Что понимают под околоземным космическим пространством

Глава 1. Географическая оболочка Земли

Л.И. Егоренков, Б.И. Кочуров
Геоэкология
Учебное пособие. – М.: Финансы и статистика, 2005. — 320 с.

Глава 1. Географическая оболочка Земли

1.4. Единая сфера жизни на планете

1.4.5. Околоземная космическая сфера

С созданием В. И. Вернадским учения о биосфере стало ясно, что в естественно-научных работах необходимо выйти на новый уровень обзора окружающей среды — планетарно-космический, на котором стало бы возможным рассмотрение биосферы как единой глобальной открытой системы. Такой подход к изучению биосферы открывает путь к пониманию жизни как космического явления.

Изучение Земли как целостного космического тела, изучение околоземного космоса, планетарных тел, Солнца и межпланетной среды стало возможным с применением космических средств. Располагая данными о зависимости биосферных процессов от космических факторов, естественные науки начали планомерное комплексное изучение и освоение космического пространства с целью углубления знаний о Земле и о жизни на ней. Совокупность наземных, авиационных и космических методов исследования Земли впервые предстала как единая система исследований нашей планеты, причем природоохранные исследования выступают как одно из главных направлений деятельности по сбору и обработке информации о Земле.

Приоритет в освоении околоземного космоса принадлежит нашей стране в связи с запуском первого спутника Земли (1957) и полетом первого человека в космос (1961).

Пионеры космонавтики и ракетной техники К. Э. Циолковский, Ю. В. Кондратюк, Ф. А. Цандер, Н. И. Тихомиров, С. П. Королев, В. П. Глушко, Н. А. Рынин, Р. Годдард, Г. Оберт, К. Ридель и многие другие проложили путь человечеству в космос.

Благодаря достижениям в освоении космического пространства человек получил возможность наблюдать Земной шар с огромных расстояний и наблюдать вселенную за пределами земной атмосферы.

Космонавты рассказывают, что над линией горизонта на высоте примерно 100 километров простирается слой яркости бело-желтых тонов, и такие слои яркости, иной раз повисшие над Землей несколькими ярусами, космонавтам довелось видеть не раз.

Вот что рассказывал А. А. Леонов, впервые вышедший в открытый космос в 1965 г.: «Яркие немигающие звезды на фоне темно-фиолетового с переходом в бархатную черноту бездонного неба сменялись видом Земли… Солнце, яркое, как бы включенное в черноту неба, проникая лучами через забрало гермошлема, ощутимо согревало лицо. Затем опять звезды, земные просторы…»

Изучая влияние космических физических факторов на процессы в живой природе, А. Л. Чижевский (1897-1964) установил зависимость между циклами активности Солнца и многими явлениями в биосфере. Он показал, что физические поля Земли (в частности электромагнитные и радиационные) должны учитываться в числе основных причин, влияющих на состояние биосферы.

Космос не только влияет на биосферу, но в известной мере является ее первоосновой. Во всяком случае, жизнь обязана своим существованием не только веществу Земли, но и энергии Солнца, без которой прекратились бы почти все движения на поверхности планеты.

Солнечная энергия, аккумулирующаяся в гидросфере и атмосфере, имеет большое экологическое значение, поскольку, перемещаясь по поверхности Земли с воздушными и морскими течениями, эта энергия способна сглаживать избыток или недостаток тепла в отдельных географических регионах экосферы.

Кроме того, способность солнечной энергии аккумулироваться в мертвом органическом веществе и в глинистых минералах позволяет солнечной энергии участвовать в большом геологическом круговороте вещества.

Солнечное излучение в виде солнечного ветра на пути к Земле встречается с радиационными полями Земли, а затем с самой внешней оболочкой Земли — магнитосферой — областью околоземного пространства, физические свойства которого определяются магнитными полями Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц. Солнечный ветер образуется благодаря непрерывному расширению (истечению) плазмы солнечной короны и состоит из заряженных частиц. Он также образует магнитное поле.

Искусственные спутники Земли позволили не только доказать существование солнечного ветра, но и измерить в межпланетном пространстве поток плазмы от Солнца к Земле, впервые осуществленной с автоматической межпланетной станции «Луна-2». Результаты этих экспериментов имеют непосредственное приложение к биосферным исследованиям, так как солнечный ветер не только регулирует динамические процессы в межпланетном пространстве, но и влияет на появление и развитие геомагнитных бурь.

