Какая температура в космосе и почему в нем так холодно
Благодаря научно-фантастическим фильмам космос зачастую представляется царством абсолютного холода. Но это лишь часть правды: здесь нет воздуха для передачи тепла, а значит, нет и температуры в привычном для нас смысле. Есть лишь энергия: излучение звезд и экстремальные перепады, которые испытывают планеты и искусственные объекты. Разбираемся, как измеряется температура в космосе и где искать самые холодные или горячие места во Вселенной.
Если вы увлекаетесь фильмами о космосе, то скорее всего видели такую сцену: один из героев волею судеб оказывается в безвоздушном пространстве без скафандра, и дальше происходит страшное: он или взрывается, или замерзает, превращаясь в ледяную глыбу — короче говоря, результат одинаково фатален. Но как все обстоит в реальности?
Какая температура в открытом космосе
Температура — это физическая величина, характеризующая скорость движения частиц [1]. Чем выше температура, тем больше скорость движения и наоборот. В то же время теплота — это количество энергии, которой обладают частицы объекта.
Само же космическое пространство не имеет температуры, поскольку в нем практически нет вещества для передачи тепла. Вместе с тем космический вакуум пронизан энергией, поэтому ответ на вопрос о температуре в космосе неоднозначен и зависит от того, что именно мы измеряем: энергию, заполняющую пустоту, или нагрев реального физического объекта, попавшего в нее [2].
Наличие температуры в космосе объясняется существованием так называемого космического микроволнового фонового (реликтового) излучения [3]. Это «эхо» Большого взрыва — остаток энергии, равномерно заполняющий всю Вселенную. Его температура оценивается примерно в 2,7 Кельвина (К), то есть около –270,45°C. Это самый низкий базовый «температурный фон» нашей Вселенной.
На нагрев или охлаждение объекта в космосе влияют несколько ключевых факторов, отличающихся от земных условий. Во-первых, в вакууме нет воздуха или другой среды, которые могли бы переносить тепло, поэтому объект не получает холод и не может быстро отдать тепло через взаимодействие.
Во-вторых, нагрев происходит только через поглощение излучения (например, солнечного света), а охлаждение — через испускание собственного инфракрасного излучения, причем оба процесса в космическом пространстве протекают медленно, в отличие от Земли. Что же касается небесных тел, на их температуру может влиять близость к звезде (например, к Солнцу), излучение далеких галактик или потоки заряженных частиц.
Чтобы измерить температуру в космосе, астрофизики обращаются к показателям электромагнитного излучения. Указать на температуру может свет, излучаемый звездой — когда заряженные атомные частицы выделяют энергию в виде фотонов. Такой способ применим к чрезвычайно горячим телам (около 3000°C), поскольку более низкие температуры наблюдаются в видимом спектре. В таком случае ученые используют оптические фильтры для изучения определенных длин волн.
Условные температурные значения в космическом пространстве
Средняя температура космического вакуума (реликтовое излучение): около –270,45 °C (2,7 К).
Температура на низкой околоземной орбите: колеблется от +120…+160 °C (на освещенной Солнцем стороне) до –100…–157 °C (на теневой стороне).
Температура в пустом межзвездном пространстве: около 3К (–270,15°C).
Поскольку температура как понятие применима прежде всего к материи, все указанные измерения стоит рассматривать скорее как ориентиры, описывающие условия для объекта, находящегося в указанной среде.
Почему в космосе холодно
Чтобы понять природу холода космоса, нужно прежде всего отказаться от земных представлений о температуре. Мы знаем о трех способах передачи тепла: теплопроводность (прикосновение к чему-либо), конвекция (перемещение жидкостей) и излучение (испускание света). Первые два фактора невозможны в космосе, поэтому остается лишь один, самый медленный путь — тихое испускание собственного тепла в форме излучения в бездонную черную пустоту.
