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∙10²¹ 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 − 10⁵¹

Млечный путь (наша Галактика) − 10⁴²

Большое Магелланово Облако − 10⁴⁰

Малое Магелланово Облако − 5∙10³⁹

Солнце − 1,983∙10³⁰

Планеты Солнечной системы − 3,17∙10²³... 1,9∙10²⁷

Земля − 5,98∙10²⁴

Луна − 7,35∙10²²

Астероиды − 10⁶...10²⁰

Метеорные тела − 10⁻¹⁵... 10⁶

Космическая пыль (микрометеориты) − 10⁻¹⁹...10⁻¹⁵

Молекулярные и атомные частицы − 1,64∙10⁻²⁷... 10⁻²²

Электроны − 9,107∙10⁻³¹

Нейтрино − 0

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∙10⁶ раз.

Представим звездные величины некоторых звезд:

Солнце – −26

Сириус (а Большого Пса) – −1,6

Канопус (а Киля) – −0,9

α-Центавра – −0,1

β-Центавра – 0,9

S-Золотой Рыбы – 8

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∙10¹⁴ км). По этой характеристике звезда S Золотой Рыбы – самая яркая из всех известных звезд, ее абсолютная яркость в 10⁵ 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∙10⁵ А/м, а средняя напряженность магнитного поля на поверхности Солнца – около 4∙10³ А/м. Помимо звезд, обладающих более высокими значениями средней напряженности магнитного поля, существуют магнитопеременные звезды: у звезды α² Гончих Псов магнитное поле меняется от +4∙10⁵ до −4∙10⁵ 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.

Гипотеза о существовании в космосе, кроме магнитного и гравитаци­онного, электростатического поля непосредственными наблюдениями пока не подтверждено, хотя выполненные теоретические вычисления дают оценку времен электрических разрядов в 10⁹...10¹⁰ лет.

Русские ученые Б. Понтекорво и Я. Смородинский высказали гипотезу, согласно которой во Вселенной должно преобладать нейтрино, – самой проникающей частицы с плотностью ее в 2∙10³ МэВ/см³ по сравнению с остальными частицами (космическими компонентами) 10⁻² МэВ/см³.

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.

В настоящее время за единицу измерения расстояний в космическом пространстве для исследования движения и расчета траекторий принято несколько единиц, самая наименьшая из которых - а.е. - астрономичес­кая единица длины, представляющая собой среднее расстояние от Земли до Солнца (единица, которую применяли Коперник и Кеплер). Оценка расстояний с помощью такой единицы может быть выполнена с высокой точностью, чего нельзя сказать о самой астрономической единице:

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).

Таблица 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∙10¹³ км = 3,259 св. лет.

1 свет, год = 9,460∙10¹² 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(е²–1).

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:

где θ - угол наклона траектории, характеризующий направление вектора скорости движения планеты по орбите, относительно местного горизонта (перпенди-куляра к радиусу-вектору).

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 2·10¹³ 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)·10⁵ км, а хвост, возникающий при прохож­дении кометы вблизи Солнца, может иметь длину до 200 · 10⁶ 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.

Таблица 1.7