Почему в космосе холодно
Перейти к содержимому

Почему в космосе холодно

Почему космос такой холодный, если звезды такие горячие?

Казалось бы, простой и даже наивный вопрос: почему космос такой холодный, если звезды такие горячие? На деле ответ не так прост, как может показаться на первый взгляд. Мы объясним этот физический процесс понятным языком.

Звезды

В отличие от нашей комфортной среды обитания на Земле, Солнечная система полна экстремальных температур. Солнце представляет собой раскаленный газовый шар с температурой поверхности 5500°C, а в ядре — до 1,5 млн градусов. Между тем, температура космоса, если удалиться на достаточное расстояние от Солнца, окажется чуть выше абсолютного нуля — примерно -270,6°C. Как такое может быть?

Теплопроводность на планетах

Тепло распространяется через космос в виде излучения — инфракрасной волны энергии, которая переходит от более горячих объектов к более холодным. Волны излучения возбуждают молекулы, с которыми они соприкасаются, вызывая их нагрев. Именно так тепло передается от Солнца к Земле. Но загвоздка в том, что излучение нагревает только те молекулы и материю, которые находятся прямо на его пути. Все остальное остается холодным.

Возьмем Меркурий. По данным NASA, ночная температура на этой планете может быть на 500°C ниже, чем на дневной стороне, подверженной радиационному воздействию. Сравните это с Землей, где воздух вокруг вас остается теплым, даже если вы находитесь в тени. Это потому, что тепло распространяется по нашей планете тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Когда солнечное излучение попадает и нагревает молекулы в нашей атмосфере, они передают эту дополнительную энергию молекулам вокруг себя. Затем эти молекулы сталкиваются со своими соседями и нагревают их. Этот перенос тепла от молекулы к молекуле называется теплопроводностью, и это цепная реакция, которая нагревает области за пределами пути солнечного излучения.

Передача тепла в космическом вакууме

Космическое пространство представляет собой вакуум. То есть, очень разреженная среда, практически полностью пустая. Космический вакуум не является действительно совершенным, и в межзвездном пространстве есть несколько атомов водорода на кубический сантиметр. Молекулы газа в космосе находятся далеко друг от друга, чтобы регулярно сталкиваться. Таким образом, даже когда солнце нагревает их инфракрасными волнами, передача тепла посредством теплопроводности невозможна. Точно так же конвекция — форма теплопередачи, которая происходит в присутствии силы тяжести — важна для рассеивания тепла по Земле, но в космосе не происходит из-за невесомости. Поэтому единственным способом передачи энергии от Солнца к Земле остается излучение.

Когда инженер-теплотехник проекта NASA DART Элизабет Абель разрабатывала солнечный зонд Parker, она лично столкнулась с проблемой нагрева космических аппаратов в космосе при непосредственной близости к Солнцу. Parker уже установил рекорды минимального сближения с нашим светилом, а также как самый быстрый объект, когда-либо созданный человеком. От разрушительной температуры Солнца аппарат спасает тепловой экран, который установлен лишь с одной стороны, и этого оказалось достаточно.

«Задача этого экрана — обеспечить защиту от перегрева экстремальной температурой солнечного излучения. В то время, когда защита раскаляется свыше 1000°C, остальная часть корпуса зонда, которая находится в тени, остается холодной и составляет -150 градусов», — объясняет Элизабет Абель.

Экстремальные перепады температур на сотни градусов могут показаться невероятными, но в космосе все обстоит именно так. Настоящая странность для космоса — это Земля: среди сильнейшего холода и жары наша атмосфера сохраняет удивительную мягкость, что позволяет поддерживать жизнь в комфортных для нее условиях.

Напомним, что ранее мы составляли список из ТОП-7 загадок Вселенной.

Почему в космосе холодно, если Солнце горячее

Солнце находится на расстоянии около 150 миллионов километров от Земли, но мы можем чувствовать его тепло каждый день. Удивительно, как горящий объект издалека может излучать тепло на таком большом расстоянии.

Мы не говорим о температурах, которые едва регистрируют его присутствие. В 2019 году температура в Кувейте достигла 63 ° C под прямыми солнечными лучами. Если вы будете стоять при таких температурах в течение длительного периода, вы рискуете умереть от теплового удара.

Но больше всего озадачивает то, что космическое пространство остается холодным. Итак, почему пространство такое холодное, если Солнце такое жаркое?

Чтобы понять это удивительное явление, важно сначала распознать разницу между двумя терминами, которые часто используются взаимозаменяемо: тепло и температура.

Роль тепла и температуры

Проще говоря, тепло — это энергия, хранящаяся внутри объекта, в то время как тепло или холодность этого объекта измеряется температурой. Таким образом, когда тепло передается объекту, его температура повышается. И происходит снижение значения температуры, когда тепло извлекается из объекта.

Эта передача тепла может происходить через три режима: проводимость, конвекция и излучение.

Теплопередача через проводимость происходит в твердых телах. Когда твердые частицы нагреваются, они начинают вибрировать и сталкиваться друг с другом, передавая тепло при этом от более горячих частиц к более холодным.

Теплопередача через конвекцию — явление, наблюдаемое в жидкостях и газах. Этот режим теплопередачи также происходит на поверхности между твердыми телами и жидкостями.

Когда жидкость нагревается, молекулы поднимаются вверх и переносят тепловую энергию вместе с ними. Комнатный обогреватель — лучший пример, демонстрирующий конвективный теплообмен.

Когда обогреватель нагревает окружающий воздух, температура воздуха будет повышаться, и воздух поднимется до верха комнаты. Присутствующий сверху холодный воздух вынужден двигаться вниз и нагреваться, создавая конвекционный ток.

Передача тепла посредством излучения — это процесс, при котором объект выделяет тепло в форме света. Все материалы излучают некоторое количество тепловой энергии в зависимости от их температуры.

При комнатной температуре все объекты, включая нас, людей, излучают тепло в виде инфракрасных волн. Из-за излучения тепловизионные камеры могут обнаруживать объекты даже ночью.

Чем горячее объект, тем больше он будет излучать. Солнце является отличным примером теплового излучения, которое переносит тепло через солнечную систему.

Теперь, когда вы знаете разницу между теплом и температурой, мы очень близки к тому, чтобы ответить на вопрос, поставленный в заголовке этой статьи.

Теперь мы знаем, что температура может влиять только на материю. Однако в космосе недостаточно частиц, и это почти полный вакуум и бесконечное пространство.

Это означает, что передача тепла неэффективна. Невозможно передать тепло посредством проводимости или конвекции.

Излучение остается единственной возможностью.

Когда солнечное тепло в форме излучения падает на объект, атомы, составляющие объект, начинают поглощать энергию. Эта энергия начинает двигаться атомы вибрировать и заставлять их производить в процессе тепло.

Однако с этим явлением происходит нечто интересное. Поскольку нет возможности проводить тепло, температура объектов в пространстве будет оставаться неизменной в течение длительного времени.

Горячие предметы остаются горячими, а холодные остаются холодными.

Но когда солнечные лучи попадают в земную атмосферу, появляется много материи для возбуждения. Следовательно, мы чувствуем излучение солнца как тепло.

Это естественно вызывает вопрос: Что произойдет, если мы поместим что-то вне атмосферы Земли?

Космическое пространство может с легкостью заморозить или сжечь вас

Когда объект находится за пределами земной атмосферы и при прямом солнечном свете, она будет нагрета до около 120°C. Объекты вокруг Земли, и в космическом пространстве, которые не получают прямых солнечных лучей находятся в пределах 10°C.

Температура 10°C обусловлена ​​нагревом некоторых молекул, покидающих земную атмосферу. Однако если мы измерим температуру пустого пространства между небесными телами в космосе, это будет всего на 3 Кельвина выше абсолютного нуля.

Итак, главный вывод здесь заключается в том, что температуру Солнца можно почувствовать только в том случае, если есть материя, чтобы поглотить ее, в космосе почти нет материи, отсюда и холод.

Две стороны солнечного тепла

Мы знаем, что в затененных областях холодно. Лучшим примером является ночное время, когда температура снижается, так как в этой части Земли нет излучения.

Однако в космосе все немного по-другому. Да, объекты, которые скрыты от солнечного излучения, будут холоднее, чем пятна, которые получают солнечный свет, но разница довольно существенная.

Объект в космосе столкнется с двумя экстремальными температурами с двух сторон.

Давайте возьмем для примера Луну. Области, которые получают солнечный свет, нагреваются до 127 °C, а темная сторона Луны будет при температуре замерзания -173 °C.

Но почему земля не имеет таких же эффектов? Благодаря нашей атмосфере инфракрасные волны от солнца отражаются, и те, которые входят в атмосферу Земли, равномерно распределены.

Вот почему мы чувствуем постепенное изменение температуры, а не крайнюю жару или холод.

Другим примером, показывающим полярность температуры в космосе, является влияние солнца на солнечный зонд Parker. Солнечный зонд Parker — это программа НАСА, где зонд был отправлен в космос для изучения Солнца.

В апреле 2019 года зонд находился всего в 15 миллионах миль от Солнца. Чтобы защитить себя, он использовал теплозащитный экран.

Температура теплового экрана, когда он был бомбардирован солнечным излучением, составляла 121 °C, в то время как остальная часть зонда имела -150°C.

Космос — это лучший термос

Когда нагревать нечего, температура системы остается прежней. Это относится и к космосу. Солнечное излучение может проходить через него, но нет молекул или атомов, чтобы поглотить это тепло.

Даже когда скала нагревается выше 100°C излучением Солнца, пространство вокруг нее не будет поглощать никакой температуры по той же причине. Когда нет материи, передача температуры не происходит.

Следовательно, даже когда солнце излучает, пространство остается холодным как лед!

Температурный режим: сколько градусов в космосе

Если вы думаете, что зимой в России холодно, подумайте про то, насколько низкая температура ждет вас наверху — в космическом пространстве.

Никита Шевцев
Getty Images

Мы все знаем, что в космосе холодно. Но насколько низкая там температура и можно ли замерзнуть в открытом космосе?

Прежде чем ответить на этот вопрос, нам сначала нужно дать научное определение понятию тепла. Тепло — это мера скорости движения атомов и молекул. В нагретых телах атомы движутся быстро, в холодных — очень медленно. Если атомы полностью останавливаются, они приходят в точку абсолютного нуля. В космосе температура составляет чуть выше — 2,7 Кельвина (-270,45°C).

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Насколько холодно в космосе?

Космос пронизан электромагнитными волнами, но концентрация атомов в нем очень низкая. Мы можем измерить температуру очень рассеянных газов и частиц, которые дрейфуют по космосу. Солнечный и звездный свет могут нагреть эти атомы, если они пройдут мимо, но в конце концов они снова остынут, излучая тепло, и это тепло просто улетит в космос, с небольшим шансом задеть (и, следовательно, нагреть) что-либо еще в этой огромной пустоте.

На Земле вы теряете большую часть своего тепла за счет теплопроводности: атомы в вашем теле сталкиваются с атомами воздуха или воды, передавая эту энергию. Природа стремится к равновесию (когда все движется с одинаковой скоростью), поэтому, если вы теплее, чем ваше окружение, вы начинаете терять тепло. Если вы намного теплее, чем ваше окружение (скажем, вы упали в ледяную реку), вы будете терять тепло гораздо быстрее, чем его вырабатывает ваше тело.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В космосе нет ни воздуха, ни воды, поэтому единственный способ потерять тепло — это излучение. В этом случае ваши теплые и подвижные атомы будут выделять энергию непосредственно в космос. Это медленный процесс, поэтому вы умрете от недостатка кислорода задолго до того, как заметите холод!

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Как нагреваются объекты в космосе

Озоновый слой, который оберегает нас от экстремального воздействия космического пространства, «сглаживает» диапазон, в котором колеблется температура воздуха. Давайте представим, что вы осуществили детскую мечту о том, чтобы стать космонавтом. Если вы решили «побороздить галактические просторы» на космическом корабле, вы увидите, что половина вашего «круизного лайнера», обращённая к Солнцу, нагревается до пугающих температур, а в тени он, наоборот, сильно охлаждается. И, чем ближе к светилу, тем эта разница сильнее. Но, надеемся, температура в открытом космосе не погубит ваш корабль.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Какая температура снаружи МКС

Аналогично, как и ваш личный космический корабль, как и все объекты, летающие в открытом пространстве, МКС нагревается со стороны Солнца и охлаждается со стороны. всего остального. Конкретно для Международной космической станции характерен диапазон температур за бортом от -157°C до 121°C.

Почему космонавты не мёрзнут

В самом деле, температура в открытом космосе достигает запредельных по человеческим меркам значений. Почему же галактические путешественники не замерзают? Дело в том, что в космическом пространстве вакуум — отсутствие всего. А, как известно, это состояние — лучший теплоизолятор. Поэтому внутри скафандров у космонавтов специальная система охлаждения. Если бы человек вышел в открытый космос без костюма, он бы раздулся, а жидкости внутри его тела закипели. Так себе участь.

Насколько холодно в космосе: какие процессы влияют на температуру Вселенной

Насколько холодно во Вселенной

Насколько холодно космическое пространство, падает ли его температура до абсолютного нуля и что будет, если попасть туда без скафандра? Хотя научно-фантастические фильмы заставляют нас поверить, что космос невероятно холодный, даже ледяной, сам космос не совсем холоден. На самом деле у него вообще нет температуры.

Поделиться

Что такое температура и есть ли она в космосе?

Температура состоит из скорости, с которой движутся частицы, и энергии, излучаемой ими во время движения. Таким образом, в действительно пустом пространстве не было бы частиц и излучения, а значит, не было бы и температуры.

Конечно, космос полон частиц, которые во время движения излучают энергию, а значит, производят тепло и температуру. Насколько холодно в космосе, есть ли область, которая действительно пуста, и есть ли место, где температура падает до абсолютного нуля?

Горячие области космоса находятся непосредственно вокруг звезд, где есть все условия для запуска ядерного синтеза. Там объекты действительно нагреваются, когда излучение звезды достигает точки в космосе с большим количеством и плотностью частиц, на которые может влиять температура.

