума можно ознакомиться в технической статье по вакуумным датчикам.

В 1648 году Блез Паскаль открыл, что “Сила боязни Пустоты” была ничем иным, как атмосферным давлением. Сначала он повторил опыты Торичелли с трубкой и ртутью. Затем он попросил своего свояка Флорена Перье повторить этот эксперимент сначала у подножья горы Пюи де Дом, а затем на вершине.

Эксперимент был проведен в присутствии горожан города Клермона 16 сентября 1648 года и показал разницу уровней столба ртути 82,5 мм для высоты 1,5 км. Паскаль был первым, кто доказал, что атмосферные газы создают давление. В честь этого открытия современная единица давления названа Паскалем (1 Па = 0,0076 тор). Вся вакуумная техника, характеристики вакуумных насосов, а точнее значение уровня вакуума указывается по системе измерений СИ в Паскалях.

В 1650 году Отто фон Герике, мэр города Магдебурга, сконструировавший первый воздушный насос с водяным уплотнением, осуществил свои знаменитые эксперименты с “Магдебургскими полушариями”.

В 1825 году Жан Батист Дюма, французский химик получил низкое давление путем конденсации паров воды в закрытом объеме. В 1835 году Роберт Бунзен, немецкий химик, получил вакуум с использованием струи жидкости, но все эти изобретения не использовались на практике, так как в них не было технической потребности.

Далее выяснилось, что полной пустоты в природе не существует. Ее нет даже там, где совершенно отсутствует какое бы то ни было вещество. В XVIII столетии Фарадей утверждал, что материя присутствует везде, и нет промежуточного пространства, не занятого ею.

В 1887 году русские ученые Столетов и Герц открыли явление фотоэлектронной эмиссии. Эти выдающиеся технические открытия заложили техническую и экономическую основу для бурного развития вакуумных технологий в мире.

В 1874 году шотландец Мак Леод изобрел компрессионный манометр, а итальянец Пирани – манометр сопротивления, позволяющие измерять давления в низком и среднем вакууме.

В 1884 году итальянский инженер Малиньяни впервые использовал сорбент (фосфор) для улучшения вакуума в электрической лампе. Зарождение идеи создания адсорбционных и геттерных вакуумных насосов.

В 1904 году француз Дюар впервые использовал активированный уголь, охлажденный жидким азотом для сорбции (откачки) газов. Всем известные сосуды Дюара для хранения жидкого азота.

В 1906 году немецкий инженер Геде изобрел вращательный ртутный, а затем вращательный масляный насосы. Пять лет позже он изобрел молекулярный вращательный насос. Потом появились современные турбомолекулярные насосы.

В период с 1914 по 1916 гг.  парортутный диффузионный насос был практически одновременно изобретен в трех странах, разделенных границами Первой Мировой войны: в России – профессор Боровиком, в Германии – Геде, во Франции – Ленгмюром.

В 1916 году американский ученый Бакли изобрел ионизационный манометр. В 1928 году Берч изобрел паромасляный диффузионный насос, в котором ртуть была заменена маслом.

Фундаментальные основы вакуумной техники были созданы в начале ХХ века теоретическими работами Дешмана (Америка), Ленгмюра (Франция), Кэмпбелла (Англия), Кнудсена (Голландия), а также русскими учеными – академиком Иоффе и профессором Богуславским.

В настоящее время без вакуума не обходится ни одна сфера науки и промышленности. Испытания в вакууме, термовакуумные испытания, исследования физики вакуума, возникновения вселенной. Более подробно области применения вакуума описаны в статье, применение вакуума в науке и промышленности.

Вернемся к описанию вакуума, пространства и времени. Абсолютно любая область космического пространства всегда заполнена если не веществом, то какими-либо другими видами материи, будто магнитными полями, влиянием гравитации, излучениями и другими полями. Большая часть космоса состоит из темной материи и энергии, 96% космоса и только 4 % скопления газа и звезды. Состав и природа темной материи на настоящий момент не известны.

Подумайте только, вообразите себе на минуту, что нам каким-то образом удалось совершенно опустошить некоторую область пространства, откачать воздух и удалить из вакуумного объема вакуумной камеры все частицы, излучения и поля. Так вот даже в этом случае все равно осталось бы «Нечто». Определенный запас энергии, который у ва­куума нельзя отобрать никакими способами. Что говорить о существовании неизведанной темной материи. Но человечество любопытно в своих стремлениях, и кто знает, какие ждут нас открытия в будущем.

Обнаружились неожиданные и интересные факты. Оказалось, что вакуум способен рождать элементарные частицы, порождать вещество. Мало того, с самим вакуумом могут происходить различные физические превращения, он способен взаимодействовать с чем-то и даже сам с собой.

Помню, учась в институте на первом курсе кафедры, нам преподавали основы вакуумной техники, отец меня спросил, решив поймать на вопросе: скажи мне, а существует Эхо в вакууме? Я задумался, в лесу распространение звука есть, мы слышим его в виде Эхо, а что происходит в вакууме? Я честно признаюсь, я колебался с ответом и не мог ответить на вопрос, но посетили мысли о том, как может звук распространяться в вакууме, ведь нет ничего, от чего он может отражаться.

Вакуум взаимодействует с вакуумом? Значит ли это, что рушится один из самых основных законов природы, закон сохранения материи? Меня часто посещают мысли, вакуум как нечто материальное, особая форма существовании материи, а некоторые ученые предлагают считать ВАКУУМ особым состоянием вещества. Тут больше философский интерес, ведь вакуум представляет собою нечто более универсальное и всеобъемлющее, чем любая другая известная нам форма существования материи.

Может быть, вакуум и есть та «протосреда», из которой могут образовываться все другие виды вещества и материи.

В частности, советский ученый высказал интересные гипотезы о том, что вакуум представляет собой не что иное, как бесконечно большой запас энергии одного знака, компенсированный энергией другого знака. Таким образом, вакуум — это как бы совокуп­ность, своеобразное единство противоположностей. Когда же из вакуума образуются другие формы материи, которые и составляют то, что мы называем Вселенной, эти противоположности разделяются. Не исключена возможность, что с подобной точки зрения удастся объяснить такие явления, как образование космических лучей высоких энергий, вспышки сверхзвезд, образование радиогалактик, а также начало расширения галактик.

О том, что ВАКУУМ — НЕ ПУСТОТА, а сложная физическая система, лучше всего свидетельствует открытие одного из самых поразительных явлений — так называемой «поляризации вакуума», к которому пришла квантовая электродинамика.

Квантовая электродинамика, или квантовая теория электромагнитного поля, — один из сравнительно молодых и наиболее сложных разделов современной физики. Она занимается изучением всевозможных взаимодейст­вий фотонов электромагнитного поля с заряженными частицами. Вакуум оказался еще значительно сложнее, чем мы это себе представляли. Но тем интереснее узнавать о нем больше и познавать его.

В вакууме, который рассматривается как особое состояние материи, скрыты не только электроны и позитроны, но и пары «протон—антипротон». Такие пары, если к ним подвести энергию в форме, например, фотонов, становятся реальными: их можно зарегистрировать.

Если в вакууме покоится заряженная частица — протон, то согласно законам квантовой механики вокруг него будут непрерывно рождаться и уничтожаться электроны и позитроны. Создается своеобразная «плазма» наподобие той, которая возникает в газовом разряде. Поэтому вблизи протона вакуум приобретает суммарный отрицательный заряд, а на большом расстоянии от него — суммарный положительный.

В результате заряд протона несколько уменьшается — «экранируется». Это и есть поляризация.

Следовательно, частица, оказавшаяся в вакууме, расталкивает вокруг себя заряды, расталкивает «плазму». Именно это обстоятельство и дает возможность наблю­дать эффект, о котором идет речь.

Хотя возникающие в «плазме» заряженные частицы «живут» лишь десять в минус двадцать первой степени секунды и наблюдать их нельзя, свойства электронного поля вблизи протона, как уже говорилось, изменяются. Это явление можно наблюдать экспериментально. Однако расчет величины подобного эффекта долгое время наталкивался па непреодолимые трудности. Соответствующие эксперименты были проведены учёными на ускорителях, получив непосредственное опытное подтверждение природы вакуума.

Мне хочется верить в предположение ряда ученых, что в будущем на смену современной физической картине мира, которая базируется на взаимодействие различных полей электромагнитных, гравитационных и других — придет вакуумная картина. Такая картина должна исходить из того, что основой всего во Вселенной является вакуум, а все существующее, по меткому выражению одного известного ученого, не более как «легкая рябь» на его поверхности. Обычное вещество может оказаться в определенном смысле конечным, а суть всех вещей заключаться именно в вакууме.

Еще с появлением теории относительности была обнаружена тесная связь между свойствами материи и свойствами пространства и времени. При этом до сих пор мы исходили из предположения, что определяющую роль играют свойства материи вещества, частицы, полей, а свойства пространства и времени являются вторичными, производными. Однако в принципе не исключена возможность, что в действительности все обстоит наоборот: свойства материи представляют собой не что иное, как проявление определенных геометрических свойств, так сказать, пространственно-вре­менного «каркаса».

Согласно современным физическим воззрениям, реальное пространство Вселенной, в котором мы живем, является «трехмерным» и «односвязным». Первое из этих свойств означает, что в нашем пространстве через одну точку можно провести только три взаимно перпендикулярные прямые линии. Правда, согласно теории относительности Альберта Эйнштейна в природе существует и еще одно, четвертое измерение: Время. Но это четырехмерное «пространство-время» теории относительности фактически является лишь математическим приемом, позволяющим в удобной форме описывать различные физические процессы. Поэтому говорить о том, что мы с точки зрения теории относительности живем в четырехмерном мире, можно лишь в том смысле, что все происходящие в природе события совершаются не только в пространстве, но и во времени.

Есть и зоны, где происходят явления, которые вообще трудно даже себе представить: здесь временная координата меняется ролями с одной из пространственных, время как бы превращается в расстояние, а расстояние — Время.

Разумеется, в любом случае высшим и окончательным судьей истинны или ложности любой теории остается эксперимент. Но, тем не менее, физический анализ способен оказывать весьма существенную помощь при оценке тех или иных ситуаций, складывающихся в процессе изучения природы вакуума и выборе наиболее эффективных путей дальнейшего исследования.

Компания ВАКТАЙМ занимается поставкой специализированных исследовательских  комплексов, разработкой научного и инновационного вакуумного оборудования, проектированием сложных вакуумных систем, монтажом вакуумных систем откачки, систем имитации условий космического пространства. Таких как имитация космоса, холодного космического пространства, где температуры могут достигать температур жидкого азота, имитация вакуума и теплового излучения земли, излучения солнца, испытаний объектов в вакууме.

Технические специалисты компании ВАКТАЙМ окажут поддержку и консультацию в вопросах подбора вакуумного оборудования для проведения Ваших исследований, предложат различные варианты компоновок вакуумных систем, посоветуют аналитическое оборудование для определения остаточного состава атмосферы в вакуумной камере, спроектируют и изготовят вакуумные камеры для Ваших задач.

Компания ВАКТАЙМ поставляет и изготавливает вакуумные откачные стенды для создания сверхвысокого вакуума менее 10-11 Паскаля. Сверхвысоковакуумная камера для Ваших исследований  и экспериментов в вакууме. Узнайте больше в разделе вакуумные камеры.

              

          Компания ВАКТАЙМ поставляет средства измерения вакуума для низкого и высокого вакуума, в том числе известный вакуумметр итальянского ученого Пирани. В честь этого ученого названы самые распространённые вакуумметры мира. Более подробно вы можете ознакомиться в статье «Cредства измерения вакуума, история вакуумметры».

           Какие бы перед Вами задачи в области исследования и применения вакуума не стояли, компания ВАКТАЙМ поможет Вам с решением, предложит необходимые способы реализации с помощью самого современного вакуумного оборудования. Если Вы хотите купить вакуумный насос, купить вакуумный датчик, ищите лучшее предложение по цене и технике, но не знаете цену на вакуумный насос, позвоните нашим инженерам и мы поможем подобрать оптимальный вариант для Вас.

Что космический вакуум может сделать с человеком

В открытом космосе человек может находиться довольно долго. Но только в скафандре. Без него можно продержаться считанные секунды. Даже в фильмах показывают, что в таких случаях ничего хорошего не происходит. На Земле пустота, которую измеряет вакуумметр, кажется безобидной. Но за пределами нашей планеты дело обстоит иначе.

Губительный для человека вакуум

Вот как свободное от вещества пространство может убить незащищенного человека:

  • Взрывная декомпрессия. Резкий перепад давления внутри и снаружи тела наносит смертельные травмы. Если не задерживать дыхание, можно прожить около 30 секунд. Выдохнуть можно, а вдохнуть – нет. Ведь атмосфера отсутствует. Если же дыхание задерживать, воздух в легких начнет стремительно расширяться. Ведь снаружи его ничего не сдерживает. Ткани просто разорвет. В любом случае, ничего хорошего.
  • Эбуллизм. Через 10 секунд после выхода в космос влага из тела начинает испаряться. Все жидкости тела резко охлаждаются. В них появляется множество мелких пузырьков воздуха. Объем тела увеличивается примерно в два раза. Ткани достаточно прочные, чтобы растягиваться и не рваться. Но есть другая проблема. По мере того, как влага испаряется и уходит в бесконечное пространство, человек теряет контроль над функциями тела.
  • Замерзание. Температура в открытом космосе приближается к абсолютному нулю. Это около -273°С. Тело удерживает тепло довольно хорошо, но не в таких условиях. А испаряющаяся жидкость лишь ускоряет теплоотдачу. Человек превращается в кусок льда, летающий во тьме.
  • Высокоэнергетические фотоны. На Земле от разрушительного излучения мы защищены атмосферой. В космосе ее нет. Поэтому невидимые частицы буквально разрушают тело. Они вызывают ожоги, повреждают внутренние органы. А невдалеке от звезды объекты попросту сгорают.
  • Удушье. Отсутствие кислорода – главная проблема. Если не задерживать дыхание (вспоминаем о взрывной декомпрессии), воздуха в легких хватит примерно на 15 секунд. Удушье убивает быстрее, чем все описанное выше.

Безвоздушное пространство негостеприимно. Так что без скафандра пребывание в космосе было бы попросту невозможным.

Вселенная для «чайников» – Москва 24, 18.05.2016

Фото: nasa.gov

В столице продолжаются мероприятия, приуроченные к 55-й годовщине первого полета человека в космос. 18 мая открывается выставка «Русский космос». Специально к этому событию мы собрали некоторые интересные факты о Вселенной. Эти, казалось бы, самые обычные вопросы часто задают даже дети. А вот самих взрослых они порой ставят в тупик. Какая температура в космосе, можно ли услышать звук планет и сколько звезд во Вселенной – читайте в нашем материале.