Во время геомагнитной бури происходит нагрев и усиление ионизации верхних слоев атмосферы, увеличение яркости полярных сияний, нарушается радиосвязь на коротких волнах. При этом отмечаются изменения в жизнедеятельности организмов, начиная от простейших до человека.

В 1919 г. первые гелиобиологические эксперименты были поставлены А. Л. Чижевским при участии и консультации К. Э. Циолковского.

В дальнейшем А. Л. Чижевский установил связь возникновения эпидемий и эпизоотии (эпидемий, поражающих животных), обострений нервных и психических заболеваний и ряда других биологических явлений с изменением солнечных вспышек. Результаты исследований были опубликованы им в 1930 г.

Чрезвычайную роль Солнца во всех проявлениях жизни на Земле четко определил также и В. И. Вернадский [2]: «Изучение отражения на земных процессах солнечных излучений уже достаточно для получения первого, но точного и глубокого представления о биосфере как о земном и космическом механизме. Солнцем в корне переработан и изменен лик Земли, пронизана и охвачена биосфера».

В настоящее время специалисты в области космической биомедицины занимаются исследованием влияния космических факторов на живое вещество планеты, в первую очередь на человека как его составную часть. Это необходимо не только для решения мировоззренческих задач, но и для того, чтобы обеспечить жизнедеятельность космонавтов в длительных полетах, применить меры профилактики для сохранения здоровья и работоспособности людей, обживающих космос в интересах всего человечества.

Еще К. Э. Циолковский (1857-1935) в своих трудах разработал концепцию широкого освоения человечеством мирового пространства.

Мировое пространство он понимал не только как ближний космос, а как пространство Солнечной системы, как галактическое и даже межгалактическое.

Выход в околоземный космос — это вторая фаза эволюции человечества. За второй последует третья стадия, когда человеческий род заселит и галактические просторы.

Выход в космос — это переход в принципиально иную для существования человека среду. Жизнь в межзвездной среде неизбежно наложит отпечаток на физический, духовный и нравственный облик людей.

Эта отдаленная эволюция человека, превращение его в космическое существо будет происходить, по мнению К. Э. Циолковского и В. И. Вернадского, через стадии глубокого изменения энергетических и обменных процессов. Они считали возможным превращение человека в существо автотрофное, т. е. способное, как и растение, питаться органическими веществами и даже получать энергию непосредственно от Солнца.

Будущих представителей рода человеческого К. Э. Циолковский представлял в виде почти бесплотных существ с легкими прозрачными крылышками для улавливания энергии Солнца. Крылья — необычный для человека и очень важный в новых условиях орган. В нем происходят процессы фотосинтеза. Существа свободного космоса, нарисованные фантазией К. Э. Циолковского, не будут нуждаться ни в пище, ни в питье, ни в жилье, летая свободно и существуя безбедно. Они станут жителями Вселенной!

К. Э. Циолковский в своих работах остановился и на вопросах создания надежных систем жизнеобеспечения на космических кораблях. При этом от исходил из необходимости создания на корабле замкнутых экологических систем, повторяющих естественный круговорот веществ, существующих на Земле. Следовательно, речь шла, по существу, о создании маленьких искусственных «террат» (от лат. terra — земля) в космосе. Он же предлагал в длительных полетах применять как для регенерации воздуха, так и для восполнения пищевых запасов, различные растения.

В основе всех творческих поисков создания оптимальных условий жизни и работы в космосе (конечной цели космической биомедицины) лежат представления о влиянии различных факторов космического полета на живой организм (будь то человек, животное или растения). Принято различать три группы таких факторов. Первая группа характеризует космическое пространство как своеобразную среду (вакуум, ионизирующее излучение, метеориты). Вторая — связана с динамикой космического полета (невесомость, вибрации, ускорения). Третья — обусловлена длительным пребыванием человека в герметичных кабинах малого объема (измененная газовая среда и микроклимат, гипокинезия, изоляция, измененный режим жизни, эмоциональное напряжение и многое другое).

Уже этот краткий перечень основных факторов космической среды и космического полета свидетельствует о сложности и ответственности формирования оптимальных условий обитания человека вне Земли.

Для решения вопроса о значимости фактора гравитации применялась система «Биогравистат». В этой системе проростки растений выращивались в небольшой центрифуге. В ходе эксперимента были получены первые обнадеживающие результаты.

