Что и на какой высоте ждет вас при подъеме от Земли
Проехав несколько сотен километров по Земле, вы скорее заметите изменения в архитектуре и инфраструктуре, чем в климате. С движением вверх все иначе. С первыми же километрами ситуация кардинально меняется, да и вообще — дорога из города на дачу, как правило, длиннее пути в космос. Рассказываем, что ждет человека на разной высоте и где сегодня проходит предел нашим путешествиям наверх.
Это максимальная высота деревьев на Земле. Рекорд принадлежит вечнозеленой секвойе (Sequoia sempervirens) из Калифорнии, которую за уникальность нарекли Гиперионом. Может показаться удивительным, но дерево, которое уже 600-800 лет как растет в не самом укромном месте на планете, заметили и решили измерить только в 2006 году.
На этой высоте примерно у половины людей начинается высотная болезнь — если, конечно, речь не идет о жителях этих высот, которые давно акклиматизировались. Из-за пониженного давления воздуха в легкие попадает меньше кислорода, его концентрация в крови снижается, а значит и ткани снабжаются им хуже.
Вероятно, это самая высокая точка земной поверхности, в которой проводился эксперимент с колой и ментосом. Звучит как школьная забава, но обставлено все было строго: американские химики действительно проверяли гипотезу о том, что с увеличением высоты над уровнем моря будет увеличиваться и объем пены, образующейся из-за реакции. Они подошли к делу серьезно и учли многие детали — например, брали бутылки из одной партии и обеспечивали одинаковую температуру на разной высоте. Гипотеза подтвердилась, и на вершине горы Пайкс-Пик объем пены оказался максимальным — 1,8 литра.
Атмосфера Земли в основном сосредоточена на ее поверхности. Уже на этой высоте позади осталась половина ее частиц.
7290 метров — это максимальная достоверно зарегистрированная высота полета птицы. Рекорд установил горный гусь (Anser indicus), который в составе стаи перелетел через Гималаи. Есть также рассказы очевидцев о том, что эти птицы забирались и выше, но они, к сожалению, достоверно не подтверждены. Впрочем, ученые не сильно сомневаются в том, что они могут быть правдой: в 2019 году исследователи провели эксперимент с аэродинамической трубой и симулированной атмосферой, и показали, что горный гусь (Anser indicus) способен выдержать полет и на высоте девяти километров. Такие же эксперименты с разреженным давлением показали еще и то, что на такой высоте могут летать и насекомые — шмели Bombus impetuosus. А в 1973 году было зарегистрировано столкновение африканского сипа (Gyps rueppellii) с самолетом на высоте 37 тысяч футов (11,28 километра), но этот случай обычно не упоминается в научной литературе из-за недостаточного доверия данным.
Примерно на этой высоте начинается «мертвая зона», в которой кислорода уже так мало, что человеческое тело неспособно приспособиться, поэтому пребывание здесь без дополнительного источника кислорода грозит целым рядом проблем с работой органов, потерей сознания и смертью.
Позади 3/4 частиц атмосферы. Средняя температура здесь составляет −56,5 градуса Цельсия. Дальше масса и плотность атмосферы продолжат снижаться. Можно предположить, что температура падает вместе с ними, но на самом деле это не так — она останется прежней до примерно 16-20 километров, а выше даже начинает увеличиваться вплоть до высоты 50 километров, где она может доходить до 0 градусов Цельсия. Все дело в том, что на этих высотах располагается озоновый слой, поглощающий ультрафиолетовое излучение от Солнца и инфракрасное из более низких слоев атмосферы, что вызывает нагревание.
Наибольшая высота полета мультикоптера и вообще винтокрылого летательного аппарата. Рекорд установил Денис Корякин, который в 2019 году запустил в Томской области квадрокоптер на максимальную высоту от 12467 до 12925 метров: первая величина получена по GPS, а вторая — по показаниям барометра.
Здесь заканчиваются перистые облака, причем так высоко они бывают лишь в тропических широтах, и то редко. Они выглядят как длинные полосы, причем они могут состоять из множества поперечных полос, меньших по размеру. Это самый высокий вид «обычных» облаков — дальше только серебристые облака и другая экзотика (подробнее — в материале «Серебро в облаках»).
На этой высоте Алан Юстас в 2014 году спрыгнул со стратостата, чтобы затем пролететь 4,5 минуты в свободном падении. Затем на высоте трех километров он раскрыл парашют и приземлился, установив мировой рекорд по начальной высоте свободного падения. Летел он, разумеется, в скафандре — температура и давление не позволяют хоть сколько-то находиться без него так высоко.
Эксперименты с колой пока не проводили выше 4,3 километра, а спрайты наблюдаются начиная примерно с этой высоты. Они немного похожи на молнии и неразрывно связаны с ними, но отличаются по механизму, внешнему виду и высоте образования (молнии обычно возникает на высоте ниже 15 километров). Спрайт появляется сразу после мощного разряда молнии. Молния вызывает перераспределение зарядов, из-за чего грозовые облака приобретают отрицательный заряд. В этот момент между ними и ионосферой с положительными ионами возникает поле и может произойти еще один разряд — тот самый спрайт.
Это явление начали изучать в конце XX века, когда в 1989 году ученые получили, причем случайно, первый снимок спрайта. С тех пор они накопили как знания об этом явлении, так и красивые фотографии, часть из которых можно увидеть в материале «Спрайты, эльфы и синие струи».
На высоте от 76 до 85 километров иногда возникают серебристые облака. Они разрежены и не видны днем, но когда Солнце заходит за горизонт, оно начинает ярко подсвечивать их своими лучами. Подробнее об этом виде облаков мы рассказывали в материале «Серебро в облаках».
Полярные сияния возникают, когда частицы солнечного ветра, в основном электроны, сталкиваются с кислородом и азотом атмосферы. Атомы ионизируются и возбуждаются, и из-за этого испускают свет. Принято считать, что полярное сияние зеленое, но на самом деле оно бывает и красным, и синим — зеленое просто наиболее распространено и хорошо заметно. Оно возникает из-за возбуждения атомарного кислорода, который ведет себя необычно: через 0,7 секунды он излучает зеленый свет с длиной волны 557,7 нанометров, а через 107 секунд еще и красный свет с длиной волны 630 нанометров. Но на небольших высотах возбужденные атомы довольно часто сталкиваются с другими атомами или молекулами, поэтому второе излучение, красного цвета, обычно уже не возникает. Но в зависимости от высоты атмосферы в ней могут возникать свечения как других цветов, так и с другим источником — азотом.
Граница космоса по версии ВВС США. Ее же придерживается и Virgin Galactic, запускающая к космосу или в космос на ракетоплане людей, которые могут несколько минут побыть в невесомости и посмотреть на планету с огромной высоты.
На этой высоте проходит линия Кармана, то есть общепринятая граница космоса. Разумеется, никакой резкой физической границы между атмосферой и космосом нет. Но и чисто юридическим этот термин назвать нельзя. Теодор фон Карман предлагал рассматривать в качестве границы космоса такую высоту, при которой силы, обусловленные орбитальной динамикой, превышают аэродинамические силы. Карман давал этой высоте разные оценки, а Эндрю Хейли, который первым предложил называть границу именно «Линией Кармана», рассчитал ее равной 84 километрам. Через несколько лет и задолго до Virgin Galactiv границу пару раз пересек ракетоплан North American X-15.
Недавно, во многом из-за запусков Virgin Galactic и Blue Origin (капсула которой регулярно пересекает эту линию), дискуссии о ее высоте возобновились. В 2018 году Джонатан Макдауэлл (Jonathan McDowell) выпустил новый анализ на эту тему и обосновал, почему 80 километров — это более научно корректное значение, после чего Международная авиационная федерация (FAI) предложила обсудить возможное снижение официальной границы космоса.
Примерно на этой высоте летает МКС. Примерно — потому
что ее высота постепенно уменьшается, а затем снова поднимается
двигателями. И даже тут летают микробы — частицы с ними на поверхности
поднимаются в верхние слои атмосферы с помощью «электрического лифта»,
что недавно доказал эксперимент, во время которого геном бактерий на поверхности станции сравнили с геномом бактерий из северных морей на Земле.
На такую высоту 16 сентября поднялся Crew Dragon с первым полностью коммерческим космическим экипажем. Выше этой планки эксплуатируемые сегодня космические корабли с людьми на борту не летали.
Мощное магнитное поле Земли захватывает заряженные частицы, из-за чего вокруг планеты есть два радиационных пояса. Они оба имеют форму тора, но состоят из разных частиц и расположены на разной высоте. Внутренний пояс состоит преимущественно из протонов. Он начинается примерно от 600-700 километров и заканчивается на уровне 10-12 тысяч километров.
На такую высоту хотят отправить космических туристов на космическом корабле Crew Dragon SpaceX и Space Adventures. Точная высота полета неизвестна, но организаторы полета дали две подсказки: они собираются отправить корабль на высоту «до трех раз выше высоты полета МКС», то есть примерно до 1260 километров, и в то же время попытаются побить полет рекорд полета Gemini 11, который в 1966 году поднялся на 1374 километра.
Во всяком случае, на имеющихся у человечества связках из ракет-носителей и космических кораблей никто дальше не летал и лететь пока не собирается.
Этот пояс состоит уже в основном из электронов и заканчивается на высоте около 58 тысяч километров. Опасность радиационных поясов заключается в их влиянии на аппараты и космонавтов, вылетающих к Луне. Излучение в поясах настолько велико, что когда его впервые обнаружили в конце 1950-х годов, ученые заподозрили в этом советские ядерные испытания. Однако пролет через пояса занимает пару часов, поэтому они не представляют большой опасности для астронавтов, что показывает в том числе успешный опыт американских «Аполлонов».
Таково среднее расстояние до естественного спутника Земли. Сюда за всю историю человечества долетали только экипажи девяти «Аполлонов». В первой лунной миссии «Аполлон-8» астронавты лишь облетели спутник и вернулись на Землю, а начиная с «Аполлон-11» они уже высаживались на поверхность Луны (за исключением неудачного «Аполлон-13»). Последний лунный полет по программе состоялся в конце 1972 года и с тех пор новых людей на Луне или ее орбите так и не было. Возможно, что до возвращения осталось совсем немного. Ближе всего пока выглядит SpaceX, которая собирается в 2023 году отправить в облет Луны японского миллиардера Юсаку Маэдзаву. Ракета, она же космический корабль, Starship пока ни разу не летала в космос, но летом ее наконец собрали — теперь дело в основном за американскими регуляторами, а не техникой.
Григорий Копиев