Космические облака

[vashu11]

Интересная идея из "Колониальной Службы" Лейнстера Мюррея. Активность местного солнца падает и героям угрожает смерть от холода. Они обогревают планету облаками из натрия.

— Я намерен попробовать еще кое-что. Мне нужны некоторые металлы, которые мы еще не использовали. Натрий, если я смогу его получить, если нет — тогда кальций, в худшем случае сгодится и цинк. Лучше всего подошел бы цезий, но ведь, насколько я знаю, пока не обнаружено никаких его следов на этой планете.

...

Бордман вместе со всеми смотрел на небо, не веря собственным глазам. Облако продолжало расти. Оно было неправильной формы: испарение шло больше с одной стороны, чем с другой. Яркая, чуть изогнутая дуга…

...

Миниатюрная ловушка могла поднять и держать бомбу на высоте в семьсот пятьдесят тысяч футов. ... взрывалась, выбрасывая массу испарившегося кальция и натрия, смешанных с взрывчаткой, распыляя их среди звезд. Абсолютный вакуум принимал испарившиеся частички металла. Отдельные атомы начинали распространяться в залитом солнцем пространстве. Разумеется, солнечный свет несколько поубавился, тем не менее фотоны создавали фотоэлектрический эффект. Под действием солнечных лучей газовые молекулы ионизировались и образовывалось облако — ионизированное облако, которое обладало яркостью солнечного света, проходящего через него. В течение часа хвост кометы вырос до десяти тысяч миль и осветил дневное небо. Но это было лишь первое из отражающих облаков.

Следующая бомба, запущенная в космос, взорвалась в другом месте, потому что ловушку передвинули на новое, более тщательно выбранное место. И вновь облако засверкало в другом участке неба с яркостью бриллианта!

...

Все отчаянно торопились создать так много кометных хвостов вокруг планеты, как это только возможно до наступления темноты. Никто не хотел, чтобы стало еще холоднее.

Планета повернулась на своей орбите, но вокруг нее уже образовалась сверкающая оболочка из светящихся газов, поглощавшая солнечную энергию; стена, которая прикрывала мир колонии от тьмы и холода, пропуская теплые потоки света.

Этой ночью температура все время росла, на рассвете было пятьдесят градусов ниже нуля. В течение дня запустили еще двадцать бомб, и на следующий день термометр показывал двадцать градусов ниже нуля.

К рассвету четвертого дня на Лани было всего лишь пять градусов ниже нуля, а в полдень в долине зазвенел небольшой ручей. С Теры поступали не менее обнадеживающие сообщения…

В тот день, когда огромная посадочная ловушка загудела, словно гигантский церковный орган, принимая корабль Надзора, уже шли оживленные разговоры о том, какими видами рыб следует заполнить растаявшие водоемы

Эта идея в свою очередь основывается на идее Шкловского. Процитируем книгу "Вселенная, жизнь, разум":

Для наблюдения межпланетных станций я предложил довольно простой, но весьма эффектный метод «искусственной кометы». Суть метода состояла в испарении на борту спутника небольшого количества (порядка двух-трех килограммов) натрия. Образующееся облако будет очень интенсивно рассеивать желтые лучи Солнца (это явление известно как «резонансная флуоресценция»). Вот это яркое облачко и должно наблюдаться наземными оптическими средствами. Следует заметить, что в те далекие годы подходящих радиосредств для достаточно точных наблюдений спутников у нас не было, и космическое руководство — в первую очередь Сергей Павлович Королев — решительно поддержало мое предложение.

Я настолько был увлечен реализацией этого проекта, что частенько оставлял мою смертельно больную мать одну, в жалкой комнатенке с глухонемыми соседями, что до конца дней своих не прощу себе. Решающее испытание «искусственной кометы» было проведено на знаменитом космодроме Капустин Яр. Глубокой ночью была запущена ракета. Было по-осеннему холодно. Я и мои ребята стояли примерно в километре от стартовой площадки. Теперь, конечно, никого не удивить зрелищем старта ракеты — с некоторых пор это стали показывать по телевизору.

Но тогда, да еще в непосредственной близости, да еще с сознанием большой ответственности (ведь пуск был сделан специально для нашей «кометы»), это было незабываемым событием. Прошло несколько минут после старта. Уже погасло адское пламя, хлещущее из ракетных дюз. Уже сама ракета превратилась в еле видимую слабую световую точку — а на агатово черном небе решительно ничего не происходило! Время как бы остановилось. Светящаяся точка — ракета перестала быть видимой. Неужели катастрофическая неудача? И вдруг, прямо в зените, блеснула яркая искра. А потом по небу, как чернила на скатерти, стало расползаться ослепительно красивое, ярчайшее пятно апельсинового цвета. Оно расплывалось медленно, и через полчаса его протяженность достигла 20 градусов. И только потом оно стало постепенно гаснуть.

Эффективность предложенного метода была продемонстрирована с полной на глядностью. Вскоре «комета» отлично сработала в «боевой обстановке» на нашей лунной ракете, на полпути между Землей и Луной. Увы, этот метод не получил в дальнейшем должного развития. Правда, мой сотрудник Дима Курт, сделав серию фотографий, через несколько месяцев защитил кандидатскую диссертацию: по скорости диффузии атомов натрия удалось очень уверенно определить плотность земной атмосферы на высоте 550 км. Помню, как в разгар этой цветовой феерии я сказал Диме: «Полюбуйтесь, как сияет на небе ваша диссертация». Я потом предложил развитие метода «искусственной кометы» — использовать в качестве «рабочего вещества» вместо натрия литий. Такой же оптический эффект можно было получить, испаряя в десятки раз меньше вещества. А цвет литиевой «кометы» должен был быть багрово-красный. Космические корабли стали бы похожи на трассирующие пули! Ничего из этого не вышло — никто этим серьезно не заинтересовался.

Тогда же я предложил в качестве «рабочего вещества» стронций и барий, подчеркнув богатые возможности этого метода для исследования земной магнитосферы. Через много лет в ФРГ были весьма успешно осуществлены эти эксперименты.

Этот способ был испытан при полете Луны-1:

3 января в 3:56:20 по московскому времени, на расстоянии в 119500 км от Земли из станции было выпущено облако паров натрия (1 кг); рассеиваясь в вакууме, облако светилось оранжевым светом в течение нескольких минут и наблюдалось с Земли как слабая звезда 6-й величины.

Нетрудно заметить большую разницу в сроках существования облака в двух последних цитатах. Дело в том что на высоте 550 км еще присутствуют остатки земной атмосферы, замедляющие расширение облака. В полном вакууме расширение идет со скоростью сравнимой с тепловой скоростью атомов натрия - из-за нагрева солнцем она может превысить 2 км/с!

Еще цитата:

Резонансное рассеяние натрия обладает исключительной мощностью. На расстоянии 150 000 000 км от Солнца (а на этом расстоянии находится Земля) каждый атом натрия рассеивает в одну секунду приблизительно один квант света. А общее количество света от всего натриевого облака массой в один килограмм равноценно сиянию электрического прожектора мощностью в 70 000 киловатт с коэффициентом полезного действия 10 процентов. Питать энергией такой прожектор должна была бы большая электростанция.
Но резонансно рассеивать оранжевый солнечный свет могут только атомы натрия. Молекулы этой способностью не обладают. Значит натрий должен быть выброшен из ракеты только в виде атомов — в атомарном состоянии. К счастью, натрий довольно легко испаряется — и именно в виде атомов. Для этого он перемешивается с термитом, который в нужный момент воспламеняется от специального программного устройства электрическим запалом. Даже если бы в пары переходило всего 10 процентов натрия, а остальные 90 процентов выбрасывались из испарителя в виде капелек расплавленного металла, молекул и т. д., то все же выигрыш в яркости по сравнению с прямыми наблюдениями ракеты был бы не менее, чем в 1000 раз для одного килограмма металлического натрия.
Применяя оранжевый светофильтр, можно выделить спектральную линию натрия, а мешающий свет от Луны или зашедшего под горизонт Солнца уменьшить во много раз. Для наблюдений искусственной натриевой кометы пришлось разработать и изготовить специальную фотографическую аппаратуру.
Во время полета Советской космической ракеты на Луну 12 сентября 1959 года в 21 час 49 минут по московскому времени находящийся на ракете испаритель натрия был приведен в действие. Образовалось облако, которое наблюдалось более 5 минут на многих астрономических обсерваториях. Всего получено около 70 фотографий, некоторые из которых, рисующие последовательное развитие натриевого облака, приведены на этой странице. На многих фотографиях хорошо получились и изображения звезд, что позволило сразу определить точные координаты ракеты в момент включения испарителя.
Надо заметить, что натрий все же не является идеальным материалом для образования искусственных комет. У него есть существенный недостаток. Дело в том, что слишком уж много натрия на Солнце. Поэтому в солнечном спектре на месте линий натрия находятся провалы излучения. Солнечные атомы натрия в этих местах спектра как бы высосали энергию. Искусственная комета использует энергию Солнца лишь со дна этих провалов, т. е. всего около 5 процентов от нормальной энергии непрерывного спектра. Обидно мало!
Однако существуют элементы, которые на Солнце почти отсутствуют, но могут служить материалом для «космического маяка». Таков, к примеру, металл литий. Его на Солнце в 200 000 раз меньше, чем натрия, и, следовательно, вызванных литием провалов в солнечном спектре практически нет. Одно это даст увеличение яркости по сравнению с натрием в 20 раз.
Другое преимущество лития в том, что он в три раза легче натрия. Следовательно на один килограмм металла приходится втрое больше атомов. Если точно учесть все факторы, то суммарный выигрыш для лития по сравнению с натрием составит 40 раз.

Итого 7000 киловатт света, площадь одноатомного слоя килограмма натрия - примерно 60 000 м2, то есть натрий рассеивает примерно 10%. Правда в статье упомянута цифра 5%, по-видимому радиус резонансного рассеивания натрия чуть больше радиуса Ван-дер-Ваальса, по которому я считал площадь. Учитывая что рассеяние идет во все стороны и Земле достанется не больше половины, получаем что Земля получит 3.5 МВт на кило натрия, и 140 МВт на кило лития.

Температура планеты пропорциональна корню четвертой степени от теплового потока. Значит для повышения температуры на один градус необходимо увеличить поток энергии на 1.3 процента. Тепловой поток от Солнца - 1.7 * 10^17 Ватт, то есть одномоментно нам понадобится 400 тысяч тонн натрия, или 10 тысяч тонн лития. Даже если облако создается в верхних слоях атмосферы(а не в открытом космосе) и рассеивается за часы, эта цифра явно слишком велика. При этом количество энергии, собираемое из атмосферы ограничено - для потока порядка десятой процента нам понадобится кольцо натрия шириной порядка 130 километров, в общем из атмосферы наш процент явно не соберешь.

Итак, начиная с определенных производственных и пусковых мощностей, искусственные кометы можно использовать для управления климатом. Но и нам, и героям Мюррея до них явно далеко. Неудивительно что при перечислении способов борьбы с глобальным потеплением эту идею не упоминают.

Comments

[vashu11.livejournal.com]

https://e-reports-ext.llnl.gov/pdf/231636.pdf
Global Warming and Ice Ages:
Prospects for Physics-Based Modulation of Global Change

Resonant absorption and (quasi-isotropic) fluorescent re-radiation of solar (near-)optical photons is an
incompletely-compelling candidate mechanism for scattering units primarily because even atoms with full
dipole-transition oscillator strengths in the (near-)visible spectrum absorb with maximum radiative strength
only over relatively very small wavelength intervals (∆ω/ω ~ 10-7) and secondarily because such strong
absorption is typically seen only in metallic gases (and similarly low-density, effectively-collisionless
circumstances, in which the natural width of the transition is a regrettably large fraction of its full width).
However, the intrinsic mass efficiency of scattering units comprised of a set of resonant absorbers could be
expected to be extremely high, and it likely is worth considerable applied photophysics experimental effort to
spectrally broaden such resonant transitions to cover ~2% of the solar spectrum. Normal matter never works
harder in sustainable electromagnetic terms than when it’s scattering radiation on a full electric-dipole-strength
transition at the maximum rate given by that transition’s Einstein A coefficient (~108 sec-1, for the full-dipole
strength optical transitions of present interest): i.e., an alkali-metal atom (e.g., Li) will process ~3x10-11 W of
resonant radiation (≤108 photons/sec, each of 1.8 eV or 3x10-12 ergs energy) for a mass-cost of 10-23 grams
(e.g., an Li6 atom, scattering on its 6708 Å resonant transition) – which corresponds to a specific scattering
power of 3x1012 W/gm(!). If it were feasible to exercise matter this vigorously in scattering units, then the
working-mass of an entire scattering system would be only ~1 kg. However, the ≤1018 photons/cm2-sec of
(near-)optical solar flux at 1 AU only present ~1011 photons/cm2-sec within the ~30 MHz absorption-line of a
typical full electric-dipole-strength optical resonant transition, which has a characteristic peak absorption
cross-section σ ~ 3x10-10 cm2 (i.e., σ ~ λ2/4π, with λ ~ 6x10-5 cm). Thus, such an atom only processes ~30
photons/sec when hung-in-space in 1 AU sunlight, i.e., it works at only 3x10-7 of its maximum feasible
scattering-rate. Instead of 1 kg of scattering unit-mass, 3x109 grams, or 3000 tons, would have to be employed
– moreover, as a scattering-disc of free atoms positioned on the Sun-Earth line. Nonetheless, this is a small
mass for the ''active'' component of a full-scale insolation modulation system; it motivates serious
consideration of options based on resonant scattering physics.

[vashu11.livejournal.com]

https://andreyplumer.livejournal.com/189026.html

[vashu11.livejournal.com]

>> Гейтс рассчитывает, что в 2022 году может состояться пробный запуск экспериментального метода для борьбы с изменением климата, который разрабатывается учеными Гарвардского университета. Миллиардер вложил денежные средства в разработку проекта SCoPEx (эксперимент по контролируемому возмущению стратосферы), который создали специалисты по солнечной геоинженерии.
>> "Проект предполагает запуск в атмосферу на высоту 20 километров частиц карбоната кальция (от 100 граммов до 2 килограммов) при помощи воздушного шара. В результате образуется рассеянная туча, которая позволит снизить негативное воздействие солнечных лучей на планету и приостановить или обратить глобальное потепление", - отмечают в Гарварде.

Идея та же что с впрыском диоксида серы в стратосферу — увеличение отражения. Единственная разница — мел не дает кислотных дождей и не разрушает озон, плюс SO2 парниковый газ и выделение тепла может повлиять на вертикальные потоки воздуха. В стратосферу надо закидывать потому что из тропосферы быстро вымоет дождями.

> a fleet of high-flying aircraft could deposit enough sulfur to offset roughly 1.5 °C of warming for around $1 billion to $10 billion per year

еще
> Marine Cloud Brightening Project, which aims to spray saltwater droplets into the lower atmosphere to increase the reflectivity of ocean clouds, have been trying to raise money for the project for nearly a decade.

[vashu11.livejournal.com]

26 сентября принадлежавший NASA зонд DART протаранил астероид Диморф,
являющийся спутником более крупного астероида Дидим. Это было сделано в
рамках эксперимента, целью которого являлось изучение возможности
изменения орбиты угрожающего Земле небесного тела путем кинетического
воздействия. За тараном наблюдали как наземные телескопы, так и
отделившийся от DART итальянский кубсат LICIACube.

Визуальная
сторона столкновения превзошла ожидания большинства астрономов. Удар
выбил большое количество материала, из-за чего яркость Диморфа
увеличилась в три раза. Более того, астероид обзавелся самым настоящим
хвостом, напоминающим кометный. Через два дня после столкновения
установленный в Чили 4.1-метровый телескоп SOAR сфотографировал
тянущийся за Диморфом шлейф, состоящий из пыли и обломков. Его длина
превышает 10 тысяч км, он образовался в результате давления солнечного
света на выбитый ударом материал.

NASA's 372 kg (820 lb) Deep Impact (https://en.wikipedia.org/wiki/Deep_Impact_(spacecraft)) space probe's impactor spacecraft. On impact, it released 19 gigajoules (https://en.wikipedia.org/wiki/Gigajoule) of energy (the equivalent of 4.8 tons (https://en.wikipedia.org/wiki/Ton) of TNT (https://en.wikipedia.org/wiki/Trinitrotoluene)),[15] and excavated a large crater up to 150 m (490 ft) wide.

[vashu11.livejournal.com]

> Немецкий специалист в области ракетной техники Сингер, например, считал, что спутник будет виден лишь в том случае, если из последней ступени ракеты будут выделяться пары натрия, которые образуют светящееся облако размером в несколько километров

Петров В.П. Искусственный спутник Земли, 1958

стр 193

[vashu11.livejournal.com]

И.С.Шкловский. Искусственная комета как метод оптических наблюдений космических ракет.

Искусственные спутники Земли. 1960 Выпуск 4 htt ps://www.twirpx.co m/file/3414011/

первый опыт в СССР в 1958 на высоте 440 км

> к началу разработки нашего проекта в США уже имелся опыт испарения натрия в верхней атмосфере

> идею испарения натрия в верхних слоях для изучения ее свойств высказал в 1950 Бейтс ... первый эксперимент в 1955 ... в атмосфере натрий связывается за единицы минут на высотах от 60 до 140 км ... испарение 1 кг натрия — 3 кг термита

> размеры оптически толстого облака для 300 г натрия — 100 км

> ионизация ограничивает время жизни нейтрального атома ~7 часами

> простейший фильтр позволяет увеличить контраст с яркостью неба на 4 зв величины

> скорость расширения облака — 1.7 км/с

> литий в 40 раз эффективнее натрия но ионизация в 5 раз быстрее

> по сравнению с пылевым облаком 0.3 мк 1 кг == 44 метровой сфере 1 кг натрия в 12 раз эффективнее зато скорости разлета меньше — порядка 100 м/с

[vashu11.livejournal.com]

Аполлон-13

> Перед включением двигателя корабля следовало провести процедуру точного
наведения, предназначенную для ликвидации ошибок, вызванных «уходом»
гироскопов. Она заключалась в поочерёдном наведении специального
телескопа на несколько «навигационных» звёзд, координаты которых были
заранее сохранены в постоянной памяти (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%B7%D0%B0%D0%BF%D0%BE%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D1%8E%D1%89%D0%B5%D0%B5_%D1%83%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE) компьютера.[42]
Однако сделать это после аварии стало невозможно: кислород и обломки
корабля, выброшенные взрывом в космическое пространство и летевшие
вместе с кораблём, светились отражённым солнечным светом, не позволяя
экипажу различить настоящие звёзды среди множества «ложных».[43] Попытки вывести корабль из этого «мусорного облака» не увенчались успехом,[44]
и в конце концов астронавтам пришлось уповать на то, что параметры
ориентации были перенесены из компьютера «Одиссея» на компьютер
«Водолея» без ошибок

[vashu11.livejournal.com]

Обычные космические зеркала

Power Soletta 4:18 — выравнивание генерации солнечных станций Dimensions: 5 km x 15 km (Dimensions: 5 km x 15 km)

5:08 Solares тысяча зеркал по 1 км2

Программа космических экспериментов «Знамя» — серия экспериментов по работе космическими зеркалами, то есть специальными отражателями, которые отражают солнечный свет и освещают земную поверхность. Всего было два эксперимента — успешный «Знамя 2»,

Знамя 2 — солнечный парус 20-метровой ширины.

[vashu11.livejournal.com]

Визуально-инструментальные наблюдения с Салюта-6

> Полет космических кораблей практически всегда сопровождается газопылевым окружением, основными источниками которого являются работающие двигательные установки и постепенно разрушающаяся обшивка космического корабля.

О возможности исследования излучения газопылевого окружения орбитальных станций с другого космического корабля и с Земли

> в эксперименте типа «Искусственное солнечное затмение», проводившемся с космического корабля «Союз-19» во время совместного советско-американского полета по программе «Союз»—«Аполлон»

> «расширение, рассеивание струй газов, исходящих из двигателей корабля в вакууме космического пространства, сфотографировано на различных стадиях работы. И хотя космонавты делали снимки с интервалом в 3 секунды, этого достаточно для определения эволюции развития газового облака: на фотографиях можно наблюдать одни и те же частицы, что позволяет определить скорость и направление их движения»

> Одновременная фоторегистрация расположенных рядом изображений станции и ГПО, отличающихся по освещенности на 3—6 порядков, практически невозможна. В связи с этим для регистрации ГПО следует использовать приборы, работающие по схеме коронографа

> в 1 кв. градусе звездного неба в среднем насчитывается около 104 звезд, а в 1 кв. минуте 3—4 звезды, блеск которых превышает 18™. При регистрации ГПО необходимо, чтобы в поле зрения аппаратуры не попадали звезды, блеск которых превышает 15™. В среднем на 5—8 кв. минут приходится только одна такая звезда.