Именно поэтому Земля гораздо теплее области между нашей планетой и ее звездой. Тепло происходит от частиц в нашей атмосфере, которые вибрируют с солнечной энергией, а затем сталкиваются друг с другом, распределяя эту энергию.

RXJ1347


Скопление галактик RXJ1347 одно из самых горячих мест во Вселенной / Фото NASA

Однако близость к звезде не всегда гарантирует тепло. Например, Меркурий – ближайшая планета к нашему Солнцу. Он невероятно горячий днем и ужасно холодный ночью. Его температура падает до -178 градусов Цельсия.

Температура на Уране падает до -224⁰C, что делает его даже холоднее, чем самый отдаленный от Солнца Нептун. Кстати, Нептун все еще ужасно холодный – его температура достигает -214⁰C.

Это результат столкновения с объектом размером с Землю в начале формирования планеты, поэтому Уран, например, вращается вокруг Солнца под экстремальным наклоном, что не дает ему удерживать внутреннее тепло.

Чем дальше от звезды, тем холоднее

Вдали от звезд частицы настолько разбросаны (их плотность меньше), что передача тепла через что-то, кроме излучения, невозможна, а это значит, что температура резко падает. Эта область называется межзвездным пространством.

Важный момент! В зависимости от температуры, густоты и состояния ионизации участков межзвездной среды, температуру в них определяют различные механизмы нагрева и охлаждения.

Механизмы нагрева межзвездной среды

  • Нагрев низкоэнергетическими космическими лучами
  • Фотоэлектрический нагрев пыли
  • Фотоионизация
  • Рентгеновский нагрев
  • Химический нагрев
  • Нагрев частиц пыли

Механизмы охлаждения межзвездной среды

  • Охлаждение путем излучения линий тонкой структуры
  • Охлаждение путем излучения разрешенных линий

Наиболее холодные и плотные облака молекулярного газа в межзвездной среде могут иметь температуру -263 ⁰C, тогда как менее плотные облака могут иметь температуру до -173 ⁰C.

Вселенная настолько широка и наполнена таким количеством объектов, что некоторые из которых невероятно горячи, тогда как другие невероятно холодны. Следовательно, пространство просто не может иметь единой температуры.

В то же время существует кое-что, пронизывающее всю нашу вселенную с температурой, равной одной стотысячной. На самом деле отличие настолько незначительно, что разница между горячим пятном и холодным составляет всего 0,000018 К.

Речь идет о космическом микроволновом фоне (КMФ) более известном, как реликтовое излучение. Оно имеет однородную температуру 2,7 K (-270⁰C). Поскольку 0 К – это абсолютный нуль, эта температура всего на 2,725 градуса выше абсолютного нуля.

Реликтовое излучение – это остаток произошедшего только через 400 000 лет после явления известного как Большой взрыв. Хотя для правильного понимания его следовало бы назвать Большим рассеянием. Это момент, когда Вселенная перестала быть непрозрачной после того, как электроны соединились с протонами, образовав атомы водорода, что остановило бесконечное рассеяние света электронами и позволило фотонам свободно путешествовать.

Карта реликтового излучения


Карта реликтового излучения зафиксированного телескопом WMAP в течение 9 лет / Фото NASA

Таким образом, это ископаемое реликвия, «вмороженное» во вселенную, является последней точкой, когда материя и фотоны были выровнены с точки зрения температуры.

Фотоны, из которых состоит реликтовое излучение, не всегда были так холодны, им понадобилось около 13,8 миллиарда лет, чтобы добраться до нас. Расширение Вселенной привело к красному смещению этих фотонов на более низкие энергетические уровни.

Реликтовое излучение возникло, когда Вселенная была гораздо более плотной и горячей, чем сейчас. Его начальная температура оценивается примерно в 2726⁰C. Поскольку Вселенная продолжает расширяться, это означает, что сейчас в космосе холоднее, чем когда-либо, и температура продолжает падать.

Что произойдет, если попасть в космос без скафандра?

Если бы астронавта оставили дрейфовать в космосе в одиночестве, то влияние почти вакуума космоса не могло бы заморозить астронавта, как это часто изображается в научной фантастике.

Существует три способа передачи тепла:

  • теплопроводность – происходит через прикосновение,
  • конвекция – происходит, когда жидкости передают тепло,
  • и радиация – происходит из-за излучения.

Проводимость и конвекция не могут происходить в пустом пространстве из-за отсутствия вещества, а теплопередача происходит медленно путем радиационных процессов. Это означает, что тепло не передается быстро в космосе.

Поскольку замораживание требует теплопередачи, астронавт, испытавший влияние радиации, – потерявший тепло только путем радиационных процессов, – умрет от декомпрессии из-за отсутствия атмосферы гораздо быстрее, чем замерзнет до смерти.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *