Космический рентгеновский фон
Колебания и волны: Характеристики различных колебательных систем (осцилляторов).
Разрыв Вселенной
Пылевые околопланетные комплексы: fig4
Свойства космической пыли
| С. В. Божокин
Санкт-Петербургский государственный технический университет | Содержание |
Введение
Многие люди с восторгом любуются прекрасным зрелищем звездного неба, одного из величайших творений природы. В ясном осеннем небе хорошо заметно, как через все небо пролегает слабо светящаяся полоса, называемая Млечным Путем, имеющая неправильные очертания с разной шириной и яркостью. Если рассматривать Млечный Путь, образующий нашу Галактику, в телескоп, то окажется, что эта яркая полоса распадается на множество слабо светящихся звезд, которые для невооруженного глаза сливаются в сплошное сияние. В настоящее время установлено, что Млечный Путь состоит не только из звезд и звездных скоплений, но также из газовых и пылевых облаков .
Огромные межзвездные облака из светящихся разреженных газов получили название газовых диффузных туманностей . Одна из самых известных - туманность в созвездии Ориона , которая видна даже невооруженным глазом около средней из трех звездочек, образующих "меч" Ориона. Газы, ее образующие, светятся холодным светом, переизлучая свет соседних горячих звезд. В состав газовых диффузных туманностей входят главным образом водород , кислород , гелий и азот . Такие газовые или диффузные туманности служат колыбелью для молодых звезд, которые рождаются так же, как некогда родилась наша Солнечная система . Процесс звездообразования непрерывен, и звезды продолжают возникать и сегодня.
В межзвездном пространстве наблюдаются также диффузные пылевые туманности. Эти облака состоят из мельчайших твердых пылинок. Если вблизи пылевой туманности окажется яркая звезда, то ее свет рассеивается этой туманностью и пылевая туманность становится непосредственно наблюдаемой (рис. 1). Газовые и пылевые туманности могут вообще поглощать свет звезд, лежащих за ними, поэтому на снимках неба они часто видны как черные зияющие провалы на фоне Млечного Пути . Такие туманности называют темными. На небе южного полушария есть одна очень большая темная туманность, которую мореплаватели прозвали Угольным мешком. Между газовыми и пылевыми туманностями нет четкой границы, поэтому часто они наблюдаются совместно как газопылевые туманности.
Диффузные туманности являются лишь уплотнениями в той крайне разреженной межзвездной материи , которая получила название межзвездного газа . Межзвездный газ обнаруживается лишь при наблюдениях спектров далеких звезд, вызывая в них дополнительные. Ведь на большом протяжении даже такой разреженный газ может поглощать излучение звезд. Возникновение и бурное развитие радиоастрономии позволили обнаружить этот невидимый газ по тем радиоволнам, которые он излучает. Огромные темные облака межзвездного газа состоят в основном из водорода, который даже при низких температурах излучает радиоволны на длине 21 см. Эти радиоволны беспрепятственно проходят сквозь газ и пыль. Именно радиоастрономия помогла нам в исследовании формы Млечного Пути. Сегодня мы знаем, что газ и пыль, перемешанная с большими скоплениями звезд, образуют спираль, ветви которой, выходя из центра Галактики , обвивают ее середину, создавая нечто похожее на каракатицу с длинными щупальцами, попавшую в водоворот.
В настоящее время огромное количество вещества в нашей Галактике находится в виде газопылевых туманностей. Межзвездная диффузная материя сконцентрирована сравнительно тонким слоем в экваториальной плоскости нашей звездной системы. Облака межзвездного газа и пыли загораживают от нас центр Галактики. Из-за облаков космической пыли десятки тысяч рассеянных звездных скоплений остаются для нас невидимыми. Мелкая космическая пыль не только ослабляет свет звезд, но и искажает их спектральный состав . Дело в том, что когда световое излучение проходит через космическую пыль, то оно не только ослабляется, но и меняет цвет. Поглощение света космической пылью зависит от длины волны, поэтому из всего оптического спектра звезды сильнее поглощаются синие лучи и слабее - фотоны, соответствующие красному цвету. Этот эффект приводит к явлению покраснения света звезд, прошедших через межзвездную среду.
Для астрофизиков огромное значение имеет изучение свойств космической пыли и выяснение того влияния, которое оказывает эта пыль при изучении физических характеристик астрофизических объектов . Межзвездное поглощение и межзвездная поляризация света , инфракрасное излучение областей нейтрального водорода, дефицит химических элементов в межзвездной среде, вопросы образования молекул и рождение звезд - во всех этих проблемах огромная роль принадлежит космической пыли, рассмотрению свойств которой и посвящена данная статья.
Происхождение космической пыли
Космические пылинки возникают в основном в медленно истекающих атмосферах звезд - красных карликов , а также при взрывных процессах на звездах и бурном выбросе газа из ядер галактик . Другими источниками образования космической пыли являются планетарные и протозвездные туманности , звездные атмосферы и межзвездные облака. Во всех процессах образования космических пылинок температура газа падает при движении газа наружу и в какой-то момент переходит через точку росы , при которой происходит конденсация паров веществ , образующих ядра пылинок. Центрами образования новой фазы обычно являются кластеры . Кластеры представляют собой небольшие группы атомов или молекул, образующие устойчивую квазимолекулу. При столкновениях с уже сформировавшимся зародышем пылинки к нему могут присоединяться атомы и молекулы, либо вступая в химические реакции с атомами пылинки (хемосорбция), либо достраивая формирующийся кластер. В наиболее плотных участках межзвездной среды, концентрация частиц в которых см -3 , рост пылинки может быть связан с процессами коагуляции , при которых пылинки могут слипаться друг с другом, не разрушаясь при этом. Процессы коагуляции, зависящие от свойств поверхности пылинок и их температур, идут только в том случае, когда столкновения между пылинками происходят при низких относительных скоростях соударений.
На рис. 2 показан процесс роста кластеров космической пылинки с помощью присоединения мономеров . Получающаяся при этом аморфная космическая пылинка может представлять собой кластер атомов, обладающий фрактальными свойствами . Фракталами называются геометрические объекты : линии, поверхности, пространственные тела, имеющие сильно изрезанную форму и обладающие свойством самоподобия . Самоподобие означает неизменность основных геометрических характеристик фрактального объекта при изменении масштаба. Например, изображения многих фрактальных объектов оказываются очень похожими при увеличении разрешения в микроскопе. Фрактальные кластеры представляют собой сильно разветвленные пористые структуры, образующиеся в сильно неравновесных условиях при объединении твердых частиц близких размеров в одно целое. В земных условиях фрактальные агрегаты получаются при релаксации паров металлов в неравновесных условиях , при образовании гелей в растворах, при коагуляции частиц в дымах. Модель фрактальной космической пылинки показана на рис. 3. Отметим, что процессы коагуляции пылинок, происходящие в протозвездных облаках и газопылевых дисках , значительно усиливаются при турбулентном движении межзвездного вещества.
Ядра космических пылинок, состоящие из тугоплавких элементов , размером в сотые доли микрона образуются в оболочках холодных звезд при плавном истечении газа или во время взрывных процессов. Такие ядра пылинок устойчивы ко многим внешним воздействиям.
По массе твердые частички пыли составляют ничтожно малую часть Вселенной, однако именно благодаря межзвездной пыли возникли и продолжают появляться звезды, планеты и люди, изучающие космос и просто любующиеся звездами. Что же это за субстанция такая космическая пыль? Что заставляет людей снаряжать в космос экспедиции стоимостью в годовой бюджет небольшого государства в надежде всего лишь, а не в твердой уверенности добыть и привезти на Землю хоть крошечную горсточку межзвездной пыли?
Меж звезд и планет
Пылью в астрономии называют небольшие, размером в доли микрона, твердые частицы, летающие в космическом пространстве. Часто космическую пыль условно делят на межпланетную и межзвездную, хотя, очевидно, и межзвездной вход в межпланетное пространство не запрещен. Просто найти ее там, среди «местной» пыли, нелегко, вероятность невысока, да и свойства ее вблизи Солнца могут существенно измениться. Вот если отлететь подальше, к границам Солнечной системы, там вероятность поймать настоящую межзвездную пыль весьма велика. Идеальный вариант вообще выйти за пределы Солнечной системы.
Пыль межпланетная, во всяком случае, в сравнительной близости от Земли материя довольно изученная. Заполняющая все пространство Солнечной системы и сконцентрированная в плоскости ее экватора, она родилась по большей части в результате случайных столкновений астероидов и разрушения комет, приблизившихся к Солнцу. Состав пыли, по сути, не отличается от состава падающих на Землю метеоритов: исследовать его очень интересно, и открытий в этой области предстоит сделать еще немало, но особенной интриги тут, похоже, нет. Зато благодаря именно этой пыли в хорошую погоду на западе сразу после заката или на востоке перед восходом солнца можно любоваться бледным конусом света над горизонтом. Это так называемый зодиакальный солнечный свет, рассеянный мелкими космическими пылинками.
Куда интереснее пыль межзвездная. Отличительная ее особенность наличие твердого ядра и оболочки. Ядро состоит, по-видимому, в основном из углерода, кремния и металлов. А оболочка преимущественно из намерзших на поверхность ядра газообразных элементов, закристаллизовавшихся в условиях «глубокой заморозки» межзвездного пространства, а это около 10 кельвинов, водорода и кислорода. Впрочем, бывают в ней примеси молекул и посложнее. Это аммиак, метан и даже многоатомные органические молекулы, которые налипают на пылинку или образуются на ее поверхности во время скитаний. Часть этих веществ, разумеется, улетает с ее поверхности, например, под действием ультрафиолета, но процесс этот обратимый одни улетают, другие намерзают или синтезируются.
Сейчас в пространстве между звездами или вблизи них уже найдены, разумеется, не химическими, а физическими, то есть спектроскопическими, методами: вода, оксиды углерода, азота, серы и кремния, хлористый водород, аммиак, ацетилен, органические кислоты, такие как муравьиная и уксусная, этиловый и метиловый спирты, бензол, нафталин. Нашли даже аминокислоту глицин!
Интересно было бы поймать и изучить межзвездную пыль, проникающую в Солнечную систему и наверняка падающую на Землю. Проблема по ее «отлову» нелегка, потому как сохранить свою ледяную «шубу» в солнечных лучах, тем более в атмосфере Земли, мало какой межзвездной пылинке удается. Крупные слишком сильно нагреваются их космическая скорость не может быстро погаситься, и пылинки «обгорают». Мелкие, правда, планируют в атмосфере годами, сохраняя часть оболочки, но тут уж возникает проблема найти их и идентифицировать.
Есть еще одна, очень интригующая деталь. Касается она той пыли, ядра которой состоят из углерода. Углерод, синтезированный в ядрах звезд и уходящий в космос, например, из атмосферы стареющих (типа красных гигантов) звезд, вылетая в межзвездное пространство, охлаждается и конденсируется примерно так же, как после жаркого дня собирается в низинах туман из остывших паров воды. В зависимости от условий кристаллизации могут получиться слоистые структуры графита, кристаллы алмаза (только представьте целые облака крошечных алмазов!) и даже полые шарики из атомов углерода (фуллерены). А в них, возможно, как в сейфе или контейнере, хранятся частички атмосферы звезды очень древней. Найти такие пылинки было бы огромной удачей.
Где водится космическая пыль?
Надо сказать, что само понятие космического вакуума как чего-то совершенно пустого давно осталось лишь поэтической метафорой. На самом деле все пространство Вселенной, и между звездами, и между галактиками, заполнено веществом, потоками элементарных частиц, излучением и полями магнитным, электрическим и гравитационным. Все, что можно, условно говоря, потрогать, это газ, пыль и плазма, вклад которых в общую массу Вселенной, по разным оценкам, составляет всего около 12% при средней плотности около 10-24 г/см 3 . Газа в пространстве больше всего, почти 99%. В основном это водород (до 77,4%) и гелий (21%), на долю остальных приходится меньше двух процентов массы. А еще есть пыль по массе ее почти в сто раз меньше, чем газа.
Хотя иногда пустота в межзвездном и межгалактическом пространствах почти идеальная: порой на один атом вещества там приходится 1 л пространства! Такого вакуума нет ни в земных лабораториях, ни в пределах Солнечной системы. Для сравнения можно привести такой пример: в 1 см 3 воздуха, которым мы дышим, примерно 30 000 000 000 000 000 000 молекул.
Распределена эта материя в межзвездном пространстве весьма неравномерно. Большая часть межзвездного газа и пыли образует газопылевой слой вблизи плоскости симметрии диска Галактики. Его толщина в нашей Галактике несколько сотен световых лет. Больше всего газа и пыли в ее спиральных ветвях (рукавах) и ядре сосредоточено в основном в гигантских молекулярных облаках размерами от 5 до 50 парсек (16160 световых лет) и массой в десятки тысяч и даже миллионы масс Солнца. Но и внутри этих облаков вещество распределено тоже неоднородно. В основном объеме облака, так называемой шубе, преимущественно из молекулярного водорода, плотность частиц составляет около 100 штук в 1 см 3 . В уплотнениях же внутри облака она достигает десятков тысяч частиц в 1 см 3 , а в ядрах этих уплотнений вообще миллионов частиц в 1 см 3 . Вот этой-то неравномерности в распределении вещества во Вселенной обязаны существованием звезды, планеты и в конечном итоге мы сами. Потому что именно в молекулярных облаках, плотных и сравнительно холодных, и зарождаются звезды.
Что интересно: чем выше плотность облака, тем разнообразнее оно по составу. При этом есть соответствие между плотностью и температурой облака (или отдельных его частей) и теми веществами, молекулы которых там встречаются. С одной стороны, это удобно для изучения облаков: наблюдая за отдельными их компонентами в разных спектральных диапазонах по характерным линиям спектра, например СО, ОН или NH 3 , можно «заглянуть» в ту или иную его часть. А с другой данные о составе облака позволяют многое узнать о процессах, в нем происходящих.
Кроме того, в межзвездном пространстве, судя по спектрам, есть и такие вещества, существование которых в земных условиях просто невозможно. Это ионы и радикалы. Их химическая активность настолько высока, что на Земле они немедленно вступают в реакции. А в разреженном холодном пространстве космоса они живут долго и вполне свободно.
Вообще газ в межзвездном пространстве бывает не только атомарным. Там, где похолоднее, не более 50 кельвинов, атомам удается удержаться вместе, образуя молекулы. Однако большая масса межзвездного газа находится все же в атомарном состоянии. В основном это водород, его нейтральная форма была обнаружена сравнительно недавно в 1951 году. Как известно, он излучает радиоволны длиной 21 см (частота 1 420 МГц), по интенсивности которых и установили, сколько же его в Галактике. Между прочим, он и в пространстве между звездами распределен неоднородно. В облаках атомарного водорода его концентрация достигает нескольких атомов в 1 см 3 , но между облаками она на порядки меньше.
Наконец, вблизи горячих звезд газ существует в виде ионов. Мощное ультрафиолетовое излучение нагревает и ионизирует газ, и он начинает светиться. Именно поэтому области с высокой концентрацией горячего газа, с температурой около 10 000 К выглядят как светящиеся облака. Их-то и называют светлыми газовыми туманностями.
И в любой туманности, в большем или меньшем количестве, есть межзвездная пыль. Несмотря на то что условно туманности делят на пылевые и газовые, пыль есть и в тех, и в других. И в любом случае именно пыль, повидимому, помогает звездам образовываться в недрах туманностей.
Туманные объекты
Среди всех космических объектов туманности, может быть, самые красивые. Правда, темные туманности в видимом диапазоне выглядят просто как черные кляксы на небе лучше всего их наблюдать на фоне Млечного Пути. Зато в других диапазонах электромагнитных волн, например инфракрасном, они видны очень хорошо и картинки получаются очень необычными.
Туманностями называют обособленные в пространстве, связанные силами гравитации или внешним давлением скопления газа и пыли. Их масса может быть от 0,1 до 10 000 масс Солнца, а размер от 1 до 10 парсек.
