Космічний простір

Ділянки атмосфери

Космі́чний про́стір, або ко́смос (дав.-гр. κόσμος — всесвіт), — відносно порожні ділянки Всесвіту, розташовані поза межами атмосфер небесних тіл.
Всупереч розповсюдженій думці, космос не повністю порожній, але у ньому дуже низька густина речовини. Переважно це Гідроген в атомарному, молекулярному чи іонізованому стані), також є інші прості гази (Гелій, Нітроген, Оксиген), тверді частинки пилу, що містять переважно Карбон, а за допомогою мікрохвильової спектроскопії виявлено кілька десятків різних молекул. Водночас космос заповнений електромагнітним випромінюванням, зокрема реліктовим випромінюванням, що лишилося після Великого Вибуху, та космічними променями, в яких містяться іонізовані атомні ядра та різні субатомні частинки.

Космічний простір або просто простір це обшир, який існує поза Землею і між небесними тілами. Космічний простір не зовсім порожній — це жорсткий вакуум, що містить низьку щільність частинок, переважно плазму водню та гелію, а також електромагнітне випромінення, магнітні поля, нейтрино, пил та космічні промені. Базова температура космосу, яка визначається фоновим випроміненням Великого вибуху, становить 2,7 кельвінів (−270,45 ° C; −454,81 ° F). Плазма між галактиками становить близько половини баріонної (звичайної) речовини у Всесвіті; вона має густину менше одного атома водню на кубічний метр і температуру мільйони кельвінів. Місцеві концентрації речовини скупчуються у зірки та галактики. Дослідження показують, що 90% маси більшості галактик знаходиться у невідомій формі, котра називається темною речовиною, яка взаємодіє з іншою речовиною за допомогою гравітаційних, але не електромагнітних сил. Спостереження дозволяють припустити, що більшість масової енергії у спостережуваному Всесвіті — це темна енергія, вид енергії вакууму, яка недостатньо вивчена. Міжгалактичний простір посідає більшу частину обсягу Всесвіту, але навіть галактики та зіркові системи майже повністю складаються з порожнього простору.

Рамки міжнародного космічного права були встановлені Договором про космос, який набув чинності 10 жовтня 1967 р. Цей договір виключає будь-які посягання національного суверенітету і дозволяє всім державам вільно досліджувати космос. Попри розробку резолюцій ООН щодо мирного використання космічного простору, на земній орбіті вже було випробувано протисупутникову зброю.

Фізичні дослідження космосу люди розпочали у 20 столітті з появою висотних польотів на повітряній кулі. За цим пішли пілотовані ракетні польоти. Через високу вартість потрапляння в космос, пілотований космічний політ був обмежений низькою орбітою Землі та Місяцем. Натомість, безпілотні космічні апарати досягли усіх відомих планет Сонячної системи.

Космічний простір являє складне середовище для дослідження людиною через небезпеку вакууму та випромінення. Мікрогравітація також негативно впливає на фізіологію людини, та спричиняє як атрофію м’язів, так і втрату кісткової маси. Окрім цих питань охорони здоров’я та довкілля, економічні витрати на розміщення предметів, у тому числі людей, у космосі дуже високі.

ВідкриттяРедагувати

350 року до н.е., грецький філософ Арістотель припустив, що природа не терпить порожнечі - принцип, який став відомим як жах вакууму. Ця концепція побудована на онтологічному аргументі 5 століття до н. е. грецького філософа Парменіда, який заперечував можливе існування порожнечі в просторі. Виходячи з цього міркування про те, що вакууму не може існувати, на Заході багато століть вважалося, що простір не може бути порожнім. Ще в 17 столітті французький філософ Рене Декарт стверджував, що весь космос повинен бути заповнений.

У стародавньому Китаї астроном 2-го століття Чжан Хен досяг переконання, що космос мусить бути нескінченним, виходячи далеко за межі механізму, який підтримував Сонце та зірки. У книжках, що збереглися в школі Хсюан Іє, йдеться про те, що небо безмежне, "порожнє і не має речовини". Отже "Сонце, Місяць і компанія зірок плавають у порожньому просторі, рухаючись або стоячи нерухомо".

