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
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
Наука

Въздушно съпротивление в аеродинамиката

След като миналия път очертахме характеристиките на подемната сила в аеродинамиката, сега ще ви запознаем и с обратната страна на монетата – въздушното съпротивление. Ако сте чели и останалите материали в блога ни, посветени на аеродинамиката, вероятно си спомняте, че при обтичане на обект с въздух се получава аеродинамична сила, чийто вектор е насочен по осите ХА и YА на т.нар. скоростна координатна система на обекта. Проекцията на вектора на тази сила по оста YА нарекохме подемна сила, а проекцията по оста ХА сила на челно съпротивление или просто въздушно съпротивление (на английски – drag).

Практически челното съпротивление е вредната част от аеродинамичната сила.  Ако подемната сила кара летателния апарат да се издига нагоре, то челното съпротивление убива скоростта му. Така то пречи  на апарата да създаде голяма подемна сила, тъй като за голяма подемна сила ни трябва и голяма скорост. И за да компенсира челното съпротивление, нашият летателен апарат трябва да произвежда повече тяга, което увеличава разхода на гориво, което пък не е икономично.

А тъй като една от  основните цели на авиацията е да се лети максимално икономично, то борбата със съпротивлението съществува още от зараждането на всички видове въздушен транспорт. Намаляването на коефициента на челно съпротивление дори с една десетохилядна част (тази част в аеродинамиката се нарича единица съпротивление) би увеличило приходите на авиокомпаниите с милиони долари.

Но за да намалим влиянието на челното съпротивление, доколкото е възможно, преди всичко трябва да го опознаем добре. Защо има съпротивление? Какво точно представлява? От какво зависи и как се изменя? Наглед прости въпроси, които обаче водят директно към чудния свят на механиката на флуидите.

Физика на въздушното съпротивление

Формулата, от която зависи силата на въздушното съпротивление, прилича страшно много на формулата, по която се пресмята и подемната сила:

Да припомним – тук ρ е плътността на обтичащия въздух, V е скоростта на обтичане на въздушния поток (скоростта, с която се движим), S е площта на крилото в план (или друга характерна площ, ако разглеждаме произволен обект),  a CXa e поправъчен коефициент на въздушното съпротивление (в англоезичната литература CD).

Подобието на формулите за подемна сила и съпротивление никак не е странно, ако вземем под внимание факта, че двете сили са условно разделени части на едно и също нещо. При това на пръв поглед може да ни се стори, че силата на въздушно съпротивление се влияе от същите фактори като подемната сила. Т.е. можем да очакваме, че то се увеличава с нарастване на скоростта, ъгъла на атака, плътността на въздуха и пр. И наистина е така, но характерът на изменението на въздушното съпротивление е съвсем различен от този на подемната сила.

За да разберем защо обаче, първо трябва да разберем какво създава въздушното съпротивление. Оказва се, че принципно има два типа съпротивление, които допринасят за резултантната сила. Ако разгледаме по-подробно коефициента на въздушното съпротивление CXa от горната формула, бихме установили, че той всъщност е дефиниран като сума от два отделни съпротивителни коефициенти:

Коефициентът CXf  се определя от съпротивителните сили, причинени от въздушното триене, докато CXа нал зависи от разликата в наляганията между предната част и задната част на обтекаемото тяло.

При това съпротивлението от триене съставлява около две трети от цялото съпротивление, което изпитва един дозвуков самолет, и е определящо при по-ниски скорости.  Обаче с увеличаване на скоростта и ъгъла на атака,  трябва да сложим в сметките и съпротивлението от налягане.

Съпротивление от триене

Ключово за разбирането на съпротивлението от триене е свойството на газове и течности, наречено вискозитет. Флуидът, било то газ или течност, е съставен от множество миниатюрни молекули, които са в непрекъснато движение помежду си. Така че често се случва те да се удрят една с друга. И ако задвижим част от молекулите в дадена посока, те ще започнат да се блъскат със съседите си, придавайки им част от скоростта си и губейки част от своята. Резултатът ще е, че все повече частици ще се движат с все по-малка скорост. А за да бъде картинката максимално близка до реалността, трябва да включим и повърхността, която флуидът обтича. Тя е в твърдо агрегатно състояние – сиреч молекулите й не могат да се движат свободно. Така че когато движещи се частици от флуида се удрят в тях, те губят безвъзвратно енергията си, движението затихва и в края на краищата спира напълно.

Флуиди с различен вискозитет.

 За това колко бързо ще спре движението отговаря именно вискозитетът или по народному казано -гъстотата. Колкото по-вискозен е флуидът, толкова по-бързо престава да се движи.

За любознателните…

Не всички флуиди притежават вискозитет. Т.нар. свръхфлуиди са особен вид течности, характеризиращи се с редица странни свойства, едно от които е, че протичат, без да се трият с околните тела. Те се получават при охлаждане на вещество до температура,  близка до абсолютната нула.

Най-известният представител на групата е течният хелий. Ако налеете една чашка с течен хелий и завъртите течността вътре (с лъжичка няма да стане номера), хелият никога няма да спре да се върти. Разбира се чашката трябва да е много специална, защото течният хелий има навика да изтича и през най-микроскопичните пукнатини, които иначе биха задържали спокойно всяка друга обикновена течност. Ако пък напълните каничка с течен хелий (или друг свръхфлуид) и отлеете малко от течността, тя няма да спре да тече, дори когато върнете каната в хоризонтално положение. Ала всъщност така или иначе течността ще се излее през ръба на каната като фонтан и то без изобщо да я накланяте. Да – свръхфлуидите могат да текат и нагоре, привидно противоречейки на физическите закони.

Течният хелий се процежда през твърди повърхности, непроницаеми за обикновена течност. Изображение: BBC / Alfred Leitner

Вискозитетът на въздуха не е голям. Неговото влияние се проявява в един много тънък слой около обтекаемата повърхност на летателния апарат, наречен граничен слой. В този слой въздушните частици се „затормозяват“, скоростта им намалява, а по самата повърхност тя клони към нула, все едно че частичките са прилепнали към летателния апарат. Дебелината на граничния слой е най-малка в началото на обтичаната повърхност и нараства с отдалечаването, като най-много достига десетина милиметра.

Физически модел на течението на въздуха в граничния слой. Изображение: University of Delaware

И по-нагледна репрезентация на същото. Изображение: AllStar.fiu.edu

Течението на въздуха в граничния слой може да бъде ламинарно, турбулентно или смесено. Ламинарно течение ще рече, че частичките на въздуха се движат успоредно една на друга, без да се преместват напречно. При турбулентното течение частичките се движат хаотично, завихрено и се смесват интензивно. Смесеното течение е най-честият случай – при него граничният слой е ламинарен в началото и постепенно с увеличаване на скоростта се турбулизира, като едновременно с това увеличава и дебелината си. Пример за такова течение е димът от запалена цигара. Първоначално от нея се издига тънко стълбче пушек, който много бързо се завихря и се превръща в синкави кълба.

Като параметър за определяне на вида на граничния слой служи една от многобройните бездименсионни величини в механиката на флуидите – числото на Рейнолдс Re. Числото на Рейнолдс се дефинира като отношение на инерционните сили във флуида, отнесени към вискозните сили:

Тук 𝜌 е плътността на флуида,  V е относителната му скорост спрямо повърхността, l е характерен размер (например изминато разстояние от флуида), μ [Pa.s] е динамичен вискозитет (1.789 х 10-5 за атмосферата на морското равнище), ν [m2/s] e кинематичен вискозитет.

Течението e ламинарно при ниски стойности на Re, когато вискозните сили доминират. При определена стойност на Re, наречена критично число на Рейнолдс, инерционните сили са определящи и течението се турбулизира. Критичното число на Рейнолдс се определя експериментално. То зависи много от гладкостта на обтичаната повърхност (грапавините турбулизират по-бързо слоя), като в случая на плоска пластина е около 5 х 105.

На тази графика е показано изменението на коефициента на съпротивление на плоска пластина в зависимост от числото на Рейнолдс. Дадени са два случая – пластина с грапава повърхност и пластина с гладка повърхност. Изображение: NASA

Както може да се очаква, вискозното триене в турбулентния граничен слой е по-голямо, отколкото в ламинарния. Затова в повечето случаи  обтекаемите повърхности се правят така, че слоят да е ламинарен, колкото се може по-дълго. Казвам в повечето случаи, защото турбулентният граничен слой има и едно важно предимство – способността му да се откъсва по-трудно от обтекаемия обект при високи скорости и ъгли на атака.

Съпротивление от разлика в наляганията

Дотук разкрихме половината от историята на въздушното съпротивление. Половината, която е малко или много интуитивна – все пак триенето е нещо, което сме свикнали да виждаме навсякъде всеки ден. Другата част от въздушното съпротивление – съпротивлението от налягане, е особеност, характерна само за протичащите флуиди.

Всички  сме чували да се говори за лошо обтекаеми или добре обтекаеми тела, но не всеки се е замислял за физическия смисъл, който се крие зад тези понятия. Нещата стоят така, че при някаква стойност на Re идва момент, при който настъпва интересно явление – граничният слой се „откъсва” от обтекаемата повърхност.

Откъсване на потока от крилен профил при надкритични ъгли на атака. Изображение: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

 При това тялото вече не се обтича плавно от въздуха. Ефективният му размер, дефиниран от граничния слой, се увеличава, което води и до нарастване и на триенето. Но не в това е голямата беда. Въздухът под откъснатия граничен слой се характеризира с по-малко статично налягане, отколкото има въздухът в началните участъци на обтичане, където граничният слой все още не се е откъснал. Получава се разлика в наляганията между предния и изходящия край на обтекаемото тяло, поради която се явява допълнителна сила, сякаш „бутаща“ тялото назад.

Това именно е съпротивлението от налягане. Ламинарният граничен слой е по-склонен към откъсване (защото триенето с обтекаемата повърхност е по-малко, схващате ли?) и именно поради тази причина понякога се налага въздухът в граничния слой умишлено да се турбулизира, за да се предпази от откъсване.

За любознателните…

Интересен пример за двата вида съпротивление – от триене и от налягане – е топката за голф. Както знаем, топката за голф се изработва с многобройни трапчинки по повърхността си. И причината не е, за да се оскъпява излишно производствения процес. Работата е в това, че ако топката беше гладка граничният слой на обтичащия я въздух би се откъсвал още в началото, което би довело до съществено съпротивление от налягане (до няколко пъти по-голямо от съпротивлението от триене). Чрез трапчинките граничният слой се турбулизира – така се увеличава съпротивлението от триене, но пък тъй като турбулентният граничен слой е по-устойчив на откъсване, съпротивлението от налягане намалява значително. В края на краищата се оказва, че съпротивлението на гладката топка е по-голямо от това на топката с трапчинки и тя би изминала по-малко разстояние при една и съща сила на удара. 

А тогава защо крилата на самолетите се правят колкото се може по-гладки? Причината е, че топката е много по-лошо обтекаемо тяло, отколкото е крилото на самолета. То се обтича при много по-високи стойности на Re и следователно граничният слой се турбулизира още от самото начало, като по-плавният  контур възпрепятства откъсването му. Т.е. за самолетите определящо е съпротивлението от триене и затова се работи най-вече срещу него.

Потокът се откъсва по-трудно при надупчената топка за голф, отколкото при гладката, което намалява съществено въздушното й съпротивление. Изображение: Aerospaceweb.org

И следователно  така трябва да изглежда колата ви, ако искате да спестите малко гориво! Изображение: Mythbusters / Discovery Channel

Нека обобщим всичко казано до тук – въздушното съпротивление, което би изпитвало едно тяло, зависи от формата му, от гладкостта му и от параметрите на въздуха. Колкото по-тумбесто е, толкова по-лоша е картинката на обтичането му и това е причината всички летящи и плаващи апарати да се правят с удължени и плавни форми.

Индуктивно съпротивление

Сами разбирате, че да се направи теоретична оценка за съпротивлението (и подемната сила) на един цял летателен апарат е на практика невъзможно. Но пък е необходимо. Затова се подхожда по следния хитроумен начин – определят се съпротивленията на отделните части, от които се състои летателния апарат и след това се сумират, като се прибавя (може и да се извади, в зависимост от случая) още съпротивление от взаимното влияние на компонентите.

Дори картинката на един триизмерен обект, какъвто е крилото, е по-сложна, отколкото тази на неговия двумерен профил. На практика съпротивлението, което би имало то, е повече, отколкото ако се отчита само интегрираното по дължината му профилно съпротивление.

Обяснението е следното. За да лети самолетът, трябва налягането над горната повърхност на крилото да е по-малко, отколкото налягането отдолу. Но в двата края на крилото въздухът с високо налягане се среща с този с ниско. Така че там той безпрепятствено заобикаля крилото и отива на горната повърхност. Резултатът е, че се създават завихряния в двете краища, които се откъсват от крилото и остават като турбулентна следа на самолета в атмосферата.

Вихри, създадени от краищата на крилото на Boeing 777. Снимка: Matt Taylor.

Всичко това води до допълнително челно съпротивление, наречено индуктивно съпротивление. При малки ъгли на атака то е незначително. С увеличаване на α обаче се увеличава и разликата в наляганията между двете повърхности на крилото и индуцираното съпротивление расте.

Така че коефициентът на челно съпротивление на крилото се изразява като сума от профилното съпротивление при нулев ъгъл на атака CX0 (което пък е сума от съпротивленията от триене и налягане, прибилизително равно на ) и индуктивно съпротивление АCYA2  :

Както виждаме, индуктивното съпротивление зависи от коефициента на подемна сила, който е мерило за разликата между наляганията. Коефициентът на индуктивност A от своя страна зависи от  геометрията на крилото и от числото М.

За любознателните…

Има няколко начина да се намали индуктивното съпротивление. По-дългото крилo изпитва по-малко индуктивно съпротивление спрямо по-късо крило при една и съща площ. Т.е. по-добре е да се използват крила с голяма разпереност и къса хорда, отколкото обратното. Относно формата на крилото в план най-благоприятни са елиптичните крила, докато другите форми повишават съпротивлението (за правоъгълните крила то е 1.5 пъти по-голямо отколкото за елиптичните). Популярно решение за намаляване на индуктивното съпротивление е поставянето на специални приспособления – „уинглети”, които закривяват  краищата на крилото и така преходът между високо и ниско налягане е по-плавен.

Вихровите следи, които самолетите оставят, са силно нежелaни и по друга причина. Те влошават управляемостта на движещите се отзад други самолети. Понякога ефектът от тях обаче може и да е благоприятен – пример за това ни дава самата природа. Птиците, които летят във V-образна формация, се възползват от възходящите компоненти на двата вихъра създавани от водача на ятото и губят по-малко енергия за летене. Подобно подреждане се използва и при летящи групово самолети.

Намаляване на индуктивното съпротивление посредством уинглети.

Вълново съпротивление

Остава да споменем и за още нещо. Въздухът, като всеки газ, притежава свойството свиваемост, което има доста важна роля в  аеродинамиката при високи скорости (над M = 0). Ако разглеждаме обтичането на един крилен профил с положителна кривина ще забелeжим, че скоростта, която въздухът придобива над горния контур, е по-голяма от тази на несмутения въздушен поток. В това няма нищо чудно, то е просто следствие от Закона на Бернули.

Ако обаче увеличаваме скоростта на въздушния поток, ще се стигне до момент, в който част от течението, обтичащо горната повърхност на профила, ще стане свръхзвуково. Тази скорост на несмутения поток се нарича критично число на Мах (Мкр). Оттук насетне (до достигане на М = 1) профилът ще се обтича смесено – част от него от дозвуково течение, а друга – от свръхзвуково. Свръхзвуковото течение обаче е свързано с образуването на скокове на уплътнение в предната част на профила с повишено налягане.

Скок на уплътнение върху горната повърхност на профил при скорост на обтичане над критичното число на Мах.

А това води до ново съпротивление от налягане, което се нарича вълново съпротивление (самото явление на смесено обтичане е известно като вълнови кризис). Освен че се увеличава драстично общото съпротивление на летателния апарат се получава и „бафтинг” – тресене като при достигане на критичен ъгъл на атака. Именно поради тази причина съвременните дозвукови самолети са ограничени в скоростта си до около 0.8 М, когато започва да се проявява вълновото съпротивление.  Свръхзвуковите самолети в прехода си между дозвукова и свръхзвукова скорост също гледат да съкратят максимално престоя си в диапазона между 0.8 и 1 М, където изпитват най-голямо съпротивление. А с увеличаване на скоростта вълновото съпротивление изчезва, защото целият профил започва да се обтича свръхзвуково.

Обобщение

Доста съпротивления станаха и за да няма объркване, нека ги обобщим за последно:

A ако се питате как се променят различните съпротивления в зависимост от скоростта на обтичане, запознайте се със следната сложна графична зависимост:

Както виждате, с увеличаване на скоростта профилното съпротивление нараства, а индуктивното намалява. Сумирайки двете съпротивления излиза, че общото челно съпротивление първоначално намалява, достига своя минимум и след това нараства. Но ако включим в играта и вълновото съпротивление, картинката се променя драматично. На долната графика виждате как, за трите най-разпространени типа крило (право, стреловидно и триъгълно):

Видно е, че развитието на вълновия кризис е по-бавно при стреловидното и тригълно крило, Те имат много по-високи стойности на  Мкр, отколкото правото крило. Освен това пикът на вълново съпротивление за стреловидното крило е изместен в свръхзвуковата област. Причината за това е, че нормалната компонента от скоростта на въздушния поток, от която всъщност зависи съпротивлението, намалява с увеличаване на ъгъла на стреловидност – т.е. самолетът може и да се движи със свръхзвукова скорост, но крилото му ще се обтича със смесен поток, ако е достатъчно стреловидно.

В таблицата по-долу е показан коефициентът на челно съпротивление за някои основни геометрични тела, обтичани с флуид при число на Рeйнолдс Re = 10 000.

Разпределение на основните приносители на съпротивление в самолет А-320. Изображение: Airbus

Свободно падане

Ако започнем да падаме от някаква височина, движението ни се определя от две неща – гравитационната сила и въздушното съпротивление. Без въздух скоростта, която бихме имали при такова падане, се определя просто като V = gt2/2. Или V = √(2gh),  ако я разпишем, отчитайки височината на падане. Очевидно скоростта би се увеличавала квадратично до срещането на земната твърд. И това е една добра апроксимация при падане от много малки височини. Може би спомняте онези учебникарски задачки по физика – определете дълбочината на кладенец, като хвърлите вътре камък и засечете колко време изминава, докато чуете цамбурване.

Само че наличието на въздух осезаемо променя този модел. Както видяхме по-горе, съпротивлението, което той оказва, също се изменя по квадратична зависимост с увеличаване на скоростта. Това, което реално се получава е, че падащото тяло първоначално се ускорява и в някакъв момент започва да пада с постоянна скорост, наречена гранична скорост. Тази гранична скорост зависи от площта на падащия обект в план, масата  и коефициентa му на триене, както и от плътността на въздуха, по следната формула:

Малко отклонение. Някога Аристотел твърдял, че ако пуснем две тела с различна маса, по-тежкото ще падне на земята по-бързо от по-лекото. Тази идея просъществувала непоклатима почти две хилядолетия, докато един италианец на име Галилео Галилей не решил да я провери експериментално. Легендата твърди, че той се качил на върха на наклонената кула в родния си град Пиза, от където пуснал eдно желязно гюле с маса 10 фунта и едно желязно топче с маса 1 фунт. Според Аристотел гюлето трябвало да удари земята първо, обаче за всеобщо учудване и гюлето, и топчето паднали за едно и също време. Галилей доказал, че гравитацията ускорява еднакво физическите обекти без значение от масата им.

Галилео Галилей мята железни топки от върха на наклонената кула в Пиза. Изображение: http://www.newtonsapple.org.uk

Но всъщност експериментът му не е бил достатъчно прецизен. Ако беше, той щеше да отчете, че по-тежкото гюле все пак е изпреварило с мъничко по-лекото топче. Означава ли това, че Аристотел е бил прав? Ами не. Изводите на Галилей са били съвършено верни, както доказва и сходният експеримент с чук и перо, проведен на Луната.  Но на Земята той просто не е могъл да се отърве от въздушното съпротивление.

Разглеждайки в детайли експеримента на Галилей, ще открием, че граничните скорости на гюлето и топката биха били различни. По-малката топка действително изпитва и по-малко въздушно съпротивление, но докато сметките показват, че повърхността, а следователно и въздушното съпротивление на топчето е едва 22 % от повърхността на гюлето, неговата маса е само 10 % от масата на гюлето. Кулата в Пиза е твърде ниска, за да достигнат двете гюлета граничните си скорости, но ако тя беше няколко пъти по-висока, Галилей щеше да установи, че десет фунтовото гюле  пада с  около 1,4 пъти по-висока скорост от един фунтовото. Заради въздушното съпротивление.

А каква е граничната скорост на човек и от каква височина той би я достигнал? Отговорът на тези въпроси зависи от някои допускания, които трябва да направим. Ако приемем, че човекът е заел аеродинамично най-лошата поза (с разперени крайници и лице към земята) и плътността на въздуха е константна, то сметките на база по-горната формула показват, че той би падал с около 200 km/h. Ако е заел аеродинамична поза (ръце и крака плътно прибрани, глава, насочена към земята), той може да увеличи тази скорост повече от два пъти. Рекордът се държи от Феликс Баумгартнер, който преди няколко години успя да изпревари звука при скока си от стратосферата.

Феликс Баумгартнер става свръхзвуков. Колаж от интернет.

А за да определим времето за достигане на гранична скорост, трябва да се реши следното диференциално уравнение:

Откъдето за времето t получаваме:

където Vt e граничната скорост. Kоето при достигане на 99 % от граничната скорост (VVt) се свежда до t = 2.65*(Vt/g). Тази функция се изменя хиперболично и клони към безкрайност с доближаване на скоростта на падане V до граничната скорост Vt. Тоест граничната скорост всъщност никога не може да бъде напълно достигната!

А височината, от която трябва да скочим, за да доближим граничната скорост, може да се определи аналогично като:

За човека, разперил ръце от примера по-горе, тази височина съответства на около 600 m.  Което означава, че да скочите от сто и двайстия етаж на Бурдж Халифа е все същото като да скочите от самолет  на няколко километра височина – и в двата случая при сблъсъка си със земята бихте имали скорост от около 200 km/h.

Използвана литература:

Аеродинамика на летателните апарати, Диан Гешев, 2001, ТУ София

Още за аеродинамиката:

Динамика на полета – аеродинамични моменти

Да изпревариш звука…

Основи на аеродинамиката или защо летят самолетите

Координатни системи и сили в аеродинамиката

Categories
Наука

Координатни системи и сили в аеродинамиката

Преди време ви запознахме повърхностно с основните принципи във физиката, които карат самолетите да летят. Днес ще хвърлим малко повече светлината върху математическите аспекти около този проблем за тези от вас, които искат да се задълбочат. Аеродинамиката е сложна материя, но тук ще се постараем да я представим на разбираем език, синтезирайки най-важното от дебелите учебници в няколко страници.

Координатни системи

Аеродинамиката, подобно на всеки дял от физиката, разглежда сили на взаимодействие между (материални) обекти. В случая – на въздушната среда с летателния апарат. И тъй като се занимаваме със сили, т.е. някакви вектори, трябва да въведем и координатна система, преди да ги опишем математически. Координатната система е нещо напълно условно,  тя е просто една отправна рамка.

Няма никакъв проблем да опишем силите, действащи върху самолет, в координатна система с център Слънцето. Крайните резултати, които ще получим при решението на динамичните уравнения, ще са същите, както при всяка друга координатна система, неподвижна спрямо самолета или намираща се в състояние на равномерно праволинейно движение. Правим това досадно отклонение, защото то е един от фундаменталните принципи във физиката – т.нар. принцип на относителността, предложен от Галилей и доразвит от Айнщайн. Правим го, и защото така може би ще е по-лесно да схванете изобилието от координатни системи, използвани в аеродинамиката и навигацията, за да изразят едно и също нещо, но отнесено спрямо летателния апарат, въздуха или земята.

Идеята не е да си усложняваме живота с изобилие от координатни системи, а да изберем такава координатна система, че уравненията, които ще получим да са максимално прости. И тъй като аеродинамиката се занимава със силите, действащи на летателен апарат, съвсем логично е за начало на координатната система да се вземе центъра му на тежестта. Следващата стъпка е да насочим оста Х в някаква посока от пространството. Тук работите почват да стават малко объркани.

Ето защо. Нека си представим един самолет в полет. Вземайки под внимание симетрията на неговата геометрична форма, ние бихме могли да построим оста Х, прекарвайки я от центъра на тежестта към носа на самолета. Но това е само единият вариант. В общия случай векторът на скоростта на самолета не съвпада по посока с геометричната му ос Х, а пък ние може да искаме нашата ос Х да е насочена именно по посока скоростта на самолета. Кой от двата варианта да изберем? Ами, и двата! В аеродинамиката първият случай е известен като свързана координатна система OXYZ, а вторият случай като скоростна координатна система ОХaУaZa. В англоезичната литература те са известни съответно като body frame и wind frame.

  • Свързана координатна система

При свързаната координатна система оста, насочена по дължината на самолета в равнината на симетрия, по посока, съвпадаща с погледа на пилота, се нарича надлъжна ос и се бележи с Х. Насочена нагоре е нормалната ос У, а перпендикулярно на тези две оси и насочена по дясната част на крилото (дясното полукрило) е напречната ос Z.

Ъгълът ϑ между надлъжната ос на самолета и хоризонтална равнина се нарича ъгъл на тангаж или просто тангаж. При положителни стойности на тангажа носът на самолета е насочен нагоре спрямо хоризонта и се казва, че самолетът кабрира; при отрицателен тангаж носът на самолета е насочен надолу спрямо хоризонта и се казва, че самолетът пикира.

Ъгълът ѱ между вертикална спрямо земната повърхност равнина и проекцията на надлъжната ос в хоризонтална равнина се нарича ъгъл на рискание. Ако ориентираме вертикалната равнина в посока север-юг, то ъгълът на рискание дава информация за курса на самолета и се нарича още курсов ъгъл или просто курс (както е по-широко известен).

Ъгълът γ определя завъртането на самолета около надлъжната му ос и се нарича ъгъл на напречен наклон (крен). Курсът, тангажът и кренът са трите параметъра, които напълно определят пространственото движение на самолета.

В англоезичната литература тангажът се нарича pitch, курсът – yaw, а кренът – roll. Осите също са по-различно разположени спрямо стандарта, използван в България и страните от бившия Източен блок. Оста Х съвпада, но оста Z e насочена по вертикала надолу, а оста Y – по дясното полукрило.

Изображение на ъглите на тангаж, рискание (курс) и напречен наклон (крен).

  • Скоростна координатна система

Скоростната координатна система е по-слабо известна от свързаната и донякъде използването й е по-застъпено в теоретичните трудове, отколкото в практиката. При нея ОХа се нарича скоростна ос и е насочена по посока на вектора на скоростта на самолета. В равнината на симетрия, насочена нагоре и перпендикулярна на скоростната ос е оста ОУа , наречена ос на подемната сила. Перпендикулярна на тези две оси и насочена по дясното полукрило е напречната ос ОZа.

Както вече казахме, направленията на осите на скоростната и свързаната координатна система може да съвпадат, но в общия случай не съвпадат. Ако оста ОХа се проектира в равнината ОХУ на свързаната координатна система, ъгълът α между проекцията на ОХа и оста ОХ се нарича ъгъл на атака (на английски – angle of attack). Той е положителен, ако самолетът среща въздушния поток с долната си повърхност. Ъгълът β, който се получава между равнината ОХУ и оста ОХа е известен като ъгъл на плъзгане (на английски – angle of sideslip).Той е положителен, ако се плъзга дясното полукрило – т.е. носът на самолета се отклонява на ляво.

Ъгли на атака и плъзгане в скоростната координатна система.

Ако се питате какъв е смисълът от тази скоростна координатна система, ето обяснението. Докато в свързаната координатна система тангажът, кренът и курсът ни показват положението на самолета в пространството, то ъглите на атака и плъзгане ни показват положението на самолета спрямо насрещния въздушен поток. Тоест, от тях зависят кинематичните параметри на полета – сили и моменти, действащи на самолета. На практика много често ъгълът на атака бива бъркан с тангажа, а ъгълът на плъзгане – с рисканието (курса). Те обаче са напълно независими. За илюстрация на това може да послужи долната картинка, на която е показан профила на крило с положителна кривина в три различни случая: при ϑ = 300, ϑ = 60 и ϑ = -300. Ъгълът на атака обаче е един и същ и в трите случая α = 60.

Аеродинамична сила

Щом като вече се запознахме с координатните системи, може да започнем да въвеждаме и аеродинамичните сили. По-коректно, това е една-единствена сила, получаваща се при обтичането на летателният апарат от въздуха. Тя се свежда до един вектор, който е равнодействащата на всички сили на триене и сили от налягане, възникващи при обтичането. Тази пълна аеродинамична сила Ra е приложена в точка, известна като център на налягането. С увеличаването на скоростта и ъгъла на атака векторът на тя променя големината и посоката си и затова разглеждането й при теоретичните зависимости не е удобно.

Поради тази причина за удобство и напълно условно аеродинамичната сила се разглежда като две отделни сили. И тъй, проекциите на пълната аеродинамична сила в скоростната к.с. са подемната сила Ya и силата на челно съпротивление Ха.

Основната задача на аеродинамиката е да установи как се изменят Ya и Ха  като функция на различни параметри – скорост, ъгъл на атака, плътност на въздуха и др.