Сначала туманности астрономов раздражали. Вплоть до середины XIX века обнаруженные туманности рассматривали как досадную помеху, мешавшую наблюдать звезды и искать новые кометы. В 1714 году англичанин Эдмонд Галлей, имя которого носит знаменитая комета, даже составил «черный список» из шести туманностей, дабы те не вводили в заблуждение «ловцов комет», а француз Шарль Мессье расширил этот список до 103 объектов. К счастью, туманностями заинтересовались влюбленный в астрономию музыкант сэр Вильям Гершель, его сестра и сын. Наблюдая небо с помощью построенных своими руками телескопов, они оставили после себя каталог туманностей и звездных скоплений, насчитывающий сведения о 5 079 космических объектах!
Гершели практически исчерпали возможности оптических телескопов тех лет. Однако изобретение фотографии и большое время экспонирования позволили найти и совсем слабо светящиеся объекты. Чуть позже спектральные методы анализа, наблюдения в различных диапазонах электромагнитных волн предоставили возможность в дальнейшем не только обнаруживать много новых туманностей, но и определять их структуру и свойства.
Межзвездная туманность выглядит светлой в двух случаях: либо она настолько горячая, что ее газ сам светится, такие туманности называют эмиссионными; либо сама туманность холодная, но ее пыль рассеивает свет находящейся поблизости яркой звезды это отражательная туманность.
Темные туманности это тоже межзвездные скопления газа и пыли. Но в отличие от светлых газовых туманностей, видных порой даже в сильный бинокль или телескоп, как, например, туманность Ориона, темные туманности свет не испускают, а поглощают. Когда свет звезды проходит сквозь такие туманности, пыль может полностью поглотить его, преобразовав в ИК-излучение, невидимое глазом. Поэтому выглядят такие туманности как беззвездные провалы на небе. В. Гершель называл их «дырами в небе». Возможно, самая эффектная из них туманность Конская Голова.
Впрочем, пылинки могут не полностью поглотить свет звезд, но только частично рассеять его, при этом выборочно. Дело в том, что размер частиц межзвездной пыли близок к длине волны синего света, поэтому он сильнее рассеивается и поглощается, а до нас лучше доходит «красная» часть света звезд. Между прочим, это хороший способ оценить размер пылинок по тому, как они ослабляют свет различных длин волн.
Звезда из облака
Причины, по которым возникают звезды, точно не установлены есть только модели, более или менее достоверно объясняющие экспериментальные данные. Кроме того, пути образования, свойства и дальнейшая судьба звезд весьма разнообразны и зависят от очень многих факторов. Однако есть устоявшаяся концепция, вернее, наиболее проработанная гипотеза, суть которой, в самых общих чертах, заключается в том, что звезды формируются из межзвездного газа в областях с повышенной плотностью вещества, то есть в недрах межзвездных облаков. Пыль как материал можно было бы не учитывать, но ее роль в формировании звезд огромна.
Происходит это (в самом примитивном варианте, для одиночной звезды), по-видимому, так. Сначала из межзвездной среды конденсируется протозвездное облако, что, возможно, происходит из-за гравитационной неустойчивости, однако причины могут быть разными и до конца еще не ясны. Так или иначе, оно сжимается и притягивает к себе вещество из окружающего пространства. Температура и давление в его центре растут до тех пор, пока молекулы в центре этого сжимающегося газового шара не начинают распадаться на атомы и затем на ионы. Такой процесс охлаждает газ, и давление внутри ядра резко падает. Ядро сжимается, а внутри облака распространяется ударная волна, отбрасывающая его внешние слои. Образуется протозвезда, которая продолжает сжиматься под действием сил тяготения до тех пор, пока в центре ее не начинаются реакции термоядерного синтеза превращения водорода в гелий. Сжатие продолжается еще какое-то время, пока силы гравитационного сжатия не уравновесятся силами газового и лучистого давления.
Понятно, что масса образовавшейся звезды всегда меньше массы «породившей» ее туманности. Часть вещества, не успевшего упасть на ядро, в ходе этого процесса «выметается» ударной волной, излучением и потоками частиц просто в окружающее пространство.
На процесс формирования звезд и звездных систем влияют многие факторы, в том числе и магнитное поле, которое часто способствует «разрыву» протозвездного облака на два, реже три фрагмента, каждый из которых под действием гравитации сжимается в свою протозвезду. Так возникают, например, многие двойные звездные системы две звезды, которые обращаются вокруг общего центра масс и перемещаются в пространстве как единое целое.
По мере «старения» ядерное топливо в недрах звезд постепенно выгорает, причем тем быстрее, чем больше звезда. При этом водородный цикл реакций сменяется гелиевым, затем в результате реакций ядерного синтеза образуются все более тяжелые химические элементы, вплоть до железа. В конце концов ядро, не получающее больше энергии от термоядерных реакций, резко уменьшается в размере, теряет свою устойчивость, и его вещество как бы падает само на себя. Происходит мощный взрыв, во время которого вещество может нагреваться до миллиардов градусов, а взаимодействия между ядрами приводят к образованию новых химических элементов, вплоть до самых тяжелых. Взрыв сопровождается резким высвобождением энергии и выбросом вещества. Звезда взрывается этот процесс называют вспышкой сверхновой. В конечном же итоге звезда, в зависимости от массы, превратится в нейтронную звезду или черную дыру.
Наверное, так все и происходит на самом деле. Во всяком случае, не вызывает сомнений тот факт, что молодых, то есть горячих, звезд и их скоплений больше всего как раз в туманностях, то есть в областях с повышенной плотностью газа и пыли. Это хорошо видно на фотографиях, полученных телескопами в разных диапазонах длин волн.
Разумеется, это не более чем самое грубое изложение последовательности событий. Для нас же принципиально важны два момента. Первый какова роль пыли в процессе образования звезд? И второй откуда, собственно, она берется?
Вселенский хладагент
В общей массе космического вещества собственно пыли, то есть объединенных в твердые частицы атомов углерода, кремния и некоторых других элементов, настолько мало, что их, во всяком случае, как строительный материал для звезд, казалось бы, можно и не принимать во внимание. Однако на самом деле их роль велика именно они охлаждают горячий межзвездный газ, превращая его в то самое холодное плотное облако, из которого потом получаются звезды.
Дело в том, что сам по себе межзвездный газ охладиться не может. Электронная структура атома водорода такова, что избыток энергии, если таковой есть, он может отдать, излучая свет в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, но не в инфракрасном диапазоне. Образно говоря, водород не умеет излучать тепло. Чтобы как следует остыть, ему нужен «холодильник», роль которого как раз и играют частицы межзвездной пыли.
Во время столкновения с пылинками на большой скорости в отличие от более тяжелых и медленных пылинок молекулы газа летают быстро они теряют скорость и их кинетическая энергия передается пылинке. Так же нагревается и отдает это избыточное тепло в окружающее пространство, в том числе в виде ИК-излучения, а сама при этом остывает. Так, принимая на себя тепло межзвездных молекул, пыль действует как своеобразный радиатор, охлаждая облако газа. По массе ее не много около 1% от массы всего вещества облака, но этого достаточно, чтобы за миллионы лет отвести избыток тепла.
Когда же температура облака падает, падает и давление, облако конденсируется и из него уже могут родиться звезды. Остатки же материала, из которого родилась звезда, являются в свою очередь исходным для образования планет. Вот в их состав пылинки уже входят, причем в большем количестве. Потому что, родившись, звезда нагревает и разгоняет вокруг себя весь газ, а пыль остается летать поблизости. Ведь она способна охлаждаться и притягивается к новой звезде гораздо сильнее, чем отдельные молекулы газа. В конце концов рядом с новорожденной звездой оказывается пылевое облако, а на периферии насыщенный пылью газ.
Там рождаются газовые планеты, такие как Сатурн, Уран и Нептун. Ну а вблизи звезды появляются твердые планеты. У нас это Марс, Земля, Венера и Меркурий. Получается довольно четкое разделение на две зоны: газовые планеты и твердые. Так что Земля в значительной степени оказалась сделанной именно из межзвездных пылинок. Металлические пылинки вошли в состав ядра планеты, и сейчас у Земли огромное железное ядро.