Італійський вчений Галілео Галілей знав, що повітря має вагу, і тому воно підлягає силі тяжіння. 1640 року він показав, що встановлена сила чинить опір утворенню вакууму. Однак його учневі Еванджелісті Торрічеллі залишиться виготовити пристрій, який утворить частковий вакуум у 1643 році. Цей дослід спричинив створення першого ртутного барометра і здійснив науковий розголос в Європі. Французький математик Блез Паскаль вважав, що оскільки стовпчик ртуті підтримується повітрям, то колонка повинна бути коротшою на більшій висоті, де тиск повітря нижчий. 1648 року його зять Флорін Перьє повторив дослід на горі Пюї-де-Дом у центральній Франції і виявив, що стовпчик був коротший на три сантиметри. Таке зниження тиску було продемонстровано також піднесенням напівповної повітряної кулі до гори та спостереженням, як вона поступово розширюється, а потім стискається після спуску.

1650 року німецький вчений Отто фон Ґеріке виготовив перший вакуумний насос: пристрій, який би надалі спростовував принцип  жаху вакууму. Він правильно зазначив, що атмосфера Землі оточує планету як оболонка, до того-ж густина поступово зменшується з висотою. Він зробив висновок, що між Землею і Місяцем повинен бути вакуум.

 
Вакуумний насос з півкулями у німецькому музеї

Ще в XV столітті німецький богослов Микола Кузанський припускав, що Всесвіту не вистачає центру та окружності. Він вважав, що Всесвіт, хоча і не є нескінченним, не може вважатися обмеженим, оскільки йому не вистачає меж, у яких він міг би міститися. Ці ідеї спричинили міркування щодо нескінченного виміру простору італійським філософом Джордано Бруно у 16 столітті. Він поширив геліоцентричну космологію Коперника на концепцію нескінченного Всесвіту, наповненого речовиною, яку він назвав ефіром, що не чинила опору руху небесних світил.  Англійський філософ Вільям Гілберт дійшов подібного висновку, стверджуючи, що зірки нам видні лише тому, що їх оточено тонким ефіром або порожнечею. Це вчення про ефір, виникло у давньогрецьких філософів, у тому числі Арістотеля, який розумів його як середовище, крізь яке рухаються небесні світила.

Концепція Всесвіту, наповненого світловим ефіром, зберігала підтримку серед деяких вчених до початку 20 століття. Ця форма ефіру розглядалася як середовище, крізь яке може поширюватися світло. 1887 року,  дослідом Майкельсона — Морлі намагалися виявити рух Землі крізь це середовище, шукаючи зміни швидкості світла залежно від напрямку руху планети. Однак нульовий підсумок вказував, що з концепцією щось було не так. Тоді ідея світлоносного ефіру була полишена. Її замінила спеціальна теорія відносності Альберта Ейнштейна, яка стверджує, що швидкість світла у вакуумі є постійною величиною, незалежною від руху спостерігача чи системи відліку.

Першим професійним астрономом, який підтримав вчення нескінченного Всесвіту, був англієць Томас Діггес у 1576 році. Але обсяг Всесвіту залишався невідомим до першого успішного вимірювання відстані до сусідньої зірки 1838 року німецьким астрономом Фрідріхом-Вільгельмом Бесселем. Він показав, що у зірки 61 Лебедя був паралакс всього 0,31 кутових секунди (порівняно із сучасним значенням 0,287 ″). Це відповідає відстані понад 10 світлових років. 1917 року, Гебер Дуст Кертіс зазначав, що нові зорі у спіральних туманностях в середньому на 10 величин слабші, ніж галактичні нові, що дозволяє припустити, що перші у 100 разів далі. Відстань до галактики Андромеди було визначено 1923 року американським астрономом Едвіном Габблом, завдяки вимірюванню яскравості змінних цефеїд у цій галактиці — новому способу, відкритому Генрієттою Свон Лівітт. Це встановило, що галактика Андромеди, отже, і всі галактики лежать далеко за межами Чумацького Шляху.

