Природный вакуум

Космическое пространство, в котором сейчас функционируют космические аппараты, весьма различается по своим физическим характеристикам. Это и верхние слои атмосфер Земли, других планет, некоторых их спутников и кометных ядер, это и межпланетное пространство, это, наконец, и межзвездное пространство, к которому приближаются в настоящее время автоматические станции «Пионер-10», «Пионер-11», «Вояжер-1», а вскоре и «Вояжер-2» (после пролета Нептуна). В связи с этим являются различными и условия космического вакуума, в которых работают системы космических аппаратов.

Например, астрономические наблюдения показывают, что межзвездное пространство в областях ионизованного водорода характеризуется средней концентрацией частиц около 10⁶ м^-3 и температурой порядка 100 К. Иные характеристики вакуума в межпланетном пространстве, которое заполнено частицами межпланетной плазмы, имеющими в основном солнечное происхождение. Вообще говоря, условия в межпланетном пространстве широко варьируют в зависимости от солнечной активности, изменяющейся с 11-летним и другими циклами.

Ближайшая к нам звезда, Солнце, состоит по массе в основном из водорода (около 90%) и гелия (9%). Верхние слои внешней атмосферы Солнца, солнечной короны, имеют кинетическую температуру порядка 1 млн. К, что обеспечивает выброс (эжекцию) частиц из короны в околосолнечное пространство со скоростями от 300 до 800 км/с (при среднем значении 450 км/с). В результате образуются стационарные потоки плазмы — солнечный ветер, состоящий в основном из ионизованного водорода и гелия.

Около орбиты Земли солнечный ветер характеризуется средними концентрацией атомов водорода 5-10⁶ м^-3 и кинетической температурой около 200 тыс. К. В период максимума солнечной активности, после появления на Солнце хромосферных вспышек, средняя скорость частиц солнечного ветра может возрастать до 1000 км/с, а средняя концентрация частиц — до 10⁸ м^-3. При взаимодействии сверхзвуковых потоков частиц солнечного ветра с магнитным полем Земли образуется ударная волна на расстоянии порядка 10 радиусов Земли от земной поверхности.

Свойства околоземного пространства во многом определяются строением земной атмосферы, одной из основных характеристик которой является атмосферное давление. С увеличением высоты над поверхностью Земли атмосферное давление быстро уменьшается, что связано со все меньшей концентрацией частиц в земной атмосфере в более верхних ее слоях. Атмосферное давление — это давление атмосферного столба на определенной высоте, и чем меньше частиц в столбе (чем меньше его масса), тем меньше и давление. р>В. Впервые на то, что должна существовать зависимость давления воздуха от высоты местности, обратил внимание Б. Паскаль. Он поднялся на крышу высокого здания и обнаружил, что по мере подъема уровень ртути в манометрической трубке понижается. В 1647 г. его родственник Ф. Перье поднялся на гору Пюи де Дом в Овернской провинции (Франция) и полностью подтвердил предположение Б. Паскаля.

Дальнейшие подробные исследования позволили определить атмосферное давление и температуру на различных высотах от поверхности Земли. На рис. 1, например, показаны давления атмосферы Земли в зависимости от высоты над ее поверхностью по данным, имевшимся в 1958 г., т. е. на начало космической эры. В табл. 1 приведены современные данные о распределении атмосферного давления, температуры и концентрации частиц нейтральной составляющей атмосферы Земли при различном удалении от земной поверхности.

Таблица 1

Некоторые характеристики атмосферы Земли в зависимости от высоты над уровнем моря в условиях средней солнечной активности

Из сравнения рис. 1 и табл. 1 следует, что ранние данные на сегодня уже неточны, причем расхождение увеличивается с высотой. Так, если на высоте 100 км фактическое давление ниже указанного на рис. 1 примерно в 50 раз, то на больших высотах оно, наоборот, выше указанного на рис. 1. Таким образом, примерно за четверть века космической эры были существенно уточнены наши знания об окружающем нас околоземном космическом пространстве, в том числе и о характеристиках его космического вакуума.