С Земли можно увидеть галактики невооруженным глазом

С Земли невооруженным глазом мы можем увидеть целых четыре галактики: в Северном полушарии видны наш Млечный Путь и Андромеда (М31), а в Южном – Большое и Малое Магеллановы Облака.
Галактика Андромеды – самая крупная из ближайших к нам. А вот если вооружиться достаточно большим телескопом, можно увидеть еще много тысяч галактик. Они будут видны как туманные пятна различной формы.

Солнечной системе почти 4,5 миллиарда лет

Глядя на ночное небо, мы смотрим в прошлое

Когда мы смотрим в ночное небо и видим привычные нам звезды, мы действительно заглядываем в прошлое.

Это происходит оттого, что на самом деле мы видим свет, посланный очень далеким объектом много лет назад. Все звезды, которые мы видим с Земли, находятся на расстоянии многих световых лет от нас. И чем звезда дальше, тем дольше добирается до нас ее свет.

Например, галактика Андромеды находится в 2,3 миллиона световых лет от нас. То есть ровно столько идет до нас ее свет. Галактику мы видим такой, какой она на самом деле была 2,3 миллиона лет назад. А наше Солнце мы видим с опозданием в восемь минут.

Солнце вращается вокруг своей оси неравномерно. На экваторе – за 25,05 земных дня, у полюсов – за 34,3 дня

В космосе не абсолютная тишина

Наши уши воспринимают колебания воздуха, а в космосе из-за безвоздушной среды мы действительно не сможем услышать никаких звуков.

Но это не значит, что их там нет. На самом деле даже разреженный газ или вакуум может проводить неслышный для нашего уха звук очень большой длинной волны. Его источником могут стать столкновения газопылевых облаков или вспышки сверхновых.

Слышать такие электромагнитные волны мы, конечно, не можем. А вот у некоторых космических кораблей есть инструменты, способные захватывать радиоизлучение, а ученые, в свою очередь, могут преобразовать его в звуковые волны. Например, здесь мы можем послушать «голос» гиганта Юпитера, сделанный космический аппаратом Кассини в 2001 году.

Фото: YAY/ТАСС

Какая температура в космосе

На самом деле наше обычное представление о температуре к космическому пространству не совсем применимо. Температура – это состояние вещества, а его в открытом космосе, как известно, практически нет.

Но все же космическое пространство не безжизненно. Оно буквально пронизано излучением от самых разных источников – столкновения газопылевых облаков или вспышки сверхновых и многого другого.

Считается, что температура в открытом космосе стремится к абсолютному нулю (минимальному пределу, которое может иметь физическое тело во Вселенной). Абсолютный нуль температуры является началом отсчета шкалы Кельвина или минус 273,15 градуса по Цельсию.

Важную роль в формировании температуры космоса играют планеты и их спутники, астероиды, метеориты и кометы, космическая пыль и многое другое. Из-за этого температура может колебаться. Кроме того, вакуум – это отличный теплоизолятор, что-то вроде огромного термоса. А из-за того, что в космосе отсутствует атмосфера, предметы в нем нагреваются очень быстро.

Например, температура тела, помещенного в космосе вблизи Земли и находящегося под лучами Солнца, может повыситься до 473 градусов Кельвина, или почти 200 по Цельсию. То есть космос может быть и горячим, и холодным, смотря в какой его точке измерять.

Луна каждый год удаляется от нашей планеты примерно на четыре сантиметра

Космос не черный

Хотя все мы видим черное ночное небо, а голубой цвет днем – это из-за атмосферы нашей планеты. Казалось бы, все просто: космос черный, потому что там темно. Но как же звезды? Ведь на самом деле их так много, что космос должен быть пронизан их светом.

С Земли мы не видим звезд повсюду, потому что свет многих из них просто не может до нас добраться. Кроме того, наша Солнечная система находится в относительно тихом, довольно скучном и темном месте галактики. И звезды здесь разбросаны очень далеко друг от друга. Ближайшая к нашей планете – Проксима Центавра находится аж в 4,22 световых года от Земли. Это в 270 тысяч раз дальше Солнца.

На самом деле если рассмотреть космос во всем диапазоне электромагнитных излучений, то он ярко излучает в основном радиоволны от разных астрономических объектов. Если бы наши глаза могли их видеть, то мы жили бы в значительно более яркой Вселенной. Но сейчас нам кажется, что мы обитаем в полной темноте.

Солнце составляет 99,86 процента всей массы Солнечной системы

Самая большая звезда во Вселенной

Конечно, речь идет о самой большой известной нам звезде. По оценкам ученых, Вселенная содержит более 100 миллиардов галактик, каждая из которых, в свою очередь, содержит от нескольких миллионов до сотен миллиардов звезд. Нетрудно догадаться, что в них могут существовать такие гиганты, о которых мы даже не подозреваем.

Оказалось, что вопрос, какая звезда самая большая, неоднозначен даже для самих ученых. Поэтому расскажем о трех известных на данный момент гигантах. Довольно долго самой большой звездой считалась VY в созвездии Большого Пса. Ее радиус – от 1300 до 1540 радиусов Солнца, а диаметр – около двух миллиардов километров. Для сравнения, диаметр Солнца – 1,392 миллиона километров. Если представить наше светило как шар в один сантиметр, то диаметр VY составит 21 метр.

Самая массивная из известных звезд – R136a1 в Большом Магеллановом Облаке. Это трудно представить, но звезда весит как 256 Солнц. Она же самая яркая из всех. Этот голубой гипергигант светит ярче нашей звезды в десять миллионов раз. А вот по своим размерам R136a1 далеко не самая крупная. Несмотря на впечатляющую яркость, увидеть ее с Земли невооруженным глазом не получится, потому что она находится в 165 тысячах световых лет от нас.

В настоящее время лидер списка огромности – красный гипергигант NML Лебедя. Радиус этой звезды ученые оценивают в 1650 радиусов нашего светила. Чтобы лучше себе представить этого сверхгиганта, поместим звезду в центр нашей Солнечной системы вместо Солнца. Она займет собой все космическое пространство до орбиты Юпитера.

На орбите Земли находится «свалка» из отходов развития космонавтики. Вокруг нашей планеты обращаются более 370 тысяч объектов весом от нескольких грамм до 15 тонн

Большую часть планет Солнечной системы можно увидеть без телескопа


В подходящее для этого время с Земли мы можем наблюдать Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Эти планеты были открыты еще во времена античности.

Далекий Уран тоже иногда различим невооруженным глазом с Земли. Но до его открытия планету принимали просто за тусклую звезду. О существовании Урана, Нептуна и Плутона из-за большой их удаленности ученые узнали только с помощью телескопа. С Земли невооруженным глазом мы не сможем увидеть только Нептун и Плутон, который, правда, больше не считается планетой.

Фото: YAY/ТАСС

Жизнь не только на Земле?


В Солнечной системе есть еще одно небесное тело, на котором ряд ученых все-таки допускают наличие жизни. Пусть даже в самых примитивных формах. Это спутник Сатурна Титан.

На Титане находится большое количество озер. Правда, искупаться в них не получится: в отличие от земных, они наполнены жидкими метаном и этаном.

Тем не менее Титан считается похожим на Землю в самом начале ее развития. Из-за этого некоторые ученые полагают, что в подземных водоемах спутника Сатурна могут существовать простейшие формы жизни.

  • Космический мусор – вышедшие из строя космические аппараты, отработавшие ракетные и другие устройства и их обломки, которые находятся на околоземных орбитах.
  • Невесомость – состояние, при котором действующие на тело гравитационные силы не вызывают взаимных давлений его частей друг на друга.
  • Солнечный ветер – поток электронов и протонов с большими скоростями, постоянно испускаемых Солнцем.
  • Черная дыра – область пространства, обладающая настолько мощным гравитационным полем, что покинуть ее не могут ни вещество, ни излучение. Возникают на конечной стадии эволюции некоторых сверхбольших звезд.
  • Экзопланеты – планеты, находящиеся за пределами Солнечной системы.
  • Комета – небольшой объект, вращающийся вокруг Солнца по сильно вытянутой эллиптической орбите. При приближении к Солнцу образует облако или хвост из пыли и газа.
  • Галактика – связанная гравитацией система из звезд и звездных скоплений, межзвездного газа, пыли и темной материи.
  • Звезда – массивный газовый шар, излучающий свет и удерживаемый силами собственной гравитации и внутренним давлением.
  • Ракета – летательный аппарат, двигающийся за счет действия реактивной тяги, возникающей из-за отброса части собственной массы аппарата. Для полета не нужна воздушная или газовая среда.
  • Космодром – территория с комплексом специальных сооружений и технических систем, предназначенная для запусков космических аппаратов.
  • Гравитация – притяжение материальных объектов друг другом.
  • Планета – небесное тело, вращающееся по орбите вокруг звезды. Достаточно массивное, чтобы стать округлым под действием собственной гравитации, но недостаточно массивное для начала термоядерной реакции.
  • Астероид – относительно небольшое небесное тело Солнечной системы, движущееся по орбите вокруг Солнца. Значительно уступает по массе и размерам планетам, имеет неправильную форму, не имеет атмосферы.
  • Световой год – расстояние, которое свет проходит в вакууме за один год.
  • Вакуум – пространство, свободное от вещества.
  • Туманность – облако межзвездного газа или пыли. На общем фоне неба выделяется своим излучением или поглощением излучения.

Ссылки по теме

Где начинается граница космоса? — РИА Новости, 26.05.2021

Немного истории. То, что за пределами земной атмосферы действует жесткое космическое излучение, было известно давно. Однако четко определить границы атмосферы, измерить силу электромагнитных потоков и получить их характеристики не удавалось до начала запусков искусственных спутников Земли. Между тем, основной космической задачей, как СССР, так и Соединенных Штатов в середине 50-х годов была подготовка пилотируемого полета. Это, в свою очередь, требовало ясных знаний относительно условий сразу за пределами земной атмосферы.

Уже на втором советском спутнике, запущенном в ноябре 1957 г., находились датчики для измерения солнечного ультрафиолетового, рентгеновского и других видов космического излучения. Принципиально важным для успешного осуществления пилотируемых полетов стало открытие в 1958 г. двух радиационных поясов вокруг Земли.

Но вернемся к установленным канадскими учеными из Университета Калгари 118 км. А почему, собственно, такая высота? Ведь, так называемая «линия Кармана», неофициально признанная границей между атмосферой и космосом, «проходит» по 100-километровой отметке. Именно там плотность воздуха уже столь мала, что летательный аппарат должен двигаться с первой космической скоростью (примерно 7,9 км/с) для предотвращения падения на Землю. Но в таком случае ему уже не требуются и аэродинамические поверхности (крыло, стабилизаторы). На основании этого Всемирная ассоциация аэронавтики приняла высоту 100 км в качестве водораздела между аэронавтикой и астронавтикой.

Но степень разреженности атмосферы — далеко не единственный параметр, определяющий границу космоса. Тем более что «земной воздух» на высоте 100 км не заканчивается. А как, скажем, меняется состояние того или иного вещества с увеличением высоты? Может это и есть главное, что определяет начало космоса? Американцы, в свою очередь, считают любого, кто побывал на высоте 80 км, истинным астронавтом.

В Канаде решили выявить значение параметра, который, как представляется, имеет значение для всей нашей планеты. Они решили выяснить, на какой высоте заканчивается влияние атмосферных ветров и начинается воздействие потоков космических частиц.

Для этой цели в Канаде разработали специальный прибор STII ( Super — Thermal Ion Imager), который вывели на орбиту с космодрома на Аляске два года назад. С его помощью и было установлено, что граница между атмосферой и космосом расположена на высоте 118 километров над уровнем моря.

При этом сбор данных длился всего лишь пять минут, пока несущий его спутник поднимался на установленную для него высоту в 200 км. Таков единственный способ собрать информацию, поскольку эта отметка находится слишком высоко для стратосферных зондов и слишком низко для исследования со спутников. Впервые при исследовании были учтены все составляющие, в том числе движение воздуха в самых верхних слоях атмосферы.

Приборы, подобные STII, появятся для продолжения исследований приграничных областей космоса и атмосферы в качестве полезного груза на спутниках Европейского космического агентства, срок активного существования которых составит четыре года. Это важно, т.к. продолжение исследований пограничных регионов позволит узнать много новых фактов о воздействии космического излучения на климат Земли, о том, какое воздействие энергия ионов имеет на окружающую нас среду.

 Изменение интенсивности солнечной радиации, напрямую связанное с появлением пятен на нашем светиле, каким-то образом влияет на температуру атмосферы, и последователи аппарата STII могут быть использованы для обнаружения этого влияния. Уже сегодня в Калгари разработали 12 различных анализирующих устройств, предназначенных для изучения различных параметров ближнего космоса.

Но говорить о том, что начало космоса ограничили 118 км не приходится. Ведь со своей стороны правы и те, кто считает настоящим космосом высоту в 21 миллион километров! Именно там практически исчезает воздействие гравитационного поля Земли. Что ждет исследователей на такой космической глубине? Ведь дальше Луны (384 000 км) мы не забирались.

Мнение автора может не совпадать с позицией редакции

Исследования и разработки — использовать вакуумные технологии для космоса стало проще

Космические миссии являются одними из самых дорогих исследовательских проектов человечества и могут стоить несколько миллиардов евро. Чтобы гарантировать, что соответствующие компоненты также функционируют в условиях вакуума, превалирующим в космосе, вакуум технически моделируется на Земле с использованием подходящих насосов и систем.

Специалист по вакуумному оборудованию Leybold представит свои решения для разработки, производства и тестирования космических кораблей, спутников и технологий, связанных с космосом, на выставке Space Tech Expo Europe, которая пройдет с 19 по 21 ноября в Бремене. Компания Leybold предлагает широкий ассортимент стандартизированных и специализированных систем со встроенными насосами предварительного и высокого вакуума. Эти насосы индивидуально адаптированы к соответствующим требованиям.

Основное применение — это, например, моделирование и тестирование электрических силовых установок для космических кораблей. Для этого ионизированные частицы газа ускоряются электрическим полем. Современные ионные двигатели вырабатывают поток газа от 0,1 до 10 мг/с. Для поддержания высокого вакуума при таком значительном расходе в испытательных камерах требуется очень высокая мощность всасывания — часто в диапазоне от 10 000 до 100 000 л/с.

