Текст книги "Твиты о Вселенной. Микроблоги о макропроблемах"

31. Когда люди снова вернутся на Луну?

Программа НАСА «Аполлон» завершилась четыре десятилетия назад. Хотя беспилотные космические аппараты бывали на Луне и после этого, но это было без людей.

Беспилотный корабль имеет большие преимущества: он может находиться на Луне дольше, исследовать бóльшие площади, собрать больше данных. И все это намного дешевле.

По-прежнему Луна – наш ближайший сосед. Полет на Луну можно рассматривать как практику для полета человека за пределы Земной орбиты и начальный этап для посещения Марса и его окрестностей.

В 2004 президент США Джордж Буш объявил о программе «Созвездие»: планировались возвращение на Луну (2020) на новых космических аппаратах, а потом полет на Марс.

Мощная ракета Арес должна была запустить подобный Аполлону космический корабль Орион и лунный посадочный модуль Альтаир. Ракета Арес успешно прошла испытания в октябре 2009.

Но в 2010 президент Обама отменил «Созвездие» из-за отставания от графика и превышения бюджета. Появился новый план: пилотируемый полет к астероиду.

Итак, НАСА не планирует в настоящее время возвращение на Луну. Кроме того, Европейское космическое агентство (ЕКА) также не ставит своей целью пилотируемые полеты на Луну, сосредотачиваясь вместо этого на Марсе.

Китай, судя по всему, планирует полет человека на Луну. Никаких официальных заявлений пока нет, но это может произойти около 2024. То же справедливо и для Японии.

К 2024 пройдет 52 года с того момента, как люди в последний раз гуляли по Луне – это почти такой же промежуток времени, как между первыми полетами аэроплана и запуском спутника.

Что касается полетов человека на Марс, космические агентства прогнозировали, что это произойдет через 30 лет после 1960-х. Без комментариев.

32. Откуда взялась Луна?

Происхождение Луны является давней тайной. Нигде нет другой луны, такой большой по сравнению с родительской планетой.

Миссии Аполло обнаружили важную информацию. Луна состоит из материала, подобного мантии Земли. Лунные скалы содержат намного меньше воды, чем скалы на Земле.

1975. Вильям Хартманн и его коллеги предложили теорию гигантского столкновения. Вскоре после своего формирования Земля столкнулась с небесным телом с массой Марса (его назвали Тейа).

Из-за своей тяжести железное ядро Тейи попало в центр Земли. Расплавленная мантия выплеснулась в космос. Сформировалось кольцо вокруг Земли.

Кольцо остывающих осколков соединилось в Луну: она была в 10 раз ближе, чем сегодня, в 10 раз больше и вызывала в 1000 раз большие приливы.

Теория объясняет, почему Луна походит на мантию Земли; почему не имеет железного ядра; почему она настолько сухая (вода улетучилась при супергорячем агрессивном ударе).

Кроме большой Луны, возможно, также сформировались меньшие луны, которые позже столкнулись с большой. Этим можно объяснить толстую корку на обратной стороне Луны.

Проблема теории: Тейя не разрушила Землю. Это означает, что она должна была врезаться в нашу планету с необъяснимо малой скоростью.

Объяснение Ричарда Готта и Эда Белбруно: Тейя и Земля фактически имели общую орбиту, подобно тому, как «троянские» астероиды Юпитера сегодня входят в его орбиту.

Так верить этому или нет? Возможно, когда-то у Земли был собрат, ярко светившийся в ночном небе!

Если Тейя сформировалась в устойчивой «точке Лагранжа», на 60° впереди или позади Земли на ее орбите, и была из нее выбита, то она могла медленно приближаться к Земле.

Энергия, теряемая во взаимодействии с приливами, постепенно уменьшала энергию Луны на орбите, сдвигая ее к существующему местонахождению. Сегодня Луна по-прежнему отступает на 4 см в год.

Проведем урок по внеземной жизни. Климат Земли устойчивым для жизни сохраняет большая Луна. Ее появление потребовало уникальных условий. Поэтому жизнь на других планетах может оказаться редкостью.

Космос

33. Как там – в космосе?

В космосе никто не услышит твой крик. Это потому, что звук – колебания воздуха, а в космосе нет воздуха для создания колебаний.

В космосе лазерные лучи невидимы (извините, фанаты «Звездных Войн»). Это потому, что свет от лазерного луча «рассеивает» в ваш глаз пыль в воздухе.

В космосе невообразимый холод. Это потому, что там очень мало атомов, которые взаимодействуют (сталкиваются) с вами и таким образом передают теплоту.