Подемна сила

Подемната сила носи самолета във въздуха и затова силно ни вълнува характерът на изменението й при промяната на различни променливи. Всъщност формулата, която я описва количествено, изглежда подозрително просто:

Тук ρ е плътността на въздуха, в който летим, V е скоростта на обтичане на въздушния поток (скоростта, с която се движим), S е характерна площ (в случай, че разглеждаме само крилото, което създава повечето подемна сила, за удобство е прието да изберем неговата площ в план),  a CYa e поправъчен коефициент на подемната сила (в англоезичната литература CL). Именно с тоя коефициент започват главоболията. Така че ако искаме да сметнем пълната подемната сила на един самолет,  простата формула отгоре с подробно разписаното аналитично определение за CYa (където ги има)  ще набъбне застрашително.

  • Изменение на коефициента на подемната сила в зависимост от ъгъла на атака

Но все пак нещата не са толкова страшни. На първо място трябва да споменем, че коефициентът CYa в най-голяма степен зависи от ъгъла на атака на профила на крилото по следната проста зависимост:

Тук  е производната на коефициента на подемна сила. Това пак е коефициент, чиято стойност показва наклона на зависимостта (а тя, би трябвало да се досетите от уравнението, е права линия). Ъгълът на атака е α, а α0 е ъгълът на атака при нулева подемна сила – т.е. този ъгъл на атака, при който не се създава подемна сила (отрицателен за повечето профили на крилото и нулев за симетричните).

С други думи, увеличавайки ъгъла на атака, ние увеличаваме и подемната сила. Това е причината самолетите да излитат със спуснати задкрилки при излитане – спуснатата механизация на крилото де факто увеличава ъгъла му на атака и от тук увеличава и подемната му сила (около 3-4 пъти), така че става възможно по-бързо излитане при сравнително ниски скорости на засилване. Големите самолети въобще не биха могли да излетят от съвременните летища, без да се прибягва до този прийом.

Това свойство е много удобно, защото позволява да се лети при ниски скорости, които могат да се създадат от прости и евтини двигатели. Но има едно „но“… Не можем да увеличаваме ъгъла на атака безкрайно. Още при 10-15въздушният поток над крилото започва да се „откъсва” – обтичането му вече не е плавно, появяват се турбулентни завихряния, които рязко намаляват подемната сила. Ъгълът на атака, при който започва да се случва това, се нарича ъгъл на начално откъсване.

Формиране на турбулентни завихряния при увеличаване ъгъл на атака. Изображение: aviation-history.com

Ако продължим да увеличаваме ъгъла на атака и  нататък, подемната сила продължава да расте, но вече нелинейно. Стига се до максимум на подемната сила при ъгъл на атака, наречен критичен ъгъл на атака. Сетне се случва нещо крайно неприятно. При още по-голям ъгъл на атака подемната сила намалява рязко и значително – явление, наречено срив на потока. От сривен режим на полет самолетите трудно се измъкват и обикновено той завършва с катастрофа. Сривът на потока е най-голямата опасност за летците и въпреки че всички пилоти са наясно с това, огромен брой катастрофи са причинени именно поради допускане и задълбочаване на сривен режим. На долното видео можете да видите Boeing 747-800 в сривен режим на полет като част от полетните тестове, провеждани при допускане в експлоатация.

Tъй като завихрянията по крилото, съпровождащи срива, се формират хаотично, пилотът усеща, че самолетът започва да се тресе (явление, наречено бафтинг). Инстинктивната му реакция в този случай е да дръпне щурвала към себе си, за да предотврати падането на самолета. Но така той само задълбочава срива и подемната сила намалява още повече. Обтичането на крилото става твърде несиметрично и самолетът навлиза в неуправляемо състояние, наричано свредел. Изходът от свредел е най-вероятно катастрофален, защото е много трудно посредством управляващите си въздействия пилотът да върне самолета от неустановен в установен режим на полет.

  • Изменение на коефициента на подемната сила в зависимост от скоростта на полета

Друга важна зависимост е промяната на коефициента CYa при промяна на скоростта. Ако се върнем на формулата, по която се изчислява подемната сила, бихме могли да заключим, че коефициентът на подемната сила се увеличава квадратично с нарастването на скоростта. Но всъщност той следва доста по-сложна зависимост, която отчита  вискозността и свиваемостта на въздуха, както и геометрията на самото крило. Графично тази зависимост изглежда принципно така:

Тук по Х е нанесена скоростта на звука, изразена чрез числото на Мах (М). Както виждате при ниски скорости (до около 0,5 M)  квадратичната зависимост е налице, но след това темпът на нарастване намалява, а при свръхзвуково обтичане (М > 1) картината драматично се променя и коефициентът на подемна сила всъщност започва стремглаво да намалява в  началото, а още по-нататък се стабилизира.

И също както имаме критичен ъгъл на атака, след който настъпва срив на потока, така имаме и минимална скорост на летене, под която също настъпва срив. Но за разлика от критичния ъгъл на атака, който зависи единствено от параметрите на крилото (геометрия, форма на профила), то сривната скорост се влияе от редица фактори. Сред тях са теглото на самолета, ъгъла на напречен наклон, ъгъла на атака, височината и съответно плътността на въздуха. Любопитна подробност е, че заради намаляващата плътност с увеличаване на височината сривната скорост непрекъснато се увеличава и на някаква височина тя става равна на максималната скорост, която може да достигне самолетът. При това положение подемната сила, създавана от самолета, е равна на силата на теглото му и той не може да набира повече височина.

Тази височина се нарича статичен таван и за повечето съвременни пътнически самолети е около 12 500 m. С подходяща геометрия и голямо крило обаче е възможно да се достигнат и по-големи височини – прословутият U2 на USAF e можел да се издига до 21 000 m.

За любознателните…

Статичният таван всъщност е височина, която никога не може да бъде достигната от летателните апарати. Причината за това e, че издигайки се, летателният апарат ще отива във все по-малко плътни въздушни слоеве и вертикалната му скорост (скороподемността) ще става все по-малка. Приближавайки се към статичния таван, тя ще започне да клони към нула, което ще рече, че тавана ще бъде достигнат след безкрайно много време. Затова този таван се нарича теоретичен. В практиката се използва друга височина – практическия статичен таван, при който максималната вертикална скорост все още има някакъв смисъл – при дозвукови режими на изкачване се приема стойността 0,5 m/s, а при свръхзвукови – 5 m/s.

  • Изменение на коефициента на подемната сила в зависимост от геометричните параметри на крилото

Основната част от подемната сила на самолет се  създава от крилото, така че неговата форма има огромно значение за големината на коефициента на подемната сила. Нещо повече – различната форма на крилото променя коренно зависимостите, които разгледахме по-горе. И като говорим за различна форма, имаме предвид две неща – формата на профила на крилото и формата на крилото в план.

Дизайнът им зависи от целите, за които е конструиран самолетът. Поради това формата на профила може да бъде много разнообразна – несиметрична (при което се създава подемна сила и при нулев ъгъл на атака) и симетрична (подходящо решение за акробатични самолети). Драстична е разликата между профилите за дозвукови полети и тези за свръхзвукови. Последните са много тънки и с остър атакуващ ръб, чрез което се избягва образуването на отсъединен челен скок на уплътнение в свръхзвуковия поток  и се намаляват загубите от съпротивлението. По-долу са дадени за сравнение различни видове профили:

За любознателните…

Различните видове профили се обединяват в серии като най-широка популярност в авиацията са добили сериите на американската агенция NACA (National Advisory Committee for Aeronautics). Те се обозначават с буквите „NACA”, последвани от цифри (най-малко четири). Първата цифра обозначава максималната кривина на профила в проценти спрямо хордата. Втората показва положението на максималната кривина в десети части от хордата, а последните две указват дебелината на профила в проценти спрямо хордата. Така например профилът NACA 3416 има максимална кривина 3 %, която се намира на 40 % от атакуващия ръб, и е с дебелина от 16 % от хордата. Когато първите две цифри са нула, това означава, че профилът е симетричен.

При петцифровите обозначения първата цифра, умножена по 0.15, дава коефициентът на подемна сила при нулев ъгъл на атака. Втората цифра, разделена на две, указва максималната кривина на профила в десети процента. Третата показва вида на средната линия (може да бъде 0 или 1). Последните две цифри дават дебелината на профила в проценти. Пример – NACA 24016 – профил с коефициент на нулева подемна сила 0.3, максимална кривина, намираща се на разстояние от  атакуващия ръб  20 % от хордата, и дебелина 16 %.

По-дългите цифрови серии (за сега са най-много седем цифрови) хвърлят светлина върху различни аеродинамични параметри. Добре е да се запомни, че последните две винаги указват дебелината. Интересното е , че на база на тези няколко цифри и посредством формули, които се намират в специализираната литература, може да се направи пълна реконструкция на формата на профила с всичките му подробности.

Принципно профилите с голяма кривина и дебелина създават повече подемна сила при по-малки ъгли на атака спрямо профилите с малка кривина и дебелина. Графично нещата изглеждат така:

Влияние на дебелината на профила върху коефициента на подемна сила. Изображение: Flight Theory and Aerodynamics – A Practical Guide for Operational Safety

Влияние на кривината на профила върху коефициента на подемна сила. Изображение: Flight Theory and Aerodynamics – A Practical Guide for Operational Safety

Причината за увеличението на коефициента е, че поради по-голямата кривина и дебелина, въздушният поток върху горната повърхност на крилото се ускорява до по-високи скорости. Това увеличава разликата в наляганията между горната и долната повърхност заради ефекта на Бернули и така увеличава подемната сила на крилото. Но както ще видим по-нататък, подобни профили увеличават съществено и силата на челно съпротивление, което ги прави непредпочитани в съвременната авиация.

Що се отнася до геометрията на крилото в план, там вариантите са концептуално пет – право, трапецовидно, елипсовидно, стреловидно и триъгълно крило.

