Чем измеряют температуру в космосе
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 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.
О космическом тепле и холоде
В жаркие летние дни самое время поговорить о жаре и холоде космоса. Благодаря научно-фантастическим фильмам, научно- и не очень научно-популярным передачам, у многих закрепилось убеждение, что космос — это невообразимо холодное место, в котором самое главное — найти как согреться. Но на самом деле все гораздо сложнее.
Фото космонавта Павла Виноградова
Чтобы разобраться тепло или холодно в космосе, надо сначала вернуться к азам физики. Итак, что такое тепло? Понятие температуры применимо к телам, чьи молекулы находятся в постоянном движении. При получении дополнительной энергии, молекулы начинают двигаться активнее, а при потере энергии — медленнее.
Из этого факта следует три вывода:
1) у вакуума температуры нет;
2) в вакууме есть только один способ теплопередачи – излучение;
3) объект в космосе, фактически группу движущихся молекул, можно охладить, если обеспечить контакт с группой медленно движущихся молекул или нагреть, обеспечив контакт с быстро движущейся группой.
Первый принцип используется в термосе, где вакуумные стенки удерживают температуру горячего чая и кофе. Точно так же перевозят сжиженный природный газ в танкерах. Второй принцип определяет так называемые условия внешнего теплообмена, то есть взаимодействие Солнца (и/или других источников излучения) и космического аппарата. Третий принцип используется при проектировании внутренней конструкции космических аппаратов.
Когда говорят о температуре космоса, то могут подразумевать две разные температуры: температуру рассеянного в пространстве газа или температуру тела, находящегося в космосе. Как все знают, в космосе вакуум, но это не совсем так. Почти все пространство там, по крайней мере внутри галактик, наполнено газом, просто он настолько сильно разрежен, что не оказывает почти никакого теплового воздействия на помещенное в него тело.
В разреженном космическом газе молекулы встречаются крайне редко, и воздействие их на макро тела, такие как спутники или космонавты, незначительно. Такой газ может быть разогрет до экстремальных температур, но из-за редкости молекул, космические путешественники его не почувствуют. Т.е. для большинства обычных космических аппаратов и кораблей совсем не важно какая температура у межпланетной и межзвездной среды: хоть 3 Кельвина, хоть 10000 градусов Цельсия.
Важно другое: что из себя представляет наше космическое тело, какой оно температуры, и какие источники излучения есть поблизости.
Главный источник теплового излучения в нашей Солнечной системе — это Солнце. И Земля довольно близко к нему, поэтому, на околоземных орбитах очень важно настроить «взаимоотношения» космического аппарата и Солнца.
Чаще всего рукотворные объекты в космосе стараются укутать в многослойное одеяло, не дающее теплу спутника уходить в космос и не позволяющее лучам Солнца поджаривать нежные внутренности аппарата. Многослойное одеяло называется ЭВТИ — экранно-вакуумная теплоизоляция, «золотая фольга», которая на самом деле не золотая и не фольга, а покрытая специальным сплавом полимерная пленка, похожая на ту, в которую заворачивают цветы.
Впрочем, в некоторых случаях и у некоторых производителей, ЭВТИ не похожа на фольгу, но выполняет ту же изолирующую функцию.
Иногда некоторые поверхности спутника специально оставляют открытыми для того, чтобы они или поглощали солнечное излучение, или отводили в космос тепло изнутри. Обычно в первом случае поверхности покрывают черной эмалью, сильно поглощающей излучение Солнца, а во втором – белой эмалью, хорошо отражающей лучи.
Бывают случаи, когда на борту космического аппарата приборы должны работать при очень низкой температуре. Например, обсерватории «Миллиметрон» и JWST будут наблюдать тепловое излучение Вселенной и для этого и зеркалам их бортовых телескопов, и приёмникам излучения нужно быть очень холодными. На JWST главное зеркало планируется охлаждать до — 173 градусов Цельсия, а на «Миллиметроне» — ещё ниже, до — 269 градусов Цельсия. Для того, чтобы Солнце не нагревало космические обсерватории, они укрываются так называемым радиационным экраном: своеобразным многослойным солнечным зонтиком, похожим на ЭВТИ.
Кстати, как раз для таких «холодных» спутников важным становится небольшой нагрев от разреженного космического газа и даже от заполняющих всю Вселенную фотонов реликтового излучения. Отчасти поэтому, что «Миллиметрон», что JWST отправляют подальше от теплой Земли в точку Лагранжа, за 1,5 млн км. Кроме солнечных зонтиков на этих научных спутниках будет сложная система с радиаторами и многоступенчатыми холодильниками.
Перегрев является одним из препятствий в создании космического аппарата с мощным ядерным источником энергии. Электричество на борту получается из теплоты с КПД гораздо меньше 100%, поэтому излишек тепла приходится сбрасывать в космос. Традиционные, используемые сейчас радиаторы были бы слишком большими и тяжелыми, поэтому сейчас в нашей стране проводятся работы по созданию капельных холодильников-излучателей, в которых теплоноситель в виде капелек пролетает через открытый космос и отдает ему тепло изучением.
Главный источник излучения в Солнечной системе – это Солнце, но планеты, их спутники, кометы и астероиды, вносят свой весомый вклад в тепловое состояние космического аппарата, который пролетает около них. Все эти небесные тела обладают своей температурой и являются источниками теплового излучения, которое, к тому же, взаимодействует со внешними поверхностями аппарата иначе, чем более «горячее» излучение Солнца. А ведь планеты еще и отражают солнечное излучение, причем планеты с плотной атмосферой отражают диффузно, безатмосферные небесные тела – по особому закону, а планеты с разреженной атмосферой типа Марса – ещё совершенно иначе.
При создании космических аппаратов требуется учитывать не только «взаимоотношения» аппарата и космоса, но и всех приборов и устройств внутри, а также и ориентацию спутников относительно источников излучения. Для того чтобы одни не нагревали других, а третьи не замерзали, и чтобы поддерживалась рабочая температура на борту, разрабатывается отдельная служебная система. Она называется «Система обеспечения теплового режима» или СОТР. В нее могут входить нагреватели и холодильники, радиаторы и тепловоды, датчики температуры и даже специальные компьютеры. Могут использоваться активные системы или пассивные, когда роль обогревателей выполняют работающие приборы, а радиатора — корпус аппарата. Именно такая простая и надежная система создана для частного российского спутника «Даурии Аэроспейс».
Более сложные активные системы задействуют циркулирующий теплоноситель или тепловые трубы, подобные тем, что часто используются для отвода тепла от центрального процессора к радиатору в компьютерах и ноутбуках.
Соблюдение теплового режима, зачастую, оказывается решающим фактором работоспособности аппарата. Например, чуткий к перепадам температуры «Луноход-2» погиб из-за какой-то смехотворной горсти черного реголита на своей крыше. Солнечное излучение, которое уже не отражалось теплоизоляцией, привело к перегреву оборудования и выходу из строя «лунного трактора».
В создании космических аппаратов и кораблей, соблюдением теплового режима занимаются отдельные инженерные специалисты по СОТР. Один из них — Александр Шаенко из «Даурии Аэроспейс», занимался спутником DX1, и он помог в создании данного материала. Сейчас Александр занялся чтением лекций о космонавтике и созданием собственного спутника, который послужит популяризации космоса, став самым ярким объектом в небе после Солнца и Луны.
Поэтому нам в «Даурии» нужен новый специалист по СОТР. Если у вас есть такой знакомый, пусть напишет в наш сколковский офис.
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.