Получены также положительные результаты в совместном советско-вьетнамском эксперименте. В приборе «Светоблок» (на станции «Салют-6») выращивали двухнедельные отростки арабидопсиса. Эти растения зацвели на станции. Работа биологов по исследованию растений в условиях космических полетов продолжается. Изучается, в частности, режим солнечного облучения растений.

Для обеспечения экипажей водой в длительных полетах разработана система круговорота воды различными физическими и физико-химическими способами — перегонкой, очисткой ионообменными смолами и т. д. В зависимости от условий и продолжительности полета вода может как поступать из запаса, хранимого на борту корабля, так и восстанавливаться из влагосодержащих отходов. Одним из способов получения питьевой воды из влагосодержащих отходов является окислительно-каталитический метод регенерации воды. В результате окисления органические вещества переходят в углекислый газ, воду, азот, сульфаты и фосфаты, последние два соединения легко удаляются ионообменными смолами.

При непродолжительных космических полетах обеспечение запасами воды на борту корабля требует разработки методов, предотвращающих нарушение химических и органолептических свойств воды, развитие в ней микрофлоры и т. д. С этой целью производят консервирование воды, которое обеспечивает сохранность всех ее свойств.

Для консервирования воды в условиях космического полета применимы следующие способы стерилизации: физические (ультрафиолетовое облучение, воздействие ультразвуком и холодом), биологические (введение антибиотиков) и химические (обработка химическими консервирующими средствами). Наиболее перспективными методами являются химические способы консервирования, в частности препаратами серебра, применяющимися в полетах советских космических кораблей.

В настоящее время проблема обеспечения жизни космонавтов в околоземных полетах всесторонне продумана.

Для создания биотехнических систем с применением растений проводятся обширные исследования по изысканию наиболее приемлемых растений и их сообществ. Сейчас ведутся работы в основном с высшими растениями, хотя не отрицается возможность использования и низших растений, например хлореллы.

В целом современные системы жизнеобеспечения (СОЖ) подразделяются на следующие звенья: низшие автотрофные организмы (одноклеточные водоросли), высшие автотрофные растения, низшие гетеротрофные организмы (дрожжи, бактерии, зоопланктон и др.) и высшие гетеротрофные животные (мелкие животные и птицы), выделяется также звено физико-химической трансформации. Получаемые в таких СОЖ продукты питания нуждаются в последующей технологической переработке для разрушения клеточных оболочек, удаления пигмента и т. д.

Среди одноклеточных водорослей пищевая ценность биомассы наиболее полно изучена у представителей протококковых водорослей — хлореллы. При выращивании этих водорослей в обычных условиях их состав следующий: белков — 50%, углеводов — 32%, жиров — 13%. Биомасса протококковых водорослей содержит различные витамины: группу В (в том числе B₁, PP, К, С и др.). Усвояемость одноклеточных водорослей, установленная в опытах на крысах, составляет 60-70%. Более полному усвоению пищевых продуктов препятствует наличие у одноклеточных водорослей оболочек, устойчивых к действию пищеварительных ферментов высших плотоядных животных и человека. Разрушение клеточных оболочек и удаление пигментов повышают усвоение биомассы. Однако включение ее в рацион человека в больших количествах (50, 100, 150 г сухой биомассы в сутки) нежелательно, так как вызывает ряд диспепсических явлений (отрыжка, метеоризм, тошнота и др.). Для выращивания в космической оранжерее, кроме одноклеточных водорослей, наиболее перспективны и высшие растения: картофель, батат, сахарная свекла, морковь, редис, капуста (китайская и белокочанная), салат, шпинат, томаты, укроп, арахис.

Специалисты усиленно работают над использованием растений в биотехнических СОЖ. Так, на космической станции «Салют-6» интенсивно изучались эти возможности. Проводились эксперименты с системами «Малахит», «Оазис», «Биогравистат», «Вазон» и др.

Космонавты находятся в кабинах космических кораблей в атмосфере, по своему составу приближающейся к привычной земной: общее давление — 750-770 мм рт.ст., содержание кислорода около 21%, содержание углекислого газа около 0,03%. Воздух кабины непрерывно очищается. Его влажность и температура также поддерживаются в пределах привычных параметров. Правда, температура воздуха несколько выше обычной — 25-26°С, что сделано по просьбе космонавтов. Вода и пища поступают при многомесячных космических вахтах на орбитальные станции по мере необходимости с помощью транспортных кораблей. Отработана и система удаления отбросов путем шлюзования их в открытый космос. Решаются вопросы и гигиенического характера (умывание, душ, бритье, чистка зубов и т.д.), как правило с применением определенных технических устройств (например, применение микропылесоса при бритье электрической бритвой).

