Categories
Технологии

5G легенди и митове

Отскоро любителите на конспиративни теории си имат нова любима тема. Тя е свързана с най-съвременната система за пренос на мобилни данни, известна като 5G. Как ни влияе тя и основателни ли са страховете на някои хора, ще се постараем да ви разкажем тук. Както обикновено, ще се опитаме да разграничим митовете от фактите, а изводите ще оставим на вас.

Но преди всичко…

Какво е 5G?

5G се нарича най-новото пето поколение на системата за безжична клетъчна комуникация. То ще направи възможен по-бързия трансфер на много повече данни, отколкото се пренасят със сега действащото най-усъвършенствано 4G поколение, известно още и като LTE. За тази цел в 5G технологията за първи път се появяват някои принципно нови концепции, които ще разгледаме по-нататък. А на долната графика може да видите сравнение на 5G с 4G/LTE мрежата, демонстрираща революционното в някои отношения превъзходство на 5G.

4G vs 5G. Изображение: statista.com

Имайте предвид, че илюстрации като тази отразяват по-скоро желания, отколкото реалности. 20 Gbps downlink скорост например е изискване според заданието за 5G, но практически то няма да бъде достигнато, поне не и в близко бъдеще.

Все пак ето някои основни преимущества [1],[2]:

  • Downlink скорост до 10 Gbps;
  • Latency (забавяне на данните) до 1 ms;
  • Честотна лента на канал до 100 MHz в обхвата до 6 GHz и до 400 МHz в обхвата над 24 GhZ

Какво ново има в 5G?

5G поколението е проектирано не просто като следваща стъпка в мобилните технологии, а като заявка за хегемония изобщо в безжичните комуникации. Точно така – в близките години се очертава истинска война за пазар с вездесъщия wi-fi протокол за комуникация, чийто водещи позиции днес могат да бъдат сериозно разклатени утре. Защото wi-fi отстъпва на 5G, както по скорост, така и по бързодействие.

За да се издигне така мощно над останалите технологии за безжична комуникация, 5G технологията залага на нещо принципно различно. Досега всички широкодостъпни и конвенционални системи за безжична мобилна комуникация използваха за пренос на данни сигнали с честоти в честотните диапазони от 900 MHz при 2G технологията до 5,2 GHz при LTE. Wi-fi-стандартът пък стандартно се използва в два варианта – класически (на 2,4 GHz) и по-съвременен (на 5 GHz).

5G технологията, от своя страна, ще работи в два честотни обхвата. В началото ще се използват канали до 6 GHz (в най-масовия случай – от 3,3 до 3,8 GHz), което съвпада със сега съществуващите технологии [3]. Но целта е в бъдеще да се впрегнат и сигнали с честоти над 6 GHz в т.нар. милиметров обхват. Очаква се 5G технологията да присвои канали чак до 86 GHz.

Карта с честотите, които ще се използват за целите на 5G в различните държави. Изображение: GSMA/TMG

Голяма работа, може би ще си кажат някои. Ами да,  работата е наистина голяма. Поради две причини:

  1. От гледна точка на преноса на данни, количеството информация, което може да пренесе даден сигнал е правопропорционално на неговата честота. Или с други думи – колкото по-висока е честотата на носещия сигнал, толкова повече информация пренасяме за единица време, т.е. толкова повече скоростта на трансфера на данни е по-висока. Това е причината с напредъка на информационните технологии непрекъснато да се върви към все по-високочестотни сигнали.
  2. От друга страна честотните обхвати до 5 GHz са силно утилизирани канал по канал за най-различни цели – от телекомуникации до радиолокационни измервания. Излъчването на широколентови сигнали тук може да е проблемно заради интерференция от съседни канали или просто защото е твърде скъпо наемането на необходимия радиочестотен ресурс. В този смисъл милиметровият обхват е нещо като Дивия запад за пазара на телекомуникациите. Все още потребителите на тези честоти са малко (предимно военни и системи за връзки със сателити), така че пазарният потенциал е голям.

Тези особености биха направили 5G технологията идеално средство за масовото навлизане на услуги, изискващи  мигновено бързодействие и обработка на голямо количество данни. Тук влизат автономното шофиране и управление на дронове, виртуално изграждане на „добавена реалност“, прогрес на IoT технологиите…

Графика на мобилните услуги, като функция на скоростта на предаване и времезакъснението.

Всъщност милиметровите вълни имат и някои недостатъци. И това не са техническите трудности, които до скоро съществуваха при генерирането на такива сигнали. А една незаобиколима особеност от физиката на тяхното разпространение. Сигналите в милиметровия обхват затихват бързо в атмосферата и се разпространяват на малко разстояние. Особено зле на разпространението на такива сигнали се отразява влагата във въздуха или валежите. Освен това обикновени дървета, стени и сгради на пътя на милиметровите вълни водят до тяхното съществено затихване.

Затихване на вискочестотните сигнали в атмосферата. Определени честоти са особено неподходящи за радиоразпространeние поради висoката абсорбция от някои атмосферни газове. Изображение: rfcafe.com

Или ако трябва да обобщим казаното до тук – 5G технологията, базирана в милиметровия обхват, може да пренася с пъти повече данни много по-бързо от сега наличните безжични технологии. Но това може да става само на малко разстояние (не повече от няколко стотин метра) или при пряка видимост до базовата станция.

Загуби на милиметров сигнал с честота 28 GHz в градска среда. Само за няколкостотин метра сградите практически спират разпространението му. Изображение: qualcomm.com

Което води до следните две особености относно 5G:

  1. Необходимостта от използването на по-ниски честоти, осигуряващи покритие на мобилната мрежа при ниска плътност на базовите станции за единица площ. Или при сложни терени. Или просто за приложения, които не изискват трансфера на големи данни (например обикновена телефония, тракинг на сензори и пр.). Погрешно е да се смята, че 5G поколението е концентрирано единствено в утилизирането на авангардни честотни канали със свръхвисоки честоти. На практика 5G технологията ще обхване и ниски честоти, дори по-ниски от сега използваните в GSM диапазона (около 900 MHz). Европа например трябва да освободи цели 100 MHz „скъпоценна“ честотна лента за 5G канали от 700 MHz нагоре, които към момента са заети предимно за ефирното предаване на цифрова телевизия. Освобождаването им в България е немалък проблем.
  2. За работа в милиметровия обхват са необходими принципно различни базови станции от досега използваните от мобилните оператори. Стърчаща антенна решетка върху покрива на някой блок или върха на хълм не е достатъчна за всички приложения, тъй като, както споменахме, сигналът се разпространява на малко разстояние и е необходима пряка видимост между станцията и нейните ползватели. За да стигне до всеки, 5G мрежата се нуждае от много повече (но и много по-малки като размери) антени, отколкото сме свикнали да виждаме. По-коректно е да си мислим за тях като за рутерите, които използваме за създаване на wi-fi мрежи.

Антени навсякъде – топологията на бъдещето

Ако считате, че днес има твърде много базови станции на мобилните оператори, загрозяващи пейзажа, то в идните години вероятно ще си спомняте с носталгия за това време. В близкото бъдеще клетките за мобилна свързаност ще стават все повече и все по-разнообрaзни като устройство и ще ги откриваме на места, на които не сме свикнали да ги виждаме. Илюстрацията по-долу показва каква концепция ще се търси.

Изображение: emfexplained.info/

Целта е да се постигне хибридна 4G/5G мрежа. Т.нар. макроклетки (големите транспондери по покривите) ще продължат да се използват, както за 4G, така и за 5G. Но освен това микро- и пикоклетките, които досега се използваха по-масово предимно в затворени пространства като зали и тунели, ще получат много по-широко разпространение,  започвайки да работят със свръхвисокочестотните сигнали. За да имаме по-„умни“ самоуправляващи се автомобили, предаващи данни почти в реално време помежду си и с околната среда, ще трябва такива клетки да бъдат разположени през няколкостотин метра около всяка пътна артерия. Те ще се разполагат и на всички публични места – спирки, кафета, градинки, навсякъде където се струпват хора. И за разлика от макроклетките тези малки клетки ще бъдат близо до земята и своите потребители (по аналогия с рутерите например).

Концепция за улична 5G микроклетка. Изображение: http://lavallette-seaside.shorebeat.com/

Антените, с които ще бъдат оборудвани тези малки клетки, ще са изградени по технологията Massive MIMO (Multiple Inputs, Multiple Outputs). Такива антени, макар и неголеми по размери, са изградени от голям брой малки антенни елементи, всеки от които независимо от другите излъчва и приема сигнали. Големият брой антенни елементи в една такива антена обслужва голям брой потребители. Но това не е единственото й предимство. Тази антена е способна да насочи сигнала си към потребителя, който обслужва, вместо да го разпръсква във всички посоки (повече за начина, по който става това, можете да прочетете тук).

Еволюцията на антените при мобилните технологии е не по-малко впечатляваща от еволюцията на самите мобилни апарати. Тенденцията и тук е към по-висока производителност при намаляване на физическите размери и повишаване на икономичността. На тази снимка виждате два типа антени, които вече се използват в 4G мрежите. Продълговата антена вдясно се нарича 8T8R, а вляво от нея има Massive MIMO 64Т64R антенна. 8T8R е доста по-голяма от Massive MIMO антената, но всъщност тя има едва 8 приемни и 8 предавателни антени, спрямо 128 приемни и предавателни антени в Massive MIMO изделието. Резултатът е 3,4 пъти по-висока производителност на Massive MIMO при downlink и 8,9 пъти при uplink. Изображение: Sprint Inc.

5G легенди и митове

Но 5G технологията се прочу не със своята техническа иновативност и предимства. Не – никой освен малцина техно-гийкове не би се впечатлил от това. Тя попадна в прицела на общественото внимание, защото поради някакви причини бе набъркана във всевъзможни теории на конспирацията. По-долу сме избрали най-интригуващите от тях и сме се помъчили да разберем има ли изобщо зрънце истина в тях.

Конспирация №1: 5G е в дъното на пандемията от SARS-CoV-2

Безспорно короната в 5G конспирациите е схващаното, че всъщност тази технология причини глобалната пандемия от COVID-19. Както със сигурност си спомняте, COVID-19 възникна и се разпространи за първи път в китайския град Ухан. Почитателите на конспирацията изтъкват, че същият град е бил избран по-рано за изпитателна площадка на новата 5G технология [6] и там са били инсталирани хиляди антени за тази мрежа. В Европа за същата цел още през 2018 г. били разположени тестови антени в Торино, Италия, който по-късно също стана център на заразата. Самата Италия, изтъкват конспиративно настроените, е единствената държава в Европа (с изключение на Ирландия), която вече е провела тестове със сигнали над 20 GHz [7].

Или с едно изречение – говори се, че има корелация между развитието на 5G мрежите и огнищата на COVID-19. Означава ли това, че има някаква истина в тази конспирация? Че едното е причина за другото?

Ами… не. Трябва да си абсолютен конспиративен екстремист, за да вярваш в подобен налудничав абсурд. Да оставим настрана изтърканата мантра, че корелацията не предполага задължително и каузалност. 5G или която и да е друга комуникационна система, базирана на предаването на електромагнитни вълни, просто няма как да причинява вирусна инфекция. Това е физически, биологически и всякак невъзможно.

СЗО предупреждава – вирусите по хората се предават с кашлица, а не безжично.

5G технологията не би могла да сее директно зарази, но дали все пак тя не спомогна за разпространението на COVID-19? Например, като отслабва имунната система на хората? На тази хипотеза ще се спрем подробно по-долу. Тя звучи малко по-състоятелно (или поне не напълно абсурдно), но отново е съшита с бели конци.

 Защото в действителност няма корелация между появата на 5G мрежи и SARS CoV-2 огнища. Макар и в началото на пандемията технологически слабо развитите държави в Африка и Южна Америка бяха засегнати в по-малка степен от COVID-19, постепенно това се промени и днес там има установени стотици и хиляди случаи, а вероятно и много повече. Тоест, вирусът се разпространява успешно и без 5G. На всичкото отгоре, Китай, който сякаш най-добре се справи с вируса, всъщност и сега усилено продължава с изпитанията на 5G мрежите [8].

Степен на достоверност: абсолютен мит

Конспирация №2: 5G вреди на здравето – отслабва имунитета, причинява рак и пр.

Тази конспирация всъщност е поредната реинкарнация на едно вековно подозрение – че радиовълните изобщо водят до заболявания и смърт. В началото на ХХ век на прицела на конспирациите е било радиото на Маркони и безжичната телеграфия. В по-ново време това са GSM и Wi-Fi мрежите.

Въпросът в каква степен радиосигналите и в частност микровълновите радиосигнали влияят върху нашето здраве е изключително сериозен и комплексен. От десетилетия се провеждат обстойни изследвания и на тяхна основа са изготвени нормативни изисквания, на които средствата, използващи такива сигнали, трябва да отговарят. Обобщено в едно изречение – микровълновите радиосигнали, използвани за комерсиални цели,  нито са напълно безвредни, нито са някакъв страшен източник на заплаха.

Най-горе – температурата на човек, не използващ мобилен телефон. В средата – повишаване на телесната му температура след 5-минутен разговор с мобилен телефон. Най-долу – след 10-минутен разговор. Забележка – това изображение не е меродавно за всички видове мобилни телефони. Изследванията по въпроса доколко се загряват главите ни по време на разговор имат широка дисперсия на резултатите – от 0,2⁰С до 2,9⁰С. [25] Изображение: drrind.com

Степента на въздействието, което ни оказва един електромагнитен сигнал, зависи от енергията, която той пренася. Тази енергия от своя страна се определя от две неща – напрегнатостта на полето в сигнала (тоест амплитудата на магнитната и електрическа компонента у в него) и неговата честота. Колкото по-високи са тези два фактора, толкова по-зле за нашето здраве. Оттук са и притесненията на хората, че с увеличаване на честота на сигналите, нарастването на предавателните мощности на базовите станции и използването на насочени антени рисковете за здравето ни ще набъбнат.

Тъй като 5G мрежите все още не работят на сто процента, а и там, където работят, действието им е от съвсем скоро, засега няма практически изследвания, които да покажат доколко неблагоприятно ни се отразяват те. Но все пак, както се изясни от принципа им на работа, поне частично те много приличат на използваните вече години наред 4G мобилни системи, тъй като работят със сходни честоти, канали и дори антени. Тоест, като отправна точка доколко вредно е 5G, може първо да си изясним до колко вредно е 4G и другите по-долни G-та.

Тази графика представя степента на радиочестотно „замърсяване“ във функция от честота на електромагнитните сигнали. Със зелено е представен естественият електромагнитен фон; с жълто – добавката от човешките технологии през 50-те години на 20-ти век; с оранжево – добавката от 80-те; и с червено – добавката от 2010-те. Най-долната синя линия пък показва допустимото ниво на излъчванията според препоръките на ICNIRP. Изображение: https://www.thelancet.com/journals/lanplh/article/PIIS2542-5196(18)30221-3/fulltext

Ала дори за тях дебатите все още не са затихнали, въпреки че се вихрят отдавна. И все пак според Световната здравна организация безжичните електромагнитни трептения, използвани от мобилните оператори и Wi-Fi мрежите, спадат към Група 2В (потенциално канцерогенни агенти) [9]. Или с други думи – възможно е въздействието на тези мрежи действително да увеличава шанса за развитието на канцерогенно заболяване, макар че това не е доказано към момента. В същата група – 2В – са и неща като хлороформа, оловото, нафталина, отработените газове от бензинови двигатели и туршията. Точно така – туршията… Стреснахте ли се? Не се стряскайте толкова – доказано канцерогенни и по-вредящи на здравето ни според СЗО са много други вещества и дейности, които отдавна сме приели за част от ежедневието. Като алкохола, колбасите, слънцето, дизеловите двигатели, мръсния въздух и дори работата на смени. [10]

Мощността на излъчваните безжични сигнали е регламентирана на държавно ниво, така че да се гарантира с достатъчно голяма сигурност тяхната безопасност. Тук можете да видите допустимите плътности на излъчвателните мощности по държави за най-разпространените GSM обхвати – при 900 и 1800 MHz. Те почти навсякъде са от порядъка на 4,5 W/m2  за 900 MHz и 9 W/m2 за 1800 MHz, което всъщност са лимитите, определени от международния регламент ICNIRP 98.  Някои държави (като България) обаче са определили по-ниски пределни плътности на излъчвателните мощности. В нашия случай допустимата стойност и при двете честоти е едва 0,1 W/m2 .

За още по-високи честоти, като тези, които 5G ще използва,  СЗО e в процес на изготвяне на нов стандарт, който да  регламентира препоръчители граници. Все пак в регламента ICNIRP 98, макар и остaрял, се дефинират пределните плътности чак до 300 GHz. Те не трябва да надвишават 10 W/m2. Може да приемем, че това е безопасната граница на 5G облъчването.

 И сега малко математика. 5G излъчвателите имат максимална излъчвателна мощност от 43 dBm (20 W) [11], a според други източници [12] – до 50 dBm (100 W). Говорим за големите клетки; малките – онези, които ще бъдат сложени по спирки и улици, са с мощност около 0,25 W. Пак според [11] коефициентът на усилване (т.нар. gain) на една Massive MIMO антенна решетка, съставена от 256 елемента е 29 dB. Целта ни сега е да пресметнем какво е безопасното разстояние до една такава антена, на което можем да пребиваваме.

Загубите при разпространение на една антена се оценяват по следната формула:

PL = 20*lg(d) +20*lg(f) + 20*lg(4π/c) – GT

Където: d e разстоянието до антената в метри; f e честотата на сигнала; c e скоростта на светлината; GT е коефициентът на усилване. Използвайки тази формула или направо калкулатор [13] можем да изчислим какви са загубите на мощен 5G предавател (50dBm) при честота да речем 30 GHz (пример за „свръхвисока” 5G  честота) и разстояние до предавателя  30m – нормално отстояние от базовите станции по покривите. Получената на това разстояние мощност е: 50 – (20*lg(10) +20*lg(30.109) + 20*lg(4π/3.108) – 29) = -12,5 dBm, което кореспондира на 0,056 mW. Излиза, че заставайки на 30 m от много мощна 5G антена, мощността  на сигнала, който ще ви облъчи, е само няколко десети от миливата! А плътността на излъчването на квадратен метър  в максимума на лъча на същото разстояние [14] е около 7 W/m2, което е в рамките на границата по ICNIRP 98.

Що се отнася до малките клетки – ако стоите на 1m от една такава клетка (с мощност 0.25W и коефициент на усилване 14 dB за 8 антенни eлемента), то ще получите 5 μW при плътност на мощността 0,5 W/m2.

Тези резултати показват, че експлоатацията на 5G мрежи при сега съществуващите норми за регулация е безопасна. Някой може да възрази, че пресмятаме въздействието на един-единствен предавател, докато в действителност ще има много. Но не забравяйте, че тези предаватели действат насочено и е невъзможно да се окажете под „прицела“ на няколко от тях за дълго време.

В заключение – необходими са много години, за да се докаже вредата или липсата на вреда от разпространението на безжични сигнали – било то 5G или някакви други. Според досегашните изследвания по този въпрос, при спазване на установените норми, няма установено въздействие върху здравето.

Степен на достоверност: възможно е, но е малко вероятно

Конспирация №3: 5G убива птиците и пчелите

Отново притеснение за здравето и живота, но този път с ветеринарен оттенък. Още откакто започнаха опити с 5G мрежи, се появиха съобщения за масови измирания на птички [14] и пчелички [15], които впоследствие бяха свързани с 5G технологията от по-конспиративно настроените.

Птичата конспирация изглежда се е родила към края на 2018 г., когато в Хага, Холандия, за няколко дни измрели 339 гълъба и скорци. Така и не станала ясна причината за този мор, обаче някой предположил, че той е свързан с 5G тестове, провеждани по същото време (и които властите отричат да са правени).  Ала истински тази конспирация се разрази по време на коронавирусната криза в Италия. Тогава се появиха съобщения за множество подобни масови измирания на птици на територията на страната, подкрепени със снимки като тази:

Пернати жертви на 5G в Италия? Всъщност не – това е резултатът от силна буря в околностите на Рим.

Впоследствие се оказа, че доказателствените снимки всъщност нищо не доказват, а заснетите птици са жертви на силни бури, паднали дървета и подобни тривиални причини [16].

Що се отнася до пчелите – ситуацията е подобна. Твърди се, че те измират в близост до 5G клетки. Пример за това е клип от 2019 г., заснет в Калифорния, показващ мъртви пчели около мачта с мобилни предаватели:

Макар и да изглежда убедително, видео като това отново не доказва нищо – заснетите предаватели всъщност са по-скоро част от 4G/LTE мрежа, а самите пчели биха могли да са търтеи, които умират скоро, след като се чифтосат. Въпрос на вкус е коя трактовка ще предпочетете.

Изобщо подозрения като тези се доказват или отхвърлят много трудно. От една страна винаги е имало масови измирания на птици и пчели, които изглеждат необясними, но в действителност имат просто обяснение – отравяне с инсектициди, заболявания, действие на гръмотевични бури, климатични аномалии и т.н. От друга страна обаче има все повече научни изследвания [17] [18] , че новите безжични технологии не се отразяват добре на летящите организми.

Поне някои от тях пречат на способностите им за самонавигиране и ориентиране, на възможностите им за създаване на силни колонии. И доколкото не е съвсем изяснен въпроса как се отразяват безжичните сигнали върху здравето на хората, то още по-неясен е целият спектър от ефекти, които оказват те върху живота на малки организми като птиците и насекомите.

Но може ли 5G да причини мигновената им смърт? Отговорът тук е – със сигурност не. 5G клетките не са машини за убиване от фантастичен филм. Микровълновото излъчване, което отдават, е способно единствено да загрее тъканите до известна степен. Но е необходима голяма концентрирана мощност, за да се постигне някакъв осезаем ефект. Например, загряване с около половин градус на кожата, съпроводено с болка,  ще се постигне за кратко време при лъчение с честота 5,8 GHz и плътност на мощността 300 W/m2 [18]! Забележете – това е 30 пъти повече от нормално допустимото. Антените на мобилните оператори не са микровълнови печки, така че дори някой малък организъм, залепен за тях, би оцелял поне известно време.

Тази заплашително изглеждаща машина е оръжие за поразяване с микровълнови лъчи на U.S. Department of Defense. Нарича се Active Denial System и излъчва насочен лъч с честота 95 GHz и плътност на мощността 10 kW/m^2, което причинява загряване на кожата до около 50°С и в редки случаи изгаряния втора степен. Дори този мастодонт обаче е далеч от това да убива директно. Изображение: Airman st Class Gina Chiaverotti / Air combat command

Степен на достоверност: мит

Конспирация №4: 5G е система за шпиониране

Нека оставим най-сетне здравната тематика, за да отдадем заслуженото и на други сюжети. Класическа черта на конспиративните теории е параноидното им отношение към силите на властта. И историите за 5G не правят изключение от правилото. Интересното тук е, че параноята избива по два параграфа:

  • Съществуват опасения, че 5G технологията би могла да се използва за шпиониране от чужди корпорации и държави и в нея са заложени специални средства, чрез които това да става;
  • Други пък се страхуват, че 5G технологията е податлива към злонамерени атаки и  че с възхода на Интернет на нещата огромен обем потребителска информация ще бъде достъпен за трети лица в реално време.

Първото твърдение постепенно добива очертанията на шпионски скандал в добрите традиции на Студената война. В основата му стои все по-изострящият се конфликт между САЩ и Китай. Както може би ви е известно, най-високо развитие в областта на 5G технологиите в света постигна именно китайският технологичен гигант Хуауей. Това обстоятелство никак не се харесва на САЩ . Щатите поведоха истинска война срещу компнията, забранявайки купуването на китайско телекомуникационно оборудване и възможността на американските корпорации да търгуват с Хуауей. САЩ дори приложиха натиск към европейските държави да постъпят по същия начин (засега по-скоро неуспешен). Самият президент на САЩ Доналд Тръмп практически обяви Хуауей за маша на китайското разузнаване.

Карта на държавите, забранили в някаква степен използването на продукти с марката Хуауей. Към настоящия момент това са САЩ, Великобритания, Австралия, Нова Зеландия, Япония и Тайван.

Конкретни обвинения и доказателства обаче все още не са представени. В официалната преса на САЩ се появиха публикации [19] , че Хуауей разполага с технологията за шпиониране от десетилетие (т.е. става дума още за 4G телекомуникационно оборудване). Тези „вратички“ (backdoors, както ги наричат в оригинал) са вложени в технологията на антените и базовите станции на Хуауей и позволяват на компанията да достъпва  конфиденциални данни, постъпили в съответната мобилна мрежа. Разбира се, от Хуауей отричат подобни обвинения и контраатакуват, че това всъщност са практики, които използват американските корпорации.

Aла все пак съществуват и други петна върху репутацията на компанията, които не идват от Америка. Така например през 2018 г. във френския вестник Le Monde се появи информация, че Хуауей е имала неправомерен достъп към конфиденциални данни в сървъри, доставени от Хуауей в щаба на Африканския съюз и точенето на тези данни е продължило пет години. Което също беше отречено от Китай. [20]

Дали наистина съществуват или не „вратички“ в технологията на 5G е въпрос с отворен отговор в полето на спекулациите. Но ако някоя компания действително си позволи да използва тайно подобни средства за достъпване на лични данни, тя рискува страшно много. Първо – рискува репутацията си, когато „вратичките“ бъдат открити от нейните клиенти. И второ – по този начин тя изобщо допуска умишлено вградена слабост в технологията си, която може да бъде използвана за хакване от злонамерени трети лица.

