Путешествие к далеким мирам
Шрифт:
Без атмосферы не существовало бы звука: мы не могли бы ни говорить, ни слышать. Каким бедным стал бы из-за этого человеческий мир!
А неоценимая служба, которую несет атмосфера, снабжая кислородом бесчисленное множество различных тепловых двигателей, предоставляя опору крыльям самолетов, несущим винтам вертолетов, воздушным шарам!
Наряду с теми услугами, которые оказывает нам атмосфера, делая нашу жизнь на Земле не только возможной, но и окружая ее всяческими удобствами, она является источником многих замечательных красот природы, тысячелетиями воспеваемых поэтами всех народов. Голубой цвет неба, яркая игра красок восхода и заката Солнца, вереницы облаков причудливых очертаний, мерцание звезд, нежность сумерек и неповторимый фейерверк северного сияния — всем этим мы обязаны земной атмосфере.
Всем хороша атмосфера, когда мы имеем в виду жизнь на Земле. Но когда мы собираемся покинуть Землю и совершить межпланетный полет — то она не помогает, а мешает. Куда бы мы ни направили полет
Чтобы победить врага, надо его знать. Что же представляет собой атмосфера, как высоко простирается она над Землей, какие опасности подстерегают корабль на его пути в атмосфере, как их можно избежать — вот вопросы, которые, естественно, интересуют и конструктора и командира межпланетного корабля.
Земная атмосфера, то есть воздушная оболочка Земли, простирается на огромную высоту. Однако нельзя сказать точно, где кончается атмосфера и начинается мировое пространство: на высоте 100, 1000 или 10 тысяч километров. Атмосфера постепенно, незаметно переходит в мировое пространство, и никакой резкой грани между ними провести нельзя.
С увеличением высоты над Землей плотность атмосферы уменьшается, число молекул воздуха в единице объема становится все меньшим. Основная масса атмосферы находится у самой земной поверхности, на малых высотах. Если мы вырежем из атмосферы вертикальный, бесконечно длинный столбик поперечным сечением в 1 квадратный сантиметр, то вес воздуха в этом столбике будет равен примерно 1 килограмму. Стоит нам отрезать от этого столбика его нижний конец длиной всего в 1 километр, как вес воздуха в столбике уменьшится сразу на 100 граммов, то есть на 10 процентов. Вес воздуха в нижнем конце такого столбика длиной 5,5 километра составит 0,5 килограмма, то есть половину общего веса воздуха в столбике. Нижний конец столбика длиной 18 километров будет заключать в себе 14/ 15 всего воздуха в столбике. Если мы поднимемся вдоль такого столбика на высоту примерно 150 километров, то вес воздуха над нами будет равен всего только одной стомиллионной части общего веса воздуха в столбике, то есть примерно одной сотой миллиграмма. Весь остальной воздух будет находиться под нами.
Поэтому можно было бы считать, что уже на таких высотах атмосферы практически нет, однако и на этой высоте в кубическом сантиметре находится все еще примерно 100 миллиардов молекул воздуха. Даже на высотах в тысячи километров еще имеются следы атмосферы, в миллиарды миллиардов раз более разреженной, чем у земной поверхности, — в кубическом сантиметре там находится всего несколько сотен молекул. И даже то, что мы называем обычно безвоздушным мировым пространством, в действительности не вовсе лишено вещества — в нем плавают отдельные молекулы и атомы.
В среднем в 1 кубическом сантиметре этого пространства находится 2–3 атома водорода, который является наиболее распространенным химическим элементом во Вселенной. Имеются атомы и других веществ, но в значительно меньших количествах — на каждую тысячу атомов водорода приходится примерно 100 атомов гелия, второго по распространенности элемента, по 10 атомов приходится вместе на кислород, углерод, азот, неон и по 2–3 атома вместе на другие элементы, такие, как железо, калий, кальций, кремний, магний и пр. Выходит, что по плотности атмосферы нельзя установить ее границу — она может быть только условной. [26]
26
В этой связи интересно упомянуть о гипотезе американского ученого Чепмена, по которой земная атмосфера постепенно переходит в… солнечную. По мнению этого ученого, высказанному им в 1957 году, солнечная атмосфера простирается далеко за орбиту Земли. По расчетам, на этом расстоянии от Солнца его атмосфера имеет плотность порядка 1000 частиц на 1 куб. сантиметр и температуру более 200 000°. Эта гипотеза удовлетворительно объясняет некоторые до сих пор не объясненные явления, в частности тепловые потоки в ионосфере. Конечно, гипотеза должна поучить дальнейшее подтверждение, чтобы считать ее серьезной научной теорией.
Немногим поможет нам в определении границ атмосферы использование и других ее свойств. Если, например, иметь в виду «комфортные» свойства атмосферы, то есть те ее свойства, которые создают благоприятные условия для жизни людей, то граница атмосферы будет лежать очень недалеко от земной поверхности.