Все возрастающий объем задач обеспечения жизнедеятельности космонавтов на борту космического корабля и орбитальной станции, с одной стороны, и постоянно усиливающееся включение жизнедеятельности всего человечества в космические процессы и явления, с другой стороны, трансформируют земную экологию человека в экологию космическую.

Таким образом, на наших глазах идет интенсивное (научное и практическое) освоение околоземного космического пространства, происходит становление новой сферы, которую Л. И. Егоренков называет супербиосферой.

Супербиосфера является объектом изучения многих наук, в том числе и современной геоэкологии, позволяющей установить связь между человеком, биосферой и космосом.

И не случайно зарождение геоэкологии происходило в годы наибольшего за всю историю проникновения человека в космос. Исследуя структуру (уровень) и динамику (функции) живой и «косной» материи в окружающей среде, современная геоэкология понимает под последней все пространство материальной и мыслительной деятельности.

Геоэкология, как и все традиционно земные науки, получает сегодня дальнейшее развитие благодаря притоку новой, космической информации.

В этой связи, супербиосфера, функционирующие в ней Искусственные экосистемы (космические станции) являются как научной лабораторией для более глубокого и широкого изучения явлений, происходящих в земной биосфере, так и Плацдармом для освоения дальнего космоса, проникновения Па планеты Солнечной системы, выявления оптимальных Для заселения зон околосолнечного и даже галактического пространства.

С точки зрения возможности существования жизни весьма интересны планеты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. В их атмосферах имеются все элементы, необходимые для построения белковых тел. Из-за обилия водорода там не может быть свободного кислорода, но последний имеется в связанном состоянии в воде. Солнечного света эти планеты получают мало, но там имеются собственные источники энергии — тепло приходит из глубоких недр.

Источник

Основные характеристики околоземного и космического пространства

Космос – понятие, используемое с древних времен как сино­ним Вселенной и означающее мир в целом, бесконечный во вре­мени и пространстве и безгранично разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе развития.

В связи с космическими полетами слова «космос», «космичес­кое пространство» в современном понимании обозначают все то, что находится за пределами Земли и ее атмосферы. Это деление несколько условно. Резкой верхней границы атмосферы (ее вер­тикальная протяженность

20 000 км) не существует, она посте­пенно переходит в межпланетную среду. По решению Междуна­родной авиационной федерации (ФАИ) принято считать косми­ческими те полеты (а точнее движением в космическом пространстве), высота которых составляет не менее 100 км, причем земная атмосфера ограничивается сферической поверхностью, находящейся на высоте 70 км (сферический слой между высотами 70 и 100 км − переходная область).

Обычно рассматривают не космическое пространство в целом, а те или иные его области: околоземное, межпланетное, меж­звездное пространство и т.п.

Исследования с помощью оптических телескопов позволяют заглянуть в глубину на расстояние в 5 млрд. световых лет, что составляет около 5∙10 21 км, а с помощью радиотелеско­пов это расстояние надо увеличить вдвое. Наблюдаемая часть Вселенной позволяет исследовать многообра­зие явлений и процессов, протекающих во Вселенной, включая и проблему существования внеземных цивилизаций.

Структура и спектр масс космоса, в кг

Наблюдаемая часть Вселенной − 10 51

Млечный путь (наша Галактика) − 10 42

Большое Магелланово Облако − 10 40

Малое Магелланово Облако − 5∙10 39

Электроны − 9,107∙10 −31

Кванты электромагнитного излучения − 0

данные, касающиеся распределения массы в наблюдаемой части Вселенной.