Состав атмосферы Земли на высотах более 100 км существенно различен как в химическом отношении, так и по состоянию частиц (молекулы, атомы или ионы). Однако до высот примерно 100 км сухая составляющая атмосферы (т. е. без учета воды) химически почти однородна, за исключением озона. На высотах до 60 км составляющие атмосферы существуют практически только в виде нейтральных молекул, на больших же высотах возрастает концентрация электронов и ионов. На высотах свыше 700 — 800 км атмосферные составляющие существуют преимущественно в виде атомов, а на высотах свыше нескольких тысяч километров все составляющие становятся полностью ионизованными.

С удалением от поверхности Земли атмосферные слои являются все более и более разреженными. Степень разреженности среды иногда характеризуют с помощью средней длины свободного пробега частиц, т. е. до их столкновения друг с другом. Так, например, уже на высотах 100 — 150 км эта величина в атмосфере Земли составляет несколько десятков метров, т. е. становится соизмеримой с линейными размерами многих космических аппаратов.

Наконец, отметим, что земная атмосфера, главным образом ее внешняя часть — экзосфера, находится в непрерывном движении и изменении. Это связано с солнечной активностью и другими причинами. Наблюдаются 27-летние, 11-летние, сезонные, суточные, широтные и другие вариации концентрации частиц (и соответственно атмосферного давления) и температуры в атмосфере.

Ближайшее к нам небесное тело, Луна, также обладает атмосферой, но чрезвычайно разреженной: атмосферное давление у лунной поверхности порядка 10^-10 Па ночью и 10^-8 Па днем, а концентрация частиц составляющих атмосферы вблизи лунной поверхности 2-10¹¹ м^-3. В общем-то это понятно, ведь масса Луны в 81 раз меньше массы Земли, и поэтому даже столь разреженную атмосферу Луна удерживала бы с трудом, если бы не приток солнечного ветра.

Во время полетов на Луну космических кораблей «Аполлон» были непосредственно измерены концентрации основных составляющих лунной атмосферы, которыми оказались неон, аргон, гелий и молекулярный водород. Причем концентрации гелия и неона в целом согласуются с предположением, что их источником является солнечный ветер. Аргон, видимо, осаждается (адсорбируется) на лунной поверхности при ее сильном охлаждении ночью. А вот концентрация молекулярного водорода в 3 раза превышала ожидавшуюся из теоретических представлений.

Небольшая и также сильно разреженная атмосфера имеется у планеты Меркурий: атмосферное давление у ее поверхности равно 7,98-10^-8 Па. Измерения, проведенные с помощью космического аппарата «Маринер-10», показали, что основные составляющие атмосферы Меркурия — это неон, аргон и ксенон.

Сравнительно разреженная атмосфера имеется у Марса, масса которого в 9 раз меньше массы Земли. Основными составляющими марсианской атмосферы являются углекислый газ, азот и аргон, атмосферное давление у поверхности 6,65-102 Па, что, естественно, во много раз выше, чем у Луны и Меркурия.

Очень плотной атмосферой обладает Венера: атмосферное давление у венерианской поверхности около 10⁷ Па, температура 773 К. Доминирующей составляющей атмосферы является углекислый газ. На расстоянии 1000 км от венерианской поверхности концентрация атомов водорода равна 10⁹ м^-3, на расстоянии 6000 км — 10⁸ м^-3, а на расстоянии 20000 км — около 10⁷ м^-3.

Чрезвычайно мощные и протяженные атмосферы характерны для планет-гигантов — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Обнаружены также атмосферы у Ио (спутника Юпитера) и у Титана (спутника Сатурна). Атмосферное давление у поверхности последнего в 2- 3 раза превышает атмосферное давление у земной поверхности. Однако характеристики атмосфер у планет-гигантов мы рассматривать не будем, поскольку они далеки от характеристик космического вакуума.