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.

115,8 метра: выше деревьев

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.

2,5 километра: подступает горняшка

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.

4,3 километра: осторожнее с колой и ментосом

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.

5,5 километра: половина атмосферы

Атмосфера Земли в основном сосредоточена на ее поверхности. Уже на этой высоте позади осталась половина ее частиц.

7,3 километра: выше птиц

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.

8 километров: надеваем кислородную маску

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.

11 километров: потерпите, скоро потеплеет

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.

12,5 километра: выше коптеров

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.

18 километров: выше облаков

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»).

41,42 километра: выше парашютистов

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.

50 километров: пошли спрайты

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».

76 километров: серебристые облака

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».

80 километров: полярные сияния

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.

80,47 километра (50 миль): «линия Брэнсона»

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.

100 километров: добро пожаловать в космос

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.

420 километров: выше МКС

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.

575 километров: «пик Дракона»

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.

600 километров: внутренний радиационный пояс

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.

1374 километра: конечная

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.

Потолок

Во всяком случае, на имеющихся у человечества связках из ракет-носителей и космических кораблей никто дальше не летал и лететь пока не собирается.

13 000 километров: внешний радиационный пояс

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».

382 500 километров: Луна

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.