Тайна юной Вселенной
Если галактика сформировалась, то откуда в ней берется пыль в принципе ученым понятно. Наиболее значительные ее источники новые и сверхновые, которые теряют часть своей массы, «сбрасывая» оболочку в окружающее пространство. Кроме того, пыль рождается и в расширяющейся атмосфере красных гигантов, откуда она буквально выметается давлением излучения. В их прохладной, по меркам звезд, атмосфере (около 2,5 3 тысяч кельвинов) довольно много сравнительно сложных молекул.
Но вот загадка, не разгаданная до сих пор. Всегда считалось, что пыль продукт эволюции звезд. Иными словами звезды должны зародиться, просуществовать какое-то время, состариться и, скажем, в последней вспышке сверхновой произвести пыль. Только вот что появилось раньше яйцо или курица? Первая пыль, необходимая для рождения звезды, или первая звезда, которая почему-то родилась без помощи пыли, состарилась, взорвалась, образовав самую первую пыль.
Что было вначале? Ведь когда 14 млрд. лет назад произошел Большой взрыв, во Вселенной были только водород и гелий, никаких других элементов! Это потом из них стали зарождаться первые галактики, огромные облака, а в них первые звезды, которым надо было пройти долгий жизненный путь. Термоядерные реакции в ядрах звезд должны были «сварить» более сложные химические элементы, превратить водород и гелий в углерод, азот, кислород и так далее, а уж после этого звезда должна была выбросить все это в космос, взорвавшись или постепенно сбросив оболочку. Затем этой массе нужно было охладиться, остыть и, наконец, превратиться в пыль. Но уже через 2 млрд. лет после Большого взрыва, в самых ранних галактиках, пыль была! С помощью телескопов ее обнаружили в галактиках, отстоящих от нашей на 12 млрд. световых лет. В то же время 2 млрд. лет слишком маленький срок для полного жизненного цикла звезды: за это время большинство звезд не успевает состариться. Откуда в юной Галактике взялась пыль, если там не должно быть ничего, кроме водорода и гелия, тайна.
Пылинка реактор
Мало того что межзвездная пыль выступает в роли своеобразного вселенского хладагента, возможно, именно благодаря пыли в космосе появляются сложные молекулы.
Дело в том, что поверхность пылинки может служить одновременно и реактором, в котором образуются из атомов молекулы, и катализатором реакций их синтеза. Ведь вероятность того, что сразу много атомов различных элементов столкнутся в одной точке, да еще и провзаимодействуют между собой при температуре чуть выше абсолютного нуля, невообразимо мала. Зато вероятность того, что пылинка последовательно столкнется в полете с различными атомами или молекулами, особенно внутри холодного плотного облака, довольно велика. Собственно, это и происходит так образуется оболочка межзвездных пылинок из намерзших на нее встреченных атомов и молекул.
На твердой поверхности атомы оказываются рядом. Мигрируя по поверхности пылинки в поисках наиболее энергетически выгодного положения, атомы встречаются и, оказываясь в непосредственной близости, получают возможность прореагировать между собой. Разумеется, очень медленно в соответствии с температурой пылинки. Поверхность частиц, особенно содержащих в ядре металл, может проявить свойства катализатора. Химики на Земле хорошо знают, что самые эффективные катализаторы это как раз частицы размером в доли микрона, на которых собираются, а затем и вступают в реакции молекулы, в обычных условиях друг к другу совершенно «равнодушные». По-видимому, так образуется и молекулярный водород: его атомы «налипают» на пылинку, а потом улетают с нее но уже парами, в виде молекул.
Очень может быть, что маленькие межзвездные пылинки, сохранив в своих оболочках немного органических молекул, в том числе и простейших аминокислот, и занесли на Землю первые «семена жизни» около 4 млрд. лет тому назад. Это, конечно, не более чем красивая гипотеза. Но в ее пользу говорит то, что в составе холодных газопылевых облаков найдена аминокислота глицин. Может, есть и другие, просто пока возможности телескопов не позволяют их обнаружить.
Охота за пылью
Исследовать свойства межзвездной пыли можно, разумеется, на расстоянии с помощью телескопов и других приборов, расположенных на Земле или на ее спутниках. Но куда заманчивее межзвездные пылинки поймать, а потом уж обстоятельно изучить, выяснить не теоретически, а практически, из чего они состоят, как устроены. Вариантов тут два. Можно добраться до космических глубин, набрать там межзвездной пыли, привезти на Землю и проанализировать всеми возможными способами. А можно попытаться вылететь за пределы Солнечной системы и по пути анализировать пыль прямо на борту космического корабля, отправляя на Землю полученные данные.
Первую попытку привезти образцы межзвездной пыли, и вообще вещества межзвездной среды, несколько лет назад предприняло NASA. Космический корабль оснастили специальными ловушками коллекторами для сбора межзвездной пыли и частиц космического ветра. Чтобы поймать пылинки, не потеряв при этом их оболочку, ловушки наполнили особым веществом так называемым аэрогелем. Эта очень легкая пенистая субстанция (состав которой коммерческая тайна) напоминает желе. Попав в нее, пылинки застревают, а дальше, как в любой ловушке, крышка захлопывается, чтобы быть открытой уже на Земле.
Этот проект так и назывался Stardust Звездная пыль. Программа у него грандиозная. После старта в феврале 1999 года аппаратура на его борту в конечном итоге должна собрать образцы межзвездной пыли и отдельно пыль в непосредственной близости от кометы Wild-2, пролетавшей неподалеку от Земли в феврале прошлого года. Теперь с контейнерами, наполненными этим ценнейшим грузом, корабль летит домой, чтобы приземлиться 15 января 2006 года в штате Юта, неподалеку от Солт-Лейк-Сити (США). Вот тогда-то астрономы наконец увидят своими глазами (с помощью микроскопа, конечно) те самые пылинки, модели состава и строения которых они уже спрогнозировали.
А в августе 2001 года за образцами вещества из глубокого космоса полетел Genesis. Этот проект NASA был нацелен в основном на поимку частиц солнечного ветра. Проведя в космическом пространстве 1 127 дней, за которые он пролетел около 32 млн. км, корабль вернулся и сбросил на Землю капсулу с полученными образцами ловушками с ионами, частицами солнечного ветра. Увы, произошло несчастье парашют не раскрылся, и капсула со всего маху шлепнулась об землю. И разбилась. Конечно, обломки собрали и тщательно изучили. Впрочем, в марте 2005-го на конференции в Хьюстоне участник программы Дон Барнетти заявил, что четыре коллектора с частицами солнечного ветра не пострадали, и их содержимое, 0,4 мг пойманного солнечного ветра, ученые активно изучают в Хьюстоне.
Впрочем, сейчас NASA готовит третий проект, еще более грандиозный. Это будет космическая миссия Interstellar Probe. На этот раз космический корабль удалится на расстояние 200 а. е. от Земли (а. е. расстояние от Земли до Солнца). Этот корабль никогда не вернется, но весь будет «напичкан» самой разнообразной аппаратурой, в том числе и для анализа образцов межзвездной пыли. Если все получится, межзвездные пылинки из глубокого космоса будут наконец пойманы, сфотографированы и проанализированы автоматически, прямо на борту космического корабля.
