Космос! Это слово еще совсем недавно было понятно только узкому кругу специалистов. А теперь оно вошло в нашу разговорную речь. Мы часто слышим, как говорят другие, да и сами говорим: «Мы живем в век космоса». Наверное, многие из вас мечтают стать космонавтами. А все ли знают, что такое космос?
Некоторые думают, космос - это только романтика. Да, это романтика, но суровая, где любая ошибка и небрежность жестоко караются. Находясь под надежным покровом земной атмосферы, мы не испытываем на себе смертельного действия факторов космического пространства. Летом, под лучами горячего Солнца мы загораем, купаемся в теплых водах морей и рек. Зимой Солнце меньше греет Землю, однако, одевшись потеплее, по-зимнему, мы спокойно ходим по улицам. Ну а что было бы, если бы Земля вдруг лишилась своей воздушной оболочки и космос начинался не где-то в 200 км от поверхности Земли, а непосредственно у ее поверхности? Климат на Земле резко бы изменился. Зима и лето стали бы сменять друг друга каждый день. Ночь представляла бы собою зиму с температурой на поверхности почвы -100 ... -120°С, а днем, с восходом Солнца, на Земле устанавливалось бы лето с температурой порядка 200°С.
Почему же происходило бы столь резкое изменение температуры на Земле в течение всего лишь одних суток?
Известно, что Солнце излучает в окружающее пространство колоссальное количество энергии, выделяющейся при происходящих в его толще термоядерных реакциях. Расчеты показывают, что каждый квадратный метр площади земной поверхности, перпендикулярной к направлению солнечных лучей, ежесекундно получал бы 0,33 ккал лучистой энергии.
Много ли это? Будем считать, что в сутки в среднем Солнце освещает любой участок земной поверхности в течение 6 ч так, что его лучи бывают почти перпендикулярны к рассматриваемой поверхности. При этих условиях каждый квадратный метр поверхности Земли будет получать от Солнца 28500 ккал энергии в сутки. Этого количества энергии хватит для того, чтобы вскипятить 360 л воды, взятой при 20°С. Но ведь такое количество энергии Солнце доставляет всего лишь на 1 м² земной поверхности, а вся площадь земного шара равна = 532 х 10¹² м². Следовательно, всего Земля могла бы получать за сутки 4 х 10¹⁸ ккал энергии. Куда бы пошла эта энергия? На нагревание почвы. Почва нагревалась бы до очень высокой температуры.
Воздушная оболочка Земли, изолирующая нас от космического пространства, предохраняет Землю от перегрева. Большую часть теплового потока воздушная оболочка отражает обратно в космическое пространство.
Но вот день закончился, раскаленный солнечный шар скрылся за горизонтом, и он уже не посылает своих горячих лучей на неосвещенную поверхность Земли. Теперь сама Земля становится источником излучения энергии в окружающее ее пространство. Если бы не было воздушной оболочки, поверхность Земли быстро остыла до очень низкой температуры. Воздушная атмосфера не только препятствует поступлению излишней энергии от Солнца на Землю, но и ставит барьер для нерационального расходования энергии, накопленной Землей.
Таким образом, природа создала весьма совершенный и эффективный регулятор температуры на Земле в виде воздушной оболочки. А в космическом пространстве нет воздуха, практически нет и других газов, которые могли бы играть ту же роль, что и воздух на Земле. Значит, жизнь в космосе невозможна - там либо можно свариться в горячих лучах Солнца, либо, попав в тень, замерзнуть. Так ли это? Почему же наши летчики-космонавты возвращаются из космоса невредимыми? Как регулируется температура в космическом корабле при нахождении его в космосе? Об этом вы узнаете, прочитав следующую главу.
Самое необычное, что испытывает космонавт, находясь в космическом (пространстве) - это ощущение невесомости. Человек не чувствует тяжести собственного тела, ему не составляет никакого труда поднять руку или ногу, ничего не весят и предметы, которые окружают его в космическом корабле.
