Раздел I. Общая характеристика влияния на организм человека факторов космического полета

Глава 1. Физическая характеристика космического пространства и влияние на организм статических факторов полета

Физическая характеристика космического пространства и влияние на организм статических факторов полета

Физическая характеристика космического пространства и влияние на организм статических факторов полета

Физическая характеристика космического пространства и влияние на организм статических факторов полета

Физическая характеристика космического пространства и влияние на организм статических факторов полета

Физическая характеристика космического пространства и влияние на организм статических факторов полета

Состав и характеристика атмосферы

Атмосфера Земли - воздушная оболочка Земли, состоящая в основном из газов: азота (78,08%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%), углекислого газа (0,03%). Других газов (неон, гелий, криптон, водород, ксенон, озон, радон, аммиак, перекись водорода, йод, эманация радия) в атмосфере содержится менее 0,01%. В ней содержатся также водяной пар (от 0,05 до 4%) и различные примеси (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения), количество которых непостоянно.

Роль озона, несмотря на ничтожное содержание его в атмосфере, исключительно велика, так как он поглощает коротковолновую часть ультрафиолетовой солнечной радиации и земное излучение. На высотах более 100 км кислород полностью диссоциирован. Вследствие бомбардировки атмосферы метеоритами в верхних слоях ее присутствуют атомы некоторых металлов.

Физическое состояние атмосферы определяется погодой и климатом. Основные параметры атмосферы: плотность воздуха, давление, температура и состав. С увеличением высоты плотность воздуха и атмосферное давление уменьшаются. Температура меняется также в зависимости от изменения высоты. Вертикальное строение атмосферы характеризуется различными температурными и электрическими свойствами, разным состоянием воздуха. В зависимости от температуры в атмосфере различают следующие основные слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу (сферу рассеяния).

Тропосфера - нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в умеренных широтах до 10-12 км. В тропосфере сосредоточено примерно 80% всей массы атмосферы и почти все водяные пары. При подъеме через каждые 100 м температура в тропосфере понижается в среднем на 0,65°.

Стратосфера - слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характерно незначительное изменение температуры в слое 11-25 км и повышение ее в слое 25-40 км от - 56,5 до 0,8°С. В стратосфере почти нет водяного пара.

Мезосфера начинается на высоте 50 км и простирается до 80-90 км. Температура воздуха до высоты 75-85 км понижается до -88°С, а затем снова начинает возрастать.

Термосфера - слой атмосферы, следующий за мезосферой, - начинается на высоте 80-90 км и простирается до 800 км. Температура воздуха в термосфере быстро и неуклонно возрастает и достигает нескольких сотен и даже тысяч градусов.

Экзосфера - зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 800 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идет утечка его частиц в межпланетное пространство.

Между этими основными слоями атмосферы располагаются переходные слои - тропопауза, стратопауза, мезопауза и термопауза.

Классификация зон околоземного пространства

На высоте от 15-20 до 55-60 км в атмосфере расположен слой озоносферы.

На долю тропосферы приходится 80% массы атмосферы, на долю стратосферы - 20%; масса мезосферы - не более 0,3%, термосферы - менее 0,05% от общей массы атмосферы. На основании электрических свойств в атмосфере выделяют нейтросферу и ионосферу; в зависимости от состава газа - гомосферу, гетеросферу. В настоящее время считают, что атмосфера простирается до высоты 2000-3000 км.

На высоте около 2000-3000 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме этих чрезвычайно разреженных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

Летчики и космонавты поднимаются на большие высоты в специальных герметических кабинах, изолирующих организм человека от окружающей среды. Почему человек не может существовать на большой высоте вне такой кабины? Какая высота является предельной для человека и почему?

Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание и без адаптации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 15 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит кислород.

Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако вследствие падения общего давления атмосферы по мере подъема на высоту соответственно снижается и парциальное давление кислорода.

В легких человека постоянно содержится около 3 л альвеолярного воздуха. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа - 40 мм рт. ст., а паров воды - 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в легких остается почти постоянным - около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в легкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.

На высоте около 19-20 км давление атмосферы снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому на данной высоте начинается кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступает почти мгновенно. Таким образом, с точки зрения физиологии человека "космос" начинается уже на высоте 15-19 км.

Плотные слои воздуха - тропосфера и стратосфера - защищают нас от поражающего действия радиации. При достаточном разрежении воздуха, на высотах более 36 км, интенсивное действие на организм оказывает ионизирующая радиация - первичные космические лучи; на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

По мере подъема на все большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъемной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

В разреженных слоях воздуха распространение звука оказывается невозможным. До высот 60-90 км еще возможно использование сопротивления и подъемной силы воздуха для управляемого аэродинамического полета. Но начиная с высот 100-130 км знакомые каждому летчику понятия числа М^* и звукового барьера теряют свой смысл, хотя при больших скоростях полета там еще можно применить аэродинамическое крыло.

^* (Число М, или число Маха, - отношение скорости движения какого-либо тела, например летательного аппарата, к скорости звука в атмосфере на данной высоте.)

