Дронова Е.С - Многопрофильная инженерная олимпиада

Заключительный тур
многопрофильной инженерной олимпиады «Будущее России»
авиационная и ракетно – космическая техника
Название работы:
«Ракетно-космические и космические системы»
Характеристика среды зондирующих исследований
Венера
Автор работы:
Дронова Екатерина Сергеевна
г.о. Тольятти, МБУ лицей №19, 7 класс
Научный руководитель:
Леонтьева Татьяна Сергеевна,
учитель физики высшей категории, МБУ лицей №19
Тольятти
2015
Содержание:
Введение……………………………………………………………………………………………………………3
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Зондирующие исследования Венеры…………………………………………………….4
Основные характеристики Венеры…………………………………………………………5
Состав атмосферы Венеры……………………………………………………………………..6
Температура……………………………………………………………………………………………6
Плотность атмосферы…………………………………………………………………………….8
Парниковый эффект……………………………………………………………………………….9
Заключение……………………………………………………………………………………………11
Список литературы………………………………………………………………………………..12
Введение:
Полёты в космос. Зачем это нужно? Понятно, что для общего прогресса науки и
наших знаний об окружающем мире, для распространения человечества в
Солнечной системе. Но возможно есть и более прагматичная цель. Мы сейчас
не знаем, каким путем будет дальше развиваться человечество и что
человечеству потребуется в будущем. Возможно, цивилизация так и зачахнет
на планете Земля, но возможно, однажды, выйдя в космос, человечество на
этом не остановится и будет продолжать осваивать звездное пространство.
Для полётов необходимы основные данные об атмосфере исследуемой
планеты. Для экспериментальных целей мы решили взять за основу загадочную
планету Венера и вычислить данные о состоянии атмосферы на разных
высотах: о составе, температуре, плотности и давлении. А также изучить
парниковый эффект и охарактеризовать его.
Цель работы: вычислить данные о состоянии атмосферы на разных высотах: о
составе, температуре, плотности и давлении. А также изучить парниковый
эффект и охарактеризовать его. Описать механизм превращения лучевой
энергии Солнца в тепловую энергию атмосферы Венеры.
Задачи работы:
1. Проанализировать дополнительную литературу по данной теме.
2. Произвести необходимые вычисления.
3. Систематизировать результаты и сделать выводы.
Объектом исследования является атмосфера Венеры, предмет исследования
– характеристики атмосферы Венеры.
Тема данного исследования является актуальной для любого человека
увлекающегося результатами зондирующих исследований. Новизна
заключается в том, что мы дополнили наши знания в области астрономии, на
основе поиска и изучения материала. Практическая значимость данного
проекта заключается в том, что различные выводы, полученные в ходе нашего
исследования, можно использовать на практике при разработке космических
кораблей и т.д., а также на факультативных занятиях.
«То, что казалось несбыточным на протяжении веков, что еще вчера было лишь дерзновенной
мечтой, сегодня становится реальной задачей, а завтра - свершением.
Нет преград человеческой мысли!»
1. Зондирующие исследования Венеры
Люди с давних времён мечтали покорить космос. И вот 12 апреля 1961 года
Юрий Гагарин совершил первый полёт в космос. В современном мире активно
ведутся зондирующие исследования. Мы решили подробно рассмотреть случай
исследования загадочной планеты под названием Венера. Для исследования мы
должны располагать такими сведениями, как состояние атмосферы Венеры на
разных высотах: состав, плотность, давление и температура. Мы выписали
основные определения, которые будут встречаться нам на протяжении всей
работы из тематического учебника астрономии.
Атмосфера - газообразная оболочка, окружающая Землю и некоторые другие
планеты (в нашем случае Венера).
Атмосферное давление — это гидростатическое давление атмосферы на все
находящиеся в ней предметы. Атмосферное давление
создаётся гравитационным притяжением воздуха к планете.
Температура – физическая величина, характеризующая состояние
термодинамического равновесия макроскопической системы.
Плотность – скалярная физическая величина, определяемая как отношение
массы тела к занимаемому этим телом объёму.
Давление - это отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности,
к площади этой поверхности.
Парниковый эффект — повышение температуры нижних слоёв атмосферы
планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой
теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса.
Состав - совокупность отдельных частей, образующих собою что-либо (в
нашем случае атмосфера).
2. Основные характеристики Венеры
Мы изучили информацию и составили сводную таблицу
Диаметр
12102 км
Масса
4,87·1024 кг
Плотность
5250 кг/м3
Период вращения (вращение
обратное)
243 суток
Период обращения
224,7 суток
Эксцентриситет орбиты
0,007
Наклон орбиты
3,4º
3. Состав атмосферы Венеры
Атмосфера Венеры в основном состоит из углекислого газа (96%), водяного
пара (0,5%), азота (3%), а также небольших концентраций других газов: метана,
аммиака, соединения хлора и фтора, кислорода. Атмосфера Венеры делится на
разные высотные слои — тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу
(криосферу). Выше 700 километров начинается корона Венеры, состоящая
только из водорода. Она простирается до 1000 километров и плавно переходит
в межпланетную среду.
Ответ на вопрос – из чего состоят облака Венеры был получен в 1972 г.
Американские исследователи Луиза и Эндрю Янг, а также Годфри Силл
независимо друг от друга пришли к выводу, что облака Венеры состоят из
капелек концентрированной серной кислоты. Позже в облачном покрове
Венеры, по данным аппаратов, были обнаружены как минимум три хорошо
различимых слоя. Верхний слой (высота 65—70 км), содержит капли
концентрированной серной кислоты. Средний слой кроме серной кислоты
содержит большое число жидких и твёрдых частиц серы. Нижний слой (высота
около 50 км) содержит более крупные частицы серы. Было определено, что на
уровне ниже 30 км атмосфера относительно прозрачна.
4. Температура
На высотах короны температура практически не меняется с высотой. Она,
конечно, зависит от времени суток, то есть от того количества тепла, которое
поступает в атмосферу от Солнца. Это значит, что температуры днем выше, чем
ночью. Так, выше 160 километров температура днем (в подсолнечной точке)
близка к 300 К при минимальной солнечной активности и 450 К — при
максимальной. Ночью температура падает до 100 К.
Также мы изучили зависимость температуры и давления от высоты и
составили сводную таблицу.
Высота
Температура
Атмосферное
(км)
(°C)
давление
0
462
92,10
5
424
66,65
10
385
47,39
15
348
33,04
20
308
22,52
25
266
14,93
30
224
9,851
40
145
3,501
50
77
1,066
60
−10
0,2357
70
−43
0,03690
80
−76
0,004760
100
−98
0,00002660
Таким образом, с высотой давление и температура уменьшаются. Так, на
высоте 30 км. давление равно 9,4 бар, плотность 10 кг/м3 и температура 224°С.
На высоте 65 км. давление падает до 0,09 бар, плотность падает до 0,2 кг/м3, а
температура уходит в минус 30°С. Из-за высокого молекулярного веса
атмосферного газа выше 150 км. атмосфера Венеры разряжена больше, чем
атмосфера Земли на таких же высотах. Выше этого уровня преобладают легкие
частицы — атмосферный кислород и углекислый газ. А еще выше (выше 320
километров) резко увеличивается относительное содержание гелия и водорода.
Легкие составляющие атмосферного газа — угарный газ, кислород и водород
появляются как результат распада (диссоциации) молекул углекислого газа и
водяного пара. Эта диссоциация происходит под воздействием жесткого
(высокоэнергичного) ультрафиолетового излучения Солнца в стратосфере
Венеры.
5. Плотность атмосферы
Для измерения плотности атмосферы использовался прибор камертонного типа,
принцип работы которого был основан на изменении амплитуды колебаний
определенной частоты в зависимости от плотности окружающей среды.
Мы провели анализ данных и составили сводную таблицу:
Высота
Плотность
На поверхности
67 кг/м3
50 км
1,15 кг/м3
60 км
0,5 кг/м3
70 км
0,057 кг/м3
Плотность атмосферы у поверхности Венеры примерно в 50 раз больше, чем у
поверхности Земли. 40% массы венерианской атмосферы находится в пределах
10 км от поверхности планеты. Можно сказать, что воздух там в определенной
степени вязкий и движение в такой плотной газовой среде должно чем-то
напоминать перемещение в воде.
6. Парниковый эффект
Парниковый эффект — повышение температуры нижних
слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть
температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса.
Количественно величина парникового эффекта определяется как разница
между средней приповерхностной температурой атмосферы планеты и её
эффективной температурой.
Парниковый эффект существенен для планет с плотными атмосферами,
содержащими газы, поглощающие излучение в инфракрасной области спектра,
и пропорционален плотности атмосферы.
Исходя из этого, вычислим количественную величину парникового эффекта
для Венеры:
735-231=504
Описание процесса превращения лучевой энергии Солнца в тепловую
энергию атмосферы Венеры.
Высокая температура поверхности Венеры является следствием мощного
парникового эффекта. Газовую оболочку Венеры можно сравнить с огромным
парником. Солнечный свет проходит сквозь атмосферу и облака Венеры,
которые полупрозрачны для видимого света, и достигает поверхности. Нагретая
поверхность пытается посредством излучения отдать теплоту космосу.
Поскольку Венера намного холоднее Солнца, она испускает излучение
преимущественно в инфракрасном, а не в видимом диапазоне спектра. Однако,
углекислый газ и водяной пар в атмосфере Венеры почти идеально поглощают
инфракрасное излучение, солнечное тепло оказывается в ловушке, и
температура поверхности растет - пока та небольшая доля инфракрасного
излучения, которой удается просочиться сквозь мощную атмосферу, не
уравновесит солнечный свет, поглощаемый нижними слоям и атмосферы и
поверхностью.
Заключение:
Таким образом, мы вычислили числовые характеристики атмосферы Венеры
(давление, температура, плотность, состав). Охарактеризовали парниковый
эффект. Цель нашей работы достигнута.
Задачи работы выполнены: дополнительная литература проанализирована,
необходимые вычисления произведены, систематизированы результаты и
сделаны выводы.
Наше исследование помогло нам лучше понять тонкости астрономии, развить
кругозор и увеличить уровень познаний. Мы собираемся продолжить наше
исследование и представить исследовательскую работу на школьном уроке
физики, с целью заинтересовать среднестатистическую аудиторию.
Список литературы:
Литература:
Энциклопедия для детей; Том 8 Астрономия. Изд. «Аванта+»
Занимательно об Астрономии, автор А. Н. Томилин; Изд. «Просвещение»
Интернет-сайты:
http://znaniya-sila.narod.ru
http://samlib.ru
ru.wikipedia.org
http://marsmeta.narod.ru