Тази карикатура добре илюстрира големия риск от отслабване на сигурността на данните при умишлено вграждане на „вратички“ за достъп към такива данни. И обяснява защо най-големите корпорации отказват да ги използват. ФБР например многократно е изисквало от Apple достъп към информацията в айфони на заподозрени. В един случай, добил известност преди няколко години [21], Apple отказа да разработи софтуер по молба на Бюрото, с който да хакне специален защитен софтуер в един от продуктите си. Мотивите на компанията се подразбират от илюстрацията – след като бъде изработена „вратичка“ за ФБР, тя ще бъде използвана и от всякакви други злонамерени елементи. Изображение: Signe Wilkinson

И всички тези размисли относно евентуалната уязвимост на 5G ни водят към другия по-глобален аспект на опасенията – всъщност надеждна ли е тази технология за личните данни на потребителите?

Тези критики не са безпочвени. 5G технологията предшества един тотално свързан свят, в който четката ви за зъби има IP адрес и може да бъде достъпена в Мрежата. Свят, в който колата ви се управлява от невидими алгоритми и приема информация за света от 5G мрежата. Дори да допуснем, че сигурността на 5G технологията е също толкова висока, колкото досега, рискът в този нов свят е неимоверно по-висок. Потенциалните цели за хакерски атаки ще са неизброимо повече, отколкото са сега, а последствията от тях могат да са и животозастрашаващи, ако, да речем, автономен автомобил бъде хакнат.

Може би най-същественият риск за поверителността на мобилните потребители е обусловен от факта, че 5G клетките ще бъдат гъсто разположени и като цяло обхватът им  не е голям. Това означава, че много по-точно, отколкото е сега, би могло да се определи местоположението ви. А ако съпоставите това обстоятелство с наблюдението, че дори и сега в Китай например на всяка крачка в мегаполисите има камери с лицево разпознаване [22], не е трудно да си представим, че 5G технологията има потенциала да ни доближи до сюжета на 1984.

Като протокол за сигурност, 5G мрежата, макар и по-съвършена от 4G, със сигурност не e неуязвима. Експерти по киберсигурност вече са демонстрирали успешни атаки на 5G устройства, при които неоторизирани лица научават специфики за свързаните джажди посредством снифинг, влошават функциите им  и намаляват живота на батерията им [23] [24].

Значи ли всичко това, че 5G технологията ще изложи живота ни на показ? Не е задължително. Повечето гореописани проблеми на сигурността се споделят и от сега съществуващите мрежови и компютърни технологии, с които вече сме свикнали. Хората трябва да разберат, че целта на IT компаниите не е безогледното шпиониране, а да направят преноса и съхранението на данните им  максимално защитени. Така че не е нужно е да бягаме далеч от техническия прогрес, но пък и малко повече бдителност от наша страна не би била излишна.

Степен на достоверност: възможно е, но е рано да се каже доколко основателни са страховете.

Стига толкова конспирации…

Това бяха фактите относно най-популярните 5G теории на конспирацията и нашата интерпретация, с която не е необходимо да се съгласявате. За пореден път се потвърждава, че страховете на хората растат там, където все още има определена неяснота, недоверие и  предразсъдъци. Нашият съвет, както обикновено е – осведомявайте се и четете повече. Но не жълти медии и фейсбук.

Източници:

[1] https://www.gemalto.com/brochures-site/download-site/Documents/tel-5G-networks-QandA.pdf

[2] https://www.digitaltrends.com/mobile/5g-vs-4g/

[3] http://www.emfexplained.info/?ID=25916#5G%20Spectrum

[4] https://www.5gworldpro.com/5g-knowledge/60-benefits-of-5g-massive-mimo.html

[5] https://www.allaboutcircuits.com/news/sprints-bid-to-have-5g-in-2019-using-massive-mimo/

[6] https://www.naturalscience.org/news/2020/03/coronavirus-and-5g/

[7] https://5gobservatory.eu/5g-spectrum/national-5g-spectrum-assignment/#1549379848113-e71527cb-a1c0

[8] https://www.developingtelecoms.com/telecom-business/9466-pandemic-hits-chinese-subscriber-figures-but-5g-growth-continues.html

[9] https://www.iarc.fr/wp-content/uploads/2018/07/pr208_E.pdf

[10] https://www.cancercareontario.ca/en/cancer-facts/putting-carcinogens

[11] https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7983335

[12] https://www.grandmetric.com/2019/03/26/5g-health-issues-explained/

[13] https://www.everythingrf.com/rf-calculators/free-space-path-loss-calculator

[14] https://www.roamingbuzz.com/are-5g-experiments-killing-birds-is-this-a-conspiracy/

[15] https://macdailynews.com/2019/08/02/hundreds-of-bees-drop-dead-around-5g-towers-in-california/

[16] https://apnews.com/afs:Content:8755920560

[17] https://www.nature.com/news/electronics-noise-disorients-migratory-birds-1.15176#/b2

[18] Hitchcock, R.T.; Patterson, R.M. (1995). Radio-Frequency and ELF Electromagnetic Energies: A Handbook for Health Professionals. Wiley. p. 208. ISBN 9780471284543.

[19] https://www.wsj.com/articles/u-s-officials-say-huawei-can-covertly-access-telecom-networks-11581452256

[20] https://www.reuters.com/article/us-africanunion-summit-china/china-denies-report-it-hacked-african-union-headquarters-idUSKBN1FI2I5

[21] https://www.businessinsider.com/fbi-wants-apple-help-unlocking-iphone-florida-gunman-2020-1?r=US&IR=T

[22] https://telecoms.com/501785/china-telecom-celebrates-the-state-surveillance-potential-of-5g/

[23] https://threatpost.com/5g-security-flaw-mitm-targeted-attacks/147073/

[24] https://www.cs.purdue.edu/news/articles/2019/5g-reasoner.html

[25] https://www.researchgate.net/publication/326525777

Categories
Образование

Динамика на полета – устойчивост на летателните апарати

Преди време си говорехме за това какво определя доколко устойчив е полетът на един летателен апарат и какво е нужно, за да го управляваме. Темата обаче е твърде обширна, за да я приключим в един постинг, така че сега ще й посветим още един. И докато миналия път разгледахме най-простите случаи на възникване на аеродинамични моменти, сега ще разберем каква е реакцията на летателните апарати спрямо тях и какво се случва с движението им, щом се появят.

Статична устойчивост

Летателните апарати, а и всяка друга динамична система, непрекъснато изпитват въздействието на някакви сили. Ако тези сили взаимно се уравновесяват (например самолет, паркиран на стоянка, или такъв, който извършва установен хоризонтален полет), това състояние е известно като равновесно състояние.

Пример за подобно равновесно състояние е едно неподвижно топче на пода, при което силата на тежестта G се уравновесява от силата на нормална реакция R.

Ако някой бутне топчето, то ще премести позицията си от т.А, в която се е намирало до този момент, установявайки се отново в покой в новата точка на равновесие – т.B.

Подобно поведение, на която и да е динамична система, е известно като неутрална статична устойчивост. Това ще рече, че след възникването на смущаващо въздействие, което извежда от равновесие динамичната система, тя сама възвръща равновесието си, но на ново местоположение или при различно разположение от първоначалното.

Ако вместо в равнина топчето се намира във вдлъбнатина (положение 1 на картинката долу), при побутването му ще се наблюдава нещо различно.

Първоначално топчето се отмества в посока на смущаващата сила, стига до някаква крайна точка (положение 2), след което се връща обратно към т. А. Задминава я, стига до нова крайна точка (положение 3) в противоположно направление на първоначлното смущение, връща се обратно и  след известен брой осцилации около т. А в крайна сметка се установява там отново (положение 1). Подобна динамика е изключително характерна за най-различни физични процеси и по-нататък ще я разгледаме по-подробно. Сега ни интересува факта, че в края на движението си, топчето се установи на абсолютно същата позиция, която имаше преди това. Това поведение е известно като положителна статична устойчивост (или просто статична устойчивост). Каквото и да правим с динамичната система, както и да й въздействаме, в този случай накрая тя възвръща от само себе си своето първоначално състояние.

Не така стоят нещата, ако топчето се намира на върха на изпъкналост. Ако сега бутнем топчето, то така и няма да спре, докато не срещне друга външна сила. Топчето ще се отмества ускорително от първоначалната си точка на равновесие и  няма да се стабилизира отново само. Такава динамична система се дефинира с понятието отрицателна статична устойчивост (или статична неустойчивост).

Физиката от примера с  топчето е принципно валидна и ако имаме не топче, а самолет. Представете си самолет, който извършва хоризонтален установен полет. Всички сили, които му действат,  са уравновесени и той се намира в равновесно положение, подобно на топчето от по-горе. Ако някаква външна сила (например турбуленция) му въздейства и наклони носа му нагоре, според това, което разгледахме дотук, има три сценария как ще се развие ситуацията.

При условие че самолетът е с неутрална статична устойчивост, след прекратяването на възникналия поради турбуленцията надлъжен въртящ момент, самолетът ще продължи да лети  със същия ъгъл на тангаж, на който го е завъртял надлъжният момент. Така действащите сили отново ще се уравновесят и полетът пак ще бъде установен (но не и хоризонтален) .

Неутрална статична устойчивост

Ако самолетът притежава положителна статична устойчивост, докато действа смущаващият въртящ надлъжен момент, благодарение на хоризонталната си плоскост ще противодейства компенсиращ надлъжен момент с обратна посока. Така след преминаване на турбуленцията самолетът сам ще възвърне първоначалното си равновесно положение – хоризонтален установен полет.

Положителна статична устойчивост

В третия случай (статична неустойчивост) балансировъчен надлъжен момент няма да възникне. Нещо повече – след прекратяване на смущението, въртящият надлъжен момент ще се запази, предизвиквайки все по-голям тангаж, докато самолетът не се срине.

Отрицателна статична устойчивост

Тук е мястото да припомним, че пространственото движение на самолетите и други подобни летателни средства се обуславя чрез три взаимно перпендикулярни оси ОXYZ, около които възникват напречни, попътни и надлъжни въртящи моменти. Поради тази причина не се говори просто за „статична устойчивост“, а за надлъжна, напречна или попътна статична устойчивост. При това  не е задължително, ако конкретният летателен апарат има надлъжна статична устойчивост, да притежава също така напречна или попътна статична устойчивост. Обратното също е в сила. А след като дефинираме и понятието „динамична устойчивост“ ще разберете, че изобщо възможни са най-различни варианти, определящи доколко устойчив или неустойчив е полетът на един аероплан.

Надлъжна статична устойчивост

Примерът от по-горе всъщност демонстрира надлъжна статична устойчивост. Тя е може би най-важната от трите вида статична устойчивост. Видно е, че ако управлявате статично неустойчив летателен апарат, то всеки неуравновесен надлъжен момент MZ ще води до непрестанно увеличаване на пикирането или кабрирането. Поне докато не се намесите в управлението. Така, ако искате да изпълнявате установен полет  с подобен самолет, вие ще трябва постоянно да поддържате необходимия тангаж и ъгъл на атака – подобно на акробат, ходещ по въже, който непрекъснато трябва да балансира с дълга пръчка.

Това е доста трудоемка задача, което обяснява защо самолетите обикновено не се конструират със статична неустойчивост. В зависимост от степента на неустойчивост и скоростта на полета един статично неустойчив самолет дори би могъл да бъде напълно неуправляем за пилота. Затова управлението на подобни самолети по правило се подпомага от бордови компютри, които компенсират минималните дисбаланси от желаното положение, без да ангажират пилота с това. Такива самолети са някои изтребители (F-16, F-22, Mirage F1, Rafale и други), отличаващи се с висока маневреност на полета.

Grumman X-29: Аеродинамично най-неустойчивият самолет, конструиран някога. Автоматичният контрол, вграден в управлението Х-29, подава 40 управляващи команди всяка секунда. Ако случайно и трите му полетни компютъра се повредят, самолетът ще се разбие, преди пилотът да е успял да се катапултира. Снимка: NASA

Дали летателният апарат ще бъде с надлъжна статична устойчивост или неустойчивост зависи от това къде ще бъде аеродинамичният му фокус XF – преди или след масовия център XT.

  • Ако аеродинамичният фокус е пред масовия център (XT –  XF > 0 или още задна центровка), летателният апарат ще бъде с надлъжна статична неустойчивост и  всяко външно смущение ще води до неконтролируемо нарастващ кабриращ или пикиращ надлъжен момент.
  • Ако аеродинамичният фокус съвпада с масовия център (XT –  XF = 0 или още неутрална центровка), летателният апарат ще бъде с неутрална статична устойчивост;
  • Ако аеродинамичният фокус е зад масовия център (XT –  XF < 0 или още предна центровка), летателният апарат ще бъде с надлъжна статична устойчивост и  всяко външно смущение ще бъде компенсирано от възстановяващ надлъжен момент.
Надлъжна статична устойчивост имаме, ако самолетът се стреми да компенсира смущаващи надлъжни моменти (горе), а неустойчивост – ако ги задълбочава (долу). С червената стрелка е показана пълната аеродинамична сила (създавана от крилото, стабилизатора и фюзелажа), а синята точка е центърът на тежестта. Изображение: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aircraft_static_stable_unstable.svg

Центърът на тежестта на един самолет може да варира в големи граници, достатъчни да го превърнат от статично устойчив в статично неустойчив. Ето защо е от изключително важно значение, как ще се разпределят товарите вътре, а пилотите винаги преди полет определят центровката, за да знаят дали разполагат с необходимата надлъжна устойчивост*.

И докато сме още на тема „надлъжна статична устойчивост“ ще споменем още един фактор, влияещ на този параметър.  Иде реч за това, че с увеличаването на скоростта, аеродинамичният фокус започва да променя своето местоположение. Това явление е свързано с развитието на вълнови кризис при скорости в  околозвуковия диапазон. След преминаване на някаква въздушна скорост (около М = 0,8) с увеличаване на скоростта аеродинамичният фокус се измества назад.  Интересното е, че оттатък скоростта на звука аеродинамичният фокус отново се застопорява на едно място и  не се премества повече назад  или напред с увеличаване на скоростта. Но да не се отклоняваме. Бедата е там, че с изместването назад на аеродинамичния фокус, надлъжната статична устойчивост се изменя коренно. Тенденцията е към свръхустойчивост, която може дори да възпрепятства надлъжната управляемост.

Изместване назад на аеродинамичния фокус при околозвуковите скорости. С червено е показан центърът на тежестта.

Оказва се, че тази надлъжна свръхустойчивост може да доведе и до състояние на фактическа неустойчивост на полета. Ето как. Да речем, че скоростта на полета се увеличи поради някаква причина с ΔV. Това нарастване на скоростта е свързано с увеличаване на подемната сила с ΔYA. При нормална ситуация траекторията на летателния апарат ще се изкриви нагоре, при което в крайна сметка скоростта му ще намалее за сметка на придобитата потенциална енергия, докато не достигне началната стойност.

Това се нарича надлъжна устойчивост по скорост. Но в нашия случай изместеният твърде назад аеродинамичен фокус ще създаде твърде голям  пикиращ момент.  Носът ще се наклони надолу, скоростта ще се увеличи още, носът ще се наклони още надолу и т.н., докато пилотът не се намеси в управлението.  Нещо, известно на жаргон като „затягане в пикиране“ и типично при високи скорости за самолети с малка стреловидност на крилото, които по принцип изобщо не трябва да се доближават до трансзвуковия диапазон.

На тази графика виждате как запасът от надлъжна статична устойчивост нараства в околозвуковия диапазон поради изместването на аеродинамичния фокус. Показани са графиките на два самолета – F-111 и F-14. F-14 е представен в два варианта – с използване на механизация за намаляване на надлъжната устойчивост (т.нар. glove vane) и без. Разгъването на този glove vane в полет измества аеродинамичния фокус по-напред. Изображение: http://www.dept.aoe.vt.edu/~mason/Mason_f/ConfigAeroSupersonicNotes.pdf

Ще отворим една скоба. Четейки този и предишните материали от блога ни на тема „аеродинамика“, вече бихте могли сами да си дадете сметка какво се крие зад понятието звукова бариера. Kакви изпитания е трябвало да преодолеят първите машини и пилоти, които са опитали да я прескочат и защо мнозина са считали, че свръхзвуковият полет е невъзможен. Сега вече сте наясно с пълния букет от „екстри“, които носи трансзвуковата област – силно увеличено челно съпротивление и натоварване на конструкцията, загуба на надлъжно управление, трудно поддържане на хоризонтален полет… Затваряме скобата.

Странична статична устойчивост

Няма да навлизаме в излишни детайли, защото тук принципно нещата се повтарят. Просто са отнесени към другите две оси. Страничната устойчивост на летателните апарати всъщност се разглежда като попътна (или още – флюгерна) и напречна устойчивост.

Попътната устойчивост е отговорна за възвръщането на странично равновесие след появата на външна странична сила. За да я имаме, отново се нуждаем от възстановяващи сили и моменти, които този път се създават от друга спомагателна повърхност – вертикалния стабилизатор. Критерият за попътна устойчивост е страничният аеродинамичен фокус на летателният апарат да бъде разположен зад центъра на тежестта (XT –  XFβ < 0).

Напречната устойчивост от своя страна е отговорна за противодействието срещу промяна на крена. Ако ъгълът на напречен наклон (крен) се промени, това ще създаде хоризонтална компонента на подемната сила, която ще отклонява летателния апарат наляво или надясно от курса му. Той ще започне да се плъзга на страната на спуснатото полукрило. Напречна статична устойчивост има този летателен апарат, който ще противодейства на всичко това. Тоест, у него ще се създаде противодействащ напречен момент, който да възстанови началният му крен. Това условие е изпълнено, ако страничният аеродинамичен фокус се намира над центъра на тежестта. Което обяснява защо вертикалният стабилизатор е разположен върху фюзелажа, а не под него.

Динамична устойчивост

Дотук, говорейки за устойчивост, ни интересуваше единствено това дали някога ще се възстанови състоянието на равновесие след преминаване на смущение, или не. И изобщо пропуснахме движението във времето, което ще има летателният апарат (или която и да е динамична система) след въздействието на смущението. Е, след като имаме движение, значи става дума за динамика. A развитието на това движение всъщност показва доколко динамично устойчива или неустойчива е системата, която разглеждаме.

Нека се върнем на примера с топчето от по-горе. Осцилациите, които то придобива във вдлъбнатата повърхност, показват именно динамичното му поведение във времето. Фактът, че амплитудата на тези осцилации намалява постепенно, докато накрая не се установи в най-ниската точка, характеризират положителна динамична устойчивост. Ако триенето не съществуваше и топчето осцилираше с постоянна амплитуда около тази точка, подобно на идеално махало, то щяхме да говорим за неутрална динамична устойчивост. А ако движението на топчето беше съпроводено от осцилации с нарастваща амплитуда, това щеше да бъде ситуация на отрицателна динамична устойчивост (динамична неустойчивост).

Забележете – и при трите случая имаме (положителна) статична устойчивост! Звучи леко объркващо, но по-долните картинки, може би ще ви помогнат да разберете идеята.

Динамиката на една смутена динамична система може да се опише чрез периодичен (осцилиращо отклонение) или апериодичен закон (неосцилиращо отклонение). Случаите с неосцилиращо отклонение вече ги разгледахме по-горе. Но динамиката с осцилации е нещо ново, което в реалността се среща много често.

Намаляването на амплитудата на осциалциите – тяхното затихване – се дължи на физическия процес демпфиране, при който част от енергията на колебанието се отдава в околното пространство посредством триене, топлинно излъчване, пластични и еластични деформации, звук. Ако няма демпфиране, колебанията в осцилиращата система никога не биха затихнали и тяхната амплитуда би била постоянна във времето. Така, макар и тези колебания да са все около равновесната точка – т.е. макар и системата да се стреми към положителна статична устойчивост – тя никога няма да се спре на нея.

Още по-краен е вариантът на динамична неустойчивост, при който осцилациите непрекъснато ще увеличават амплитудата си. Подобно резонансно поведение се наблюдава, когато в динамичната система се вкарва енергия по подходящ начин. Например, ако пилотът премества нагоре-надолу кормилото за височина с честота, съвпадаща със собствената честота на самолета по надлъжната му ос.

Най-важното тук е, че дори динамичната система да притежава положителна статична устойчивост, това не гарантира, че ще има също така и положителна динамична устойчивост. Но притежаването на положителна динамична устойчивост, означава че задължително и положителната статична устойчивост е налице.

Пример за положителна, неутрална и отрицателна динамична устойчивост, като и в трите случая имаме надлъжна статична устойчивост. В първия случай (динамична устойчивост) действащите надлъжни моменти намаляват големината си с всеки следващ период на колебателното движение, докато носът на самолета не възвърне началната си позиция. При неутрална динамична устойчивост тяхната големина е постоянна. А при динамична неустойчивост големината им нараства във времето.

Надлъжна динамична устойчивост

В динамиката на надлъжното движение се променят следните параметри на полета – ъгъла на тангаж θ, ъгъла на атака α и въздушната скорост V.  Те могат да се изменят по три начина в зависимост от честотата на осцилациите.

Най-дългопериодично е т.нар. фугоидно (phugoid) движение. При това колебателно движение бавно (с период 20-30 s) се изменят тангажът,  скоростта и височината, докато ъгълът на атака остава почти постоянен. Демпфирането на това движение е слабо, но и като цяло ефектите от него често са трудно забележими за пилота.

На другия полюс е късопериодичното движение на елеватора около шарнира му с период от 0,3 до 1,5s. To се характеризира с много бързо демпфиране от порядъка на половин амплитуда за 0,1s, така че също не е особено интересно.

Всъщност най-опасният режим на надлъжно движение е този, при който тангажът осцилира с период от 0,5 до 5 s. Демпфирането на това движение по правило е силно и един обикновен дозвуков самолет би трябвало да погасява половин амплитуда за около половин секунда. Но условия за подобно колебание се създават при свободно отклонение на елеватора около шарнира му (което се случва, когато пилотът не държи щурвала). Това движение на елеватора по принцип намалява динамичната устойчивост на летателния апарат и ако триенето в шарнира е по-голямо може да стигне до такава надлъжна осцилация. А като се има предвид, че периода на трептението е съпоставим с времето за реакция на пилота, това означава, че опитвайки се да го неутрализира, той всъщност би могъл да го задълбочи, причинявайки опасно големи и дори разрушителни претоварвания.

През 1989 се случва една от най-тежките авиационни катастрофи в историята на САЩ – полет 232 се разбива и загиват 111 души от 296. До нещастието се стига, след като един от трите двигателя на самолета DC-10, разположен в опашната част, експлодира в полет и прекъсва хидравликата на полетните контроли, така че елеваторът започва да се отклонява свободно. Поради това самолетът става динамично неустойчив – той придобива осцилиращо фугоидно движение. При всеки период на осцилацията самолетът губи 460m височина до разбиването си. Все пак пилотите успяват да погасят до някаква степен амплитудата на осцилиране, контролирайки единствено тягата на изправните двигатели. Изображение: Iowa Department of Public Safety

Моменти, още моменти

В “Динамика на полета – аеродинамични моменти” разказахме за въртящите моменти, които изпитва по време на полета си едно летателно средство. Спрямо осите, около които действат, разграничихме три типа въртящи моменти – надлъжен, напречен и попътен.

Само че реалната ситуация не е толкова проста. Всъщност, завъртането около някоя от осите, причинява завъртане около друга ос. Или с други думи – възникването на някакъв въртящ момент поражда друг въртящ момент. Което прави фактическото движение на летателните апарати доста по-комплексно, отколкото бихме очаквали.

Например, ако един самолет се завърти от попътен момент около оста OY, едното му полукрило ще създаде повече подемна сила от другото, защото изнасяйки се напред то ще се обтича при по-висока въздушна скорост, спрямо изоставащото. Плюс това аеродинамичната сила, създавана от вертикалния стабилизатор за демпфиране на попътното въртене, има рамо и спрямо ос OX. Крайният резултат от тези ефекти, е че ще създаде вторичен напречен въртящ момент около ос OX. Този момент се нарича напречен спирален момент, тъй като заради него самолетът ще започне да се движи по спираловидна траектория.

Аналогично, завъртане около OX ще доведе до въртене около OY. При въртене около ОХ ефективният ъгъл на атака на спускащото се полукрило се увеличава, а на издигащото се – намалява. Това води до промяна на подемната сила на двете полукрила, което причинява стабилизиращ напречен момент, но също така е свързано и  със съответната промяна на силата на челно съпротивление.  Заради разликата в челното съпротивление, което изпитват двете полукрила, летателният апарат ще отклони носа си по посока към спускащото се полукрило. Този въртящ момент около ОY се нарича попътен спирален момент.

Спиралните моменти имат голямо влияние върху динамичната странична устойчивост на летателните апарати.