Что же такое невесомость? Весом называют силу, с которой тело действует на опору вследствие притяжения его к Земле. Следовательно, невесомость - это такое состояние, при котором тело не оказывает давления на опору. Состояние невесомости может возникнуть, например, когда и тело и опора, на которой оно находится, движутся с одним и тем же ускорением. Одно и то же ускорение и телу и опоре может сообщить только сила, величина которой пропорциональна массе тел, на которые она действует, Именно такой является сила всемирного тяготения
Следовательно, во всех случаях, когда тело и опора движутся лишь под действием сил тяготения, имеет место невесомость. Говоря о движении одного тела, не имеющего опоры, мы под невесомостью понимаем отсутствие давления одних слоев тела на другие вследствие их движения с одинаковым ускорением.
В состоянии невесомости находятся тела. Совершающие свободное падение, в том числе тела, брошенные горизонтально или под углом к горизонту и движущиеся по параболе.
Тела, находящиеся в космическом корабле, после прекращения работы ракетного двигателя по той же причине будут невесомы: ведь и на эти тела и на сам корабль действуют только силы тяготения, сообщающие им одинаковые ускорения; тела не давят на стенки корабля. В состоянии невесомости находится и сам корабль.
Для того чтобы проникнуть в космос и находиться в нем, нужно преодолеть земное тяготение. Первым успехом на пути освоения космоса было создание искусственных спутников Земли (ИСЗ). Как же превратить какое-нибудь тело в ИСЗ?
Рассмотрим наиболее простой случай - спутник движется по круговой орбите вблизи поверхности Земли.
Известно, что для равномерного движения тела по круговой орбите с некоторой скоростью v ему должно быть сообщено центростремительное ускорение
Это так называемая первая космическая скорость. Следовательно, чтобы тело могло двигаться вблизи Земли по окружности и не падать на Землю, ему нужно сообщить в горизонтальном направлении скорость - 8 км/сек или 29 х 10³ км/ч. Однако следует иметь в виду, что вблизи поверхности Земли двигаться с такой огромной скоростью тела не могут - этому мешает атмосфера. Искусственные спутники Земли и космические корабли выводятся на большую высоту порядка сотен километров, где атмосферы практически нет, или, вернее, она настолько разрежена (в 10¹² - 10¹³ раз), что почти не мешает телам двигаться с космическими скоростями.
Однако, как видно из формулы
по мере увеличения радиуса орбиты скорость, которая должна быть сообщена телу для возможности его движения по орбите, уменьшается. Так на высоте, равной радиусу Земли, эта скорость, как легко понять, уменьшится в √2 = 1,41 раз и составит
Если телу сообщена в горизонтальном направлении скорость, меньшая круговой, оно не будет двигаться по орбите, а упадет на Землю. Но сообщить телу с помощью космической ракеты скорость, в точности равную круговой, конечно, практически невозможно. Всегда выводимому на орбиту спутнику ракета сообщает скорость, которая больше круговой. Как при таких условиях движется спутник? Расчеты показывают, что при v > v кр орбитой спутника является особая замкнутая кривая - эллипс.
С увеличением скорости эллиптическая орбита спутника становится все более вытянутой, и, наконец, при скорости порядка 11,2 км/сек тело уже будет двигаться по незамкнутой траектории - параболе, неограниченно удаляясь от Земли. Это так называемая вторая космическая скорость. Набрав такую скорость, тело сможет свободно передвигаться в пределах солнечной системы и лететь от Земли к любой другой планете. Но вылететь за пределы солнечной системы, даже получив скорость 11,2 км/сек, тело все равно не сможет. Земля уже бессильна удержать его своим притяжением, но сила тяготения Солнца, значительно большая силы тяготения Земли, превращает его в спутник Солнца - искусственную планету.
Можно ли преодолеть и силу тяготения Солнца? Сможет ли когда-нибудь человек выйти за пределы солнечной системы и улететь в безбрежные дали звездного пространства? Сможет. Для этого необходимо развить еще большую скорость движения летательного аппарата. Надо будет перешагнуть через так называемую третью космическую скорость, равную 16,6 км/сек.
Таким образом, освоение космоса - и ближнего (околоземного), и дальнего (в пределах солнечной системы), и сверхдальнего, где находятся другие звездные миры,- связано с получением огромных космических скоростей.
Запуски искусственных спутников Земли и обитаемых космических кораблей и межпланетных станций уже дали большие результаты в изучении космического пространства. Оказалось, что космическое пространство (по крайней мере обследованное вблизи Земли) не представляет собой абсолютного вакуума, где ничего нет.
Рис. 8. Радиационные пояса Земли.
