Club Aurora

Твоят прозорец към космоса.

Температура и космос
Космосът е интересно място и като такова предизвиква интересни въпроси, поставящи на изпитание знанията ни по физика. Ето такъв въпрос – „Каква е температурата... Температура и космос

Космосът е интересно място и като такова предизвиква интересни въпроси, поставящи на изпитание знанията ни по физика. Ето такъв въпрос – „Каква е температурата в космоса?” Всеки от нас е гледал поне един sci-fi филм, в който скафандърът на астронавт в открития космос внезапно се разхерметизира и човекът скоропостижно се превръща в ледена буца. Или някакъв подобен сюжет, който се опитва да ни убеди, че космосът е мноооого студено място. А така ли е наистина? Ще дам два отговора на този въпрос. Бързият и леко подвеждащ отговор е за онези, които няма да дочетат поста докрай. Той  гласи следното: да, така е – температурата в космоса е 2,7 градуса над абсолютната нула (около -2700 С) – здрав студ е, с две думи. Другият ми отговор за любознателните е: зависи. От какво и защо зависи, четете по-надолу.

Първото, което ще направим е една малка интродукция, която няма много общо с космоса, но пък ни е необходима, за да разберем въпроса, който питаме. Нужно ни е да си изясним понятието „температура”, което в главите на повечето хора е малко или много изкривено. Ако попитаме някой произволен човек какво е температура, той най-вероятно ще ни каже, че температурата е мярка за това колко  топло е дадено нещо. Което по-принцип е правилно, но пък на въпроса какво е топлина ще получим изненадани и неразбиращи погледи. Там е работата, че топлината, за нас е чисто субективно усещане, което не се поддава на смислено обяснение. Излиза, че определението ни за температура се базира на друго нещо, което не разбираме, а това принципно не е добре.

По-добра дефиниция на „температура” е следната – това е мярка за вътрешната кинетична енергия на вещество, чийто молекули са в непрекъснато движение. Може би имате някакъв спомен от училищната физика, че молекулите, от които са изградени веществата са в непрекъснато движение.  При газове и течности те се движат напълно хаотично и непрекъснато се блъскат една в друга – движението им се нарича още брауново. Молекулите на твърдите тела не се движат свободно, но затова пък усилено трептят. И така – колкото по-бързо се движат молекулите, толкова по-голяма е температурата на телата.

 Когато измерваме температурата в стаята си, ние всъщност измерваме количеството удари на молекулите на въздуха с молекулите на измервателното тяло – термометър. А защо се движат молекулите на въздуха? Защото са изложени на светлината от Слънцето, „обстрелващо” ги  с фотони. Фотоните от своя страна имат някаква енергия, която при среща с молекула отдават на молекулата.  И молекулата се задвижва. Тук, на земята, въздухът е относително плътен – атмосферата оказва такова налягане, че има доста молекули, които, движейки се, се сблъскват непрекъснато една с друга и с термометъра. Във височина обаче плътността на въздуха намалява, т.е. молекулите и ударите им стават все по-малко, което е причината да ни е прохладно в планината. Дотук добре – човек би помислил, че в плавния преход на атмосфера към космос температурата заедно с молекулите непрекъснато ще намалява, докато падне до цитираните горе -270 градуса.

Нещата обаче не стоят точно така – температурата намалява, но до една определена височина (11 km). След тази височина до около 20 km температурата се запазва постоянна – около -510 С. По-нататък следва нещо още по-неочаквано – температурата започва да се увеличава и на височина 40 km e около нулата. След това картината се повтаря – температурата се задържа, намалява, задържа се и пак се увеличава. В случай че не стана ясно, вижте картинката долу, показваща как се изменя температурата във височина.

 

Доста сложна зависимост, нали? Тя се нарича температурен профил на атмосферата, въз основа на който става разделянето на основните атмосферни слоеве – тропосфера, стратосфера, мезосфера и термосфера и съответните „паузи” между тях. Аз и останалите колеги от Team Aurora, които правим този сайт, потвърждаваме, че това не са врели-некипели, а самата истина – по време на нашата стратосферна мисия измерванията ни потвърдиха качествено температурния профил до 30 km (можете да видите графиките при резултатите ни).