На база на тези основни типове съществуват най-разнообразни варианти, а също така има и крила, които променят геометрията си в план, според скоростта на полет. Тази особеност  подсказва, че ако крило с някаква форма е максимално ефективно при дадена скорост, то при друга скорост най-голяма ефективност се постига при друга форма на крилото. Освен това различната форма на крилото в план влияе силно и на зависимостта от ъгъла на атака. Справка – тази графика:

Както виждате, абсолютен шампион е триъгълното крило. При него потокът се откъсва още на предния ръб и  се турбулизира, което пък води до задържането му в останалата част на крилото и  способства достигането на критични ъгли на атака до 30 – 40 градуса. Най-зле тук се представя стреловидното крило. To е най-натоварено в крайните си сечения, които са и най-податливи към ранно откъсване на потока. А това обяснява защо този вид крило има най-малък критичен ъгъл на атака. Което пък от своя страна е много неприятно. И понеже стреловидното крило е абсолютен хегемон в дизайна на съвременните пътнически самолети интерес поражда въпросът как проектантите са се преборили с тоя проблем. Основно по два начина:

  1.  Чрез „усукване“ на крилото. Т.е. профилите в крайните сечения имат по-малък ъгъл на поставяне спрямо профилите в основните сечения, така че техният действителен ъгъл на атака също е по-малък;
  2. Чрез поставяне на генератори на вихри по горната повърхност на крилото. Ако по време на полет сте седели на място до прозорците около крилото, много вероятно е да сте се питали какви са тези странни стърчащи ламаринки по повърхността. Е, на път сте да узнаете каква е тяхната функция. Както показва името им, те спомагат за завихрянето на потока по горната повърхност на крилото. Така обтичането става от ламинарно на турбулентно, а турбулентният поток има хубавото свойство да се откъсва при големи ъгли на атака.

Генератори на вихри по крилото на Boeing 737-800. Снимка: Bill Abbott

Що се отнася до графичната зависимост на коефициента на подемна сила от скоростта (числото М) за трите основни типа крило (право, стреловидно и триъгълно), тя изглежда така:

Защо изглежда така, не можем да обясним с няколко изречения. Има причина учебниците по аеродинамика да са дебели тухли. Важното в случая е, че при ниски скорости правото крило създава най-много подемна сила спрямо останалите типове, докато в свръхзвуковия диапазон и трите типа създават горе-долу равна подемна  сила.

  • Влияние на земята върху подемната сила (екраниращ ефект)

Близостта до земната повърхност също води до промяна на подемната сила. Това влияние, наречено екраниращ ефект, се появява на височина, равна на разпереността на самолета или диаметъра на носещия винт на вертолет, и се усилва с намаляването й. Ето какво се с случва. Колкото по-малко е разстоянието между крилото и земята, толкова повече нараства налягането на въздуха върху долната повърхност на крилото. Това води и до по-интензивно протичане на въздух през предния ръб на крилото. Което пък ускорява въздушния поток по горната повърхност и  там налягането намалява. Нетният ефект от всичко това е допълнителна подемна сила.

Хеликоптер на US Navy, създаващ екраниращ ефект над водната повърхност. Изтласкваният надолу въздух от носещия винт се отклонява от водната повърхност, което води до сила на реакция у хеликоптера, насочена нагоре. Третият закон на Нютон в действие. Снимка: US Navy / Sarah E. Ard

Влияние на земната повърхност върху коефициента на подемна сила в зависимост от ъгъла на атака

E, ами това беше за подемната сила. Следващият път ще погледнем другата страна на монетата и ще разкажем нещичко и за челното съпротивление.

Използвана литература:

Аеродинамика на летателните апарати, Диан Гешев, 2001, ТУ София

Още материали за аеродинамиката:

Динамика на полета – аеродинамични моменти

Въздушно съпротивление в аеродинамиката

Да изпревариш звука…

Основи на аеродинамиката или защо летят самолетите

Categories
Наука

Топ 5: Най-необикновените екзопланети

3472. Толкова са познатите на науката екзопланети към дата на написване на тази статия. Сега, както винаги е било, усилията са насочени към откриване на извънслънчеви планети, наподобяващи в максимална степен нашата собствена планета Земя. Планети, на които да има подходящи условия за зараждането и поддържането на живот. Търсенето е нелеко, въпреки че особено в последно време бяха набелязани такива потенциални земи. Но истината е, че повечето от тези 3472 екзопланети драстично се отличават от Земята. Ето една класация, в която сме селектирали най-странните и екстремни светове, които са ни известни.

5. Отнесени от вихъра


Име на екзопланетата: HD 209458 b
  Звезда: HD 209458 в съзвездието Пегас
  Разстояние до Земята: 154 св. г.
  Маса на екзопланетата: 0,71 юпитерови маси
  Радиус на орбитата: 0,044 астрономически единици*
  Орбитален период: 84 часа

 

HD 209458 b, наричан неофициално и Озирис, е обикновен газов гигант от сорта на Сартун и Юпитер, който има лошия късмет да се намира твърде близо до звездата, около която обикаля. Помислете си за изпепелявания от Слънцето Меркурий и след това си представете една планета на 8 пъти по-малко разстояние до нашата звезда. Да, вече добихте представа що за свят е HD 209458 b. Или поне така си мислите! Въпреки че е горещо като в пещ из цялата планета (поне 750 градуса по Целзий), не това е основният й проблем. А фактът, че заради излъчваните от звездата мощни потоци от енергийни частици (слънчев вятър), външният слой на газовата атмосфера на HD 209458 b буквално бива издухван от нея.

Спектрографски данни от космическия телескоп Хъбъл разкриват, че подобно на комета екзопланетата има своя газова „опашка“ по посока на слънчевия вятър. Тя се простира на разстояние 200 000 km и по нея планетата губи огромни количества водород от атмосферата, който увлича със себе си и по-тежки въглеродни и кислородни молекули. Всяка секунда HD 209458 b „отслабва“ със 100 – 500 млн. kg. Не, че това е кой знае колко съотнесено към масата й, но все пак сметките показват, че с тези темпове през следващите 5 млрд. години екзопланетата ще се стопи със 7 %. А сетне, при метаморфозата на звездата HD 209458 в червен гигант, тя ще отиде окончателно в небитието.

Любопитната съдба на Озирис предполага наличието на цял нов клас екзопланети, за които никой не е подозирал досега. Това са т.нар. хтонични екзопланети или с други думи – скалистите или метални ядра на газови гиганти, чиято атмосфера е била издухана. Подобни екзопланети биха се намирали изключително близо до звездите си и ако наистина съществуват, това са най-негостоприемните светове, които можете да си представите.

Структура на атмосферата на HD 209458 b. Изображение: NASA, ESA, and A. Feild [STScI]

4. На гости в ада


Име на екзопланетата: Kepler-70b
  Звезда: Kepler-70  в съзвездието Лебед
  Разстояние до Земята: 3 850 св. г.
  Маса на екзопланетата: 0,44 юпитерови маси
  Радиус на орбитата: 0,006 астрономически единици
  Орбитален период: 5,76 часа

 

На HD 209458 b е горещо, но в сравнение с екзопланетата Kepler-70b там е направо прохладно. Открита по време на най-голямата мисия за търсене на екзопланети – тази на космическия телескоп Кеплер – Kepler-70b е малка скалиста планета, наполовина колкото Земята. Тя би била съвсем невзрачна, ако не беше следната подробност – Kepler-70b се намира само на 900 000 km от звездата си – бяло джудже (пет пъти по-малка от Слънцето, но и пет пъти по-горещо от него).

Заставайки на повърхността на тази планета, вие ще видите бялото джудже като огромно огнено кълбо, чийто диаметър на диска ще заема 1/10 от небето. Не че ще ви остане време да се полюбувате на гледката . Защото при температура на повърхността на планетата от порядъка на 7 000 градуса (с около 1 200 градуса повече в сравнение с повърхността на Слънцето) ще се стопите в морето от магма преди да сте мигнали.

Можем само да спекулираме какво всъщност представлява екзопланетата Kepler-70b. Знае се, че тя е съставена предимно от желязо, което означава, че към настоящия момент най-вероятно виждаме ядрото-останка от голяма планета или дори газов гигант. Преди 18 млн. години тази екзопланета някак си е преживяла трансформацията на своята звезда в червен гигант, но с това катаклизмите в живота й не приключват.

Защото Kepler-70b е интригуваща и в друго отношение. Тя е член на цяла екзопланетна система и по време на своята обиколка около звездата една от останалите екзопланети в системата – Kepler-70с, преминава едва на 200 000 km от Kepler-70b. Не са ни известни други планети, които да минават толкова близо една до друга.

Това със сигурност оказва унищожителен ефект върху тях

Тази схема показва как Kepler-70b и Kepler-70с са се озовали толкова близо до звездата си. Просто докато тя е била във фазата си на червен гигант двете планети са били забавени от по-голямото съпротивление по пътя им и така орбитите им са се скъсили до днешния вид. Изображение: Kempton

Помислете си за прилива на морето, който се дължи на гравитационното въздействие на Луната върху Земята, и си представете какво би било, ако на два пъти по-малко разстояние мине планета, тежаща колкото половината Земя. Или с други думи – представете си море от магма, набраздено от огромни вълни.

3. Само едно Слънце не е достатъчно


Име на екзопланетата: PH1b/Kepler-64b
  Звезда: Четворна звездна система PH1 / Kepler-64
  Разстояние до Земята: 5 000 св. г.
  Маса на екзопланетата: 20 – 50 земни маси
  Радиус на орбитата: 0,634 астрономически единици
  Орбитален период: 158,5 часа

 

Дълго време се предполагаше, че в сложни звездни системи е невъзможно да съществуват планети. Считаше се, че в една подобна система с няколко звезди:

  1. Би било много трудно изобщо да се формира планета от първичния планетарен прах, защото протопланетата би била разкъсана от разнопосочното гравитационно въздействие на звездите в системата;
  2. Дори да се формира такава планета, орбитата й би била неустойчива, и тя твърде скоро ще изхвърчи от системата в космическия простор.