В самом деле: межпланетное пространство содержит около 10 час тиц на см³ (в хорошем земном вакууме их 100 000, а в воздухе на уровне моря – 30 млрд млрд).

Существенно, что если нет частиц воздуха, которые уносили бы избыточное тепло, перегрев так же вероятен, как замерзание. Скафандры должны быть и с подогревом, и с охлаждением.

В космосе, где нет воздуха, чтобы дышать, астронавты должны носить свои собственные запасы воздуха с собой на спине, обычно в баллонах, подобных тем, какие используются в аквалангах.

В космосе нет давления. Мы живем под давлением 50-км столба воздуха (2 слона!). Костюмы астронавтов должны находиться под давлением.

Если космонавты не будут похожи на символ шин компании Мишлен, «пухлого человека-шину», азот будет выделяться в их кровь в виде пузырьков (азотный наркоз – «кесонная болезнь»), и это убьет космонавтов.

В космосе вы невесомы. На орбите вы находитесь в постоянном падении к Земле (но никогда не достигаете ее!). В «свободном падении» вы не чувствуете силы тяжести.

В космосе существует постоянная опасность радиации, идущей от Солнца и других областей космоса (космические лучи). Магнитное поле Земли создает «зонтик» для Земли.

Астронавты часто сообщают о наблюдаемых своеобразных вспышках света. Предполагается, что это высокоскоростные субатомные частицы проходят через жидкость глазного яблока.

Космическая радиация – основная опасность при освоении человеком космического пространства. В путешествии на Марс астронавты подвергаются ее воздействию на протяжении 6 месяцев.

Складывается впечатление, что люди не были созданы для космоса?!

34. Как ракета работает в космосе, когда нет ничего, что бы ее толкало?

Ключевой факт: в соответствии с третьим законом движения Ньютона, на каждое действие есть равная и противоположная реакция (противодействие).

Это, безусловно, верно, когда вы бежите. Ноги давят назад на землю (действие) и земля выталкивает вас вперед (реакция).

Но, вопреки ожиданиям, чтобы получить такую реакцию, необязательно отталкиваться от чего-то внешнего.

Представьте, что вы застряли на санках в середине прекрасного скользкого (без трения) катка. Как вы можете сдвинуться в сторону?

Предположим, в санях (аккуратно) сложены кирпичи. Толкните их один раз. Так же, как вы толкаете их прочь, они толкают вас назад (реакция). Сани движутся.

На этом построен принцип ракеты. Газы выбрасываются назад на высокой скорости. Ракета реагирует движением вперед. Совершается действие, порождающее реакцию. Все очень просто.

Так как ракета выбрасывает «реактивную массу», она становится легче; таким образом, ее выхлоп становится все более эффективным при движении ракеты вперед.

Эффект реактивного движения был впервые описан глухим русским учителем Константином Циолковским в его «ракетном уравнении».

Проблема: даже самое лучшее ракетное топливо не годится для того, чтобы поднять свой собственный вес плюс вес ракеты на орбиту Земли.

Решение Циолковского: создание многоступенчатой ракеты. Часть ракеты отбрасывается на определенной высоте. Ракета становится легче, и ей проще подняться на орбиту.

Использование одноразовых ракет подобно поездке на машине в городе и возвращению домой только с 4 шинами и рулем, после чего необходимо заново построить автомобиль для следующей поездки.

НАСА выбрасывает большую часть Космического шаттла, и приходится заново его строить для каждого полета. Это одна из причин, почему каждый запуск стоит около $0,5 млрд.

Чтобы ракета работала наиболее эффективно – по крайней мере в космосе – нужна высокая скорость выхлопа благодаря чему потребуются меньшие массы топлива.

Сегодняшнее «химическое» топливо неэффективно. Альтернативная ракета будет использовать аннигиляцию материи и антиматерии.

Такой космический корабль будет обеспечивать громадный толчок для данной массы, поэтому вес топлива на борту будет минимальным.

Солнце

35. Имеет ли Солнце поверхность?

Солнце это гигантский светящийся газовый шар, так что он не имеет твердой поверхности, как Земля. Но так, конечно, кажется на первый взгляд. Почему?

Солнечную «поверхность», или фотосферу, к которой солнечные лучи с большим трудом пробиваются из глубин Солнца, легко найти.

Представьте себе людную улицу. Движение медленное. Нужно зигзагообразно огибать препятствия (людей). Двигаться прямо не получается. То же самое происходит со светом, испускаемым Солнцем.