В космосе существуют поля: электростатическое, магнитное, гравитационное. Это относится в основном к полям в Солнечной системе. Существуют теоретические предположения (гипотезы) о существовании в космосе изолированных электромагнитных образований − геонов и гравитонов (квантов гравитационного поля). Несмотря на ограниченные возможности для наблюдения только в области оптического и радиодиа­пазонов, удалось с использованием теоретических расчетов определить уникальные по своей напряженности поля. Так, в конце 1935 г. в созвездии Кассиопеи была открыта звезда 13-й величины (звездная величина характеризует относительную светимость звезд, наблюдаемую невооруженным глазом. При этом яркость каждой последующей величины отличается от предыдущей в 2,512 раза. Условный стандарт яркости, 1; величины меньшие этой – положительны, большие – отрицательные), масса которой в 2,8 раз больше массы Солнца, а объем – в 8 раз меньше объема Земли. Сила тяжести на поверхности ее превышает земную в 3,7∙10 6 раз.

Представим звездные величины некоторых звезд:

Сириус (а Большого Пса) – −1,6

Канопус (а Киля) – −0,9

Во Вселенной возможно существование нейтронных и гиперонных звезд, высокая плотность и малый радиус которых вызывают эффект «гравитационного запирания» светового излучения. Этот эффект был предсказан теорией относительности и экспериментально наблюдался во время солнечных затмений как искривление светового луча от близко расположенных к солнечному диску звезд. Помимо этого известен эффект гравитационного «красного смещения» (чем больше напряженность гравитационного поля на поверхности звезды, тем сильнее спектральные линии смещены в сторону длинных волн). При очень больших гравитаци­онных полях световое излучение вообще не будет выходить за пределы гравитационного радиуса (гравитационный радиус для Солнца равен 1,48 км), т.е. звезда будет невидима.

Кроме видимого (относительного) блеска в астрономии существует понятие истинного блеска, который характеризуется абсолютной звездной величиной, которую бы имела звезда, находясь от нас на расстоянии в 10 парсек (3∙10 14 км). По этой характеристике звезда S Золотой Рыбы – самая яркая из всех известных звезд, ее абсолютная яркость в 10 5 выше абсолютной яркости Солнца.

Что касается геонов (так называются взаимодействующие замкнутые статические магнитные и электрические поля), то нелинейная теория гравитации предсказывает возможность создания гравитационного поля, помимо взаимодействующих космических масс, электростатическим и магнитным полями независимо от космических масс.

К настоящему времени установлено, что у звезд довольно часто встречается магнитное поле. Так, у Солнца, напряженность магнитного поля максимальна у наружной поверхности пятен и составляет от 4 до 24∙10 5 А/м, а средняя напряженность магнитного поля на поверхности Солнца – около 4∙10 3 А/м. Помимо звезд, обладающих более высокими значениями средней напряженности магнитного поля, существуют магнитопеременные звезды: у звезды α 2 Гончих Псов магнитное поле меняется от +4∙10 5 до −4∙10 5 А/м в течение 4. 5 земных суток.

Магнитное поле Галактики имеет незначительную величину (порядка нескольких А/м); оно направлено вдоль галактических рукавов протяженностью в тысячи световых лет, однако считается, что оно ответственно за конфигурацию и эволюцию Галактики.

Галактика по форме приближенно соответствует чечевице диаметром 100 и толщиной в центре 16 тысяч световых лет. Мы видим нашу Галактику с ребра в виде Млечного Пути. В Галактике примерно 150 миллиардов звезд. Наша звезда – Солнце относится к звездам спектраль­ного класса G (спектральные классы звезд: О, V, A, G, М, К, F – латинские буквы – первые буквы слов предложения: «Один высокий англичанин жевал морковь как финики»).

Относительно скоростей, с которыми перемещаются небесные тела в космическом пространстве, в настоящее время известно следующее: скорость движения (средняя) Земли по орбите вокруг Солнца – 29 км/с, скорость движения Солнца относительно звезд ближайшей галактической окрестности – 19 км/с, скорость вращения Галактики в точке расположения Солнечной системы – 250 км/с, скорость движения Галактики относительно фона реликтового излучения – 160 км/с.

1 а.е. = 149 600 000 ± 30 000 км,

точность которой для практических нужд космонавтики должна быть увеличена до 30 км. В 1961 г. одновременно в СССР, США и Англии была впервые проведена успешная радиолокация планеты Венера, с помощью которой уточнялось значение а.е. (табл. 1.5).

Результаты экспериментов по уточнению астрономической единицы – а.е.

1 парсек (пк) – расстояние от Земли до светила, которое обладает годичным параллаксом в 1 секунду (угол, под которым радиус земной орбиты виден со звезды под углом в 1 секунду):

1 пк = 206 264,8 а.е. = 3,0837∙10 13 км = 3,259 св. лет.

