Щербакова В. Б.

Почётный работник общего образования РФ,

Победитель конкурса лучших учителей РФ,

Лауреат премии им. С.Т. Шацкого, 2006 г.

МБОУ «Средняя общеобразовательная

 школа № 3 им. Г.В. Зимина» г. Калуги.

КОСМИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ

(Урок-конференция в 10 классе)

 150-летию со дня рождения К.Э.Циолковского посвящается

Цели урока:

-       обозначить основные экологические проблемы, связанные с освоением космического пространства;

-       раскрыть основные идеи К.Э.Циолковского по вопросам безопасности полётов человека;

-       охарактеризовать воздействие на организм человека явления невесомости и возникающих ускорений и перегрузок (на основе решения задач с экологическим содержанием);

-       рассмотреть экологические проблемы, возникающие в районе старта космических кораблей.

Материалы  к уроку. Тематическая медиа-презентация «Космическая экология» (автор Щербакова В.Б.), видеофрагменты, диски «Русский космос», «Музеи г. Калуги», «Образовательные комплексы 1С. Физика 7-11. Дрофа» и другие медиа ресурсы.

Ход урока.

«Невозможное  сегодня   станет возможным  завтра...»

                                                            К.Э.  Циолковский

Вступительное слово учителя.

Многие идеи и научные труды К.Э. Циолковского еще сто лет назад обращены были к вопросам защиты окружающей среды, для его современников казавшиеся фантастическими и нереальными.

Однако в наше время многое стало реальностью. 12 апреля 1961 г. Ю.А.Гагарин совершил первый пилотируемый полёт на космическом корабле «Восток». Увеличение длительности пребывания человека в космосе, ко­торое востребует индустриализация космоса, безусловно, изменяет его биологическую структуру и функцию. Пока, при кратковре­менном пребывании в космосе, эволюционные изменения в струк­туре и функции живых организмов мало заметны, при длительных полетах они будут более выраженными. Человек покорил околоземное пространство и уже строит планы освоения планет солнечной системы.

Но стремительно начавшаяся космическая эра породила множество экологических проблем, которые лишь частично решаются и порой даже с помощью космических технологий. Сегодня мы рассмотрим основные экологические проблемы освоения космоса.

1.Что изучает космическая экология?

Космическая экология изучает взаимоотношение экипажа корабля с возникающими новыми условиями существования при полётах на орбитальных и межпланетных станциях; предотвращение загрязнения космоса, изменений в биосфере Земли. Космическая экология рассматривает следующие взаимодействия живого организма и космоса на различных этапах:

- экология стартовой площадки: это воздействие ма­териальной базы, обеспечивающей создание космического кораб­ля, технологии полетов в космос и возвращение на Землю;

- экология стартующего корабля: шумы, вибрация, ускорения, перегрузки, психологическое одиночество и т.д.;

- экология нахождения в космосе орбитального и межпланетного корабля изучает взаимодействие человека (астронавта, космо­навта) со средой обитания и влияние на него вибрации, уско­рения, невесомости и других факторов.

Основная цель космической экологии — человек и его биологическое окружение. При старте и возвращении на Землю ракетные двигатели неблагоприятно воздействуют не только на приземный слой атмосферы, но и на космическое пространство, разрушая озоновый слой Земли. Масштабы разрушения озонового слоя определяются числом запусков ракетных систем и интенсивностью полетов сверхзвуковых самолетов. За полвека существования космонавтики в СССР и позднее в России произведено свыше 1800 запусков ракет-носителей. По прогнозам фирмы AEROSPACE в XXI веке для транспортировки грузов на орбиту будет осуществляться до 10 запусков ракет в сутки, при этом выброс продуктов сгорания каждой ракеты будет превышать 1,5 т/с. Однако на долю этих двигателей приходится пока не более 5% токсичных веществ, поступающих в атмосферу от транспортных средств всех типов.

Прогнозирование развития космической экологии на ближайшее обозримое будущее ограничивается созданием поселения на планетах Солнечной системы. Накопленный опыт пребывания человека на планетах и разработка гипотезы проникновения его в другие части Вселенной будут проверяться экспериментально на Земле и в космосе.

2. Научно-фантастические произведения  К.Э. Циолковского и экология человека.

Проблемы освоения космоса начали интересовать К.Э. Циолковского очень рано. В своей автобиографии он писал, что думал «о завоевании» Вселенной уже в 16-18 лет. Циолковский писал: «Мне представляется, что основные идеи и любовь к вечному стремлению туда - к Солнцу, к освобождению от цепей тяготения во мне заложены чуть не с рождения. По крайней мере, я отлично помню, что моей любимой мечтой в самом раннем детстве, ещё до книг, было смутное сознание о среде без тяжести; где движения во все стороны совершенно свободны и безграничны и где  каждому лучше, чем птице в воздухе. Откуда явились такие желания, до сих пор не могу понять. И сказок таких нет, а я смутно верил, и чувствовал, и желал именно такой среды без пут тяготения».