Фотон (частица света), выходящий из ядра Солнца, проходит только 1 см до рассеяния в другом направлении на препятствии (например, электроне).

При движении в прямом направлении путешествие фотона от центра до поверхности заняло бы только 2 секунды. Но зигзаги пути так извилисты, что путешествие занимает 30 000 лет!

Поэтому сегодняшнему солнечному свету около 30 000 лет. Он возник на пике последнего ледникового периода.

Если бы вызванный ядерными реакциями пожар произошел 29 000 лет назад, мы бы не знали о нем еще 1000 лет.

На самом деле Солнцу требуются миллионы лет, чтобы потерять все запасенное тепло. Благодаря его большой мощности нам некоторое время ничего не грозит.

В итоге, через 30 000 лет фотоны, испускаемые с поверхности Солнца, летят по прямой к Земле со скоростью 300 000 км/с.

При такой скорости необходимо всего 8,3 мин, чтобы покрыть 150 млн км до Земли, (поэтому, если бы Солнце внезапно исчезло, мы бы не знали об этом 8,3 мин).

Фотосфера Солнца – это место, где фотоны переходят от движения по зигзагообразному пути к движению по прямой линии, или «прекращают ходить и начинают летать».

Хотя фотосфера не является твердой поверхностью, она достаточно резкая, из-за чего Солнце похоже на диск (если смотреть через безопасный фильтр).

36. Почему Солнце горячее?

Солнце жаркое по одной простой причине. Оно обладает большой массой. Огромное количество вещества прессуется в ядро под действием силы тяжести, сжимающей его.

Когда газ сжат, он становится горячим. Это известно любому, кто сжимал воздух в велосипедном насосе. В солнечном ядре газ сжат так, что его температура достигает ~15 млн °С.

При такой высокой температуре вещество переходит в «плазму». Она ведет себя не как материя, которая материальна (каламбур получился случайно).

Солнце – это млрд млрд млрд тонн, в основном, водорода. Но, если положить млрд млрд млрд тонн бананов в одном месте, будет так же жарко.

Ключевой факт: температура Солнца зависит от КОЛИЧЕСТВА содержащегося в нем вещества, а не от его состава (хотя он и оказывает незначительное влияние на распределение тепла внутри).

Сжатая в ядре материя объясняет лишь, почему Солнце горячее в данный момент, но не объясняет, почему оно остается горячим. Это уже совершенно другой вопрос.

Солнце постоянно отдает тепло в космос, но никогда не остывает. Поэтому должно быть что-то, что восполняет тепло так же быстро, как оно теряется. Но что это?

Ответ: ядерная энергия. Солнце осуществляет синтез «остовов», или «ядер» легчайшего элемента – водорода, и превращает его в следующий легчайший элемент – гелий. Побочным продуктом является солнечный свет.

О наиболее маловероятной ядерной реакции, которую можно вообразить. В среднем каждым двум ядрам водорода в составе Солнца для того, чтобы встретиться и соединиться, необходимо 10 млрд лет.

Будем благодарны тому, что солнечный синтез такой медленный. Солнцу необходимо 10 млрд лет, чтобы сжечь все топливо. Этого вполне достаточно для эволюции разумной жизни (такой, как наша).

Чтобы получить представление о неэффективности Солнца, представьте ваш желудок и объем ядра Солнца размером с него. Ваш желудок генерирует больше тепла.

Вопрос. Если производство солнечного тепла является настолько неэффективным, почему Солнце горячее? Ответ. Потому что оно состоит из множества областей размером с желудок, сложенных вместе!

37. Что там, внутри Солнца?

Солнце – огромный шар из газа, имеющий 1,4 млн км в поперечнике. В основном оно состоит из водорода (75 %) и гелия (24 %). К центру плотность и температура значительно увеличиваются.

Солнце не имеет нейтральных атомов. Атомные ядра (положительный заряд) лишены электронов (отрицательный заряд). Этот газ заряженных частиц называется плазмой.

Температура в солнечном ядре 15,7 млн °C; плотность – в 160 раз больше, чем у воды. Ядро достаточно плотное, чтобы запустить ядерный синтез, генерирующий солнечный свет.

Диаметр ядра 350 000 км (25 % поперечника Солнца; в 27 раз больше Земли). В пределах этой области производится 99 % солнечной энергии (275 Вт/м³ в самом центре).

Вокруг ядра находится «радиационная зона» 315 000 км толщиной. Перепад температуры составляет от 7 до 2 млн °C. Энергия выходит наружу за счет излучения (свет).