Становлення та будоваРедагувати

Основна стаття: Великий вибух

Згідно з теорією Великого вибуху, первинний Всесвіт був надзвичайно гарячим та щільним утворенням близько 13,8 мільярдів років тому, яке стрімко розширювалося. Приблизно

 
Хронологія метричного розширення простору, де простір, у тому числі здогадні невидимі ділянки Всесвіту,  щоразу представлені круговими перерізами. Ліворуч - драматичне розширення відбувається в інфляційну епоху; а в центрі - розширення пришвидшується (задум художника).

за 380 000 років Всесвіт охолов достатньо, щоби протони та електрони могли поєднуватися та утворювати водень — так звана епоха рекомбінації. Коли це сталося, матерія та енергія стали відокремленими, що дозволило фотонам вільно подорожувати через постійно розширюваний простір. Матерія, яка залишилася після початкового розширення, з тих пір зазнала гравітаційного колапсу для створення зірок, галактик та інших астрономічних об'єктів, покинувши після себе глибокий вакуум, який утворює те, що зараз називають космосом. Оскільки світло має кінцеву швидкість, ця теорія також обмежує розміри, безпосередньо спостережуваним Всесвітом. Це залишає відкритим питання, чи є Всесвіт кінцевим або нескінченним.

Сучасний вигляд Всесвіту було визначено з вимірювань космічного мікрохвильового фону за допомогою супутників, таких як WMAP (Мікрохвильової Анізотропії Зонд імені Вілкінсона). Ці спостереження вказують на те, що просторова геометрія спостережуваного Всесвіту є "пласкою", тобто фотони на паралельних шляхах в одній точці залишаються паралельними, коли вони проходять крізь простір до межі спостережуваного Всесвіту, за винятком локальної сили тяжіння. Плаский Всесвіт у поєднанні з вимірюваною щільністю маси Всесвіту та прискореним розширенням Всесвіту вказує на те, що простір має ненульову енергію вакууму, яку називають темною енергією.

За оцінками, середня густина енергії сучасного Всесвіту, дорівнює 5,9 протонів на кубічний метр, разом з темною енергією, темною матерією та баріонами (звичайною речовиною, що складається з атомів). Атоми становлять лише 4,6% від загальної густини енергії або густини одного протона на чотири кубічні метри. Однак густина Всесвіту явно неоднакова; вона змінюється від відносно високої густини галактик — в тому числі дуже високу щільність у структурах всередині галактик, таких як планети, зірки та чорні діри — до умов у величезних порожнечах, які мають значно меншу щільність, принаймні з точки зору видимої речовини. На відміну від матерії та темної матерії, темна енергія, здається, не зосереджена в галактиках: хоча темна енергія може становити більшість маси енергії у Всесвіті, вплив темної енергії на 5 порядків менший, ніж вплив сили тяжіння від матерії і темної матерії в межах Чумацького Шляху.

СередовищеРедагувати

Це чорне тло зі світлими формами різних розмірів, розкиданими навмання. Зазвичай вони мають білі, червоні або сині відтінки.

Космічний простір  — найбільш відоме наближення до взірцевого вакууму. Він фактично не має тертя, що дозволяє зіркам, планетам і їх супутникам, вільно рухатися

 
Частина зображення надглибокого поля Габбла, яка показує звичайну ділянку простору, що містить галактики, перемежовані глибоким вакуумом. Зважаючи на кінцеву швидкість світла, цей погляд охоплює останні 13 мільярдів років історії космосу.

ідеальними орбітами, слідуючи початковому етапу становлення. Однак навіть глибокий вакуум міжгалактичного простору не позбавлений речовини, оскільки він містить кілька атомів водню на кубічний метр. Для порівняння, повітря, яким люди дихають, містить близько 1,9×1025 молекул на кубічний метр. Низька густина речовини в космічному просторі означає, що електромагнітне випромінення може долати великі відстані без розсіювання: середній вільний шлях фотона в міжгалактичному просторі, становить приблизно 1023 км, або 10 мільярдів світлових років. Попри це, вимирання, яке є поглинанням і розсіюванням фотонів пилом і газом, є важливим чинником галактичної та міжгалактичної астрономії.