1 свет, год = 9,460∙10 12 км = 0,3069 пк = 63 280 а.е.

Конец XVI и начало XVII вв. ознаменовались революцией в астрономии, которая связана с изобретением телескопа и выходом в свет трех книг: в 1543 г. «Об обращениях небесных сфер» Николая Коперника из Торуна, в 1609 г. «О движениях Марса» ив 1610 г. «Звездный вестник» изобретателя телескопа Галилео Галилея.

До этого времени в описании картины мира господствовала система Птолемея (Гиппарха), согласно которой Земля находилась в центре Вселенной; планеты двигались по малым окружностям (эпициклам), а центр эпициклов перемещался по большой окружности вокруг Земли, однако центр большой окружности не совпадал с «центром вселенной» – Землей, т.е. они были близки, но не находились в одной точке. Коперник, ссылаясь на Аристарха Самосского, построил другую схему: он поместил Солнце в центре, а планеты, в том числе и Землю, – на эпициклы. Кеплер сделал следующий шаг.

Датский астроном Тихо Браге в 1609-1619 гг. выполнял большой объем наблюдений за движениями планет и в частности планеты Марс, при этом движение Марса не вписывалось в Птолемеевскую схему.

Когда же Кеплер изобразил положения Марса на большом листе бумаги, то стала вырисовываться совсем другая картина. Кеплер сначала не был уверен в себе: ему казалось, что путь обращения Марса вокруг Солнца должен быть идеальным кругом, но вместо этого получалась совсем другая фигура – эллипс, имеющий не один центр, как круг, а два фокуса. Можно думать, что Кеплер утешил себя тем, что круг является частным случаем эллипса – эллипса с совмещенными в одной точке фокусами. Таким образом, он пришел к выводу, что планеты движутся по эллиптическим орбитам, а Солнце для каждой из них находится в одном из фокусов эллипса. Этот вывод известен как первый закон Кеплера.

Первый закон. «Все планеты (и кометы) движутся по коническим сечениям (эллипс, парабола и гипербола), в одном из фокусов которых находится Солнце».

Математически (рис. 1.10):

где r – радиус-вектор из фокуса, в котором находится Солнце; p – параметр орбиты; геометрически параметр равен половине хорды, проведенной через фокус конического сечения перпендикулярно к его главной оси; е – эксцентриситет конического сечения; для эллиптической орбиты эксцентриситет равен отно­шению расстояния с от центра эллип­са к большой полуоси а эллипса:

φ – угол между радиусом-вектором и главной осью орбиты, отсчитыва­емый по движению планеты от на­правления радиуса-вектора в пери­гелий (ближайшую точку траектории к фокусу, в котором находится Солнце).

При а = b эксцентриситет равен нулю и орбита обращается в окружность. Зная эксцентриситет эллипса и его большую полуось, можно определить величину ма­лой полуоси эллипса по формуле

При е = 1 эллипс становится параболой, которая представляет собой разомкнутую кривую и обладает тем свойством, что для нее расстояние любой точки тра­ектории от фокуса равно расстоянию этой же точки от неподвижной прямой, перпендикулярной к главной оси сечения, называемой директрисой, отстоящей на расстоянии p = 2a от этого фокуса.

При е > 1 траектория движения обращается в гиперболу, особеннос­тью которой является то, что разность расстояний любой ее точки от двух фокусов является величиной постоянной, равной 2а; для гиперболы параметр р =а(е 2 –1).

Второй закон. «Площади, описываемые радиусами-векторами планет относительно Солнца, пропорциональны соответствующим временам движения планет по их орбитам» («Закон площадей») (рис. 1.11).

Для двух планет можно записать:

Третий закон. «Для планет, движущихся по эллипсам, квадраты времен обращения относятся, как кубы больших полуосей их эллиптических орбит» («Гармонический закон»).

Третий закон Кеплера запишем в современном уточненном варианте:

где а – большая полуось эллиптической орбиты; Т – период одного полного обращения планеты вокруг Солнца; f – ньютоновская гравитационная постоянная; М – масса Солнца; m – масса планеты.

При этом формулировку Кеплера третьего закона оставим неизмен­ной.

В 1666 г. на основе этих трех законов Кеплера Исаак Ньютон вывел закон всемирного тяготения, ставший краеугольным камнем не только небесной механики, но и всего так называемого ньютоновского мировоззрения.