Формирование молодых звезд
1. Гигантское галактическое молекулярное облако размером 100 парсек, массой 100 000 солнц, температурой 50 К, плотностью 10 2 частиц/см 3 . Внутри этого облака имеются крупномасштабные конденсации диффузные газопылевые туманности (110 пк, 10 000 солнц, 20 К, 10 3 частиц/см 3) и мелкие конденсации газопылевые туманности (до 1пк, 1001 000 солнц, 20 К, 10 4 частиц/см 3). Внутри последних как раз и находятся сгусткиглобулы размером 0,1 пк, массой 110 солнц и плотностью 10 10 6 частиц/см 3 , где формируются новые звезды
2. Рождение звезды внутри газопылевого облака
3. Новая звезда своим излучением и звездным ветром разгоняет от себя окружающий газ
4. Молодая звезда выходит в чистый и свободный от газа и пыли космос, отодвинув породившую ее туманность
Этапы «эмбрионального» развития звезды, по массе равной Солнцу
5. Зарождение гравитационно-неустойчивого облака размером 2 000 000 солнц, с температурой около 15 К и исходной плотностью 10 -19 г/см 3
6. Через несколько сотен тысяч лет у этого облака образуется ядро с температурой около 200 К и размером 100 солнц, масса его пока равна только 0,05 от солнечной
7. На этой стадии ядро с температурой до 2 000 К резко сжимается из-за ионизации водорода и одновременно разогревается до 20 000 К, скорость падения вещества на растущую звезду достигает 100 км/с
8. Протозвезда размером с два солнца с температурой в центре 2x10 5 К, а на поверхности 3x10 3 К
9. Последний этап предэволюции звезды медленное сжатие, в процессе которого выгорают изотопы лития и бериллия. Только после повышения температуры до 6x10 6 К в недрах звезды запускаются термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Общая продолжительность цикла зарождения звезды типа нашего Солнца составляет 50 млн. лет, после чего такая звезда может спокойно гореть миллиарды лет
Ольга Максименко, кандидат химических наук
Ученые Гавайского университета сделали сенсационное открытие — космическая пыль содержит органические вещества , включая и воду, что подтверждает возможность переноса различных форм жизни из одной галактики в другую. Кометы и астероиды, курсирующие в космосе, регулярно приносят в атмосферу планет массы звездной пыли. Таким образом, межзвездная пыль выступает в роли своеобразного «транспорта», который может доставлять воду с органикой на Землю и к прочим планетам Солнечной системы. Возможно, когда-то, поток космической пыли привел к зарождению жизни на Земле. Не исключено, что жизнь на Марсе, существование которой вызывает много споров в ученых кругах, могла возникнуть таким же образом.
Механизм образования воды в структуре космической пыли
В процессе передвижения в космосе поверхность частиц межзвездной пыли облучается , что приводит к образованию соединений воды. Более подробно этот механизм можно описать так: ионы водорода, присутствующие в солнечных вихревых потоках, бомбардируют оболочку космических пылинок, выбивая отдельные атомы из кристаллической структуры силикатного минерала — основного строительного материала межгалактических объектов. В результате данного процесса высвобождается кислород, который входит в реакцию с водородом. Таким образом, формируются молекулы воды, содержащие включения органических веществ.
Сталкиваясь с поверхностью планеты, астероиды, метеориты и кометы приносят на ее поверхность смесь воды и органики
То, что космическая пыль — спутница астероидов, метеоритов и комет, несет в себе молекулы органических соединений углерода, было известно и раньше. Но то, что звездная пыль транспортирует еще и воду, доказано не было. Только сейчас американские ученые впервые обнаружили, что органические вещества переносятся частицами межзвездной пыли совместно с молекулами воды.
Как вода попала на Луну?
Открытие ученых из США может помочь приподнять завесу таинственности над механизмом формирования странных ледовых образований . Несмотря на то, что поверхность Луны полностью обезвожена, на ее теневой стороне при помощи зондирования было обнаружено соединение ОН. Данная находка свидетельствует в пользу возможного присутствия воды в недрах Луны.
Обратная сторона Луны сплошь покрыта льдами. Возможно, именно с космической пылью попали на ее поверхность молекулы воды много биллионов лет тому назад
Со времен эры луноходов Apollo в исследовании Луны, когда на Землю были доставлены пробы лунного грунта, ученые пришли к выводу, что солнечный ветер вызывает изменения в химическом составе звездной пыли, покрывающей поверхности планет. О возможности образования молекул воды в толще космической пылина Луне еще тогда шли дебаты, однако доступные на тот момент аналитические методы исследований были не в состоянии либо доказать, либо опровергнуть данную гипотезу.
Космическая пыль — носитель жизненных форм
За счет того, что вода образовывается в совсем небольшом объеме и локализуется в тонкой оболочке на поверхности космической пыли , только сейчас стало возможным увидеть ее при помощи электронного микроскопа высокого разрешения. Ученые считают, что подобный механизм перемещения воды с молекулами органических соединений возможен и в других галактиках, где вращается вокруг «родительской» звезды. В своих дальнейших исследованиях ученые предполагают более подробно идентифицировать, какие неорганические и органические вещества на основе углерода присутствуют в структуре звездной пыли.
Интересно знать! Экзопланета — это такая планета, которая находится вне Солнечной системы и вращается вокруг звезды. На данный момент в нашей галактике визуально обнаружено порядка 1000 экзопланет, образующих около 800 планетных систем. Однако непрямые методы детектирования свидетельствуют о существовании 100 млрд. экзопланет, из которых 5-10 млрд. обладают параметрами, схожими с Землей, то есть являются . Значительный вклад в миссию поиска планетарных групп, подобных Солнечной системе, сделал астрономический спутник-телескоп Кеплер, запущенный в космос в 2009 году, совместно с программой «Охотники за планетами» (Planet hunters).
Как могла возникнуть жизнь на Земле?
Весьма вероятно, что кометы, путешествующие в пространстве с высокой скоростью, способны при столкновении с планетой создать достаточно энергии, чтобы из компонентов льда начался синтез более сложных органических соединений, в том числе молекул аминокислот. Аналогичный эффект возникает при столкновении метеорита с ледяной поверхностью планеты. Ударная волна создает тепло, которое запускает процесс формирования аминокислот из отдельных молекул космической пыли, обработанной солнечным ветром.
Интересно знать! Кометы состоят из больших глыб льда, сформированных путем конденсации водяного пара на начальном этапе создания Солнечной системы, приблизительно около 4.5 биллионов лет тому назад. В своей структуре кометы содержат углекислый газ, воду, аммиак, метанол. Эти вещества при столкновении комет с Землей, на ранней стадии ее развития, могли продуцировать достаточное количество энергии для производства аминокислот — строительных белков, необходимых для развития жизни.
Компьютерное моделирование продемонстрировало, что ледяные кометы, разбившиеся о поверхность Земли миллиарды лет тому назад, возможно, содержали пребиотические смеси и простейшие аминокислоты типа глицина, из которых, впоследствии, и зародилась жизнь на Земле.
Количество энергии, высвобождающейся при столкновении небесного тела и планеты, достаточно для запуска процесса формирования аминокислот
Ученые обнаружили, что ледяные тела с идентичными органическими соединениями, присущими кометам, можно найти внутри Солнечной системы. Например, Энцелад — один из спутников Сатурна, или Европа — спутник Юпитера, содержат в своей оболочке органические вещества , смешанные со льдом. Гипотетически, любая бомбардировка спутников метеоритами, астероидами или кометами может привести к возникновению жизни на данных планетах.
Вконтакте
При многих технологических процессах на строительных площадках и в производстве строительных изделий и конструкций в воздушную среду выделяется пыль.
Пыль - это мельчайшие твердые частицы, способные некоторое время находиться в воздухе или промышленных газах во взвешенном состоянии. Пыль образуется при рытье котлованов и траншей, монтаже зданий, обработке и подгонке строительных конструкций, отделочных работах, очистке и окраске поверхностей изделий, при транспортировании материалов, сжигании топлива и т. п.
Пыли характеризуются химическим составом, размерами и формой частиц, их плотностью, электрическими, магнитными и другими свойствами.
Поскольку поведение в воздухе пылевых частиц и их вредность связаны с крупностью, изучению этих свойств пылей уделяется первостепенное значение. Степень измельчения пыли называется ее дисперсностью . Дисперсный состав может быть представлен в виде суммы масс частиц определенных размеров, выраженных в % от общей массы. При этом масса всей пыли разделяется на отдельные фракции. Фракцией называют долю частиц, размеры которых находятся в определенном интервале значений, принятых в качестве нижнего и верхнего пределов.
Дисперсный состав пыли может быть представлен в виде таблиц, математических выражений или графиков. Для графического изображения используют интегральные и дифференциальные кривые распределения частиц по массе. Иногда дисперсный состав выражают в % по числу частиц.
Поведение пылевых частиц в воздухе связано с их скоростью витания. Скоростью витания частиц называют скорость их осаждения под действием силы тяжести в спокойном, невозмущенном воздухе. Скорость витания используют в расчетах пылеулавливающих аппаратов как одну из основных характеристических величин.
Поскольку частицы пыли в большинстве своем имеют неправильную форму, за размер частиц принимают их эквивалентный диаметр. Эквивалентный диаметр - это диаметр условной шарообразной частицы, скорость витания которой равна скорости витания действительной пылевой частицы.
7.2. ОЦЕНКА ВРЕДНОСТИ ПЫЛИ
Пыль представляет собой гигиеническую вредность, так как она отрицательно влияет на организм человека. Под воздействием пыли могут возникать такие заболевания, как пневмо-кониозы, экземы, дерматиты, конъюнктивиты и др. Чем мельче пыль, тем она опаснее для человека. Наиболее опасными для человека считаются частицы размером от 0,2 до 7 мкм, которые, попадая в легкие при дыхании, задерживаются в них и, накапливаясь, могут стать причиной заболевания. Существует три пути проникновения пыли в организм человека: через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт и кожу. Пыль токсичных веществ (свинца, мышьяка и др.) может привести к острому или хроническому отравлению организма. Помимо этого пыль ухудшает видимость на строительных объектах, снижает светоотдачу осветительных устройств, повышает абразивный износ трущихся изделий машин и механизмов. В результате этих причин снижается производительность и качество труда и ухудшается общая культура производства.
Гигиеническая вредность пыли зависит от ее химического состава. Наличие в пыли веществ с токсическими свойствами повышает ее опасность. Особую опасность представляет диоксид кремния SiО 2 , который вызывает такое заболевание, как силикоз. В зависимости от химического состава пыль подразделяется на органическую (древесная, хлопковая, кожевенная и др.), неорганическую (кварцевая, цементная, карборундовая и др.) и смешанную.
Концентрация пыли в реальных производственных условиях может составлять от нескольких мг/м 3 до сотен мг/м 3 Санитарными нормами (СН 245-71) установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) пыли в воздухе рабочей зоны. В зависимости от химического состава пылей их ПДК колеблются в пределах от 1 до 10 мг/м 3 . Установлены также предельно допустимые концентрации пыли для воздушной среды населенных мест. Величины этих концентраций значительно меньше, чем в воздухе рабочей зоны и для нейтральной атмосферной пыли составляют 0,15 мг/м 3 (среднесуточная ПДК) и 0,5 мг/м 3 (максимально-разовая ПДК).
Измерение концентрации пыли в воздухе чаще всего проводят весовым методом, реже - счетным. Весовой метод основан на принципе получения привеса аналитического фильтра при пропускании через него определенного объема исследуемого воздуха. Аналитические фильтры типа АФА, изготовленные из нетканого фильтрующего материала, имеют высокую эффективность пылезадержания (около 100 %) и считаются «абсолютными». Для просасы-вания воздуха через фильтр используют специальные приборы - аспираторы.
Счетный метод основан на предварительном выделении пыли из воздуха с осаждением ее на покровные стекла и последующем подсчете числа частиц с помощью микроскопа. Концентрация пыли в этом случае выражается числом частиц, приходящихся на единицу объема воздуха.
Весовой метод определения концентрации пыли является основным. Он стандартизован и применяется органами санитарного надзора для контроля качества воздушной среды на промышленных предприятиях.
Дисперсный состав пыли может быть определен различными методами. Применяемые для этих целей приборы по принципу действия подразделяют на две группы: 1) без осаждения пыли из потоков газа - импакторы НИИОГАЗ, импактор НИХФИ им. Карпова и др.; 2) с предварительным осаждением пыли и ее последующим анализом - воздушный классификатор МИОТ, жидкостный прибор с подъемной пипеткой ЛИОТ, центробежный сепаратор Бако и др.
7.3. СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ПЫЛИ
Для предупреждения загрязнения пылью воздушной среды в производственных помещениях и защиты работающих от ее вредного воздействия необходимо проведение следующего комплекса мероприятий.
Максимальная механизация и автоматизация производственных процессов. Это мероприятие позволяет исключить полностью или свести к минимуму количество рабочих, находящихся в зонах интенсивного пылевыделения.
Применение герметичного оборудования, герметичных устройств для транспорта пылящих материалов. Например, использование установок пневматического транспорта всасывающего типа позволяет решать не только транспортные, но и санитарно-гигиенические задачи, так как полностью исключает пылевыделения в воздушную среду помещений. Аналогичные задачи решает и гидротранспорт.
Использование увлажненных сыпучих материалов. Наиболее часто применяется гидроорошение с помощью форсунок тонкого распыла воды.
Применение эффективных аспирационных установок. На заводах по производству строительных конструкций такие установки позволяют удалять отходы и пыль, образующиеся при механической обработке газобетона, древесины, пластмасс и других хрупких материалов. Аспирационные установки успешно применяют при процессах размола, транспортирования, дозирования и смешения строительных материалов, при процессах сварки, пайки, резки изделий и др.
Тщательная и систематическая пылеуборка помещений с помощью вакуумных установок (передвижных или стационарных). Наибольший гигиенический эффект позволяют получить стационарные установки, которые при высоком разрежении в сетях обеспечивают качественную пылеуборку значительных производственных площадей.
Очистка от пыли вентиляционного воздуха при его подаче в помещения и выбросе в атмосферу. При этом выбрасываемый вентиляционный воздух целесообразно отводить в верхние слои атмосферы, чтобы обеспечить его хорошее рассеяние и тем самым ослабить вредное воздействие на окружающую среду.
Из книги «Письма Махатм» известно, что еще в конце 19-го века Махатмы дали понять, что причина изменения климата кроется в изменении количества космической пыли в верхних слоях атмосферы. Космическая пыль присутствует в космическом пространстве повсюду, но есть области с повышенным содержанием пыли и есть с меньшим. Солнечная система в своем движении пересекает и те и другие, и это отражается на климате Земли. Но как это происходит, каков механизм воздействия этой пыли на климат?
В данном сообщении обращается внимание на пылевой хвост, но снимок также хорошо демонстрирует реальные размеры пылевой «шубы» – она просто огромна.
Зная, что диаметр Земли равен 12 тыс. км., можно сказать, что толщина её составляет в среднем не менее 2 000 км. Эта «шуба» притянута Землей и напрямую воздействует на атмосферу, сжимая её. Как и было сказано в ответе: «… прямое воздействие последней на внезапные изменения температуры …» – действительно прямое в настоящем смысле этого слова. В случае уменьшения массы космической пыли в этой «шубе», когда Земля проходит космическое пространство с меньшей концентрацией космической пыли, сила сжатия уменьшается и происходит расширение атмосферы, сопровождающееся её охлаждением. Именно это подразумевалось в словах ответа: «…что ледниковые периоды, также как и периоды, когда температура подобна «каменноугольному веку», происходят от уменьшения и увеличения или, скорее, расширения нашей атмосферы, расширения, которое само обязано тому же метеорному присутствию», т.е. обязано меньшему присутствию космической пыли в этой «шубе».
Другой яркой иллюстрацией существования этой наэлектризованной газопылевой «шубы», могут служить уже известные всем электрические разряды в верхней атмосфере, идущие от грозовых облаков в стратосферу и выше. Область этих разрядов занимает высоту от верхней границы грозовых облаков, откуда берут начало голубые «джеты», до 100-130 км, где возникают гигантские вспышки красных «эльфов» и «спрайтов» . Этими разрядами через грозовые облака обмениваются две большие наэлектризованные массы – Земля и масса космической пыли в верхней атмосфере. По сути, «шуба» эта в своей нижней части начинается от верхней границы облакообразования. Ниже этой границы происходит конденсация атмосферной влаги, где частицы космической пыли участвуют в создании ядер конденсации. Далее пыль эта выпадает на земную поверхность вместе с осадками.