Зірки, планети та їх супутники утримують власну атмосферу гравітаційним тяжінням. Атмосфери не мають чітко окресленої верхньої межі: густина атмосферного газу поступово зменшується з відстанню від об'єкта, поки її не відрізнити від космосу. Атмосферний тиск Землі падає приблизно до 0,032 Па на 100 кілометрів (62 милі) висоти порівняно зі 100 000 Па, для визначення стандартного тиску Міжнародним союзом чистої та прикладної хімії (IUPAC). Над цією висотою, ізотропний тиск газу швидко стає незначним порівняно з тиском випромінення від Сонця та динамічним тиском сонячного вітру. Термосфера в цьому діапазоні має великі градієнти тиску, температури та складу і дуже змінюється через космічну погоду.

Температура космічного простору, вимірюється з урахуванням кінетичної активності газу, як і на Землі. Однак випромінювання космічного простору має іншу температуру, ніж кінетична температура газу і це означає, що газ та випромінення не перебувають у термодинамічній рівновазі. Весь спостережуваний Всесвіт заповнений фотонами, які було створено під час Великого вибуху, що відомі як космічне мікрохвильове фонове випромінення (CMB). (Цілком ймовірно, що відповідно, велика кількість нейтрино, називається фоном космічних нейтрино.) Поточна температура чорного тіла  фонового випромінювання, становить приблизно 3 К (−270 ° C; −454 ° F).

Магнітні поля було виявлено в просторі навколо майже кожного класу небесних об'єктів. Утворення зірок у спіральних галактиках може породжувати дрібно-розмірні динамо, створюючи бурхливі напруження магнітного поля близько 5–10 мкГ. Ефект Девіса-Грінштейна змушує витягнуті пилові зерна вирівнюватися згідно магнітного поля галактики, що призводить до слабкої оптичної поляризації. Це було використано для показу впорядкованих магнітних полів, що існують у кількох сусідніх галактиках. Магнітогідродинамічні процеси в активних еліптичних галактиках виробляють власні характерні струмені та радіочастки. Нетеплові радіоджерела виявлено навіть серед найбільш віддалених джерел з червоним зсувом, що свідчить про наявність магнітних полів.

Поза захисною атмосферою та магнітним полем, існує мало перешкод для проходу крізь простір енергетичних субатомних частинок, відомих як космічні промені. Ці частинки мають енергію у межах від приблизно мільйона еВ до надзвичайних ста квінильйонів еВ космічних променів надвисоких енергій. Піковий потік космічних променів відбувається за енергій близько більйона еВ - приблизно 87% протонів, 12% ядер гелію і 1% важчих ядер. У високоенергетичному діапазоні, потік електронів становить лише близько 1% від протонів. Космічні промені можуть пошкодити електронні компоненти та становити загрозу здоров’ю для космічних мандрівників. Згідно розповідей астронавтів, як Дон Петтіт, у космосі є палений / металевий запах, який чіпляється за їхні костюми й обладнання та подібний до запаху пальника дугової зварки.

Межа атмосфериРедагувати

Чіткої межі між земною атмосферою та космосом не існує, оскільки зі збільшенням висоти атмосфера розріджується поступово. Якби температура була постійною, то тиск би змінювався за експоненціальним законом від 100 КПа на рівні моря до нуля.
Міжнародна авіаційна федерація (ФАІ) робочою межею між атмосферою та космосом встановила висоту 100 км[1] (лінія Кармана).
У США астронавтами вважають людей, що перебували на висоті понад 50 миль (≈80 км).