И еще одно неугасаемое желание жило в нём - желание поделиться своими открытиями с людьми, с возможно большим количеством людей! Это заставило его обратиться к написанию научно-популярных и особенно научно-фантастических произведений. Обладая могучей силой воображения в сочетании с редким даром предвидения, он создал увлекательные по содержанию и имеющие высокую познавательную ценность сочинения этого жанра, которые явились  дополнением  к его исследованиям. Например, его произведения «На Луне», «Изменение относительной тяжести на Земле», «Вне Земли», «Грезы о Земле и небе…» и многие другие представляют собой сплав популярных сведений о физических законах, научно-технического предвидения и утопии. В произведениях такого жанра Циолковский сумел правильно предсказать некоторые явления.

В 1883 году он закончил своеобразный научный труд в форме дневника «Свободное пространство». В этой рукописи он впервые описывает «явления свободного пространства», т.е. «безграничной среды космоса». Он дает четкое определение: «свободным пространством я  буду называть такую среду, в границах которой силы тяготения или совсем не действуют на наблюдаемые тела, или действуют весьма слабо в сравнении с земной тяжестью у ее поверхности».

В этой же работе Циолковский  пришел к заключению, что в соответствии с законом Ньютона в космических полетах неизбежно после прекращения работы двигателя будет возникать состояние невесомости, и научно спрогнозировал поведение и ощущение, которые должны возникнуть у космонавтов после потери веса в условиях невесомости.

Он писал: «Все неприкрепленные к ракете предметы сошли со своих мест и висят в воздухе, ни к чему не прикасаясь, а если они касаются, то не производят давление друг на друга или на опору» При этом у космонавтов возникают иллюзорные ощущения и происходит нарушение ориентации в пространстве».

В своей работе К.Э.Циолковский впервые поставил вопрос о том, возможно ли сохранение жизни в условиях невесомости?

Основной вывод, к которому пришел ученый, хорошо известен – невесомость не препятствует сохранению жизни. Жизнь в  условиях невесомости будет продолжаться!

В книге «Жизнь в звездной среде» он отвечает на вопрос «как жить в космосе». Сначала учёный рассматривает условия жизни и материальные ресурсы космического пространства внутри солнечной системы. Изучив их, подробно обсуждает физические факторы жизни в межзвездной среде: невесомость, условия движения и производства работ, вплоть до движения человеческого тела во время труда. Он отмечает, что из-за отсутствия веса создаются огромные преимущества по сравнению с жизнью на Земле: невозможны падения, обвалы, крушения.

Помимо физических явлений бытия в космосе ученый «решает» и социальные проблемы, ведь между  людьми они непременно возникнут, в какой бы среде они не находились. «Свобода движения, покой… имеют и огромное социальное значение. Это не только легкость жизни, богатство, но и возможность общения и организаций без малейшего расхода сил и энергии с небольшой тратой времени…». Трудно переоценить возможности общения в планетарном масштабе, которые получит человечество, вооруженное доступной космической техникой.

Да и сами условия жизни людей выйдут на совершенно новые уровни. К.Э. Циолковский описывает устройство жилых помещений, камер для получения различных температур, тепловых машин и электрических генераторов. Он считает, что жилища можно устраивать почти прозрачными, с прекрасным видом звездного неба, Солнца, платен и  т.д.  Помещения для людей должны быть ячейкой, вмещающей определенного размера общество, чьи потребности должны быть хорошо удовлетворены. «Дом» для общества – «общины» - должен быть, по мнению ученого, средним цилиндром, достаточно простым и пропускающим немного света, т.к. излишнее количество  света вредно  для глаз и кожи, особенно в эфирном мире. Не может  Циолковский пройти мимо другого очень важного вопроса - добывания питательных веществ. Он предлагает создать теплицы цилиндрической формы.

Деятельность человека  Циолковский представляет себе очень  разнообразной, но для землян она трудно представима. Он «предлагает в будущем» изготавливать тонкие металлические пленки экранов и сферических зеркал  для получения высоких температур, которые позволят плавить обломки малых  планет, получать необходимые металлы, каменные  сплавы  и  стекла. Ученый считает, что вполне возможно выделить из горных пород воду и кристаллизационную воду, а также нужные газы. Последние можно сжигать, замораживать и хранить штабелями – «как  дрова», по выражению ученого. Заметки Циолковского обрываются на дате  1 апреля 1920 года – на записи, озаглавленной «Устройство оранжерей и питомников для растений».

3. Влияние ускорений и перегрузок, возникающих в полёте,

 на организм космонавтов.

Тела, находящиеся в космических аппаратах, подвергаются перегрузкам при ускорениях во время выведения на орбиты, при орбитальных маневрах и при вхождении в атмосферу. В остальное время космического полета все тела находятся в состоянии невесомости.

Организм животных и человека приспособлен к условиям земного существования, к условиям земного тяготения, создающего ускорения 1g. Однако, летчик во время полета на самолете подвергается воздействиям больших величин ускорений, а при некоторых обстоятельствах (при полете по параболе Кеплера) величины меньшей 1g, то есть частичной невесомости, а в космическом полете космонавт – полной невесомости. Ускорения в 2g затрудняют движения, в 3g – делают ходьбу невозможной. При выведении пилотируемых кораблей на орбиты перегрузки нарастают постепенно и достигают максимальных значений в конце работы отдельных ступеней ракет-носителей. Так, в конце работы ракетных двигателей первой ступени они иногда достигают 7-кратных значений, что ведёт к нарастанию нечёткости зрения и даже его временной потере. Ускорения в 9-11g вызывают боль в груди, усталость, частичную потерю периферического зрения.

Следовательно, ускорения, как фактор воздействия, занимают важное место, ибо, как повышенная гравитация, так и пониженная могут представлять собой различные по силе физиологические раздражители.

Перегрузки в первую очередь сказываются на токе крови, которая может под их действием приливать к одним частям тела и отливать от других.

При значительных по величине ускорениях (приводящих к нарушениям мозговой гемодинамики) возникает явление кислородного голодания мозга, что усугубляет действие механических сил. Поскольку различные ткани или органы обладают различной  чувствительностью и устойчивостью к гипоксии, то тем самым будет определяться интегрированная ответная реакция сил при ускорении, особенно в период последействия.

Воздействия ускорений больших величин приводят к выраженным изменениям в физиологических (нервных и гуморальных) механизмов регуляции функций организма, в крови обнаруживаются выраженные биохимические изменения, что оказывает влияние на течение обменных процессов в различных органах и тканях.

Не случайно Циолковский обратил внимание на необходимость экспериментального изучения влияний ускорений на организм животного и человека. Он считал, что «каждый опыт над увеличением тяжести достаточно производить от 2 до 10 минут, то есть столько времени, сколько продолжается взрывание в ракете».

Как известно, именно эту продолжительность действия сил ускорений встретили космонавты при выведении космических кораблей на околоземную орбиту. Как и многое другое Циолковский предусмотрел наилучшее положение тела космонавта в момент действия ускорений. Он предложил принимать горизонтальное положение, чтобы перегрузки действовали с минимальной силой на перемещение крови по сосудам, облегчая при этом работу сердца, и не перегружая работу сосудов мозга.

Он полагал, что человек сможет выдержать перегрузки, возникающие на активном участке полета ракеты при взлете с земли и при посадке на землю. Тем не менее, для облегчения переносимости человеком и животным действий ускорений он выдвинул идею «о предохранении вещей и организмов от ударов, толчков и усиленной тяжести посредством погружении в жидкость равной им плотности». С целью проверки этой идеи он провел такой опыт. В сосуд с водой помещают яйцо, затем в воду добавляют соль до тех пор, пока яйцо не отделяется от дна сосуда вследствие одинакового удельного веса раствора соли и яйца. Затем можно бросить сосуд на пол или стол и яйцо остается целым.

Еще при жизни Циолковского, в 1930 году профессор Н.А Рынин в содружестве с врачами Лихачевым, Сергеевым, Карасиком  и др. поставил подобный эксперимент на лягушках, погруженных в воду. В этих условиях животные могли переносить тысячекратное увеличение веса при кратковременных перегрузках без видимых повреждениях. Проводя такого рода опыты, Циолковский впервые указал и на ограничения переносимости перегрузок, связанные с тем, что различные ткани организма имеют неодинаковую плотность. Наибольшую устойчивость к перегрузкам имеют плотные ткани (кости), а наименьшую – легочные ткани, особенно при вдохе.

Для улучшения переносимости перегрузок он предложил оригинальный способ «упаковки тела» (своеобразное пеленание), что предотвращает или уменьшает опасность, связанную с резким перемещением крови при ускорениях.

Величины максимально переносимых перегрузок зависят от направления их действия по отношению к телу человека. Если, например, перегрузка направлена по линии «голова-ноги» (ускорение в обратном направлении), то уже при пятикратном значении перегрузочного коэффициента кровь отливает к ногам и создаваемое работой сердца давление недостаточно для поднятия крови к голове. В результате человек испытывает ощущение «черной пелены» и теряет сознание. При направлении такой же перегрузки по линии «ноги - голова» кровь приливает к голове, перед глазами появляется «красная пелена» и человек теряет сознание.

Самые большие перегрузки переносятся в том случае, если их действие направлено по линии «грудь-спина». При этом тренированный космонавт, сидящий в кресле, которое сделано по форме его тела, удовлетворительно переносит 6-7-кратные (ускорение 5-6g) перегрузки в течение 5 минут и более, а 10-кратные- в течение 2 минут. Применение специальных костюмов позволяет переносить даже 30-кратные перегрузки. Однако в практике пилотируемых космических полетов стараются избегать больших перегрузок: они могут оказаться опасными для человека. Кроме того, при больших перегрузках сильно понижаются возможности космонавта как оператора: он не может поднять ни руки, ни ногу, а может двигать лишь кистью руки и пальцам. Снижается также острота его зрения, что затрудняет ведение наблюдений за стрелками приборов на пульте управления.

4. Невесомость – важный фактор физического воздействия полёта на организм человека.

Развитие космонавтики выдвигает перед физиологией и медициной ряд новых научно-практических задач, связанных, в частности, с тем, что жизнь и деятельность космонавтов во время полёта протекает в специфических условиях невесомости.

К.Э. Циолковский одним из первых дал физическое определение невесомости, понимая под этим состояние, при котором «силы тяготения или совсем не действуют на наблюдаемые тела, или действуют весьма слабо в сравнении с земной тяжестью у ее поверхности».

В книге «На Луне» К.Э. Циолковский предвидел, что пребывание в невесомости может вызвать определенные физиологические изменения в организме космонавта, которые затруднят их поведение: «Ноги, руки и все тело точно залито свинцом. Долго не могли встать с пола, кружилась голова. Новоприбывшие падали и спотыкались. Забывшись, отталкивались, думая лететь».

Большое место в исследованиях Циолковского по вопросам невесомости было уделено возможности имитации (моделирования) этого состояния на земле с целью более доступного изучения влияния пониженной гравитации на животных и растения.

Более реальные проекты получения невесомости на земле относятся к случаям, когда речь идет о кратковременных эффектах частичной или полной невесомости. К этому способу Циолковский относил свободное падение человека или животного в специальных камерах. Он рассчитал, что падение такой камеры с высоты 300 метров, при условии гидравлического торможения живые объекты будут испытывать состояние невесомости в течение 8 секунд. Этот принцип был использован для ознакомления первых космонавтов с кратковременной невесомостью (в скоростных лифтах высотных зданий). Также для имитации состояния невесомости Циолковский предложил использовать погружение человека в жидкость.

В моменты отключения ракетных двигателей наступает невесомость, и перегрузки исчезают.

Ю.А. Гагарин в своей книге «Дорога в космос» писал: «Что произошло со мной в это время? Я оторвался от кресла, повис между потолком и полом кабины,…Всё вдруг стало делать легче. И руки, и ноги, и всё тело стало будто совсем не моим…Не сидишь, не лежишь, а как будто висишь в кабине. Все незакреплённые предметы тоже парят, и наблюдаешь их, словно во сне. И планшет, и карандаш, и блокнот... А капли жидкости, пролившиеся из шланга, приняли форму шариков, они свободно перемещались в пространстве…»

В состоянии невесомости требуется меньше усилий для поднятия руки или ноги, ибо при потере веса мускульная сила тратится на преодоление инерционности самих конечностей.

С меньшей нагрузкой начинает работать сердце, так как невесомая кровь не создает гидростатического давления.

Уменьшение мышечных усилий и нагрузок на сердце ведут к некоторому ослаблению деятельности сердечно - сосудистой системы и всего организма. В настоящее время с этими последствиями невесомости борются введением специальных физических упражнений. В дальнейшем, вероятно, будут создаваться космические корабли с искусственной тяжестью, получаемой за счет центробежных эффектов.

Важным моментом, вызывающим ряд изменений в организме человека в невесомости, является исчезновение гидростатического давления крови, обусловленного в условиях Земли весом жидкости. При воздействии силы тяжести кровь и другие жидкости организма перемещаются в направлении вектора воздействующей силы и при вертикальном положении человека благодаря растяжимости венозных сосудов скапливаются в нижних частях тела.

В начальном периоде пребывания в невесомости наблюдается перемещение части крови и тканевой жидкости к голове и органам грудной клетки, что субъективно выражается ощущением прилива крови к голове. Большое поступление жидкости из тканей в кровяное русло приводит к увеличению объёма циркулирующей крови и растяжению вен, впадающих в сердце.

С наступлением невесомости нарушается деятельность вестибулярного аппарата, который питает информацией человека о положении его тела и конечностей в пространстве.

У некоторых космонавтов не вызвала каких-либо неприятных ощущений, у других появились иллюзии, будто они находятся в положении «вверх ногами», отмечались также головокружения. Однако все космонавты быстро привыкали к состоянию невесомости и работали в этих условия с высокой производительностью.

Не только человек реагирует на невесомость. Например, рыбки, которых привезли на космическую станцию, постепенно погружались на дно и только через несколько дней стали вести себя как и прежде. Пауки не могли прясть паутину, но спустя некоторое время освоились. Растения, у которых корни тянутся вниз, а ростки вверх, в космосе часто погибали, т.к. корни выходили наружу из-за «дезориентации».

Космические полеты продолжительностью в несколько месяцев доказали, что человек может жить и успешно работать в состоянии невесомости. Небольшое исхудание и некоторые другие изменения в организме космонавтов быстро восстанавливаются при возвращении на Землю.

С невесомостью можно было бы бороться, если б космический корабль вращался вокруг своей оси с некоторой скоростью. Но никто не знает, как это скажется на здоровье космонавтов. К тому же, это пока невозможно.

Хорошие условия для всестороннего изучения влияния невесомости на человеческий организм с целью выработки эффективных защитных мер были созданы на орбитальных станциях «Салют», орбитальном комплексе «Мир», на МКС (международной космической станции).

5. Космические станции – воплощение идей К.Э. Циолковского и проблемы экологии среды обитания.

В научно-фантастических произведениях К.Э. Циолковского не все, конечно, равноценно, не все выдержало проверки временем. Однако при отдельных недостатках этих произведений нельзя не отдать должного как огромной научной прозорливости великого ученого в решении основных проблем реактивной техники, так и тому, с какой кропотливостью и всесторонностью разработаны им многочисленные подробности, связанные с межпланетными путешествиями и  завоеваниями человечеством «околосолнечного  пространства».

Даже сложнейшая интернациональная проблема была затронута Циолковским и решена в научно-фантастической повести «Вне Земли». Он отправляет в полет экипаж, в состав которого входят представители разных народов планеты.

Мог ли он предположить, что через 110 лет работы таких экипажей на орбите Земли станут обычным явлением?

Работы по созданию космических пилотируемых станций в США и СССР начались практически одновременно – в начале 60-х годов.

Эфирные поселения, разработанные К.Э. Циолковским, представляют собой в настоящее время орбитальные станции различных модификаций.

В СССР работы по программе орбитальных космических станций  начались в конце 60-х годов. 19 апреля 1971 г. на орбиту ракетой-носителем «Протон» была выведена первая в мире орбитальная космическая станция «Салют-1». Станция состояла из трех основных отсеков – переходного, рабочего и агрегатного, представлявшими из себя цилиндры диаметром 2,9 м, 4,15м и 2,2.м. Полная длина станции - 21,4 м, масса - более 25 тонн.  Эта станция была одновременно и домом и местом работы. На космической станции «Салют-1» отработал один экипаж в составе Г.Добровольского, В.Пацаева и В.Волкова, погибший при возращении на Землю.

Всего успешно отработали на орбите семь станций серии «Салют». Последняя станция работала до 1985 г.

В феврале 1986 г. в СССР была выведена в космос орбитальная станция нового поколения «Мир», которая является базовым блоком, вокруг которого группируются крупные космические станции - научные модули. Станция «Мир» выполняет роль центра, откуда экипаж управляет всем орбитальным комплексом.

Работы космонавтов, в том числе и в составе международных экипажей, являются  логическим продолжением экспериментов в области физики, биологии и медицины, изучение природных ресурсов Земли. Особое внимание в работе космонавтов уделяется устройству оранжерей как основному элементу системы жизнеобеспечения замкнутого типа. Рассмотрены и использованы способы монтажа этих сооружений, меры обеспечения безопасности. Проанализированы типы энергоустановок для использования на орбитальных заводах, предметы схемы концентратов солнечного излучения для проведения технологических  процессов. Станция «Мир» проработала на орбите 15 лет. На её борту осуществлено 27 длительных экспедиций, накоплен огромный опыт обживания околоземного космического пространства. Сейчас успешно функционирует МКС, на борту которой постоянно работают экипажи из российских и иностранных космонавтов, проводят научные исследования и наблюдения.

На космических орбитальных станциях проводятся научные исследования по отработке технологических процессов в вакууме с  целью дальнейшего применения земной промышленности, а также биологические и медицинские эксперименты по влиянию невесомости космоса на жизнь растений, животных, человека. На станциях создается искусственный воздух, необходимые энергии получают с помощью солнечных батарей. Перспективное назначение станций – обеспечение регулярного экологического мониторинга, наблюдение за чрезвычайными ситуациями (лесные пожары, наводнения, цунами и т.д.). 

Можно сказать, что мечты Циолковского о создании орбитальных станций и жизни в космосе становятся реальностью.

6. Экология атмосферы в районе космодромов. Проблемы утилизации космического мусора.

Космическая экология изучает воздействие возмущённой среды на биосферу и ноосферу, обобщает полученные данные и прогнозирует устойчивое экологическое равновесие между космосом и землёй.

При старте и возвращении на Землю ракетные двигатели неблагоприятно воздействуют на озоновый слой, разрушая его. За 40 лет существования космонавтики в СССР и России произведено свыше 1800 запусков ракет-носителей.

Выводы тяжёлых космических кораблей на околоземную орбиту вызывают возмущения в атмосфере Земли, т.к. образуют воронки диаметром около 2000 км. Атмосфера Земли как бы разрывается. Это влияет на метеорологическую обстановку, нарушает привычный уклад жизни не только рядом живущих с местом старта корабля людей, но и вдали от него.

В условиях запуска у пусковой установки образуется облако продуктов сгорания, водяного пара от системы шумоглушения, песка и пыли. После запуска высокотемпературное облако поднимается на высоту до 3 км и перемещается под действием ветра на расстояние 30-60 км. Оно может рассеяться, но может стать причиной кислотных дождей.

Основные последствия старта космических кораблей и их влияние на экологию биосферы сводятся к следующим:

-   воздействие на атмосферу, изменение её состава и движения при прохождении ракетно-космической техники;

-   воздействие на ионосферу – её возмущение (так называемый «Скайлэб-эффект»).

-   «провоцирование» грозовых электрических разрядов, молний.

-   загрязнение биосферы продуктами сгорания ракетного топлива, нефункционирующими частями ракетно-космического комплекса после окончания срока их службы либо в результате аварий.

-   «засорение» околоземного пространства уже нефункционирующими объектами.

В настоящее время выделено несколько территорий для падения на Землю возвращающихся остатков ракет и спутников, Это Третьяковский, Змеиногорский (приземляются вторые ступени ракетоносителей «Союз»), Чарышский (здесь падают «Протоны») районы Алтайского края, В Архангельской области, в Якутии. Аналогичные зоны есть в США, в Китае, Франции, Индии и др.

Экологические последствия в выше названных регионах РФ показывают, что загрязнение компонентами ракетного топлива составляет около четверти миллиона квадратных метров суши.

Применение газотурбинных двигательных установок в авиации и ракетостроении поистине огромно. Все ракетоносители и все самолеты (кроме пропеллерных на которых стоят двигатели внутреннего сгорания) используют тягу этих установок. Исследования состава продуктов сгорания двигателей, установленных на самолетах "Боинг-747", показали, что содержание токсичных составляющих в продуктах сгорания существенно зависит от режима работы двигателя. Высокие концентрации углеводородов и альдегидов характерны для газотурбинных двигательных установок на пониженных режимах (холостой ход, руление, приближение к аэропорту, заход на посадку), тогда как содержание оксидов азота существенно возрастает при работе на режимах близких к номинальному (взлет, набор высоты, полетный режим). Согласно полученным оценкам, в среднем около 42% общего расхода топлива тратится на выруливание самолета к взлетно-посадочной полосе перед взлетом и заруливание со взлетно-посадочной полосы после посадки. При этом доля несгоревшего и выброшенного в атмосферу топлива при рулении намного больше, чем в полете. В двигателях космического корабля "Шатл" сжигается, как жидкое, так и твердое топливо. Продукты сгорания топлива по мере удаления корабля от Земли проникают в различные слои атмосферы, но большей частью в тропосферу.

В последние десятилетия в связи с быстрым развитием авиации и космонавтики существенно увеличилась доля выбросов, поступающих в атмосферу. В местах активного использования газотурбинных двигательных установок и ракетных двигателей (аэродромы, стартовые площадки космодромов) загрязнения, поступающие в атмосферу от этих источников сопоставимы с загрязнениями от двигателей внутреннего сгорания, обслуживающих эти объекты.

Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива в двигателях всех видов, - нетоксичные диоксид углерода СО₂ и водяной пар Н₂0. Однако кроме них в атмосферу выбрасываются и вредные вещества, такие как оксид углерода, оксиды серы, азота, соединения свинца, сажа, углеводороды, в том числе канцерогенный бензапирен С₂(ОН)₁₂, несгоревшие частицы топлива и т.п..

Составные части ракетного топлива, в том числе гептил[1], уничтожают не только растительность, но и вредно влияют на здоровье жителей тех регионов, куда падают отходы космических кораблей. Кроме осколков ракет и спутников не Землю оседают многие химические вещества, вызывающие патологические изменения в организме человека: ларенгостеноз, увеличение лимфоузлов, поражение зубов кариесом, выпадение волос, возникновение  носовых кровотечений, гнойных язв, плохого зрения и т.д. При контактах с химическими веществами, используемыми в ракетах, возникают гипертония (у каждого третьего жителя), сахарный диабет и переход пневмонии в быстро текущий рак лёгких.

Отмечаются также, что после запуска ракет жители этого региона в течение недели находятся в состоянии наркотического опьянения, с симптомами агрессивного отношения к окружающим, двигательным возбуждением и т.д.

Вот почему в последние годы ряд муниципальных образований страны и зарубежья предъявляют соответствующим организациям, обеспечивающим запуск космической техники, требования финансовой поддержки за наносимый биосфере вред (Алтай, Казахстан).

Очевидное всё увеличивающееся отрицательное воздействие старта и полёта космического корабля на биосферу заставляет конструкторов кораблей работать над системами с меньшими экологическими отрицательными параметрами (лазерные и фотонные двигательные установки и т.д.). Помимо улучшения работы двигателей (распыление топлива, обогащение смеси в зоне горения, использования присадок к топливу, впрыск воды и др.), существенного уменьшения выбросов можно добиться путем сокращения времени работы двигателей на земле и числа работающих двигателей при рулении.

В настоящее время в пространстве ближнего космоса находятся тысячи спутников, в том числе фрагменты различных двигателей, имеющих атомную начинку. Накопление космического мусора представляет угрозу движению других кораблей и может привести к столкновениям с весьма нежелательными последствиями. Космический мусор, выброшенный в безвоздушное пространство из российских или американских кораблей, со временем может попасть на Землю. Часть его сгорит в плотных слоях атмосферы. Но затвердевший в условиях космического холода, он по плотности похож на ядро кометы. И при столкновении со спутником, летящим со скоростью 28000км/ч, способен пробить обшивку, оторвать антенну или солнечную батарею.

Очистка ближнего космоса (технологические осколки, обломки и остатки космической техники) требует пристального внимания, т.к. она мешает радиосвязи, полётам спутников и представляет угрозу челночным кораблям. Выявлено, что наибольшая засорённость ближайшего космоса находится на высоте от 1000 до 1500 км. Для очистки космического пространства предлагается использование крупногабаритных бескаркасных экранов из тонкой полиамидной плёнки типа «каптон».

7. Воздействие механических колебаний и шумов.

При работе аппаратуры на космическом корабле возникают шумы. Космические ракеты являются наиболее мощными ис­точниками шума. С ними связаны шумы, звуковой удар и вибрация жилищ вблизи космодромов. Они влияют на центральную нервную систему и высшую нервную деятельность космонавтов.

Интенсивность шума, измеряемого в децибелах, в нормальных условиях жизни человека находится в пределах 10-12 дБ. Шум при  взлете космической  ракеты достигает 175 дБ. Отрицательное воздействие на людей зависит от уровня максимального шума, соз­даваемого при полете, от продолжительности действия. Современные ракеты порождают шумы, интенсивность кото­рых значительно превышает допустимые нормы.

Звуки и шумы оказывают механические воздействия на органы чувств. Трансформируясь в нервной системе, в конечном итоге они оказывают положительное или негативное действие. Отношение к звукам и шумам у космонавтов различное. Кратковременное действие шумов повышает возбудимость, длительное – угнетает. Звуки и шумы большой мощности могут вызвать у космонавтов изменения в психике, поведении, в работоспособности. Шумы могут привести к раздражительности и рассеянности, к неправильному толкованию информации, что приводит к дезорганизации действий космонавтов. Под влиянием шума ограничивается  способность зрительной и  акустической  ориентации. Установлено, что зрительная реакция при шуме в 90 дБ уменьшает зрение на 25%.

Шум в 130 дБ вызывает у человека болевое ощущение, достигнув 150дБ, становится для него непереносимым. Звук в 180 дБ приводит к усталости металла, став громче на 10 единиц, разрывает конструкции.

Даже если человек привыкает к шуму, не обращает на него внимания, все равно отрицательное действие его продолжается. Воздействие шума, даже кратковременное, может привести к непоправимым последствиям. В США провели эксперимент: сверхзвуковой самолет пролетел над испытуемыми добровольцами на высоте 15 м. Шесть умерли сразу, остальные скончались через несколько часов в больнице.

Нарушение звукового анализатора  становится  более интенсивным при  комбинированном воздействии шума и вибрации.

Вибрации – сложный колебательный процесс с широким диапазоном частот, возникающий в результате передач переменного давления (колебаний энергии) от какого-то механического источника. Во время взлёта космического корабля космонавты испытывают сильные вибрации. Они возникают в результате работы двигателей и могут быть как небольшой частоты, так и большой амплитуды, которые ощущаются как тряска или высокочастотные колебания, приближающиеся к звуковым. Вибрации могут действовать по-разному. Действие кратковременных вибраций не оказывает последствий, возможно привыкание. Длительные вибрации приводят к изменениям в использовании кислорода тканями мозга, развивается тормозной процесс, она вызывает боль в суставах, тошноту, головную боль, учащение дыхания, пульса и т.д.

8. Космический мониторинг экологии Земли.

Мониторинг (отслеживание) земной поверхности имеет большое значение в области охраны окружающей среды.

В 1991 и 1994 годах на орбиту был выведены геодезические спутники ERS -1, ERS- 2 – спутники нового поколения. Главной задачей спутников, сконструированных по заказу Европейского космического агентства (ESA) должны были стать наблюдения за океанами и покрытыми льдом частями суши, чтобы представить климатологам, океанологам и организациям по охране окружающей среды данные об этих малоисследованных регионах.

Эта информация необходима, если вспомнить известные тревожные прогнозы  общего  потепления Земли, которые  приведут  к  тому, что растают полярные шапки и повысится уровень  моря. Затоплены будут прибрежные зоны, пострадают миллионы людей. Но нам неизвестно, насколько правильны эти предсказания. Продолжительные  наблюдения за  полярными  областями  при  помощи  геодезических  спутников представляют данные, на основании которых можно сделать выводы об этих тенденциях. Они создадут систему «раннего обнаружения» в деле о таянии льдов.

Хотя первоначально геодезические спутники были разработаны для наблюдений за океаном и льдами, они очень  быстро доказали свою многосторонность и по отношению к суше. В сельском и лесном  хозяйстве, в рыболовстве, географии и картографии специалисты работают с данными представленными спутниками этой серии и собираются получать от них новые сведения о топографии земной поверхности и оказывать помощь, например, в предупреждении о возможных землетрясениях.

Геодезические спутники оснащены, кроме того, измерительным прибором, который учитывает объем и распространение озона и других газов в атмосфере Земли. С  помощью этого прибора можно наблюдать за опасной озоновой дырой и происходящими изменениями. Одновременно по данным этих спутников можно отводить близкое к  земле УФ и Р- излучение.

Искусственные спутники Земли могут оказать огромную услугу при решении про­блемы сохранения среды. Замечено, что "следы" засорения окружающей среды не задер­живаются в одном месте, а распространяются по большим территориям, охватывая зача­стую и весь земной тар, т.е. они относятся к классу глобальных явлений, и наблюдать за ними необходимо с помощью такого "всевидящего" глобального инструментам, как искусственный спутник Земли.

Весьма эффективным и прогрессивным оказалось спектрофотометрирование ореола зем­ной атмосферы при различных условиях освещённости. При этом методе исследуется яр­кость ореола в различных цветах (спектрах). Оказалось, что яркость красок зависит от содержания в атмосфере различных частиц и аэрозолей как естественного, так и искусственного происхождения - дыма, пыли и т.д., т.е. из космоса можно наблюдать, где на Земле находятся источники вредных разбавителей живительного кислорода и насколько угро­жающим становится их влияние на флору и фауну.

Мониторинг – это отслеживание, наблюдение из космоса, основные направления которого:

- гидрометеослужбы, прогнозирование погоды, слежение за развитием циклонов, антициклонов, ураганов,

- контроль за динамикой эрозии почв, опустыниванием (большая часть пыли в атмосфере в настоящее время связана с выдуванием пахотных земель). Поэтому меры борьбы с дефляцией почв важны не только для сохранения плодородности почв, и экологии атмосферы), обмелением акваторий, движением ледников, айсбергов, извержением вулканов (выбросы загрязняют атмосферу),

- прогнозированием землетрясений,

- наблюдением за лесами с целью борьбы с пожарами(2000 год, Сибирь огромные территории),

- экологический мониторинг мирового океана,

- гелиогеофизическая служба, наблюдение за состоянием движения солнца и потоком космического и электромагнитного излучения в целях гелиогеографического прогнозирования (магнитных бурь),

- контроль озонового слоя,

- наблюдение за антропогенной деятельностью на планете и её экологическими последствиями,

- патрулирование потенциальных источников засорения,

Космическая экология позволяет выявить состояние грунтов (в районе ГЭС и других), установить перетоки в подземной гидросфере, приводящие к разгерметизации подземных хранилищ токсичных отходов газа, выявить локальные вариации атмосферных параметров, пятнистый характер выпадения аэрозолей (в том числе токсичных), определять вариации электромагнитных и гравитационных полей, воздействие на самочувствие, работоспособность и заболеваемость людей.

В федеральную систему мониторинга входят: наблюдение за районами космодрома и падения ракетоносителей.

Заключительное слово учителя.

Тысячелетиями человек жил, работал, развивался, но он и не подозревал, что возможно настанет день, когда станет трудно, а может быть и невозможно дышать чистым воздухом, пить чистую воду, выращивать что-либо на земле, т.к. воздух загрязнен, вода отравлена, почва заряжена радиацией или химическими веществами. Но много изменилось с тех пор. И в нашем веке это вполне реальная угроза, и немногие люди осознают это.

За 50 лет космической эры мы привыкли к таким чудесам, как  охватившие всю Землю спутниковые системы связи и наблюдения за погодой, навигации и оказания помощи терпящим на суше и на море. Как о чем-то вполне обычном слушаем сообщения о многомесячной работе людей на орбите, не удивляемся следам на Луне, снятым «в упор» фотографиям далеких планет, впервые показанному ядру кометы.

За очень короткий исторический срок космонавтика стала неотъемлемой частью нашей жизни, верным помощником в хозяйственных делах и познании окружающего  мира. И не приходится сомневаться, что дальнейшее развитие земной цивилизации не может обойтись без освоения околоземного пространства. Но освоение космоса требует решения ряда экологических проблем: загрязнение биосферы продуктами сгорания ракетного топлива, влияние на атмосферу планеты, проблему космического мусора, проблемы экологии человека в космосе

Освоение космоса продолжается нарастающими темпами и соображения Константина Эдуардовича Циолковского, изложенные век назад, представляют и сейчас большой  интерес для ученых, исследователей, читателей.

Урок опубликован: Щербакова В.Б. Космическая экология (урок-конференция в 10 классе). // Сборник научных работ лауреатов областных премий и стипендий. Выпуск 3. Часть 1. – Калуга: КГПУ им. К.Э.Циолковского, 2007.