[公開日] 2024年12月17日 午前12時13分 AEDT
[質問] マテオ、8歳、ニューヨーク州ニューヨーク市、アメリカ合衆国
[答えてくれる先生] Kelly Griendling
地球の軌道を周回しているのは、何千もの衛星と、象 77 頭分もの重さがある国際宇宙ステーションを含む 2 つの運用中の宇宙ステーションです。国際宇宙ステーション: The International Space Station (ISS) には、世界中の科学者や研究者が集まり、医学、微生物学、地球および宇宙科学などの発見に貢献しています。
航空宇宙工学で私が最初に就いた仕事の 1 つは ISS での仕事で、ISS は今でも私のお気に入りの航空宇宙システムの 1 つです。現在はジョージア工科大学で 航空宇宙工学を教えています。
ISS は地球の周りを秒速 5 マイル (秒速 8 キロメートル) で非常に速く周回します。つまり、アトランタからロンドンまで 14 分で飛行できるということです。しかしその間に、流星体と呼ばれる小さな岩石の塊が宇宙を飛び出し、地球の大気圏にぶつかると燃え尽きます。国際宇宙ステーションなどの一部の物体は無傷で地球を周回するのに対し、小惑星などの他の物体は燃え尽きるのはなぜでしょうか。
ISS が何十年も無傷で軌道上に留まることができる理由を知るには、まず、隕石などの一部の物体が地球の大気圏に入ると燃え尽きる理由を理解する必要があります。
隕石が大気圏で燃え尽きるのはなぜでしょうか?
隕石は、太陽の周りを回る 小さな岩石や金属の塊 です。これらの宇宙の岩石は、毎秒 7 ～ 25 マイル (毎秒 12 ～ 40 km) で移動します。これは、約 5 分で米国全体を横断するのに十分な速さです。
隕石の軌道が地球と重なり、隕石が地球の大気圏に入ると、そこで燃え尽きて分解します。
目に見えなくても、大気圏は、主に窒素と酸素の粒子の組み合わせで満たされており、これが私たちが呼吸する空気を構成しています。地球の表面から遠ざかるほど、大気圏の粒子の密度は低くなります。
大気圏にはいくつかの層があります。宇宙から何かが地球の大気圏に入ると、地表に到達する前にこれらの各層を通過する必要があります。
流星体 は、地表から 30 ～ 50 マイル (48 ～ 80 キロメートル) 上空の 中間圏と呼ばれる 地球の大気圏で燃え尽きます。上空の空気は薄いですが、流星体は飛行中に空気粒子にぶつかります。
流星体がこのような非常に高速で大気圏を駆け抜けると、熱くなりバラバラになるプロセスによって破壊されます。流星体は空気粒子を押し付け合います。ブルドーザーが土を押し出すのと似ています。このプロセスによって、大きな圧力と熱が発生します。空気粒子は 超音速 (音速よりもはるかに速い) で流星体に衝突し、原子がバラバラになって流星体に亀裂が生じます。
高圧と高温の空気が亀裂に入り込み、流星体は空を落下しながら バラバラになり 燃え尽きます。このプロセスは 流星アブレーション と呼ばれ、実際に「流れ星: shooting star」を目撃したときに見られるものです。
なぜ ISS は燃え尽きないのでしょうか?
では、なぜ国際宇宙ステーションではこれが起こらないのでしょうか?
ISS は中間圏を飛行しません。代わりに、ISS は 熱圏と呼ばれる、地球から 50 マイル (80 km) から 440 マイル (708 km) 上空まで広がる、より高く密度の低い大気層を飛行します。
宇宙の境界とみなされるカルマン線 (The Kármán line) は、地球表面から 62 マイル (100 km) 上空の熱圏にあります。宇宙ステーションは、さらに高く、地表から約 250 マイル (402 km) 上空を飛行します。
熱圏には熱を伝達する粒子が少なすぎます。宇宙ステーションの高度では大気が非常に薄いため、リンゴ 1 個分の質量に相当する粒子を集めるには、スペリオル湖 (Lake Superior) ほどの大きさの箱が必要になります。
その結果、ISS は大気中の粒子と同じような相互作用を経験せず、地球に近づく流星体のような高圧や熱にもさらされないため、燃え尽きることはありません。
高高度の研究拠点
ISS は燃え尽きることはありませんが、大きな温度変動を経験します。地球を周回する間、直射日光と暗闇に交互にさらされます。太陽にさらされると温度は華氏 250 度 (摂氏 121 度) に達し、暗闇になると華氏 -250 度 (摂氏 -156 度) まで下がることがあります。軌道を移動すると華氏 500 度 (摂氏 277 度) も変動します。
ステーションを設計したエンジニアは、これらの温度変動に対応できる材料を慎重に選択しました。宇宙ステーションの内部は、地球上の人々が屋内で快適に過ごすために暖房や冷房をするのと同じように、宇宙飛行士にとって快適な温度に保たれています。
ISS での研究 により、水ろ過技術 の改善、地球の 水とエネルギーの循環 に関する理解の向上、宇宙で食料を栽培する技術、ブラックホールに関する洞察、長期宇宙旅行中に 人体がどのように変化するか についての理解の向上、さまざまな病気と治療法に関する新たな研究などの進歩がもたらされました。
NASA は、すべての宇宙飛行士が地球に戻り、ISS が特別に設計された宇宙船によって 軌道から降ろされる 2030 年まで ISS を稼働させ続ける予定です。
ISS が軌道から降ろされる過程で地球の大気圏を通過すると、中間圏に入り、多くの部分が加熱されて崩壊します。
ISS との間で宇宙飛行士を運ぶ乗組員カプセルなどの一部の宇宙船は、耐熱シールド を使用して大気圏への再突入を生き延びることができます。これは、非常に高い温度に耐えることができる材料で作られた特別な層です。 ISS はそのような用途には設計されていないため、耐熱シールドはありません。
宇宙ステーションがあなたの地域の上空を通過するのを見たい場合は、NASA の Web サイトをチェックして、あなたの近くでいつ見えるか調べることができます。
この記事は、クリエイティブコモンズライセンス(CCL)の下で The Conversation と各著作者からの承認に基づき再発行されています。日本語訳は archive4kids の翻訳責任で行われています。オリジナルの記事を読めます。original article.
