Космический вакуум

Космический вакуум — это состояние пространства, характеризующееся чрезвычайно низким давлением и плотностью вещества, значительно ниже, чем в искусственно создаваемых на Земле вакуумных камерах. В отличие от абсолютного вакуума, который является теоретической абстракцией, космический вакуум не является пустотой в полном смысле слова: он заполнен разреженным межзвёздным и межгалактическим газом, пылью, электромагнитным излучением, космическими лучами, нейтрино, а также полями (гравитационным, магнитным) и гипотетической тёмной материей.

Физические характеристики

Давление и плотность

Давление в космическом вакууме на много порядков ниже, чем в самой совершенной земной вакуумной установке. В межзвёздной среде давление составляет от 10⁻¹⁴ до 10⁻¹⁶ Па (для сравнения: атмосферное давление на уровне моря — около 10⁵ Па). В межгалактическом пространстве оно может быть ещё ниже — до 10⁻¹⁸ Па. Плотность вещества также крайне мала: в среднем в межзвёздной среде она составляет около 1 атома водорода на кубический сантиметр, в межгалактической — до 1 атома на кубический метр.

Температура

Температура в космическом вакууме не является однозначной характеристикой, так как она определяется кинетической энергией частиц. В разреженной среде температура может быть как очень высокой (миллионы кельвинов в разреженной плазме солнечной короны), так и крайне низкой (около 2,7 К — температура реликтового излучения, заполняющего всю Вселенную). Термодинамическое равновесие в таких условиях, как правило, отсутствует.

Состав

Космический вакуум неоднороден. Его состав включает:

• Межзвёздный газ (преимущественно водород и гелий с примесью более тяжёлых элементов).
• Межзвёздную пыль — твёрдые микроскопические частицы силикатов, графита, льда.
• Космические лучи — высокоэнергетические заряженные частицы (протоны, ядра гелия, электроны), движущиеся со скоростями, близкими к скорости света.
• Электромагнитное излучение — от радиоволн до гамма-излучения, включая реликтовое излучение.
• Нейтрино — частицы, практически не взаимодействующие с веществом, пронизывающие пространство в огромных количествах.
• Тёмная материя — гипотетическая форма материи, не проявляющая себя в электромагнитном взаимодействии, но обнаруживаемая по гравитационному воздействию.

Границы и распространение

Понятие «космический вакуум» применимо не ко всему космосу. Внутри звёзд, планет, атмосфер и других плотных объектов вакуум отсутствует. Условной границей, за которой начинается космический вакуум, считается линия Кармана — высота около 100 км над уровнем моря, где атмосфера становится настолько разреженной, что для поддержания полёта летательного аппарата уже недостаточно аэродинамических сил.

В пределах Солнечной системы плотность вещества уменьшается по мере удаления от Солнца, но даже в межпланетном пространстве присутствует солнечный ветер — поток заряженных частиц, создающий давление около 10⁻⁹ Па. За пределами гелиосферы, в межзвёздной среде, плотность вещества падает ещё сильнее.

Влияние на человека и технику

Воздействие на организм человека

Космический вакуум представляет смертельную опасность для незащищённого человека. В условиях вакуума происходит резкое падение давления, что приводит к:

• Эбуллизму — закипанию жидкостей организма (слюны, слёз, влаги на слизистых) при температуре тела, так как точка кипения снижается до физиологических значений.
• Гипоксии — кислородному голоданию, приводящему к потере сознания через 10–15 секунд.
• Декомпрессионной болезни — образованию газовых пузырьков в крови и тканях.
• Расширению газов в полостях тела (лёгкие, желудочно-кишечный тракт), что может вызвать разрывы тканей.

Вопреки распространённым мифам, тело человека не разрывается и не замерзает мгновенно. Кожа и кровеносная система достаточно прочны, чтобы выдержать перепад давления. Полное замерзание в вакууме происходит медленно из-за отсутствия конвекции. Смерть наступает от удушья в течение 1–2 минут.

Воздействие на технику

Космический вакуум создаёт ряд проблем для космических аппаратов:

• Теплообмен: в вакууме отсутствует конвекция, поэтому отвод тепла от работающего оборудования возможен только за счёт теплового излучения. Это требует специальных систем терморегуляции (радиаторов, тепловых труб).
• Смазка и трение: обычные смазочные материалы испаряются в вакууме, поэтому используются специальные вакуумные смазки или твёрдые покрытия (например, дисульфид молибдена).
• Электрические разряды: в вакууме возможно возникновение дуговых разрядов между контактами при высоком напряжении.
• Сублимация материалов: некоторые вещества (цинк, кадмий, некоторые полимеры) постепенно испаряются в вакууме, что может привести к изменению свойств деталей.
• Холодная сварка: в условиях глубокого вакуума чистые металлические поверхности могут свариваться при контакте без нагрева, что требует специальных покрытий и конструктивных решений.

Использование в науке и технике

Космический вакуум является уникальной средой для проведения научных экспериментов и технологических процессов, которые невозможно реализовать на Земле. Космические аппараты и орбитальные станции используются как лаборатории для:

• Производства сверхчистых материалов: в вакууме и микрогравитации можно выращивать кристаллы с высокой степенью совершенства, получать сплавы с уникальными свойствами.
• Биологических экспериментов: изучение влияния вакуума и радиации на живые организмы, клетки, семена.
• Астрономических наблюдений: отсутствие атмосферы позволяет проводить наблюдения в ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах, которые поглощаются земной атмосферой.
• Испытаний космической техники: перед запуском все аппараты проходят наземные испытания в вакуумных камерах, имитирующих условия космоса.

Сравнение с земным вакуумом

Современные вакуумные насосы способны создавать на Земле сверхвысокий вакуум с давлением до 10⁻¹⁰ Па. Однако даже такой вакуум значительно плотнее, чем в межзвёздной среде. Кроме того, в наземных вакуумных камерах невозможно полностью избавиться от стенок, которые являются источником десорбирующихся газов и загрязнений. Космический вакуум, напротив, не имеет границ и является практически неограниченным по объёму.

Интересные факты

• В 1965 году во время испытаний скафандра в вакуумной камере в США (NASA) произошла авария: у испытуемого Джима ЛеБлана разгерметизировался скафандр. Он потерял сознание через 12–15 секунд, но был спасён благодаря быстрой рекомпрессии. Этот случай подтвердил, что человек может выжить в вакууме в течение короткого времени.
• В 1971 году при разгерметизации спускаемого аппарата «Союз-11» (СССР) погибли все три космонавта (Георгий Добровольский, Владислав Волков, Виктор Пацаев) из-за воздействия космического вакуума. Это единственный случай гибели людей непосредственно в космическом вакууме.
• В вакууме звук не распространяется, так как отсутствует среда для передачи механических колебаний. Это делает космос абсолютно беззвучным.
• Космический вакуум не является идеальным изолятором: в нём возможно протекание электрических токов за счёт эмиссии электронов с поверхностей и наличия заряженных частиц.

Источники

• «Физика космоса» (малая энциклопедия), под ред. Р. А. Сюняева, 1986.
• «Космонавтика: энциклопедия», под ред. В. П. Глушко, 1985.
• «Основы космической биологии и медицины», под ред. О. Г. Газенко, 1975.
• NASA Technical Reports Server: «Human Exposure to Vacuum» (1965).
• «Spacecraft Systems Engineering» by P. Fortescue, J. Stark, G. Swinerd, 4th edition, 2011.