Чем заполнено космическое пространство

Какая температура в открытом космосе!?

Какая температура в космосе за пределами земной атмосферы? А в межзвездном пространстве? А если мы выйдем за пределы нашей галактики, будет ли там холоднее, чем внутри Солнечной системы? И можно ли вообще говорить о температуре применительно к вакууму? Попробуем разобраться.

ЧТО ТАКОЕ ТЕПЛО.

Для начала необходимо понять, чем же в принципе является температура, как образуется тепло и отчего возникает холод. Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо рассмотреть строение материи на микроуровне. Все вещества во Вселенной состоят из элементарных частиц – электронов, протонов, фотонов и так далее. Из их сочетания образуются атомы и молекулы.

Микрочастицы не являются неподвижными объектами. Атомы и молекулы постоянно колеблются. А элементарные частицы и вовсе перемещаются со скоростями, близкими к световым. Какая тут связь с температурой? Прямая: энергия движения микрочастиц – это и есть тепло. Чем сильнее колеблются молекулы в куске металла, например, тем горячее он будет.

ЧТО ТАКОЕ ХОЛОД!?

Но если тепло – это энергия движения микрочастиц, то какой будет температура в космосе, в вакууме? Конечно, межзвездное пространство не совсем пустое – сквозь него движутся фотоны, несущие свет. Но плотность материи там намного ниже, чем на Земле.

Чем меньше атомы сталкиваются друг с другом, тем слабее греется вещество, которое из них состоит. Если находящийся под большим давлением газ выпустить в разреженное пространство, его температура резко понизится. На этом принципе основана работа всем известного компрессорного холодильника. Таким образом, температура в открытом космосе, где частицы находятся очень далеко друг от друга и не имеют возможности сталкиваться, должна стремиться к абсолютному нулю. Но так ли это на практике?

КАК ПРОИСХОДИТ ПЕРЕДАЧА ТЕПЛА!?

Когда вещество нагревается, его атомы испускают фотоны. Это явление тоже хорошо всем знакомо – накалившийся металлический волосок в электрической лампочке начинает ярко светиться. При этом фотоны переносят тепло. Таким образом энергия переходит от горячего вещества к холодному.

Космическое пространство не только пронизано фотонами, которые испускают бесчисленные звезды и галактики. Вселенная заполнена также так называемым реликтовым излучением, которое образовалось на ранних этапах ее существования. Именно благодаря этому явлению температура в космосе не может опуститься до абсолютного нуля. Даже вдали от звезд и галактик материя будет получать рассеянное по Вселенной тепло от реликтового излучения.

ЧТО ТАКОЕ АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ?

Никакое вещество нельзя охладить ниже определенной температуры. Ведь остывание – это потеря энергии. В соответствии с законами термодинамики в определенной точке энтропия системы достигнет нуля. В этом состоянии вещество уже не сможет терять энергию. Это и будет предельно возможная низкая температура. Абсолютный нуль – это минус 273,15 °C или ноль по шкале Кельвина. Теоретически такую температуру можно получить в замкнутых системах. Но на практике нигде во Вселенной невозможно создать область пространства, на которую не действовали бы никакие внешние силы.

КАКАЯ ТЕМПЕРАТУРА В КОСМОСЕ!?

Наша Вселенная не однородна. Ядра звезд раскалены до миллионов градусов. Но большая часть пространства, конечно же, значительно холодней. Если говорить о том, какая температура в открытом космосе, то она всего на 2,7 градуса выше значения абсолютного нуля и составляет минус 270,45 по Цельсию.

Это тепло возникает за счет уже упоминавшегося реликтового излучения. Но Вселенная расширяется, а это означает, что ее температура будет постепенно снижаться. Теоретически через триллионы лет вещество в ней может охладиться до минимально возможной отметки. Но вопрос о том, закончится ли расширение Вселенной “тепловой смертью”, либо же она станет более разнородной и структурированной из-за действия сил гравитации, остается предметом дискуссий.