Уже на сравнительно небольших высотах человек испытывает «кислородное голодание» в связи с уменьшением содержания кислорода в окружающем воздухе. На поверхности Земли из общего давления атмосферы 760 миллиметров ртутного столба примерно 160 миллиметров приходится на долю кислорода, остальное — на долю азота. Когда высота над уровнем моря становится равной 4 километрам, давление кислорода в воздухе снижается примерно до 100 миллиметров ртутного столба. Дальнейшее увеличение высоты приводит к тому, что с вдыхаемым воздухом в легкие попадает слишком мало кислорода. Недостаток кислорода прежде всего начинают ощущать клетки головного мозга, наиболее нуждающиеся в непрерывном подводе этого «жизненного газа». Вот почему на высоте примерно 4 километров летчик должен надеть кислородную маску, чтобы восполнить недостаток кислорода подводом его из баллона или газификатора жидкого кислорода. Такая маска помогает делу примерно до 10–11 километров, а при дальнейшем увеличении высоты даже вдыхание чистого кислорода не устраняет кислородного голодания. На высоте примерно 15 километров поступление кислорода в кровь прекращается вовсе, так как на этой высоте легкие оказываются заполненными продуктами дыхания и свежий воздух в них не проникает — его давление оказывается недостаточным для этого. Вот эту-то высоту и можно считать границей атмосферы с точки зрения дыхания. Как показывает опыт, на высоте 15 километров даже тренированный человек теряет сознание из-за кислородного голодания через 10–15 секунд, причем это время не меняется при дальнейшем увеличении высоты. Только исключительная физическая выносливость Коккинаки позволила ему достичь высоты 14,5 километра в рекордном полете 21 ноября 1935 года.
Но не только удушение вследствие недостатка кислорода грозит человеку при увеличении высоты. Оказывается, на больших высотах даже самый хладнокровный человек рискует… вскипятиться, только не в переносном, а в буквальном смысле. Уже на высотах порядка 8 километров у человека начинаются так называемые декомпрессионные расстройства, связанные с уменьшением атмосферного давления. Эти расстройства аналогичны «кессонной болезни» водолазов. При этом газы, заключенные в жидкостях и тканях человеческого тела, начинают выделяться из раствора, образуя пузырьки. Это касается прежде всего азота в крови и в тканях, в особенности жировых, а также углекислоты, водяных паров и др. Такие газовые пузырьки образуются в кровеносных сосудах, в полостях суставов, в тканях, вызывая нарушение нормальной деятельности органов человеческого тела и причиняя нестерпимую боль.
По мере снижения атмосферного давления выделение газов увеличивается, но настоящая катастрофа происходит, когда давление окружающего воздуха становится равным 47 миллиметрам ртутного столба, что соответствует примерно высоте 19 километров. Когда давление снижается до этой величины, температура кипения воды, которая, как известно, уменьшается при уменьшении давления, снижается как раз до 37°, то есть до температуры человеческого тела. Это значит, что все жидкости в человеческом теле начинают кипеть, переходить в парообразное состояние (в действительности картина более сложна, в частности, углекислота приводит к кипению при меньших температурах). Опыты, проведенные на собаках, убедительно показали, что дело происходит именно так. Когда подопытных собак подвергали внезапной декомпрессии, понижая давление с нормального или слегка пониженного до 30 миллиметров ртутного столба, что соответствует примерно высоте 22 километра, то через 30 секунд подкожная клетчатка начинала быстро вздуваться. Не более чем через минуту после этого прекращалось дыхание, еще через минуту останавливалось сердце. Так физиология человеческого организма устанавливает еще одну границу атмосферы и начало Космоса.
Фильтрующее действие атмосферы проявляется на несколько больших высотах. Космические лучи оказываются почти неослабленными уже на высоте 20–25 километров; ультрафиолетовые лучи Солнца — на высоте свыше 30–35 километров. Серьезных неприятностей от встреч с метеоритами можно ожидать на высоте 100–110 километров — именно на этой высоте обычно вспыхивают «падающие звезды».
Таким образом, с точки зрения перечисленных выше свойств атмосферы мировое пространство начинается уже на высоте 15–20 километров и становится «абсолютным» на высоте свыше 100 километров. Однако некоторые явления в атмосфере происходят на гораздо больших высотах — в частности, северные сияния полыхают на высотах до 1000 и даже более километров (наибольшая зарегистрированная высота равна 1200 километрам).
Сопротивление, которое оказывает атмосфера какому-нибудь телу, передвигающемуся в ней с определенной скоростью, зависит от плотности воздуха. На тех высотах, где плотность становится ничтожно малой, и сопротивление оказывается исключительно малым. Можно полагать, что это относится уже к высотам порядка 100 километров, [27] однако некоторые ученые считают, что при полетах с огромной, космической скоростью сопротивление воздуха должно не только приниматься в расчет, но что оно может играть относительно большую роль даже на высоте многих сотен километров.
27
На этой высоте давление и плотность воздуха в 10 миллионов раз меньше, чем на Земле.