Для этого требуются экспериментальные системы камер, обеспечивающие условия космоса. Камеры существуют во всех размерах: от нескольких литров для тестирования небольших объектов, таких как печатные платы, до нескольких тысяч кубических метров для проверки пригодности космических кораблей для космического путешествия. Благородный газ ксенон является самым тяжелым стабильным газом и используется в большинстве случаев для ионных двигателей из-за высокой результирующей тяги. Однако преимущество большой движущей массы является серьезной проблемой для вакуумных насосов. Одной из причин является низкая теплопроводность ксенона, что приводит к критическому повышению температуры в вакуумных насосах для перекачки газа, таких как турбомолекулярные насосы. Кроме того, для достижения необходимой высокой скорости откачки потребуется большое количество больших турбомолекулярных насосов.

Компания Leybold разработала оптимизированное и простое криогенное решение для использования насосов с ксеноном. Прочные одноступенчатые охлаждающие головки поддерживают металлические диски типа Гиффорд-Макмэн. Диски конденсируют ксенон со скоростью откачки на границе теоретического предела.

Необходимо достичь конечного давления в диапазоне 10-5 Па, что намного ниже давления процесса, перед использованием ионного двигателя. Для этих задач также требуется соответствующая мощная система насосов предварительного и высокого вакуума для удаления остаточных газов, таких как азот, кислород и так далее. Давление должно контролироваться соответствующими инструментами на протяжении всего процесса тестирования. Компания Leybold предлагает все необходимые технологии, а также технические консультации, расчеты и проектирование систем, выполняемое нашими специалистами.

Спрос на такие вакуумные испытательные камеры возрастает по мере увеличения количества ионных ракетных индукторных двигателей на ксеноне для различных областей применения. Гибкость и время выхода на рынок являются ключевым фактором успеха этих миссий.

Почти пусто: астрономы выяснили, сколько во Вселенной материи

Сколько в космосе материи? Ответ на этот вопрос искали и нашли астрономы из США и Египта, опубликовавшие результаты своих исследований в научном журнале Astrophysical Journal.

Космос как винегрет

Из чего состоит Вселенная? Разумеется, в ней есть звезды и планеты. А еще межзвездный газ, которого примерно столько же, сколько звезд (по массе). На бескрайних просторах между галактиками изредка встречаются атомы межгалактического газа. Изредка-то изредка, однако в сумме это вещество весит вчетверо больше, чем звезды и межзвездный газ вместе взятые. Но и это далеко не основной ингредиент космического салата. Ученые уже несколько десятилетий знают о существовании еще одного компонента — темной материи. Это вещество не наблюдается ни в какие телескопы, но более чем ярко проявляет себя своей гравитацией. Под дудку его тяготения пляшут и звезды в галактиках, и галактики в скоплениях.

Существование темной материи — доказанный факт, он надежно установлен несколькими способами. Но вот вопрос, из чего она состоит, спорный. Несомненно, некоторую ее часть составляют привычные астрономам объекты, такие как черные дыры, коричневые карлики, холодный газ и так далее. Просто они слишком далекие и тусклые, чтобы земные телескопы могли их разглядеть. Эта часть темной материи называется барионной — в честь барионов, то есть класса частиц, к которому относятся протоны и нейтроны. Именно из протонов и нейтронов состоят атомные ядра, а потому к барионной материи относится все знакомое нам обычное вещество.

Реклама на Forbes

Однако большинство специалистов склоняются к мысли, что львиная доля темной материи не может состоять из атомных ядер. После Большого взрыва просто не могло образоваться столько барионов, говорят они и приводят весьма убедительные расчеты. Так что предполагается, что большая часть темной материи состоит из неизвестных частиц, еще не открытых физиками-экспериментаторами. Эта загадочная субстанция вполне логично называется небарионной темной материей. Подчеркнем, что небарионная природа подавляющей части темной материи еще не доказана. Но эта гипотеза настолько авторитетна, что включена в господствующую модель Вселенной (ΛCDM-модель).

Однако и это еще не все. Главный ингредиент «космического винегрета» — темная энергия, ускоряющая расширение Вселенной. Существование этого дополнительного ускорения — хорошо проверенный факт, за открытие которого Брайан Шмидт и Адам Рисс в 2011 году удостоились Нобелевской премии по физике. А вот о природе вызывающей его темной энергии ученые продолжают спорить. Большинство экспертов считают, что это некое свойство вакуума или же пронизывающее пространство поле. Встречаются, однако, и более экзотичные версии.

Божественные пропорции

Сколько в мире барионной материи (то есть видимой и некоторой части темной), небарионной темной материи и темной энергии? В каких пропорциях смешан этот салат? Это важный вопрос, от которого зависит, например, как расширяется Вселенная и как образовались галактики и их скопления.

Для начала поясним, как сравнивают материю с энергией. Дело в том, что в любой массе заключена энергия, количество которой можно вычислить по знаменитой формуле Е = mc2. И, между прочим, это количество впечатляет: в одном грамме вещества заперто около двадцати килотонн в тротиловом эквиваленте. Пересчитав массу в энергию, космологи выясняют вклад барионного вещества, небарионной материи и темной энергии в полную энергию Вселенной. Такие расчеты проводились неоднократно и разными способами. Но авторы новой статьи использовали собственный путь.

Как взвесить Вселенную

Когда мир был юным, вещество было рассеяно по пространству гораздо более равномерно, чем сейчас. Под действием собственной гравитации оно стянулось в галактики и их скопления. Этот процесс очень сильно зависел от количества материи во Вселенной. Чем больше вещества (барионного и небарионного вместе взятого), тем чаще должны встречаться скопления галактик и тем более высокую массу они должны иметь. Исследователи смоделировали на компьютере образование скоплений галактик при разном количестве материи во Вселенной и сравнили результаты с данными наблюдений.

Это не новый метод, и он успел хорошо зарекомендовать себя. Но авторы внесли в него важное изменение. Они разработали и применили процедуру, которая помогает понять, принадлежит ли та или иная галактика к скоплению. Это непростой вопрос, поскольку при взгляде с Земли мы видим не трехмерную картину, а плоскую. Звездная система, которая кажется нам принадлежащей к кластеру, может на самом деле находиться перед ним или за ним.

Используя свой алгоритм, ученые индивидуально вычисляли массу каждого скопления. Этим их исследование отличается от работ предшественников, в которых использовалась средняя масса многих скоплений. Кроме того, астрономы опирались на собственный каталог скоплений галактик GalWCat19. В нем перечислены более 1800 кластеров, в которые входит в общей сложности более 38500 галактик. Свой каталог авторы сформировали по данным крупнейшего обзора SDSS, выбирая самые яркие и близкие скопления. Особенно важно, что они близкие. Их свет путешествовал до Земли не более 2,5 млрд лет. Это позволяет не делать поправку на расширение Вселенной и те перемены, которые могли произойти в этих кластерах со временем.

Наш мир пуст

Завершив расчеты, исследователи получили, что вся материя в целом (видимое вещество, барионная часть темной материи и ее небарионная часть вместе взятые) обеспечивают только 31% всей энергии во Вселенной. Остальные 69% приходятся на таинственную темную энергию. Отметим также, что, хотя из расчета авторов это и не следует, ранее было установлена доля привычной нам барионной материи среди всей материи Вселенной — она составляет всего 20%.

Результаты авторов не очень отличаются от данных, полученных другими методами. Некоторые измерения отводят темной энергии чуть большую долю космического пирога — более 70%. Другие останавливаются на 68%. Но так или иначе именно это загадочное нечто — по-прежнему самый большой резервуар энергии в космосе.

Совпадение результатов, полученных разными способами, — хорошее свидетельство их надежности. Другими словами, похоже, что Вселенная действительно устроена именно так.

Авторы приводят выразительный пример. Представим, что вся материя, в том числе и та, которая обычно считается небарионной, состоит из водорода. Сколько понадобилось бы атомов, чтобы обеспечить ее наблюдаемое количество? В среднем всего шесть атомов на кубический метр пространства. Для сравнения: в стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане.

Считанные атомы на кубический метр — это не просто вакуум. Это настолько глубокий вакуум, что его создание лежит далеко за границами технических возможностей человечества. Если усреднить космос, получится пустота. Звезды, планеты и мы сами существуем только потому, что материя не рассеяна по пространству равномерно, а собрана в плотные комки, разделенные пустынными безднами. Возможно, понимание этого факта поможет человечеству осознать свою уникальность в космосе и еще раз удивиться чуду научного познания, позволяющего на основе наблюдений и компьютерных моделей постигать устройство мироздания.

Космические деньги: почему бизнесмены инвестируют в безвоздушное пространство

8 фото

О космическом тепле и холоде / Блог компании Даурия Аэроспейс / Хабр

В жаркие летние дни самое время поговорить о жаре и холоде космоса. Благодаря научно-фантастическим фильмам, научно- и не очень научно-популярным передачам, у многих закрепилось убеждение, что космос — это невообразимо холодное место, в котором самое главное — найти как согреться. Но на самом деле все гораздо сложнее.


Фото космонавта Павла Виноградова

Чтобы разобраться тепло или холодно в космосе, надо сначала вернуться к азам физики. Итак, что такое тепло? Понятие температуры применимо к телам, чьи молекулы находятся в постоянном движении. При получении дополнительной энергии, молекулы начинают двигаться активнее, а при потере энергии — медленнее.

Из этого факта следует три вывода:
1) у вакуума температуры нет;
2) в вакууме есть только один способ теплопередачи – излучение;
3) объект в космосе, фактически группу движущихся молекул, можно охладить, если обеспечить контакт с группой медленно движущихся молекул или нагреть, обеспечив контакт с быстро движущейся группой.

Первый принцип используется в термосе, где вакуумные стенки удерживают температуру горячего чая и кофе. Точно так же перевозят сжиженный природный газ в танкерах. Второй принцип определяет так называемые условия внешнего теплообмена, то есть взаимодействие Солнца (и/или других источников излучения) и космического аппарата. Третий принцип используется при проектировании внутренней конструкции космических аппаратов.

Когда говорят о температуре космоса, то могут подразумевать две разные температуры: температуру рассеянного в пространстве газа или температуру тела, находящегося в космосе. Как все знают, в космосе вакуум, но это не совсем так. Почти все пространство там, по крайней мере внутри галактик, наполнено газом, просто он настолько сильно разрежен, что не оказывает почти никакого теплового воздействия на помещенное в него тело.

В разреженном космическом газе молекулы встречаются крайне редко, и воздействие их на макро тела, такие как спутники или космонавты, незначительно. Такой газ может быть разогрет до экстремальных температур, но из-за редкости молекул, космические путешественники его не почувствуют. Т.е. для большинства обычных космических аппаратов и кораблей совсем не важно какая температура у межпланетной и межзвездной среды: хоть 3 Кельвина, хоть 10000 градусов Цельсия.

Важно другое: что из себя представляет наше космическое тело, какой оно температуры, и какие источники излучения есть поблизости.

Главный источник теплового излучения в нашей Солнечной системе — это Солнце. И Земля довольно близко к нему, поэтому, на околоземных орбитах очень важно настроить «взаимоотношения» космического аппарата и Солнца.

Чаще всего рукотворные объекты в космосе стараются укутать в многослойное одеяло, не дающее теплу спутника уходить в космос и не позволяющее лучам Солнца поджаривать нежные внутренности аппарата. Многослойное одеяло называется ЭВТИ — экранно-вакуумная теплоизоляция, «золотая фольга», которая на самом деле не золотая и не фольга, а покрытая специальным сплавом полимерная пленка, похожая на ту, в которую заворачивают цветы.

Впрочем, в некоторых случаях и у некоторых производителей, ЭВТИ не похожа на фольгу, но выполняет ту же изолирующую функцию.

Иногда некоторые поверхности спутника специально оставляют открытыми для того, чтобы они или поглощали солнечное излучение, или отводили в космос тепло изнутри. Обычно в первом случае поверхности покрывают черной эмалью, сильно поглощающей излучение Солнца, а во втором – белой эмалью, хорошо отражающей лучи.

Бывают случаи, когда на борту космического аппарата приборы должны работать при очень низкой температуре. Например, обсерватории «Миллиметрон» и JWST будут наблюдать тепловое излучение Вселенной и для этого и зеркалам их бортовых телескопов, и приёмникам излучения нужно быть очень холодными. На JWST главное зеркало планируется охлаждать до — 173 градусов Цельсия, а на «Миллиметроне» — ещё ниже, до — 269 градусов Цельсия. Для того, чтобы Солнце не нагревало космические обсерватории, они укрываются так называемым радиационным экраном: своеобразным многослойным солнечным зонтиком, похожим на ЭВТИ.

Кстати, как раз для таких «холодных» спутников важным становится небольшой нагрев от разреженного космического газа и даже от заполняющих всю Вселенную фотонов реликтового излучения. Отчасти поэтому, что «Миллиметрон», что JWST отправляют подальше от теплой Земли в точку Лагранжа, за 1,5 млн км. Кроме солнечных зонтиков на этих научных спутниках будет сложная система с радиаторами и многоступенчатыми холодильниками.

На других, менее сложных аппаратах сброс тепла в космосе тоже осуществляется через излучение с радиаторов. Обычно их как раз и покрывают белой эмалью и стараются разместить либо параллельно солнечному свету, либо в тени. На метеоспутнике «Электро-Л» требовалось охладить матрицу инфракрасного сканера до -60 градусов Цельсия. Это было достигнуто при помощи радиатора, который постоянно держали в тени, а каждые полгода спутник разворачивали на 180 градусов, чтобы наклон земной оси не приводил к попаданию радиатора под солнечные лучи. В дни равноденствий спутник приходилось держать немного под углом, отчего на снимках появлялись артефакты у полюсов Земли.

Перегрев является одним из препятствий в создании космического аппарата с мощным ядерным источником энергии. Электричество на борту получается из теплоты с КПД гораздо меньше 100%, поэтому излишек тепла приходится сбрасывать в космос. Традиционные, используемые сейчас радиаторы были бы слишком большими и тяжелыми, поэтому сейчас в нашей стране проводятся работы по созданию капельных холодильников-излучателей, в которых теплоноситель в виде капелек пролетает через открытый космос и отдает ему тепло изучением.

Главный источник излучения в Солнечной системе – это Солнце, но планеты, их спутники, кометы и астероиды, вносят свой весомый вклад в тепловое состояние космического аппарата, который пролетает около них. Все эти небесные тела обладают своей температурой и являются источниками теплового излучения, которое, к тому же, взаимодействует со внешними поверхностями аппарата иначе, чем более «горячее» излучение Солнца. А ведь планеты еще и отражают солнечное излучение, причем планеты с плотной атмосферой отражают диффузно, безатмосферные небесные тела – по особому закону, а планеты с разреженной атмосферой типа Марса – ещё совершенно иначе.

При создании космических аппаратов требуется учитывать не только «взаимоотношения» аппарата и космоса, но и всех приборов и устройств внутри, а также и ориентацию спутников относительно источников излучения. Для того чтобы одни не нагревали других, а третьи не замерзали, и чтобы поддерживалась рабочая температура на борту, разрабатывается отдельная служебная система. Она называется «Система обеспечения теплового режима» или СОТР. В нее могут входить нагреватели и холодильники, радиаторы и тепловоды, датчики температуры и даже специальные компьютеры. Могут использоваться активные системы или пассивные, когда роль обогревателей выполняют работающие приборы, а радиатора — корпус аппарата. Именно такая простая и надежная система создана для частного российского спутника «Даурии Аэроспейс».

Более сложные активные системы задействуют циркулирующий теплоноситель или тепловые трубы, подобные тем, что часто используются для отвода тепла от центрального процессора к радиатору в компьютерах и ноутбуках.

Соблюдение теплового режима, зачастую, оказывается решающим фактором работоспособности аппарата. Например, чуткий к перепадам температуры «Луноход-2» погиб из-за какой-то смехотворной горсти черного реголита на своей крыше. Солнечное излучение, которое уже не отражалось теплоизоляцией, привело к перегреву оборудования и выходу из строя «лунного трактора».

В создании космических аппаратов и кораблей, соблюдением теплового режима занимаются отдельные инженерные специалисты по СОТР. Один из них — Александр Шаенко из «Даурии Аэроспейс», занимался спутником DX1, и он помог в создании данного материала. Сейчас Александр занялся чтением лекций о космонавтике и созданием собственного спутника, который послужит популяризации космоса, став самым ярким объектом в небе после Солнца и Луны.

Поэтому нам в «Даурии» нужен новый специалист по СОТР. Если у вас есть такой знакомый, пусть напишет в наш сколковский офис.

Почему космос — это вакуум?

Космос — это почти идеальный вакуум, полный космических пустот. А короче гравитация виновата. Но чтобы по-настоящему понять вакуум нашей Вселенной, нам нужно уделить время тому, чтобы понять, что такое вакуум на самом деле, а чем он не является.

Итак, что такое вакуум и почему космос не является настоящим вакуумом?

Во-первых, забудьте про пылесос по аналогии с космическим вакуумом, — сказал Live Science Джеки Фээрти, старший научный сотрудник отдела астрофизики Американского музея естественной истории в Нью-Йорке.Бытовая чистящая машина эффективно заполняет собой грязь и пыль, высосанные с вашего ковра. (То есть пылесос использует перепад давления для создания всасывания. Пылесос может быть лучшим названием, чем пылесос). Но в космическом вакууме все наоборот. По определению, вакуум лишен материи. Космос — это почти абсолютный вакуум, не из-за всасывания, а потому, что он почти пуст.

По теме: Что произойдет, если вы выстрелите из пушки в космосе?

Эта пустота приводит к очень низкому давлению.И хотя невозможно воспроизвести пустоту космоса на Земле, ученые могут создавать среду с чрезвычайно низким давлением, называемую частичным вакуумом.

Даже без аналогии с пылесосом «понимание концепции вакуума почти чуждо, потому что оно настолько противоречит тому, как мы существуем, — сказал Фаэрти. Наш человеческий опыт полностью ограничен очень плотной, многолюдной и динамичной частью мира. «Таким образом, нам может быть трудно по-настоящему понять ничто или пустоту», — сказала она.Но на самом деле то, что нормально для нас на Земля , на самом деле является редкостью в контексте Вселенной, подавляющее большинство которой почти пусто.

Гравитация — это король

В среднем космос все равно был бы довольно пустым, даже если бы у нас не было гравитации. «По сравнению с объемом вселенной, в которую вы поместите это вещество, не так много всего», — считает астрофизик-теоретик Калифорнийского технологического института Кэмерон Хаммелс. Средняя плотность Вселенной, согласно NASA , равна 5.9 протонов ( положительно заряженных субатомных частиц ) на кубический метр. Но затем гравитация усиливает пустоту в определенных регионах Вселенной, заставляя материю во Вселенной собираться.

В принципе, любые два объекта с массой будут притягиваться друг к другу. Это гравитация. Другими словами, «материи нравится быть рядом с другой материей», — сказала Фаэрти. В космосе гравитация сближает близлежащие объекты. Вместе их коллективная масса увеличивается, и большая масса означает, что они могут создавать более сильное гравитационное притяжение, с помощью которого втягивает еще больше материи в свой космический сгусток.Увеличивается масса, затем гравитационное притяжение, затем масса. «Это эффект побега», — сказал Хаммелс.

Поскольку эти гравитационные горячие точки притягивают соседнюю материю, пространство между ними эвакуируется, создавая так называемую космическую пустоту , сказал Хаммелс. Но вселенная началась не так. После Большого взрыва материя во Вселенной рассеялась более равномерно, «почти как туман», — сказал он. Но за миллиарды лет гравитация собрала эту материю в астероиды, планеты, звезды, солнечные системы и галактики; и оставляя между собой пустоты межпланетного, межзвездного и межгалактического пространства .

Но даже космический вакуум не чист. Между галактиками на меньше одного атома в каждом кубическом метре, что означает, что межгалактическое пространство не полностью пусто. Однако в нем гораздо меньше материи, чем любой вакуум, который люди могли бы смоделировать в лаборатории на Земле.

Между тем, «Вселенная продолжает расширяться», — сказал Фээрти, заверив, что космос останется в основном пустым. «Это звучит так одиноко», — сказала она.

Примечание редактора. Эта статья была обновлена ​​окт.9, чтобы исправить написание имени Кэмерона Хаммелса.

Первоначально опубликовано на Live Science.

Как расширение Вселенной превращает космическое пространство в вакуум?

Категория: Космос Опубликовано: 8 октября 2013 г.

Public Domain Image, источник: NASA / JPL-Caltech / ESO / Univ. Мичигана.

Вакуум в космическом пространстве вызван не расширением Вселенной, а гравитацией. Прежде всего, когда мы говорим, что космическое пространство (пространство за пределами атмосферы планет и звезд) является «вакуумом» или «пусто», мы на самом деле имеем в виду, что космическое пространство на почти пусто или почти — это идеальный вакуум.На самом деле, даже в самом отдаленном уголке космоса есть газ, пыль, радиация, гравитация и множество других вещей. По-настоящему пустого пространства не бывает. Если бы мы попытались высосать все частицы из определенного объема, мы все равно не смогли бы получить его пустым. По-прежнему останутся такие вещи, как флуктуации вакуума, гравитация и темная материя, которые невозможно высосать. С учетом сказанного, космическое пространство очень близко к пустому по сравнению с земной атмосферой. Почему?

Каждая частица материи, какой бы маленькой она ни была, оказывает гравитационное притяжение на все другие частицы материи.Для небольших частиц материи, таких как атом водорода, и для больших расстояний, как мы видим в астрономических масштабах, сила гравитации очень мала. Но это не ноль. Через некоторое время гравитация заставляет гигантские облака газа в космосе конденсироваться, несмотря на то, что гравитационная сила настолько мала. Вскоре после Большого взрыва Вселенная была заполнена почти однородным супом из водорода и гелия. За миллиарды лет гравитация втягивала большинство этих атомов газа в звезды. Внутри ядерной печи звезд водород и гелий были сплавлены, чтобы сформировать более тяжелые элементы, вплоть до железа.Более крупные звезды в конечном итоге погибли в результате взрыва сверхновой, которая создала все естественные элементы тяжелее железа и выбросила эти более тяжелые элементы в космос. Со временем эти более тяжелые элементы конденсировались под действием силы тяжести, образуя небольшие облака и камни. В свою очередь, облака и камни гравитационно притягивались друг к другу, образуя астероиды, луны и планеты. Космическое пространство почти пусто, потому что большая часть материи, которая раньше была там, буквально упала на астероид, планету, луну или звезду под действием силы тяжести.

Расширение Вселенной влияет только на расстояние между галактиками, и не , а не увеличивает расстояния между объектами внутри галактики. Атомы в вашем теле, существа на Земле, планеты в солнечной системе и солнечные системы в галактике — все они слишком сильно связаны гравитацией и электромагнетизмом, чтобы на них могло повлиять расширение Вселенной. В результате расширение Вселенной не может объяснить относительную пустоту пространства внутри галактики.

Темы: астрономия, космическое расширение, расширение Вселенной, гравитация, метрическое расширение, пространство-время, вакуум

Что такое космический вакуум?

В «Частном журнале» Анри Фредерика Амиэля знаменитый философ заявил, что «Единообразие [..] создает пустоту, а Природа не терпит пустоты ». Однако большинство астронавтов, вероятно, знали о том, что их окружение на самом деле представляет собой вакуум.

Тогда может возникнуть вопрос: «Почему вообще существует вакуум?»

Космос в основном пуст, но на самом деле он не пуст. Кредит изображения: Джереми Томас.

Во-первых, избавимся от заблуждения. Когда вы думаете о вакууме, обычно вы думаете о чем-то с недостатком воздуха. Один интересный способ попробовать это — взять пустую бутылку и просто попытаться высосать весь воздух.Если бы вы могли сделать это идеально (предупреждение о спойлере, вы не можете), вы бы создали вакуум внутри бутылки, из-за чего она прилипает к вашим губам. Пока горлышко бутылки не имеет промежутков между ней и вашими губами, это даст вам возможность вращать ее головой, как вам угодно, а также дает вам возможность привлекать раздраженные взгляды вашей жены.

Однако, если подумать, космос — это не настоящий вакуум; действительно не существует вакуума.

Пустота

Слово происходит от латинского прилагательного «vacuus», означающего «вакантный» или «пустотный», однако существует множество вещей, фактически заполняющих пространство, что мы считаем космическим вакуумом.

«Когда мы говорим, что космическое пространство (пространство за пределами атмосферы планет и звезд) является« вакуумом »или« пусто », мы действительно имеем в виду, что космическое пространство почти пусто или почти идеальный вакуум», — объясняет Доктор Кристофер С. Бэрд, доцент кафедры физики в Западно-Техасском университете A&M, в своем блоге «Вопросы науки с неожиданными ответами».

«На самом деле, даже в самом отдаленном уголке космоса есть газ, пыль, радиация, гравитация и множество других вещей.По-настоящему пустого пространства не бывает. Если бы мы попытались высосать все частицы из определенного объема, мы все равно не смогли бы получить его пустым. По-прежнему останутся такие вещи, как колебания вакуума, гравитация и темная материя, которые невозможно высосать. С учетом сказанного, космическое пространство очень близко к пустому по сравнению с земной атмосферой ».

У древних греков было несколько интересных идей о вакууме, как и в большинстве других вещей. Они не знали, что такое атом, но рассматривали идею атомизма: маленькие вещи, которые заполняют все.Абстрактная концепция действительно пустой пустоты была воспринята скептически, даже несмотря на то, что Платон оказал некоторую поддержку. Его ученик Аристотель считал, что пустота не может возникнуть естественным образом, потому что более плотный окружающий материал просто заполнит обстановку.

Спустя почти две тысячи лет после Платона Рене Декарт также предложил теорию, подобную атомизму, но без проблемной материи пустоты. Декарт также согласился с современной позицией, согласно которой в природе не бывает вакуума.

Тем не менее, до сих пор идея вакуума остается в некоторой степени неопределенной среди физиков — особенно с такими понятиями, как темная материя и темная энергия в смеси.

Создание вакуума

Изображение предоставлено: JD Hancock.

Это все еще не дает точного ответа на вопрос «что вызывает вакуум».

Короткий ответ заключается в том, что в пустоте космоса давление настолько низкое, что все молекулы хотят разлететься как можно дальше. Это расширение, в свою очередь, создает вакуум, о существовании которого мы все знаем, а также то, что приводит к развитию звезд и планет, которые мы видим в ночном небе.

Поскольку космическое пространство имеет очень низкие плотность и давление, в нем образуется нечто, очень близкое к вакууму, но это все же не идеальный вакуум.Даже в межзвездном пространстве в каждом кубическом метре все еще есть несколько атомов водорода.

«Каждая частица материи, независимо от ее размера, оказывает гравитационное притяжение на все другие частицы материи», — говорит Бэрд. «При достаточном времени гравитация заставляет гигантские облака газа в космосе конденсироваться, несмотря на то, что гравитационная сила настолько мала. Вскоре после Большого взрыва Вселенная была заполнена почти однородным супом из водорода и гелия. За миллиарды лет гравитация втягивала большинство этих атомов газа в звезды.Внутри ядерной печи звезд водород и гелий были сплавлены, чтобы сформировать более тяжелые элементы, вплоть до железа ».

Более крупные звезды в конечном итоге умрут во взрывоопасной сверхновой, создавая все естественные элементы тяжелее железа и извергая эти элементы в космос. Со временем более тяжелые элементы конденсируются под действием силы тяжести, образуя небольшие облака и камни. В свою очередь, облака и скалы притягиваются друг к другу под действием гравитации, в результате чего образуются астероиды, луны и планеты.Космос в основном пуст, потому что материя, которая раньше была там, упала на астероид, планету, луну или звезду под действием силы тяжести.

Другое заблуждение состоит в том, что пребывание в вакууме приводит к мгновенной смерти. Воздействие вакуума на самом деле может быть жизнеспособным, хотя и очень неудобным.

Исследование 1965 года, проведенное учеными на базе ВВС Брукс в Техасе, показало, что собаки, подвергавшиеся воздействию почти вакуума — одной трехсот восьмидесятой атмосферного давления на уровне моря — в течение 90 секунд всегда выживали, однако во время воздействия они потеряли сознание и были парализованы.

Они также испытали серьезный дискомфорт, поскольку газ, выходящий из их кишечника и желудка, вызывал одновременную дефекацию, рвоту и мочеиспускание, а также страдал от массивных судорог. Их языки часто были покрыты льдом, и собаки раздувались, напоминая «надутый мешок из козьей шкуры», — пишут авторы. Но после небольшого восстановления давления собаки снова сжались, начали дышать, и после 10-15 минут нахождения под давлением на уровне моря им удалось ходить, хотя им потребовалось еще несколько минут, чтобы их очевидная слепота прошла.

«В любой системе всегда существует вероятность отказа оборудования, ведущего к травмам или смерти», — говорит профессор Дартмутской медицинской школы и бывший астронавт НАСА Джей Баки, автор книги «Космическая физиология» в 2006 году. «Это всего лишь риск, которому вы подвергаетесь, когда находитесь во враждебной среде и зависите от окружающего вас оборудования. Но если вы можете быстро добраться до кого-то, это хорошо. Часто выходы в открытый космос совершаются с двумя выходцами в открытый космос и при постоянном общении. Так что, если у кого-то возникла проблема, надеюсь, другой может пойти и привести их.”

Реальный пример произошел в 1966 году, когда инженер НАСА Джим Леблан случайно оказался в почти нулевом вакууме.

В скафандре, который он тестировал, резко снизилось давление из-за отказа оборудования. Он вспомнил ощущение кипящей слюны на языке, прежде чем потерять сознание.

Когда в камере быстро восстановили давление, ЛеБлан быстро пришел в сознание и пошел домой на обед. Другой мужчина случайно попал под вакуум в производственной камере; прошло не менее трех минут, прежде чем он смог восстановить давление.Ему потребовалась интенсивная медицинская помощь, но в конце концов он полностью восстановил свои функции. Эти примеры показывают, что эбулизм — образование пузырьков газа в жидкостях организма из-за пониженного давления окружающей среды — не является неизбежно фатальным, и тело может прекрасно держаться вместе… по крайней мере, в течение нескольких секунд.

Человеческое тело в космосе: отличие факта от вымысла

Со времени первого двухчасового полета Юрия Гагарина в космос в 1961 году соблазн пилотируемых космических путешествий оказался непреодолимым для ученых, предпринимателей и артистов.Сегодня, когда технологии становятся все более способными обеспечить возможность пилотируемых путешествий на Марс, и воображение Голливуда разгуливается представлениями о космическом будущем человечества (с недавними блокбастерами, такими как Star Trek , Prometheus , Star Wars и даже Wall- E ) появилось много заблуждений о космосе. Космическое пространство часто изображается в фильмах как холодное, негостеприимное место, где постоянное пребывание в вакууме заставляет вашу кровь закипать, а ваше тело лопнет; в качестве альтернативы, если ни одно из этих событий не произойдет, вы мгновенно превратитесь в человеческое эскимо.Между тем, многие из этих фильмов удобно игнорируют несколько более тонкие, но весьма актуальные опасности длительного космического полета даже в закрытом судне при нормальном атмосферном давлении.

Острое воздействие космического вакуума: нет, вы не замерзнете (и не взорветесь)

Распространено заблуждение, что космическое пространство холодное, но на самом деле в самом космосе нет температуры. С точки зрения термодинамики, температура является функцией тепловой энергии в данном количестве вещества, а пространство по определению не имеет массы.Более того, передача тепла в космосе не может происходить таким же образом, поскольку два из трех методов передачи тепла (теплопроводность и конвекция) не могут происходить без материи.

Что это значит для человека в космосе без скафандра? Поскольку тепловое излучение (тепло печи, которое вы ощущаете на расстоянии или от солнечных лучей) становится преобладающим процессом передачи тепла, можно почувствовать себя немного теплым, если подвергнуться прямому воздействию солнечного излучения, или слегка прохладным, если он затенен от солнечный свет, когда собственное тело человека будет излучать тепло.Даже если вас высадят в глубокий космос, где термометр может показывать 2,7 Кельвина (-455 ° F, температура «космического микроволнового фона», оставшегося от Большого взрыва, пронизывающего Вселенную), вы не замерзнете мгновенно, потому что теплопередача не может произойти так быстро только радиацией.

Отсутствие нормального атмосферного давления (давления воздуха на поверхности Земли), вероятно, вызывает большее беспокойство, чем температура для человека, находящегося в космическом вакууме [1].При внезапной декомпрессии в вакууме расширение воздуха в легких человека может вызвать разрыв легких и смерть, если этот воздух не будет немедленно выдохнут. Декомпрессия также может привести к потенциально фатальному состоянию, называемому эбулизмом, когда пониженное давление окружающей среды снижает температуру кипения жидкостей организма и инициирует переход жидкой воды в кровотоке и мягких тканях в водяной пар [2]. Как минимум, эбулизм вызовет отек тканей и синяки из-за образования водяного пара под кожей; в худшем случае это может вызвать эмболию или закупорку кровеносных сосудов из-за пузырьков газа в кровотоке.

Наша зависимость от непрерывной подачи кислорода является более ограничивающим фактором в отношении количества времени, в течение которого человек может выжить в полном вакууме. В отличие от того, как легкие должны функционировать при атмосферном давлении, кислород диффундирует на из кровотока, когда легкие подвергаются воздействию вакуума. Это приводит к состоянию, называемому гипоксией или кислородным голоданием. В течение 15 секунд дезоксигенированная кровь начинает поступать в мозг, что приводит к потере сознания [1].Данные экспериментов на животных и несчастных случаев во время тренировок предполагают, что человек может прожить как минимум еще одну минуту в вакууме в бессознательном состоянии, но ненамного дольше [3,4].

Долгосрочные последствия космических путешествий

В то время как влияние неисправности скафандра или декомпрессии на человеческое тело важно осознавать, долгосрочные последствия космического полета, возможно, более актуальны (рис. 1). Многие из непосредственных физиологических воздействий космического полета объясняются микрогравитацией, термином, обозначающим очень малые гравитационные силы.Поскольку жизнь на Земле эволюционировала так, чтобы лучше всего функционировала в условиях земного притяжения, возможно, отсутствие гравитации влияет на все системы человеческих органов. Тело в высшей степени адаптивно и может адаптироваться к изменениям в гравитационной среде, но эти физиологические адаптации могут иметь патологические последствия или приводить к ухудшению физической формы, что ставит под сомнение способность космического путешественника нормально функционировать после возвращения на Землю.

Рис. 1. Физиологические опасности, связанные с космическими путешествиями.Воздействие окружающей среды в космосе с микрогравитацией и ионизирующим излучением может нарушить сердечно-сосудистую, выделительную, иммунную, опорно-двигательную и нервную системы. (Иллюстрация Марка Спрингеля, отредактированная Ханной Сомхеджи)

На Земле сердечно-сосудистая система работает против силы тяжести, чтобы предотвратить скопление крови в ногах, таким образом, микрогравитация приводит к резкому перераспределению жидкости от ног к верхней части тела всего за несколько мгновений невесомости [5]. Это явление в просторечии известно астронавтам как «опухшее лицо» или «птичьи лапки», что связано с выраженным отеком лица и уменьшением окружности ног на 10–30%.Хотя жидкости возвращаются к нормальному распределению в течение 12 часов, астронавты часто жалуются на заложенность носа и аномалии глаз после длительного пребывания в космосе [6], которые, вероятно, являются симптомами повышенного внутричерепного давления или давления внутри черепа. Кроме того, происходит уменьшение объема крови, количества эритроцитов и сердечного выброса из-за более низкой нагрузки на сердечно-сосудистую систему по противодействию силе тяжести. Эта акклиматизация является физиологически нормальной и не имеет функциональных ограничений в космосе, но после возвращения к земной гравитации каждый четвертый астронавт не может стоять в течение 10 минут без учащенного сердцебиения или обморока [5,7].

Поскольку более половины мышц человеческого тела сопротивляются гравитационной силе на Земле, акклиматизация опорно-двигательного аппарата к микрогравитации приводит к глубокой атрофии мышц, достигающей у некоторых астронавтов потери мышечной массы до 50% в ходе длительных миссий [5] . Мышечная атрофия, наблюдаемая у астронавтов, очень похожа на атрофию прикованных к постели пациентов, и по возвращении на Землю некоторые астронавты испытывают трудности с простым поддержанием вертикальной позы. Уменьшение нагрузки в пространстве на несущие кости, такие как бедренная кость, большеберцовая кость, тазовый пояс и позвоночник, также вызывает деминерализацию скелета и снижение плотности костей или остеопению.Кальций и другие минералы, содержащиеся в костях, выводятся с мочой в повышенных количествах, поэтому микрогравитация подвергает людей риску не только перелома костей, но и камней в почках [8].

Вестибулярная и сенсомоторная системы, сенсорные сети нашего тела, которые способствуют чувству равновесия и координации движений, соответственно, также подвержены влиянию микрогравитации. Большинство космонавтов в течение первых нескольких дней пребывания в космосе испытывают некоторую космическую болезнь движения или дезориентацию, и эти симптомы обычно проходят по мере акклиматизации тела [5]; однако некоторые астронавты по-прежнему чувствуют себя нестабильно спустя месяцы после возвращения на Землю [9].Кроме того, похоже, что это влияет на нормальный цикл сна, поскольку астронавты постоянно спят меньше и испытывают более неглубокий и беспокойный сон в космосе, чем на Земле [10]. Это может быть связано с сочетанием микрогравитации или изменением цикла света и темноты в космосе. Многие астронавты жалуются на яркие вспышки, которые возникают перед их глазами при попытке уснуть, что связано с космическим излучением высокой энергии [11].

Атмосфера Земли действует как щит, блокирующий многие вредные виды космической радиации, но люди подвергаются опасному воздействию этой радиации в космическом пространстве (рис. 2).Ультрафиолетовое (УФ) излучение солнца в значительной степени поглощается атмосферой Земли и никогда не достигает ее поверхности, но человек, незащищенный в космосе, получит солнечный ожог от УФ-излучения в течение нескольких секунд. Ультрафиолетовые лучи могут быть заблокированы специально разработанной тканью в скафандрах и защитных экранах космических кораблей, но ионизирующее излучение и космические лучи более высокой энергии — протоны высокой энергии и тяжелые атомные ядра из-за пределов Солнечной системы — могут проникать как через экранирование, так и через тела астронавтов, потенциально имея серьезные последствия для здоровья [6].Повреждающее излучение этого типа может вызвать лучевую болезнь, мутировать ДНК, повредить клетки мозга и способствовать развитию рака [12]. Некоторые исследования также предполагают, что космическое излучение увеличивает риск раннего начала катаракты [13] и способствует увеличению вероятности заражения астронавтами вирусных и бактериальных инфекций из-за подавления иммунной системы [5].

Что это означает для будущих космических полетов?

Перспектива межпланетных полетов усугубляет известные проблемы со здоровьем, связанные с космическими путешествиями.С нашей нынешней технологией пилотируемая миссия на Марс займет более двух лет, а по самым скромным оценкам, просто добраться до Марса может потребоваться от 6 до 8 месяцев. Измерения радиации, зарегистрированные марсоходом НАСА Curiosity во время его полета к Марсу, предполагают, что с помощью современных технологий астронавты будут подвергаться воздействию минимум 660 ± 120 миллизивертов (мера дозы радиации) в течение полета туда и обратно [14]. Поскольку предел воздействия на карьеру НАСА для астронавтов лишь немного превышает 1000 миллизивертов, эти последние данные вызывают серьезную озабоченность.

Рисунок 2 . Примерная доза облучения в нескольких сценариях на Земле и в космосе. Радиационное облучение, связанное с полетом на Марс и обратно, экстраполировано на основе последних данных космической лаборатории Марса (MSL) / марсохода Curiosity. DOE, Министерство энергетики; МКС, Международная космическая станция [14]. (Изображение адаптировано из NASA / JPL Photojournal: PIA02570 и PIA02004; http://photojournal.jpl.nasa.gov)

Помимо недавних данных о радиации, самое продолжительное непрерывное пребывание человека в космосе составляет всего 438 дней [15], и не совсем понятно, как человеческое тело может отреагировать на полет на Марс и обратно.Последствия длительного космического полета могут быть очень разнообразными, и это требует новых дисциплин, которые могут решить проблему адаптации людей к условиям, для которых мы не были предназначены. Частые упражнения, правильное питание и фармакологическая терапия — это три стратегии, используемые для борьбы с процессом разрушения кондиции, но некоторое снижение физической формы неизбежно.

Одна из фундаментальных проблем, с которыми сталкиваются ученые, планирующие будущие космические миссии, — это разработка новых технологий, которые могут приспособиться к физиологическим ограничениям людей, путешествующих в космосе в течение неопределенных периодов времени.Сегодня большое внимание в исследованиях уделяется разработке технологий, которые позволят быстрее добраться до Марса, создать искусственную гравитацию и снизить радиационное воздействие. Хотя изображение космических путешествий в поп-культуре может быть в значительной степени вымышленным, это может быть научная фантастика, которая однажды позволит людям отважиться глубже проникнуть в «последний рубеж».

Марк Спрингель — научный сотрудник отделения патологии детской больницы Бостона.

Артикул:

[1] Канас Н., Мэнси Д.«Основные вопросы адаптации человека к космическому полету». Космическая психология и психиатрия , Дордрехт,: Springer, Нидерланды, 2008. 15-30. Распечатать.

[2] Czarnik, TR. Эбулизм на высоте 1 миллиона футов: выживание при быстрой / взрывной декомпрессии . http://www.sff.net/people/Geoffrey.Landis/ebullism.html ”

[3] Shayler DJ. Катастрофы и аварии в пилотируемом космическом полете , Springer-Praxis Books in Astronomy and Space Science: Chichester UK, 2000.

[4] Рот Е.М. (1968).Экстренные ситуации быстрой (взрывной) декомпрессии у людей в скафандрах. НАСА CR-1223. Представитель по контракту с НАСА, НАСА, CR., Ноябрь: 1–125.

[5] Уильямс Д., Койперс А., Мукаи С., Тирск Р. (2009). Акклиматизация во время космического полета: влияние на физиологию человека. CMAJ 180 (11): 1317-1323.

[6] Сетлов РБ (2003). Опасности космических путешествий. Embo Rep, 4 (11): 1013-1016.

[7] Mader TH, Gibson CR, Pass AF, Kraimer LA, et al. (2011). Отек диска зрительного нерва, уплощение глазного яблока, хориоидальные складки и гиперметропические сдвиги, наблюдаемые у космонавтов после длительного космического полета.Офтальмология 118 (10): 2058-2069.

[8] Петржик Р.А., Джонс Дж. А., Самс К. Ф., Уитсон П. А. (2007). Камнеобразование в почках у космонавтов. Aviat Space Environ Med 78 (4 приложение): A9-13.

[9] Астронавт говорит, что он все еще шатается после месяцев невесомости. New York Times, 2 февраля 1998 г. http://www.nytimes.com/1998/02/02/us/astronaut-says-he-s-still-wobbly-after-months-of-weightlessness.html ”

[10] Бодрствование в космосе (НАСА): http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2001/ast04sep_1/

[11] Наричи Л., Бидоли В., Казолино М., Де Паскаль М. П. и др.(2004). Проекты ALTEA / ALTEINO: изучение функциональных эффектов микрогравитации и космического излучения. Adv Space Res 33 (8): 1352-7.

[12] Townsend LW (2005). Влияние космической радиационной среды на исследование человеком дальнего космоса. Radiat Prot Dosimetry 115 (1-4): 44-50.

[13] Chylack LT, Peterson LE, Feiveson AH, Wear ML, et al. (2009). Исследование НАСА катаракты у астронавтов (NASCA). Отчет 1: Поперечное исследование взаимосвязи воздействия космического излучения и риска помутнения хрусталика.Радиат Res 172 (1): 10-20.

[14] Цейтлин С., Хасслер Д.М., Кучинотта Ф.А., Эресманн Б. (2013). Измерения излучения энергичных частиц на пути к Марсу в Марсианской научной лаборатории. Science 340 (6136): 1080-1084.