Ядро и радиационная зона вращаются как твердые тела – примерно с одинаковой угловой скоростью. Однако ядро, вероятно, вращается немного быстрее.

Внешняя область Солнца (210 000 км толщиной) известна как конвекционная зона. Она подобна кипящей кастрюле. Горячая плазма поднимается, излучая энергию. Холодная плазма опускается.

Скорость вращения конвекционной зоны изменяется с глубиной и широтой (быстрее на экваторе, медленнее на полюсах). Известно как дифференциальное вращение.

Существуют также подповерхностные меридиональные потоки («реки огня»), которые несут плазму от экватора к полюсам (ближе к поверхности), а затем обратно (на большую глубину).

Магнитные поля распространяются вперед, закручиваются, вытягиваются и искривляются движущейся плазмой. Такие ограниченные магнитные поля приводят к солнечным вспышкам и т. д.

38. Пятна на Солнце, что это такое?

Пятна на Солнце представляют собой короткоживущие темные области на светлой поверхности Солнца. Хотя они и горячие, но выглядят темными, так как намного холоднее, чем окружение.

Самое большое пятно может достигать 80 000 км в поперечнике, что больше чем в 6 раз превышает размер Земли. Они часто появляются группами и могут сохраняться несколько недель.

Крупнейшие пятна видны невооруженным глазом, когда Солнце тусклое на закате/восходе. Об этом сообщали китайские астрономы и европейские монахи.

В июне 1611 немецкий любитель Иоганн Фабрициус был первым, кто описал пятна, наблюдаемые в телескоп. Чуть раньше, чем Галилей.

Наблюдая солнечные пятна, можно вычислить, что Солнце делает оборот примерно за 25 дней. Но истинная природа пятен осталась загадкой.

Температура солнечных пятен 3000–4000 °C по сравнению с температурой в 5500 °С на поверхности Солнца. Солнечные пятна приблизительно на 1000 км глубже, чем их окружение.

Солнечные пятна возникают из-за локализованного сильного магнитного поля, которое останавливает конвекцию. Без горячей плазмы, поднимающейся снизу, поверхность охлаждается и тонет.

Большие солнечные пятна имеют темную центральную часть, называемую тенью, и более светлую окружающую область, называемую полутенью.

Число солнечных пятен (s) и групп пятен (g) входит в число Вольфа 10g + s (названо в честь исследователя Солнца), которое рассматривается как мера солнечной активности.

Часто вокруг групп пятен (активных областей) появляются яркие «факелы», солнечные вспышки и другие взрывоподобные события. Все это магнитные явления.

Другие вращающиеся звезды, подобные Солнцу, и особенно красные карлики обнаруживают периодические изменения яркости. Это свидетельствует о существовании «звездных пятен».

39. Что такое солнечный цикл?

Генрих Швабе, наблюдавший Солнце постоянно, искал гипотетическую планету внутри орбиты Меркурия. Он надеялся поймать пятнышко, пересекающее солнечную поверхность.

Вместо этого Швабе обнаружил медленное изменение числа солнечных пятен. Он замечал их каждый день в 1828/1829. Но 139 дней в 1833 было без пятен. Ту же картину он наблюдал в следующем десятилетии.

В 1843 Швабе опубликовал теорию о том, что солнечные пятна подвержены 10-летнему циклу. Теория подтверждается более ранними наблюдениями, относящимися к временам Галилея.

Более точный период солнечного цикла, найденный позже, оказался ближе к 11 годам. Циклы начали нумеровать начиная с 1755. Наш текущий цикл имеет номер 24.

Новый цикл начинается с нескольких небольших пятен, образующихся на высоких широтах. Позже ближе к экватору проявляются более активные области с пятнами и вспышками.

Во время «солнечного максимума» Солнце в целом выделяет чуть больше энергии (несмотря на большее количество темных пятен), особенно в виде УФ и рентгеновского излучений.

Природа солнечного цикла, вероятно, связана с подповерхностными потоками намагниченной плазмы и регулярным накоплением магнитной энергии. Но детали остаются неясными.

В 1893 шотландский астроном Эдвард Маундер обнаружил, что с 1645 по 1710 солнечная активность была необычайно низкой. Это явление было названо Минимумом Маундера.

Причина Минимума Маундера неизвестна. Анализ колец деревьев показывает наличие подобного длинного минимума между 1420 и 1550. Он может повториться в любое время.

На протяжении XX в. Солнце было необычайно активным, с большими максимумами. Однако солнечный минимум последнего цикла, номер 23, был очень глубоким и долгим.