Вся наблюдаемая Вселенная непрерывно расширяется уже почти 14 млрд лет. По мере этого гигантского растяжения пространства первоначально невероятно горячая и плотная плазма остывала. Сегодня самым убедительным доказательством явления служит космическое микроволновое фоновое излучение, о котором мы упоминали выше. Оно равномерно заполняет каждый кубический сантиметр космического вакуума и соответствует температуре всего 2,7К (–270,45°C). Объект, лишенный внешних источников тепла, будет остывать и в конечном счете придет именно к этому показателю.
На нашей планете мы ощущаем тепло или холод благодаря тому, что молекулы воздуха сталкиваются с нашей кожей, передавая или забирая энергию. Однако в пустом космическом вакууме плотность вещества ничтожна — в среднем около 1 атома водорода на см³. Это связано с тем, что в таких условиях, как правило, нет объектов, которые могли бы передавать тепло или охлаждать через прямой контакт.
Однако эта картина была бы неполной без упоминания важнейшего парадокса: космический вакуум, будучи причиной холода, одновременно служит и превосходным теплоизолятором. В таких условиях отсутствует конвекция и теплопроводность, поэтому горячий объект не может быстро охладиться.
Именно поэтому для инженеров космических аппаратов основную проблему составляет не столько способность выдерживать холодную температуру, сколько отвод избыточного тепло от работающей аппаратуры. На освещаемой Солнцем стороне, корпус спутника или космического корабля может раскаляться до +150°C, в то время как в тени он будет остывать до –120°C. В таком случае, угрозу представляет именно неспособность быстро рассеять энергию в условиях перепада температур.
Что же касается человека, прямое ощущение «холода» в космосе для него было бы обманчивым. Из-за отличного теплоизолирующего свойства вакуума человек, находясь в открытом космосе без скафандра, потерял бы сознание от декомпрессии и нехватки кислорода гораздо раньше, чем успел бы замерзнуть [4].
Зачем космонавту нужен скафандр и как он устроен
Самая низкая температура в космосе
Местом с самой низкой температур в космосе считается туманность Бумеранг, расположенная в созвездии Центавра на расстоянии около 5000 световых лет от нас. Температура газа в этой молодой планетарной туманности падает до 1К (–272°C), что всего на один градус выше абсолютного нуля (–273,15 °C).
Причина такого экстремального холода связана с умирающей звездой, расположенной в центре туманности. Выбрасывая вещество, она теряет свою массу с огромной скоростью — около 164 км/с.
Этот процесс можно сравнить с работой гигантского космического холодильника. Когда газ расширяется с такой чудовищной скоростью в почти пустое пространство, он совершает работу, на которую тратит свою внутреннюю тепловую энергию. В результате происходит мощнейшее охлаждение, которое и опускает температуру вещества до рекордно низких значений. Ученым на Земле удалось в лабораторных условиях достичь температур даже ниже, чем в туманности Бумеранг, но в природе столь экстремальный холод — большая редкость.
Самая высокая температура в космосе
Теоретическим абсолютным максимумом считается Планковская температура — это не просто огромное число, а фундаментальный предел, после которого перестают работать известные законы физики. Это значение равняется примерно 1,42 × 10³² К (или 142 нониллиона К). Такая колоссальная величина получена из комбинации фундаментальных констант: скорости света, постоянной Дирака, гравитационной постоянной и постоянной Больцмана.
При этой температуре энергия частиц становится настолько чудовищной, что гравитационное взаимодействие между ними сравнивается по силе с остальными фундаментальными взаимодействиями (электромагнитным, сильным и слабым). Предполагается, что пространство-время теряет привычную структуру, превращаясь в бурлящую «квантовую пену».
Согласно космологическим моделям, такое состояние материи могло существовать лишь в первое планковское время (около 10⁻⁴³ секунды) после Большого взрыва. С тех пор Вселенная непрерывно расширяется и остывает. Важно отметить, что любая попытка добавить энергии в систему с планковской температурой, согласно теории, приведет не к ее нагреву, а к охлаждению через образование черных дыр.
Хотя планковский предел недостижим для наблюдения, во Вселенной фиксируются температуры, способные поразить воображение. Абсолютный рекорд среди наблюдаемых космических явлений принадлежит столкновениям нейтронных звезд — сверхплотных остатков взорвавшихся массивных светил. В эпицентре такого события вещество на мгновение разогревается до 1 × 10¹⁵ Кельвина (один квадриллион градусов). При этой температуре протоны и нейтроны «расплавляются», образуя кварк-глюонную плазму — состояние материи, в котором она пребывала в первые микросекунды после Большого взрыва.
Что такое пульсары и как работают «маяки Вселенной»
Помимо редких явлений, во Вселенной существуют и более «привычные» высокотемпературные объекты. Средняя температура газа в крупных скоплениях галактик достигает десятков миллионов градусов, что регистрируется по их рентгеновскому излучению. Солнечная корона, внешняя атмосфера нашей родной звезды, раскалена в среднем до 1–2 млн градусов Цельсия, что в сотни раз горячее поверхности Солнца.
Какая температура в космосе за бортом МКС
Температурные условия на низкой околоземной орбите (415 км от поверхности Земли), где находится Международная космическая станция (МКС), нельзя охарактеризовать единым показателем. В данном случае все зависит от освещенности Солнцем.
За один виток вокруг Земли (около 90 минут) станция переживает примерно 45 минут палящего жара и 45 минут леденящего холода. На солнечной стороне, когда поверхность станции обращена к светилу, металлические элементы могут нагреваться до экстремальных значений в +150°C. [5]
Как только станция скрывается от солнечных лучей и уходит в тень Земли, ее корпус начинает стремительно остывать — примерно до –150°C и ниже. Таким образом, перепад температур, который испытывает обшивка МКС за один оборот вокруг планеты, может достигать около 300°C. В то же время внутри орбитального комплекса поддерживается комфортный диапазон температур для жизнедеятельности космонавтов: от 18 до 23°C.
Справиться с таким экстремальным режимом — ключевая задача для инженеров. С этой целью на МКС и других космических аппаратах используется система терморегуляции. Основу защиты составляет так называемая многослойная экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ) — золотистые или серебристые покрытия, которые состоят из множества слоев тончайшей полимерной пленки с металлическим напылением (чаще всего — алюминием). Между слоями создается вакуум, что делает их превосходным теплоизолятором.
Светоотражающее внешнее покрытие ЭВТИ эффективно отбрасывает большую часть солнечной радиации, не позволяя станции перегреться. Однако этого недостаточно для отвода внутреннего тепла, генерируемого приборами и экипажем. Эту задачу решает активная система жидкостного охлаждения [6], основанная на замкнутых контурах с аммиаком. Жидкое вещество циркулирует по трубам, перенося отработанное тепло от солнечных панелей к фотоэлектрическим радиаторам, откуда тепло выходит в космос.
Как скафандр выдерживает температуру в космосе
Защита человека в условиях космического вакуума и экстремальных температур — задача еще более сложная. Современный скафандр для выхода в открытый космос, такой как российский «Орлан-МКС» или американский Extravehicular Mobility Unit (EMU), по сути, является персональным космическим кораблем со своей системой жизнеобеспечения и терморегуляции. Это полноценные умные устройства, которые защищают космонавтов от окружающих условий, поддерживают стабильное давление внутри и также автоматически регулируют температуру.
«Орлан-МКС» против EMU: чем отличаются скафандры России и США
Чтобы справляться с экстремальными температурами, внешний слой большинства скафандров покрыт прочной тканью (неопрен, нейлон) и слоями из майлара (или белой ткани) для отражения солнечного света [7]. Такой «термос» в первую очередь защищает космонавта от внешнего теплового потока: отражает солнечное излучение и замедляет потерю внутреннего тепла в тени.