Было обнаружено, что вблизи Земли имеется область, в которой содержится большое количество заряженных частиц. Эти заряженные частицы образуют так называемый внутренний радиационный пояс Земли. Многократными запусками космических аппаратов, оборудованных специальными приборами, удалось установить примерные размеры и форму внутреннего радиационного пояса Земли. Расположение внутреннего радиационного пояса относительно земного шара показано на рисунке 8. Радиационный пояс не просто окружает Землю, образуя полую сферу, внутри которой находится наша планета. У полюсов радиационный пояс отсутствует, у экватора он достигает наибольшей мощности и по толщине слоя и по концентрации в нем заряженных частиц.
Из каких же частиц состоит внутренний радиационный пояс Земли? Все знают, как можно ориентироваться в лесу с помощью компаса. Намагниченная стрелка компаса никогда не ошибется - она всегда укажет, где север. Какая причина заставляет стрелку поворачиваться всегда в одном, вполне определенном направлении и указывать одним концом на север? Стрелка это делает потому, что земной шар представляет собой огромный магнит (рис. 9).
Рис. 9. Магнитное поле Земли.
Магнитное поле Земли служит как бы гигантской ловушкой для заряженных частиц. В эту ловушку попадают различные заряженные частицы. Во внутреннем радиационном поясе Земли подавляющее число частиц составляют протоны.
Откуда же взялись протоны в таком количестве, чтобы заполнить огромное пространство в несколько сот километров над Землей? Образованием внутреннего радиационного пояса Земля обязана Солнцу. Солнце непрерывно извергает в окружающее пространство большое количество вещества в виде заряженных частиц - протонов которые, пронизывая космическое пространство, достигают поверхности планет, часть из них доходит и до нашей планеты Земля. Попадая в магнитную ловушку, заряженные частицы задерживаются в ней и скапливаются. Так образовался внутренний (протонный) радиационный пояс Земли.
Магнитная ловушка Земли, как выяснили наши ученые при запуске искусственных спутников Земли с высокими орбитами полетов, образовала не только протонный радиационный пояс. Над внутренним поясом Земли, на высотах порядка 50 000 км над экватором, располагается второй (внешний) радиационный пояс Земли (см. рис. 8). По протяженности он гораздо больше внутреннего пояса, а его форма воспроизводит форму протонного радиационного пояса, однако между внутренним и внешним радиационными поясами имеется существенное различие. Заключается оно в природе частиц, которые составляют радиационные пояса.
Внутренний радиационный пояс состоит главным образом из протонов, т. е. ядер атомов водорода. Внешний образуют в основном отрицательно заряженные частицы - электроны. Почему внешний радиационный пояс содержит главным образом электроны, а внутренний - протоны? Это можно понять, если вспомнить, что и протоны и электроны попадают в магнитную ловушку Земли при своем движении от Солнца и других звезд. Протоны, как известно, по сравнению с электронами, обладают очень большой массой (масса протона в 1840 раз больше массы электрона), поэтому магнитному полю Земли захватить протон гораздо труднее, чем электрон. Магнитное поле Земли неоднородно. В большей степени его воздействие проявляется у экватора. С высотой магнитное поле ослабевает. Поэтому, когда тяжелые частицы - протоны попадают в магнитное поле Земли, простирающееся на большую высоту, они беспрепятственно проходят слабое магнитное поле и попадают в более низкую область, где действует сильное магнитное поле, в котором они и остаются.
Электроны, обладая малой массой, имеют гораздо меньшую энергию движения, чем протоны, поэтому они задерживаются и более слабым магнитным полем, т. е. на большем расстоянии от Земли.
Кроме внешнего и внутреннего радиационных поясов Земли обнаружен еще и третий, самый внешний радиационный пояс. О нем пока еще имеется мало сведений. По-видимому, самый внешний радиационный пояс состоит, так же как и внешний пояс, в основном из отрицательно заряженных частиц - электронов. В отличие от электронов внешнего пояса, электроны самого внешнего радиационного пояса должны обладать значительно меньшей энергией.
Таким образом вокруг нашей планеты расположены три радиационных пояса, находящихся на различных высотах. Почему их называют радиационными? Имеют ли они какое-нибудь значение для полетов космических аппаратов в межпланетном пространстве?
Протоны, из которых в основном состоит внутренний радиационный пояс Земли, а также электроны, входящие в состав внешнего и самого внешнего радиационных поясов, обладают большой проникающей способностью; попадая в организм человека, они вызывают лучевую болезнь.