Динамична странична устойчивост

Примерите от горната точка ясно показват, че всъщност попътната и напречна динамика на летателните апарати са неразривно свързани и взаимнозависими. Ето защо е най-правилно те да се разглеждат общо. Или с други думи – когато имаме полет с ъгъл на плъзгане, различен от нула, то задължително имаме въздействие, както на попътната, така и на напречната динамика. Конкретните детайли са доста комплицирани, но крайните резултати върху движението на летателния апарат са три:

  • попътно отклонение;
  • спирално отклонение;
  • попътно и напречно осцилиране, известно като „холандска стъпка“.

Ако поради някаква причина имаме състояние на попътна неустойчивост (т.е. вертикалният стабилизатор е станал неефективен), летателният апарат непрекъснато  ще увеличава ъгъла си на плъзгане, при което курсът му също ще се изменя по параболична траектория. При това положение ще се стигне до странично обтичане или до разрушение на конструкцията.  Което, разбира се, е крайно нежелателно и затова летателните апарати задължително притежават голяма попътна устойчивост.

Но само това не е достатъчно да поддържаме желания курс. Ако летателният апарат има голяма попътна устойчивост, но слаба напречна устойчивост, то той ще започне да се движи по спираловидна траектория. В началото това се случва бавно и неуловимо, но постепенно спиралата става все по-стръмна (т.нар. „затягане в спирала“).

Ето как възниква това явление. Да речем, че поради смущение самолетът се наклони наляво. Слабата му напречна устойчивост няма да му позволи да стабилизира (достатъчно бързо) своя крен и той ще започне се отклонява наляво от зададения курс. През това време силната му попътна устойчивост ще накара самолета да завърти носа си също наляво, стремейки се да застане отново срещу въздушния поток. При това завъртане дясното полукрило ще получи относително нарастване на скоростта, с която го обтича въздуха, в сравнение с лявото. Тоест, то ще получи нарастване на подемната сила спрямо лявото, което ще задълбочи още повече напречния наклон наляво и веригата от събития ще се повтори отново и отново, докато самолетът обикаля в спирала…   И все пак спиралното отклонение не е особено тревожно. Поради факта, че то се развива бавно и (поне в началото) може лесно да бъде предотвратено от пилота, слаба спирална неустойчивост е допустима.

Друг нежелателен случай на странична динамика е осцилиращото движение, наречено холандска стъпка (Dutch roll). Наименованието е дошло от пързалянето с кънки на лед, където то описва характерно движение, при което кънкьорът се клатушка наляво-надясно, докато се придвижва напред. Е, образно казано, самолетът прави нещо подобно, но във въздуха. Движението му е съпроводено с осцилации с период от около 5s, както около ОХ, така и около OY.

Холандска стъпка. Изображение: YouTube

Холандска стъпка възниква, когато компенсацията на смущаващи напречни моменти благодарение на стреловидността и напречната V-образност на крилото е много силна (тоест имаме висока положителна напречна устойчивост), докато попътната устойчивост не е толкова голяма. Забележете – имаме, както напречна, така и попътна устойчивост, но въпреки това самолетът се люшка по своя курс. Именно това е причината да не се прибягва да аеродинамични конфигурации, които осигуряват прекомерна напречна устойчивост (например схема на крилото високоплан плюс положителна V-образност). За предпочитане е слаба спирална неустойчивост, отколкото поклащането на холандската стъпка. Особено при пътническите лайнери и особено за седящите отзад. В такива самолети се използва специално автоматично устройство (нарича се yaw damper) ,  което увеличава демпфирането на неприятните осцилации. Това става чрез сензори, улавящи колебанията по крен. Според показанията им се подават управляващи сигнали към актуатор, който задвижва кормилото за направление.

Свредел

В предишните ни материали сме говорили за явлението откъсване на потока при надкритични ъгли на атака и свързания с това срив на летателните апарати. Но сега е удачно да изследваме какво всъщност се случва при срива от гледна точка на динамиката на летателните апарати. Това, което се случва всъщност е ярък пример за силно взаимодействие между надлъжното и странично движение.

Първо да припомним, че за да имаме напречна устойчивост, при промяна на крена, спускащото се крило трябва да придобие по-голяма подемна сила от издигащото се. Така ще се създаде демпфиращ момент, който ще уравновеси обратно летателния апарат. Разбира се, това е при условие, че граничният слой на обтичащия въздух е плътно прилепнал по повърхността на крилото – сиреч летим при нормални ъгли на атака. Тогава с увеличаване на ъгъла на атака, нараства и подемната сила. Но ако надминем критичния ъгъл на атака и граничният слой започне да се откъсва, зависимостта се обръща – подемната сила започва да намалява с увеличаване на ъгъла на атака.

Същевременно откъсването на потока започва неравномерно по разпереността на крилото и следователно първоначално ще засегне повече едното му полукрило. Когато това стане, летателният апарат ще се наклони именно към това полукрило, защото то ще дава по-малко подемна сила от другото. Накланяйки се, въпросното полукрило ще среща въздушния поток при още по-голям ъгъл на атака. Но този път стабилизиращ момент няма да се създаде. Напротив – потокът ще се откъсва все по-мащабно в сравнение с другото полукрило и  наклоняването ще продължи все по-бързо и по-бързо. Създават се условия за т.нар. самовъртене или още  – авторотация. Курсът на самолета също се променя – полукрилото, което изпитва по-голям срив създава и по-голямо челно съпротивление, така че носът на летателния апарат ще се насочи в неговата посока. Освен това тангажът ще намалее – летателният апарат ще започне да пада, въртейки се около надлъжната си ос, наподобявайки свредел. Откъдето идва и наименованието на въпросното движение – свредел.

Свределът представлява неустойчиво и неуправляемо движение – най-опасният вид движение, който може да придобие един летателен апарат. Излизането от свредел е трудно, а в някои случаи и невъзможно, особено ако разстоянието до земята не е голямо. На видеото по-долу, можете да проследите зараждането, развитието и прекратяването на свредел на класическия двуместен самолет Cessna 150.

За да се прекрати свредела, е необходимо да се спре срива на двете полукрила. Постигне ли се това летателният апарат би могъл дори да се самостабилизира. В англоезичната литература, предназначена за пилоти, често се споменава акронима „PARE”, който подсказва какво най-общо трябва да се направи, за да се излезе от свредел. А именно:

  1. Да се отнеме тяга до малък газ (Power to idle). Това е донякъде неинтуитивно, доколкото вероятно именно недостатъчната тяга (и скорост) е предизвикала срива на първо място. Само че когато самолетът вече е навлязъл в свредел, допълнителната тяга само влошава нещата и може да допринесе за задържането на самолета в надкритични ъгли на атака;
  2. Да се поставят елероните в неутрално положение (Ailerons neutral). В условия на срив елероните са неизползваеми и нормалното им управление всъщност също спомага развитието на свредела. Ако пилотът се опита да компенсира с тях въртенето по крен, като върти щурвала срещу въртенето, той ще създаде още по-голямо челно съпротивление и по-малка подемна сила на сриващото се полукрило.
  3. Да се постави кормилото за направление в посока обратна на свредела (Rudder to opposite spin). Ако свределът отклонява самолета надясно, кормилото за направление се отклонява наляво и обратно. Което противодейства както на напречното въртене, така и на попътното въртене.
  4. Да се отклони кормилото за височина нагоре (Elevator forward). Това се прави, за да се постигнат отново докритични ъгли на атака, които да позволят управляем полет. Тази стъпка също е против интуицията на пилота, тъй като от негова гледна точка самолетът пада и нормалната му реакция би била да дърпа щурвала към себе си, а не да го бута напред. Но ако го дърпа към себе си (отклонявайки елеватора надолу), той ще задълбочи още повече срива, увеличавайки ъгъла на атака, вместо да го намали.

Използвана литература:

  1. Динамика на полета, Борис Маджаров, 2000, ТУ София
  2. Introduction to the Aerodynamics of Flight. NASA SP-367, Theodore A. Talay, NASA, Washington, D.C., 1975
  3. Hurt, H.H., Aerodynamics for Naval Aviators, Navair 00-80T–80, Naval Air Systems Command, US Government, Washington, USA, 1960

Бележки:

* Това става, чрез попълването на т.нар. “Weight and Balance” бланки, в които се вписват всички товари (вкл. пасажерите) и разстоянието им до масовия център на ненатоварен самолет. След това се изчисляват всички тегловни моменти, сумират се, и пресметнатият резултатен момент се разделя на масата на самолета. Получава се разстояние, което трябва да е в границите на вариация на центъра на тежестта, определени в техническата документация на съответния самолет. Ако не е – необходимо е да се свали товар от самолета, да се разположи на друго място или да се качи балансировъчен товар.


Още за аеродинамиката:

Въздушно съпротивление в аеродинамиката

Да изпревариш звука…

Основи на аеродинамиката или защо летят самолетите

Координатни системи и сили в аеродинамиката

Динамика на полета – аеродинамични моменти

Categories
Прогрес

Трябва ли да се върнем на Луната?

Годината, в която честваме половин век от осъществяването на може би най-голямото инженерно-техническо постижение в историята на човечеството – стъпването на хора на Луната – е чудесен повод да се запитаме (за пореден път) – смята ли днес някой да повтори това постижение? Едва ли има космически ентусиаст, който да не си е задавал тъкмо този въпрос. Но не той е основният в случая.

Истинският, главният въпрос всъщност е:  а защо ни е да ходим на Луната?  Неговият отговор ще ни даде отговора и на първия въпрос. Така че , ако се опитаме да откроим  факторите, които доведоха до това в периода ‘69-‘72 година 12 души да посетят естествения ни спътник, ще разберем защо днес повторението на този подвиг изглежда така химерично.

Причините за успеха на „Apollo”

В края на 60-те, когато баба ви пишеше на пишеща машина, едни хора успяха да стигнат до Луната и да се върнат невредими. Нещо, което за нас е невъзможно днес, бе осъществено от дедите ни с тяхната далеч по-примитивна техника. Как стана това? Без да омаловажаваме усилията на никого, не е много трудно да оценим, че плодовете на програмата „Apollo“ са следствие от благоприятното стечение на точните обстоятелства в точното време:

  1. Обявяването й за държавен приоритет от страна на най-мощната и развита икономически страна в света. Конкретният идеологически претекст всъщност няма значение, но несъмнено той е бил водещ и жизнено важен по време на Студената война.
  2. Наличието на талантливи инженери и учени, способни да осъществят програмата. Това са пленените от нацистка Германия първопроходци на ракетостроенето, начело с Вернер фон Браун.
  3. Развитието на програмата по време на следвоенните десетилетия на най-голямото технологично развитие в историята на човечеството. Една епоха, започнала със създаването на атомните бомби и свръхзвуковите самолети и завършила с изобретяването на първите персонални компютри.
Вернер фон Браун (в средата) с екипа си от ръководни инженери в NASA около 1961 г. На снимката има само германци. Изображение: NASA

Трудно е да акцентираме колко важен е бил всеки един от тези три фактора (да ги наречем така: воля-способност-възможност). Не би било пресилено да кажем, че без който и да е от тях, покоряването на Луната най-вероятно изобщо нямаше да се е случило към днешна дата. Изглежда те са били необходимото и достатъчно условие, за да се преодолее най-голямата спънка пред подобно начинание – отсъствието на какъвто и да е икономически стимул за това, да изпращаме хора на Луната.

И въпреки това в периода 1961 – 1973 американската държава заделя огромна част от своя БВП за програмата “Apollo”. В пиковите години над 4% от държавния бюджет отива за NASA (сравнено с 0,49% за 2019г). За 12-те години, в които се работи по “Apollo”, САЩ плащат за програмата около 25,4 млрд. щ.д. (153 млрд. щ.д. днешни пари) [1]. За да придобиете представа за финансовия мащаб, имайте предвид, че целият бюджет на NASA за 2019 е в размер на 21,5 млрд. щ.д.

Всеки от 13-те старта на Сатурн V, ракетата, отвела хора на Луаната, струва по около 1,16 млрд. щ.д. днешни пари, а целият проект – около 46 млрд. щ.д. [2]

От Колумб до Армстронг

Често сравняват епохата на космическото усвояване с епохата на Великите географски открития. Това е изкушаващо, но пък и донякъде измамно – независимо от някои прилики, между двете епохи има доста фундаментални разлики, които водят до качествено различни резултати. Ала все пак, ако разгледаме конкретно, мисията на „Аполо“ 11 не е трудно да забележим колко много прилича тя на една друга мисия, случила се преди 527 години. А именно – дебютното плаване на Христофор Колумб до американския бряг.

Първо пристигане на Колумб на бреговете на Новия свят, при Сан Салвадор, 12-ти окт. 1492, литография, 1892, Currier & Ives.

Подобно на Армстронг и Олдрин, Колумб и  екипажът му стават първите хора, добрали се до един „нов“ свят (от гледна точка на „стария“ свят). За времето си това е било огромно предизвикателство и не по-малко постижение. Интересното е, че то се е случило при наличието на същите благоприятни фактори, каквито имаме и при развитието на „Аполо“ – воля, способност и възможност.

Ако зад лунното начинание на NASA категорично застава американската държава, то експедициите на Колумб срещат финансовата подкрепа на испанската корона (след безуспешен опит да бъде спечелена Португалия за каузата). Без това финансиране Колумб изобщо нямаше да поеме към Америка, както и NASA изобщо нямаше да тръгне да праща хора на Луната, без да разполага със средствата от държавния бюджет, независимо от теоретичната възможност за това.

Същевременно Колумб е точният човек за откриването на Америка, така както Вернер фон Браун е идеалният архитект на лунната програма. С тази разлика, че Колумб не е бил изключителен специалист в областта си. Макар и още преди експедицията си в търсене на нов морски път към Индия той вече е бил опитен мореплавател, способностите му не са били кой знае какво на фона на останалите мореплаватели. От тях обаче го отличавал интересът му към картографията, който изградил у него определена (и доста погрешна) представа за размера на Земята.

Днес неправилно смятаме, че през средновековието и ренесанса официалната догма в Европа е налагала представата за плоска Земя. Всъщност поне по-образованите хора от край време са знаели, че формата й е кълбовидна. Колумб също е знаел това, но когато проучил съчиненията на древните изследователи като Ератостен и Ал-Фаргани, които били пресметнали обиколката на Земята, той допуснал грешка при конвертиране на разстоянието и изкарал обиколката й с ¼ по-малка от действителната. Освен това смятал, че Евразия е много по-обширна, отколкото (коректно) смятали повечето му съвременници. Така че това, което прави Колумб точния човек за откриването на Америка, е фактът, че той е допуснал две съществени грешки в разчетите си, които никой друг не е правел дотогава.  Едва ли ако той или който и  да е, знаеше истината изобщо щеше да потегли на подобна мисия.

И все пак Колумб не би се увенчал с успех, ако не беше и третият решаващ фактор за неговото дело – скокът в развитието на корабоводенето и навигацията в края на средновековието. Да пребродиш Атлантика и успешно да се завърнеш, станало възможно едва след създаването на леки и маневрени ветроходни кораби като каравелите и техните по-големи събратя, натоварени с провизии за дългите мисии – караките.

Два кораба променили историята на човечеството – Санта Мария (реплика) на Колумб и лунният модул Eagle на Армстронг и Олдрин.

Oще по-решаващ бил прогресът на навигацията. До този момент единственият начин за ориентиране в морската шир бил чрез отчитане на положението на звездите или като се плава близо до брега. Но така не се прекосява океан. Без компас, с който Колумб да знае посоката на плаване, и астролабия, с която да установи географската си ширина, той би стигнал кой знае къде…

И векове по-късно никой не би могъл да отиде на Луната, без да съществува нужната технология за построяването на достатъчно голяма ракета (111-метровата Сатурн V), с достатъчно мощен двигател (Рокетдайн F-1).  Никой не би могъл да се добере до спътника ни и да се върне оттам, без да разполага с автоматизирана компютърна навигационна система (Apollo Guidance Computer), чиято разработка стои в основата на решителния тласък към миниатюризацията на компютърните технологии.

Фон Браун, застанал пред двигателите F-1 в първата степен на Сатурн V. Снимка – NASA.

Свикнали сме да приемаме тези технологии за даденост, но истината е, че ако не внимаваме, много лесно бихме могли да изгуби това ноу-хау. Повече от 40 години след последния полет на Сатурн V вече са позабравени някои детайли относно това как точно са работели двигателите на първата й степен – F-1, най-мощните еднокамерни ракетни двигатели с течно гориво, създавани някога. Дотолкова, че преди няколко години инженери от NASA събраха от музеите части от въпросния двигател и  сглобиха наново негов модел за статични тестове, с идеята да го изучат по-добре. [3]

Но приликите между воаяжът на Колумб и този на Армстронг свършват точно тук. Историята ни учи, че след Колумб европейците започнали да прииждат към Новия свят, примамени от богатството му. Историята също на така ни показа, че след малката първа крачка на Армстронг едва още 11 души успяха да сторят същото, след което се заредиха дълги десетилетия, в които Луната се върна към своята присъща недостижима усамотеност.

И това развитие има своето съвсем логично основание. Докато Колумб се завърнал в Европа с невиждани растения и животни, злато и скъпоценности, Армсторнг, Олдрин и Колинс дошли на Земята с 22 kg лунни камъни, интересни от научна гледна точка и съвсем невзрачни от всяка друга.

Тук именно трябва да търсим отговора на въпроса защо не се върнем на Луната. А той като че ли е очевиден – просто не съществува икономическо основание, което да оправдае огромната инвестиция за подобно завръщане и последващото колонизиране.

Или не е точно така?

Има ли нещо ценно на Луната?

Луната винаги е палела въображението на хората, но въпреки поетичните названия, като „Море на изобилието“, които сме дали на характерни нейни участъци, май открай време сме били наясно, че тя е просто една гола пустиня.

Еволюцията на лунните изследвания само затвърди това схващане. Стотиците килограми лунни скали, доставени от астронавтите на програмата „Apollo” и стотиците грамове, доставени в рамките на съветската програма „Луна“, показват едно и също. Не само че Луната е безжизнена пустиня, но и нейната повърхност е изградена от съвсем обикновени скали, каквито се с срещат в изобилие и на Земята, а съдържанието на редки елементи в тях е нищожно.

Както е видно от графиките по-горе, на Луната има от същото, което си имаме предостатъчно и на Земята, в сходни пропорции. И това е съвсем очаквано предвид факта, че Луната и Земята някога са били едно общо тяло.

E, някои важни за индустрията метали като алуминий, желязо и титан се срещат по-често на повърхността на Луната, отколкото на земната повърхност. Но предвид това колко евтини суровини са те към момента, добивът им на Луната по никакъв начин не е оправдан икономически. По-скоро те са благоприятен фактор при евентуално колонизиране на Луната. Тогава би могло да се окаже, че е по-изгодно материалите, необходими за изграждане на станциите (конструктивни части, слънчеви панели), да бъдат добити и произведени на място на Луната, отколкото да бъдат доставяни от Земята.

 Но ние си говорехме доколко изгодно е изобщо колонизирането на Луната.

То би било такова, ако се окаже, че на Луната има находища от рядко срещани на Земята елементи, т.нар. редкоземни елементи. Това е група от 17 химически елемента предимно от групата на лантаноидите, които не се концентрират в минерали и в резултат на това икономически изгодните им находища са малко.

Независимо от трудността по извличането им, свойствата, които притежават част от тези елементи, ги прави съществен фактор в развитието на съвременните технологии.  Итрият и европият имат важно приложение при направата на светодиоди и CRT дисплеи. Лантанът  се използва в никел метал-хидридните батерии на съвременните хибридни автомобили. От неодим се правят най-силните постоянни магнити, които се влагат къде ли не. Диспросият пък е необходим за надеждното съхранение на данни в твърдите дискове… 

Списъкът с приложения на редкоземните елементи е неизчерпаем. От друга страна обаче добивът им е свързан със сериозно увреждане на околната среда. А също така запасите на някои от тях се оценява да привършат до 2500 години при сегашния темп на добив [4]. Така че е не е лоша идея да започнем да се оглеждаме за извънпланетарни находища още днес.

Космическият рудодобив определено не е нещо, което ще се случи утре или вдругиден. Все още идeята е в зародиш и най-често хората си представят добив на ценни метали от метеорити. Защото голяма част от малките скални парчета, хвърчащи из Слънчевата система, всъщност са съставени от метали (включително благородни), примесени със скали, или в самороден вид. Редкоземни елеменети обаче едва ли има кой знае колко в тях. А на Луната? И по-точно – има ли ги там в такива големи количества, които биха оправдали лунния рудодобив?

Към момента този въпрос е доста противоречив. В скалите, донесени от Луната, действително има следи от редките елементи. Но… те са дори в по-малки концентрации, отколкото на Земята. Освен това различните мисии, картографирали Луната (като Lunar Prospector), не са открили залежи на редкоземни елементи по лунната повърхност, които да си заслужават рудодобива.

 И все пак още има място за оптимизъм. Оказва се, че на определени участъци от Луната (и по точно – Океанът на бурите и Морето на дъждовете) концентрацията на редкоземни елемнти е по-висока от тази по останалата повърхност (вж. KREEP). Напълно възможно е бъдещи мисии, които ще извършат картографиране с по-добра резолюция в тези участъци, да открият точки, където съдържанието  на редкоземни елемнети е много високо. Разбира се, напълно е възможно и нищо да не открият…

Карта на концентрацията на торий в близката и далечната страна на Луната въз основа на данни от Lunar Prospector (1999). Торият, макар и сам по себе си не е редкоземен елемент, е добър индикатор за наличието на такива елементи – минералите, в които се открива, обикновено включват и редкоземни елементи. Прави впечатление концентрацията на торий в Океанът на бурите и Морето на дъждовете. За съпоставка имайте предвид, че средно в земната почва, количеството на тория е около 6 ppm [5]. Изображение: NASA / Lunar Prospector

Хелий-3 или много шум за нищо

Говорейки си за полезни изкопаеми на Луната, дойде време да отворим дума за черешката на тортата в лунния асортимент от суровини. Това е екзотичният изотоп на хелия – хелий-3.

Хелий-3 се намира на пресечната точка между науката и научната фантастика. Ако се оправдаят очакванията към този изотоп, то той би могъл да разреши енергийните проблеми на човечеството, предоставяйки ни Светия граал на енергетиката – чиста и евтина енергия.

За разлика от обикновения невзрачен хелий, който разполага с два неутрона и два протона в ядрото си, хелий-3 има два протона и само един неутрон. Което, като изключим протия (изотоп на водорода – единичeн  протон), го прави единствения стабилен изотоп, при който протоните са повече от неутроните. Хелий-3 интригува хората с теоретичната си способност да участва в термоядрени реакции, без при това да се отделя  йонизираща радиация под формата на високоенергийни неутрони.

Ядрен синтез на хелий-3 и деутерий (изотоп на водорода с два неутрона). Продуктите са обикновено хелиево ядро (α-частица) и протий. Изображение: https://prometeon.it/production-of-helium-3-new/

Този изотоп обаче е изключително рядък на Земята. Практически той не се среща в природата (всъщност дори обикновеният хелий е доста оскъден ресурс) и почти изцяло се добива по „изкуствен“ път.

Как става това е доста любопитно. Тритият, който е важен компонент от ядрените бойни глави, има период на полуразпад от около 12 години, при което се превръща в хелий-3. Така че докато стоят в ядрените арсенали, у ядрените глави се натрупва хелий-3, който намалява поразяващата им способност и периодично трябва да се заменя със свеж тритий. Ето така се сдобиваме с хелий-3. Само че след края на Студената война, броят на ядрените оръжия бе съществено съкратен. И това се отразява доста негативно върху добива на хелий-3, който освен ценния си потенциал има и важно приложение в науката и медицината.

Днес годишно се добиват няколко килограма хелий-3 на цена от около хиляда долара на грам. Но ако искаме да си обезпечим енергетика с този ресурс ще са необходими тонове всяка година. Само че откъде да ги вземем?

Като че ли нашият естествен спътник крие неочакван коз. Слънчевият вятър, който носи със себе си и частици хелий-3, от милиарди години ги отлага в лунния реголит. Имайки предвид, че повърхността на Луната  също не се е променяла кой знае колко от милиарди години, това означава, че всичкият този хелий-3, довлечен там от слънчевия вятър, се намира равномерно разстлан по цялата лунна повърхност. Говорим за повече от милион тона хелий-3 на Луната според някои оценки [6].

Значи ли това, че на Луната е заровен ключът към чистата и свободна енергия? Ако се обърнем към научната фантастика отговорът определено е положителен, но реалността ни налага далеч по-трезва преценка. Пред розовите очила на лунния хелий-3 стоят няколко сериозни проблема, нерешени към днешна дата:


  1.             Контролираният термоядрен синтез, при който се получава повече енергия, отколкото се вкарва, все още е далечен блян. Въпреки десетилетните усилия и огромно финансиране това е тъжен факт, който едва ли ще се промени в рамките на века. Дори най-напредналите  проекти за  термоядрен синтез – NIF, ITER, Wendelstein 7-X – имат за цел по-скоро да проучат условията, при които се случва синтезът, отколкото да създадат икономически ефективен реактор.
  2.             Освен това всички тези проекти се опитват да получат най-простия  тип термоядрен синтез  – този на деутерий с тритий. Тази реакция може да се осъществи при сравнително по-ниска температура на плазмата, което опростява реактора от конструктивна гледна точка. При реакция на деутерий с хелий-3 температурата е много по-висока и още по-висока при синтез на хелий-3 с хелий-3. Това се дължи на факта, че колкото повече протони има в ядрата на синтезиращите елементи, толкова по-труден е синтезът между тях.
  3.             За капак на всичко дори да имахме технологията за синтез на хелий-3, най-вероятно щеше да се окаже, че добивът му на Луната е твърде неефективен. Причината е, че ценният изотоп се намира в тънък слой от лунния реголит, а концентрацията му е толкова нищожна, че ще трябва да се обработват огромни площи от повърхността на спътника ни. Някои изследвания показват, че за да получим 1g хелий-3 трябва да обработим 150t лунен реголит! [7]

Заключение – колкото и да е привлекателна идеята, хелий-3 никак не може да оправдае икономически повторното завръщане на хора на Луната. Но поне дава поле за изява на авторите на научна фантастика.