Все още сме далеч от първоначалния  въпрос, но вероятно се питате защо температурата се изменя точно така, а не просто да намалява непрекъснато. Обяснението за беда не е много простичко, причините са комплексни. Мога само да кажа, че температурата в атмосферата е функция на баланса между погълнатата и излъчената енергия от въздушните молекули; на химическия молекулярен състав във височина и на динамиката на атмосферните маси. На горната картинка обаче виждаме нещо интересно– в последния слой на атмосферата температурата се увеличава непрекъснато, вместо да намалява. Всъщност на 140 km височина, което реално си е космос, температурата е около 600С, далече от представите ни за космически студ. Ако продължим графиката във височина ще се окаже, че температурата нараства до стотици и дори хиляди градуса. Хммм, означава ли това, че сателитите в орбита около Земята са заплашени от разтапяне? Спокойно, няма такава опасност. Просто понятието „температура” в космическа среда започва да губи ежедневния си смисъл. Както споменахме, температурата е мярка за движението на молекулите. Оказва се, че на границата между атмосфера и космос молекулите имат значителна кинетична енергия – движат се със скорости от порядъка на няколко km/s и следователно температурата им е голяма. Високите скорости са възможни поради нищожната им концентрация – шансът дадена молекула да се сблъска по пътя си с друга молекула , да й отдаде част от енергията си и да се забави, е много малък. Също както на вас ви е много по-лесно да се затичате в някой празен стадион, отколкото в площад, претъпкан с хора.

 Ако поставим един домашен термометър на 140 km височина, той няма да отчете 600С, както е според графиката. Каквото и да отчете обаче, ще бъде грешно, защото домашният термометър не е изработен за работа при такива условия. Тук на земята той отчита температурата, понеже милиони въздушни молекули се удрят всяка секунда с работното му вещество и то се загрява. Горе картината е различна – в термометъра се удря една молекула, след време – още една и т.н. Виждате, че няма никакъв шанс работното му вещество да се загрее по този начин (наричан конвекция), въпреки голямата енергия на молекулите. Конвекцията е основният преносител на топлинна енергия тук на земята, но там в космоса е без значение. Температурата на телата в космоса се определя почти изцяло от т.нар. лъчист топлообмен или с други думи разликата между отдадената и приетата чрез фотони енергия. Ако Земята нямаше атмосфера, причиняваща конвекция, температурата на повърхността й през деня щеше да се различава драстично от тази през нощта. Луната е добър пример за това с денонощна вариация от -1700С до +1000С на екватора й.

 Мисля, че започвате да осъзнавате, че нашият въпрос за температурата в космоса е подвеждащ или най-малкото неправилно зададен. Там е почти пълен вакуум, а вакуумът е отсъствие на вещество, което е носителят на температурата. По-добре е да се запитаме каква температура би имало едно тяло в космоса. Тази температура ще зависи от това къде в космоса се намираме, доколко близо сме до някакъв източник на енергия. Приближавайки се към Слънцето например, тялото ще се среща с все повече негови фотони и ще се загрява. Само обърнете внимание, че това се отнася единствено за страната, която е огрявана от Слънцето. Всички части от тялото, които са в сянка, ще са значително по-студени. Това е много характерно за обектите в космическа среда – две съседни области могат да се окажат с температури различаващи се със стотици градуса. Проблемът между другото е доста сериозен при конструирането на сателити, скафандри за астронавти и космически апарати. За изработването им трябва да се подбере специален материал, който да не се разширява много при големи температурни разлики и да се вземат мерки за отразяването на слънчевите фотони. При по-дълга експлоатация в космически условия дори е нужно да се направи специална охладителна система за  топлопренасяне – тръби, по които  флуид отива от горещите към студените области.

Както и да е, ясно е вече, надявам се, че температурата на тяло в космоса зависи от фотоните, които го обсипват. Минимум на тази температура ще постигнем, далеч от Слънцето или която и да е звезда. Някое място на пълен мрак, където няма почти нищо. Ала  „почти нищо” означава, че все пак има нещо – това са фотони, от които не можем да избягаме, където и да отидем. Тези фотони, наричани реликтово излъчване (или космически микровълнов фон),  идват от всички страни на Вселената и обуславят температура на телата от едва 2,7 градуса над абсолютна нула (температурата, при която молекулите спират да се движат), т.е. около -2700С. Това е минималната температура, която може да има обект в космоса – ако махнем всички звезди и топлинни източници във вселената, останалото ще има температура -2700С. Реликтовото излъчване е доказателство за това, че в далечното минало вселената е била много по-малка, плътна и гореща. То е създадено няколко хиляди години след Големия взрив, когато веществото на вселената е станало достатъчно „рядко” , за да се формират първите атоми и да може да се излъчи електромагнитно лъчение. Тогава реликтовото излъчване е отговаряло на температура около 3 000 градуса. Днес, поради разширението на вселената досега, тези първични фотони създават над 1 000 пъти по-малка температура.

Еmil Petkov

Емил е авиационен инженер, който се опитва да предаде тук своите знания и опит. Намира космоса за вълнуващо място и се интересува как чрез новите технологии ще се приближим до него.

No comments so far.

Be first to leave comment below.

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Page generated in 0,191 seconds. Stats plugin by www.blog.ca