Внутренний, внешний и самый внешний радиационные пояса Земли не единственные источники радиационной опасности при космических полетах. Наша планета Земля входит в состав солнечной системы. Земля, как и другие восемь планет, обращается вокруг Солнца. Солнце со всеми своими планетами входит в звездную систему, называемую Галактикой, которая состоит из многих миллионов звезд, подобных Солнцу. Среди них есть звезды и гораздо большие нашего Солнца по размерам и меньшие. Некоторые из них горячее Солнца, другие холоднее. Все они, подобно Солнцу, излучают различные заряженные частицы, которые в космическом пространстве образуют поток так называемого галактического излучения. Галактическое излучение достигает и околоземного космоса и даже, пронизывая всю толщу воздушной оболочки, достигает поверхности Земли, правда в сильно ослабленном виде.
Частицы, образующие галактическое излучение, представляют собой главным образом положительно заряженные ядра атомов водорода, т. е. протоны. Чем же отличаются протоны, составляющие галактическое излучение, от протонов, составляющих внутренний радиационный пояс Земли? Какие протоны более опасны с точки зрения их воздействия на человека, находящегося в космическом пространстве? Очевидно, более опасными будут протоны, обладающие большей энергией. Протоны галактического излучения имеют энергию, гораздо большую, чем протоны радиационного пояса Земли.
Радиационная обстановка в космическом пространстве зависит еще от одного источника излучения - Солнца. Солнце не только дает лучистую энергию, без которой была бы невозможна жизнь на Земле, но оно также является и источником мощного радиационного излучения, самого губительного по сравнению со всеми другими видами радиации, которые можно встретить в космическом пространстве при полетах в пределах солнечной системы.
Радиационные пояса Земли - внутренний, внешний и самый внешний - относительно нашей планеты занимают вполне определенное положение в пространстве. Кроме того, степень облучения, которую можно получить, попав в тот или другой район радиационного пояса, также вполне определенная величина. Следовательно, и во времени и в пространстве величина радиации от радиационных поясов Земли практически не меняется. Это значительно уменьшает опасность радиационного облучения в дозах, вредных для здоровья космонавтов,при прохождении космического корабля в районе расположения радиационных поясов Земли. Иногда можно избегнуть полета космического корабля в тех районах космического пространства, где интенсивность радиации имеет высокое значение, или, зная интенсивность радиации, предусмотреть меры по предупреждению облучения экипажа космического корабля. Таким же свойством обладает и галактическое радиационное излучение,- оно практически не меняется по интенсивности во времени, поэтому его также можно легко учитывать и, следовательно, предусматривать защиту от его воздействия.
Ну, а с радиацией от Солнца как обстоит дело? Наукой установлено, что Солнце в сторону Земли посылает непрерывно радиационное излучение, так называемый солнечный ветер, который состоит из заряженных частиц, обладающих теми же свойствами, которыми обладают частицы галактического излучения и радиационных поясов Земли. Обычно интенсивность этого ветра невелика, и поэтому он не представляет большей опасности по сравнению с другими видами радиации, существующими в космосе. Однако через определенные промежутки времени интенсивность солнечного ветра повышается, правда, не очень заметно. Но иногда этот ветер превращается в настоящую бурю. Интенсивность потока заряженных частиц, несущихся от Солнца в окружающее пространство, в том числе и в сторону Земли, достигает огромных размеров, она превышает интенсивность галактического излучения в десятки тысяч раз. В совсем недавнем прошлом были зафиксированы исключительно сильные потоки заряженных частиц, которые выбрасывало Солнце в космическое пространство. Такие потоки (их называют солнечными корпускулярными излучениями) наблюдались в 1956 и в 1960 гг. Облучение человека потоками СКИ большой мощности привело бы не к заболеванию лучевой болезнью, а к немедленной смерти.
Защита космонавтов от воздействия потоков солнечного корпускулярного излучения исключительно сложная задача. О том, как решается эта задача, мы расскажем в следующей главе. Опасность мощного солнечного радиационного излучения определяется не только его высокой интенсивностью, но также и неизученностью закономерностей в его появлении.
Радиационные пояса Земли, состоящие из мельчайших по размеру заряженных частиц, были обнаружены лишь после того, как люди проникли в космос, т. е. после запуска искусственных спутников Земли. До этого наука и не подозревала о их существовании. Но в космосе можно встретить частицы покрупнее.