В начале 2012 года в Интернете появились сообщения на интересную тему. Вот одно из них : (Комсомольская правда, 28 Фев. 2012)
«Спутники НACA пoкaзaли: нeбo cтaлo oчeнь близкo к Зeмлe. За пocлeднee дecятилeтиe – c мaртa 2000 гoдa по фeврaль 2010 гoдa – выcoтa cлoя oблaкoв cнизилacь на 1 прoцeнт или, другими cлoвaми, на 30-40 мeтрoв. И это cнижeниe в ocнoвнoм oбуcлoвлeнo тем, что вce мeньшe oблaкoв cтaлo фoрмирoвaтьcя на больших выcoтaх, cooбщaeт infoniac.ru. Там их фoрмируeтcя c каждым гoдoм вce мeньшe. К тaкoму трeвoжнoму вывoду пришли учeныe из Унивeрcитeтa Oклeндa (Нoвaя Зeлaндия), прoaнaлизирoвaв дaнныe пeрвых 10 лет измeрeний выcoтнocти oблaкoв, пoлучeнныe мнoгoуглoвым cпeктрoрaдиoмeтрoм (MISR) c кocмичecкoгo aппaрaтa NASA Тeррa.
Пoкa мы тoчнo не знaeм, что вызвaлo cнижeниe выcoты oблaкoв, – признaлcя иccлeдoвaтeль прoфeccoр Рoджeр Дэвис (Roger Davies). – Но вoзмoжнo это прoизoшлo из-за измeнeний в циркуляции, кoтoрaя приводит к фoрмирoвaнию oблaкoв на бoльшoй выcoтe.
Климaтoлoги прeдупрeждaют: ecли oблaкa будут прoдoлжaть cнижaтьcя, то это мoжeт иметь вaжнoe влияние на глoбaльнoe измeнeниe климaтa. Бoлee низкий cлoй oблaчнocти мoжeт пoмoчь Зeмлe oхлaждaтьcя и притoрмoзить глoбaльнoe пoтeплeниe, oтвoдя тeплo в кocмoc. Но он, тaкжe, мoжeт прeдcтaвлять coбoй oтрицaтeльный эффект oбрaтнoй связи, то ecть измeнeниe, вызвaннoe глoбaльным пoтeплeниeм. Oднaкo, пoкa учeныe не могут дать oтвeт на то, мoжнo ли чтo-тo cкaзaть o будущем нaшeгo климaтa, ocнoвывaяcь на данных oблaкoв. Хотя oптимиcты cчитaют, что 10-лeтний пeриoд нaблюдeний cлишкoм кoрoткий, чтобы дeлaть тaкиe глoбaльныe выводы. Статья об этом опубликована в журнале Geophysical Research Letters».
Вполне можно предположить, что положение верхней границы образования облаков напрямую зависит от степени сжатия атмосферы. То, что обнаружили ученые из Новой Зеландии, возможно, есть следствие усиления сжатия, и в дальнейшем может служить индикатором изменения климата. Так, например, при повышении верхней границы облакообразования, можно делать выводы о начале глобального похолодания. В настоящее же время их исследования могут свидетельствовать о том, что глобальное потепление продолжается.
Само потепление происходит неравномерно на отдельных территориях Земли. Есть области, где среднегодовое повышение температуры значительно превышает среднее на всей планете, достигая 1,5 – 2,0°С. Также есть территории, где погода меняется даже в сторону похолодания. Однако средние результаты показывают, что в целом за столетний период среднегодовая температура на Земле увеличилась приблизительно на 0,5°С .
Земная атмосфера – открытая, рассеивающая энергию система, т.е. она поглощает тепло от Солнца и земной поверхности, она же и излучает тепло обратно к поверхности Земли и в открытый космос. Эти тепловые процессы описываются тепловым балансом Земли. При установившемся тепловом равновесии Земля излучает в космос ровно столько тепла, сколько получает его от Солнца. Такой тепловой баланс можно назвать нулевым. Но тепловой баланс может быть положительным при потеплении климата и может быть отрицательным при похолодании. То есть при положительном балансе Земля поглощает и накапливает тепла больше, нежели излучает в космос. При отрицательном балансе – наоборот. В настоящее время Земля имеет явно положительный тепловой баланс. В феврале 2012 года в Интернете появилось сообщение о работе на эту тему ученых из США и Франции. Вот выдержка из сообщения :
«Ученые переопределили тепловой баланс Земли
Наша планета продолжает впитывать больше энергии, чем возвращает в космос, выяснили исследователи из США и Франции. И это несмотря на чрезвычайно долгий и глубокий последний солнечный минимум, который означал сокращение потока лучей, которые поступали от нашей звезды. Группа ученых, возглавляемая Джеймсом Хансеном, директором института космических исследований Годдарда (GISS), выполнила наиболее точный на данный момент подсчет энергетического баланса Земли за период с 2005 по 2010 год включительно.
Оказалось, планета поглощает сейчас в среднем по 0,58 ватта избыточной энергии на каждый квадратный метр поверхности. Такое текущее превышение прихода над расходом. Это значение - несколько ниже, чем свидетельствовали предварительные оценки, однако оно говорит о долгосрочном повышении средней температуры. (…) С учетом других наземных, а также спутниковых измерений Хансен и его коллеги определили, что верхний слой основных океанов впитывает 71% указанной избыточной энергии, Южный океан - еще 12%, абиссаль (зона между 3 и 6 километрами глубины) поглощает 5%, льды - 8% и земля - 4%».
«… в глобальном потеплении последнего столетия нельзя обвинять большие колебания в солнечной активности. Возможно, в будущем влияние Солнца на эти соотношения изменится, если сбудется прогноз о его глубоком сне. Но пока причины изменения климата в последние 50-100 лет приходится искать в другом. …».
Искать, вероятнее всего, следует в изменении среднего давления атмосферы. Принятая в 20-х годах прошлого века Международная стандартная атмосфера (МСА) устанавливает давление 760 мм. рт. ст. на уровне моря, на широте 45° при среднегодовой поверхностной температуре 288К (15°С). Но сейчас уже не та атмосфера, что была 90 – 100 лет назад, т.к. явно изменились её параметры. Сегодняшняя атмосфера в результате потепления должна иметь среднегодовую температуру 15,5°С при новом давлении на уровне моря на той же широте. Стандартная модель земной атмосферы связывает зависимостью температуру и давление от высоты над уровнем моря, где на каждые 1000 метров высоты тропосферы от уровня моря температура понижается на 6,5°С. Нетрудно посчитать, что на 0,5°С приходится 76,9 метров высоты. Но если мы возьмём по этой модели поверхностную температуру 15,5°С, которую мы имеем в результате глобального потепления, то она нам покажет 76,9 метров ниже уровня моря. Это говорит о том, что старая модель не отвечает сегодняшним реалиям. Справочники нам говорят, что при температуре 15°С в нижних слоях атмосферы давление уменьшается на 1 мм. рт. ст. с подъёмом на каждые 11 метров . Отсюда мы можем узнать перепад давления соответствующий перепаду высот 76,9 м ., и это будет самый простой способ определения прироста давления приведшего к глобальному потеплению.
Прирост давления будет равен:
76,9 / 11 = 6,99 мм. рт. ст.
Однако мы можем более точно определить давление, приведшее к потеплению, если обратимся к работе академика (РАЕН) Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН О.Г.Сорохтина «Адиабатическая теория парникового эффекта» Эта теория строго научно даёт определение парникового эффекта планетной атмосферы, даёт формулы определяющие поверхностную температуру Земли и температуру на любом уровне тропосферы, а также раскрывает полную несостоятельность теорий о влиянии «парниковых газов» на потепление климата. Эта теория применима для объяснения изменения температуры атмосферы в зависимости от изменения среднего атмосферного давления. Согласно этой теории, как принятая в 20-х годах МСА, так и реальная на сегодняшний момент атмосфера должны подчиняться одной и той же формуле определения температуры на любом уровне тропосферы.
Итак, «Если входным сигналом является так называемая температура абсолютно чёрного тела, характеризующая нагрев тела, удалённого от Солнца на расстояние Земля–Солнце, только за счёт поглощения солнечного излучения (T bb = 278,8 К = +5,6 °С для Земли), то средняя приземная температура T s линейно зависит от неё»:
Т s = b α ∙ Т bb ∙ р α , (1)
где b – масштабный множитель (если измерения проводить в физических атмосферах, то для Земли b = 1,186 атм–1); T bb = 278,8 К = +5,6 °С – нагрев поверхности Земли только за счёт поглощения солнечного излучения; α – показатель адиабаты, среднее значение которого для влажной, поглощающей ИК-излучение тропосферы Земли равно 0,1905» .
Как видно из формулы, температура T s зависит ещё и от давления р.
И, если нам известно, что средняя приземная температура по причине глобального потепления повысилась на 0,5 °С и равна теперь 288,5 К (15,5°С), то мы можем из этой формулы узнать какое давление на уровне моря привело к этому потеплению.
Преобразуем уравнение и найдем это давление:
р α = Т s : (b α ∙ Т bb),
р α =288,5 : (1,186 0,1905 ∙ 278,8) = 1,001705,
р = 1,008983 атм;
или 102235,25 Па;
или 766,84 мм. рт. ст.
Из полученного результата видно, что к потеплению привело повышение среднего атмосферного давления на 6,84 мм. рт. ст. , что довольно близко к полученному выше результату. Это небольшая величина, если учесть, что погодные перепады атмосферного давления в пределах 30 – 40 мм. рт. ст. обычное явление для отдельно взятой местности. Перепад же давления между тропическим циклоном и континентальным антициклоном может достигать 175 мм. рт. ст. .
Итак, сравнительно небольшое среднегодовое повышение атмосферного давления привело к заметному потеплению климата. Это дополнительное сжатие внешними силами говорит о совершении определенной работы. И не имеет значения, сколько времени было затрачено на этот процесс – 1 час, 1 год или 1 столетие. Имеет значение результат этой работы – повышение температуры атмосферы, которое свидетельствует о повышении её внутренней энергии. И, так как атмосфера Земли является открытой системой, то образующийся избыток энергии она должна отдавать в окружающую среду до установления нового уровня теплового баланса с новой температурой. Окружающей средой для атмосферы является земная твердь с океаном и открытый космос. Земная твердь с океаном, как отмечалось выше, в настоящее время « … продолжает впитывать больше энергии, чем возвращает в космос» . А вот с излучением в космос дело обстоит иначе. Радиационное излучение тепла в космос характеризуется радиационной (эффективной) температурой T e , под которой эта планета видна из космоса, и которая определяется так:
Где σ = 5,67 . 10 –5 эрг/(см 2 . с. К 4) – постоянная Стефана–Больцмана, S – солнечная постоянная на удалении планеты от Солнца, А – альбедо, или отражательная способность, планеты, в основном регулируемая её облачным покровом. Для Земли S = 1,367 . 10 6 эрг/(см 2 . с), А ≈ 0,3 , следовательно T e = 255 К (-18 °С);
Температура 255 К (-18 °С) соответствует высоте 5000 метров, т.е. высоте интенсивного облакообразования, высота которого, как утверждают ученые из Новой Зеландии, снизилась на 30-40 метров за последние 10 лет. Следовательно, площадь сферы, излучающей тепло в космос, при сжатии атмосферы извне уменьшается, а, значит, уменьшается и излучение тепла в космос. Этот фактор явно влияет в сторону потепления. Далее, из формулы (2) видно, что радиационная температура излучения Земли зависит практически только от А – альбедо Земли. Но любое повышение поверхностной температуры усиливает испарение влаги и увеличивает облачность Земли, а это, в свою очередь, повышает отражательную способность земной атмосферы, а значит, и альбедо планеты. Повышение же альбедо приводит к понижению радиационной температуры излучения Земли, следовательно, к снижению теплового потока уходящего в космос. Здесь надо отметить, что в результате повышения альбедо увеличивается отражение солнечного тепла от облаков в космос и сокращается его поступление на земную поверхность. Но даже если влияние этого фактора, действующего в противоположном направлении, полностью компенсирует влияние фактора повышения альбедо, то и тогда налицо факт того, что весь избыток тепла остаётся на планете . Вот почему даже незначительное изменение среднего атмосферного давления ведёт к заметному изменению климата. Повышению атмосферного давления способствует также и рост самой атмосферы за счет увеличения количества газов привносимых с метеорным веществом. Такова в общих чертах схема глобального потепления от повышения атмосферного давления, первоначальная причина которого лежит в воздействии космической пыли на верхнюю атмосферу.
Как уже было отмечено, потепление происходит неравномерно на отдельных территориях Земли. Следовательно, где-то повышения давления нет, где-то даже отмечено понижение, а там где повышение имеет место, оно может объясняться влиянием глобального потепления, ведь температура и давление взаимозависимы в стандартной модели земной атмосферы. Само же глобальное потепление объясняется повышением содержания в атмосфере техногенных «парниковых газов». Но в действительности это не так.
Чтобы убедиться в этом, обратимся еще раз к «Адиабатической теории парникового эффекта» академика О.Г.Сорохтина, где научно доказано, что так называемые «парниковые газы», никакого отношения к глобальному потеплению не имеют. И, что, если даже заменить воздушную атмосферу Земли на атмосферу, состоящую из углекислого газа, то и это не приведёт к потеплению, а наоборот, к некоторому похолоданию. Единственный вклад в потепление «парниковые газы» могут внести приращением массы ко всей атмосфере и, соответственно повышением давления. Но, как пишется в этой работе:
«По разным оценкам, в настоящее время за счёт сжигания природного топлива в атмосферу поступает около 5–7 млрд т углекислого газа, или 1,4–1,9 млрд т чистого углерода, что не только снижает теплоёмкость атмосферы, но и несколько увеличивает её общее давление. Эти факторы действуют в противоположных направлениях, в результате средняя температура земной поверхности меняется очень мало. Так, например, при двукратном увеличении концентрации СО 2 в земной атмосфере с 0,035 до 0,07% (по объёму), которое ожидается к 2100 г., давление должно увеличиться на 15 Па, что вызовет повышение температуры примерно на 7,8 . 10 –3 К».
0,0078°С – это действительно очень мало. Так наука начинает признавать, что на современное глобальное потепление не влияют ни колебания солнечной активности , ни увеличение концентрации в атмосфере техногенных «парниковых» газов. И взоры ученых обращаются на космическую пыль. Об этом говорит следующее сообщение из Интернета:
«В изменении климата виновата космическая пыль? (05 апреля 2012,) (…) Новая исследовательская программа была начата с целью узнать, сколько этой пыли входит в атмосферу Земли, и как она может влиять на наш климат. Считается, что точная оценка пыли также поможет в понимании того, как частицы переносятся через разные слои атмосферы Земли. Ученые из университета Лидса уже представили проект по изучению влияния космической пыли на земную атмосферу после того, как получили грант 2,5 млн. евро от Европейского исследовательского совета. Проект рассчитан на 5 лет исследований. Международная команда состоит из 11 ученых в Лидсе и еще 10 исследовательских групп в США и Германии (…)» .
Обнадеживающее сообщение. Похоже, что наука приближается к открытию настоящей причины изменений климата.
В связи со всем вышеизложенным можно добавить, что в будущем предвидится пересмотр основных понятий и физических параметров, касающихся атмосферы Земли. Классическое определение, что атмосферное давление создаётся гравитационным притяжением воздушного столба к Земле, становится не совсем верным. Отсюда также неверной становится величина массы атмосферы, вычисленная из атмосферного давления действующего на всю площадь поверхности Земли. Всё становится гораздо сложнее, т.к. существенную составляющую атмосферного давления представляет сжатие атмосферы внешними силами магнитного и гравитационного притяжения массы космической пыли, насыщающей верхние слои атмосферы.
Это дополнительное сжатие атмосферы Земли было всегда, во все времена, т.к. нет в космическом пространстве областей свободных от космической пыли. И именно благодаря этому обстоятельству Земля имеет достаточно тепла для развития биологической жизни. Как и было сказано в ответе Махатмы:
«…что тепло, которое получает Земля от лучей солнца, является, в самой большей степени, лишь третью, если не меньше, количества, получаемого ею непосредственно от метеоров», т.е. от воздействия метеорной пыли.
г. Усть-Каменогорск, Казахстан, 2013 г.