Плюсовете и минусите на лунната колонизация

След всичко дотук вероятно се убедихте, че залежите на ценни материали на Луната не са достатъчна причина да се върнем там. Тоест, отсъства икономическо основание за човешки посещения на Луната, ала все пак има някои фактори, които биха благоприятствали създаването на една лунна база. Ето някои от тях на първо четене:


  1. Построяването и поддържането на лунна база би позволило провеждането на ценни научни експерименти. Тук вече имаме прецедент – започната през далечната 1998 г., днес Международна космическа станция по някои оценки вече е най-скъпият обект в историята на човечеството.  МКС е терен на уникална изследователска дейност в космически условия, но съвсем скоро  (около 2030 г.) ще изтече експлоатационният й срок. Все още не е много ясно какво ще я замести, но построяването на лунна база изглежда като логична следваща стъпка. Макар и повечето ефекти на живота в безтегловност и космически условия вече са изучени, една база на Луната все пак би била ценна с  това, че ще бъде един вид „преходно звено“ между космическа станция и наземна станция. Там може да се експериментира при по-ниска сила на тежестта, отколкото на Земята, но по-висока от безтегловността в орбита. А това, че базата се намира на друго космическо тяло, би спестило пари от непрекъснато снабдяване с гориво, необходимо за маневриране и поддържане на височината на космическите станции. Също така би направило възможно строежът на сложни и масивни конструкции, стабилно разположени на повърхността или под нея, където като допълнителен плюс ще бъдат защитени от непрестанната бомбардировка на микрометеорити и изолирани от големите температурни вариации. И още нещо – ако случайно искаме да създадем наистина големи космически обсерватории, то Луната май предлага най-добрите условия за тази цел…
  2. Втора евентуална причина за построяването на лунна база е чисто геополитическа. С такова действие някоя достатъчно сила държава (като САЩ или Китай) би могла да „маркира територия“, която може и да не носи никаква изгода към момента, но в дългосрочен план – кой знае? Подобен сценарий обаче не е много вероятен, защото построяването и поддържането на лунна станция би глътнало финансови средства, които не са по силите на нито една държава. Единственият реалистичен вариант за изграждане на такава база е тя да бъде плод на международно усилие като МКС.
  3. База на Луната поне на теория би могла да бъде и ценна стартова площадка за ракетни мисии към планетите от Слънчевата система. Все пак лунната гравитация е около 6 пъти по-малка от земната, а това означава, че ракетите, които ще се изстрелват от там ще са шест пъти по-леки от земните им еквиваленти. Всъщност дори още по-леки, тъй като на Луната няма въздушно съпротивление, с което да се борят ракетите. E, икономията се губи, ако ще трябва да транспортираме ракетите и товара от Земята към Луната, но ако голяма част от тях бъде произведена на самата Луна, то това наистина би могло да бъде изгодно.

И все пак заселването на хора на Луната и дори кратковременните посещения на спътника ни са свързани с определени затруднения, които правят задачата още по-трудна.

На първо място това са рисковете за здравето, произтичащи от пребиваването на Луната. За разлика от Земята или дори космическите апарати в ниска орбита, Луната не разполага с никакво магнитно поле или атмосфера, които да спират високоенергийните частици, идващи от Слънцето и от Галактиката. В резултат радиационният фон на повърхността на Луната е многократно по-голям от този на Земята.

Голата лунна пустош е изложена на високо радиационно въздействие.

Тук на Земята за една година сме изложени на около 3 mSv йонизиращо излъчване, от което 2.4 mSv се дължат на естествени източници. На луната само космическото лъчение е отговорно за 110 до 380 mSv годишно в зависимост от това дали се Слънцето е в максимум или в минимум на своята активност (по време на минимум магнитното поле на звездата ни е по-слабо, така че повече високоенергийни частици от Галактиката достигат до нас, повишавайки радиационния фон). [8]

Отделно от това радиационната доза при мощни слънчеви бури може да достигне 1 Sv на лунната повърхност. Тоест, при неблагоприятно „космическо време“ на Луната човек би могъл да получи стотици пъти по-висока радиационна доза, спрямо това, на което ще бъде изложен на Земята. Доза, достатъчна да предизвика лъчева болест, макар и с не непосредствен летален край [9].

Средната радиационна доза, получена от екипажите на мисиите “Apollo”, по време на престоя им на Луната и пътуването им дотам и обратно. За сравнение – за една година на Земята получаваме около 0,3 rad. Изображение: https://www.nasa.gov/pdf/284273main_Radiation_HS_Mod1.pdf

 И още нещо – поглъщайки високоенергийни частици от космоса Луната отдава вторично гама излъчване, което дори я прави най-яркият източник на гама излъчване на земното небе [10].

Така че ако искаме хора да пребивават на Луната, без това да съсипва здравето им, ще трябва да им направим добре изолирани с олово и други подобни материали станции.

Но за да стигнем изобщо до това положение, трябва да бъде намерен отговора на друг важен въпрос.

Има ли вода на Луната?

На пръв поглед това звучи абсурдно. Все пак на Луната няма атмосфера, която да задържа тази вода, така че изглежда напълно логично всяка водна молекула, случайно озовала се там, отдавна да се е изпарила обратно в космоса. И точно това би се случило, ако не беше една щастлива особеност. На лунните полюси има кратери, чиито дъна не са били огрявани от слънчева светлина в продължение на милиарди години. Време, през което в тях са се разбили още кой знае колко комети и астероиди, съдържащи голямо количество лед, който би трябвало да си е все още там и досега.

На теория в тези сенчести кратери би могло да има стотици милиони тонове лед [11]. А това е добре дошло за една лунна база. Защото водата е много повече от ресурс, без който не можем да живеем.  Всъщност тя е космическия еквивалент на нефта. Освен, че има безброй индустриални приложения (например без нея екстрацията на метали от рудата в хипотетичния лунен рудодобив би била мнооого трудно начинание), водата може да послужи и за създаване на ракетно гориво. Рецептата е проста – взимате вода и я разлагате чрез електролиза на водород (гориво) и кислород (окислител). И воала – хем ни е по-изгодно да изстрелваме ракети от Луната заради малката гравитация, хем не е нужно да мъкнем горивото там, защото ще го произвеждаме на място от водата. Дали пък няма да се окаже, че има хляб в лунното колонизиране?

Вероятни местонахождения на воден лед в кратерите около южния полюс на Луната според измервания на лунния съгледвач LRO с инструмента му Lunar Exploration Neutron Detector (LEND). Изображение: NASA/LRO

Но… Изследванията по този въпрос далеч не са толкова категорични, колкото би ни се искало. В края на 90-те спектроскопът на Lunar Prospector откри в кратерите на южния полюс следи от водород, но остана загадка дали този водород се съдържа във воден лед или се намира по формата на хидроксилни фрагменти в състава на скалите. По-късно при разбиване на сонди в полюсните кратери апарати като Чандраян-1 и LRO/LCROSS установиха, че действително има следи от воден лед в отломките, вдигнати при ударите. Само че не става дума за лед, дошъл от масивни еднородни ледени късове, а по-скоро фини ледени кристали, примесени с лунния реголит. Така че ако изобщо има вода във вечно тъмните кратери на Луната, то най-вероятно тя е в прахообразно състояние, смесена хомогенно с реголита.

В края на краищата, единственият начин да сме сигурни какво точно има там е да отидем и да видим с очите си. Или поне да пратим роботи, които да се разходят вместо нас. Защото въпреки десетилетията на изследване Луната все още пази доста тайни.


Източници:

[1] https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=mdp.39015084762718&view=1up&seq=1277

[2] https://history.nasa.gov/SP-4029/Apollo_18-16_Apollo_Program_Budget_Appropriations.htm https://history.nasa.gov/SP-4221/ch6.htm

[3] https://arstechnica.com/science/2013/04/how-nasa-brought-the-monstrous-f-1-moon-rocket-back-to-life/2/

[4] https://www.mdpi.com/2079-9276/6/3/40

[5] https://www.atsdr.cdc.gov/toxfaqs/tfacts147.pdf

[6] https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.13182/FST92-A29718

[7] http://fti.neep.wisc.edu/pdf/wcsar9311-2.pdf

[8]  http://adsabs.harvard.edu/abs/2012P%26SS…74…78R

[9]. http://www.chernobylgallery.com/chernobyl-disaster/radiation-levels/

[10] https://www.universetoday.com/143183/when-it-comes-to-gamma-radiation-the-moon-is-actually-brighter-than-the-sun/

[11] https://www.nasa.gov/mission_pages/Mini-RF/multimedia/feature_ice_like_deposits.html

Categories
Наука

Какво са белите дупки и какво би означавало тяхното разгадаване

Всеки е чувал за черни дупки. Те са неизменна част от научната фантастика, като са им преписвани множество свойства – от хипер-пътуване в пространството и времето, до портал към паралелни измерения. В реалния свят те представляват загадка, за която повече можем да спекулираме, от колкото знаем. За първи път споменати от учения Шварцшилд, който се позовава на Общата теория на относителността на Айнщайн, тяхното съществуване бе доказано през 2015 година, чрез засичане на гравитационните вълни причинени от тях.

Източник: The SXS (Simulating eXtreme Spacetimes) Project

Но едва по-рано тази година, близо век след тяхното теоретично предсказване, учени от института Макс Планк успяха да заснемат първата черна дупка.

Източник: Event Horizon Telescope Collaboration
На снимката се вижда как черната дупка (в средата) привлича чрез изключително силната си гравитация светлината около нея. Тази черна дупка се намира в центъра на галактиката М87, която е на приблизително 53,5 милиона светлинни години отдалечена от нас.

Поредното реално потвърждение на изчисленията свързани с Теорията на относителността навежда на въпроса дали и други базирани на нея хипотези са истина, като сходните, но и противоположни на черните дупки – бели дупки. Какво представляват те и защо тяхното разгадаване е ключово за развитието на съвременната физика, ще разберете в следващите редове.

Същност

Теорията за белите дупки се ражда от математическите уравнения произлезли от Теорията на относителността. Те представляват „преобърната” черна дупка, която има аналогични характеристики, като сингулярност в центъра (точка с маса с безкрайна плътност, където законите на нютоновата физика не са валидни) и хоризонт на събитията. Черните дупки са „черни” поради огромното им гравитационното поле, което не позволяват на каквото и да е лъчение да се изтръгне от хоризонта на събитията и затова ние виждаме черна дупка, или липса на светлина. А белите дупки, като техен антипод, са назовани с противоположния цвят – бялото, защото тяхната най-съществена характеристика е, че те изхвърлят материя с висока скорост и произтичащите от това лъчения (вкл. светлина). А от гледната точка на четвъртото измерение – времето, те могат да се възприемат като черни дупки, за които времето тече обратно.

Теоретично погледнато, идеята за белите дупки има един вроден недостатък, и той е, че материята изхвърлена от тях притежава гравитация и би следвало да се самокомпресира в момента на нейното отделяне. Това ще доведе или до превръщането на бялата дупка в черна, или до нейната експлозия. (Коментар: Би било възможно в състояние на обратно протичане на времето гравитационните вълни да имат обратна посока и така да се осъществява изхвърлянето на материята. Но имайки в предвид зародишното състояние на разбирането ни за гравитацията, тази идея няма как да бъде изследвана в момента.)

Енигмата на белите дупки се крие и във факта, че са толкова трудно откриваеми, дори и да съществуват. Както бе споменато по-горе, те имат хоризонт на събитията. При черните дупки това е областта около тях, от където нищо не може да избегне гравитацията им и бива „засмукано”. Това е и черното петно, което ние наричаме черна дупка. За белите дупки, хоризонтът на събитията представлява заобикалящата ги област, от която нищо би могло да ги достигне. Това се отнася и до светлината, и  означава, че ние не бихме могли да ги видим. Някои смели умове дори си позволяват да спекулират, че поради този феномен е възможно  съществуването на малки и неоткриваеми джобни вселени (pocket universes) или, че нашата вселена би могла да е такава.

Към днешна дата има едно явление, за което е смятано, че най-логичното обяснение за него е бяла дупка. Това е хибридното избухване на гама лъчи GRB 060614 в съзвездието Индианец през 2006 година, което въпреки дългата си продължителност, има характеристиките на кратко избухване на гама лъчение. Т.е. този консенсус е постигнат поради липса на по-подходящо обяснение.

Избухването GRB 060614. Източник: ESO

 

Хипотези за тяхното възникване

Белите и черни дупки са свързани посредством портал (червеева дупка).

Белите дупки все още са считани за математическа хипотеза, т.е. за несъществуващи. На теория те могат да възникнат само във вакуум, но по този начин те не биха били направени от нищо и следователно не биха могли да съществуват. И все пак, спекулации за тяхното наличие не липсват. Една от възможностите е те да са скачени към черните дупки, като двете страни на една монета, свързани чрез портал или т.н. червеева дупка. Чрез използването на ротацията на сингулярността в центъра, би било възможно да се премине от черната дупка през бялата и с това в друга част от вселената, друго време, или в изцяло друга вселена. Най-подкрепяното твърдение е, че белите дупки са портал към същата вселена, но където времето тече на обратно. И все пак, тази идея използвана в научната фантастика не би могла да бъде възпроизведена в реалността, понеже материята засмукана от черната дупка би разрушила свързващия тунел. (Това би било възможно само при наличието на хипотетичната екзотична материя, която има негативна енергия.)

Предположение как би могла да изглежда една червеева дупка. Източник: © edobric | Shutterstock

Ащекар предлага алтернативна интерпретация на червеевите дупки, която компенсира споменатите недостатъци. Той предполага, че сингулярността не съществува. Вместо това, гравитацията постепенно намалява, като на края се „излиза ” от черната дупка през бялата.

Белите дупки възникват от умрели черни дупки

Хагард и Ровели предполагат, че те произлизат от черните дупки, но времето необходимо да се случи това е квадрилион  пъти възрастта на нашата вселена. С цел разгадаване на белите дупки, те излизат извън конвенционалните схващания, като предлагат алтернатива за същността на вселената. Примковата квантова гравитация (loop quantum gravity) обединява Общата теория на относителността и квантовата механика, като предлага основните градивни частици на времепространството да са примки. Тези структурни единици биха възпрели сингулярността на една черна дупка да рухне под собствената си гравитация, а като се достигне лимита на разграждане на материята до тези примки, каквото и да било допълнително налягане би причинило отскок на материята, или черната дупка би се превърнала в бяла. Възможно е това да се случи само за една милисекунда, но поради хоризонта на събитията и поради времевото изкривяване в следствие на гравитационните сили, за всеки страничен наблюдател това би траело квадрилион билиона години. Това означава, че белите дупки може и да съществуват, но е твърде рано, за да бъдат наблюдавани.

Посредством този модел, същият екип от учени предлага интерпретация за структурирането на вселената. Те твърдят, че в хомогенната и изотропна първична вселена след Големия взрив, именно бели дупки са причинителите на скупчване на материя в галактики и галактически струпвания (клъстери). Екипът на Ровели се базира на теории от 60те и 70те години, които считат, че секунди след Големия взрив, поради неконсистенции и колебания из първичната материя, се раждат миниатюрни първични черни дупки, а след смъртта си се превръщат в миниатюрни бели дупки. Поради малката маса, този процес би се случил за кратко време.

В по-мащабен аспект, Големият взрив също би могъл да се интерпретиран като бяла дупка, а всяка последвала бяла дупка може да се възприема като Малки взривове или ядра със закъснение. Ако това е вярно, то това означава, че Големият взрив произхожда от мега черна дупка, която е съществувала в една предна вселена. Това е и хипотезата за Големия отскок. Но поради липсата на наличие за свиване на вселената и потенциалната ѝ концентрация в огромна черна дупка, която да даде живот на една нова „отскокна” вселена, тази хипотеза няма много привърженици.

Отговор на парадокси

Защо учените се занимават толкова отдадено с хипотезата за белите дупки? Вярва се, че те са разковничето на един проблем обхващащ физиката свързана с черните дупки – техния информационен парадокс. Един от физическите постулати е, че информация от какъвто и да е вид не може да бъде изтрита. Но в Теорията на относителността, всичко което е прихванато от гравитацията на едно черна дупка не може да избяга. Тези две твърдения не си противоречат, ако всичко привлечено от черната дупка се складира в нея. Но Стивън Хокинг открива Хокинговата радиация през 70те години, което означава, че черните дупки се изпаряват с времето и биха изчезнали ако не поглъщат достатъчно материя. Парадоксът тогава е, какво се случва с тази информация? Ако черните дупки се превръщат в бели, това означава, според Хагард, че информацията не е загубена, а се възстановява.

Друг парадокс, който може да бъде разрешен посредством белите дупки е за наличието на черната материя. Според Ровели и Видото, възможно е микроскопични бели дупки да представляват по-голямата част от черната материя във вселената. Понеже те са по-малки от честотата на трептене на светлината, те би трябвало да са невидими, да нямат лъчение и да бъдат отблъсквани от елементарните частици, които по случайност се натъкват на тях.

Какво би допринесло разгадаването на мистерията на белите дупки?

Един от основните проблеми на теорията за белите дупки е, че все още не разполагаме с достатъчно информация, за да можем да правим обосновани предположения, които могат да подлежат на проверка. В сингулярността, законите на класическата физика са невалидни, понеже мощната гравитация разпада материята до нейните най-базисни съставни частици, където действат все още неразгаданите закони на квантовата физика. Според учения от Колорадския университет Андрю Хамилтън, разнищването на същността на гравитацията и намирането на универсални физически закони, валидни на квантово и стандартно ниво, би опосредствало доказването на белите дупки. Но и обратното би било възможно – при откриването на бяла дупка, би било възможно да разгадаем загадки на вселената като кои са повсеместните физически закони, кои са най-базисните частици, как се е родила вселената, защо времето тече само в една посока, има ли други измерения и много други.

Източници:

Categories
Наука

Портрет на българския конспиратор

Тези от вас, които следят нашия блог от по-отдавна, знаят, че темата за конспиративните теории винаги ни е вълнувала. Опитвали сме се да дадем аргументиран отпор на някои актуални конспирации или да анализираме предпоставките за възникване на подобни теории. Но времето показва, че практическият смисъл от тези усилия е съмнителен. В действителност хората са предварително настроени „за“ или „против“ дадена конспиративна теория и в много малка степен се влияят от логически аргументи или доказателства, които си се постарал да събереш по темата.

Ето защо вече рядко се занимаваме с разнищването на конспиративни теории – просто не си струва усилията. Един въпрос обаче продължава да ни интересува. Що за птици са хората, които вярват в конспиративни теории? Много ли са? В какво точно вярват? Дали вярват наистина или просто така – за да се правят на по-интересни? Е, добре, де, не е точно един въпрос, но идеята ни е, че въпреки повсеместната медийна гръмливост на всевъзможни конспирации, всъщност ние знаем малко за мисленето на хората, които са склонни да ги приемат за истина.

Анкета за конспирации

Ето защо решихме да проведем малко социологическо проучване, което да покаже доколко популярни са конспиративните теории у нашето общество. Мнозина смятат, че като цяло сме подозрителни, конспиративно настроени и ирационални, a предишни проучвания като че ли затвърждават това схващане.

Но ние ще се постараем да бъдем по-конкретни.

Ще се спрем единствено на псевдонаучните конспиративни теории (все пак сме научен блог) и няма да се занимаваме с онези конспирации, които имат политически или мистичен оттенък. Ще се опитаме да разберем доколко информирани са конспиративно настроените хора, доколко рационално мислят те, правят ли прибързани заключения и изпитват ли нужда да се чувстват специални.

За да разберем всичко това, си измислихме анкета. Можете да видите въпросите в нея ето тук. В идеалния случай трябваше да я пуснем на група произволно избрани българи, но понеже не сме социологическа агенция направихме следващото най-добро нещо – пуснахме я във Фейсбук. Така че всъщност анкетата ни e представителна за това колко конспиративна е онази част от българите, които са социално активни в глобалната мрежа.

В анкетата ни взеха участие 273 българи на възраст от 16 до 55+ години, което е предостатъчно, за да претендираме за представителност на нашето допитване. На всички участници екипът ни изказва своите искрени благодарности.

А конспиративните теории, за които ги питахме, са следните осем:

Нашите респонденти имаха правото да избират между пет отговора, които показват отношението им към тези хипотези – твърдо отрицание, умерен скептицизъм, липса на мнение или колебание, умерено съгласие и  твърда подкрепа. Въз основа на тези отговори ние разграничихме три профила:

  • Хората-противници на конспиративните теории – тези, които са заявили, че не вярват в нито една от изброените конспирации;
  • Умерените конспиратори – тези, които са заявили, че вярват в максимум две от осемте посочени конспирации;
  • Твърдите конспиратори – тези, които заявяват, че вярват в три или повече конспиративни теории.

Резултатите

Оказа се, че различните конспиративни теории се радват на различна популярност. Най-любима за българите във Фейсбук е конспирацията за HAARP и идеята, че можем да контролираме времето или да правим земетресения. Общо 59 процента от нашите респонденти заявяват, че вярват в това или допускат, че то може да е вярно. Още конспиративни теории с около 50% доверие са вярата в извънземните (54%) и  вярата в химическите следи на самолетите – кемтрейлс (45%). Изглежда сякаш нашите статии срещу конспирациите HAARP и кемтрейлс не са свършили кой знае колко работа…

Ето така изглеждат резултатите на нашето допитване за осемте конспиративни теории, подредени отгоре надолу според доверието, което имат хората в тях:

Както виждате някои от конспиративните теории са посрещани със здрав скептицизъм. Актуалният абсурдизъм на теорията за плоската Земя се радва на одобрението на едва 2% от нашите сънародници. Изненадващо  за нас също така се оказва, че само 11% от респондентите ни вярват във вредата от ваксините – нашите очаквания бяха за доста по-висок процент.

Въз основа на отговорите, които получихме, можем да заключим, че едва около една пета от българите заявяват, че не вярват в никакви конспирации (поне тези от нашия списък). Като трябва да имате предвид, че броят на онези, които твърдо не вярват, е още по-малък. За сметка на това групата на хардкор конспираторите, които вярват в няколко от изброените конспирации, достига 37%.

Така че – да, потвърдено е. Българите (или поне тези във Фейсбук) определено сме конспиративно настроени.

Конспирации по пол и възраст

Нашата разбивка според пола на респондентите ни показва, че мъжете и жените са кажи-речи еднакво конспиративно настроени. Няма конспиративна теория, която да се харесва повече на представителите на силния или нежния пол. Напротив, разпределението навсякъде е идентично. Единствената особеност тук е, че като че ли мъжете са по-склонни да заемат крайни позиции по поставените въпроси (т.е. те са по-склонни да бъдат крайни конспиратори или крайни отрицатели), докато мнението на жените не е толкова категорично.

Разбивката по възраст обаче показва интересна тенденция. Изглежда, че най-големите конспиратори всъщност са най-младите участници в анкетата  ни от възрастовата група под 18 години. И колкото по-възрастни са респондентите, толкова по-склонни са да не вярват в конспиративни теории. При най-възрастните (над 55 години) процентът на противниците на конспиративни теории дори надминава този на крайните им привърженици – единствената възрастова група, при която се наблюдава това.

Дали  този тренд е изненада или не – ще оставим на вас да прецените. От една страна младите (поне на теория) би трябвало  да се ориентират по-добре из дебрите на глобалната мрежа в сравнение със своите дядовци.  От друга страна те са по-„пънкарски“ настроени, както и по-податливи към внушения да вярват в нещо си.  Все особености, които с течение на годините отстъпват място на скучноватия прагматизъм.

Конспирации и образование

 Считаме, че ролята на образованието е решаваща за това дали човек ще стане конспиратор, или не. При това тук са възможни две хипотези. При едната предполагаме, че колкото повече се образова човек, толкова повече се отърсва от заблудите и му се отварят очите за “реалното положение на нещата“ – т.е. следва да очакваме, че конспираторите са високообразовни, при условие че хипотезите им са правилни. При другата хипотеза предполагаме  същото, но с тази разлика, че „реалното положение на нещата“ противоречи на конспиративните теории. Следователно, по-вероятно е конспираторите да не са високообразовани.

