Огненный шар
На Земле пламя имеет вытянутую форму благодаря силе тяжести. Молекулы газов, которые входят в состав воздуха, притягиваются к планете точно так же, как и остальные объекты, обладающие массой. Поэтому чем ближе к поверхности, тем больше молекул скапливается на одном и том же пространстве.
Огонь нагревает окружающий воздух, то есть заставляет молекулы двигаться быстрее. Ускорившиеся газы разбегаются во все стороны от пламени и сталкиваются с более медленными, то есть холодными, молекулами. В нижней части огонька их больше, и спринтеры, врезаясь в неспешных товарищей, как в стену, выскакивают наверх, где плотность газа меньше. На освободившееся место приходят медленные молекулы, в том числе кислород, благодаря которому огонь продолжает гореть.
Такое перемещение газов называют конвекцией, и в невесомости она невозможна, потому что плотность газов одинакова во всем объеме (например, МКС). Поэтому огонь на космической станции (к счастью) горит очень плохо. Пламя не вытянуто, а выглядит как шар. Более того, огонь быстро тухнет, потому что молекулы кислорода не успевают вовремя добираться до него, а продукты горения, напротив, уходят слишком медленно.
В открытом космосе свеча или спичка не будут гореть вовсе, так как в межзвездном пространстве почти нет кислорода (слово «почти» означает, что отдельные молекулы там все же встречаются, но от одной до другой могут быть многие миллионы километров).
В октябре 2013 года в прокате прошел фильм Альфонсо Куарона «Гравитация». Из-за аварии герои Сандры Буллок и Джорджа Клуни оказываются в открытом космосе и пытаются добраться до какого-нибудь корабля, чтобы спастись. В Голливуде, как обычно, старались изо всех сил, но допустили массу физических ошибок. Например, в невесомости Куарона:
волосы героини остаются плотно прижатыми к голове. Стрижка под мальчика, очевидно, призвана нивелировать эффект, но, к огорчению киношников, даже короткие волосы подчиняются законам физики;
оба астронавта движутся в вакууме с одинаковой скоростью, однако плотно натянутый между ними трос вдруг начинает произвольно извиваться;
герой Джорджа Клуни, летающий вокруг шаттла при помощи реактивного ранца, газует даже тогда, когда висит на одном месте, хотя в невесомости он может оставаться там годами;
огонь на МКС горит подозрительно по-земному — на орбите невозможны показанные в кино языки пламени.
Кипящий пузырь
Ученые примерно понимали, что будет происходить на орбите с пламенем еще до того, как космонавты провели реальные эксперименты в невесомости. А вот насчет поведения жидкостей у них такой уверенности не было — это вообще один из самых сложных разделов физики с уравнениями, которые зачастую не влезают на журнальную страницу. Выяснить, что произойдет на орбите с содержимым закипающего чайника, решили исследователи из Мичиганского университета. Они придумали множество экспериментов, которые экипажи пяти миссий космических шаттлов выполняли с 1992 по 1996 год. Вместо воды астронавты использовали хладагент на основе фреона, который кипит при низких температурах, — наука наукой, а лечить ожоги на орбите куда сложнее, чем на Земле.
Небоскреб до МКС
Многие ошибочно полагают, что невесомость — это отсутствие силы тяжести. На самом деле сила тяжести в космосе вовсе не исчезает, по крайней мере на околоземной орбите. Именно эта сила удерживает Луну на ее орбите вокруг Земли и не дает спутникам и космическим кораблям умчаться в другую галактику. Если бы кто-то построил небоскреб высотой 370 км (примерно здесь пролегает орбита МКС), забрался на верхний этаж и шагнул из окна, то, вместо того чтобы стать новым искусственным спутником планеты, экспериментатор очень быстро упал бы на Землю.
Чтобы нарезать круги вокруг планеты, не тратя топливо, и наслаждаться невесомостью, сперва нужно как следует разогнаться — примерно до 7,9 км/с. Эта скорость называется первой космической. И если, стоя на последнем этаже гипотетического небоскреба, вы бросите камень так быстро, то он по-прежнему будет падать на Землю, но траектория этого падения как раз совпадет с земной орбитой.
Оказалось, что в невесомости кипящая жидкость превращается в один гигантский пузырь, который растет, вбирая в себя случайно образующиеся пузырьки поменьше. Физики до конца не уверены, почему орбитальный кипяток выглядит именно так, но полагают, что причина все в том же отсутствии конвекции и «отключении» силы Архимеда. В описывающей ее формуле присутствует вес, а в невесомости он равен нулю.
Вредное шампанское
Без силы Архимеда нельзя не только принять ванну (по легенде, ученый открыл названный его именем принцип как раз во время водных процедур), но и насладиться кока-колой или пивом. Газированные напитки имеют характерный привкус благодаря углекислому газу, который выходит из жидкости в виде пузырьков. В невесомости CO² не выталкивается из напитков и остается растворенным в них, даже попав в желудки космонавтов. Отрыгнуть углекислый газ или как-то еще избавиться от него невозможно, поэтому пиво, а тем более шампанское на орбите доставляют одни неприятности.
Впрочем, коммерсанты думают о космонавтах: австралийская пивоварня 4-Pines совместно с исследовательской компанией Saber Astronautics разработала пиво с пониженным содержанием CO². Компенсировать недостаток «волшебных пузырьков» должен более насыщенный вкус.
Американский астронавт Клейтон Андерсон наблюдает, как пузырек воздуха плавает внутри водяного пузыря на борту шаттла «Дискавери»
Бесконечный кристалл
Без конвекции в невесомости не горит огонь, а космонавтам приходится при помощи вентиляторов гонять воздух по станции, иначе даже выступивший на лбу пот не испаряется. Но есть один процесс, которому отсутствие конвекции идет на пользу, — это рост кристаллов.
Красивые многогранники образуются из раствора того или иного вещества, когда атомы или молекулы из жидкости присоединяются к имеющемуся зачатку кристалла. Лишившаяся части вещества жидкость становится менее плотной, и на Земле она выталкивается наверх, то есть происходит конвекция. Постоянное движение жидкости не дает кристаллу как следует разрастись. В невесомости конвекции нет, поэтому кубы и тетраэдры (например, минерала цеолита) вырастают до очень внушительных размеров.
Нерожденный космонавт
Если жить в невесомости худо-бедно можно, то родиться на орбите человек и другие сложные млекопитающие, похоже, не смогут. Сами роды особых проблем (вероятно) не вызовут, но шансов, что эмбрион перенесет девять месяцев без гравитации, нет. Развитие плода — очень сложный и скоординированный процесс, который регулируется множеством внешних и внутренних факторов, один из которых — земное притяжение.
Без него ткани и органы эмбриона формируются неправильно, и он погибает на ранних стадиях. В 1996 году шаттл «Колумбия» доставил на орбиту мышиные эмбрионы, которые только начали развиваться. Они пробыли в невесомости четыре дня и вернулись на Землю. Все «путешественники» погибли, причем в них не произошло ни одного изменения, характерного для нормальных эмбрионов. В параллельном опыте в лаборатории все процессы шли как надо. Еще раньше, в 1979 году, в рамках советского проекта «Бион-5» несколько крыс спарились на орбите, однако ни одна из самок не смогла выносить крысят.
Впрочем, некоторым организмам невесомость нипочем. Небольшие рыбки японские оризии (на фото) в 1994 году успешно отложили икру на борту шаттла «Индевор», и некоторые из икринок развились в полноценных взрослых особей. Впрочем, среда обитания рыб отчасти напоминает невесомость, и, вероятно, поэтому оризии смогли благополучно размножиться в космосе. Японские оризии не только прекрасно развиваются в невесомости от икринки до взрослой особи. Эти рыбки стали первыми позвоночными, которые успешно спарились в космосе.
Пропадающий кальций
Одушевленные создания построены из тех же молекул и атомов, что и неживая материя, поэтому аномальное (на взгляд землянина) изменение законов физики действует и на них. Плюс сложнейшие биохимические и физиологические системы живых существ тоже реагируют на невесомость.
Например, во время первых длительных космических полетов выяснилось, что в невесомости из костей очень интенсивно вымывается кальций. За месяц на орбите космонавты теряют как минимум 1,5% костной массы. Причины этого неотвратимого процесса до конца неясны. Ученые предполагают, что дело, хотя бы отчасти, может быть в том, что механизмы, отвечающие за поддержание костей в нормальном состоянии, ориентируются на внешние стимулы, в том числе постоянное земное притяжение. Когда оно исчезает, системы, которые миллионы лет складывались с учетом гравитации планеты, дают сбой.
Не менее пагубно невесомость сказывается на мышцах. На Земле мускулатура работает даже тогда, когда мы смотрим телевизор или спим. В космосе мышцы практически выключаются и очень быстро «усыхают». Когда 10 декабря 1982 года Анатолий Березовой и Валентин Лебедев вернулись с орбиты после рекордно длительной на тот момент миссии — больше 211 суток, — их пришлось выносить из корабля «Союз Т-7». У космонавтов атрофировались мышцы, и только после интенсивного курса реабилитации они смогли нормально ходить.
Заразные бактерии
Некоторые существа в невесомости превращаются в монстров. В 2006 году экипаж шаттла «Атлантис» взял на орбиту бактерий Salmonella typhimurium, главных виновников отравлений у человека и животных. Опасные создания были запакованы в специальные контейнеры, от астронавтов требовалось всего лишь опустить поршень, чтобы сальмонеллы попали в емкость с питательным бульоном. Параллельно тот же эксперимент проводили специалисты на Земле. Перед возвращением космические микробы были зафиксированы специальным составом так, чтобы их внешний вид и ДНК остались такими же, какими они были в космосе.
Изучив привезенных астронавтами сальмонелл, исследователи выяснили, что по сравнению с земными бактериями у них стали иначе работать 167 генов и изменилась интенсивность синтеза 73 белков. Эти адаптации были ответом на стресс от невесомости и значительно повысили заразность S. typhimurium. Попав в космос, микроорганизмы активизировали гены, которые отвечают за формирование биопленок — объединений бактерий, внутрь которых не могут пробиться ни иммунные клетки, ни антибиотики. Поэтому в длительных миссиях, например на Марс, людям стоит опасаться не только радиации или инопланетян, но и «родных» бактерий.
Цветущая роза
Чтобы выяснить, как меняется запах роз в невесомости, астронавты Тиаки Мукаи и Джон Гленн добыли из цветков пахучие вещества при помощи специальной иглы.
Растения особенно недоумевают без гравитации, ведь их корни, стебли и ветви «узнают», куда расти, ориентируясь на притяжение Земли, — это явление называют геотропизмом. Но у флоры есть один трюк, благодаря которому космонавты уже давно разбили на орбите грядки: растения могут определять направления вверх-вниз еще и по источнику света. Они принимают лампочку за солнце и тянутся к ней, компенсируя отсутствие силы тяжести. И тем не менее невесомость сказывается на растительной физиологии.
В 1998 году астронавт шаттла «Дискавери» Джон Гленн посадил на орбите розу сорта Overnight Sensation («ночное чувство»), чтобы изучить, как она будет пахнуть за пределами Земли. Оказалось, что в невесомости цветок источает совершенно иной аромат. И хотя в космосе роза пахла слабее, основных компонентов, ответственных за характерный аромат — фенилэтилового спирта, цитронеллола, гераниола и метилгераниата, — выделялось больше. Позже японская компания Shiseido воссоздала парфюмерную композицию растущей на орбите розы в аромате Zen.