На высотах же 180-200 км начинается сфера чисто баллистического полета, управлять которым можно, лишь используя реактивные силы. Если при таком полете развивается центробежная сила, равная силе тяжести на данной высоте, то наступает состояние динамической невесомости и летательный аппарат становится искусственным спутником Земли.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства - способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию путем конвекции (т. е. с помощью перемешивания воздуха). Это значит, что различные элементы оборудования, аппаратуры орбитальной космической станции не смогут охлаждаться снаружи так, как это делается обычно на самолете, - с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является радиационное излучение.

Метеорная опасность в космическом полете

Атмосфера надежно защищает поверхность Земли от метеоров, метеорных дождей и потоков космической пыли. Большинство из этих посланцев космоса сгорает при входе в атмосферу на высоте 40-120 км.

До недавнего времени наши представления об истинных размерах метеорных потоков на больших высотах основывались лишь на оптических и радиолокационных наблюдениях. Только в последние годы благодаря многочисленным запускам исследовательских ракет, спутников и космических кораблей были получены обширные сведения, позволившие более строго подойти к оценке той опасности, которую представляют метеоры при продолжительных полетах людей в космосе.

Частицы космического вещества распределяются в пределах солнечной системы неравномерно и имеют самые различные физические свойства. Пока более или менее изучены метеорные потоки лишь в околоземной части межпланетного пространства.

Продолжительные полеты искусственных спутников Земли показали, что вероятность столкновения в космосе с крупными метеорными телами весьма мала. Более реальную угрозу для экипажа и конструкции корабля представляют мелкие твердые частицы. Они могут пробить космический корабль, что вызовет его разгерметизацию. Однако до сих пор таких явлений во время космических полетов не наблюдалось.

Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли в первом приближении сходно с полем шара, однородно намагниченного под углом около 12° к оси вращения, т. е. носит дипольный характер. Отклонение магнитных полюсов от географических зависит от проводимости жидкого ядра Земли. Магнитное поле Земли слагается из постоянного поля, подверженного медленным, вековым изменениям, и переменного, не превышающего у поверхности 1%.

В экспериментах было установлено, что в сильном магнитном поле изменяются физиологические функции человека и высших животных. Например, происходит изменение температуры тела, частоты сердцебиений, состава крови и т. д., нарушается психическая деятельность человека. Опытами на животных установлено действие магнитного поля на клетки головного мозга. Обнаружено, что значительное снижение интенсивности магнитного поля Земли вызывает торможение роста бактерий.

Влияние измененного магнитного поля обнаруживается при физических и умственных нагрузках, при старческих изменениях в организме и при некоторых заболеваниях, например гипертонии. Изменяются иммунологические свойства организма, снижается потребление кислорода тканями, количество лейкоцитов и т. д. Кроме того, увеличенное магнитное поле вызывает изменения в хромосомах, нарушает проницаемость клеточной оболочки.

Таким образом, изменение магнитного поля при удалении от Земли может вызвать определенные изменения в состоянии космонавтов. В настоящее время ведутся лабораторные работы по изысканию средств, предотвращающих отрицательные изменения. Возможно, что наилучшим способом профилактики нарушений функций организма явится создание на летательном аппарате искусственного магнитного поля, равного по своей интенсивности магнитному полю Земли.

Радиационная опасность

Радиационная опасность в космическом полете в основном зависит от условий полета (трассы и продолжительности) и особенностей конструкции (наличия защитных устройств) космического корабля. Космический корабль и его обитатели могут подвергаться воздействию галактического космического излучения, излучений радиационных поясов Земли и других планет, действию потоков заряженных частиц, возникающих при солнечных вспышках, а во время посадки на планеты - воздействию излучений пород с естественной или наведенной радиоактивностью.

Радиационные пояса Земли - области околоземного пространства, заполненные потоками заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли. Различают условно следующие пояса радиации: внутренний, внешний, самый внешний и искусственный.

Запуски спутников с аппаратурой для измерения ионизирующих излучений показали, что магнитное поле Земли является ловушкой для заряженных частиц, в которой концентрируется большое количество электронов и протонов.

В радиационных поясах потоки заряженных частиц представляют опасность для живых организмов. Так как энергия значительной части потока протонов достигает сотен мегаэлектронвольт, защита от таких частиц (из-за высокой проникающей способности) представляет большие трудности, поскольку она требует значительного увеличения веса корабля.

Человек не может находиться во внутреннем радиационном поясе больше нескольких часов в том случае, если не предприняты специальные меры к значительному усилению радиационной защиты корабля.

Не менее опасны при полетах человека космические лучи. Космические лучи - это поток ядер, преимущественно протонов, очень больших энергий. Защититься от космических лучей в условиях космического полета практически невозможно. Более того, излишняя защита вследствие интенсивных ядерных реакций в оболочке корабля будет приводить только к увеличению количества вторичных частиц и, следовательно, к возрастанию физической дозы облучения, получаемой космонавтами.

Радиационные пояса Земли: I - внутренний; II - внешний; III - самый внешний

Однако интенсивность первичного космического излучения галактического происхождения в околоземном пространстве невелика. Поэтому действие таких космических лучей не будет опасным, если полет продлится недолго. При длительных же полетах (несколько лет) наибольшую опасность в составе галактических космических лучей будут представлять тяжелые ядра. Защита от таких ядер трудна.

В отличие от галактических космические лучи солнечного происхождения представляют гораздо большую опасность. Энергия их мала, но интенсивность потока может достигать очень больших величин. Дозы облучения, которые могут быть получены при больших вспышках солнечных космических лучей, могут оказаться смертельными, если не принять специальных мер защиты.

Появление солнечных космических лучей связано с хромосферными вспышками. Но не при каждой вспышке испускаются космические лучи большой энергии. В период максимума солнечной активности небольшие вспышки космических лучей происходят примерно раз в месяц, большие - раз в год. Если космический корабль в период вспышки находится вне магнитного поля Земли, избежать действия солнечных космических лучей он не сможет, так как во время вспышки частицы заполняют значительную часть солнечной системы.

Изучение космических лучей и взаимодействия частиц сверхвысоких энергий с веществом было начато 16 июля 1965 г. запуском советской научной станции "Протон-1". Исследования показали многообразие элементарных частиц, из которых состоит окружающий нас мир.

Важным является изучение состава и энергетического спектра частиц в момент вспышек и создание защиты космических кораблей, достаточной для снижения дозы радиации, которую может получить космонавт при вспышке, до безопасного уровня. При полетах кораблей для обеспечения радиационной безопасности предусмотрено: прогнозирование радиационной обстановки в космическом пространстве; измерение интегральной дозы и мощности дозы непосредственно на корабле-спутнике; проведение биологической дозиметрии космической радиации; применение в аварийных условиях фармакологических противолучевых средств.

На случай резкого ухудшения радиационной обстановки в целях профилактики поражающего действия радиации космонавты обеспечены специальными радиозащитными препаратами. При опасном для здоровья космонавтов повышении уровня радиации в космическом пространстве (по показаниям бортового радиометра) можно принять решение о посадке космического корабля.

Система радиационной безопасности состоит из средств защиты от проникающей радиации и радиационного оповещения экипажа во время полета, средств профилактики и терапии лучевых поражений. Основной особенностью защиты от излучений при космических полетах является следующее: защитной оболочкой окружается не источник излучения, как обычно делается в наземных условиях, а защищаемая область.

Защита от космических излучений основывается на поглощении энергии излучения при прохождении через вещество специальных экранов. Защита экипажа от радиации осуществляется как при помощи защитных экранов и конструкций корабля, так и путем использования специальных радиационных отсеков, в которых экипаж укрывается при ухудшении радиационной обстановки. Дозиметрический контроль на борту корабля осуществляется индивидуальными и бортовыми дозиметрами. Одна из важных задач бортовой дозиметрии - оповещение экипажа об ухудшении радиационной обстановки при космических полетах.

Профилактические и терапевтические средства предназначены для снижения или исключения неблагоприятных последствий лучевых воздействий во время полета, связанных с ухудшением радиационной обстановки. Наземная служба радиационной безопасности космического полета занимается оценкой радиационной обстановки на трассе предстоящего полета и оперативным прогнозированием ее во время полета.

При полетах кораблей "Восток" и "Восход" космонавты получили весьма малые среднетканевые дозы радиации (см. табл. 1).

Таблица 1. Среднетканевые дозы радиации

Во время полета кораблей "Союз-4" и "Союз-5" (с 14 по 18 января 1969 г.) прогноз службы Солнца был благоприятный - сильных, радиационно опасных вспышек не ожидалось. И все же были приняты все меры предосторожности. В орбитальных и спускаемых отсеках были размещены специальные приборы - радиометры, которые постоянно регистрировали уровень поглощенных доз. Эти бортовые дозиметры "опрашивались" по телеметрии после каждого витка измерительными пунктами, расположенными по всей территории СССР, и все сведения передавались в центральный пункт управления полетом.

Экипажи кораблей имели индивидуальные дозиметры, которые размещались в специальных карманах на костюмах космонавтов и на скафандрах.

На случай возникновения солнечной вспышки и возможного повышения дозы облучения экипажа предусматривался прием противолучевых фармакологических средств. В бортовую аптечку были включены препараты, защищающие от ионизирующей радиации. Кроме того, все члены экипажей за две недели до полета принимали препараты, повышающие радиационную невосприимчивость организма.

Суммарная доза радиации за все время полета корабля "Союз-4" составила 31,5, а корабля "Союз-5" - 32 миллирад. Эти дозы очень малы и безвредны для космонавтов. Они соизмеримы с теми, которые получили космонавты в предшествующих орбитальных полетах, и в 500 раз меньше допустимой дозы облучения (15 рад), установленной для кратковременных космических полетов.