Как измеряют температуру в космосе
Какая температура в космосе?
Всем нам с самого детства известно, что в африканских странах обычно царит жаркая погода, а в Антарктиде — всегда холодно. Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, насколько тепло или холодно в открытом космосе? Температура является результатом движения молекул, из которых состоят все материальные объекты — чем быстрее движутся эти крошечные частицы, тем объект горячее. Так как в космосе нет никаких частиц и он считается вакуумным пространством, понятие «температура» к нему совершенно не применимо. Однако, чтобы ответ на интересующий многих людей все-таки существовал, ученые уверяют, что температура космоса — это «абсолютный ноль». Но значит ли это, что космические корабли не нагреваются в космосе до высоких температур и там всегда относительно хорошая погода? Что-то не верится, поэтому давайте разбираться.
В открытом космосе не помогут ни шорты, ни шуба — нужен специальный костюм
Вакуум — это пространство, в котором нет никаких веществ, даже воздуха. С переводе с латинского, слово «vacuus» переводится как как «пустой».
Погода в космосе
Экстремальные условия космоса
Вообще, существует три способа передачи тепла:
Как вы уже догадались, в космосе объекты нагреваются под воздействием активности элементарных частиц — ведь мы уже выяснили, что температура является результатом движений молекул? Фотоны и другие элементарные частицы могут излучаться Солнцем и другими космическими объектами.
Насколько сильно и быстро будут нагреваться или охлаждаться попавшие в космос объекты, напрямую зависит от их местоположения относительно звезд и планет, размеров, формы и так далее. Например, летящий в космосе космический корабль будет буквально раскален со стороны Солнца, а его теневая сторона будет очень холодной. Чем дальше корабль находится от небесного светила — тем сильнее будет разница в степени нагрева.
При строительстве космических кораблей важно учитывать экстремальные изменения температур
Международная космическая станция постоянно находится под воздействием солнечного света. Сторона, которая обращена к Солнцу, нагревается до 260 градусов Цельсия. Теневая сторона, в свою очередь, охлаждена до 100 градусов Цельсия. Экипажу космической станции иногда приходится выходить на поверхность конструкции и подвергаться резким сменам температур. Поэтому их костюмы оснащены системой нагрева и охлаждения, благодаря которой исследователи космоса чувствуют себя относительно комфортно.
О том, какие бывают скафандры, недавно писал мой коллега Артем Сутягин. Оказывается, они бывают не только космическими.
Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Там вы найдете материалы, которые не были опубликованы на сайте!
В общем если вы когда-нибудь фантастическим образом окажетесь в открытом космосе, вам понадобится костюм, внутри которого температура будет регулироваться автоматически. Но резкие изменения температуры — не единственная проблема, которая будет вас поджидать. В космическом пространстве человеческое тело терпит много изменений, о которых можно почитать в этом материале.
Какая температура в космосе?
Теоретически ноль, а практически…
Электромагнитное излучение в космосе – это дождь фотонов (безмассовых элементарных частиц), присутствующих в терагерцевом, инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-излучении, а также в радиоволнах.
В наибольшей степени свойствами абсолютно черного тела обладает Солнце, его наружные слои имеют температуру около 6200 К, то есть температура в космосе может разниться.
Определенная роль в «температурном режиме» космоса принадлежит также планетам и их спутникам, астероидам, метеоритам и кометам, космической пыли и молекулам газов. Поэтому во Вселенной могут быть температурные отклонения. К примеру, в туманности Бумеранг (созвездие Центавра) благодаря телескопу «Хаббл» — автоматической обсерватории на орбите Земли была зафиксирована самая низкая космическая температура – 1 К (минус 272 градуса по шкале Цельсия). Ее причиной является «звездный ветер» (поток материи), идущий от центральной звезды.
О наличии космической пыли свидетельствует ночное свечение, обнаруженное астрономами в плоскости зодиакальных созвездий. Свечение, как установили ученые, — это свет, отражаемый от частиц космической пыли.
Материальными являются и космические лучи. В основном их структура состоит из стремительных ядер водородных и гелиевых атомов, а также более тяжелых ядер, к примеру, железа и никеля.
Таким образом, сколько градусов в космосе? Теоретически — 0° по шкале Кельвина или минус 273,15°С. На самом же деле, учитывая реликтовое излучение — 2,725 К (минус 270,425°С). Но это, если не брать во внимание тепло, излучаемое звездами и планетами.
Холодно — жарко
Положение Солнца влияет и на климат Земли. Планета вращается вокруг Солнца, и наклон земной оси изменяется по отношению к плоскости эклиптики, поэтому происходит и смена времен года: зиму сменяет лето и наоборот. Однако на экваторе никогда не бывает зимы.
Дело в том, что земля вращается в наклонном положении относительно Солнца (23°27′) и по-разному разворачивается к нему: то северным, то южным полушарием. Соответственно, лучи Солнца падают отвесно или под углом — в зависимости от этого земная поверхность нагревается больше или меньше.
Как измеряют температуру различных объектов в космосе?
Возможно, вам не раз попадались забавные реплики вроде: «Как можно измерить температуру звезды или планеты? Эти учёные, что, с градусником туда летали?!» Температура звёзд, к примеру, – это тысячи градусов, поэтому никакой термометр тут явно не сгодится. На самом же деле, для того, чтобы узнать температуру какой-нибудь далёкой звезды или планеты, вовсе не нужно лететь туда с градусником, и всё это в реальности не так уж и сложно!
Начнём со звёзд
Представьте, что вы пришли в кузницу, где куют новые клинки. Когда металл нагревается, он меняет свой цвет: сначала лезвие краснеет, потом становится ярко-оранжевым, потом жёлтым, точно языки пламени, а при самых высоких температурах юный клинок будет белого цвета. Почти то же самое и со звёздами. Так, красные – самые холодные звёзды, а белые и голубые гиганты – самые горячие. Кстати, отсюда и пошло знаменитое крылатое выражение «довести до белого каления», когда речь заходит о бурном накале страстей и чувств. Но только одним цветом не обойдёшься, здесь есть и свои тонкости.
Итак, у астрофизиков есть несколько способов измерения температуры.
Закон смещения Вина
Он касается спектра излучения черного тела и заключается в том, что кривая излучения черного тела для разных температур будет иметь пик на разных длинах волн, которые обратно пропорциональны температуре. Используя эту обратную зависимость между длиной волны и температурой, можно вычислить температуры звезд.
Но что же такое – чёрное тело? Это тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение (свет) во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на своё название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.
Закон смещения Вина всё же не даёт точных результатов, поскольку звезды, как правило, не являются черными телами.
Закон Стефана — Больцмана
Это ещё один метод измерения температуры звёзд. Он описывает мощность, излучаемую черным телом, с точки зрения его температуры. Сначала измеряется полный поток света, исходящий от звезды, оценивается светимость, затем с помощью интерферометров определяется радиус светила, потом все эти величины подставляются в формулу Больцмана и так определяется температура. Единственный недостаток этого метода – на очень далёких расстояниях довольно трудно определить точный радиус звезды.
У каждого атома есть определённый уровень энергии. Чем выше этот уровень, тем, соответственно, будет выше температура и наоборот. Переходы между уровнями могут привести к излучению или поглощению света на определенной длине волны в зависимости от разницы в энергии между соответствующими уровнями. Во внутренних областях звёзды горячее, чем на поверхности. Более «холодные» вышележащие слои поглощают излучение, исходящее из центра звезды. Это приводит к появлению линий поглощения в полученном нами спектре.
Спектральный анализ заключается в измерении силы этих линий поглощения для различных химических элементов и разных длин волн. Сила линии поглощения зависит в первую очередь от температуры звезды и количества конкретного химического элемента. Но и здесь есть свои подвохи: так, на силу линии поглощения могут влиять, к примеру, гравитация, турбулентность, структура атмосферы звезды, газопылевые облака и прочие «преграды». Тем не менее, этот метод измерения температуры считается самым точным.
Таким образом, для вычисления точной температуры интересующей звезды проще воспользоваться несколькими методами одновременно, чтобы, как говорится, «уж наверняка».
А что насчёт остальных объектов?
Туманности и молекулярные облака ведь тоже имеют температуру. Туманности освещаются близлежащими, обычно молодыми звёздами, поэтому для измерения температур туманностей используется определение по отражённому (обычно инфракрасному) спектру. Кстати, по нему можно определить не только температуру, но и химический состав туманностей.
У холодных молекулярных облаков наблюдения нескольких линий радиоизлучения одного типа молекул тоже дают возможность определить состав газа, его плотность и температуру. Для горячего галактического или внегалактического газа используют кинетическую температуру, по скоростям движения молекул, которые, в свою очередь, определяются из спектров радиоизлучения ионизированных атомов при столкновениях. В некоторых случаях состав и температуру газа облаков определяют по линям поглощения излучения от далёких квазаров.
Как мы видим, лететь с градусником к звёздам, туманностям и газопылевым облакам совершенно не понадобится!
* По материалам New-Science, Rambler News, Wikipedia.
Как измеряют температуру различных объектов в космосе?
Космос
Возможно, вам не раз попадались забавные реплики вроде: «Как можно измерить температуру звезды или планеты? Эти учёные, что, с градусником туда летали?!» Температура звёзд, к примеру, – это тысячи градусов, поэтому никакой термометр тут явно не сгодится. На самом же деле, для того, чтобы узнать температуру какой-нибудь далёкой звезды или планеты, вовсе не нужно лететь туда с градусником, и всё это в реальности не так уж и сложно!
Начнём со звёзд
Представьте, что вы пришли в кузницу, где куют новые клинки. Когда металл нагревается, он меняет свой цвет: сначала лезвие краснеет, потом становится ярко-оранжевым, потом жёлтым, точно языки пламени, а при самых высоких температурах юный клинок будет белого цвета. Почти то же самое и со звёздами. Так, красные – самые холодные звёзды, а белые и голубые гиганты – самые горячие. Кстати, отсюда и пошло знаменитое крылатое выражение «довести до белого каления», когда речь заходит о бурном накале страстей и чувств. Но только одним цветом не обойдёшься, здесь есть и свои тонкости.
Итак, у астрофизиков есть несколько способов измерения температуры.
Закон смещения Вина
Он касается спектра излучения черного тела и заключается в том, что кривая излучения черного тела для разных температур будет иметь пик на разных длинах волн, которые обратно пропорциональны температуре. Используя эту обратную зависимость между длиной волны и температурой, можно вычислить температуры звезд.
Но что же такое – чёрное тело? Это тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение (свет) во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на своё название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.
Закон смещения Вина всё же не даёт точных результатов, поскольку звезды, как правило, не являются черными телами.
Закон Стефана — Больцмана
Это ещё один метод измерения температуры звёзд. Он описывает мощность, излучаемую черным телом, с точки зрения его температуры. Сначала измеряется полный поток света, исходящий от звезды, оценивается светимость, затем с помощью интерферометров определяется радиус светила, потом все эти величины подставляются в формулу Больцмана и так определяется температура. Единственный недостаток этого метода – на очень далёких расстояниях довольно трудно определить точный радиус звезды.
У каждого атома есть определённый уровень энергии. Чем выше этот уровень, тем, соответственно, будет выше температура и наоборот. Переходы между уровнями могут привести к излучению или поглощению света на определенной длине волны в зависимости от разницы в энергии между соответствующими уровнями. Во внутренних областях звёзды горячее, чем на поверхности. Более «холодные» вышележащие слои поглощают излучение, исходящее из центра звезды. Это приводит к появлению линий поглощения в полученном нами спектре.
Спектральный анализ заключается в измерении силы этих линий поглощения для различных химических элементов и разных длин волн. Сила линии поглощения зависит в первую очередь от температуры звезды и количества конкретного химического элемента. Но и здесь есть свои подвохи: так, на силу линии поглощения могут влиять, к примеру, гравитация, турбулентность, структура атмосферы звезды, газопылевые облака и прочие «преграды». Тем не менее, этот метод измерения температуры считается самым точным.
Таким образом, для вычисления точной температуры интересующей звезды проще воспользоваться несколькими методами одновременно, чтобы, как говорится, «уж наверняка».
А что насчёт остальных объектов?
Туманности и молекулярные облака ведь тоже имеют температуру. Туманности освещаются близлежащими, обычно молодыми звёздами, поэтому для измерения температур туманностей используется определение по отражённому (обычно инфракрасному) спектру. Кстати, по нему можно определить не только температуру, но и химический состав туманностей.
У холодных молекулярных облаков наблюдения нескольких линий радиоизлучения одного типа молекул тоже дают возможность определить состав газа, его плотность и температуру. Для горячего галактического или внегалактического газа используют кинетическую температуру, по скоростям движения молекул, которые, в свою очередь, определяются из спектров радиоизлучения ионизированных атомов при столкновениях. В некоторых случаях состав и температуру газа облаков определяют по линям поглощения излучения от далёких квазаров.
Как мы видим, лететь с градусником к звёздам, туманностям и газопылевым облакам совершенно не понадобится!
* По материалам New-Science, Rambler News, Wikipedia.
Какая температура в открытом космосе!?