Для этого была разработана система терморегулирования. В «Орлане-МКС» она автоматическая с возможностью управления в ручном режиме.
С помощью костюма водяного охлаждения — комбинезона синего или черного цвета, который надевается под низ, происходит автоматическое охлаждение или нагрев тела, что сравнимо с системой климат-контроля в салоне автомобиля. Внутри костюма — тонкие гибкие трубочки, по которым бежит вода и забирает лишнее тепло от тела, передавая его в теплообменник с выходящим наружу «сублиматором» в задней стенке скафандра. Проходящий через сублиматор поток воды охлаждается, в то время второй поток остается теплым. Часть воды, забираемая из внутреннего бачка, уносит лишнее тепло с собой, испаряясь в вакууме. Параллельно система вентиляции прогоняет кислород по скафандру, удаляя углекислый газ, влагу и обеспечивая космонавту комфортные условия.
Температура на планетах Солнечной системы
В бескрайнем океане холодного космического вакуума планеты подобны островам с собственными уникальными условиями. Их температура зависит от разных факторов, включая расстояние до Солнца, наличие и состав атмосферы, скорость вращения, внутренние источники тепла, и многое другое.
Меркурий — ближайшая к Солнцу планета, характеризующаяся самыми экстремальными перепадами температур. На дневной стороне, обращенной к Солнцу, поверхность может нагреваться до +430°C, однако из-за практически полного отсутствия атмосферы, которая могла бы удерживать это тепло, ночная сторона стремительно остывает до –190°C. Средняя температура на планете составляет около 167°C.
Венера — вторая от Солнца планета и абсолютный рекордсмен по жаре в Солнечной системе. Ее плотная атмосфера, состоящая преимущественно из углекислого газа, создает парниковый эффект, что приводит к невероятно высокой температуре на поверхности. В среднем она достигает около 462°C.
Земля — планета с идеальным температурным балансом для существования жизни. Благодаря атмосфере, удерживающей часть тепла, но не приводящей к перегреву, средняя глобальная температура составляет около +15°C. Однако в отдельных точках планеты были зафиксированы как экстремальная жара до +70,7°C, так и морозы ниже –90°C.
Марс — довольно холодная и пустынная планета. Его разреженная атмосфера не способна эффективно сохранять тепло. Средняя температура на планете составляет около –63°C. Она может подниматься до комфортных +20-27°C или опускаться до –153°C.
Юпитер — газовый гигант, не имеющий твердой поверхности. В верхних слоях его облаков царит холод до –145°C. Однако по мере погружения вглубь атмосферы давление и температура стремительно растут. Средним значением температуры считается –130°С.
Сатурн — еще один холодный гигант, температура на верхней границе облаков которого падает до –175°C. При этом Сатурн, как и Юпитер, излучает больше тепла, чем получает от Солнца. Средняя температура оценивается примерно в –140 °C.
Уран — ледяной гигант и обладатель звания самой холодной планеты Солнечной системы. Минимальная температура в его атмосфере опускается до рекордных –224°C. Это объясняется не только огромным расстоянием от Солнца, но и тем, что его внутреннее ядро, в отличие от других гигантов, выделяет относительно мало тепла. Средняя температура — около –200°C.
Нептун — самая дальняя от Солнца планета, которая также классифицируется как ледяной гигант. Температура в верхних слоях его атмосферы достигает около –218°C. При этом в его недрах скрывается раскаленное ядро. В среднем температура планеты оценивается примерно в –200°C.
Частые вопросы
Как меняется температура в космосе при удалении от Земли?
При удалении от Земли в открытый космос температура меняется нелинейно и ее значение в каждой конкретной точке зависит не от расстояния до Земли, а от близости к источнику энергии, в основном — к Солнцу [8]. На низкой околоземной орбите (160–2000 км), где находится МКС, все зависит от солнечного излучения. Космический объект на освещенной стороне может нагреваться до +150°C, а в тени Земли остывать до –120°C.
В межпланетном пространстве между орбитами планет фоновая температура падает. Однако объект, движущийся в этой среде, по-прежнему будет иметь более теплую сторону, обращенную к Солнцу, и холодную теневую. Чем дальше от Солнца, тем будет меньше приток энергии и тем ниже температура объекта. Например, на орбите Марса солнечного тепла будет примерно в 2,3 раза меньше, чем на околоземной орбите.
В межзвездном пространстве, за пределами гелиосферы (области, наполненной солнечным ветром), прямое влияние Солнца исчезает. Доминирующим источником тепла становится реликтовое излучение Вселенной с его температурой около –270,45°C (2,7 К). Любой объект, лишенный внутренних источников тепла, в конечном счете остынет именно до этой температуры.
При какой температуре кипит вода в космосе?
В космическом вакууме понятие «температура кипения» теряет привычный смысл. Вода здесь закипает практически при любой температуре, даже ниже 0°C. Так происходит из-за отсутствия внешнего давления в условиях космического вакуума [9].
Молекулам воды не нужно набирать высокую температуру, чтобы преодолеть давление, поэтому при попадании в вакуум вода мгновенно вскипает, а затем ее пар мгновенно превращается в мелкие кристаллы льда. Это означает, что в чистом виде жидкая вода в открытом космосе существовать не может — она либо быстро испарится, либо замерзнет.
Замерзнет ли человек без скафандра в открытом космосе?
Экстремальные температуры — не самая большая опасность для человека в космосе. Существует еще ряд факторов, из-за которых выжить в таких условиях без скафандра или других средств, будет невозможным. По подсчетам ученых, человек в таком случае сможет продержаться всего 9–15 секунд, после чего потеряет сознание из-за декомпрессии и кислородного голодания. Без давления азот, растворенный в крови, образует пузырьки, а кислород быстро покинет легкие и кровь.
Только после этого наступит воздействие температур. Из-за отличающейся теплоизоляции вакуума человек не замерзнет мгновенно. Более того, он может даже получить солнечные ожоги на стороне, обращенной к Солнцу. Постепенное охлаждение будет происходить только за счет излучения собственного тепла телом, и этот процесс займет несколько минут [10].
Главное о температуре в космосе
В космосе нет единой температуры из-за отсутствия воздуха и вещества. Тепло в таких условиях почти полного вакуума передается только через излучение.
Холод космоса обусловлен прежде всего его пустотой (ничтожной плотностью вещества) и охлаждением из-за расширения Вселенной, при этом вакуум служит отличным теплоизолятором.
Основная температура космического вакуума определяется реликтовым (космическим микроволновым фоновым) излучением и составляет примерно 2,7 К (–270,45°C).
Самая низкая температура зафиксирована в туманности Бумеранг и составляет около –272°C (1 К), что всего на градус выше абсолютного нуля.
Теоретический предел высокой температуры — Планковская температура, которая могла существовать только в первые мгновения после Большого взрыва. При этой температуре перестают работать известные законы физики.
Наивысшая наблюдаемая температура во Вселенной фиксируется при столкновениях нейтронных звезд и достигает порядка ~1×10¹⁵ Кельвинов (квадриллион градусов)
Для защиты от перепадов температуры в космических аппаратах и скафандрах космонавтов используется специальная многослойная система терморегуляции.
Ранее мы рассказывали об антиматерии — самом дорогом материале во Вселенной. Что она собой представляет, как ее создают и как применяют — собрали все, что нужно знать.
Читайте также:
13 глупых вопросов про МКС: почему не падает на Землю и есть ли туалет
Что такое орбита простыми словами: как устроены космические дороги
Что такое новолуние и когда оно будет: календарь на 2025 год
Обложка Pro Космос