«Всякие два тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональ­ной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними»:

причем знак минус в этой формуле показывает, что сила тяготения стремится уменьшить расстояние между телами.

Далее при характеристике космического пространства ограничимся пределами Солнечной системы, уделив главное внимание тем ее составляющим, которые представляют интерес в качестве целей космических полетов, полезных факторов, используемых на борту КА, или источников потенциальной опас­ности.

Солнечная системасостоит из звезды – Солнца, планет со спутниками, астероидов (малых планет), комет и межпланетной среды, образуемой метеорами, космической пылью и межпланет­ным газом, и, как считают, имеет диаметр около 2·10 13 км.

Солнце – центральное тело Солнечной системы – имеет мас­су, составляющую более 99% всей массы тел Солнечной системы. Его гравитационное поле служит главным фактором, определяю­щим движение планет, астероидов, комет и метеорных тел, а так­же и КА вне сфер действия полей тяготения планет. Солнце является источником мощных потоков корпуску­лярного и электромагнитного излучений.

Физические условия в межпланетном и околоземном простран­стве существенно зависят от проявлений солнечной активности. Вариации интенсивности излучений Солнца, связанные с 11-лет­ним циклом, вызывают сравнительно монотонные и регулярные изменения, которые легко обнаруживаются и поддаются достаточ­но точному долгосрочному прогнозированию. В то же время про­явления солнечной активности, называемые солнечными вспыш­ками, при которых резко (на несколько порядков) увеличивается интенсивность корпускулярного излучения, оказывают самое не­посредственное и внезапное влияние на характеристики физичес­ких условий в космическом пространстве. Влияние других прост­ранственно-временных вариаций интенсивности излучений Солнца сравнительно мало.

Восемь планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпи­тер, Сатурн, Уран, Нептун) обращаются вокруг Солнца в прямом направлении, т. е. с запада на восток. Их почти круго­вые орбиты лежат приблизительно в одной плоскости. Все плане­ты, как и Земля, вращаются вокруг своей оси в прямом направ­лении (с запада на восток), лишь Венера имеет обратное враще­ние (с востока на запад), а ось вращения Урана лежит почти в плоскости его орбиты.

По физическим свойствам все планеты делят на планеты зем­ной и юпитерианской групп: к первой, кроме Земли, относят Мер­курий, Венеру, Марс, ко второй – планеты-ги­ганты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун (табл. 1.6).

Планеты и другие крупные тела Солнечной системы обладают полями тяготения. Затраты энергии на преодоление сил тяготения будут наибольшими из тех, которые необходимы при выведении КА на орбиту, при изменении величины и направления вектора скорости в целях коррекции траектории полета, а также при его торможении для посадки на поверхность небесного тела.

Огромные расстояния между Землей, Луной и планетами Солнечной системы требуют значительного времени на их преодо­ление, которое при существующих возможностях ракетно-косми­ческой техники измеряется при полете к Луне несколькими дня­ми, к планетам земной группы – месяцами, а к планетам юпите­рианской группы – годами.

У Земли, Венеры и некоторых других планет имеется атмос­фера. При движении КА в атмосфере возникают аэродинамичес­кие силы, вызывающие торможение КА и приводящие к потере им скорости. При старте с планеты на преодоление аэродинами­ческого сопротивления требуются дополнительные затраты топли­ва для достижения КА заданной скорости. При движении КА по орбите искусственного спутника воздействие аэродинамических сил определяет время его существования на орбите. Аэродинами­ческие силы можно использовать для стабилизации КА относи­тельно вектора скорости, а также для снижения скорости КА без затрат энергии при посадке на планеты, имеющие атмосферу (при этом требуется защита КА от аэродинамического нагрева).

Состав атмосферы, изменение давления и температуры по вы­соте, а также физические условия (давление, температура, наличие ветров, механические характеристики поверхностного слоя грунта, пересеченность местности и т.п.) на поверхности планет необходимо учитывать при создании КА, предназначенных для посадки на них. Физические явления в атмосфере, в частности наличие и состояние ионосферы, будут влиять на распростра­нение радиоволн и радиосвязь КА с Землей, между КА и при использовании ИСЗ для радиосвязи и телевидения. Возмуще­ния ионосферы во время солнечных вспышек могут практи­чески исключить возможность коротковолновой радиосвязи в этот период.

Полеты в зоне радиационных поясов – у Земли и Юпитера — из-за воздействия ионизирующего излучения опасны для человека и требуют специальной защиты, а также разработки устойчивой к этому воздействию бортовой аппаратуры.

При движении в магнитном поле Земли и других планет на КА, обладающий магнитным (постоянным или переменным) мо­ментом, будет действовать вращающий момент, который можно использовать для успокоения движения КА относительно центра масс, для целенаправленной его ориентации и т. п.

Космическое пространство, являясь естественным барьером, предотвращает перенос форм жизни (если они существуют) с од­ного небесного тела на другое. Возможность космических полетов делает этот естественный барьер преодолимым. Поэтому при меж­планетных полетах необходим комплекс специальных мер, назы­ваемых планетным карантином, для исключения возможности переноса форм жизни с одного небесного тела на другое.

Астероиды (малые планеты), обращающиеся вокруг Солнца, главным образом между орбитами Марса и Юпитера, об­разуют кольцо (пояс) астероидов шириной более 1 а. е. Значи­тельная часть астероидов (примерно 97%) имеет большие полу­оси орбит в пределах от 2,17 до 3,64 а. е. и образует так назы­ваемое основное кольцо астероидов, состоящее в свою очередь из нескольких второстепенных колец, в промежутках (люках) ме­жду которыми астероиды или отсутствуют, или имеются в незна­чительном количестве. В настоящее время открыто более 6000 астероидов, диаметр наибольшего из которых – Цереры – прини­мается равным 768 км. Постоянные столкновения отдельных тел в кольце астероидов приводят к их постепенному дроблению и об­разованию в этой зоне Солнечной системы мелко раздробленного твердого вещества вплоть до мельчайших твердых пылинок.

Для космических полетов пояс астероидов считается наиболее опасным районом Солнечной системы из-за возможности столк­новения КА с мелкими астероидами.

Кометы – небесные тела, внешне напоминающие туманную расплывчатую звезду с одним или несколькими слабо светящи­мися хвостами. Голова кометы может иметь размеры от нескольких тысяч до (1–2)·10 5 км, а хвост, возникающий при прохож­дении кометы вблизи Солнца, может иметь длину до 200 · 10 6 км. Комета имеет твердое ядро, окруженное массой газа – комой, ко­торая образует внешнюю оболочку и хвост кометы. Ядро кометы состоит из глыб метеорного вещества, кусков льда из воды, ам­миака, метана и т. п.

Практический интерес представляет тот факт, что распавшие­ся кометы дают начало метеорным потокам. При распаде коме­ты остатки ее ядра в виде обломков твердого вещества, продол­жая двигаться почти по той же орбите, что и сама комета, обра­зуют метеорный рой. Этот метеорный рой под действием возму­щений планет постепенно растягивается по орбите в более или менее однородный метеорный поток.

Метеоры и космическая пыль – это множество твер­дых частиц, свободно движущихся в поле тяготения Солнца и, как правило, физически не связанных с планетами.

Метеорные частицы делят на два класса: метеорные потоки (рои) и спорадические метеоры.

Общепринято, что причиной образования метеорных потоков и источником постоянного их пополнения метеорными частицами является разрушение комет. Известны метеорные потоки (бо­лее 30), которые периодически встречаются с Землей и обнару­живают себя в виде метеорного дождя. В настоящее время по всем зарегистрированным потокам имеются данные, позволяющие прогнозировать встречу КА с ними. Характеристики некоторых метеорных потоков приведены в табл. 1.7.

Измерения, выполненные с помощью КА, показали,- что на больших удалениях от Земли наблюдаются метеорные потоки и сгущения метеорных частиц, не известные по наблюдениям с Зем­ли, и что объем имеющихся в настоящее время данных недостато­чен для их предсказания с высокой достоверностью.

Метеорные частицы, которые не удается причислить к какому-либо метеорному потоку, называют метеорами фона, или спора­дическими метеорами (они могут принадлежать и к слабым невыявленным метеорным потокам). Согласно одной из гипотез основ­ным источником спорадических метеорных частиц считают пояс астероидов, а сами частицы — осколками астероидов, согласно другой все метеоры, в том числе и спорадические, имеют кометное происхождение. Кроме первичных частиц, о которых го­ворилось выше, наблюдаются также вторичные частицы, ко­торые выбиваются первичными метеорами при попадании в Луну.

Источник