Межі на шляху до космосуРедагувати

  • Рівень моря — 100 кПа (1 атм.; 760 мм. рт. ст;) атмосферного тиску.
  • 4,6 км — Міжнародна Федерація Аеронавтики вимагає додаткового постачання кисню для пілотів та пасажирів.
  • 5,0 км — 50 кПа атмосферного тиску.
  • 5,3 км — Половина усієї атмосфери перебуває нижче цієї висоти.
  • 8,8 км — Найвища точка Землі, вершина гори Еверест.
  • 16 км — Потреба додаткового тиску у кабіні.
  • 18 км — Межа між тропосферою та стратосферою[джерело?].
  • 20 км — Закипання води при кімнатній температурі (тілесні рідини не починають кипіти, оскільки тіло створює достатній внутрішній тиск, щоби запобігти цьому ефекту[джерело?]).
  • 24,7 км — Рекорд висоти для повітряної кулі, керованої людиною[джерело?].
  • 32 км — Турбореактивні двигуни перестають працювати.
  • 45 км — Прямотічні повітряно-реактивні літаки перестають працювати.
  • 50 км — Межа між стратосферою та мезосферою.
  • 80 км — Межа між мезосферою та термосферою.
  • 100 км — Лінія Кармана, що визначає умовну межу між атмосферою та космосом. Аеродинамічні поверхні стають неефективними, оскільки для створення потрібної підіймальної сили, потрібно досягти першої космічної швидкості.
  • 120 км — Помітні прояви атмосфери під час повернення на Землю з орбіти.
  • 200 км — Найнижча можлива орбіта з короткотерміновою стабільністю (до кількох днів).
  • 350 км — Найнижча можлива орбіта з довготерміновою стабільністю (до кількох років)[джерело?].
  • 690 км — Межа між термосферою та екзосферою.

Вплив відкритого космосу на живі організмиРедагувати

Усупереч розповсюдженій думці, потрапивши у відкритий космос людина миттєво не замерзне, не вибухне й не знепритомніє, її кров не закипить. Натомість настане швидка смерть від нестачі кисню. Крім того, зі слизових оболонок організму (язик, очі, мембрани в легенях) почне швидко випаровуватись вода. Деякі інші загрози — опіки незахищених ділянок шкіри та ураження інших приповерхневих тканин тіла — почнуться приблизно через 10 секунд. Таким чином, якщо не затримувати подих у легенях, то 30—60 секунд перебування у відкритому космосі не спричинять незворотних травм людському організмові[2].

Поділ космічного просторуРедагувати

Космічний простір поділяють на такі ділянки, які мають різні властивості[3][4]:

  • навколоземний космічний простір — простір, що розташований за межами атмосфери Землі і виходить на межі орбіти Місяця (включаючи точки Лагранжа системи Земля — Місць) (в англійській мові іноді вживається термін cislunar space[5]). На відміну від інших ділянок космосу навколоземний простір містить космічне сміття — матеріали, що лишилися від людської діяльності на орбітах.
    • ділянку космосу, де гравітація Землі залишається визначальною відносно пертурбацій від Сонця, називають сферою Гілла Землі.
  • міжпланетний простір — простір у Сонячній системі поза навколоземним простором. Його умовною межею вважають геліопаузу. Концентрація частинок у міжпланетному просторі становить менше 107 на см³.
  • міжзоряний простір — простір між зорями всередині галактик. Концентрація атомів у міжзоряному середовищі змінюється від 106 на см³ (на холодних насичених ділянках) до 10−4 на см³ (у гарячих розріджених областях, де речовина здебільшого іонізована). У міжхмарному середовищі (яке охоплює близько половини об'єму галактичного диску) вона становить у середньому 0,2 атома на см³.
  • міжгалактичний простір — частина космосу між галактиками. Заповнена вкрай розрідженим іонізованим газом із середньою густиною близько 1 атома на 1 дм³ (10-4 — 10-2 на см³).

Поряд із цим вживаним є умовний поділ космічного простору за відстанню від Землі на:

  • ближній космос;
  • далекий (глибокий або відкритий) космос.

Чіткої межі між ними не встановлено[6]: одні дослідники проводять межу за гравітаційною сферою Землі (тобто, відносять міжпланетний простір до глибокого космосу)[7], інші ж вважають міжпланетний простір частиною ближнього космосу (тобто, проводять межу ближнього космосу за геліопаузою або за сферою Гілла Сонця)[3].