Очаквано или  не, отговорите на нашата анкета потвърждават втората хипотеза. Едва 6 процента от хората с основно образование (предимно ученици, ако трябва да сме честни докрай) не вярват в никакви конспиративни теории, докато  при висшистите тази група  е 28% и почти се изравнява с групата на крайните конспиратори. Между другото, любопитен нюанс тук внасят онези респонденти, които по някаква причина са пожелали да не споделят какво образование имат. Такава реакция сама по себе си навява асоциации за конспиративно мислене, което се потвърждава и от факта, че хората с профил на конспиратори в тази група са цели 89%.

Образованието, което имаш, обаче разкрива само половината картина. Другата половина се крие в отношението, което изпитваш самият ти към него. Именно затова в анкетата ни съществува следният въпрос: „Считате ли, че знанията по естествени науки, получени в училище, са ви помогнали да разберете по-добре света, в който живеем?“

Отговорите, които сме получили, прекрасно илюстрират недоверието, което изпитват конспираторите  към системата на образованието. За отбелязване все пак е, че и при трите профила преобладава положителното мнение за придобитите знания в училище. Но при твърдите конспиратори това мнение се споделя от 52%, докато при противниците на конспиративните теории тази група е цели 89%.

Конспирации и информираност

Едва ли някой би отрекъл, че въпреки призванието си медиите често изнасят заблуждаваща, неточна или направо лъжлива информация на принципа „сензацията продава“. Така те се превръщат в естествена среда за разпространение на конспиративните теории. И тук нямаме предвид единствено откровено жълтите издания и телевизии, станали синоним на fake news. Напротив, в непочтената игра на опростяване и изопачаване на истината много често взимат участие големите обществени медии и дори онези, които се кипрят с етикета „научно-образователни“. Но това е тема за друга статия. По-интересно в случая е да разберем каква част от информацията за околния свят нашите респонденти получават от масовите медии.

Затова ги питаме колко време прекарват пред телевизора. Добрите новини са, че явно телевизията губи позицията си на традиционно най-силна медия и основна форма на развлечение, защото повечето хора от всички групи заявяват, че гледат телевизия по-малко от час дневно. Тук почти няма разлика между конспиратори и антиконспиратори, така че очевидно телевизионният екран няма кой знае какво отношение към формирането на възгледите им. Всъщност може би въпросът трябваше да бъде „колко часа дневно прекарвате във Фейсбук“…

В този дух е другият ни въпрос, в който питаме респондентите ни откъде черпят информация относно новостите в технологиите и науките. Целта е да разберем:

1) доколко изобщо те се интересуват от тази тема;

2) колко качествени са източниците им на информация.

Отговорите, които получаваме на този въпрос, поне за нас са много показателни. Оказва се, че всъщност огромното мнозинство от българите във Фейсбук (между 90 и 95% в отделните групи) се интересува в някаква степен от новите неща в науката и техниката. При това най-голям дял на незаинтересованост отчитаме в групата на противниците на конспирациите, а най-малък – в групата на твърдите конспиратори. Изводът, който можем да си направим оттук е, че при хората с конспиративно мислене интересът към околния свят е не  по-малък или дори по-голям от този на противниците на конспирациите.

Но… конспираторите също така са по-склонни да се информират от най-повърхностните източници на информация – масовите медии, което означава, че рискът за манипулиране при тях е най-голям. 60% от твърдите конспиратори предпочитат да черпят сведения от неща като Фейсбук, докато при противниците на конспирации този процент е 38%. Противниците на конспирации от своя страна гледат най-много научно-популярни филми (34%) и четат най-много специализирани журнали (17%), които по принцип са най-качественият източник на информация. Това показва, че е по-вероятно именно хора от тази група да притежават задълбочен и реалистичен поглед по различни въпроси.

Конспирации и рационално мислене

Последните няколко въпроса от анкетата ни представляват кратък социален експеримент. Една част от тях цели да тества доколко респондентите ни са способни да мислят логически и да не правят прибързани заключения. Другата част пък служи да провери дали е развит стремежът за специалност у съответния индивид или  напротив – той е склонен да изпадне в конформизъм.

За да проверим склонността към рационално мислене на нашите респонденти, без да ги отегчаваме с дълги IQ тестове, използвахме теста на американския психолог Shane Frederick, леко видоизменен за българските реалии. Този  тест от три въпроса е известен и като „най-краткия IQ тест“. Въпросите в него всъщност са доста елементарни, но и коварни – ако човек е склонен към прибързани заключения е твърде лесно да се подведе. А ето ги и тях (както бяха изложени в анкетата ни):

  1. Баничка и боза струват заедно 1,6лв. Колко струва бозата, ако баничката струва с 1лв. повече от бозата?
  2. Двама работници сглобяват два часовника за два часа. За колко часа ще бъдат сглобени 20 часовника от 20 работници?
  3. Един бояджия боядисва стена. На всеки един час боядисаната площ се удвоява. За колко време ще бъде боядисана половината стена, ако цялата стена бъде боядисана за 8 часа?

Верни отговори – 1/ 0,3лв. 2/ Два часа 3/ Седем часа

Казват, че едва 17% от студентите в топ университетите на САЩ са способни да дадат правилен отговор на всички три въпроса в оригиналния тест. Е, нашите хора се справиха съвсеееем малко по-зле от топ студентите на САЩ – имаме 18% от всички респонденти, които са дали верен отговор и на трите въпроса. Но как са разпределени те в отделните групи? Ето така:

Или, ако презентираме резултатите като средноаритметична оценка (от 0 до 3), то отделните групи получават следните оценки:

Резултатите, както можете сами да се убедите, са сходни, но отново имаме ясно очертана тенденция. Най-много верни отговори (26%) и най-висока средна оценка (1,60) имаме в групата на противниците на конспирациите. Най-малко (9%) верни отговори и най-ниска средна оценка (1,17) са постигнати в групата на твърдите конспиратори. Умерените конспиратори пък се доближават по тези показатели повече до противниците на конспирации, но все пак се представят малко по-зле от тях.

Така че имаме основание да твърдим, че хората с конспиративно мислене са по-склонни към прибързани заключения и логически грешки.

Конспирации и психология

В самия край на нашата анкета се опитваме да надникнем и в психологията на конспираторите. Целта ни е да проверим дали са верни две често срещани твърдения:

1) Че хората с конспиративно мислене държат да се отличават от мнозинството и изпитват силна нужда да се чувстват уникални. Предишни проучвания застъпват именно подобна теза.

2) Че хората с неконспиративно мислене са склонни да приемат статуквото и да следват сляпо хора и идеи – т.е. че те са конформисти, коне с капаци и пр.

За да очертаем грубо психологическия профил на нашите участници, отново имаме три въпроса, адаптирани от класическия тест Need for Uniqueness на Snyder и Fromkin (1977):

  1. „Винаги се опитвам да спазвам правилата, дори когато не разбирам техния смисъл“. Отнася ли се това твърдение за вас?
  2. „Страхувам се да изразявам позиция, която не се приема от мнозинството“. Отнася ли се това твърдение за вас?
  3. „Когато работя заедно с авторитетен и опитен човек, предпочитам да не му противореча“. Отнася ли се това твърдение за вас?

На тези въпроси няма верни и грешни отговори. Но колкото по-съгласен/а сте с горните твърдения, толкова по-голям конформист сте, и  обратно – ако сте твърдо несъгласен/а с тях, то значи най-вероятно се изживявате като красива и неповторима снежинка.

Скáлата, която използваме за количествена оценка на резултатите, се основава на това, че отговор „твърдо да“ на тези въпроси носи 5т., докато „твърдо не“ – само 1т. Така всеки респондент получава някакъв резултат, на базата на който решаваме какъв е психологическият му профил. Ако той е събрал между 3 и 6т., значи обича да изпъква на фона на останалите; между 7 и 11т. е златната среда; а между 12 и 15т. получават конформистите, които се стремят да приличат на останалите и нямат собствено мнение.

Резултатите, които получихме тук, изобщо не оправдаха предварителните ни очаквания. Оказа се, че и трите групи (противници на конспираторите, умерени конспиратори и твърди конспиратори) получават почти идентични усреднени оценки (около 8т.), поставящи ги в златната среда, ала все пак по-близо до онези, които изпитват нужда да се чувстват уникални. При това със средна оценка  от 7,7т. най-склонни към нужда за уникалност са не твърдите конспиратори, както предположихме по-горе, а противниците на конспирациите.

Така че, поне според нашата анкета, е некоректно да се обобщават хората с неконспиративно мислене като конформисти – част от „стадото“, или пък конспираторите – като хора, които обичат да изпъкват и да се правят на интересни. Нещо повече – може би точно обратното е по-вярно.

Българският конспиратор е…

Ето че вече имаме достатъчно данни, за да обрисуваме масовите български конспиратори в Интернет. Това най-често са младежи с основно или средно образование, отнасящи се критично към знанията, давани в училище. Въпреки това критично отношение обаче те изпитват към околния свят силно любопитство, което предпочитат да задоволяват с публикации в Интернет вместо с дебели книги. Българските конспиратори разсъждават по-първосигнално и са по-застрашени от допускането на грешки поради прибързаност. Отнасят се с уважение към авторитетните мнения, но не се свенят да заявят и своето собствено.

80% от българите споделят по нещичко от този профил на конспираторите. 80% от хората, които ще срещнете днес, вашите роднини, приятели, най-вероятно и самите вие.

Categories
Наука

Динамика на полета – аеродинамични моменти

Какво е необходимо, за да изпълняват самолетите стабилен и едновременно с това управляем полет? Преди сме разглеждали основните сили, които ръководят полета на един летателен апарат. Вече знаем, че за да летим, трябва да противодействаме на гравитационната сила с подемна сила. A за да имаме подемна сила, трябва да се движим, тоест необходима ни е теглителна сила. На нея пък противодейства сила на въздушно съпротивление. От големината на тези четири сили зависи с каква скорост ще се движи летателният апарат и на каква височина ще лети.

Но, както ще разберем, сборът и разликата на силите разкрива само малка част от динамиката на полета на летателните апарати. Нещата щяха да са значително по-прости, ако равнодействащите на тези сили бяха приложени в една и съща точка от летателния апарат. В общия случай обаче това  условие не е изпълнено.

Нека разгледаме един стандартен пътнически самолет от рода на Boeing 737. Той има две полукрила, създаващи основната подемна сила, чиято резултантна се пада някъде в средата на центроплана. Самолетът разполага също така и с хоризонтален стабилизатор, който също създава подемна сила, приложена някъде в опашната част. Същевременно разпределението на товара в самолета – пътници, багаж, гориво – се променя при всеки полет, което означава, че се променя и центъра на тежестта на самолета. Той може да съвпадне с точката , в която е приложена подемната сила на крилото, но най-често е преди нея или след нея.

Несъвпадането на центъра на тежестта с точките, в които са приложени аеродинамични сили, води до възникването на въртящи моменти на тези сили спрямо него. Тези моменти се опитват да завъртят самолета около центъра му на тежестта. Което може да е желан ефект, ако въпросните моменти идват от управляващо въздействие, целящо самолетът да смени курса си, например. Но може и да е вредно явление, което пречи на изпълнението на стабилен и установен полет.

Така, още преди да сме навлезли по-детайлно в темата за въртящите моменти, подразбирате, че тяхната роля при изпълнението на полети е двояка. От една страна благодарение на тях самолетите изобщо са управляеми машини, от друга – те влошават устойчивостта на полета.

Център на налягането и аеродинамичен фокус

Появата на въртящи моменти в обтекаемите елементи от летателните апарати е естествено следствие от аеродинамиката на обтичането. За да разберем защо възникват и от какво зависият, ще започнем от най-простия пример – обтичане на крилен профил.

Припомняме, че заради напора на въздушния поток върху долната повърхност на профила (при положителни ъгли на атака) и заради ефекта на Бернули, налягането върху  долната повърхност на профила е по-високо от налягането върху горната повърхност. Разпределението му по протежение на профила изглежда така:


Разпределение на налягането на повърхността на профил Epler E64 при 2° ъгъл на атака. Изображение: https://www.mh-aerotools.de/

От тази картина добре се вижда, че предните участъци на профила са много по-натоварени от задните. А това всъщност означава, че има въртящ момент, който би завъртял показания профил по посока на часовниковата стрелка.  Само че колко голям е този момент и къде е приложен? Ще опростим малко нещата и ще заместим налягането с резултантната аеродинамична сила Ra, която съдържа в себе си подемната сила Ya и въздушното съпротивление Xa. Сега вече имаме един вектор, приложен в точка от профила, наречена център на налягането (center of pressure в англоезичната литература).

Знаейки къде е масовият център на профила, големината на аеродинамичната сила и точката, в която е приложена, можем да изчислим колко голям е всъщност моментът, който ще завърти профила. Но има уловка. Местоположението на центъра на налягането не е фиксирано. Ако увеличаваме ъгъла на атака, предните участъци на профила ще се натоварват все повече и центърът на налягане ще започне да се измества напред.

Изместване на центъра на налягане в зависимост от ъгъла на атака. Изображение: www.flightlearnings.com

Оказва се, че в зависимост от ъгъла на атака, центърът на налягане може да се намира преди, след или  да съвпадне с масовия център. И това са лоши новини, ако искате да изразите математически въртящия момент. A вие искате. Какво да се прави тогава?

Няма проблеми, за целта е измислен един трик. Той се базира на следното – докато центърът на налягане се измества напред, също така праволинейно нараства и аеродинамичната сила. Това означава, че съществува някаква точка в предната част на профила, за която произведението на разстоянието между нея и центъра на налягането, умножено по аеродинамичната сила, остава неизменно при всички докритични ъгли на атака. Или с по-малко думи: моментът спрямо тази точка не зависи от ъгъла на атака.

При симетрични профили и дозвукови скорости въпросната  точка се намира на около 25% от хордата на профила, мерейки от предния му ръб. Нарича се аеродинамичен фокус (aerodynamic center) и тъкмо той служи за математически анализ на въртящия момент, действащ върху профила. За целта се приема, че изменението на подемната сила на профила във функция на ъгъла на атака е приложено в аеродинамичния фокус.

Моментът спрямо аеродинамичния фокус остава постоянен, независимо от ъгъла на атака. Изображение: www.theairlinepilots.com

Надлъжен момент

Трикът с аеродинамичния фокус работи и при изразяването на въртящия момент, който изпитва един обтичан от въздуха планер. В този случай той се нарича надлъжен момент, защото предизвиква завъртане около надлъжната ос ОZ, насочена към дясното полукрило. Ако завъртането е в положителна посока (носът нагоре), надлъжният момент се нарича кабриращ, докато отрицателният надлъжен момент (носът надолу) се нарича пикиращ. (Между другото, ако не сте го сторили до сега, тук му е мястото да прочетете повече за координатните системи, използвани в аеродинамиката . В противен случай рискувате да се объркате сериозно надолу)

Надлъжният момент се бележи с MZ  (в англоезичната литература, където е известен като pitching moment, се отбелязва с MP) и се определя по формулата: MZ = MZ0 – Ya(xF – xT). Тук MZ0  е надлъжният момент при нулева подемна сила, YA е подемната сила,  xF  е координатата на аеродинамичния фокус, a xT e координатата на масовия център. И понеже в аеродинамиката не обичат да работят със сили, а с коефициентите на тези сили, то за коефициента на надлъжен момент имаме: mZ =(MZ / qSba) – CYa(xF – xT).  където q е скоростният напор 𝜌V2/2, S e площта на крилото в план,  ba e дължината на средната аеродинамична хорда на крилото*, CYa e коефициентът на подемна сила.

При малки ъгли на атака mZ  зависи линейно от изменението на CYa в зависимост от ъгъла на атака. Изхождайки от математичeския израз за mZ, са възможни три сценария за изменението му, в зависимост от това дали аеродинамичният фокус е преди, след или съвпада с масовия център.

Както виждате от графиката, с увеличаване на подемната сила (при нарастване на ъгъла на атака) нараства кабриращят момент, ако масовият център е зад аеродинамичния фокус (xF – xT < 0). Или пък се увеличава пикиращият момент, ако масовият център е пред аеродинамичния фокус (xF – xT > 0). В случай, че двата центъра съвпадат (xF – xT = 0), то коефициентът на надлъжен момент не зависи от промяната на ъгъла на атака.

Всичко това означава, че е почти невъзможно един планер, състоящ се от крило и центроплан, да изпълнява устойчив полет. С увеличение на ъгъла на атака летателният апарат или ще започне да пикира, или да кабрира. За да се преодолее това, е необходимо да измислим как да се неутрализира предизвикващия неустойчивост надлъжен момент. На пръв поглед изглежда, че за постигането на тази цел имаме два варианта – да се управлява  центърът на тежестта или да се мести аеродинамичния фокус на крилото. Само че и двата варианта са еднакво непосилни. Тогава?

Решението е да се добави допълнителна хоризонтална плоскост, чиято аеродинамична сила (преобладаващо подемна) да създава същия по големина и обратен по посока надлъжен момент спрямо масовия център, какъвто създава основното крило:  MZ х.п. =  – Ya х.п. Lх.п .  Двата надлъжни момента ще се балансират независимо от ъгъла на атака, тъй като той ще влияе по един и същи начин на подемната сила, както от крилото, така и от хоризонталната плoскост.

При това, забележете, че не е необходимо площта на тази хоризонталната плоскост да е голяма, колкото тази на крилото. Същият по големина момент може да бъде създаден и с малка площ на хоризонталната плоскост (и съответно малка подемна сила ), ако тя се разположи достатъчно далеч от масовия център, така че рамото  Lх.п  да компенсира малката подемна сила и да произведе съшия въртящ момент като този на крилото.

Може би вече се досетихте, че току-що разкрихме историята на хоризонталния стабилизатор. Причината той да съществува като задължителна част от самолетите с нормална конфигурация е, че без него те просто не могат да изпълняват установен полет. Е, има и такива самолети, които всъщност могат без хоризонтален стабилизатор (т.нар. схема „без опашка“), но за тях следващия път. Огромната част от самолетите имат хоризонтален стабилизатор в опашната си част („нормална схема“), защото при тях масовият център е след аеродинамичния фокус на крилото. Но самолети, при които аеродинамичният фокус на крилото е зад центъра на тежестта, имат стабилизатор в предната си част (схема „патица“).

Бойният самолет JAS 35 “Gripen” е типичен представител на самолетите по схема „патица“. Снимка: Wikimedia Commons/Creative Commons/Tim Felce

Управление на надлъжния момент

В класическия случай управлението по тангаж на самолетите (т.е. управлението на надлъжния им момент) се осъществява чрез хоризонталния стабилизатор (stabilizer) и  чрез кормилото за височина (elevator), прикрепенo шарнирно в края на стабилизатора. По-големите самолети имат и тримери (elevator tabs), намиращи се на изходящия ръб на елеваторите, които се използват за намаляване на усилието при преместването му.

Органи за надлъжно управление на самолет. Снимка: http://www.b737.org.uk

Хоризонталният стабилизатор обикновено е фиксиран при малките самолети, но при големите той може да променя ъгъла си на атака. Елеваторът от своя страна е стандартният механизъм за промяна на тангажа при всички видове самолети. Той също променя ъгъла си на атака към отрицателни и положителни стойности, при което създава съответно отрицателна или положителна подемна сила, която на свой ред създава кабриращ или пикиращ надлъжен момент.


Преместваем стабилизатор на самолет Embraer 170 с градуси за кабриране (Up) и пикиране (Down). Снимка: Wikimedia Commons/Creative Commons

С прибавения от органите за управление надлъжен момент,  надлъжният момент на целия самолет се изменя по линейна зависимост от ъгъла на атака (при докритични ъгли), също като надлъжния момент на крилото. Тази зависимост при различни ъгли на отклонение на стабилизатора и елеватора изглежда така:

Естествено, поради по-голямата си площ преместването на стабилизатора оказва по-съществено влияние върху надлъжния момент, отколкото преместването на кормилото за височина. Освен това на графиката виждаме, че за поддържане на балансиран полет (mZ = 0) при промяна на ъгъла на атака (изразен чрез коефициента на подемна сила CYa) елеваторът непрекъснато трябва да променя положението си. При малки ъгли на атака той заема положителни стойности, а при големи – отрицателни ъгли. Хубаво е балансировъчните отклонения да не са твърде големи или твърде малки. Ако са твърде големи, управлението е тежко и инертно, а ако са твърде малки – прекалено чувствително.

Тук му е мястото да споменем и една особеност при дизайна на хоризонталните стабилизатори. Вероятно сте забелязали, че като цяло има два широко разпространени варианта за разположение на хоризонталния стабилизатор. При класическия вариант стабилизаторът е закрепен директно към опашната част на самолета; при другия – хоризонталният стабилизатор се намира върху вертикалния стабилизатор в Т-образна комбинация.

Конвенционален vs Т-образен стабилизатор.

Защо съществуват два варианта? Защото при обтичането на крилото на самолета въздушният поток се отклонява надолу, при което се получава т.нар. скос на потока (или downwash, ако предпочитате английския пред руския).   Всичко, намиращо се зад крилото – в това число и хоризонталният стабилизатор – изпитва ефекта на този скос на потока, който се свежда до това, че все едно стабилизаторът се обтича при по-малък ъгъл на атака. Следователно, неговата ефективност намалява, а това, както можем да се досетим е нежелателно. Ефектът може да бъде до голяма степен минимизиран след множество симулации и тестове в аеродинамичен тунел, при което да се подбере подходяща локация за стабилизатора. Като цяло той се намира над равнината на крилото и колкото по-далеч е над тази равнина, толкова по-добре.

Скосът на потока намалява ефективният ъгъл на атака на хоризонталния стабилизатор. Изображение: [3]

Т-образният стабилизатор почти не изпитва влиянието на крилото. Той е много ефективен, което прави възможно да се намали площта и масата му. Но защо тогава това не е най-масовият вариант за стабилизатор? Може би заради многобройните „дребни“ недостатъци на тази конфигурация, които се забелязват при по-добро вглеждане и в крайна сметка накланят везните към другия вариант. Като затруднено обслужване заради височината, сложна система за управление на елеватора, структурни проблеми и не на последно място – възможността за изпадане в „дълбок срив“ на самолета.


Самолетите с Т-образен стабилизатор могат да изпаднат в незавидното положение на дълбок срив. При него смутен въздушен поток от излязлото в надкритични ъгли на атака крило започва да обтича стабилизатора и кормилото за височина става неефективно, така че то не може да се използва за излизане от сривния режим.  Изображение: Wikimedia Commons/Creative Commons

Попътен  момент

Тъй като динамиката на летателните апарати се описва по три оси, то следва да очакваме, че освен надлъжният момент съществуват и още два въртящи момента. Те причиняват завъртане около осите ОХ и ОY и се наричат съответно напречен момент МХ (roll moment) и попътен момент МY (yaw moment).

Ключово за разбирането на тези моменти е понятието “странична сила”. Това е вид аеродинамична сила, която е приложена странично на летателния апарат. Такава сила имаме, когато поради някаква причина летателният апарат не се обтича симетрично, а лявата или дясната част на фюзелажа му посреща част от въздушния поток. По характера си тя е подобна на подемната сила, но за разлика от нея не е приложена нагоре по оста OY, а наляво или надясно по оста OZ. И както подемната сила се дефинира от ъгъла на атака α, така страничната сила се дефинира от ъгъл на плъзгане – β (положителен, когато носът на самолета е отклонен вляво на въздушния поток).  При полет с плъзгане възниква странична сила, поради която се появяват моменти около оста ОY и OX.  Както ще видим по-нататък, те са до голяма степен взаимносвързани.

Да разгледаме първо попътния момент. Ако поради някаква причина (например порив на вятъра) носът на самолета се отклони наляво или надясно спрямо въздушния поток и се създаде ъгъл на плъзгане, ще се появи странична аеродинамична сила. Тя на свой ред ще се стреми да увеличи още ъгъла на плъзгане, тъй като обикновено страничният аеродинамичен фокус, в който е приложена, се намира пред центъра на тежестта. Ако не се противодейства на тази странична сила, летателният апарат ще изпита дестабилизиращ въртящ момент около оста OY.  За да не се случва това, се използва спомагателно полукрило, монтирано вертикално в опашната част – вертикалният стабилизатор.

Действието и функцията му  са подобни на тези на хоризонталния стабилизатор. Когато фюзелажът на самолета започне да се завърта заради попътен момент, вертикалният стабилизатор, който до този момент е бил обтичан симетрично и не е създавал странична сила, се отклонява на същия ъгъл на плъзгане като фюзелажа и съответно създава собствена странична сила, чийто въртящ момент противодейства на въртящия момент от страничната сила на фюзелажа. Принципно ситуацията е доста сходна с по-горе разгледаната компенсация на надлъжния момент.

Що се отнася до управлението на попътния момент – то се осъществява чрез преместване наляво или надясно на кормилото за направление (на английски – rudder), закрепено на изходящия ръб на вертикалния стабилизатор. Преместване надясно на кормилото за направление предизвиква отрицателен попътен момент (носът се отклонява надясно), а преместване наляво води до положителен попътен момент.

Дизайнът на класически вертикален стабилизатор представлява полукрило с малко удължение**, с което се цели да се повиши устойчивостта му към откъсване на потока  при големи ъгли на плъзгане. И все пак съществуват доста различни вариации и модификации на вертикалния стабилизатор.

Отгоре надолу – Piper PA-46, F-35 и Lockheed Constellation. Примери за единичен, двоен и троен вертикален стабилизатор.

Той може да бъде единичен (класически вариант) или многокомпонентен, което  прави възможно да се намали височината на стабилизатора за по-лесно прибиране в хангар на самолета и благоприятства разпределението на товара. Освен това вертикалният стабилизатор може да има част, която е закрепена за долната част на опашката – фалшкил (типичен пример – МиГ 23).  Фалшкилът, както и двойните V-образни стабилизатори, се използват най-вече при свръхзвуковите самолети, тъй като попътната устойчивост на единичният вертикален стабилизатор силно намалява в около- и свръхзвуковия диапазон.

Струва си да се отбележи и добавянето пред стабилизатора на обтекаема повърхност с триъгълна форма – dorsal fin (за съжаление не знам как се нарича на български). Идеята му е да подобри попътната управляемост на самолетите при големи ъгли на плъзгане (>15⁰), при които се губи управляемост на кормилото за направление (т.нар. rudder lock).

Dorsal fin пред вертикалния стабилизатор на Boeing 737.

Напречен момент

Да речем, че поради някаква причина искаме да изпълняваме хоризонтален полет с отрицателен ъгъл на плъзгане. За да постигнем това, отклоняваме кормилото за направление наляво, при което в него възниква странична аеродинамична сила, насочена надясно. Тази сила създава желаният положителен попътен момент – носът на самолета се завърта наляво и той започва да се отклонява в тази посока. Съответно лявата част на фюзелажа започва да посреща част от въздушния поток (т.е. имаме отрицателен ъгъл на плъзгане).

Но историята не свършва дотук.

Защото страничната сила на кормилото за направление има рамо освен по оста ОХ и по оста OY. Рамото по OX  е отговорно за желания попътен момент, но рамото по OY ще доведе до още един въртящ момент, този път напречен. В нашия конкретен случай той ще бъде положителен и самолетът ще започне да изменя крена си по посока на дясното полукрило.

Същевременно ще се случва още нещо. Лявото полукрило (наричано в този случай „изнесено“) ще създава повече подемна сила, отколкото полукрилото, което изостава. Това става, защото ефективният ъгъл на стреловидност на изнесеното полукрило намалява (χeff = χ – β), докато на изоставащото се увеличава (χeff = χ + β). А както може би си спомняте – колкото по стреловидно е едно крило, толкова по-малко подемна сила създава. Така че тази асиметрия на подемната сила на двете полукрила ще създаде друг напречен момент, този път отрицателен, който ще се опитва да нулира крена.

Подобна роля има също така начинът, по който са прикрепени полукрилата към тялото на самолета, и по-конкретно – ъгълът им на V-образност. Този ъгъл (означаван с ψ) е нулев, когато полукрилата са хоризонтални, и положителен, когато върховете на полукрилата са по-високо разположени, отколкото основите им. При крило с  положителен ъгъл ψ геометрически се получава така, че при плъзгане страничната компонента на въздушния поток променя фактическия ъгъл на атака на двете полукрила. На изнесенoто полукрило той се увеличава с Δαβψ, а на изоставащото полукрило α намалява със същата величина. Това води до разлика в подемните сили, създавани от двете полукрила и следователно до още един напречен момент, отново стабилизиращ. Ако обаче ъгълът на напречна V-образност е отрицателен, то  моментът който се генерира при косото обтичане на крилото е с обратна посока, т.е. дестабилизиращ.

От значение е и дали крилото е закрепено в долната част на фюзелажа (долноплощник) или в горната част (горноплощник). В първия случай изнесеното полукрило намалява подемната си сила, тъй като над него в зоната около фюзелажа се получава зона с високо налягане. Докато изоставащото полукрило увеличава подемната си сила – в „засечената“ зона до фюзелажа там има по-ниско налягане. При горноплощниците е  обратното. При тях напречният момент, създаден при полет с плъзгане е стабилизиращ, докато при долноплощниците той е дестабилизиращ

Ако трябва да обобщим казаното дотук, то е, че с подходящ дизайн на крилото, напречните моменти, които се получават при плъзгане, обикновено са стабилизиращи и  водят до намаляване на крена. Стабилизиращи са и напречните моменти от страничната сила на вертикалния стабилизатор и фюзелажа.

А управляемост по напречен наклон се постига чрез елероните – органи за управление на крена, разположени на задния ръб в краищата на полукрилата. Те се отместват на противоположни посоки – единият нагоре, другият надолу, и по този начин променят подемната сила на полукрилата по нужния начин.


Противодействие на напречен момент, породен от отместването на кормилото за направление надясно, посредством елероните.

Следва продължение…

Използвана литература:

  1. Аеродинамика на летателните апарати, Диан Гешев, 2001, ТУ София
  2. Динамика на полета, Борис Маджаров, 2000, ТУ София
  3. Introduction to the Aerodynamics of Flight. NASA SP-367, Theodore A. Talay, NASA, Washington, D.C., 1975

*До този момент в статиите за аеродинамика в този блог не сме говорили за основните геометрични характеристики, които има крилото. Е, този пропуск ще го наваксаме някой друг път, тъй като не е свързан с настоящата тема. Но засега ще изясним, че средна аеродинамична хорда (или САХ) се нарича онази хорда, която има хипотетично правоъгълно крило , чийто характеристики (площ в план, създавана подемна сила и надлъжен момент) са идентични с характеристиките на реално разглеждано крило с произволна форма (стреловидно, трапецовидно и т.н.)

**Удължението (или aspect ratio) e още една от важните характеристики на крилото, които не сме разглеждали досега. То се равнява на квадрата на разпереността на крилото, разделен на неговата площ в план (λ = l2/s).

Още за аеродинамиката:

Въздушно съпротивление в аеродинамиката

Да изпревариш звука…

Основи на аеродинамиката или защо летят самолетите

Координатни системи и сили в аеродинамиката

Categories
Прогрес

Необятният свят на 3D принтирането

Какво ви идва наум, когато се говори за 3D принтиране? Ако първата ви асоциация е за капризна играчка, която трудно би ви свършила работа, то тази статия е за вас. Ще се опитаме да ви убедим в противното и да ви покажем, че днес 3D принтирането е по-ефективно от всякога, а възможните му приложения се изчерпват единствено с границите на въображението ви.

За целта ние от Aurora Club потърсихме мнението на експерт по темата – Виктор Рангелов, CEO на българската фирма за производство на филаменти за 3D принтиране RAST 3D. Виктор е IT специалист по образование, но избира да насочи кариерното си развитие в доста нетипична посока – индустриалното производство. Той се включва към екипа на единствената фирма в България, специализирана в цялостно изработване на терморегулатори за бойлери. Тук властват класически технологии, установени от десетилетия.

– Когато преди няколко години казах, че искам да се занимаваме и с 3D принтиране, много мои познати ми се смееха – признава ми той.

– Това си е съвсем в реда на нещата – усмихвам се и аз. – Казват, че всяка иновация първо се посреща със смях, после идва съпротивата и вече накрая всички я приемат.

3D принтирането не прави изключение от това правило. Все още мнозина хора не възприемат на сериозно тази технология и изпитват предразсъдъци към нея. Най-разпространените опасения са, че то е твърде скъпо, недостатъчно бързо и много сложно за изпълнение. В тях има известно основание, но по-скоро те отразяват ситуацията в миналото. Първите 3D принтери от началото на 90-те приличат на съвременните 3D принтери точно толкова, колкото компютрите от онази епоха приличат на сегашните.

Eдин от 3D принтерите на RAST 3D, разработен и асемблиран от екипа на фирмата.

Материалът има значение

Прогресът на 3D технологиите е пряко свързан с развитието на използваните материали. От химическия състав на използвания за принтирането полимер зависи колко здраво ще бъде изделието и колко бързо ще бъде изработено то.  

– За момента ние произвеждаме ABS и PLA филаменти – обяснява ми Виктор.

– Каква е разликата?

– ABS-ът е много широко използван материал в индустрията. Той има добра износоустойчивост и висока температуроустойчивост в сравнение с PLA. Но при работа с него се отделят изпарения, които крият определени рискове за здравето. Затова при принтиране с ABS задължително се използва аспирация, така че тези изпарения да бъдат филтрирани. Докато другият материал,  PLA , не е петролен продукт. Той се произвежда от био продукти – царевица, захарна тръстика, цвекло… Изграден е на основа на полимлечна киселина и е напълно безвреден . Може да се каже, че той е полимеризирана захар и след принтиране  с такъв материал понякога се носи аромат на захар.

– А не означава ли това, че изделия, направени от такъв материал, се разграждат бързо след това?

– Не, не се разгражда толкова лесно. Идеята на материала е да бъде компостируем. И той е на сто процента компостируем. Въпреки че в България аз все още не мога да открия къде да компостирам отпадъците от производството. Те няма как да бъдат рециклирани за производство на нов филамент, защото качеството му би било доста лошо, а PLA и без друго е доста крехък.

Пътят на пластмасата

Виктор гостоприемно ме кани в помещението, където произвежда материала за 3D принтиране. Почти всичко по линията е модифицирано, разработено и сглобено от Виктор и сътрудниците му в RAST 3D. Много от вложените компоненти са 3D принтирани.

– И – уверява ме Виктор. – качеството на произведения тук филамент по нищо не отстъпва на качеството на продукцията от готовите линии, които се продават за десетки хиляди долара. Може да се каже, че дори го превъзхожда. Всъщност, основната причина да се захвана с тази работа, е, че исках да създам филамент с високо качество. Тук мога да следя всички параметри, които ме интересуват, докато, поръчвайки филамент от Китай, няма гаранция с какво качество ще дойде.

Ето така изглежда материалът, от който се изготвя филамент за 3D принтиране, преди да се разтопи в екструдера.

Филаментът за 3D принтиране се получава от полимер под формата на малки гранули. Виктор е наредил доста пликове с различни гранули. Някои от тях се добавят, за да оцветят филамента (по принцип той е бял), други се използват за да го уякчат или да намалят времето за принтиране. Тези гранули се разтопяват в екструдер машина, от която започва да се изтегля нишка горещ филамент. Той трябва да не е твърде горещ, така че да започне да се топи, но и да не е твърде студен, което би го деформирало.  След това нишката преминава през вана с вода, която се поддържа с точно определена температура, зависеща от свойствата на филамента.

– Много е важно – обяснява Виктор –  изходящата нишка да не се охлажда рязко, защото това би довело до деформации в сечението й. Ако в някакъв момент нишката стане по-дебела, отколкото трябва, това би блокирало работата на 3D принтера впоследствие, което е много неприятно, защото онова, което се е принтирало до този момент ще трябва да се изхвърли.

А това е готовата продукция…

Накрая нишката преминава през изтеглящ ролков механизъм, където с помощта на Arduino контролер се следи  дебелината й, и се навива на макара. После готовата продукция се суши и веднага след това се вакуумира. Причината за това е, че филаментът е хигроскопичен, а влагата влошава свойствата му. Изделията, принтирани с влажен филамент, имат по-груба повърхност и са склонни към напукване.  

Да материализираш идеите си…

Едва ли ще съобщим някаква особена новина, но 3D принтирането разкрива нови хоризонти пред всички хора, които са запалени по някакво хоби.

– Едно от нещата, които най-много ми харесват в моята работа – споделя с мен Виктор. –  е, че се виждам с всякакви хора. Тук идват моделисти, дизайнери, зъболекари, спортисти, научни работници…

И всеки от тях е открил, че 3D принтирането може да бъде универсален помощник в онова, с което се занимава. Ако сте се увличали по авиомоделизъм например, знаете колко е неприятно, когато се счупи някаква част от модела ви. След това най-често чакаш със седмици, за да бъде доставена резервната част от чужбина. И е много вероятно да трябва да поръчаш цял кит с още много части, които не са ти нужни. 3D принтирането е идеалното решение на този проблем. Просто взимаш размерите на нужната част, правиш й чертеж, пускаш я на 3D принтера и след около час вече я държиш в ръцете си. Освен че спестявате пари и време, по този начин вие можете да направите и допълнителни модификации на нужната част, така че да подобрите механическата й устойчивост за в бъдеще.

В духа на Коледа Виктор пусна да принтира коледна звезда на един от по-малките си принтери. Първо машината изработи „обвивка“ на звездата, която служи да я крепи неподвижно, докато трае принтирането, а после се премахва ръчно. Крайният резултат можете да видите най-долу.

– Още повече гъвкавост – споменава Виктор, докато ми показва принтерите си, – идва от настройките на 3D принтера, които управляват по какъв начин ще бъде принтирано желаното изделие. Например при плътно принтиране се разходва много материал, но ти може да нямаш такава нужда. Може да ти трябва само обемът или да искаш изделието да е максимално олекотено. Тогава в настройките на принтера задаваш запълване на формата с 10% или дори 5% материал, при което спестяваш, както от цената, така и от времето за принтиране.

3D портрет на брата на Виктор

3D принтирането позволява на всеки да създаде уникални изделия, които не могат да се открият на пазара. Като започнем от битово-ежедневни удобства от сорта на поставка за флашки или стопер за врата и стигнем до арт изпълнения като малки статуетки и 3D автопортрети.

А както Виктор ми демонстрира в неговата работилница, 3D принтирането може да има и съвсем практическа насоченост.

– Ето това са държачи за гребла на лодка. – показва ми той пръстеновидни детайли от наскоро завършена поръчка. – При това сме ги правили от нов материал PLA, който трябва да има характеристиките на здравина на инженерния ABS.

Въпросните държачи

– Това вече не са играчки! – усмихвам се аз, защото държачите видимо изглеждат доста здрави.

– Ами да, трябва да са здрави, така че да издържат на усилието при загребване. В този ред на мисли – наскоро правихме калобрани за едни състезателни колички, които вдигат над 120 km/h… И за да изпълняваме такива високи изисквания към изделията ни, всъщност ние редовно пращаме от нашия материал в лаборатории за якостно тестване.

Ето това е машинка за изрязване на резба в месинговите компоненти, които виждате на снимката. Тя е създадена от 3D принтирани зъбни колела и втулки, Arduino контролер, стар електромотор и много инженерен дух.

Навсякъде из работилницата на RAST 3D се виждат нагледно доказателставата за индустриалното приложение на 3D принтирането. Много от частите по машините (най-различни втулки, ролки и панели) и дори компоненти от самите 3D принтери са принтирани на място. Виктор ме изненадва, като ми показва изцяло 3D принтиран и напълно функционален сачмен лагер. Е, все още не може да се сравнява с металните си събратя, но за някои неотговорни приложения нещо такова би свършило страхотна работа.

Но вероятно доста от вас не са на „ти“ с CAD програмите за 3D моделиране. Или не искате да инвестирате в професионален софтуер за целта от рода на SolidWorks, Maya, AutoCAD, SketchUp. Няма проблем. Има решение и за хора, които не могат или не искат да чертаят. Все повече са онлайн платформите (като thingiverse.com), от които можете да си свалите напълно безплатно хиляди 3D модели.

Поглед към бъдещето

Всъщност хоризонтът пред технологията на 3D принтиране е много по-обширен. Това е една от областите, които действително имат потенциала да революционизират обществото ни. Сред колекцията от най-различни 3D принтирани джунджурии, които Виктор ми показва, веднага ми хваща окото един впечатляващ модел на черепа на тиранозавър рекс.

– Представяш ли си – питам го, – колко много приложения биха имали подобни модели в училищата?

– Ами те се използват и сега. При това все повече училища си закупуват не само модели като този, но и 3D принтери. В Дания, където изнасяме голяма част от нашата продукция, в училищата има по 10-15 принтера и всяка различна лаборатория си има собствен принтер, зали за принтиране и прочее.

– Страхотно наистина. Виждал съм умалени 3D принтирани модели на реактивен самолетен двигател. С лопатките на компресора, турбината, всичко… Нещо подобно може да промени начина, по който изучаваш някаква дисциплина. Било то медицина или инженерство.

3D принтиран модел на реактивен двигател от thinginverse.com

– Светът на 3D принтирането е необятен. Наскоро дори излезе новина, че в България е извършена трасплантация на 3D принтирано ребро. Масова практика вече е в лицево-челюстната хирургия да се влагат такива 3D принтирани детайли от специален материал. Може би не е далеч деня, в който ще започнат да се произвеждат и принтирани човешки органи. Това ще облекчи всички трансплантации.

– Звучи ми много футуристично.

– Така е, но това е бъдещето. Взимат твои стволови клетки, и когато и ако се наложи, ти принтират бъбрек от твоята тъкан, напълно годен за трансплантация.

– Но вместо полимер принтират клетките ти.

– Да, дори в България има фирма, която се занимава с нещо подобно – принтиране на кожа. В Румъния принтираха ушна мида, ако не се лъжа. За съжаление все още сме далече от това да се принтира един функционален черен дроб например.

– Е, в края на века, може би… – изказвам предпазлива прогноза, но само разсмивам Виктор.

– О, аз съм много по-оптимистичен. Десет – петнайсет години, не повече. И това е само част от прогреса. В България се разработват и други интересни работи в сферата на фармацията. Всички знаем, че особено възрастните хора пият по няколко вида лекарства в определена последователност, което понякога много ги затруднява. В момента се работи за това всички субстанции, т.е. активните вещества, които се съдържат в различните лекарства, да се принтират в едно-единствено хапче. И това хапче да съдържа всички вещества, от които имаш нужда за 12 часа напред. И ти просто го изпиваш вместо да се чудиш – абе днеска кое от 10-те хапчета забравих… После това специално хапче през целия път през тялото се разгражда по установена последователност и за организма е все едно, че си взел 10-те си хапчета по отделно. Така че идва моментът, когато във всяка аптека ще има 3D принтер. И отивайки там с рецепта, ще може да ти принтират специални хапчета според твоите уникални нужди.

***

Екипът ни ви честити новата 2019 и ви пожелава здраве и успехи!

Categories
Наука

Глобалното затопляне – факти и манипулации. Част II

В Част I очертахме някои от основните факти около темата за глобалното затопляне. Установихме, че климатът на Земята се затопля бързо от ХХ век досега и че средната глобална температура днес не е била толкова висока от десетки хиляди години. Разбрахме, че слънчевата активност оказва влияние върху земния климат, но настоящето глобално затопляне изглежда не е свързано с нея. Видяхме също и че нивата на въглеродните емисии в атмосферата непрекъснато растат от доста десетилетия насам. Показахме, че кръговратът на въглеродния диоксид в Земята все още не е напълно изяснен и  макар ролята му като парников газ да е безспорна, не толкова ясно е доколко той е водещ фактор, обуславящ земния климат.

Днес ще разкрием как тези базови факти се третират, за да влияят върху общественото мнение. Ще се фокусираме предимно върху хипотезата, че глобалното затопляне е причинено от човешката дейност (т.нар. антропогенно глобално затопляне). Нека критичният тон на статията не ви заблуждава. Не отричам, че тази хипотеза е най-вероятното обяснение за затоплянето, което наблюдаваме сега. Проблемът е там, че все пак тя е просто хипотеза, а нейното представяне в обществото е като 100 процентов факт. Изглежда сякаш тази хипотеза се е наложила като догма в научните среди, където истинският учен би трябвало да се ръководи преди всичко от научен скептицизъм, а не от полурелигиозна вяра. Догматиката в науката е предпоставка за създаването на среда, в която всяко различно мнение от установеното се задушава в зародиш, и учените  се превръщат в „коне с капаци“, склонни да пренебрегнат важни факти, невписващи се в установения модел.

Хипотезата


Схващането, че човешката дейност стои зад настоящите климатични промени, започва да се налага в науката след 80-те години. По това време към ООН е създаден и международен орган, който да изготви научно обосновано становище относно тези промени – Междуправителственият панел по климатични промени (IPCC). От тогава досега този орган е издавал пет пъти доклади (последният е от 2014), които би трябвало да представят обобщено възгледите по въпроса в съвременната климатология. Същината на хипотезата за антропогенното глобално затопляне се изразява в следното изречение от последния доклад на тази организация [1]:

„…крайно вероятно е повече от половината от наблюдаваното нарастване на средната глобална температура от 1951 до 2010 да е причинено от антропогенно нарастване на концентрациите на парниковите газове“.

Тук под определението „крайно вероятно“ следва да се разбира вероятност по-голяма от 95 %. Това е доста голяма вероятност, но все пак тя не е абсолютна сигурност. В хипотезата има и втори елемент на несигурност в частта „повече от половината…“ Тоест, антропогенното влияние може да е отговорно за половината затопляне, за цялото затопляне или дори за повече от цялото (според някои изследвания без антропогенните парникови газове Земята всъщност е щяла да застудее за този период).

Именно това е честният начин да се говори за една хипотеза. Колкото и достоверно да изглежда тя, у нея винаги има някаква несигурност, която никога не изчезва напълно, а само намалява с всяко следващо нейно доказване. И все пак защо 95 %, защо не 90%, 60% или 99%? Ами защото така! По-внимателно вглеждане в документите на IPCC разкрива нещо обезпокоително. Оказва се, че тези проценти не са базирани само върху измервателни грешки или неопределености в използваните физически модели, а почиват и върху нещо, наричано „ниво на научно разбиране“. Простичко казано, когато съществуват доказателства за някаква хипотеза, и широк консенсус относно правотата й сред учените, това означава (според IPCC), че хипотезата е „крайно вероятна“, т.е. вероятността тя да е истина е над 95 %. И парадоксално – ако има също толкова силни доказателства за правотата на друга хипотеза, но няма научен консенсус, това прави хипотезата просто „вероятна“ с вероятност около 66%.

Скалата, използвана от IPCC, за определяне на вероятност за правилност на хипотеза. Източник: [2]

И същинското вероятностно разпределение на предполагаемото затопляне от различни фактори. Забележете, че на графиката не са показани всички природни фактори, влияещи върху глобалната температура. Освен това единственият природен фактор – слънчевата активност – е определен с  „ниско ниво на научно разбиране“. Забележете и широката неточност, с която е установено охлаждащото влияние на аерозолите в атмосферата. Източник [3], [4]

Или още по-просто казано – вероятността за антропогенно глобално затопляне в докладите на IPCC е по-скоро показател за това каква част от климатолозите приемат тази хипотеза за вярна. Получава се нещо, наподобяващо порочен кръг.  Климатолозите в IPCC казват, че най-вероятно Земята се затопля заради хората, а тази вероятност се базира на това какво казват климатолозите в IPCC…

Е, ако не друго поне стана ясно, че преобладаващата част от климатолозите смятат, че глобалното затопляне е антропогенно. Нали?

„Широк научен консенсус“


Колко голяма е тази „преобладаваща част от климатолозите“? С оглед на представените критерии за вярност в IPCC този въпрос е от огромно значение.  Оказва се, че между 90 и 100 (!) процента от всички климатолози подкрепят антропогенното глобално затопляне, според различни изследвания по темата [5]. Доста сериозна част. Все пак се твърди и, че 97 % от учените смятат еволюцията за факт – нещо, което за повечето хора е неоспорима истина.

Но  трябва да се внимава с подобни статистики. Те са много удобни средства за манипулиране. Например, в много медийни публикации се твърди, че според най-известното изследване по въпроса на Cook et al. [6]  97% от климатолозите подкрепят хипотезата за водещия антропогенен фактор в глобалното затопляне. Дори президентът Барак Обама цитира това число преди години. Но в самото изследване всъщност се говори за нещо съвсем различно. Изследвани са 11 944 научни публикации, касаещи глобалното затопляне. В резюмето на 66,4 изобщо не се изказва предположение за значимостта на човешкия фактор, т.е. те са пас. 32,6% изтъкват изрично, че има такъв фактор, 0,7 %- че няма, а в 0,3 % не може да се определи значимостта му.

Иначе казано – в 33,6% от статиите се заявява някакво отношение към антропогенния фактор. И от тези 33,6 процента в  97 % се заявява, че има такъв фактор. Забележете – какво е мнението на учените, написали останалите 66,4 % статии, ние не знаем. Какво е разпределението на учените, написали статиите, също е неизвестно (чисто хипотетично е възможно един и същ екип учени да е написал всички статии „за“ или всички статии „против“). Не става ясно и каква e степента на убеденост на онези, които заявяват, че има антропогенен фактор – дали просто го има или е основен? Всички тези въпроси са заметени под килима, а в медиите излизат заглавия от сорта на „Глобалното затопляне е причинено от хората, смятат 97% от учените“.

Но не това е същественото. Една хипотеза или е вярна или не и няма никакво значение дали я подкрепят 1 или 100 процента. Показателен в случая е следният анекдот. През 1931 г. била публикувана книга, озаглавена „100 автори срещу Айнщайн“,  като критика на Теорията на относителността. Когато научил за тази книга, Айнщайн се засмял: „Защо сто? Ако греша, само един би бил достатъчен!“

Понякога научният консенсус е просто другото име на ретроградната наука.

По-добре не питайте!


Хипотезата за антропогенното глобално затопляне съдържа някои спорни елементи. Показателно за това е, че вместо да затихват дебатите около нея с течение на годините, те се ожесточават повече. При това нямаме предвид лобитата на големите промишлени корпорации, които са очевидно заинтересовани да я омаловажават. А по-скоро това, че въпреки мощната пропаганда (или точно заради нея), тази хипотеза, противно на очакванията, не е така широко възприета от обикновените граждани. Според проучване на Pew research center от 2016г. [7] около 48% от американците смятат, че глобалното затопляне се получава поради човешката дейност. 31% са на мнение, че за това е виновна природата, а 20% дори считат, че всъщност няма доказателства за затопляне.

Видно е, че обществото е силно фрагментирано по този въпрос, а фактът, че въпреки всичките си усилия учените дори не са могли да убедят цели 20% в безспорното – че има глобално затопляне – означава, че всъщност те са се провалили. И причина за този  провал най-вероятно е именно арогантният тон в съвременната климатология, който едва ли се харесва на хората. Особено когато не е подплатен с ясни за всички доказателства. В опитите си да наложат хипотезата за антропогенно глобално затопляне, доста учени изтъкват до забрава единствено наблюденията, които корелират добре с нея. Всякакви въпроси, които хвърлят сянка върху определени нейни аспекти, са посрещани с досада и омаловажавани. Поддръжниците на тази хипотеза никога не говорят за нейните слабости, а такива има. Ето някои от тях:

  • Палеоклиматологични изследвания показват, че в миналото също е имало корелация между повишаване на температурата и повишаване на нивата на CO2 [8]. Само, че при тези случаи първо се е покачвала температурата – а след това нивата на въглеродния оксид. Тоест, повишаването на нивата на CO2 би могло да е следствие, а не причина за повишаването на глобалната температура. Защитниците на хипотезата за антропогенно глобално затопляне не отричат това. Те смятат, че тези минали затопляния се дължат на външни фактори, несвързани с парниковите газове (например вариации в орбитата на Земята), а последващото нарастване на въглеродния диоксид е реакция на затоплянето от световния океан [9]. Само че по този начин влизат в противоречие със себе си. Излиза, че въглеродният диоксид ту е първостепенен фактор за формирането на земния климат (сега), ту е второстепенен фактор (преди).
  • В последния век постоянно нарастващото ниво на СО2 не винаги корелира добре с вариацията на глобалната температура. Отделянето на емисии СО2 поради човешка дейност се увеличава съществено след Втората световна война, но от тогава докъм средата на 70-те трендът е за охлаждане. Десетгодишната пауза на затоплянето  след 2005г. при увеличаващ се CO2 в атмосферата за този период също е необяснима.

Нивото на СО2 в атмосферата (в червено) и вариацията на глобалната температура (синьо) в периода 1960 – 2018. Изображение: Tom V. Segalstad / www.co2web.info

  • Съществуват индикации, че в минали геоложки епохи парниковият ефект от СО2 е оказвал минимално влияние върху земния климат. Например, според различни анализи преди около 450 млн. г. в края на Ордовик  нивото на СО2 в земната атмосфера е било между 4 и 20 пъти по-високо в сравнение с прединдустриалните нива. Вместо гибелна жега обаче тогава се случил ледников период – един от най-студените за последния половин милиард години. Защитниците на хипотезата за антропогенно глобално затопляне обясняват това с факта, че слънчевата светимост по това време е била по-ниска от досегашната (т.нар. парадокс на бледото младо Слънце), както и с ветреенето на скалите и разцвета на растенията, които започнали да „дърпат“ CO2 от атмосферата [10]. Тоест, нивото му паднало под необходимото за затоплянето на тогавашната Земя. Но това не обяснява защо при подобни условия в следващата геоложка епоха – Силур – Земята отново се затоплила. И защо при непрекъснато намаляване на CO2 по време на Силур климатът е бил топъл и температурата постоянна?

Нивото на CO2 в атмосферата в последните 500 млн. г. според различни изследвания. Изображение: Robert A. Rohde  / Wikipedia

Нивото на СО2 в атмосферата през последните 500 млн. г., съпоставено с изменението на средната глобална температура за периода. Отново е налице нееднозначна корелация на CO2 с изменението на температурата. Изображение: Marit-Solveig Seidenkrantz / sciencenordic.com

  • Един от най-силните аргументи в подкрепа на хипотезата за антропогенно глобално затопляне  е наблюдаваното затопляне в тропосферата (където са концентрирани парниковите газове) и случващото се паралелно с това охлаждане на стратосферата. Стратосферата става все по-студена, тъй като до нея достига все по-малко преизлъчена топлина от Земята, възпирана от парниковите газове в тропосферата, която на свой ред се загрява допълнително.  Но… И тук има някои въпросителни. Според сателитни наблюдения след началото на 90-те рязкото охлаждане на стратосферата спира и от тогава досега температурата й почти не се е променила. Що се отнася до тропосферата, тя продължава да се загрява, но след 2000 г. загряването и започва да се случва по-бавно, отколкото предсказват компютърните климатични модели, използвани от IPCC [11].

Изменение на средната годишна температура на стратосферата по данни от климатични спътници. Изображение: [12]

Изменение на средната годишна температура на тропосферата (червената линия), съпоставени с предвижданията на климатични модели (черната линия). Изображение: [11] /  B. D. Santer et al. (2017)

  • Възможно е глобалното затопляне да не е съвсем глобално. Въглеродният диоксид се разпространява равномерно в атмосферата, така че затоплянето на планетата би трябвало да е повече или по-малко еднакво навсякъде. Но цял един континент отказва да се впише в тази картина – Антарктида. Наистина, части от Западна Антарктида и Антарктическия полуостров са се затоплили значително през ХХ век [13], но температурата в останалата част от континента почти не се е променила [14] и то от векове [15]. Това се потвърждава както от температурни измервания в антарктическите станции [16], така и от сателитни измервания [17]. Дори драматично известният с топящите си ледове Антарктически полуостров изглежда е спрял да се затопля около 2000 г. и след това е започнал да се охлажда [18]

Температурата в Антарктида 2000 години назад според палеоклиматичен модел, базиран на кислород-18. Изображение: [15] / B. Stenni et al. 2017

Когато прогнозираш, е добре и да познаваш


Вече казахме, че учените не са врачки, но когато им се налага да правят предсказания понякога изглеждат точно като врачки – ту познават, ту не. Климатолозите са особено усърдни в ролята си на оракули – все пак нека не забравяме, че те се родеят с метеоролозите… Но в опитите си да отворят очите на обществото пред заплахите за климата, понякога отиват твърде далеч, правейки напълно убедено апокалиптични прогнози, които е твърде невероятно да се сбъднат. Ето кратък списък на някои такива фатални пророкувания:

ПрогнозаДействителност
1990 IPCC FAR, стр. XI: Според сценария (за развитие на климата) "Business-as-usual" през следващия век средната глобална температура ще се повишава с около 0,3°C на десетилетие (с неопределеност от 0,2°C до 0,5°C на десетилетие). Това вероятно ще доведе до повишаване на глобалната температура спрямо сегашната с 1°C към 2025 г. [19]От 1990 досега не бяха взети кой знае какви мерки за ограничаване на въглеродните емисии и сценарият "Business-as-usual" на IPCC бе спазен. Само че средната глобална температура през 2017 г. бе с 0,46°C по-висока спрямо 1990 г. [20], а не с 0,81°C както предвижда доклада на IPCC от 1990 г. при 0,3°C на десетилетие.
2007 IPCC FAR 11.7.3.3: Вероятността за валежи под формата на сняг ще намалява, докато температурата се увеличава. [21]

European Environment Agency (EEA): Симулационни модели показват широкоразпространено намаляване на количеството и задържането на снежната покривка в Европа през ХХI век. [22]
Площта на годишната снежна покривка в Северното полукълбо почти не се е променила от 1980 г. досега. Например за петилетката 1980-84 тя е била средно 25,03 млн. km^2, а за периода 2013-17 - средно 25,10 млн. km^2 [23]
1990 IPCC FAR, стр. 81: Според сценария (за развитие на климата) "Business-as-usual" в периода 1990 - 2100 морското ниво ще се покачва средно с 6 cm на десетилетие (с неопределеност от 3 до 10 cm на десетилетие). До 2030 г. морското ниво ще се е повишило с 20 cm. [24]Към 2018 г. морското ниво се е покачило със 8,6 cm спрямо това през 1993 г. според сателитни измервания [25]. Това прави около 3,2 cm на десетилетие.
2001 IPCC TAR (AR3): Честотата на горските пожари ще се повиши заради предизвиканата от човека промяна в климата. Цитирани са няколко научни изследвания, в които се твърди това. [26]Според сателитни данни на NASA глобалната площ на опожарените земи е намаляла с 24% между 1998 и 2014 г. Най-голям е спадът в африканските савани. [27]
Многобройни предсказания в пресата от 1956 г. [28] до наши дни [29]: Ледовете в Северния ледовит океан ще се разстопят напълно до хххх година. Северният ледовит океан все още не се е размръзнал към 2018 г. Факт е, че от десетилетия съществува тенденция за намаляване на ледената му покривка по време на годишния мининимум (септември). Но всъщност от 2007 г. досега минималната площ на ледовете се е стабилизирала в порядъка на 4,2 - 5 млн. кв. km и не намалява повече. Единствено изключение е рекордно горещата 2012 г., в която площта на ледовете се стопи до само 3,4 млн. кв km. [30]

С тази извадка не искам да кажа, че климатолозите, които поддържат хипотезата за антропогенното глобално затопляне, са специализирани в грешните прогнози. Напротив, много от предвижданията им се доближават впечатляващо близо до истината и обратно – има доста примери за погрешни предсказания на отрицателите на тази хипотеза, които от десетилетия прогнозират неуспешно годината, в която ще спре затоплянето.  Но разликата е в претенциите. Твърденията за почти сто процентов  консенсус сред научната общност предполагат липса на каквито и да е грешки. И предупредително размаханият пръст, придружен с плашещи и впоследствие несбъдващи се прогнози, всъщност подкопава доверието в тази общност.

Въпреки всичко мейнстрийм климатологията не изпуска случай да бие тревога. Днес вече е позабравено, но в края на 60-те години и особено през 70-те години на ХХ век, актуалната климатична истерия не е била по глобалното затопляне, а по глобалното охлаждане. Разбира се, тогава виновен е бил пак човекът с изхвърляните от него аерозоли в атмосферата, голям е бил и страхът от ядрена зима.

Годината е 1971, а The Washington Post ни предупреждава да се готвим за новата Ледена епоха, която е на прага…

От науката към политиката


Въпреки усилията да се наложи антропогенното глобално затопляне като установен научен факт, дебатите по темата са далеч от затихване. Ала дори в научните среди, все повече те се водят с политически, а не с научни аргументи. Обикновено опонентите се разделят в две фракции, които нямат добро мнение едни за други. Те доста приличат на футболни запалянковци. Привържениците на антропогенното глобално затопляне са определяни от опонентите им като подчинени на правителствата догматици и са етикетирани с ласкавите епитети „затоплисти“ и „алармисти“. Обратно – противниците на антропогенното глобално затопляне са заклеймявани като „невежи“ или платени от петролния бизнес и  на свой ред носят прозвището „отрицатели“, навяващо асоциации за отрицателите на Холокоста. Медиите дори се опитват да ги приравнят към антиваксърите или вярващите в кемтрейлс.

Тази черно-бяла картина изключва нюансираните мнения. По-особените позиции пораждат подозрение и авторите им рискуват да бъдат отлъчени от лагерите, към които принадлежат. Звучи параноично и може би е, но такъв процес е алтернативно обяснение за необичайно твърдата позиция в съвременната климатология относно антропогенното глобално затопляне. Ако си климатолог, който има определени съмнения по този въпрос, е много по-вероятно да си замълчиш, знаейки, че всяко твое публично заявено мнение, разминаващо се с установеното, рискува да съсипе научната ти кариера. Следователно най-ясно ще се чува гласа на най-ортодоксалните учени и по-този начин би могло да изглежда, че това всъщност е  гласът на цялата климатология.

Май съвсем нагазихме в полето на конспирациите. Но за разлика от други псевдонаучни конспиративни теории, в този случай сме имали шанса „да надникнем в кухнята“ и знаем, че понякога водещи  климатични учени в света са склонни да имат поведение, което не бихме определили като джентълменско. Става дума за разразилия се преди десетилетие климатичен скандал, добил известност като „Климатгейт“. Тогава беше хакнат пощенския сървър на Climate Research Unit и в интернет изтекоха няколко хиляди имейли на световноизвестни климатолози, поддръжници на антропогенното глобално затопляне. В съдържанието на някои имейли бяха открити закани за бойкотиране на скептични климатични журнали, препоръки за игнориране на скептични публикации в докладите на IPCC, склонност за нагласяване на данните, както и пренебрежително отношение към скептичните учени, съчетано с нежелание за публично споделяне на суровите данни, върху които се базира хипотезата за антропогенното глобално затопляне [31].

Всъщност нищо чак толкова шокиращо не изскочи от тези писма, но пък за всеки стана ясно как действа консенсусната климатология. И обяснителният режим, в който влезе, нанесе големи вреди на каузата й. В последствие дори бе създадена независима организация (Berkeley Earth),  която да провери доколко правилна е информацията за глобалното затопляне в докладите на IPCC (оказа се, че е правилна).

Днес изглежда така сякаш никой не си е взел урок от този скандал. Поддръжниците на антропогенното глобално затопляне продължават с религиозен плам да говорят за хипотезата си и всячески да омаловажават критиката. Нещо повече – те все така манипулират обществото с катастрофални прогнози за климата. Тук е описано как стават такива манипулации. Накратко –  в последния доклад на IPCC се дават няколко сценария за промяна на климата според икономическото развитие на планетата в ХХI век. Най-лошият от тях е сценарият RCP8.5, според който до 2100 г. населението на Земята ще расте с най-високия възможен темп на растеж, икономическото развитие ще е най-ниското възможно, а бедността – рекордно висока, както и използването на полезни изкопаеми. Този сценарий, при който към 2100 г. най-голям дял от потребяваната енергия идва от изгарянето на въглища (като в ХIX век)  е възможен, но е малко вероятен. Въпреки това много научни изследвания върху бъдещето развитие на климата разглеждат единствено този сценарий в моделите си, без дори да се споменава, че има и други (по-вероятни) възможности.

Коя страна да избера?


Темата за глобалното затопляне е един от онези въпроси, за които като че ли всеки има мнение. Все пак, която и страна да изберете в този диспут, не се оставяйте да бъдете подведени от нечии необосновани твърдения. Подхождайте с (умерен) скептицизъм към заглавията, които четете, но  не и към науката като цяло. Въпреки своите пристрастия тя обикновено дава доста добро предположение какво е истинското положение на нещата.

Все пак, ако искате да имате максимално обективна позиция, не  четете предъвканата информация в медиите, а самите научни изследвания или още по-добре – вижте суровите данни, върху които се базират те. Внимавайте за пропагандни сайтове, каквито има и в двата лагера. Ще се спра само на два такива – Skeptical Science (най-известният блог на „алармистите“) и Watts Up With That? (най-известният блог на „отрицателите“). И в двата блога информацията се представя изключително еднопосочно и манипулативно в стил адвокатска пледоария. Но все пак те са полезни с това, че от тях можете да се запознаете със слабостите, които имат противниковите климатични хипотези. От друга страна има и по-балансирани блогове (като Science of a Doom), от които бихте могли да научите много за това как функционира климата.


Използвана литература:

[1] „CLIMATE CHANGE 2014: Synthesis Report. Summary for Policymakers“ – http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/syr/AR5_SYR_FINAL_SPM.pdf

[2] https://www.ipcc.ch/pdf/supporting-material/uncertainty-guidance-note.pdf

[3] https://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/figure-2-20.html

[4] https://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/ch2s2-9-1.html#table-2-11

[5] https://www.theguardian.com/environment/climate-consensus-97-per-cent/2016/apr/13/its-settled-90100-of-climate-experts-agree-on-human-caused-global-warming

[6] http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/8/2/024024/meta

[7] http://www.pewinternet.org/2016/10/04/public-views-on-climate-change-and-climate-scientists/

[8] https://phys.org/news/2012-07-temperatures-co2-climate.html

[9] https://www.newscientist.com/article/dn11659-climate-myths-ice-cores-show-co2-increases-lag-behind-temperature-rises-disproving-the-link-to-global-warming/

[10] https://www.skepticalscience.com/CO2-was-higher-in-late-Ordovician.htm

[11] https://www.nature.com/articles/ngeo2973

[12] https://www.ncdc.noaa.gov/temp-and-precip/msu/time-series/

[13] https://www.nature.com/articles/ngeo1671#f1

[14] https://www.bas.ac.uk/data/our-data/publication/antarctica-and-climate-change/

[15] Antarctic climate variability on regional and continental scales over the last 2000 years. In: Climate of the Past, Vol. 13, p. 1609-1634 (2017). – https://www.clim-past-discuss.net/cp-2017-40/cp-2017-40.pdf

[16] https://www.ncdc.noaa.gov/temp-and-precip/msu/time-series/antarctic-land/lt/dec/ytd

[17] https://www.ncdc.noaa.gov/temp-and-precip/msu/time-series/antarctic-land/lt/dec/ytd

[18] https://www.nature.com/articles/nature18645

[19] http://www.ipcc.ch/ipccreports/far/wg_I/ipcc_far_wg_I_spm.pdf

[20] https://climate.nasa.gov/vital-signs/global-temperature/

[21] https://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/ch11s11-7-3-3.html

[22] https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/snow-cover/snow-cover-assessment-published-sep-2008

[23] https://climate.rutgers.edu/snowcover/table_area.php?ui_set=2

[24] https://www.ipcc.ch/ipccreports/1992%20IPCC%20Supplement/IPCC_1990_and_1992_Assessments/English/ipcc_90_92_assessments_far_full_report.pdf

[25] https://climate.nasa.gov/vital-signs/sea-level/

[26] http://www.ipcc.ch/ipccreports/tar/wg2/index.php?idp=246

[27] https://www.sciencedaily.com/releases/2017/06/170629175502.htm

[28] https://trove.nla.gov.au/newspaper/article/23421495/1769713

[29] http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/7139797.stm

[30] http://nsidc.org/arcticseaicenews/2018/09/

[31] https://www.telegraph.co.uk/news/earth/environment/globalwarming/6636563/University-of-East-Anglia-emails-the-most-contentious-quotes.html

Categories
Наука

Глобалното затопляне – факти и манипулации. Част I

Климатичните промени и наблюдаваното днес глобално затопляне на Земята са сред най-широко дискутираните теми в обществото ни. В което няма нищо чудно – важността на този въпрос е огромна за нашето бъдеще. Но същевременно ставаме свидетели на нещо доста обезпокоително. Дебатите по темата, научна по своя характер, рядко са непредубедени и рядко почиват на всички налични емпирични доказателства, чиято интерпретация понякога е нееднозначна. В действителност наблюдаваме сблъсък на идеологии, използващи методи близки до пропагандните, за да убеждават в правотата си. Наричаме това манипулиране на общественото мнение. За съжаление към това манипулиране прибягват, както учени, така и хора от едрия бизнес, политици… Науката обаче борави с факти и хипотези. Ето защо в две статии по въпроса ще се опитаме да отсеем фактите, които стоят в основата на хипотезите за климатичните промени, и ще покажем къде започва манипулирането на общественото мнение. Накрая ще оставим на вас, читателите, да си направите изводите.

От безспорното към спорното (или от общото към конкретното)

Въпросът за климатичните промени на Земята може да се разгледа като съставен от няколко въпроса, които се съдържат един в друг. Тяхната парадигма изглежда така:

Променя ли се климатът на Земята? -> Повишава ли се глобалната температура на Земята? -> Човешката дейност ли причинява това затопляне?

Както виждате, въпросите вървят от по-общи към по-конкретни. Известно е, че едно по-общо твърдение е по-лесно доказуемо. Доста по-лесно бихте доказали, че слънцето изгрява сутрин, отколкото, че изгрява в 06:57. За второто ще ви е необходим точен часовник. И календар. И теория, която показва как се измества часът на изгрева през годината. Защото слънцето ще изгрява в 06:57 само в няколко дати годишно, така че освен ако не прецезирате твърдението си, то би било погрешно. Тоест, работата, която трябва да свършите във втория случай е доста повече; доказателствата, които трябва да съберете – също. При това, забележете, също толкова трудно е да докажете обратното – че слънцето не изгрява 06:57. Но и в единия, и в другия случай, ако не сте събрали достатъчно много и различни доказателства, това прави твърдението ви спорно. То може пак да е вярно, но с определена вероятност, зависеща от тежестта на доказателствата.

Безспорно е, че климатът на Земята се променя. Както винаги е било. В крайна сметка континентите не спират да се движат, морските течения се менят, биологични видове изчезват и други се появяват на тяхно място. В природата нищо не е константно, още по-малко климатът на Земята. При това в мащаба на геологическите епохи той се променя направо мълниеносно. Трудно е днес да си го представим, но само преди  двайсетина хиляди години тундрата е започвала на север от река Дунав [1], a нивото на световния океан е било 120 метра под сегашното [2].

Разпространение на ледниците и тундрата в Европа през последния ледников период. Изображение: [3]


Географска карта на света през последния ледников период. Изображение: National Geophysical Data Center (NGDC) at NOAA

По-полемичен въпрос е не дали климатът се променя, а дали промяната не става с ненормално бързи темпове, невиждани досега. За да отговорим коректно е необходимо да разполагаме с измервателни данни за среднодневната температура в дълъг период от време. При това, за да бъде апроксимацията ни максимално близка до среднодневната глобална температура трябва да имаме измервания от многобройни измервателни станции, пръснати равномерно из земната повърхност. Такива мащабни измервания на температурата има едва от около 150 години. А глобални измервания са възможни едва от няколко десетилетия с въвеждането на метеорологичните сателити. За температурата в миналото може да се съди по най-различни косвени методи, но за тях по-нататък.

Промяна на средната годишна температура в четири града в България през ХХ век – Габрово (а), Бургас (b), Казанлък (c), Лом (d). Както можете да се убедите – общият тренд е за повишение на средната годишна температура с около 0,5 – 1 градуса за век, макар че в Казанлък средната годишна температура всъщност намалява за този период. Графика: [4]

Въз основа на много графики като горните от метеорологични станции по цялата Земя са изготвени модели, които показват как се е променяла средната годишна температура на земната повърхност от края на ХIX век досега. Те изглеждат по този начин:

Промяна на средната глобална температура на земната повърхност, отнесена към средната глобална температура в периода 1980 – 2010. Различните линии представят различни модели използвани от американската климатична служба NOAA. Графика: [5] по данни от [6]

На база на тези измервания можем недвусмислено да твърдим, че температурата на Земята се e повишила за отчитания период. При това промяната е по-значителна  в последните няколко десетилетия. Налице са също и множество колебания в средната температура през годините, периоди в които има тенденция за застудяване (1880 – 1910) и задържане на температурата (1950 – 1980). Ала като цяло глобалното затопляне от ХХ век досега е неоспорим факт. И отричането му е просто поредната антинаучна теория на конспирациите.

Но какво се е случвало с климата на Земята преди ХХ век? Относително постоянен ли е бил? Глобалното затопляне някаква невиждана аномалия ли е? Това са кардинални въпроси в контекста на нашия трети въпрос – хипотезата, че именно човешката дейност е основният приносител за затоплянето. За съжаление няма как да знаем отговорите им със сигурност. Най-доброто, с което разполагат климатолозите, са различни модели, които могат да загатнат със задоволителна точност какво е било положението в миналото. Но все пак учените не са гледачки. Детайлна и категорична информация няма как да се знае. Въпреки това често се публикуват научнопопулярни новини и статии, в които заглавията и акцентите са така преувеличени и/или изкривени, че нямат почти нищо общо с реалното изследване, върху което се базират. Тъжно , но факт. Ето пример – Ледниците в Алпите ще изчезнат до края на 21 век. Когато в изследване, основано на модел, а не на емпирични данни, се говори така категорично, най-вероятно става дума за някаква манипулация.

„Научните“ публикации в масмедиите са любимо поле за изява на журналистите в категорията „преразказ без елементи на разсъждение“, но понякога заблуждаваща информация се спуска и от самите учени, с цел да привлекат внимание (пари) към изследването си.

История на климата

Всъщност как изобщо можем да знаем какъв е бил климата на Земята преди хиляди и дори стотици милиони години? По същия начин, по който научаваме и историята  – доказателствата за това какво е било са все още под земята. Има цяла наука, посветена на изучаването им – палеоклиматология.  Накратко това са методите, които служат за определяне на климата в миналото:

  • Изследване на леда от полярните ледници в дълбочина. Най-старите ледници са започнали да се образуват преди стотици хиляди години и те съдържат слоеве лед, формиран от снеговалежа, през всяка година досега. Учените изследват концентрацията на два изотопа в тези слоеве – кислород-16, който се образува в по-студени условия и кислород-18, който доминира при по-топъл климат;
  • Изследване на вкаменелости на дървета със запазени годишни пръстени. По ширината на годишните пръстени се съди до колко благоприятни са били условията, при които е расло дървото;
  • Изследване на концентрацията на CO2 във фосилизирани листа;
  • Изследване на концентрацията на цветен прашец в седиментни скали – при добри условия растенията образуват повече прашец.
  • Изследване на коралови колонии и  техните вкаменелости. Коралите се трупат на слоеве и  развитието им се влияе от температурата и солеността на морската вода.

