Вакуум космоса — место, которое выдвигает крайне жесткие условия для пребывания в нём без специального снаряжения. Зачастую проскакивает предположение, что, поскольку вакуум не передаёт тепло, человек не должен замерзать в космосе. Однако это представление неверно, и вот почему.
Верно, что теплопроводность вакуума равна нулю, однако важно помнить, что вакуум пропускает излучение. Человек замерзает, когда его тепловые потери выше тепла, поступающего из окружающей среды. Космос, заполненный реликтовым излучением с температурой примерно 2.7 K, предоставляет ничтожно мало тепла для компенсации тепловых потерь человека.
Оценим, за какое время может замёрзнуть среднестатистический человек в космическом вакууме без защитного скафандра. Параметры человека: масса m = 70 кг, площадь поверхности тела S = 1,9 м². Из закона Стефана-Больцмана, любое тело с температурой Т (в Кельвинах) в термодинамическом равновесии излучает инфракрасное (тепловое) излучение со светимостью Q = εσT⁴, где σ = 5,67×10⁻⁸ Вт/(м²⋅К⁴), а ε — излучательная способность (ε = 0, если человек в исправном скафандре, и ε = 1, если он абсолютно "чёрное тело"). Возьмём ε = 0.9 (человек голый).
Посчитаем, за какое время человек при начальной температуре Т₀= 36,6 °C (или 309,75 К), превратится в глыбу льда с температурой T₁= 0 °C (или 273,15 K) при условии, что он на 80% состоит из воды. Изменение тепловой энергии человека оценим из ΔQ₀ = cm(Т₀ - T₁) с дополнением (Lm) энергии, на случай полного оледенения. Время охлаждения человека от Т₀ до T₁ оценим из приближения t=ΔQ₀/<Q>, где <Q> = S⋅[Q(Т₀) + Q(T₁)]/2.
С учётом всех этих параметров, приходим к следующим результатам: за 20 минут температура тела опустится до 32 °C, вызывая потерю сознания; через 3 часа температура тела достигнет 0 °C; и за 10 часов человек превратится в глыбу льда с температурой 0 °C.
Таким образом, космический вакуум — это не место для прогулок без скафандра. Скафандр же отражает тепловое излучение тела, возвращая его человеку, что позволяет поддерживать комфортную температуру.
Здесь стоит отметить, что мы не учитывали медицинские проблемы, связанные с кожным покровом человека в вакууме, и интенсивное испарение влаги с кожи, что также является дополнительным и существенным источником охлаждения тела.
Конечно, можно возразить, что в наших расчётах мы учли только тепловые потери, но ведь человек — это и сам тепловая машина. Учтём и это. Средний человек потребляет около 2,5 ккал в день, что соответствует мощности в 120 Вт. Голое тело с температурой Т₀ = 36,6 °C, согласно закону Стефана-Больцмана, излучает тепловое (инфракрасное) излучение с мощностью S⋅Q = 900 Вт. Если бы вы были дома, голым на диване при температуре T = 25 °C, ваше тело получило бы около S⋅Q* = 850 Вт тепловой мощности из окружающей среды. Остаток, около S(Q − Q*) = 50 Вт, легко компенсировал бы ваш организм мощностью 120 Вт. Но в космосе, окружающая среда имеет температуру реликтового излучения (−270,4 °C) и нет способа компенсировать тепловые потери с поверхности тела (900 Вт). Таким образом, ваш организм, как тепловая машина (120 Вт), оказывается неспособным справиться с потерей тепла, и вы потеряете сознание уже через 20 минут.
Таким образом, ходить голым в космосе нельзя. Хотя вакуум не передает тепло, теплоизлучение от тела может быть недостаточно, чтобы поддержать его температуру. Это показывает, насколько сложными могут быть физические процессы в космическом пространстве, и почему необходимы специальные снаряжение и технологии для безопасного и успешного изучения космоса.
Ставьте палец вверх и подписывайтесь на канал, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!