Оказа се обаче, че вселената е на друго мнение и подобни планети не само, че съществуват, но и са доста разпространено явление. Към днешна дата са известни няколко десетки такива случаи, но сред тях най-впечатляваща е системата на четворната звезда Kepler-64 / PH1. В центъра й се намира двойка от звезда от главната последователност с маса 1,5 слънчеви маси и червено джудже с маса 0,41 сл.маси, кръжащи една около друга за 20 дни. Около двете на почтително разстояние от 95 млн. km по изненадващо кръгла орбита кротко си кръжи екзопланетата PH1b/Kepler-64b, която по размери и маса наподобява Нептун. Още по нататък на разстояние 60 астрономически единици от първата двойка има втора двойка звезди – жълто джудже, идентично на Слънцето, и червено джудже, наполовина по-малко.

Току-що се запознахте със семейството на екзопланетата PH1b/Kepler-64b. И въпреки че изобилието от звезди прави така, че е леко топличко на повърхността й (около 200 градуса по Целзий), не това й е интересното. А изключителният изглед, който бихте видели над облаците й. Нещо такова, а вероятно и много по-фантастично красиво:

Художествена интерпретация на гледката над облаците на PH1b/Kepler-64b към звездната система. Изображение: Dirk Terrell, Boulder, CO

2. Скитник сред звездите


Име на екзопланетата: CFBDSIR 2149-0403
  Звезда: Няма!
  Разстояние до Земята: 75 – 160 св. г.
  Маса на екзопланетата: от 2 до 13 юпитерови маси
  Радиус на орбитата: Няма!
  Орбитален период: Няма!

 

Както стана дума, понякога се случва някоя планета да се изтръгне от гравитационната прегръдка на звездата си и да поеме самостоятелен път в космическата пустош. Подобни планети се наричат „блуждаещи планети“ и до скоро съществуваха единствено в сферата на предположенията. Защото да забележиш парче скала, което практически не излъчва или не отразява електромагнитна радиация граничи с невъзможното.

И може би завинаги ще си остане в сферата на невъзможното. Но това, което можем да направим, е да търсим големи блуждаещи газови гиганти. Колкото по-голямо е едно космическо тяло, толкова по-голямо количество електромагнитна енергия отделя то (Юпитер – гигантът в Слънчевата система например излъчва повече енергия, отколкото получава от Слънцето). Всъщност големите газови гиганти светят забележимо в инфрачервения спектър.

Така че когато бяха изведени в орбита първите големите космически инфрачервени телескопи – Хершел, Спицер и особено мисията WISE, логично за първи път получихме данни за такива свободни космически обекти. Към днешна дата са потвърдени едва 10 – 20 такива странници, като сред тях най-известен е CFBDSIR 2149-0403.

Но истината е, че дори за него не знаем кой знае колко… Малкото количество инфрачервена радиация от този обект, достигаща до нас, не е достатъчна, за да се формират твърди изводи. Възможно е CFBDSIR 2149-0403 да е свързан с група от 30-на звезди, концентрирана около звездата AB Doradus, които се движат в една и съща посока. Ако тази хипотеза е вярна, то CFBDSIR 2149-0403 би трябвало да е на около 75 св. г. от Земята. А знаейки това разстояние, можем да определим, че масата на екзопланетата се равнява на 4 – 7 юпитерови маси. Или с други думи – една истинска планета, която трябва да се е формирала само в първична слънчева система, от където в някакъв момент е била изтикана.

Ако CFBDSIR 2149-0403 е по-далеч обаче, може да се окаже, че той е твърде масивен, за да бъде класифициран като „планета“, и фактически представлява звезда. Не кой знае каква звезда – кафяво джудже, най-мизерният клас звезди,но все пак достатъчно масивни, за да се извършва термоядрен синтез на деутерий в недрата им (долната граница за започване на термоядрен синтез е 13 юпитерови маси). Това би означавало, че CFBDSIR 2149-0403 се е формирал самостоятелно като обикновена звезда и няма нищо толкова забележително в него. Милиони астрофизици ще бъдат разочаровани…

При всички положения обаче CFBDSIR 2149-0403 е едно твърде самотно място, което едва ли бихте искали да посетите, дори да можехте. В случая на CFBDSIR 2149-0403 и подобните нему блуждаещи газови гиганти топлината от недрата му, загрява повърхността му до няколкостотин градуса. Но хипотетичните все още неоткрити блуждаещи скалисти планети са царства на вечния мрак и студ, където температурата никога не стига до повече от няколко градуса над абсолютната нула.

Това е изображение в инфрачервения спектър, на което виждате CFBDSIR 2149-0403 – цветовете не са реални, но отговорят на различни дължини от инфрачервеното излъчване, невидими за човешкото зрение. ESO/P. Delorme

1. Планета с история


Име на екзопланетата: PSR B1620-26 b
  Звезда: PSR B1620-26 АВ в звезден куп М4
  Разстояние до Земята: 12 400 св. г.
  Маса на екзопланетата: 2,5 юпитерови маси
  Радиус на орбитата: 23 астрономически единици
  Орбитален период: Около 100 години

 

Ето че стигнахме до върха на нашата класацийка за необичайни екзопланети, където се е намърдал един свят, формиран едва милиард години след Големия взрив. С настоящата си възраст от 12,7 млрд. години (съпоставено с 4,5 млрд. години на Земята) това е най-древната екзопланета, известна на науката. А историята от формирането й досега е крайно интригуваща сама по себе си.

Да започнем с това, че на такъв ранен етап от развитието на Вселената е било изобщо много трудно да се формират каквито й да е планети. Младата Вселена почти на 100 процента се е състояла единствено от водород и хелий, а всички останали химични елементи, нужни за направата на една планета, още ги е нямало. Тяхното производство, като вторичен продукт на термоядрения синтез, започнало, когато светнали първите звезди – около 400 млн. години след Големия взрив. Необходимо било време след това, за да се натрупа достатъчно материал за планети. Необходимо било и той да бъде разпръснат наоколо по време на първите експлозии на свръхнови звезди.

Всичко това ще рече, че PSR B1620-26 b е може би една от първите планети въобще. Но още по-озадачаващо е положението й днес – в орбита около двойка от неутронна звезда-пулсар и бяло джудже. Както и да се озовала там планетата, учените са категорични, че тя не би могла да преживее експлозията на свръхнова (през какъвто етап е преминал някога пулсарът). Това означава, че PSR B1620-26 b трябва да се е формирал другаде и чак по-късно е бил привлечен в орбита около вече избухналата неутронна звезда.

Няма нищо чудно в подобен сценарий. Освен всичко друго екзопланетатата и двете й звезди са част от кълбовидния звезден куп М4. А ако не знаете – кълбовидните звездни купове са компактни образувания, където в радиус от няколко десетки светлинни години са натъпкани стотици хиляди звезди. Така че тези звезди непрекъснато си взаимодействат гравитационно една с друга и е абсолютно невъзможно дадена планета да изкара толкова много милиарди години в стабилна орбита около една определена звезда от купа. Нещо повече – голямата инклинация на сегашната орбита на PSR B1620-26 (около 55 градуса) също свидетелства, че екзопланетата е пришълец в системата на неутронната звезда.

Според най-вероятната хипотеза PSR B1620-26 b е възникнала около подобна на Слънцето звезда в покрайнините на звездния куп М4. По-късно звездата заедно с PSR B1620-26 b е мигрирала навътре към купа, където е била прихваната от гравитационната прегръдка на неутронната звезда. Там след милиарди години подобната на Слънцето звезда се е превърнала в червен гигант, чийто външни слоеве са били засмукани от неутронната звезда. При този процес прехвърляната от едната на другата звезда материя се е нажежила до милиони градуси,превръщайки се в мощен източник на рентгенова радиация. В края на краищата неутронната звезда е станала пулсар , който се върти около оста си стотици пъти в секунда, а червеният гигант днес сияе като малко, но горещо, бяло джудже.

Тук схематично е представена една от възможните хипотези за битието и житието на PSR B1620-26 b. Изображение: NASA

И немият свидетел на всички тези катаклизми – PSR B1620-26 b – сега продължава живота си като студен газов гигант. Ала бъдещето предполага нови изпитания пред нелекото му битие. Звездната система на бялото джудже и пулсара продължава да се придвижва все по-навътре в звездния куп и това рано или късно ще доведе до нови интеракции с други звезди. В резултат екзопланетата най-вероятно ще бъде изхвърлена от сегашната си система в някакъв момент, а е възможно дори да изхвърчи и от звездния куп. А ако това се случи PSR B1620-26 b ще изкара остатъка от вечността като блуждаеща екзопланета в междузвездното пространство.


*Астрономическа единица е широко разпространена в астрономията мярка за разстояние, равна на разстоянието между Земята и Слънцето (около 150 000 000 km)

Източници:

 

1. https://www.nasa.gov/vision/universe/newworlds/Osiris_leaks.html

2. https://jamesrushford.wordpress.com/2013/10/22/kepler-70b-the-coolest-exoplanet/

3. http://www.space.com/28925-giant-alien-planet-four-suns.html

4. http://www.blastr.com/2017-3-21/cfbdsir-2149-0403-mystery-lurks-1800-trillion-kilometers-earth