Какая температура в космосе за пределами земной атмосферы? А в межзвездном пространстве? А если мы выйдем за пределы нашей галактики, будет ли там холоднее, чем внутри Солнечной системы? И можно ли вообще говорить о температуре применительно к вакууму? Попробуем разобраться.
Чем меньше атомы сталкиваются друг с другом, тем слабее греется вещество, которое из них состоит. Если находящийся под большим давлением газ выпустить в разреженное пространство, его температура резко понизится. На этом принципе основана работа всем известного компрессорного холодильника. Таким образом, температура в открытом космосе, где частицы находятся очень далеко друг от друга и не имеют возможности сталкиваться, должна стремиться к абсолютному нулю. Но так ли это на практике?
КАК ПРОИСХОДИТ ПЕРЕДАЧА ТЕПЛА!?
Космическое пространство не только пронизано фотонами, которые испускают бесчисленные звезды и галактики. Вселенная заполнена также так называемым реликтовым излучением, которое образовалось на ранних этапах ее существования. Именно благодаря этому явлению температура в космосе не может опуститься до абсолютного нуля. Даже вдали от звезд и галактик материя будет получать рассеянное по Вселенной тепло от реликтового излучения.
ЧТО ТАКОЕ АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ?
КАКАЯ ТЕМПЕРАТУРА В КОСМОСЕ!?
Наша Вселенная не однородна. Ядра звезд раскалены до миллионов градусов. Но большая часть пространства, конечно же, значительно холодней. Если говорить о том, какая температура в открытом космосе, то она всего на 2,7 градуса выше значения абсолютного нуля и составляет минус 270,45 по Цельсию.
Это тепло возникает за счет уже упоминавшегося реликтового излучения. Но Вселенная расширяется, а это означает, что ее температура будет постепенно снижаться. Теоретически через триллионы лет вещество в ней может охладиться до минимально возможной отметки. Но вопрос о том, закончится ли расширение Вселенной «тепловой смертью», либо же она станет более разнородной и структурированной из-за действия сил гравитации, остается предметом дискуссий.
В местах скопления материи теплее, но ненамного. Облака газа и пыли, встречающиеся между звездами нашей галактики, имеют температуру от 10 до 20 градусов выше абсолютного нуля, то есть минус 263-253 °C. И только вблизи звезд, внутри которых протекают реакции ядерного синтеза, можно найти достаточно тепла для комфортного существования белковых форм жизни.
ТЕМПЕРАТУРА НА ОКОЛОЗЕМНОЙ ОРБИТЕ.
А какова температура вблизи нашей планеты? Стоит ли космонавтам, отправляющимся на МКС, запасаться теплыми вещами? На околоземной орбите металл под прямыми лучами солнца прогревается до 160 градусов Цельсия. В то же время в тени предметы будут остывать до минус 100 °C. Поэтому для выхода в открытый космос используются скафандры с надежной теплоизоляцией, нагревателями и системой охлаждения, защищающие человека от столь серьезного перепада температур.
Не менее экстремальные условия на поверхности Луны. На ее освещенной стороне жарче, чем в Сахаре. Температура там может превысить 120 °C. Но на темной стороне она падает приблизительно до минус 170 °С. Во время высадки на Луну американцы использовали скафандры, в которых было 17 слоев защитных материалов. Терморегуляция обеспечивалась специальной системой трубочек, в которых циркулировала вода.
ТЕМПЕРАТУРА НА ДРУГИХ ПЛАНЕТАХ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ.
САМОЕ ХОЛОДНОЕ МЕСТО В КОСМОСЕ.
Выше было сказано, что межзвездное пространство прогревается реликтовым излучением, а потому температура в космосе по Цельсию не опускается ниже минус 270 градусов. Но оказывается, могут существовать и более холодные участки. В 1998 году телескоп Хаббл обнаружил газо-пылевое облако, которое стремительно расширяется. Туманность, названная Бумерангом, образовалась вследствие явления, известного как звездный ветер. Это очень интересный процесс. Суть его состоит в том, что из центральной звезды с огромной скоростью «выдувается» поток материи, которая попадая в разреженное космическое пространство охлаждается вследствие резкого расширения.
По оценкам ученых, температура в туманности Бумеранг составляет всего один градус по шкале Кельвина, или минус 272 °C. Это самая низкая температура в космосе, которую на данный момент удалось зафиксировать астрономам. Туманность Бумеранг находится на расстоянии 5 тысяч световых лет от Земли. Наблюдать ее можно в созвездии Центавра.