Дебаты о том, что же будет чувствовать "раздетый" человек в космосе - тема, которая лишь кажется заезженной. Если начать углубляться в детали, открывается множество вопросов, которые требуют сложного и комплексного ответа. Вопросы из разряда - "...в космосе жарко или холодно?" на самом деле лишены смысла, и простой односложный ответ никак не поможет в понимании мироустройства.
Насколько человек способен представить себе ощущение температуры в космическом вакууме? Какова вообще концепция температуры в этом вопросе? Температуры на Луне колеблются от -100 до +120 градусов по Цельсию - но что это означает для астронавтов на ее поверхности?
Прежде чем поговорить о температуре в космосе, стоит сказать про антропоцентричность восприятия мира человеческим сознанием. Людям свойственно строить физическую картину мироздания, исходя из своих ощущений. Например, такие сложные физические явления, как корпускулярно-волновой дуализм или концепция пространства-времени Эйнштейна, невозможно в полной мере "понять" или представить - мы можем только разобраться в математических моделях, описывающих эти физические свойства. Поскольку такие явления не встречаются нам в повседневной жизни – нам просто не с чем их сравнить, у нас нет опыта взаимодействия с ними, или с чем-то похожим, в привычных Земных реалиях.
В отличие от сложных феноменов из области фундаментальной физики, наше представление о температуре кажется чем-то знакомым и понятным. Она ассоциируется с осязанием – это опыт, доступный восприятию, опыт, основанный на непосредственных ощущениях, передаваемых нервными окончаниями кожи в центральную нервную систему.
Тем не менее, даже такая привычная и, казалось бы, конкретная концепция, как температура, подвергается искажениям, когда речь заходит о космическом пространстве. Сможет ли человек в полной мере понять "отсутствие" температуры в вакууме? Ведь он невольно будет задаваться вопросом: хорошо, допустим, в вакууме нет температуры как таковой, но что я буду чувствовать, находясь в нем?
Когда мы говорим о тепле и холоде, мы невольно опираемся на собственные биосенсорные сигналы. Но наши биологические возможности не всегда соответствует реальности физических процессов, особенно в такой необычной и экстремальной среде, как космос. Чувство температуры, которое опирается на сложный механизм восприятия, формировавшийся миллионы лет в условиях Земли, может оказаться бессильным для понимания температурных условий в космосе.
Для примера: Вам вероятно неоднократно встречалась инфографика с изменением температуры атмосферы Земли в зависимости от высоты. Атмосфера Земли простирается ввысь на тысячи километров, однако, уже на высотах свыше 50 километров ее плотность настолько низкая, что в бытовом плане это можно назвать вакуумом. Но это не мешает веществу в верхних слоях атмосферы иметь собственную температуру - на высоте полета МКС, температуры могут достигать 500° - 1000° по Цельсию.
В погоне за пониманием температурных аномалий космического пространства стоит начать с основ, чем в действительности является температура с физической точки зрения. Если отбросить бытовые ассоциации и ощущения, температура в физике – это мера средней кинетической энергии частиц (атомов, молекул, ионов) в веществе. Все вещество, будь то твердое, жидкое или газообразное, состоит из молекул, атомов или ионов, находящихся в постоянном движении. Чем интенсивнее это движение, тем больше энергии способно передать это вещество, взаимодействия с другой материей.
В этих условиях, концепция температуры начинает выходить за рамки привычного антропоцентричного восприятия. Мы переходим от ощущаемого тепла и холода, от температурных градаций, осязаемых кожей, к более абстрактным понятиям, где температура становится выражением энергии, взаимодействующей с материей на молекулярном и атомном уровнях.
Рассмотрим космический вакуум в окрестностях Земли. Хотя это пространство кажется абсолютно пустым и лишенным вещества, на самом деле там присутствует небольшое количество частиц. Они, несмотря на свою разреженность, обладают определенной температурой, вызванной их кинетической энергией. Однако плотность этих частиц настолько низка, что ощутимого воздействия на тело человека или другой объект они не окажут.
Это приводит нас к одному из ключевых моментов в понимании температуры в космосе. В отсутствие достаточного количества вещества, способного передавать тепло, главным механизмом передачи энергии становится электромагнитное излучение. В случае с околоземным пространством, это излучение, в первую очередь, исходит от Солнца и включает в себя инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый спектры.
Поэтому температура каждого объекта в космическом пространстве, определяется не только внутренним теплом, но и абсорбированной энергией, полученной от электромагнитного излучения.
Чтобы понять, как температура передается излучением, а не теплоносителем в виде воды или воздуха, Вы можете провести простой опыт в домашних условиях. Для этого Вам потребуется обычная лампа накаливания (не светодиодная, они слишком слабо излучают в инфракрасном диапазоне). Просто поднесите руку к выключенной лампе на расстояние нескольких сантиметров – и затем включите ее. Даже не успев нагреть воздух вокруг себя, свет лампы моментально начнет нагревать кожу. Это подобно тому, как солнечное излучение нагревает объекты в космосе – не требуя наличия воздуха или другого переносчика, излучение способно передавать энергию напрямую.
Итак, давайте постараемся провести мысленный эксперимент, где представим человека в открытом космосе без какого-либо защитного снаряжения. В рамках этой фантазии, отбросим проявления космического вакуума, связанные с отсутствием давления. Не будем говорить об отсутствии воздуха для дыхания и о декомпрессии — сосредоточимся на вопросе температур.
Для начала рассмотрим вопрос: каковы будут наши ощущения, если мы окажемся не просто в космическом вакууме, но и в абсолютной темноте, далеко от любых источников света? Инстинктивно кажется, что нам сразу станет холодно, и этот холод будет похож на тот, который мы ощущаем зимней ночью на Земле.
Однако, стоит учитывать, что наш организм – это не просто пассивный приемник окружающей температуры. Он активно участвует в процессе терморегуляции благодаря внутренним биологическим процессам. Метаболизм, работа клеток, химические реакции — все это генерирует тепло, поддерживая температуру тела на определенном уровне.
В отсутствии внешнего теплоносителя, такого как воздух или вода, внешняя поверхность кожи будет остывать за счет излучения (в основном инфракрасного). Она будет излучать тепло в окружающее пространство, но процесс этот будет несколько отличаться от замерзания на Земле. На нашей планете тепло уходит в холодный воздух или воду; это процесс конвекции, при котором тепло передается от горячего тела к холодному.
В вакууме космоса отсутствует теплоноситель. Единственный способ, которым тело может терять тепло — через излучение. При этом стоит понимать, что это излучение постоянно продуцируется любым объектом, температура которого хоть сколько-нибудь выше абсолютного нуля, и чем температура выше, тем больше излучение. Но каков баланс этого процесса? Отдает ли человек тепла больше, чем способен производить за счет своих биологических процессов?
Давайте посчитаем. Находясь в состоянии покоя, человек средней комплекции генерирует энергию мощностью около 200 Ватт — за счет всех своих биологических процессов. Этот показатель может достигать 700 Ватт, если человек занимается интенсивной физической активностью. Но сколько же энергии излучает поверхность кожи человека, если он находится в полной темноте в вакууме? Это можно рассчитать, воспользовавшись формулой Стефана-Больцмана, и полученное значение составит около 1000 Ватт излучаемой энергии.
Для расчета по формуле нам достаточно знать температуру тела человека (около 310 Кельвинов), площадь поверхности его кожи (около 2 квадратных метров) и коэффициент излучения (для кожи человека он близок к 1).
Таким образом, мы видим, что баланс нагрева и охлаждения тела человека в "темном" космосе будет отрицательным, и это будет означать постепенное охлаждение. То есть в такой гипотетической ситуации человек действительно начнет замерзать. Происходить это будет не так быстро, как в присутствии теплоносителя (например, в ледяной воде). Для того, чтобы произошла гипотермия, то есть охлаждение организма до критических 34 градусов Цельсия, должно пройти около 10-15 минут. На то, чтобы тело остыло до 0 градусов Цельсия, и превратилось в "ледышку" - и вовсе уйдет несколько часов.
Но вернемся к "освещенному" космосу. Что же будет с объектом в космическом пространстве под воздействием солнечного света?