Солнечная активность в текущем цикле, номер 24, по прогнозам, достигнет своего пика в летний период 2013. Учитывая прошлое и медленный рост нового цикла, максимум, вероятно, будет слабым.

40. Что такое солнечный ветер?

Солнце выбрасывает заряженные частицы в космос, в основном протоны (+) и электроны (-). Этот ураган в миллион-миль-в-час называют солнечным ветром.

Солнечный ветер впервые обнаружил Ричард Каррингтон (1859). Теорию опубликовал в 1958 Евгений Паркер. Подтверждена она была советским кораблем Луна 1 (1959).

Из-за солнечного ветра Солнце теряет массу: 1,8 млн тонн в секунду, или 1 массу Земли за 150 млн лет. Это небольшое количество по сравнению с массой Солнца.

Солнечный ветер возникает в солнечной короне (от лат. corona) – в очень горячей (1–3 млн °С) разреженной внешней «атмосфере» Солнца.

Корона в миллион раз тусклее, чем поверхность Солнца. Она видна только при наличии специального инструмента (коронографа) или во время полного солнечного затмения.

Корона имеет высокую температуру, вероятно, из-за ударной волны, но механизм точно неизвестен. В результате частицы движутся так быстро, что они ускользают от гравитации Солнца.

Ветер имеет 2 составляющих: медленный солнечный ветер (400 км/с, 1,5 млн °С, из короны) и быстрый солнечный ветер (750 км/с, 0,8 млн °С, с поверхности Солнца).

Бóльшая часть быстрого солнечного ветра уходит, ускоряясь магнитной энергией, через «корональные дыры» – области, где линии магнитного поля открыты в космос.

Кроме того, взрывы на Солнце производят миллиарды тонн «выбросов корональной массы» (ВКМ): огромные облака плазмы уносятся в космос в виде солнечных бурь.

Недалеко от Земли солнечный ветер и солнечные бури сталкиваются с магнитным полем Земли. Возникают впечатляющие полярные сияния, и возможно даже разрушение электросетей.

Солнечный ветер выдувает пузырь ~3 млрд км в поперечнике в межзвездном пространстве. Это «гелиосфера» – область, где магнитное поле Солнца преобладает.

Граница – гелиосфера/переход в межзвездное пространство – была зарегистрирована космическим кораблем Вояджер, который запустили в 1977 к звездам.

41. Насколько опасны солнечные вспышки?

Мощная солнечная вспышка может разрушить электрическую инфраструктуру, возвращая нас к эпохе использования пара. К счастью, такие супервспышки очень редки.

Первая из когда-либо наблюдаемых и самая мощная из зарегистрированных вспышек произошла 1 сентября 1859 (Ричард Каррингтон, Лондон). Операторы телеграфа получили электрические удары!

Солнечные вспышки – энергетические взрывы на поверхности Солнца, производимые магнитной энергией. Они учащаются в период солнечных максимумов.

Общая энергия, высвобождающаяся в мощной солнечной вспышке, может быть в миллион раз больше годового потребления электроэнергии в мире.

Солнечные вспышки производят высокоэнергетичные рентгеновские лучи, которые могут выводить из строя электронику космических аппаратов и причинять вред космонавтам на орбите вне защиты атмосферой.

Солнечные вспышки уменьшают сроки эксплуатации искусственных спутников, вызывая перегрев/расширение в верхних слоях атмосферы, что приводит к смещению тел на орбите.

Космонавты за пределами магнитного щита Земли также подвергаются опасности от потоков протонов с высокой энергией, движущихся со скоростями, близкими к скорости света.

Вспышки часто сопровождаются более медленным выбросом корональной массы, хотя никто не знает почему. Частицы ВКМ могут достичь Земли через несколько дней.

Заряженные частицы, пронизывающие магнитное поле Земли, могут быть причиной «магнитных бурь». Визуальными проявлениями являются потрясающие полярные «сияния».

Гораздо хуже то, что вспышки нарушают сигналы навигаторов GPS и радиосвязь; токи, индуцированные в проводах, могут вышибать электрические и компьютерные сети.

Технология уязвима: если вспышка, подобная произошедшей в 1859, встретится нам на пути, она может ввергнуть планету в ночную тьму на несколько недель/месяцев.

Такое отключение энергии нарушило бы связь, поставки топлива и продовольствия, здравоохранение и глобальную экономику. Это привело бы к огромному количеству погибших от голода и эпидемий.

Средством защиты служат системы оповещения о вспышках в кос мосе. Электрические и коммуникационные сети могут быть выключены намеренно для их защиты.