Каква е температурата в космоса извън земната атмосфера? А в междузвездното пространство? И ако отидем извън нашата галактика, ще бъде ли по-студено там, отколкото вътре в Слънчевата система? И възможно ли е изобщо да се говори за температура спрямо вакуума? Нека се опитаме да го разберем.
Какво е топлина
Първо, трябва да разберете каква е температурата по принцип, как се генерира топлина и защо възниква студът. За да се отговори на тези въпроси, е необходимо да се разгледа структурата на материята на микро ниво. Всички вещества във Вселената са изградени от елементарни частици – електрони, протони, фотони и т.н. Атомите и молекулите се образуват от тяхната комбинация.
Микрочастиците не са фиксирани обекти. Атомите и молекулите непрекъснато вибрират. А елементарните частици наистина се движат със скорост, близка до светлинната. Каква е връзката с температурата? Директна: енергията на движение на микрочастиците е топлина. Колкото повече вибрират молекулите в парче метал, например, толкова по-горещо ще бъде то.
Какво е студено
Но ако топлината е енергията на движение на микрочастиците, тогава каква ще бъде температурата в космоса, във вакуум? Разбира се, междузвездното пространство не е напълно празно - през него се движат фотони, носещи светлина. Но плътността на материята там е много по-ниска, отколкото на Земята.
Колкото по-малко атомите се сблъскват един с друг, толкова по-слабо се нагрява веществото, което се състои от тях. Ако газ под високо налягане се изпусне в разредено пространство, температурата му ще спадне рязко. На този принцип се основава работата на добре познатия компресорен хладилник. По този начин температурата в космоса, където частиците са много далеч една от друга и не могат да се сблъскат, трябва да се доближи до абсолютната нула. Но вярно ли е това на практика?
Как се пренася топлината
Когато материята се нагрява, нейните атоми излъчват фотони. Този феномен също е добре познат на всички - нажежен метален косъм в електрическа крушка започва да свети ярко. В този случай фотоните носят топлина. По този начин енергията преминава от горещо вещество към студено.
Космосът не е пълен само с фотони, излъчвани от безброй звезди и галактики. Вселената е изпълнена и с т. нар. реликтово лъчение, което се е образувало в ранните етапи на нейното съществуване. Именно благодарение на това явление температурата в космоса не може да падне до абсолютната нула. Дори далече от звезди и галактики, материята ще получи топлина, разпръсната из Вселената от космическо микровълново фоново лъчение.
Какво е абсолютна нула
Никое вещество не може да бъде охладено под определена температура. В крайна сметка охлаждането е загуба на енергия. Според законите на термодинамиката в определен момент ентропията на системата ще достигне нула. В това състояние материята вече не може да губи енергия. Това ще бъде максимално възможната ниска температура.
Абсолютната нула е минус 273,15 °C или нула Келвин. Теоретично такава температура може да се получи в затворени системи. Но на практика никъде във Вселената не е възможно да се създаде област от пространството, която да не бъде засегната от външни сили.
Каква е температурата в космоса
Нашата Вселена не е хомогенна. Ядрата на звездите се нагряват до милиони градуси. Но по-голямата част от пространството, разбира се, е много по-студено. Ако говорим за температурата в открития космос, то тя е само 2,7 градуса над абсолютната нула и е минус 270,45 по Целзий.
Тази топлина идва от вече споменатата космическа микровълнова фонова радиация. Но Вселената се разширява, което означава, че нейната температура постепенно ще намалява. Теоретично за трилиони години материята в него може да се охлади до възможно най-ниското ниво. Но въпросът дали разширяването на Вселената ще завърши с „топлинна смърт“или ще стане по-хетерогенна и структурирана поради действието на гравитационните сили, остава въпрос на дебат.
По-топло е на местата, където се натрупва материя, но не много. Облаците от газ и прах, намиращи се между звездите на нашата галактика, имат температура от 10 до 20 градуса над абсолютната нула, тоест минус 263-253 °C. И само близо до звездите, вътре в които протичат реакции на ядрен синтез, може да се намери достатъчно топлина за удобното съществуване на протеинови форми на живот.
Температура около земната орбита
Каква е температурата близо до нашата планета? Трябва ли астронавтите, пътуващи до МКС, да се запасят с топли дрехи? В околоземна орбита металът под преките лъчи на слънцето се затопля до 160 градуса по Целзий. В същото време предметите на сянка ще се охладят до минус 100 °C. Ето защо, за космически разходки се използват скафандри с надеждна топлоизолация, нагреватели и охладителна система, за да предпазят човек от такъв сериозен спад на температурата.
Не по-малко екстремни условия на повърхността на Луната. Неговата слънчева страна е по-гореща от Сахара. Температурата там може да надхвърли 120 °C. Но от тъмната страна тя пада до около минус 170 °C. По време на кацането на Луната американците използваха скафандри, които имаха 17 слоя защитни материали. Терморегулацията се осигуряваше от специална система от тръби, в които циркулира водата.
Температури на други планети в Слънчевата система
Климатът е силно повлиян от наличието или отсъствието на атмосфера. Това е вторият по важност фактор след разстоянието до Слънцето. Ясно е, че докато се отдалечавате от звездата, температурата в космоса пада. Но наличието на атмосфера ви позволява да запазите част от топлината поради парниковия ефект.
Най-ярката илюстрация на това явление е климатът на Венера. Температурата на повърхността му достига 477 °C. Поради атмосферата Венера е по-гореща от Меркурий, който е по-близо до Слънцето.
Средната температура на повърхността на Меркурий е 349,9°C през деня и минус 170,2°C през нощта.
Марс може да се нагрее до 35 градуса по Целзий през лятото на екватора и да се охлади до -143°C през зимата в полярните шапки.
Юпитер достига -153°C.
Но колкото по-далеч от слънцето, толкова по-студено. Уранът вече не спасява дори атмосферния слой. Въпреки че задържа топлината, предотвратявайки незабавното й излизане в открития космос, температурата там все още пада до минус 224 °C.
Но най-студено е на Плутон. Температурата на повърхността му е минус 240 °C. Това е само 33 градуса над абсолютната нула.
Най-студеното място в космоса
По-горе беше казано, че междузвездното пространство се затопля от реликтова радиация и следователно температурата в космоса по Целзий не пада под минус 270 градуса. Но се оказва, че може да има и по-студени райони.
През 1998 г. телескопът Хъбъл откри облак газ и прах, който се разширява бързо. Мъглявината, наречена Бумеранг, се е образувала поради феномен, известен като звезден вятър. Това е много интересен процес. Същността му се състои в това, че от централната звезда с огромна скорост се "издухва" поток от материя, който, попадайки в разреденото космическо пространство, се охлажда поради рязко разширение.
Учените изчисляват, че температурата в мъглявината Бумеранг е само един градус по Келвин, или минус 272 °C. Това е най-ниската температура в космоса, която астрономите са успели да регистрират досега. Мъглявината Бумеранг се намира на разстояние 5 хиляди светлинни години от Земята. Можете да го гледате в съзвездието Кентавър.
Най-ниската температура на Земята
И така, разбрахме каква е температурата в космоса и кое място е най-студеното. Сега остава да разберем какви са най-ниските температури, получени на Земята. И това се случи в хода на скорошни научни експерименти.
През 2000 г. изследователи от Хелзинкския технологичен университет охладиха парче метален родий до почти абсолютна нула. По време на експеримента е получена температура, равна на 110-10 Келвин. Това е само 0,000000000 1 градус над долната граница.
Целта на изследването не беше само да се получат свръхниски температури. Основната задача беше да се изследва магнетизмът на ядрата на атомите на родия. Това проучване беше много успешно и доведе до редица интересни резултати. Експериментът помогна да се разбере как магнетизмът влияе на свръхпроводящите електрони.
Постигането на рекордно ниски температури се състои от няколко последователни етапа на охлаждане. Първо, с помощта на криостат, металът се охлажда до температура 310-3 Келвина. Следващите две стъпки използват метода на адиабатно ядрено размагнитване. Родият се охлажда до температура от първите 510-5 Келвина и след това достига рекордно ниска температура.