[15] Оставаясь на Земле, делая шаг на Марс, Майкл Швирц. Нью Йорк Таймс. 30 марта 2009 г. http://www.nytimes.com/2009/03/31/science/space/31mars.html

Дополнительные ресурсы:

Race to Mars: известные эффекты длительных космических полетов на человеческое тело (Discovery Channel): http: // www.racetomars.ca/mars/article_effects.jsp

Керр Р.А. (2013). Радиация сделает полет космонавта на Марс еще более рискованным. Наука 340 (6136): 1031

Космический полет вреден для зрения космонавтов, показывают исследования (Space.com): http://www.space.com/14876-astronaut-spaceflight-vision-problems.html

Исследование показывает, что космические путешествия вредны для мозга и могут ускорить развитие болезни Альцгеймера (SpaceRef): http://spaceref.com/news/viewpr.html?pid=39650

Черри Дж. Д., Лю Б., Фрост Флорида, Лемер Калифорния и др.(2012). Галактическое космическое излучение приводит к когнитивным нарушениям и увеличению накопления чумы Aβ в мышиной модели болезни Альцгеймера. PLoS One 7 (12): e53275

Баккей JC. Space Physiology, New York: Oxford University Press, 2006. Печать.

Клеман Г. Основы космической медицины , Microcosm Press, Дордрехт; Бостон: Kluwer Academic, 2003. Печать.

Вакуум пуст, как межзвездное пространство

С первым запуском пучков в 2008 году Большой адронный коллайдер (LHC) стал самой большой действующей вакуумной системой в мире.Он работает при различных уровнях давления и использует впечатляющий набор вакуумных технологий.

Вакуумная система три в одном

LHC необычен тем, что он имеет три отдельных вакуумных системы: одну для балочных труб, одну для изоляции криогенно охлаждаемых магнитов и одну для изоляции линии распределения гелия.

Чтобы избежать столкновения с молекулами газа внутри ускорителя, пучки частиц в LHC должны перемещаться в вакууме, столь же пустом, как межзвездное пространство.В криомагнетиках и в линии распределения гелия вакуум служит другой цели. Здесь он действует как теплоизолятор, чтобы уменьшить количество тепла, которое просачивается из окружающей среды с комнатной температурой в криогенные части, температура которых поддерживается на уровне 1,9 К (-271,3 ° C).

Самая большая вакуумная система в мире

Имея в общей сложности 104 километра трубопроводов под вакуумом, вакуумная система LHC является одной из крупнейших в мире. Изолирующий вакуум, эквивалентный примерно 10 -6 мбар, состоит из впечатляющих 50 км трубопроводов с общим объемом 15 000 кубометров, которых более чем достаточно, чтобы заполнить неф собора.Для создания этой вакуумной системы потребовалось более 250 000 сварных швов и 18 000 вакуумных уплотнений. Остальные 54 км труб под вакуумом — это балочные трубы, по которым проходят два луча LHC. Давление в этих трубах составляет от 10 -10 до 10 -11 мбар, вакуум почти такой же разреженный, как на поверхности Луны. Вакуумные системы LHC оснащены 170 ионизационными датчиками Баярда-Альперта и 1084 датчиками Пирани и Пеннинга для контроля вакуумного давления.

Вакуум тоньше межзвездной пустоты

Сверхвысокий вакуум необходим для труб, по которым перемещаются пучки частиц. Сюда входят 48 км дуговых секций, выдерживаемых при температуре 1,9 К, и 6 км прямых участков, выдерживаемых при комнатной температуре, где расположены системы управления пучком и зоны ввода для экспериментов.

В дугах сверхвысокий вакуум поддерживается за счет криогенной откачки 9000 кубометров газа. Поскольку балочные трубы охлаждаются до чрезвычайно низких температур, газы конденсируются и адсорбируются на стенках балочной трубы.Чтобы снизить давление ниже 1,013 × 10 -10 мбар (или 10 -13 атмосфер), требуется прокачка чуть менее двух недель.

Две важные конструктивные особенности поддерживают сверхвысокий вакуум в секциях с комнатной температурой. Во-первых, в этих секциях широко используется неиспаряющееся «геттерное покрытие», разработанное и промышленное применение в ЦЕРНе, которое поглощает остаточные молекулы при нагревании. Покрытие представляет собой тонкую гильзу из сплава титан-цирконий-ванадий, нанесенную внутри балочных труб.Он действует как распределенная перекачивающая система, эффективная для удаления всех газов, кроме метана и благородных газов. Эти остаточные газы удаляются ионными насосами 780.

Во-вторых, секции, работающие при комнатной температуре, позволяют «отжиг» всех компонентов при 300 ° C. Отжиг — это процедура, при которой вакуумные камеры нагреваются снаружи для улучшения качества вакуума. Эту операцию необходимо выполнять через регулярные промежутки времени, чтобы поддерживать желаемое низкое давление.

Хотя эти технологии были разработаны для фундаментальных исследований, они нашли повседневное применение: например, технология сверхвысокого вакуума позволила значительно улучшить характеристики солнечных тепловых коллекторных панелей.

Вакуум

— Энциклопедия Нового Света

Инженер открывает большую вакуумную камеру

A вакуум — это объем пространства, в котором практически нет вещества, так что давление газа намного меньше стандартного атмосферного давления. Корень слова вакуум — это латинское прилагательное vacuus , что означает «пустой», но пространство никогда не может быть совершенно пустым. Идеальный вакуум с газовым давлением абсолютного нуля — это философская концепция, которая никогда не соблюдается на практике, и квантовая теория предсказывает, что ни один объем пространства не может быть совершенно пустым в этом смысле.Физики часто используют термин «вакуум» несколько иначе. Они обсуждают идеальные результаты испытаний, которые можно ожидать в идеальном вакууме, который они просто называют «вакуумом» или «свободным пространством», и они используют термин частичный вакуум для обозначения несовершенного вакуума, реализуемого на практике.

Качество вакуума измеряется тем, насколько он близок к идеальному. Давление остаточного газа является основным показателем качества и обычно измеряется в торр, даже в метрических единицах.Более низкие давления указывают на более высокое качество, хотя необходимо учитывать и другие переменные. Квантовая механика устанавливает пределы наилучшего качества вакуума. Космическое пространство — это естественный высококачественный вакуум, в большинстве случаев гораздо более высокого качества, чем то, что можно создать искусственно с помощью современных технологий. Низкокачественные искусственные пылесосы использовались для отсасывания на протяжении тысячелетий.

Вакуум был общей темой философских дебатов с древнегреческих времен, но эмпирически он не изучался до семнадцатого века.Экспериментальные методы были разработаны в соответствии с теориями Евангелисты Торричелли об атмосферном давлении. Вакуум стал ценным промышленным инструментом в двадцатом веке с появлением лампочки и вакуумной трубки, и с тех пор стал доступен широкий спектр вакуумных технологий. Недавнее развитие пилотируемых космических полетов вызвало интерес к влиянию вакуума на здоровье человека и формы жизни в целом.

Использует

Вакуум используется в различных процессах и устройствах.Его первое обычное использование было в лампах накаливания для защиты вольфрамовой нити от химического разложения. Его химическая инертность также полезна для электронно-лучевой сварки, химического осаждения из газовой фазы и сухого травления при производстве полупроводников и оптических покрытий, для холодной сварки и для вакуумной упаковки. Уменьшение конвекции улучшает теплоизоляцию термосов и стеклопакетов. Глубокий вакуум способствует дегазации, которая используется при сублимационной сушке, приготовлении клея, дистилляции, металлургии и продувке технологических процессов.Электрические свойства вакуума делают возможным создание электронных микроскопов и вакуумных трубок, в том числе электронно-лучевых трубок. Удаление воздушного трения полезно для аккумуляторов энергии маховика и ультрацентрифуг.

Всасывание используется в самых разных областях. Паровая машина Ньюкомена использовала вакуум вместо давления для приведения в движение поршня. В девятнадцатом веке вакуум использовался для тяги на экспериментальной атмосферной железной дороге Isambard Kingdom Brunel.

Космическое пространство

Космический вакуум на самом деле представляет собой разреженную плазму, наводненную заряженными частицами, электромагнитными полями и случайными звездами.

Большая часть космического пространства имеет плотность и давление почти идеального вакуума.Он практически не имеет трения, что позволяет звездам, планетам и лунам свободно перемещаться по идеальным гравитационным траекториям. Но ни один вакуум не идеален, даже в межзвездном пространстве, где есть несколько атомов водорода на кубический сантиметр при 10 фПа (10 −16 Торр). Глубокий космический вакуум может сделать его привлекательной средой для определенных процессов, например тех, которые требуют сверхчистой поверхности, но для небольших приложений гораздо проще создать эквивалентный вакуум на Земле, чем покинуть земной гравитационный колодец.

Звезды, планеты и луны удерживают свою атмосферу за счет гравитационного притяжения, поэтому у атмосферы нет четко очерченных границ. Плотность атмосферного газа просто уменьшается с удалением от объекта. На низкой околоземной орбите (высота около 300 километров) плотность атмосферы составляет около 100 нПа (10 -9 торр), что все еще достаточно, чтобы вызвать значительное сопротивление спутников. В этом регионе работает большинство искусственных спутников, и им необходимо запускать двигатели каждые несколько дней, чтобы поддерживать орбиту.

За пределами планетарных атмосфер давление фотонов и других частиц Солнца становится значительным. Космический корабль может быть поражен солнечным ветром, но планеты слишком массивны, чтобы на них повлиять. Идея использования этого ветра с солнечным парусом была предложена для межпланетных путешествий.

Вся наблюдаемая Вселенная заполнена большим количеством фотонов, так называемым космическим фоновым излучением, и, вполне вероятно, соответственно большим количеством нейтрино. Текущая температура этого излучения составляет около 3 К, или -270 градусов по Цельсию.

В 1913 году норвежский исследователь и физик Кристиан Биркеланд, возможно, был первым, кто предсказал, что космос не только плазма, но также содержит «темную материю». Он написал:

Кажется естественным следствием нашей точки зрения предположить, что все пространство заполнено электронами и летающими электрическими ионами всех видов. Мы предположили, что каждая звездная система в процессе эволюции выбрасывает в космос электрические корпускулы. Поэтому не кажется необоснованным думать, что большая часть материальных масс Вселенной находится не в солнечных системах или туманностях, а в «пустом» пространстве. [1]

Воздействие на человека и животных

Вакуум в первую очередь удушает. Люди, подвергшиеся воздействию вакуума, теряют сознание через несколько секунд и умирают в течение нескольких минут, но симптомы не так наглядны, как обычно демонстрируют в поп-культуре. Роберт Бойль (1627–1691) был первым, кто показал, что вакуум смертелен для мелких животных. Кровь и другие биологические жидкости действительно закипают (медицинский термин для этого состояния известен как эбулизм), и можно ожидать, что давление пара приведет к раздуванию тела в два раза по сравнению с нормальным размером и замедлению кровообращения, но ткани эластичны и достаточно пористы, чтобы предотвратить разрыв .Эбулизм замедляется давлением в кровеносных сосудах, поэтому часть крови остается жидкой. [2] [3] Вздутие живота и эбуллизм можно уменьшить, поместив его в летный костюм. Астронавты космических челноков носят эластичную эластичную одежду, которая называется защитным костюмом для экипажа на высоте (CAPS), которая предотвращает эбуллизм при вакууме 15 торр (2 кПа). [4] Однако, даже если эбуллизм предотвратить, простое испарение может вызвать изгибы и газовую эмболию. Охлаждение кожи при быстром испарении вызывает обледенение, особенно во рту, но это не представляет серьезной опасности.

Эксперименты на животных показывают, что быстрое полное выздоровление является нормой при воздействии менее 90 секунд, в то время как более длительное воздействие на все тело приводит к летальному исходу, а реанимация ни разу не увенчалась успехом. [5] Имеются ограниченные данные о человеческих авариях, но они согласуются с данными о животных. Конечности могут быть открыты гораздо дольше, если не нарушено дыхание. Быстрая декомпрессия может быть намного опаснее воздействия вакуума. Если пострадавший задерживает дыхание во время декомпрессии, хрупкие внутренние структуры легких могут быть разорваны, что приведет к смерти.Барабанные перепонки могут быть разорваны при быстрой декомпрессии, мягкие ткани могут образовывать синяки и просачиваться кровь, а стресс от неожиданности ускоряет потребление кислорода, что приводит к удушью. [6]

Во время Второй мировой войны нацистский режим подвергал заключенных концентрационных лагерей пыткам, подвергая их симуляции высокогорных условий в экспериментах, проводимых над заключенными.

Некоторые экстремофильные микроорганизмы могут выжить в вакууме в течение нескольких лет, как и тихоходки.

Историческая интерпретация

Исторически сложилось так, что существует много споров о том, может ли существовать такая вещь, как вакуум.Древнегреческие философы не любили признавать существование вакуума, спрашивая себя: «Как« ничто »может быть чем-то?» Платон (427–347, до н. Э., ) считал идею вакуума немыслимой. Он считал, что все физические вещи являются экземплярами абстрактного платоновского идеала, и не мог представить себе «идеальную» форму вакуума. Точно так же Аристотель (384-322, до н.э., ) считал создание вакуума невозможным — ничто не может быть чем-то. Позже греческие философы считали, что вакуум может существовать вне космоса, но не внутри него.Исламский философ Аль-Фараби (850-970, до н.э., до н.э.), по-видимому, провел первые зарегистрированные эксперименты относительно существования вакуума, с помощью которых он исследовал ручные поршни в воде. [7] [8]

Ртутный барометр Торричелли произвел первый устойчивый вакуум в лаборатории.

В средние века некоторые христиане считали идею вакуума аморальной или даже еретической. Отсутствие чего-либо означало отсутствие Бога и возвращало нас к пустоте до истории создания в книге Бытия.Средневековые мысленные эксперименты с идеей вакуума рассматривали, присутствует ли вакуум, хотя бы на мгновение, между двумя плоскими пластинами, когда они быстро разделяются. Было много споров о том, достаточно ли быстро вошел воздух, когда пластины были разделены, или, вслед за Уолтером Берли, «небесный агент» предотвратил возникновение вакуума, то есть ненавидит ли природа вакуум. Это предположение было опровергнуто парижским осуждением в 1277 году епископа Этьена Темпье, который требовал отсутствия ограничений на полномочия Бога, что привело к выводу, что Бог может создать вакуум, если он того пожелает. [9]

Трубка Крукса, которая использовалась для обнаружения и изучения катодных лучей, была эволюцией трубки Гейсслера.

Оппозиция идеи вакуума, существующего в природе, продолжилась в период Научной революции, когда такие ученые, как Паоло Казати, заняли анти-вакуумистскую позицию. Следуя работе Галилея, Евангелиста Торричелли в 1643 году утверждал, что в верхней части ртутного барометра есть вакуум. В 1654 году Отто фон Герике провел свой знаменитый эксперимент с магдебургскими полушариями, показав, что упряжки лошадей не могут разделить два полушария, из которых был удален воздух.Затем изучение вакуума прекратилось до 1855 года, когда Генрих Гайсслер изобрел ртутный поршневой насос и достиг рекордного вакуума около 10 Па (0,1 Торр). На этом уровне вакуума можно наблюдать ряд электрических свойств, что привело к созданию вакуумной трубки.

В семнадцатом веке теории природы света требовали идеи эфирной среды, которая была бы средой для передачи световых волн (Исаак Ньютон использовал эту идею для объяснения преломления и излучаемого тепла).Это превратилось в светоносный эфир девятнадцатого века, но, как было известно, эта идея имела существенные недостатки — в частности, если Земля движется через материальную среду, среда должна быть как чрезвычайно разреженной (поскольку замедление Земли заметно не замедляется). на своей орбите) и чрезвычайно жесткий (потому что колебания распространяются так быстро). Ранние физики предположили, что этот эфир переносит световые волны и является «эфиром, заполняющим межзвездное пространство». [10] В статье 1891 года Уильяма Крукса отмечалось: «[высвобождение] окклюдированных газов в космический вакуум» [11] .Даже до 1912 года астроном Генри Пикеринг прокомментировал: «Хотя межзвездной поглощающей средой может быть просто эфир, [это] характерно для газа, и свободные газовые молекулы, безусловно, там присутствуют». [12]

В 1887 году эксперимент Майкельсона-Морли, в котором использовался интерферометр для обнаружения изменения скорости света, вызванного движением Земли относительно эфира, был известным нулевым результатом, показывающим, что действительно не была статической, проникающей средой во всем космосе, через которую Земля двигалась, как будто через ветер.Хотя тогда нет эфира и такая сущность не требуется для распространения света, пространство между звездами не является полностью пустым. Помимо различных частиц, составляющих космическое излучение, существует космический фон фотонного излучения (света), включая тепловой фон при температуре около 2,7 К, который рассматривается как пережиток так называемого Большого взрыва. Ни одно из этих присутствий в какой-либо значительной степени не влияет на результат эксперимента Майкельсона-Морли.

Альберт Эйнштейн (1879-1955) утверждал, что физические объекты не расположены в пространстве, а имеют пространственную протяженность.С этой точки зрения концепция пустого пространства теряет смысл. Скорее, пространство — это абстракция, основанная на отношениях между локальными объектами. Тем не менее общая теория относительности допускает всепроникающее гравитационное поле, которое, по словам самого Эйнштейна [13] , можно рассматривать как «эфир», свойства которого меняются от одного места к другому. Только нужно позаботиться о том, чтобы не приписывать ему такие материальные свойства, как скорость и так далее.

В 1930 году Поль Дирак предложил модель вакуума как бесконечного моря частиц, обладающих отрицательной энергией, названного морем Дирака.Эта теория помогла уточнить предсказания сформулированного им ранее уравнения Дирака и успешно предсказала существование позитрона, который был открыт двумя годами позже, в 1932 году. Несмотря на этот ранний успех, от идеи вскоре отказались в пользу более элегантной квантовой теории поля.

Развитие квантовой механики усложнило современную интерпретацию вакуума, потребовав неопределенности. Принцип неопределенности Нильса Бора (1885-1962) и Вернера Гейзенберга и копенгагенская интерпретация, сформулированные в 1927 году, предсказывают фундаментальную неопределенность в положении любой частицы, которая, в отличие от гравитационного поля, ставит под сомнение пустоту пространства между частицами.В конце двадцатого века этот принцип понимался также как предсказывающий фундаментальную неопределенность в количестве частиц в области пространства, что означает, что нельзя с абсолютной уверенностью утверждать, что определенная область пространства содержит ноль частиц. По иронии судьбы Платон был прав, хотя бы случайно.

Квантово-механическое определение

Даже идеальный вакуум на практике — о котором думают как о полном отсутствии чего-либо — не останется пустым. Одна из причин заключается в том, что стенки вакуумной камеры излучают свет в виде излучения черного тела: видимый свет, если они имеют температуру в тысячи градусов, инфракрасный свет, если они холоднее.Если этот суп из фотонов находится в термодинамическом равновесии со стенками, можно сказать, что он имеет определенную температуру, а также давление. Другой причиной невозможности создания идеального вакуума является принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому ни одна частица не может иметь точное положение. Каждый атом существует как функция вероятности пространства, которая имеет определенное ненулевое значение везде в данном объеме. Даже пространство между молекулами не является идеальным вакуумом.

Говоря более фундаментально, квантовая механика предсказывает, что энергия вакуума никогда не может быть точно равна нулю.Наинизшее возможное энергетическое состояние называется нулевой энергией и состоит из бурлящей массы виртуальных частиц, которые существуют недолго. Это называется колебанием вакуума. Хотя большинство согласны с тем, что это представляет собой значительную часть физики элементарных частиц, эта концепция выиграет от более глубокого понимания, чем это доступно в настоящее время. Флуктуации вакуума также могут быть связаны с так называемой космологической постоянной в теории гравитации, если действительно эта сущность наблюдалась в природе в макроскопическом масштабе.Лучшее свидетельство флуктуаций вакуума — эффект Казимира и лэмбовский сдвиг. [9]

В квантовой теории поля и теории струн термин «вакуум» используется для обозначения состояния с минимально возможной энергией. В свободных (невзаимодействующих) квантовых теориях поля это состояние аналогично основному состоянию квантового гармонического осциллятора. Если теория получена путем квантования классической теории, каждая стационарная точка энергии в конфигурационном пространстве порождает единственный вакуум.Считается, что теория струн аналогична квантовой теории поля, но с огромным количеством вакуума — с так называемым антропным ландшафтом.

Насос

Ручной водяной насос забирает воду из колодца, создавая вакуум, который вода устремляется, чтобы заполнить. В некотором смысле он действует для вакуумирования скважины, хотя высокая скорость утечки грязи не позволяет поддерживать высокое качество вакуума в течение любого периода времени.

Жидкости нельзя вытягивать, поэтому создать вакуум всасыванием технически невозможно.Всасывание — это движение жидкости в вакуум под действием более высокого внешнего давления, но сначала необходимо создать вакуум. Самый простой способ создать искусственный вакуум — увеличить объем емкости. Например, мышца диафрагмы расширяет грудную полость, что приводит к увеличению объема легких. Это расширение снижает давление и создает частичный вакуум, который вскоре заполняется воздухом, нагнетаемым атмосферным давлением.

Для продолжения вакуумирования камеры бесконечно без необходимости бесконечного роста, отсек вакуума можно многократно закрывать, откачивать и снова расширять.Это принцип, лежащий в основе поршневых насосов прямого вытеснения, таких как, например, ручной водяной насос. Внутри насоса механизм расширяет небольшую герметичную полость для создания глубокого вакуума. Из-за разницы давлений некоторая жидкость из камеры (или скважины в нашем примере) выталкивается в небольшую полость насоса. Затем полость насоса изолируется от камеры, открывается в атмосферу и снова сжимается до минимального размера.

Вид в разрезе турбомолекулярного насоса, насоса для передачи импульса, используемого для достижения высокого вакуума.

Было разработано множество вариантов поршневого насоса, и многие другие конструкции насосов основаны на принципиально иных принципах.Насосы для перекачки импульса, которые имеют некоторое сходство с динамическими насосами, используемыми при более высоких давлениях, могут создавать вакуум гораздо более высокого качества, чем насосы прямого вытеснения. Улавливающие насосы могут улавливать газы в твердом или абсорбированном состоянии, часто без движущихся частей, уплотнений и вибрации. Ни один из этих насосов не является универсальным; у каждого типа есть важные ограничения производительности. Всем им сложно перекачивать газы с низким молекулярным весом, особенно водород, гелий и неон.

Самое низкое давление, которое может быть достигнуто в системе, также зависит от многих факторов, помимо природы насосов.Несколько насосов могут быть подключены последовательно, называемые ступенями, для достижения более высокого вакуума. Выбор уплотнений, геометрии камеры, материалов и процедур откачки будет иметь значение. В совокупности они называются вакуумная техника . И иногда конечное давление — не единственная важная характеристика. Насосные системы отличаются загрязнением маслом, вибрацией, предпочтительной откачкой определенных газов, скоростями откачки, прерывистым рабочим циклом, надежностью или устойчивостью к высокой скорости утечки.

В системах сверхвысокого вакуума необходимо учитывать некоторые очень странные пути утечки и источники выделения газа, а некоторые масла и смазки будут выкипать в экстремальном вакууме. Возможно, придется учитывать пористость металлических стенок камеры.

Самое низкое давление, достижимое в настоящее время в лаборатории, составляет около 10 -13 Торр. [14]

Удаление газа

Испарение и возгонка в вакуум называется дегазированием. Все твердые и жидкие вещества имеют небольшое давление пара, и их дегазация становится важной, когда давление в их окружающей среде падает ниже этого давления пара.В искусственных системах выделение газа имеет тот же эффект, что и утечка, и может ограничить достижимый вакуум. Продукты, выделяющие газ, могут конденсироваться на близлежащих более холодных поверхностях, что может вызвать проблемы, если они закрывают оптические инструменты или вступают в реакцию с другими материалами. Это очень важно для космических миссий, когда закрытый телескоп или солнечная батарея могут испортить дорогостоящую миссию.

Наиболее распространенным продуктом дегазации в искусственных вакуумных системах является поглощение воды материалами камеры. Его можно уменьшить путем осушения или запекания камеры и удаления абсорбирующих материалов.Выделяющаяся вода может конденсироваться в масле пластинчато-роторных насосов и резко снижать их чистую скорость, если не используется газовый балласт. Системы высокого вакуума должны быть чистыми и не содержать органических веществ, чтобы свести к минимуму выделение газа.

Системы сверхвысокого вакуума обычно запекаются, предпочтительно под вакуумом, для временного повышения давления паров всех газообразующих материалов в системе и их выпаривания. После того, как основная масса материалов, выделяющих газ, испаряется и откачивается, система может быть охлаждена для снижения давления пара и минимизации остаточного выделения газа во время реальной работы.Некоторые системы охлаждаются жидким азотом значительно ниже комнатной температуры, чтобы отключить остаточное газовыделение и одновременно крионасосить систему.

Качество

Качество вакуума определяется количеством вещества, оставшегося в системе. Вакуум в первую очередь измеряется его абсолютным давлением, но для полной характеристики требуются дополнительные параметры, такие как температура и химический состав. Одним из наиболее важных параметров является средняя длина свободного пробега (MFP) остаточных газов, которая указывает среднее расстояние, которое молекулы пройдут между столкновениями друг с другом.По мере уменьшения плотности газа MFP увеличивается, и когда MFP длиннее, чем камера, насос, космический корабль или другие присутствующие объекты, предположения континуума механики жидкости не применяются. Это состояние вакуума называется высокий вакуум , а исследование потоков жидкости в этом режиме называется газовой динамикой частиц. MFP воздуха при атмосферном давлении очень короткий, 70 нанометров, но при 100 мПа (~ 1 × 10 -3 Торр) MFP воздуха комнатной температуры составляет примерно 100 миллиметров, что примерно соответствует обычным объектам, таким как вакуумные трубки.Радиометр Крукса поворачивается, когда размер MFP превышает размер лопастей.

Глубокий космос обычно намного более пуст, чем любой искусственный вакуум, который может быть создан в лаборатории, хотя многие лаборатории могут достичь более низкого вакуума, чем на низкой околоземной орбите. В межпланетном и межзвездном пространстве изотропное давление газа незначительно по сравнению с солнечным давлением, солнечным ветром и динамическим давлением, поэтому определение давления становится трудно интерпретировать. Астрофизики предпочитают использовать числовую плотность для описания этих сред в единицах частиц на кубический сантиметр.Средняя плотность межзвездного газа составляет около одного атома на кубический сантиметр. [15]

Качество вакуума подразделяется на диапазоны в соответствии с технологией, необходимой для его достижения или измерения. У этих диапазонов нет общепринятых определений (отсюда и пробелы ниже), но типичное распределение выглядит следующим образом: [16] [17]

Атмосферное давление 760 торр 101 кПа
Низкий вакуум от 760 до 25 торр от 100 до 3 кПа
Средний вакуум от 25 до 1 × 10 -3 Торр от 3 кПа до 100 МПа
Высокий вакуум 1 × 10 -3 до 1 × 10 -9 Торр от 100 мПа до 1 мкПа
Сверхвысокий вакуум 1 × 10 -9 до 1 × 10 -12 Торр от 100 нПа до 100 пПа
Чрезвычайно высокий вакуум <1 × 10 -12 Торр <100 пПа
Космическое пространство 1 × 10 -6 до <3 × 10 -17 Торр от 100 мкПа до <3фПа
Идеальный вакуум 0 торр 0 Па
  • Атмосферное давление переменное, но стандартизованное на 101.325 кПа (760 торр)
  • Низкий вакуум , также называемый грубым вакуумом или грубым вакуумом , представляет собой вакуум, который может быть получен или измерен с помощью элементарного оборудования, такого как пылесос и манометр столба жидкости.
  • Средний вакуум — это вакуум, которого можно достичь с помощью одного насоса, но он слишком низкий для измерения жидкостным или механическим манометром. Его можно измерить с помощью датчика Маклеода, термометра или емкостного датчика.
  • Высокий вакуум — это вакуум, при котором MFP остаточных газов превышает размер камеры или тестируемого объекта.Высокий вакуум обычно требует многоступенчатой ​​откачки и измерения ионным манометром. В некоторых текстах проводится различие между высоким вакуумом и очень высоким вакуумом .
  • Сверхвысокий вакуум требует запекания камеры для удаления газовых примесей и других специальных процедур.
  • Глубокий космос обычно намного более пуст, чем любой искусственный вакуум, который мы можем создать.
  • Идеальный вакуум — идеальное состояние, которое невозможно получить ни в лаборатории, ни даже в космосе.