В местах скопления материи теплее, но ненамного. Облака газа и пыли, встречающиеся между звездами нашей галактики, имеют температуру от 10 до 20 градусов выше абсолютного нуля, то есть минус 263-253 °C. И только вблизи звезд, внутри которых протекают реакции ядерного синтеза, можно найти достаточно тепла для комфортного существования белковых форм жизни.

ТЕМПЕРАТУРА НА ОКОЛОЗЕМНОЙ ОРБИТЕ.

А какова температура вблизи нашей планеты? Стоит ли космонавтам, отправляющимся на МКС, запасаться теплыми вещами? На околоземной орбите металл под прямыми лучами солнца прогревается до 160 градусов Цельсия. В то же время в тени предметы будут остывать до минус 100 °C. Поэтому для выхода в открытый космос используются скафандры с надежной теплоизоляцией, нагревателями и системой охлаждения, защищающие человека от столь серьезного перепада температур.

Не менее экстремальные условия на поверхности Луны. На ее освещенной стороне жарче, чем в Сахаре. Температура там может превысить 120 °C. Но на темной стороне она падает приблизительно до минус 170 °С. Во время высадки на Луну американцы использовали скафандры, в которых было 17 слоев защитных материалов. Терморегуляция обеспечивалась специальной системой трубочек, в которых циркулировала вода.

ТЕМПЕРАТУРА НА ДРУГИХ ПЛАНЕТАХ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ.

На климат большое влияние оказывает наличие либо отсутствие атмосферы. Это второй по значению фактор после расстояния до Солнца. Понятно, что по мере удаления от светила температура в космосе падает. Но наличие атмосферы позволяет удержать часть тепла благодаря парниковому эффекту. Наиболее яркой иллюстрацией этого явления может служить климат Венеры. Температура на ее поверхности достигает 477 °C. Благодаря атмосфере Венера жарче, чем Меркурий, который находится ближе к Солнцу. Средняя температура поверхности Меркурия 349,9 °C днем и минус 170,2 °C ночью. Марс может нагреваться до 35 градусов Цельсия летом на экваторе и охлаждаться до -143 °C зимой в районе полярных шапок. На Юпитере температура достигает -153 °C.

Но чем дальше от Солнца, тем холоднее. Уран уже не спасает даже атмосферный слой. Он хоть и задерживает тепло, не давая ему сразу уходить в открытый космос, но температура там все равно падает до минус 224 °C. Но холоднее всего на Плутоне. Температура его поверхности – минус 240 °C. Это лишь на 33 градуса выше абсолютного нуля.

САМОЕ ХОЛОДНОЕ МЕСТО В КОСМОСЕ.

Выше было сказано, что межзвездное пространство прогревается реликтовым излучением, а потому температура в космосе по Цельсию не опускается ниже минус 270 градусов. Но оказывается, могут существовать и более холодные участки. В 1998 году телескоп Хаббл обнаружил газо-пылевое облако, которое стремительно расширяется. Туманность, названная Бумерангом, образовалась вследствие явления, известного как звездный ветер. Это очень интересный процесс. Суть его состоит в том, что из центральной звезды с огромной скоростью “выдувается” поток материи, которая попадая в разреженное космическое пространство охлаждается вследствие резкого расширения.

По оценкам ученых, температура в туманности Бумеранг составляет всего один градус по шкале Кельвина, или минус 272 °C. Это самая низкая температура в космосе, которую на данный момент удалось зафиксировать астрономам. Туманность Бумеранг находится на расстоянии 5 тысяч световых лет от Земли. Наблюдать ее можно в созвездии Центавра.

Чем заполнен космический вакуум?

Принято считать, что космические пространства заполнены разве что вакуумом, то есть пустотой. Однако, такое утверждение не совсем верно.

Начнем хотя бы с того, что даже сами наши представления о вакууме, то есть безвоздушном пространстве, весьма относительны. Например, в электрической лампочке «нет воздуха», говорим мы, он оттуда выкачан. Сравнительно с комнатным воздухом там — вакуум. Но физик с помощью своих лучших насосов может так выкачать воздух из какой-либо стеклянной трубки, что по сравнению с ним пространство внутри электрической лампы будет просто кишеть мириадами молекул.

Так выглядит газовая диффузная туманность

Вот и космический вакуум также относителен. Газовые диффузные туманности, хотя и имеют плотность, меньшую чем одна миллиардная от миллиардной доли грамма в кубическом сантиметре, но все же никак не могут считаться «пустотой». Но и там, где нет ни звезд ни туманностей, тоже не царит абсолютное «ничто». Оно также заполнено газом, пускай и ничтожной плотности. Вот и выходит, что космический вакуум это никакая не пустота, а та же газовая среда, хотя и ужасно разряженная.

Впрочем, не только газовая! На спектрографе космический вакуум «светится» громадным количеством атомов различных химических элементов, но преобладают среди них ничто иное как кальций. Сперва это вызывало недоумение, но потом выяснилось, что ионизированный кальций поглощает свет главным образом в тех двух своих линиях, которые находятся в легко наблюдаемой части спектра. Атомы других элементов поглощают свет либо в очень многих линиях, как, например, железо, либо в такой области спектра (ультрафиолетовой), которая недоступна для изучения из-за ее полного поглощения в нашей атмосфере.

Поэтому-то линии других межзвездных атомов, если они есть, либо вообще не могут быть обнаружены, либо они менее заметны, потому что их общее поглощение разбивается на много разных поглощений — в каждой линии понемногу. Поэтому нет оснований считать ионизированный кальций единственным или преобладающим газом в межзвездных далях. Фигурально выражаясь, он только заявляет о своем присутствии громче других.

Можно все же попытаться найти и другие межзвездные газы, хотя бы слабые следы их. И действительно, после специальных поисков в спектрах звезд был найден межзвездный натрий, титан, калий, железо, циан и даже углеводород.

Общая плотность поглощающего межзвездного газа в несколько тысяч раз меньше плотности излучающих свет газовых туманностей. Полная же плотность межзвездного газа значительно больше и составляет не менее одной миллионной от миллиардной части одной миллиардной доли грамма в кубическом сантиметре. Если бы этот газ состоял из одного лишь водорода, то при такой плотности в 1 кубическом сантиметре содержалось бы только по одному атому, тогда как в таком же объеме комнатного воздуха их содержится 10 миллиардов миллиардов!

В действительности дело почти так и обстоит, так как водород на самом деле является главной составной частью межзвездного газа. Следующее за ним место занимает натрий, но на водород приходится 90% всей межзвездной среды, включая космическую пыль и метеориты. На долю последних приходится, как оказывается, ничтожная доля массы всей межзвездной среды, и больше всего в них весит самый легкий из газов.

И темные и светлые туманности которые мы видим с Земли, состоят из очень разряженных газов

Светлые туманности, то тут, то там видимые среди звезд и состоящие из газов, также светятся благодаря воздействию со стороны звезд, но в данном случае мы наблюдаем процесс так называемой флюоресценции — сама туманность не излучает света, а только отражает звездный, как правило исходящий от очень горячих звезд.

Подводя итог, хочу вновь задать вопрос, как и в начале: можно ли считать, что космос наполнен лишь пустотой? Нет, и мы в этом только что убедились. Однако, положа руку на сердце, мы должны признать и то, что такое утверждение не так уж далеко от действительности. Не смотря на наличие в космическом вакууме громадного числа атомов самых разных химический элементов, их количество, все-таки ничтожно мало.

В пределах доступной исследованиям части Вселенной на каждый кубический сантиметр звездного вещества приходится приблизительно 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 кубических сантиметров почти пустого пространства. А поскольку средняя плотность звезды лишь немного выше плотности воды, предыдущее утверждение можно перефразировать, сказав, что средняя плотность Вселенной порядка одного грамма на каждые 5 000 000 000 000 000 000 000 000 000 кубических сантиметров.

Это примерно в 10 триллионов раз меньше той плотности, которая считается высоким вакуумом, достигаемым при помощи обычной лабораторной техники.

Из чего состоит межпланетное пространство (вакуум) в космосе?

Технический вакуум – это состояние среды, при котором одна частица среды до другой пролетает расстояние сравнимое с размером сосуда. В космосе частицы пролетают расстояние без взаимодействия между собой порядка десятков и сотен метров. Температура в космосе около абсолютного нуля – т.е. около минус 270 градусов по цельсию. Атмосферного давления там нет. Реально человек в космосе без скафандра погибает не от удушья. Он взрывается изнутри. Для сравнения сильный поцелуй на коже оставляет засос. А теперь представьте засос в 1000 раз сильнее и на все тело.

Межпланетное пространство в космосе принято считать область, охватывающую саму звезду и ее планеты, то есть внутреннее пространство звезды: от центра до орбиты крайней планеты. Например, межпланетное пространство Солнечной системы состоит из восьми планет (ранее считалось, что планет 9, но в 2006 году девятую планету Плутон исключили из списка планет Солнечной системы, присвоив ей статус карликовой планеты).

По составу космическое пространство не является абсолютно пустым. Оно состоит из различных веществ, в том числе включает электромагнитные излучения и поля. В космическом пространстве присутствуют атомы, молекулы, ионы, плазма, космическая пыль, различный мусор.

Кстати, многие до сих пор заблуждаются по поводу температуры в космосе. Якобы считается, что в открытом космосе человек без скафандра насмерть замерзает или у него закипает кровь. Это не так. Просто человек умирает от недостатка кислорода.

Космос – не вакуум в котором ничего нет, Космос – это холодная плазма с плотностью 100 частиц на кубический сантиметр.

А солнечный ветер который летает по космосу – это горячая плазма с плотностью 10 частиц на кубический сантиметр.

Раз вопрос о межпланетных пространстве, то имеется в виду не весь космос, а чисто в пределах Солнечной системы. Потому что весь космос – это пространство по большей части межгалактическое, а не межпланетное.

И в нашем ближнем межпланетном космосе всего три составные части (почти по классику): излучение, пыль и солнечный ветер (который НЕ излучение, а поток протонов, то есть вещество). При этом солнечный ветер и излучение распределены более-менее равномерно по всем направлениям (но, понятно, не по радиусу), а вот пыль в основном сконцентрирована вблизи плоскости эклиптики, то есть там, где в основном и крутятся все кометы, из которых потом и получается пыль.

Считать ли это пространство вакуумом – зависит от точки зрения на вакуум. Сколь ни парадоксально, межпланетное пространство “более вакуумное”, чем межзвёздное, при том, что концентрация частиц в межпланетном больше на несколько порядков. Всё дело в расстояниях. Как тут уже отметили, среда тогда вакуум, когда длина свободного пробега частиц существенно больше размеров “сосуда”. И вот тут оказывается, что размер имеет значение. При той концентрации вещества, что имеется в пределах Солнечной системы (если не совсем уж близко к Солнцу) средняя длина свободного пробега оказывается больше размеров системы. А вот для межзвёздных расстояний, измеряемых не световыми минутами или даже световыми часами, а световыми годами, десятками световых лет, длина свободного пробега, при всей своей огромности, оказывается меньше характерных размеров рассматриваемой области. Поэтому в межзвёздном пространстве не вакуум – например, в нём может распространяться ударная волна от взрыва Сверхновой. Не разлёт вещества (он тоже есть, куда ж без него), а именно полноценная ударная волна как фронт возмущения среды.

Источники:

https://pikabu.ru/story/kakaya_temperatura_v_otkryitom_kosmose_5582486
https://starcatalog.ru/osnovyi-astronomii/chem-zapolnen-kosmicheskiy-vakuum.html
https://www.bolshoyvopros.ru/questions/5227-iz-chego-sostoit-mezhplanetnoe-prostranstvo-vakuum-v-kosmose.html