Приходилось ли вам когда-нибудь видеть в темном звездном небе ранним утром или поздним вечером яркие вспышки или целый дождь из таких вспышек? Это явление называется метеором, а вызывается оно тем, что в атмосферу Земли попадает метеорное тело или целый поток метеорных тел. Двигаются метеоры в космическом пространстве с очень большими скоростями, иногда гораздо большими, чем первая, вторая и даже третья космическая скорости. Если такая быстрая частица попадает в атмосферу Земли, она будет тормозиться и вследствие этого нагревается до высокой температуры. Раскаленная метеорная частица, соприкасаясь с кислородом воздуха, сгорает. При горении образуются ярко светящиеся газы, которые мы и наблюдаем с Земли. Следовательно, в вечернем или утреннем небе мы иногда видим в виде ярких вспышек горение мелких метеоров. Когда в атмосферу попадает целый поток мелких метеоров, они, сгорая, дают многочисленные вспышки и образуется как бы огненный дождь.
Метеоры самых разнообразных размеров от мельчайших частичек, едва видимых простым глазом, которые обычно называют пылинками, до огромных, массой в несколько тысяч тонн, заполняют космическое пространство. Крупные метеоры и даже метеоры размером в обычный лесной орех встречаются в космосе крайне редко. Однако мельчайшие метеорные пылинки не редкость в межпланетном пространстве, в том числе и в околоземном космосе. Такое заключение делается на основании результатов многократно проведенных замеров густоты метеорных потоков в космическом пространстве с помощью космических летательных аппаратов. Представляет ли какую-нибудь опасность для полетов космических кораблей метеорная пыль? Да, представляет. Об этом мы подробно поговорим в следующих главах.
Что известно науке о происхождении метеоров? Кое-что известно, но пока еще далеко не все. В зависимости от происхождения метеоры подразделяются на две группы - метеоры, входящие в метеорные потоки, и так называемые спорадические метеоры. Происхождение метеоров, составляющих метеорные потоки, как полагают, связано с разрушением комет и астероидов. Сами же кометы и астероиды представляют собой обломки небесных тел, образовавшиеся в результате катастроф, при которых крупные планеты разрываются на несколько частей. Вторая группа метеоров - спорадические. О происхождении спорадических метеоров никаких достоверных данных нет.
Орбиты движения комет, встречающих на своем пути Землю, по большей части хорошо изучены. Можно точно рассчитать заранее, когда Земля встретится с той или другой кометой, вернее, с хвостом кометы, в котором содержатся мельчайшие частицы вещества. Хвост кометы имеет огромные размеры, поэтому Земля встречается с ним каждый раз, когда комета проходит вблизи орбиты нашей планеты. Встреча Земли с ядрами или головами комет, где располагается основная масса кометного вещества, маловероятна, слишком мал размер ядра кометы. Следовательно, можно заранее предсказать, когда Земля встретит тот или другой метеорный поток. Это очень важно для планирования космических полетов.
Хуже обстоит дело со спорадическими метеорами. Их появление предугадать невозможно. Мы о них слишком мало знаем. Правда, долголетние наблюдения показывают, что спорадические метеоры появляются вблизи Земли главным образом в осенние месяцы. Но этого, конечно, недостаточно для планирования космических полетов.
Итак, вы теперь знаете, что космическое пространство не представляет абсолютную пустоту, где ничего нет. В космосе действительно нет воздуха или какого-либо другого газа, поэтому там царит почти абсолютный вакуум. Все космическое пространство как вблизи Земли, так и вдалеке от нашей планеты пронизывается космическими лучами, представляющими собой мельчайшие заряженные частицы. Кроме того, вблизи Земли обнаружены целых три так называемых радиационных пояса, заполненных заряженными частицами. Наконец, космос - это такое место, где понятия «тепло» и «холод» зависят от положения относительно Солнца. Все, что находится в тени, охлаждается до температур, которые в естественных условиях на Земле и встретить невозможно, а что освещается Солнцем, нагревается до температуры, при которой невозможно существовать.
Каким же образом можно обезопасить жизнь и здоровье людей при нахождении их в космическом пространстве и при полете на другие небесные тела? Об этом будет рассказано в следующих главах.