Примеры

Пылесос примерно 80 кПа (600 торр)
жидкостный кольцевой вакуумный насос примерно 3,2 кПа (24 торр)
сублимационная сушка от 100 до 10 Па (от 1 до 0,1 торр)
пластинчато-роторный насос от 100 Па до 100 МПа (от 1 торр до 10 -3 торр)
Лампа накаливания от 10 до 1 Па (0.От 1 до 0,01 торр)
Термос-бутылка от 1 до 0,1 Па (от 10 −2 до 10 −3 Торр)
Около Земли космическое пространство примерно 100 мкПа (10 −6 торр)
Камера MBE с крионасосом от 100 нПа до 1 нПа (от 10 −9 Торр до 10 −11 Торр)
Давление на Луне примерно 1 нПа (10 −11 Торр)
Межзвездное пространство примерно 1 фПа (10 −17 торр)

Измерение

Вакуум измеряется в единицах давления.Единицей давления в системе СИ является паскаль (аббревиатура Па), но вакуум обычно измеряется в торрах. Торр равен смещению миллиметра ртутного столба (мм рт. Ст.) В манометре, при этом 1 торр равен 133,3223684 паскаля выше абсолютного нулевого давления. Вакуум часто также измеряется с помощью микрометров ртути, барометрической шкалы или в процентах от атмосферного давления в барах или атмосферах. Низкий вакуум часто измеряется в дюймах ртутного столба (дюймах ртутного столба) ниже атмосферного. «Ниже атмосферного» означает, что абсолютное давление равно атмосферному давлению (29.92 дюйма ртутного столба) минус давление вакуума в дюймах ртутного столба. Таким образом, вакуум 26 дюймов ртутного столба эквивалентен абсолютному давлению (29,92-26) или 4 дюйма ртутного столба.

Стеклянный датчик Маклеода, очищенный от ртути

Многие устройства используются для измерения давления в вакууме, в зависимости от того, какой диапазон вакуума необходим. [18]

Гидростатические датчики (такие как манометр с ртутным столбиком) состоят из вертикального столба жидкости в трубке, концы которой подвергаются различным давлениям.Колонка будет подниматься или опускаться до тех пор, пока ее вес не уравновесится с перепадом давления между двумя концами трубы. Самая простая конструкция представляет собой U-образную трубку с закрытым концом, одна сторона которой соединяется с интересующей областью. Можно использовать любую жидкость, но ртуть предпочтительнее из-за ее высокой плотности и низкого давления пара. Простые гидростатические манометры могут измерять давление в диапазоне от 1 торр (100 Па) до атмосферного. Важным вариантом является датчик Маклеода, который выделяет известный объем вакуума и сжимает его, чтобы умножить изменение высоты столба жидкости.Манометр МакЛеода может измерять вакуум до 10 −6 торр (0,1 МПа), что является самым низким прямым измерением давления, которое возможно при использовании современных технологий. Другие вакуумметры могут измерять более низкие давления, но только косвенно, путем измерения других свойств, контролируемых давлением. Эти косвенные измерения должны быть откалиброваны в единицах СИ с помощью прямого измерения, чаще всего с помощью прибора МакЛеода. [19]

Механические или эластичные манометры зависят от трубки Бурдона, диафрагмы или капсулы, обычно сделанной из металла, которая будет изменять форму в ответ на давление в рассматриваемой области.Вариантом этой идеи является емкостной манометр , в котором диафрагма составляет часть конденсатора. Изменение давления приводит к изгибу диафрагмы, что приводит к изменению емкости. Эти датчики эффективны от 10 −3 торр до 10 −4 торр.

Датчики теплопроводности основаны на том факте, что способность газа проводить тепло уменьшается с увеличением давления. В этом типе калибра проволочная нить нагревается за счет пропускания через нее тока.Затем можно использовать термопару или резистивный датчик температуры (RTD) для измерения температуры нити накала. Эта температура зависит от скорости, с которой нить отдает тепло окружающему газу, и, следовательно, от теплопроводности. Распространенным вариантом является датчик Пирани, в котором в качестве нагревательного элемента и RTD используется одна платиновая нить накала. Эти датчики имеют точность от 10 до 10 −3 торр, но они чувствительны к химическому составу измеряемых газов.

Ионные датчики используются в сверхвысоком вакууме. Они бывают двух типов: с горячим катодом и с холодным катодом. В версии с горячим катодом электрически нагреваемая нить накала создает электронный луч. Электроны проходят через датчик и ионизируют молекулы газа вокруг себя. Образовавшиеся ионы собираются на отрицательном электроде. Сила тока зависит от количества ионов, которое зависит от давления в манометре. Манометры с горячим катодом имеют точность от 10 −3 торр до 10 −10 торр.Принцип, лежащий в основе версии с холодным катодом, тот же, за исключением того, что электроны образуются в разряде, создаваемом электрическим разрядом высокого напряжения. Манометры с холодным катодом имеют точность от 10 −2 торр до 10 −9 торр. Калибровка ионизационного датчика очень чувствительна к геометрии конструкции, химическому составу измеряемых газов, коррозии и поверхностным отложениям. Их калибровка может быть аннулирована активацией при атмосферном давлении или низком вакууме. Состав газов при высоком вакууме обычно непредсказуем, поэтому для точных измерений необходимо использовать масс-спектрометр вместе с ионизационным датчиком. [20]

Недвижимость

Многие свойства пространства приближаются к ненулевым значениям в вакууме, который приближается к совершенству. Эти идеальные физические константы часто называют константами «свободного пространства». Вот некоторые из наиболее распространенных:

  • Скорость света приближается к 299 792 458 м / с, но всегда меньше.
  • Показатель преломления приближается к 1,0, но всегда выше.
  • Электрическая проницаемость (ε0 {\ displaystyle \ varepsilon _ {0}}) приближается к 8.8541878176×10 -12 фарад на метр (Ф / м).
  • Магнитная проницаемость (μ 0 ) приближается к 4π × 10 −7 НЕТ 2 .
  • Характеристическое сопротивление (Z0 {\ displaystyle Z_ {0}}) приближается к 376,73 Ом.

Альтернативные значения слова «вакуум»

Термин «вакуум» может относиться к:

  • отсутствие материи
  • всасывание
  • свободное пространство, концепция электромагнитной теории, соответствующая теоретическому « идеальный вакуум »
  • пылесос, бытовая техника
  • вакуумный коллектор, также называемый вакуумом двигателя

Примечания

  1. (1913) «Полярные магнитные явления и эксперименты с Терреллой», Норвежская экспедиция «Полярное сияние» 1902-1903 гг. , 720.
  2. Биллингс, Чарльз Э. (1973). «Барометрическое давление», под редакцией Джеймса Ф. Паркера и Виты Р. Уэст: Книга данных по биоастронавтике , 2-е изд., НАСА. НАСА SP-3006.
  3. ↑ Воздействие вакуума на человека. Проверено 10 июля 2007 года.
  4. Уэбб П. (1968). Костюм для космической деятельности: эластичный купальник для работы в открытом космосе. Аэрокосмическая медицина 39: 376–383.
  5. ↑ Дж. П. Кук и Р. У. Бэнкрофт, «Некоторые сердечно-сосудистые реакции у анестезированных собак во время повторных декомпрессий в условиях почти вакуума» Aerospace Medicine 37 (1966): 1148–1152.
  6. ↑ Чарник, Тамарак Р. Эбулизм на высоте 1 миллиона футов: выживание при быстрой / взрывной декомпрессии. Проверено 10 июля 2007 года.
  7. Захур. История мусульман .
  8. ↑ «Арабская и исламская естественная философия и естествознание», Стэнфордская энциклопедия философии. Проверено 10 июля 2007 года.
  9. 9,0 9,1 Барроу, Джон Д. (2000). Книга ничего: пустоты, пустоты и последние идеи о происхождении Вселенной , 1-е американское изд., Нью-Йорк: Книги Пантеона. ISBN 0099288451.
  10. ↑ Р. Х. Паттерсон, Ess. Hist. & Art 10 (1862).
  11. ↑ Уильям Крукс, «Химический вестник», Химические новости и журнал промышленной науки (1932).
  12. ↑ У. Х. Пикеринг (1912), «Движение Солнечной системы относительно межзвездной поглощающей среды», Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества 72: 740.
  13. ↑ Альберт Эйнштейн, Naturwissenschaften 6: 697-702.
  14. Ишимару, Х (1989). Предельное давление порядка 10 -13 Торр в вакуумной камере из алюминиевого сплава. J. Vac. Sci. Technol. 7 (3-II): 2439–2442.
  15. ↑ Экспериментальная группа космической плазмы Университета Нью-Гэмпшира. Что такое межзвездная среда. Межзвездная среда, онлайн-учебник . Проверено 10 июля 2007 года.
  16. ↑ Американское вакуумное общество. Глоссарий. Справочное руководство AVS . Проверено 10 июля 2007 года.
  17. ↑ Национальная физическая лаборатория, Великобритания. FAQ по давлению и вакууму. Проверено 10 июля 2007 года.
  18. ↑ Джон Х. Мур, Кристофер Дэвис, Майкл А. Коплан и Сандра Грир, Building Scientific Apparatus (Боулдер, Колорадо: Westview Press, 2002, ISBN 0813340071).
  19. Беквит, Томас Г., Рой Д. Марангони и Джон Х. Линхард V (1993). «Измерение низких давлений», Mechanical Measurements , 5-е изд., Ридинг, Массачусетс: Аддисон-Уэсли, 591-595.ISBN 0201569477.
  20. «Вакуумная техника». Физическая энциклопедия (3-е изд.): Стр. 1278-1284. (1990). Эд. Роберт М. Безансон. Нью-Йорк: Ван Ностранд Рейнхольд. ISBN 0442005229.

Список литературы

  • Барроу, Джон Д. 2002. Книга из ничего: пустоты, пустоты и последние идеи о происхождении Вселенной , 1-е изд. Нью-Йорк: Книги Пантеона. ISBN 0099288451
  • Beckwith, Thomas G., et.al. 1993. Механические измерения , 5-е изд. Прентис Холл. ISBN 0201569477
  • Безансон, Роберт М. 1990. Физическая энциклопедия , 1-е изд. Springer. ISBN 0442005229
  • Чарник, Тамарак Р. 1999. Эбулизм на высоте 1 миллиона футов: выживание при быстрой / открытой декомпрессии.
  • Лэндис, Джеффри А. 2001. Воздействие вакуума на человека.
  • Мур, Джон Х. и др. al. 2002. Строительство научного оборудования , 3-е изд. Westview Press. ISBN 0813340063
  • Группа экспериментальной космической плазмы Университета Нью-Гэмпшира.Что такое межзвездная среда? Межзвездная среда, онлайн-учебник .

Кредиты

Энциклопедия Нового Света Писатели и редакторы переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов Энциклопедии Нового Света, и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа.Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

как тепло распространяется в космосе, если космос — это вакуум?

CC BY-ND

Любопытные дети — это серия сериала «Разговор», который дает детям всех возрастов возможность получить ответы на свои вопросы об окружающем мире от экспертов.Все вопросы приветствуются: вы или взрослый можете отправить их — вместе со своим именем, возрастом и городом или городом, в котором вы живете — на [email protected] Мы не сможем ответить на все вопросы, но сделаем все, что в наших силах.


Как тепло распространяется в космосе, если космос — это вакуум? — Катерина, десять лет, Норвич, Великобритания.

Какой отличный вопрос!

Прежде всего, чтобы понять, что такое тепло, вам нужно знать, что все, что вы можете потрогать или увидеть, состоит из крошечных строительных блоков, называемых атомами.Атомы настолько малы, что вы даже не можете их увидеть (за исключением очень специального оборудования), но они составляют всю материю Вселенной.

Если что-то горячее, это означает, что его атомы обладают большим количеством энергии и подпрыгивают. Если что-то холодное, у его атомов гораздо меньше энергии, и они остаются неподвижными.

Это правда, что космос — это вакуум, а это значит, что вокруг не так много материи. Однако космос — не идеальный вакуум. Даже если мы проигнорируем такие большие вещи, как звезды, планеты и кометы, космос не будет полностью пустым.

Фактически, Солнце постоянно выдувает материю, известную как солнечный ветер, в нашу солнечную систему. Это одна из причин прекрасного светового эффекта, который мы называем полярным сиянием.


Подробнее: Любопытные дети: что вызывает северное сияние?


Но солнечный ветер не очень плотный — в нем гораздо меньше атомов, чем, например, в воздухе. Это означает, что он не может переносить в себе много тепла и поэтому не может объяснить, как тепло от Солнца достигает Земли.

Существует три способа распределения тепла: теплопроводность, конвекция и излучение. Давайте по очереди подумаем о каждом из них, чтобы выяснить, какой из них позволяет теплу перемещаться в космосе.

Проводимость

Проводимость — это то, что ученые называют передачей тепла при прикосновении. Если прикоснуться к чему-то теплому, тепло перейдет от этого к вам. Если прикоснуться к чему-то холодному, тепло перейдет от вас к нему.

Некоторые материалы, например металлы, являются хорошими проводниками. Другие материалы, такие как стекло, являются плохими проводниками и называются изоляторами.

Тепло также можно проводить в несколько этапов. Например, если вы держите металлическую ложку в кружке горячего чая, тепло будет передаваться от чая к ложке, а затем от ложки к вашей руке.

От чая тебе. Rawpixel / Unsplash., FAL

Но мы не касаемся солнца (и это тоже хорошо — температура его поверхности превышает 5000 ° C!), А космос — это вакуум, поэтому нет ничего, что могло бы действовать как ложка и проводить тепло.Так что мы можем исключить проводимость.

Конвекция

Конвекция — это передача тепла через поток жидкости. И жидкости, и газы могут выделять тепло. Атомы будут уходить из горячих регионов в более прохладные, унося с собой тепло и энергию.

Если вы когда-либо были в ванне, которая начала остывать, а затем открыли кран с горячей водой, вы почувствуете, как горячая вода выходит из крана дальше в ванну.

Горячие атомы затем будут сталкиваться с более холодными атомами, разделяя свое тепло за счет теплопроводности, пока температура ванны не станет равномерной.

Но поскольку космос — это вакуум, нет жидкостей или газов, которые отводили бы тепло от Солнца до Земли. Таким образом, мы можем исключить конвекцию.

Радиация

Горячие тела материи, такие как солнце, и даже наши собственные человеческие тела, излучают тепло. Когда атомы вещества движутся и вибрируют, они испускают или «излучают» электромагнитную энергию — это называется «тепловым излучением».

Электромагнитная энергия бывает разных типов — некоторые из них мы можем видеть: они составляют радугу «видимого света».Существуют и другие типы, которые мы не видим, например, инфракрасная энергия, излучаемая нашими горячими телами, и микроволновая энергия, которую мы используем для приготовления пищи.

Тепловизионная камера позволяет вам «видеть» тепло, улавливая тепловое излучение. Shutterstock.

В отличие от теплопроводности и конвекции, излучению не требуется материя для передачи тепла. Энергия излучается солнцем через космический вакуум со скоростью света. Когда эта энергия достигает Земли, часть ее передается газам в нашей атмосфере.

Некоторые из них проходят и нагревают атомы на поверхности земли. Некоторые даже впитываются вашей кожей.

Земля впитывает энергию солнечного излучения, и это также заставляет ее излучать тепло.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *