<<< Предыдущая часть.
В предыдущей публикации мы рассказали, что из себя представляет концепция температуры в космическом вакууме. А как насчет других планет? То, что температуры на Луне колеблются от -100°С до +120°С - довольно известный факт. А конспирологи даже утверждают, что это каким-то образом помешало провести пилотируемые миссии Аполлон с высадкой астронавтов на поверхность нашего спутника. Но как устроена "лунная погода" на самом деле?
Для начала, обратимся к теоретической физике. Основа расчетов температуры таких безатмосферных планет, как Луна или Меркурий, лежит в применении закона Стефана-Больцмана, который был сформулирован еще в 1879 году. Суть закона заключается в утверждении, что любое тело, любой объект, температура которого выше абсолютного нуля, теряет энергию в виде электромагнитного излучения. Интенсивность этого излучения пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела. Мы уже описывали действие этого закона в предыдущей части, на примере того, как остывает тело, находясь в темноте и в космическом вакууме.
Однако, формула Стефана-Больцмана применима и в обратную сторону: с её помощью можно посчитать, до какой максимальной температуры нагреется поверхность объекта под воздействием солнечного света (или других источников излучения). Как уже упоминалось, любое сколько-нибудь "горячее" тело в космосе постоянно излучает энергию, стремясь к более низкой температуре. Но в реальных условиях объекты не только излучают энергию, но и принимают её со стороны других источников - например, это может быть солнечный свет.
Исходя из этого, можно произвести расчет, суть которого заключается в определении температуры, при которой количество поглощенной солнечной энергии равно количеству энергии, излучаемой объектом в космическое пространство. Другими словами, это состояние термодинамического равновесия, когда температура объекта остается постоянной, поскольку тело излучает и поглощает одинаковое количество энергии.
В случае с поверхностью Луны, максимальная расчетная температура, которой она может достигнуть под прямыми лучами Солнца, составляет приблизительно 400° Кельвина, или +127° Цельсия. Это значение может колебаться в небольшом диапазоне в зависимости от солнечной активности, точного расстояния до Солнца в текущий момент, и от свойств поверхности в конкретной местности на Луне.
Применяя этот закон, ученые получают возможность теоретически рассчитать температуру поверхности безатмосферных планет. В первой половине XX века были проведены первые расчеты температуры Луны, которые, несмотря на ограниченность технологий того времени, оказались достаточно точными, с погрешностью не более 5-7%. Современные технологии позволяют уточнять и расширять эти данные. На борту лунных орбитальных зондов и других космических аппаратов установлены инфракрасные спектрометры, которые обеспечивают высокую точность измерений температуры поверхности Луны, других планет и астероидов.
Но закон Стефана-Больцмана - это не единственный фактор в вопросе температуры Луны. Другой важный аспект - абсорбция солнечного излучения. Чтобы оценить, какая часть энергии Солнца действительно поглощается поверхностью, а какая отражается обратно в космос(не оказав теплового воздействия), используется понятие альбедо.
Альбедо – это доля солнечной энергии, отраженная от поверхности объекта обратно в космос, по отношению к общему количеству энергии, падающей на объект. Оно рассчитывается на основе наблюдений отраженного света. С помощью спектрометрических исследований измеряется интенсивность света, отраженного от поверхности, и сравнивается с интенсивностью входящего солнечного света. Эти данные позволяют получить достаточно точные оценки отражающей способности различных объектов Солнечной системы. Применительно к Луне, ее альбедо составляет приблизительно 0,11. Это означает, что 11% солнечного света отражается обратно в космос, а остальные 89% абсорбируются поверхностью и превращаются в тепло.
Для полного понимания процессов нагрева поверхности Луны и других безатмосферных тел, важно рассмотреть не только альбедо, но и специфику распределения солнечного света в зависимости от его угла падения. На том расстоянии, что мы и Луна находимся от Солнца (150 млн километров), интенсивность энергии излучения составляет 1361 Ватт на квадратный метр. Но при нагревании поверхности это актуально только когда свет падает на нее под прямым углом. В случае, если поверхность наклонная, такое же количество энергии распределяется на бо́льшую площадь.
- Математически это можно выразить так: доступная величина поступающей энергии равна мощности солнечного излучения, умноженному на синус угла наклона. Допустим, Солнце находится на высоте 30 градусов над горизонтом. В этом случае, синус 30 градусов равен 0.5, и поверхность получит только половину от максимальной интенсивности солнечного света, или ~680 Ватт на квадратный метр.
Таким образом, сила нагрева лунной поверхности зависит от угла падения солнечных лучей. Различные участки лунной поверхности обладают разными углами наклона к солнечному свету, что влияет на количество поглощаемой энергии. В одном регионе Луны можно обнаружить разнообразие температурных условий, обусловленное геометрией рельефа. Участки, обращенные перпендикулярно к солнечным лучам, подвержены большему количеству энергии. Тени от гор, кратеров и других выступов поверхности создают зоны, где солнечное излучение практически отсутствует, и это ведет к значительному снижению температуры.
Наконец, для полноты картины необходимо рассмотреть сам лунный реголит, пористый и мелкозернистый материал, покрывающий поверхность Луны. Он обладает своеобразными тепловыми характеристиками. Одной из ключевых особенностей является его низкая теплопроводность, что обусловлено агрегатной структурой и пористостью материала. Это влияет на способность реголита накапливать и передавать тепло.
При непосредственном воздействии солнечных лучей, верхний слой лунного реголита нагревается значительно, но этот горячий слой ограничен первыми несколькими сантиметрами поверхности. С углублением, температура резко снижается - именно из-за низкой теплопроводности этого материала. На глубине в несколько десятков сантиметров температура может быть значительно ниже (на десятки и сотни градусов), чем на поверхности. По этой же причине соседние участки лунной поверхности могут иметь существенно разные температуры, даже если они находятся в непосредственной близости друг от друга.
Итак, мы рассмотрели вопрос, как именно поверхность Луны приобретает свою температуру. Но что это означает для астронавта, который высадился на нашем спутнике?
На самом деле, для астронавта такое положение дел не сильно отличается от работы на низкой околоземной орбите, например за бортом Международной космической станции. Поскольку на Луне нет ощутимой атмосферы, то нет и теплоносителя, в среде которого находится скафандр с человеком внутри. По этой причине тепловое воздействие на скафандр оказывает не столько само нахождение на Луне, сколько нахождение под лучами Солнца. Как и в открытом космосе на орбите Земли, внешние слои скафандра, обращенные к свету будут сильно нагреваться, а затененные участки - остывать.
Что касается непосредственного контакта с реголитом - да, действительно, космонавт прикасается подошвами ботинок к достаточно горячему "лунному песку". Но и на Земле люди также сталкиваются с необходимостью защиты от повышенных температур поверхности: например, песчаные пляжи в южных странах могут нагреваться до 60-70 градусов Цельсия. Но даже простая обувь способна обеспечить надлежащую защиту от этого воздействия. Конечно, лунные 120°C это значительно выше, но как мы уже выяснили, это максимальная температура, до которой может прогреться лунный грунт, да и многослойная структура скафандра с активной системой охлаждения - это гораздо более продвинутая защита, чем пляжные тапочки.
На многих лунных фотографиях Вы можете заметить, астронавты отбрасывают длинные тени - это означает, что Солнце в эти моменты находилось низко над горизонтом. Специалисты NASA специально выбирали такое время для высадки экипажей. Как мы уже писали выше, интенсивность нагрева поверхности значительно зависит от угла падения солнечных лучей. Если Солнце находилось над горизонтом на высоте около 30 градусов, температура реголита составляла аналогичные горячим земным пескам 60-70 градусов по Цельсию. Практические измерения миссии Аполлон-11 гласят о температуре поверхности в 90°C по время выхода на поверхность.
Однако, все не настолько просто. Лунные условия ставят перед инженерами определенные вызовы. Один из них связан с возможностью контакта скафандра с лунной пылью, что влечет за собой изменение его альбедо. Пыль, оседая на поверхности скафандра, способна уменьшить его отражающие свойства, что автоматически ведет к повышению температуры внешнего слоя скафандра под воздействием солнечного света. Это влияет на системы терморегуляции скафандра, увеличивая нагрузку на них.
Однако, космические скафандры спроектированы так, чтобы справляться с подобными ситуациями. Они оборудованы комплексными системами охлаждения и нагрева, которые могут адаптироваться к различным уровням температурных воздействий, обеспечивая стабильный микроклимат внутри скафандра. Таким образом, даже при изменении альбедо скафандра из-за контакта с лунной пылью, интегрированные системы терморегуляции обеспечивают достаточную адаптацию для поддержания необходимого микроклимата внутри. По большому счету, даже максимально возможные на Луне температуры, до которых может нагреться внешний слой скафандра - являются штатной ситуацией для его работы.
Снова сравним это с работой на околоземной орбите. Поверхность МКС, например, покрыта специальными материалами, чтобы увеличить ее альбедо и снизить нагрев от солнечного излучения. К тому же, в отличие от "пачкающей" лунной пыли, поверхность станции не "окрашивает" скафандр в темный цвет. Однако, даже с учетом всех этих инженерных мер, некоторые элементы станции могут нагреваться до 100°C и более, а астронавты должны к ним прикасаться во время работы. В этом им и помогает защитное снаряжение в виде скафандра.
Лунные скафандры, использовавшиеся во времена миссий Аполлон, назывались A7L, и они были снабжены системой жидкостного охлаждения и вентиляции PLSS (Portable Life Support System, портативная система поддержки жизнедеятельности), которая была необходима для отведения избыточного тепла от тела астронавта и обеспечения комфортных условий внутри скафандра. Жидкость циркулировала через трубки, вшитые во внутренний костюм, отводя лишнее тепло от тела и перенося его в радиатор, где оно рассеивалось в открытый космос.
Подведем итоги.
Астронавт, находящийся на Луне, сталкивается с множеством факторов, обусловленных уникальными условиями этого безатмосферного небесного тела:
- Лунные экспедиции – это не только вопрос исследования и научного открытия, но и серьезный инженерный вызов.
- Системы терморегуляции скафандров способны адаптироваться к экстремальным условиям, обеспечивая комфорт и безопасность астронавта.
- Температурные режимы, с которыми приходится сталкиваться, в околоземном космическом пространстве возле МКС, аналогичны тем, что могут встретиться и на Луне.
- Лунный реголит, обладая относительно низкой теплоемкостью, может достигать экстремальных температур, но его непосредственное воздействие на материалы скафандра минимально.
- Большую проблему представляет собой лунная пыль. Этот мельчайший материал, покрывая скафандр, снижет его альбедо (отражающую способность), заставляя системы терморегуляции работать на "высоких оборотах".
Несмотря на все трудности, инженеры и ученые успешно справляются с космическими вызовами при проектировании техники и снаряжения. Лунные скафандры, разработанные с учетом всех особенностей лунной среды, эффективно справляются с задачей поддержания необходимых параметров микроклимата внутри, обеспечивая комфорт и безопасность астронавта.