Находясь в космосе под прямыми лучами Солнца, человек оказывается под воздействием интенсивного потока энергии. Удалённость от Солнца определяет количество энергии, поступающей на каждый квадратный метр поверхности. На орбите Земли эта величина составляет приблизительно 1361 ватт на квадратный метр. И на этом моменте вступает в игру такой параметр, как альбедо, или отражающая способность материала.
Бондовское альбедо – это отношение отраженного света к поглощенному, при этом речь идет не только видимом свете, но и о других диапазона спектра электромагнитного излучения, включая инфракрасный и ультрафиолетовый. С его помощью можно оценить, какая часть солнечной энергии отражается от поверхности, а какая абсорбируется. Для человеческой кожи альбедо составляет приблизительно 0.3, что означает, что кожа абсорбирует около 70% воздействующей на нее солнечной энергии.
Эти данные приобретают драматическую актуальность в космосе, где нет атмосферы, способной рассеять часть солнечных лучей. В таких условиях кожа человека, попадающая под прямые солнечные лучи, будет нагреваться до экстремально высоких температур, превышающих 100 градусов Цельсия. Последствия такого нагрева будут катастрофическими: сильнейшие ожоги и гибель тканей на подсолнечной стороне. При этом сторона тела, отвернутая от Солнца, не будет испытывать аналогичного нагрева.
Именно поэтому, если вы посмотрите на шлем космического скафандра, то увидите, что стекло не полностью прозрачно - оно покрыто специальным отражающим материалом, и выглядит как полузеркальное.
Ну что же, теперь мы можем подвести итоги нашего мысленного эксперимента.
Температура самого космоса, а точнее крайне малочисленных частиц в нём - может колебаться от почти абсолютного нуля и до тысяч градусов. Но поскольку их плотность измеряется порой несколькими молекулами на кубический метр, человек никак не сможет ощутить эту космическую температуру своими органами чувств. Но если мы помещаем в условия космического вакуума различные объекты - будет резонно говорить об их собственной температуре, том, насколько они могут охладиться за счет собственного излучения, или о том, насколько могут нагреться в случае наличия излучения извне. Что же касается органов чувств человека, в таких условиях они были бы способны воспринимать только собственную температуру тела.
Что же касается астронавтики, реальный опыт пребывания человека в космосе далек от гипотетических размышлений о "голом теле" в вакууме. Все, кто имел возможность ступить за пределы атмосферы нашей планеты, были надежно защищены специализированным оборудованием — космическими скафандрами. Эти сложные технические конструкции — результат десятилетий научных исследований, инженерных разработок и тестирования. Они созданы так, чтобы обеспечить максимальную защиту и удобство космонавта в условиях, где воздействие температуры и отсутствие давления могут иметь смертельные последствия.
Белый цвет скафандров — это не модный дизайн, а практическое решение для минимизации абсорбции солнечной энергии. Благодаря низкому альбедо, скафандр отражает большую часть солнечных лучей, препятствуя избыточному нагреву. Но даже при низком альбедо, внешняя поверхность скафандра может нагреваться и остывать до больших значений. Поэтому материалы, из которых изготавливают космические скафандры, способны выдерживать высокие и низкие температуры, не теряя своих свойств. Они прошли тщательное тестирование и оптимизацию, чтобы обеспечить надежную работу в условиях крайних температурных колебаний.
Но нагрев внешних слоев скафандра никак не влияет на положение дел внутри него. Защита от внешнего излучения, скрывающая астронавта от прямых лучей — это только одна из функций. Внутри скафандра создается специфический микроклимат, который поддерживается на оптимальном уровне для жизнедеятельности человека. Системы терморегуляции, вентиляции и контроля влажности работают сообща, чтобы обеспечить комфортные условия в любой ситуации, будь то нахождение под прямым солнечным светом или нахождение в тени. Сама суть этого снаряжения сводится к тому, что бы оградить человека от контакта с излишне горячими или холодными поверхностями, будь то внешний слой самого скафандра, или поверхность космической станции, на которой он работает.
В следующей части статьи мы обсудим температурные условия на других планетах, и то, какие вызовы это создает для пилотируемой космонавтики.