Космічні польотиРедагувати

Щоб вийти на орбіту, тіло має досягти певної швидкості. Космічні швидкості для Землі:

  • Четверта космічна швидкість — близько 550 км/с - швидкість для відходу зі сфери тяжіння галактики Чумацький Шлях і виходу в міжгалактичний простір. Для порівняння, швидкість руху Сонця відносно центру галактики становить приблизно 220 км/с.

Першим, хто зрозумів, що для досягнення таких швидкостей з використанням будь-якого хімічного палива потрібна багатоступенева ракета, був Костянтин Ціолковський.

 
Фото, передане з Космічного телескопа імені Габбла

Відсутність повітря робить космічний простір (та поверхню Місяця) ідеальними місцями для астрономічних спостережень на всіх довжинах хвиль електромагнітного спектру. Космічні телескопи (такі як космічний телескоп «Габбл», космічний телескоп Спітцера, IRAS, WMAP, UHURU, Чандра) попри свої невеликі розміри (порівняно із земними) отримують унікальні дані, які практично неможливо одержати на поверхні Землі. Крім того, неоціненну інформацію про планети, астероїди та комети Сонячної системи отримують за допомогою космічних апаратів.

Правовий статус космічного просторуРедагувати

Космічний простір відкритий для дослідження і використання всіма державами, він вважається загальною спадщиною людства. Щодо нього діє заборона національного привласнення (на відміну від повітряного простору над територією держави, щодо якого держава має повний та винятковий суверенітет)[1].

Космічний простір частково демілітаризований — заборонено виводити на навколоземні орбіти чи іншим чином розміщувати в космосі, ядерну зброю та інші види зброї масового знищення[1].

Однією важливих проблем визнано утворення на навколоземних орбітах космічного сміття, що становить серйозну загрозу для космічних апаратів, призводить до припинення програм польоту, а у разі пілотованих апаратів — може призвести і до втрати життя[1]. Для запобігання його накопиченню, Комітетом ООН з використання космічного простору в мирних цілях 2007 року було ухвалено «Керівні принципи запобігання утворенню космічного сміття», які схвалено резолюцією Генеральної Асамблеї ООН № A/RES/62/217 від 01.02.2008 р.[8]

Див. такожРедагувати

ДжерелаРедагувати

  1. а б в г Міжнародно-правовий режим космічного простору та небесних тіл // Міжнародне публічне право : підручник / за ред. проф. В. М. Репецького. — 2-е вид., стер.. — К. : Знання, 2012. — 437 с.
  2. на сайті NASA. Архів оригіналу за 4 червень 2012. Процитовано 16 серпень 2006. 
  3. а б Космос // Астрономічний енциклопедичний словник / за заг. ред. І. А. Климишина та А. О. Корсунь. — Львів : Голов. астроном. обсерваторія НАН України : Львів. нац. ун-т ім. Івана Франка, 2003. — С. 240. — ISBN 966-613-263-X.
  4. Strickland, John (1 жовтня 2012). The cislunar gateway with no gate. thespacereview.com. Процитовано 4 жовтня 2017. 
  5. Радиолокационное исследование космоса. Школьная Энциклопедия. 11.10.2015 19:33. Процитовано 2018-08-20. (рос.)
  6. Космічний простір // Астрономічний енциклопедичний словник / за заг. ред. І. А. Климишина та А. О. Корсунь. — Львів : Голов. астроном. обсерваторія НАН України : Львів. нац. ун-т ім. Івана Франка, 2003. — С. 236. — ISBN 966-613-263-X.
  7. Н. Р. Малишева, В. В. Семеняка, О. С. Стельмах. Забезпечення міжнародно-правової охорони космічного простору від засмічення // Космічна наука і технологія. — 2015. — Т. 21, вип. 2. — ISSN 1561-8889.

ПосиланняРедагувати

Вікіцитати має збірку цитат :