5. http://thebookofbeginnings.com/sources/10/PrimevalPlanet.pdf

6. Списък с екзопланетите с най-екстремни физически параметри

Categories
Наука

Да изпревариш звука…

Днес ще хвърлим светлина върху една тема, която за почти всеки неспециалист е пълна мъгла, а именно – движението със свръхзвукова скорост. Ще разширим ерудицията ви с екзотични термини като „критично число на Мах”, „скок на уплътнение”,  и „вълново съпротивление” , но преди всичко… Както обикновено ще започнем от по-далеч. Най-напред трябва да изясним какво му е особеното на звука и на скоростта, с която се разпространява. Отваряйки Уикипедия, научаваме, че „звукът е надлъжна механична вълна – трептене на материята, което се предава като периодична промяна на налягането (поради сгъстяване и разреждане на средата)”. Често се изтъква, че звукът е пример за механично трептение, тоест, за да се разпространява звуковата вълна, й е необходима физическа среда, съставена от атоми и молекули. Тя няма как да се разпространява във вакуум за разлика от електромагнитните вълни. Ако разполагаме с такава среда (въздух, вода, скала), в която молекулите са сравнително равномерно разпространени, трябва да си представим звуковата вълна като сферична област около източника, в която молекулите ту се сгъстяват (повишава им се налягането), ту се разреждат (намалява им се налягането). Ето така: В атмосферата изменението на налягането на въздушните молекули вследствие на звука варира в големи граници – от 20 микропаскала, колкото е слуховият праг на човешкото ухо, до стотици и дори хиляди паскали, колкото създават ракетните двигатели на метър от тях. Всъщност този огромен динамичен диапазон на звуковия интензитет е причината той да се измерва с децибели. Но стига сме се отплесвали! За аеродинамиката скоростта на звука е важна поради друга причина. Оказва се, че ако в някакъв въздушен поток възникне някакво слабо смущение на параметрите му (скорост, налягане, плътност), това смущение ще се разпространява в потока със скоростта на звука (който също е пример за „слабо смущение”). Такива слаби смущения се получават при ламинарното обтичане на някакъв обект (ако терминът „ламинарно обтичане” ви затруднява, моля, запознайте се със статията „Основи на аеродинамиката или защо летят самолетите”). Ето какво имам предвид. На долната картинка виждате ламинарното обтичане с въздушен поток на крилен профил. Токовите линии на потока са визуализирани посредством дим. Както можете сами да се убедите, въздушният поток започва да се отмества още преди да е срещнал повърхността на профила. Откъде той научава за него? От молекулите, контактуващи непосредствено с профила, които предават движението си на молекулите, намиращи се по-назад, и то, забележете, това става със скоростта на звука. А какво ще стане, ако започнем да придвижваме профила срещу въздушния поток или, което е същото, да увеличаваме скоростта на потока? Очевидно картинката на обтичането ще се промени. Тъй като скоростта на звука остава същата, молекулите въздух, намиращи се пред профила, ще разполагат с все по-малко време да „научат” за съществуването му от молекулите, контактуващи с него, така че изменението на вектора на скоростите им ще става все по-рязко с нарастване на скоростта на профила.Ако скоростта на въздушния поток, обдухващ профила, стане равна на скоростта на звука, връхлитащите го молекули няма да има откъде да разберат за него. Те трябва да се сблъскат непосредствено с него и при това налягането, температурата и плътността на въздуха ще се увеличи драстично и изведнъж – явление, известно в аеродинамиката като скок на уплътнение.Получава се така, че при сблъсъка с обтекаемия обект, въздухът се изтиква рязко в концентрична област около него, която се нарича ударна вълна. А след задната част на свръхзвуковия обект възниква още една ударна вълна, тъй като зад него остава вакуум, който трябва да се запълни от околния въздух.

Експериментален модел на NASA, обтичан от свръхзвуков поток. Виждате ударната вълна, която се формира. Изображение: http://nasa.gov

Ударната вълна притежава редица особени характеристики. В непосредствена близост около свръхзвуковия обект тя се разпространява със скоростта на обекта – тоест със скорост по-голяма или равна на тази на звука. Отдалечавайки се от обекта, скоростта й обаче намалява с намаляване на интензитета на вълната и в някакъв момент деградира до обикновена звукова вълна. Поради тази причина, както можете да видите и на долната анимация, взета назаем от Уикипедия, ударната вълна се разпространява в конична област, наричана конус на Мах, в чиито връх се намира самият свръхзвуков обект. Практическото следствие – чувате звука от преминаващия свръхзвуков самолет, след като мине и замине над главите ви. Колкото по-далеч е от вас самолетът, толкова по-късно ще чуете звука от него. Физическият процес, който описахме по-горе, оказва огромно влияние върху поведението на летателните апарати. Един от най-важните параметри, описващи аеродинамиката им е, всеизвестното число на Мах (M), което е чисто и просто съотношението на скоростта на летателния апарат (V) към скоростта на звука във въздушната среда (a), в която лети, или M = V / a. Сами разбирате, че при М = 1 (Мах 1) скоростта на движение на летателния апарат е равна на скоростта на звука. Числото на Мах е основният показател за измерване на скоростта на самолетите и е напълно достатъчно, ако се интересуваме колко бързо се движи даден самолет, да се задоволим с числото му на Мах. Неслучайно един от основните измервателни уреди в пилотската кабина е махметърът. Така например обикновените пътнически реактивни самолети от типа на Еърбъс и Боинг имат крейсерска скорост (обичайната им скорост в установен полет) от около М = 0,8, което между другото е много близко до максималната им скорост. За височината, на която летят тези самолети в установен полет (около 11-12 км), това отговаря на въздушна скорост (т.е. измерена спрямо въздушната маса, в която лети самолетът) от около 460 възела (стандартната измервателна единица за скорост във въздухоплаването) или 850 km/h. Тук му е мястото да уточним, че изразено в количествени единици (например km/h) М = 0,8 на морското равнище изобщо не е равно на М = 0,8 на височина 12 km. В първия случай имаме скорост от 980 km/h, а във втория – 850 km/h. Няма нищо странно – с височина скоростта на звука намалява и за да запазим съотношението 0,8, трябва да намалим и скоростта си на движение. Причината, поради която числото на Мах е толкова важно за летателните апарати, е че от него зависи свиваемостта на обтичащия го въздушен поток, а свиваемостта оказва драматично влияние върху подемната сила и челното съпротивление. До скорости от порядъка на 0,3 М свиваемостта се пренебрегва и са в сила простички формули, по които се определят споменатите сили. Обаче колкото повече се приближаваме към скоростта на звука, толкова по-забележими стават едни ефекти, които са твърде сложни за да бъдат обяснени с няколко изречения. Най-общо казано те се отразяват зле на аеродинамичните характеристики на летателните апарати.

Както знаем от историческите снимки, в зората на авиацията първите самолети са били снабдени с т.нар. „право крило“ (тоест перпендикулярно на тялото на самолета), при това с дебел профил, чиято кривина осигурявала доста подемна сила (и челно съпротивление). Много често се използвали биплани, триплани и пр., чиито няколко наредени крила едно върху друго осигурявали още повече подемна сила (и още повече челно съпротивление). В началото тази практика била ОК – при ниските скорости, с които се движели самолетите тогава (100 – 200 km/h), било оправдано да се създава подемна сила по всякакъв начин, независимо от съпътстващото я челно съпротивление.

Класически ранен биплан

 Само че двигателите се усъвършенствали, скоростта на самолетите се увеличавала, което принудило авиопроектантите да се откажат от многопланите и дебелия профил, за да намалят челното съпротивление и да се постигне още по-висока скорост. Изглеждало, че тези мерки са напълно достатъчни, за да се постигне колкото си искаш висока скорост, при условие че имаш достатъчно мощен двигател и разполагаш с достатъчно здрава конструкция, която да не се разруши от въздушния напор. Оказало се обаче, че нещата не стоят така. Изобщо. През 30-те и 40-те години, когато самолетите вече били достатъчно усъвършенствани, за да се движат със скорости далеч по-високи от 0,3 М, пилотите забелязали следните странно-неприятни ефекти – при доближаване на скоростта на звука, челното съпротивление рязко се увеличавало, подемната сила рязко се губела, а управляемостта на самолета също отивала на кино. Някъде по това време се зародил слухът, че звуковата бариера е непреодолима, за която и да е летяща машина.

Докато преминава през трансзвуковата област този изтребител F-18 създава около себе си области, в които въздухът го обтича свръхзвуково. Тъй като в тези области налягането на въздуха намалява, намалява и температурата му, така че може да се стигне до условия, в които водните молекули на въздуха да кондензират. На английски това явление е наречено „vapor cone“.

Разбира се само десетилетие след това американският самолет Bell X-1 направил на пух и прах това подозрение, извършвайки първият успешен управляем звуков полет. Но успехът дошъл след цялостно преосмисляне на дотогавашните конструкторски принципи  и малка революция в аеродинамиката. Анализът на прехода от дозвуков към свръхзвуков полет показал, че това е процес, който се  случва постепенно и започва още при скорости по-ниски от звуковата.

 Еволюцията на самолетите през 20-ти век, илюстрирана тук, показва нагледно какво е трябвало да се промени в дизайна на самолетите, за да се достигнат по-високи скорости. 

Ето как се случва това. Тъй като въздухът обтича самолета с различна скорост в различните му части, звуковата бариера няма да бъде достигната едновременно по всичките му повърхности. Например, за да се създава подемна сила, по горната изпъкнала повърхност на крилото въздухът се движи много по-бързо, отколкото по долната повърхност. Като увеличаваме скоростта на самолета се стига до момент, в който въздухът по най-изпъкналата му повърхност започва да се движи със скоростта на звука. Обикновено това започва да се случва още при М = 0,6, конкретната стойност е различна за различните стойности и в аеродинамиката е прието да се нарича критично число М. Критично е, защото оттам насетне самолетът започва да се обтича смесено – едновременно дозвуково и свръхзвуково. При това свръхзвуковото обтичане е свързано с възникването на локални ударни вълни, за които говорихме по-горе. Всичко това преобръща с краката нагоре разпределението на въздушното налягане под и над крилото. В предната част на крилото то непрекъснато се увеличава, заради разширяващата се с увеличаване на скоростта свръхзвукова област отгоре и свързаната с нея ударна вълна, докато в задната част намалява. Резултатът – самолетът посреща повишено въздушно съпротивление (наречено вълново съпротивление), а освен това ламинарното обтичане на крилото се нарушава, появяват се завихрания и самолетът започва да тресе (бафтинг). Всичко това е обобщено под термина „вълнови кризис“.

Възникване и развитие на вълновото съпротивление.

 Любопитното е, че вълновият кризис изчезва щом като самолетът стане изцяло свръхзвуков – тогава бафтингът спира, съпротивлението намалява и отново имаме управляем полет. Основната пречка при свръхзвуковите полети е именно тази преходна трансзвукова област.  Стремежът е през нея  да се премине максимално бързо , а вредните ефекти се минимизират, доколкото е възможно, с внимателен дизайн на крилото. То трябва да е максимално тънко, с неголяма площ, стреловидно или делтаобразно. „Правото“ крило е напълно неприемливо. Ако сте се чудели някога защо съвременната гражданска авиация е дозвукова, то може би вече се досещате за отговора на този въпрос. Каквото и да се прави, преминаването през трансзвуковата граница е икономически неизгодно (повече съпротивление = повече гориво) и е свързано с нуждата от допълнителни инженерни способи, които да се справят с неприятните аеродинамични ефекти.  В резултат проектът за свръхзвуков граждански самолет се усложнява, а това води до допълнително оскъпяване и намалява безопасността на полетите му (справка – Конкорд). И все пак всяка авиокомпания иска самолетите й да летят максимално бързо. В съвременната авиация това се постига  чрез подходящ дизайн на самолетите, забавящ възникването на вълнови кризис и позволяващ им да летят със скорости много близки до максималните. Ключова роля тук играе т.нар. свръхкритичен профил на крилото, който днес масово се използва от повечето модерни самолети.

 Разлика между обикновен крилен профил свръхкритичен крилен профил

Магията на този вид профил се крие в особената му форма – почти плоска горна повърхност и вдлъбната долна повърхност. Благодарение на това въздухът по горната повърхност се ускорява в много по-малка степен спрямо обикновения профил и той става звуков при по-високи скорости на самолета. Извивката  на долната повърхност пък компенсира загубата на подемна сила от намалената скорост на въздуха по горната повърхност. Според данни на NASA свръхкритичният профил на крилото намалява с до 15 процента разхода на гориво и повишава максималната скорост на самолета до 0,85 М (за сравнение – същият самолет с обикновен профил би имал максимална скорост от 0,7 М ). Използвана литература: Гешев, Д.Н., Аеродинамика на летателните апарати – основен курс, С., КИНГ-2001, 2002 Още за аеродинамиката: Динамика на полета – аеродинамични моменти Въздушно съпротивление в аеродинамиката Да изпревариш звука… Основи на аеродинамиката или защо летят самолетите Координатни системи и сили в аеродинамиката
Categories
Наука Прогрес

Опознай Юпитер, за да го обикнеш – мисия „Джуно”

Броени дни остават до пристигането на апарата на NASA – „Джуно” (Юнона) в орбита около най-голямата планета на Слънчевата система – Юпитер. Редом с облитането на Плутон от „Нови Хоризонти”  и изследването на кометата Чурюмов – Герасименко от „Розета” това ще бъде едно от най-важните постижения в космическото усвояване от последните години.

На 4-ти юли, понеделник, се очаква „Джуно” да завърши своето петгодишно пътешествие, отнело му 2,8 млрд. km до достигане на целта.

По тази спирална траектория с използването на гравитацията на собствената ни планета за засилка към Юпитер, пътешестваше „Джуно”.

За да бъде „уловен” от гравитацията на планетата, „Джуно” трябва да забави скоростта си с 541,7 m/s чрез серия от няколко автоматични запуска на двигателя си, която ще бъде активирана с команди, изпратени от Земята. След това ще последват няколко напрегнати часа за инженерите в контролния център на NASA. Тъй като насочената антена на „Джуно” няма да следи Земята в момента на маневрирането, учените няма да разполагат веднага  с телеметрични данни и ще използват друг подход, за да разберат успешно ли е преминало навлизането в орбита. Апаратът ще излъчва радиосигнали с определена честота, след завършване на всяка маневра, които ще бъдат засечени от големите наземни радиотелескопи. Със забавянето на скоростта на „Джуно” честотата на тези сигнали слабо ще се изменя поради Доплеровия ефект и така ще бъде потвърдено дали е постигнат желания резултат. Маневрата е особено критична, тъй като при нея трите соларни панела на апарата няма да са насочени към Слънцето и апаратът ще черпи енергия за системите си единствено от батерии.

Ако нещо се обърка, „Джуно” ще бъде безвъзвратно запокитен в космическото пространство, превръщайки се в един от най-бързите обекти, създавани от човешка ръка. Но ако всичко протече наред, „Джуно” ще навлезе в полярна орбита около газовия гигант, като в най-ниската си точка ще преминава на разстояние едва 4 667 km от горната му облачна покривка! И чак тогава трудните времена за „Джуно” ще започнат.

Предизвикателствата

Защото дизайнът на „Джуно” е голям инженерен подвиг. През далечната 2004 г., когато мисията печели финансиране от NASA, запасите на плутоний-238, традиционно използван като източник на електроенергия при мисиите в дълбокия космос, са критично малки, след като продукцията му в САЩ е спряна в края на 80-те. Това налага пред проектантите да прибегнат към алтернативния подход за захранването на апарата, който никога дотогава не е използван
толк
ова далеч от Слънцето. Решено е цялото електричество за системите на апарата да идва от слънчеви панели. Което е съвсем нормална практика за сателитите, обикалящи Земята, само че при Юпитер енергията от слънчевото греене е 25 пъти по-малко, отколкото при нас.

И тъй, „Джуно”  е снабден с три слънчеви панела 2,7 m широки и 8,9, които на Земята биха генерирали над 10 KW, но при Юпитер  ще могат да доставят едва 500 W мощност. Малката разполагаема мощност означава, че всеки от деветте научни прибори на борда и предавателят трябва да са оптимизирани за супер икономична работа.

Но всъщност оскъдната енергия е малкият дявол. Далеч по-голям проблем за „Джуно” е огромната, гибелна за електрониката радиация в близост до Юпитер. Около планетата има същите радиационни пояси като поясите на Ван Алън около Земята, само че несравнимо по-мощни.

Орбитата на „Джуно” е внимателно подбрaна, за да се минимизират ефектите от тях, ала все пак  за двете предполагаеми години, в които „Джуно” ще събира данни около Юпитер, апаратът ще получи радиационна доза, еквивалентна на 100 милиона зъболекарски рентгенови снимки. Това налага елeктронните компоненти от първостепенно значение – бордния компютър и управлението на електрическите нагреватели – да бъдат изолирани в първи по рода си 172 килограмов титаниев контейнер, чийто стени намаляват 800 пъти околната радиация. Без него компютърът не би издържал и една обиколка на Юпитер. Камерата, която няма как да бъде поставена в този контейнер, ще изкара едва седем орбити.

Загадките

Комплицираният дизайн на „Джуно” има своето основание. Юпитер е сред най-добре изучените планети в Слънчевата система, но, оказва се, десетилетията на изследване от мисиите на Пайъниър, Вояджър, Касини и Галилео са ни разкрили толкова отговори, колкото въпроси са повдигнали. В древноримската митология богинята Юнона е единствената, която е съзирала истинската природа на своя съпруг – бог Юпитер, сред облаците, с които се е забулвал. От „Джуно” учените очакват нещо подобно. Това, което виждаме от Земята – поясите на Юпитер, Голямото червено петно, са само върхът на айсберга. Учените искат да разберат какво се крие под тези облаци от амоняк и сероводород.

Досега най-изчерпателен отговор на този въпрос ни е дала мисията „Галилео”, в рамките на която през 1995 г. в отровната атмосфера на Юпитер бе спусната изследователска сонда. Докато се спускаше в дълбините на газовия гигант, сондата предаде информация за химическия състав на района около нея. Бе установено, че елементите, присъстващи на повърхността на облаците, продължават да изобилстват и в дълбочина с едно изключение. Количеството на кислорода и водните молекули било учудващо ниско.

Учените имат две обяснения на тази аномалия. Или спускаемата сонда е имала редкия късмет да се гмурне в сух регион, аналогичен на пустинята Сахара (лошо), или изобщо не разбираме физическите процеси, протичащи на Юпитер (много лошо). Дилемата може да бъде разрешена единствено от апарат като „Джуно”. Той няма да се потапя пряко в Юпитер (не и  преди края на мисията си), но облитайки цялата планета, оборудван с един специален уред, ще може да установи с точност разпространението на водата в дълбочина навсякъде. Специалният уред е микровълнов радиометър. За да засича вода, той използва същия принцип, на който работи микровълновата ви печка. Микровълновото излъчване се поглъща от водните молекули и те се загряват при това. Юпитер, от своя страна, може да бъде разглеждан като гигантска микровълнова печка, тъй като планетата е източник на мощно радиоизлъчване и в частност микровълново излъчване.

Като изследват сигнали с различни микровълнови честоти, идващи от Юпитер, учените ще могат да си направят куп изводи  – за наличието и разпространението на водата на дълбочина до 500 km под повърхността на облаците, за температурния профил в тези региони и за движението на атмосферните маси. Освен това информацията за водата може би ще помогне да се даде отговор на друг един голям въпрос, мъчещ планетарните физици.  Как и къде се е формирал Юпитер? Господстващите хипотези отново са две – според едната Юпитер се е формирал далеч от Слънцето и водата е съставна част от структурата му; според другата Юпитер се е формирал там, където е, и е получил водата от кометите, разбили се в него.

Микровълновото измерване е основната предназначение на „Джуно”, но с това далеч не се изчерпват функциите на апарата. Заради орбитата си той ще има възможност да изучи в детайли слабопроучените полярни области. Ще прелита право над областите с полярни сияния, а вижте за какви полярни сияния иде реч на едно от последните изображения на телескопа Хъбъл:

Със сигурност ни чакат зашеметяващи фотографии! Не на последно място: данните от „Джуно” ще подскажат и каква е структурата на Юпитер в дълбочина, дали има или не скалисто ядро. За това ще послужи уредът, измерващ слабите колебания в гравитационно поле на Юпитер, докато апаратът го обикаля.

Но всъщност най-хубавото е, че никой не знае какво ново ще открие „Джуно”. Космическите изследвания винаги са съпътствани с неочаквани от никого изненади, способни да преобърнат с главата надолу теориите, които сме ковали десетилетия. Защото космосът е полето, на което се обединяват откривателският дух и техническият прогрес, за да положат пътя към нашето бъдеще.

По информация от:

Juno switched to autopilot mode for Jupiter final approach

http://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-juno-spacecraft-to-risk-jupiter-s-fireworks-for-science

http://www.nature.com/news/nasa-s-juno-spacecraft-prepares-to-probe-jupiter-s-mysteries-1.20179

https://www.theguardian.com/science/2016/jun/04/probe-jupiter-juno

http://www.wired.com/2011/08/juno-spacecraft-jupiter/