Изменение на средната годишна температура на Земята в последното хилядолетие по данни от различни климатични модели и методологии. Графика: [7]

Изменение на средната годишна температура на Земята в последните 500 млн. години. Графика: Glen Fergus / Wikipedia

Изучавайки графики като горните две можем да си направим няколко извода. На първо място е видно, че получените данни от различни климатични модели се различават в известна степен един от друг, както и би следвало да очакваме. Но разликата рядко надвишава 0,5 градуса, пък и трендът на температурата във времето при различните модели най-често се припокрива. Тоест, фактът, че чрез различни методологии се получават толкова близки резултати, означава, че ние действително можем да предположим с голяма степен на достоверност какъв е бил климатът на Земята, както преди хиляди години, така и в отдавна изминали геоложки епохи.

На графиките виждаме и как средната температура на Земята в миналото се е изменяла по периодична зависимост. При това тези цикли на затопляне и застудяване се повтарят в различен мащаб. През около 100 000 години се редуват периоди на глобално затопляне, при които средната температура на Земята доближава сегашната. Ала в по-общ мащаб приблизително на всеки 150 млн. години се случват други периоди на затопляне, в които глобалната температура надминава с 10-на градуса сегашната.

Третият извод, до който достигаме, е, че климатът на Земята се влияе от някакви фактори (като част от тях са с предполагаем цикличен характер). И те са били налични много преди човешката дейност да започне да оказва забележимо въздействие на околната среда. Но кои са тези фактори?

Влиянието на Слънцето

Нека си представим една тенджера с вода, поставена върху котлон. От какво ще зависят условията на повърхността на водата? Ами очевидно от два фактора – от температурата на котлона, както и от това дали тенджерата има похлупак и колко ефективен е той в предотвратяването на конвективен топлообмен с околната среда. Примерът е доста простоват, но дори той ни помага да разберем кои са основните фактори, които определят климата на планетата ни. Това са Слънцето (в ролята на котлона) и парниковите газове в атмосферата (в ролята на похлупака). Най-съществената разлика между климата на Земята и този в тенджерата е, че количеството на парниковите газове  не е фиксирано като похлупака на тенджерата, а е в известна степен функция на външното нагряване. Така че в основата си земният климат се обуславя от слънчевото греене.

Дотук всичко звучи много просто и логично. Но всъщност ролята на Слънцето в климатичните промени на Земята е обект на може би най-ожесточения диспут между климатолозите. Аргументи в спора имат и двете страни. Но преди да ги разгледаме, нека кажем и няколко думи за нашата звезда – Слънцето.

Свикнали сме да приемаме неговата яркост за константна, но всъщност строго погледнато това не е така. Слънцето е в известен смисъл променлива звезда с единадесет годишен цикъл. По време на един такъв цикъл, то преминава през период на повишена активност (слънчев максимум) и период на ниска активност (слънчев минимум). Така в последните 400 години слънчевата радиация, падаща върху един кв.м. земна площ (т.нар. „слънчева константа“), се е променяла в диапазона 1360 – 1362 W/m^2 [8].

Много или малко са 2 W/m^2 за да окажат забележимо влияние на земния климат? Можем да се опитаме да дадем отговор, като съпоставим графиката на промяната на глобалната температура на Земята във времето с цикличната слънчева активност през този период. Ако има някаква зависимост, очакваме да видим увеличение на глобалната температура в периоди с висока слънчева активност и обратно – намаление при ниска активност. За показател на слънчевата активност ще използваме броя на слънчевите петна в слънчевата фотосфера. Техният брой се увеличава при слънчеви максимуми и намалява по време на минимуми. Освен това динамиката на слънчевите петна през годините се документира подробно от няколко столетия насам, така че този параметър е идеален за съпоставка в относително голям времеви интервал (колкото по-голям – толкова по-добре).

И тъй, въпросната графична зависимост от началото на ХХ век досега изглежда по този начин:

Изменение на средната земна температура от началото на ХХ век до 2016г. по данните от два климатични модела – GCAG (червената линия) и GISTEMP (зелената линия), усреднени на базата на 11 годишни периоди [9]. Сините стълбове показват броя слънчеви петна, наблюдавани през съответните години, a жълтата линия е 11-годишната им апроксимация [10].

Както виждаме, докъм 60-те години на ХХ век се наблюдава повишаване на глобалната температура, а за същия период се наблюдава и нарастващ интензитет на слънчевата активност по време на максимумите, който достига своя апогей през 1960г. – един от най-мощните слънчеви максимуми за последните 400 години. После обаче следва нещо интересно. Глобалната температура се стабилизира за повече от десетилетие, след което започва стремително да нараства, докато слънчевата активност за този период постепенно отслабва, като последният слънчев цикъл е един от най-спокойните в историята.  Следователно не съществува взаимовръзка между глобалното затопляне и слънчевата активност. Експерименталните данни разбиват на пух и прах тази хипотеза. Нали?

Нека все пак видим какво се случвало и назад във времето. Както споменахме, колкото по-широк период обхванем, толкова по-ясно можем да установим има или няма корелация между две функции. Броят на слънчевите петна (или по-точно – броят на групите от слънчеви петна) се документира от 400 години. За този период нямаме метеорологични данни, но бихме могли да използваме  климатичен модел, на базата на който е изчислена някаква апроксимация за глобалната годишна температура. За нашата съпоставка сме използвали модела на Cunningham et al от 2013, показващ изменението на температурата на морската повърхност в северния атлантик въз основа на  отлагания на микроорганизми [11].

Изменение на средната  температура на морското равнище в северния атлантик в периода 1600 – 1975 (червената линия) по данни на Cunningham et al [12], усреднени на базата на 11 годишни периоди. Сините стълбове показват броя групи слънчеви петна, наблюдавани през съответните години, a жълтата линия е 11-годишната им апроксимация [13].

Е, сега нещата далеч не изглеждат толкова очевидни. Дори като цяло изглежда, че изменението на глобалната температура, поне до 1970, следва изменението на слънчевата активност. Наистина, има участъци, за които съществува обратната зависимост, но едва ли някой би отрекъл, че има корелация между двете функции. Коефициентът на корелация за този четиривековен период е 0.68, което означава, че няма перфектна корелация, но все пак тя е доста висока.

Изводите, които можем да си направим от всичко казано дотук, са два. И те са донякъде противоположни:

  1. Слънчевата активност е имала първостепенна роля за определянето на земния климат в последните няколко века (поне);
  2. Слънчевата активност практически не е от значение за рязкото глобалното затопляне, наблюдавано  в последните 40 години.

Но ако не е Слънцето, тогава кой?

CO2 – набеденият виновник

Вижте Венера. Най-близката по размери и маса до Земята планета в Слънчевата система се намира с 28 процента по-близо до Слънцето от нашата собствена планета. Енергията, която би трябвала да пада на единица площ там е 2630 W/m^2 или два пъти повече, отколкото на Земята. Следователно бихме могли да очакваме, че температурата там ще е двойно по-висока от тази на Земята. И ако средната температура на повърхността на Земята е 273 К, то на Венера би трябвало да е 546 К (273 oC).

Грешка. На Венера е много по-горещо. Със своите 457 oC там е по-горещо дори от Меркурий. И причината за тази пъклена горещина се намира в атмосферата на планетата. Почти изцяло (96,5%) тя се състои от въглероден диоксид. А въглеродният диоксид има едно особено свойство. Той пропуска почти изцяло енергията, идваща от Слънцето, чийто пик е във видимия диапазон и близкия инфрачервен. Така тази енергия безпрепятствено напича повърхността на планетата и тя на свой ред започва да отдава топлина обратно в околното пространство. Но това вторично излъчване е по-дълговълново ( > 4 μm) и този път въглеродният диоксид отказва да го пусне ей така. Той поглъща тази топлина и след това я отделя пак в околното пространство, като това преизлъчване става във всички посоки. Следователно част от топлината се връща обратно към земята, където пак следва загряване, част от което пак отива към въглеродния диоксид и т.н. и т.н… Оказва се, че въглеродният диоксид е изключително мощен парников газ, превърнал Венера в една същинска тенджера под налягане.

На Земята също си имаме въглероден диоксид. Масата му в земната атмосфера е около 3,281 милиарда тона [14]. Или около 0,043 % от цялата атмосфера по данни от 2014. Много или малко е това, за да причини забележимо затопляне на Земята? Още един от онези простички въпроси, които обаче нямат така простичък отговор, независимо какво се опитват да ви внушат от различните лагери. Ние няма да даваме отговори, а просто ще посочим фактите.

1. Нивото на COсе покачва непрекъснато през ХХ век, като темпът нараства осезаемо след 1960г. Оттогава до днес концентрацията на CO2 расте с около 20 ppm/десетилетие (ppm означава „една част на милион части“). До началото на ХХ век тя е била около 270 ppm, днес вече е 420 ppm.

Изменение на концентрацията на въглероден диоксид във въздуха за последните 50 години. Трионообразната форма на графиката се дължи на сезонните вариации на растителността в умерените ширини. Изображение: NOAA

2. Влиянието на различните газове върху парниковия ефект на Земята е добре изучена задача в климатологията още от началото на ХХ век досега. Счита се, че увеличената концентрация на CO2 в атмосферата на Земята през 1980 е допринеслa за допълнително нагряване на планетата от порядъка на 1 W/m^2 спрямо 1750 г. За 2017 това допълнително нагряване е 2 W/m^2 спрямо 1750 г. [15]. Припомняме, че 2 W/m^2 е също така максимална вариация на слънчевата константа за последните няколко века.

Въглеродният цикъл на океана

Въглеродният диоксид не остава завинаги в атмосферата. Рано или късно той се връща обратно в биосферата, а съществена част от COоксидира с водата в световния океан по реакцията: CO2 + H2O = H2CO3 = HCO3 + H+. Както се вижда от реакцията, нейният продукт е слабо реактивната въглеродна киселина. В последните десетилетия количество на тази киселина в морската вода се увеличава, което води до намаляване на pH на световния океан. Това е пряко следствие от увеличената концентрация на CO2 в атмосферата.

Схема на въглеродния цикъл в океана. Забележете, че според IPCC всяка година от атмосфеата в океана влизат средно 92 млрд. тона въглерод, но същевременно се връщат около 90 млрд. т. Изображение: IPCC

Но целият този процес на връщане на CO2 в световния океан е много сложен и все още в него има доста неясноти. Сигурни сме обаче, че световния океан има изключително важна функция по поддържане на относително стабилни нива на CO2 в атмосферата на Земята. В настоящата епоха на нарастване на този газ, океанът играе ролята на резервоар за излишъка от него. Статистиката показва, че за едно столетие (1911 – 2011) в земната атмосфера са били отделени около 1 300 млрд. тона CO2  [16]. За същия период количеството CO2 в атмосферата се е увеличило от 300 ppm на 391 ppm [17], т.е. с 91 ppm, което се равнява [14] на около 712 млрд. тона CO2. Това означава, че за един век около 45% от атмосферния COе отишъл обратно от атмосферата в океана.

Което е огромно количество. Толкова огромно, че човек започва да се пита какво би станало с COв атмосферата на Земята, ако внезапно спре генерацията му. Ще се запази ли количеството му във въздуха? Не, категорично. Анализите показват, че той би отишъл от земната атмосфера обратно в океана. Ала въпросът колко бързо ще стане това също поражда ожесточена полемика. Тук се дефинират две времена -т.нар. residence time  на CO2  (времето, в което една молекула COостава в атмосферата), което се определя на 5 до 200 години според различните модели [18]  и т.нар. adjustment time  на CO2  (времето, необходимо за балансиране на излишък от COв атмосферата), което според съвременните модели е в порядъка на стотици хиляди години [19].

Тези две времена служат като своеобразна разделителна линия между учените, които твърдят, че водещ в глобалното затопляне е човешкият фактор, и онези, които го отричат. Първите смятат, че CO се задържа продължително в атмосферата и  омаловажават residence time.  Вторите твърдят, че CO е краткотраен газ в атмосферата и държат на важността на residence time. Днес тяхната групичка е малцинство, но е интересно да се отбележи, че преди да започне паниката по глобалното затопляне (90-те години) установеното мнение в климатологията е именно това – че времето на живот на CO2  в атмосферата е кратко. За отбелязване е също така, че съвременното схващане, за дългосрочното взаимодействие на CO2  не се базира на експериментални данни, а на физически модели – като моделите Bern и ISAM [20] [21]. На тези модели се базират и прогнозите за бъдещето увеличение на температурата.

От къде идва въглеродният диоксид?

В масираната медийна бомбардировка под темата „глобално затопляне“ човек остава с впечатлението, че едва ли не целият CO2  в атмосферата идва от човешката дейност. Това далеч не е така. Източниците на COсе подразделят на два типа – природни и антропогенни. Тяхната разбивка можете да видите по-долу:

При това природните източници на CO2  преобладават над антропогенните източници, които съставляват около 4% от общата емисия по данни от 2008. Най-съществени приносители са живите организми с тяхното дишане и гниене след смъртта им, както и отделеният от световния океан CO. Но е важно да се отбележи, че според съвременната климатология това е по своему „оборотен“ CO, който не се задържа в атмосферата. Каквото се издиша от организмите, се разгражда обратно при фотосинтезата на растенията. Океанът от своя страна също поглъща дори повече (както видяхме по-горе) от това, което отделя. Което ни оставя с въглеродния диоксид, отделен при пожари, вулканична дейност и изветряването на скалите. Той обаче е едва около 3 % от въглеродния диоксид, отделян при човешката дейност (по данни от 2013). Схематично нещата изглеждат така:

Източници на CO2  . Изображение: IPCC, 2007.

При това, както можете да видите от долната графика, темпът на нарастване на този антропогенен COсе е увеличил съществено след Втората световна война и от тогава почти не е спадал.

Изображение: http://dougrobbins.blogspot.com/2017/06/volcanic-co2-emissions.html

В основата на хипотезата за антропогенното глобално затопляне, стои твърдението, че „природният“  CO2  се намира в непрекъснат кръговрат, докато отделеният от човешката дейност нарушава баланса и се натрупва  непрекъснато в атмосферата. Възловият въпрос е колко крехък е този баланс. Ако представим климата на Земята като система, то наистина ли относително неголямо допълнително количество COе способно да я извади от равновесното й състояние? Или в природата съществуват механизми, които могат да го компенсират? Със сигурност ще научим отговора на този въпрос,  но това ще стане в далечното или не толкова далечно бъдеще, когато бъдат натрупани достатъчно експериментални данни. А дотогава можем да се задоволяваме единствено с моделите, които предполагат с някаква вероятност как работи реалността

Следва продължение…


Използвана литература:

[1] http://www.donsmaps.com/icemaps.html

[2] https://www.iceagenow.com/Sea_Level_During_Last_Ice_Age.htm

[3] http://www.vinetowinecircle.com/en/genetics/the-presence-of-wild-vines-during-the-ice-age-in-iberia/

[4] Climate variability and change in Bulgaria during the 20th century, National Institute of Meteorology and Hydrology, Sofia, Bulgaria, 2004. http://www.homogenisation.org/files/private/WG1/Bibliography/Applications/Applications%20(A-B)/Alexandrov_2004.pdf

[5] https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-global-temperature

[6] https://www.ncdc.noaa.gov/sotc/global/201713

[7] Mann, M. E., Zhang, Z., Hughes, M. K., Bradley, R. S., Miller, S. K., Rutherford, S. and Ni, F. (2008). Proxy-based reconstructions of hemispheric and global surface temperature variations over the past two millenia. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105 13252–13257.

[8] http://lasp.colorado.edu/home/sorce/data/tsi-data/?doing_wp_cron=1538335157.2502949237823486328125

[9] https://datahub.io/core/global-temp#data

[10] http://www.sidc.be/silso/datafiles

[11] Cunningham, L.K., Austin, W.E.N., Knudsen, K.L., Eiríksson, J., Scourse, J.D, Wanamaker Jr., A.D., Butler, P.G., Cage, A., Richter, T., Husum, K., Hald, M., Andersson, C., Zorita, E., Linderholm, H.W., Gunnarson, B.E., Sicre, M.A., Sejrup, H.P., Jiang, H. and Wilson, R.J.S. 2013. Reconstructions of surface ocean conditions from the northeast Atlantic and Nordic seas during the last millennium. The Holocene. DOI:10.1177/0959683613479677

[12] https://www1.ncdc.noaa.gov/pub/data/paleo/contributions_by_author/cunningham2013/cunningham2013-data-series.txt

[13] https://www.ngdc.noaa.gov/stp/space-weather/solar-data/solar-indices/sunspot-numbers/group/daily-values-and-means/group-sunspot-numbers_yearly-means(yearrg).txt

[14] Тук използваме, че масата на земната атмосфера е 5.137 x 10^18 kg ; 1 ppm от CO2 = 2.13 Gt (10^12 kg) въглерод (Trenberth, 1981 JGR 86:5238-46); като за всеки 1 Gt въглерод са необходими 3.667 Gt CO2 [16].

[15] https://www.esrl.noaa.gov/gmd/aggi/aggi.html

[16] http://cdiac.ess-dive.lbl.gov/ftp/ndp030/global.1751_2011.ems

[17] https://data.giss.nasa.gov/modelforce/ghgases/Fig1A.ext.txt

[18] https://www.ipcc.ch/ipccreports/tar/wg1/016.htm

[19] Lord, N.S., Ridgwell, A., Thorne, M.C., Lunt, D.J., 2016. An impulse response function for the long tail of excess atmospheric CO2 in an Earth system model. Glob. Biogeochem. Cycles 30, 2–17.  https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2014GB005074#gbc20374-fig-0002

[20] https://www.ipcc.ch/ipccreports/tar/wg1/122.htm

[21] http://unfccc.int/resource/brazil/carbon.html

 

Categories
Образование

Експерименталната страна на физиката…

Обичахте ли физика в училище? Или я намирахте за скучна, неразбираема, абстрактна… Спомняте ли си някоя от формулите в учебниците, можете ли да възпроизведете основните принципи, върху които е построен нашия свят? За жалост е много по-вероятно училищната физика да ви е оставила мъгляв спомен като нещо досадно и  маловажно, отколкото да е спечелила сърцата ви. Казвам „за жалост“, защото за мен и за много мои съмишленици, физиката е царицата на науките. Тя е основата на естествознаниетo. И  не може да си биолог, химик, инженер или компютърен специалист, без да си преди всичко физик.

Ала все пак от доста години я има тенденцията добрата стара физика да бъде изтиквана на заден фон в йерархията на средното ни образование (и не само). Въпреки нарастващото значение на приложните науките в човешкия прогрес. В представите на много хора качествено образование означава децата ни да научат един-два чужди езика и малко програмиране или икономика. Чудесно. Но нека не забравяме, че това са само инструменти. Никой не отрича, че тези инструменти са необходими за успешна реализация по-нататък, обаче самите те изобщо не означават образование.

Образование е преди всичко развитието на критично и логическо мислене, търсенето и откриването на отговори, задаването на нови въпроси, стремежът към яснота – това именно е целта на науки като физиката. Но за разлика от повечето други естествени науки, физиката има един голям „недостатък“. Тя не може да бъде преподадена добре само на хартия. Колкото и качествено да са написани учебниците, каквито й илюстрации да съдържат, преподаването на физика се осакатява, ако не се обърне подобаващо внимание на експерименталната й страна.

Само че в училищата ни няма лаборатории по физика. Или ако има – повечето уреди в тях са стари и повредени. В най-добрия случай е останала някоя единична бройка, до която учениците така и не се докосват, а просто пасивно наблюдават какво прави учителят им. Защо да се изненадваме тогава, когато впоследствие децата изобщо не могат да съотнесат многобройните формули, които са зазубрили в учебниците, към реалните физически процеси в природата около тях? И тъжното следствие е, че децата, по принцип изпълнени с любопитство за света около себе си, не намират задоволителни отговори в училище. В резултат те занемаряват своето любопитство, спират да си задават въпроси и накрая получаваме едни инертни, апатични граждани, чиито кръгозор се изчерпва единствено с покриване на насъщните нужди. Граждани, податливи на манипулации. Щеше ли изобщо да ги има истериите по кемтрейлс, ваксините, ХААРП, плоската Земя, ако образованието не беше в (глобална) криза?

Да, нещата може и да изглеждат мрачно в момента, но държа да кажа, че има и светлинка в тунела. И преди е ставало дума за прекрасната инициатива на Софийския клон на Съюза на физиците в България (СК на СФБ) – Олимпиадата по експериментална физика, в рамките на която много ученици от България и света мерят сили в провеждането на физични експерименти и определят сами фундаментални природни константи. Наскоро имаше още едно мероприятие под егидата на СК на СФБ и Физическия факултет към Софийски университет „Св. Климент Охридски“.

Става дума за ежегодния ученически конкурс „Уреди за кабинета по физика“.

Предизвикателството накратко е следното.  Ученици в прогимназиална и гимназиална степен на обучение трябва сами, под менторството на учителите си по физика, да разработят експеримент, който демонстрира някакъв физичен закон от учебниците им по физика. Идеята не е да се купува наготово сложен уред, а да се покаже как с ежедневни материали, минимални финансови средства и повечко въображение може да се онагледи почти всичко от училищната физика.

В уречения ден – гореща юнска събота – учениците започват да изпълват партера на Физическия факултет от ранни зори.  Те са предимно от София, но има също силно включване от училища в Плевен, Вършец, та дори и от Македония и Босна и Херцеговина. Насам-натам се носят маси, опъват се кабели и трескаво се разполагат разни чудати неща. Атмосферата е шарена и весела – като на панаир. А експериментите са впечатляващо различни един от друг! И то не само тематично (от хидростатика и механика до електромагнетизъм и оптика), а преди всичко идейно и концептуално.

Някои от експериментите поставят акцент върху използването на съвременни микроконтролери и роботизирани устройства, като залагат повече на информационните технологии в помощ на физиката.

Други, напротив, разчитат на неща от бита, които нормално бихме изхвърлили, за да вдъхнат живот на семпли, но убедителни експерименти по физика. Не без чувство за хумор организаторите на конкурса са създали специална категория за тях – „Наука от боклука“.  И тук има много бисери, които изумяват с простотата си. Като опитната постановка от бидон за минерална вода и два балона вътре, показващи работата на белите дробове; Херонов фонтан, също на базата на шишета за минерална вода; демонстратор на механични вълни, създаден от струна за китара.

Учениците показват, че от рециклируеми материали могат да се правят и доста сложни  прототипи. Като робота-всъдеход, захранван от слънчеви панели на градински лампи или впечатляващия соленоиден двигател с маховик от коркови тапи :).

И макар конкурсът да е ученически, приятна изненада буди фактът, че много деца са потърсили съдействието на родителите си при изработката на по-приложни експерименти. Така се е получил демонстратор на механичен резонанс, чиито метални пластини с различна дължина са заварени от нечий сръчен татко. Друг татко, вероятно автомонтьор, е разглобил стар бутален компресор от автомобилен климатик, и сега дъщеря му въодушевено обяснява работата на  компресорите, показвайки нагледно какво представлява един такъв. А до нея млад радиолюбител прави първите си стъпки в радиотехниката, сглобявайки собствен аудиоусилвател, под напътствията на своя баща…

Особено радващо е, че някои ученици са се опитали да  възстановят или подобрят стари,  неработещи експерименти от кабинетите по физика – като генератор на Ван де Грааф и  математическо махало за определяне на земното ускорение. Е, тук се губят точки за оригиналност, но винаги си заслужават похвала опитите да вдъхнеш нов живот на старата апаратура. Още повече, че така на базата на reverse engineering можеш да се запознаеш прекрасно с основните й недостатъци и ограничения.

Идеята тук не е кой ще спечели, тъй като колкото и изтъркано да звучи – всеки печели. Не се съмнявам, че в този хубав ден всички ученици са събрали също токова хубави спомени, които ще бележат пътя им занапред. И все пак един от експериментите се отличава със своята оригиналност и старателност, така че той заслужено печели приза на журито в категорията за големите ученици. Петя Стойкова и Владимир Христов от 9Б клас на Националната търговско-банкова гимназия в София, под ръководството на уч. Нонка Байлова, са разработили Arduino експеримент за измерване на земното ускорение.

Те са свързали сензор за натиск към микроконтролера, върху който пада метално топче, пускано от електромагнит, управляван също от Arduino. Така, измервайки с точност от няколко милисекунди времето за падане и знаейки височина, от която пада топчето, учениците могат да определят земното ускорение. Лично аз благодаря на авторите за чудесния експеримент и се надявам, че ще постигнат още по-добра измервателна точност, вземайки предвид градивните ми забележки 😉 А вие се запознаете с детайлното описание на експеримента им тук – NTBG2018_MeasuringTheEarthAcceleration

Изобщо подобни конкурси са страхотно начинание, защото постигат няколко цели наведнъж. Първо и най-важно – показват, че физиката може да бъде забавна и интересна за всички. Второ, конкурсът развива творческата мисъл у децата, а освен това техният труд дава плодове, от които ще се възползват и много други ученици. Може да се каже, че за разлика от физиката, при която енергия не се губи и не се създава, то на конкурса „Уреди за кабинета по физика“ положителната съзидателна енергия определено се генерира и със сигурност ще прихване още и още ученици, родители, учители…

Успех, деца, и нека откривателският дух никога не ви напуска!

Повече информация за конкурса можете да откриете на страницата на организаторите.

И благодарности за фотоматериала на Пламен Трифонов и Александър Петков!