Земная атмосфера официально заканчивается на высоте 100 км. Это так называемая линия Кармана — условная граница, принятая Международной авиационной федерацией. Выше начинается космос.
Но это лишь юридическая условность. Физика говорит иначе. Данные миссии SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) подтверждают: газовая оболочка Земли тянется далеко вглубь космоса — на сотни тысяч километров. Ее последний слой, экзосфера, простирается до орбиты Луны. Выходит, наш спутник движется вовсе не в безвоздушном пространстве, а внутри земной атмосферы.
И тут возникает соблазнительная идея: раз вокруг все еще есть газ, может, и до Луны можно доплыть на стратостате? Без бешеной скорости ракет, без оглушительного старта — просто тихо подниматься, подчиняясь закону Архимеда, час за часом, километр за километром.
Красивая теория. Но, увы, инженерная реальность ее безжалостно убивает.
Что такое линия Кармана и почему она не стена
Стоит признать: линия Кармана — не физическая преграда. Это высота, где воздух становится настолько разреженным, что самолету для создания подъемной силы пришлось бы лететь с первой космической скоростью (около 7,8 км/с). Но если скорость нам не важна? Если мы готовы подниматься неспешно, полагаясь исключительно на плавучесть?
Для такого путешествия нужен «предельный стратостат» — гипотетический воздушный шар с практически невесомой оболочкой, способной расширяться до любых пределов. Внутри — водород. У поверхности Земли это скромный 10-килограммовый мяч диаметром около 2,5 метров. Сила Архимеда тянет его вверх. Никакой динамики — чистая статика.
Казалось бы, раз экзосфера тянется до Луны, то и путь открыт. Однако дьявол кроется в составе среды.
Гомосфера: первые 100 километров
До высоты 100 км мы находимся в гомосфере. Здесь газы постоянно перемешиваются ветрами, сохраняя привычный «коктейль»: 78% азота, 21% кислорода. Эта тяжелая смесь отлично держит шар, хотя ее плотность падает вдвое каждые 5 километров.
Реальные инженерные рекорды показывают, чего стоит каждый метр. В 2002 году японский стратостат BU60-1 достиг высоты 53,7 км. Чтобы поднять блок аппаратуры массой 10 кг, его оболочка из полиэтиленовой пленки толщиной 3,4 микрона на пике раздулась до 50 метров в диаметре.
На высоте 100 км нашему 10-килограммовому шару уже пришлось бы стать сферой диаметром 330 метров — размером с добрый стадион.
Гетеросфера: газы выстраиваются в очередь
Выше 100–120 км начинается гетеросфера. Здесь перемешивание прекращается, и газы выстраиваются по весу. Тяжелый азот и молекулярный кислород оседают ниже, верхние эшелоны захватывает атомарный кислород, затем гелий и, наконец, водород.
На отметке 150 км плотность среды падает так драматично, что шар должен вырасти до двух километров в диаметре. И здесь инженерная логика убивает мечту: площадь пленки у такого монстра настолько велика, что даже ее собственный вес превращает стратостат в неподъемное грузило.
Температурный парадокс
Возникает соблазнительная идея: а что, если подогреть водород внутри оболочки? Нагретый газ расширяется, его плотность падает — теоретически он должен стать «легче» внешнего холодного водорода.
Но тут нас ждет сюрприз. В экзосфере газ уже экстремально горячий. Температура разреженного водорода там достигает 1000–1500°С из-за солнечного излучения. Однако «температура» здесь — это просто скорость движения отдельных атомов. Поскольку частиц почти нет, они не могут передать это тепло оболочке шара.
Внутри же нашего шара газ должен иметь хоть какое-то давление, чтобы держать форму, а значит, молекул там в триллионы раз больше. Чтобы сделать этот внутренний водород «легче» внешнего, нам пришлось бы разогреть его до миллионов градусов — до состояния плазмы, которую не выдержит ни одна оболочка.
Геокорона: финальный капкан
На подступах к Луне нас ждет последняя преграда. Здесь атмосфера окончательно вырождается в геокорону — призрачный шлейф из чистого атомарного водорода. Возникает химический парадокс: чтобы всплывать в водороде, внутри пузыря обязан находиться газ еще легче водорода. Но в таблице Менделеева за первым элементом — лишь пустота.
Единственный вариант — откачать из шара все и поддерживать внутри вакуум. Но такая затея требует сверхпрочного каркаса, чей вес мгновенно ставит крест на любой плавучести.
Цифры же на лунной дистанции и вовсе переходят в область сюрреализма. Плотность среды там — ничтожные 0,2 атома на кубический сантиметр. Чтобы вытеснить из этой «пыли» хотя бы 10 кг веса, нашему стратостату пришлось бы раздуться до радиуса в 19 тысяч километров. Это, на минуту, три земных радиуса.
Где заканчивается физическая атмосфера
Становится ясно: физическая атмосфера как опора для полета заканчивается там, где ее плотность падает ниже плотности любого твердого вещества. Обычно этот «потолок» — те самые 120–150 км, выше которых статика просто бессильна.
Аэростат по определению — заложник среды, он ищет в ней точку опоры. Но на высотах за пределами термосферы материя становится настолько разреженной, что перестает существовать как нечто цельное, способное давить на оболочку. На дистанции в 384 тысячи километров среднее расстояние между атомами водорода сопоставимо с габаритами самого аппарата. Здесь понятие «плавучести» окончательно теряет физический смысл.
Итог
Как бы мы ни расширяли границы атмосферы в учебниках, «настоящий космос» остается зоной, где статика пасует. Стратостат неизбежно застрянет в нижних слоях, превратившись в неподвижный памятник закону Архимеда.
Чтобы преодолеть оставшуюся бездну, придется сменить парадигму: отбросить оболочку и набрать первую космическую скорость. Полет к Луне — это всегда баллистика. И никакая протяженность газовой короны не превратит его в неспешное путешествие под куполом аэростата.
Как вам идея доплыть до Луны на воздушном шаре? Звучит романтично, но физика, как всегда, неумолима. Делитесь мыслями в комментариях!
Читайте также: