Это поразительно, но самая высокая температура во Вселенной в 10 триллионов градусов по Цельсию была получена искусственным путем на Земле. Абсолютный рекорд температуры был установлен 7 ноября 2010 года в Швейцарии при эксперименте на Большом адронном коллайдере — БАК (самом мощном в мире ускорителе элементарных частиц).
В рамках эксперимента на БАК ученые поставили задачу — получить кварк-глюонную плазму, которая заполняла Вселенную в первые мгновения ее возникновения после Большого взрыва. С этой целью на скорости, близкой к скорости света, ученые столкнули пучки ионов свинца, обладающие колоссальной энергией. При столкновении тяжелых ионов начали возникать «мини-большие взрывы» — плотные огненные сферы, имевшие столь чудовищную температуру. При таких температурах и энергиях ядра атомов буквально плавятся и образуют «бульон» из составляющих их кварков и глюонов. В результате в лабораторных условиях и была получена кварк-глюонная плазма с самой высокой температурой с момента возникновения Вселенной.
До этого ни в одном эксперименте ученым еще не удавалось получить столь немыслимо высокой температуры. Для сравнения: температура распада протонов и нейтронов составляет 2 триллиона градусов по Цельсию, температура нейтронной звезды, которая формируется сразу после взрыва сверхновой, составляет 100 миллиардов градусов.
Выше температуры звезд
Согласно
спектральной классификации Моргана-Кинана все звезды делятся на следующие классы по светимости, размеру и температуре:
О — голубые гиганты — 30000-60000 гр. Кельвина (Вега)
В — бело-голубые гиганты 10000-30000 гр. Кельвина (Сириус)
А — белые гиганты 7500-10000 гр. Кельвина (Альтаир)
F — желто-белые звезды 6000-7500 гр. Кельвина (Капелла)
G — желтые карлики 5000-6000 гр. Кельвина (Солнце)
К — оранжевые звезды 3500-5000 гр. Кельвина (не знаю примера)
М — красные гиганты 2000-3500 гр. Кельвина (Антарес)
Наше родное Солнце относится к желтым карликам и имеет температуру ядра в 50 миллионов градусов. Таким образом, температура полученной кварк-глюонной плазмы в 200 тысяч раз превысила температуру ядра Солнца. В тоже время в окружающем космосе обычно царит первозданный холод, так как средняя температура Вселенной только на 0,7 градуса выше абсолютного нуля.
Но почему при столкновении ионов свинца получаются такие высокие температуры?
Все дело в заряде частиц. Чем он больше, тем больше энергия, до которой частица разгоняется в поле коллайдера. Кроме того, ион сам по себе довольно крупный объект. Поэтому при столкновении таких частиц, да еще разогнанных до огромных энергий, и рождается вещество с фантастической температурой.
Кстати, они (ионы) никакой опасности не представляют, так как количество сверх-разогретого вещества очень мизерное, меньше, чем атом.
Прежний рекорд- 4 триллиона градусов, установленный в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), продержался всего пару месяцев. Для этого в коллайдере сталкивали ионы золота. Но уже тогда многие ученые предсказывали, что БАК превзойдет этот рекорд, ведь ионы свинца значительно тяжелее ионов золота.
Полученная учеными рекордная температура в 10 триллионов градусов по Цельсию держалась только несколько миллисекунд, но за это время было получено столько интересных данных, что на их анализ пришлось потратить несколько лет. Проводилось множество измерений и полученные данные многократно уточнялись и перепроверялись. После того как появилась уверенность, что кварк-глюонная плазма была получена, различные показатели пересчитали в давление и рекордную температуру.
В течение считанных микросекунд после Большого Взрыва Вселенная состояла из аналогичной кварк-глюонной плазмы, которая представляет собой не ионизированный газ, а скорее жидкость, лишенную вязкости и текущую почти без трения. В дальнейшем (по мере остывания) кварки объединяются в нейтроны и протоны, а уже из них возникают ядра атомов.
Что дальше?
Физики уверены, что при помощи БАК им удалось поймать мгновение перед тем, как плазма конденсировалась в адроны и мгновение до того, как было создано неравновесное состояние между материей и антиматерией (в другом случае наша Вселенная была бы наполнена лишь чистой энергией). Таким образом, проводимые исследования позволяют лучше понять процессы, которые происходили на ранних стадиях развития космоса. В конечном итоге ученые надеются еще больше приблизиться к пониманию того, как и почему из массы однородного кварк-глюонного «супа» возникла существующая материя
Возникновение такого особого состояния вещества, как кварк-глюонная плазма, является ключевым предсказанием квантовой хромодинамики. Согласно ей, по мере того, как ученым удастся воссоздавать условия все более ранних моментов эволюции нашей Вселенной, они увидят как, так называемое сильное взаимодействие, удерживающее нейтроны и протоны внутри атомного ядра, сойдет на нет.
Теперь с помощью установленного на БАКе детектора ALICE массой в 10 тысяч тонн, ученые смогут изучать условия, существовавшие во Вселенной всего через миллисекунду после давшего ей начало Большого взрыва.
Трудно даже предположить, какие еще открытия ожидают человечество впереди.
На днях ученые, работающие на Антарктиде, зафиксировали температурный рекорд – самую низкую температуру за весь период метеонаблюдений.
Новый рекорд составил минус 91,2 градуса. Предыдущий рекорд простоял тридцать лет. В 1983 году на Антарктиде метеорологи зафиксировали температуру минус 89, 2 градуса. Надо отметить, что рекорд 1983 года был зафиксирован советскими исследователями Антарктиды на станции «Восток».
Последний же рекорд установленный природой засвидетельствовали японские полярники на станции "Купол Фудзи" и были подтверждены данными со спутника. Антарктида полностью оправдывает название «полюса холода» - самой холодной части Земли.
Северный Полюс в этом плане значительно уступает южному, там температурный минимум достигал только около минус 70 градусов.
Факт температурного рекорда несколько выбивается из теории глобального потепления земли. Пока в северном полушарии присутствует аномальное тепло, южное полушарие может пострадать от аномального похолодания. Этот факт ученые не отвергают.
Температурный рекорд сорвал и планы одного из наследника короны Великобритании принца Гарри – достичь пешком Южного Полюса. Из-за погодных условий принц и его спутники вынуждены были свернуть мероприятие. Готовился принц к путешествию в морозильной камере с температурой минус 35 градусов, а тут минус девяносто. Не стали рисковать особой королевских кровей.
Температурой в физике называют величину, которая количественно выражает степень нагретости различных тел. Учитывая, что в область изучения часто попадают не только твердые тела, но жидкости и газы, то существует более общее понятие температуры, как степень кинетической энергии частиц.
Системной единицей измерения температуры является Кельвин (сокращено К), в которой за точку отчета берется абсолютный нуль — состояние вещества с нулевой кинетической энергией частиц. В быту чаще всего используются градусы Цельсия (сокращено °С), для которых точка отчета соответствует точке замерзания воды. Один градус Цельсия равен Кельвину, и соответствует 1/100 части температурной разницы между точкой замерзания и точкой кипения воды. Абсолютный нуль равен −273,15 градусов Цельсия.
С точки зрения квантовой физики и при абсолютном нуле температуры существуют нулевые колебания, которые обусловлены квантовыми свойствами частиц и их окружающего физического вакуума.
Среднегодовая температура
Наша планета находится в зоне жизни своей звезды. Зоной жизни называется пространство достаточно удаленное от своей звезды, в котором на поверхности планеты возможно существование воды в жидкой форме. Современные метеорологи (специалисты по земному климату и погоде) чаще всего используют температурные измерения приземного воздуха с помощью ртутных или спиртовых термометров (температура замерзания ртути и спирта равна -38.9°C и -114,1°C соответственно).
По международной методике измерения должны происходить на двухметровой высоте от поверхности земли в специальной метеорологической будке, удаленной от антропогенного ландшафта. Среднегодовая температура приземного воздуха на поверхности Земли равна +14°С. В то же время в отдельных частях планеты температура приземного воздуха сильно отличается от этого значения по причине разного времени года или суток, различной географической широты, удаления от океана, высоты над средним уровнем моря и близости к вулканическим областям.
Диапазон температур Земли
Самый небольшой температурный перепад приземного воздуха наблюдается в экваториальных районах Мирового океана. Так на острове Рождества, который находится в центральной экваториальной части Тихого океана сезонные температурные перепады ограничены диапазоном 19-34 градусов Цельсия. Впрочем, считается, что самый ровный климат наблюдается в местечке Гарапан на острове Сайпан (Мариинские острова). В течение 9 лет с 1927 по 1935 г. самая низкая температура здесь была зарегистрирована 30 января 1934 г. (+19.6°С), а самая высокая - 9 сентября 1931 г. (+31,4°С), что дает перепад 11,8°С.
Континенты характеризуются значительно более высокими температурными перепадами. В долине Смерти (Калифорния) 10 июля 1913 года было зарегистрировано +56.7°C, а 13 июля 1922 года регистрировалось +57.8° C (позже это значение было оспорено). На российской станции Восток, 21 июля 1983 года, наблюдалось -89,2° C. Самый большой перепад температур зарегистрирован в российском Верхоянске — 106,7° C: от -70° C до +36.7°С. Самая низкая среднегодовая температура зарегистрирована в 1958 году на Южном полюсе (-57,8°С). Самая высокая среднегодовая температура зафиксирована в местечке Феранди (Эфиопия) в 60-х годах 20 века (+34°С).
Поверхностная температура Земли отличается ещё экстремальными значениями в связи с тем, что темная поверхность днем может прогреваться до значительно более высоких температур по сравнению с воздухом. В долине Смерти (Калифорния) 15 июля 1972 года регистрировалось +93.9°C. Вероятно такие высокие поверхностные температуры могут вызывать в условиях сильного ветра аномальные кратковременные всплески температуры воздуха (в июле 1967 году в иранском Абадане был зарегистрирован резкий рост температуры воздуха до +87.7°С).
Распределение годовых максимальных температур Земли
Поверхность нашей планеты является источником теплового электромагнитного излучения, максимум которого находится в инфракрасной области спектра (согласно закону смещения Вина).
Благодаря этому свойству околоземные спутники могут измерять температуру любой точки поверхности Земли в отличие от наземных метеостанций.
Анализ снимков спутника “Aqua“ за 2009-2013 годы позволил определить, что максимальная поверхностная температура в иранской пустыне в 2005 году достигала +70.7 °C.
Статистическое распределение годовых максимальных температур поверхности на планете показывает четыре кластера (ледники, леса, саванны/степи и пустыни).
Другой анализ спутниковых снимков за 1982-2013 годы показал, что минимальные температуры в Антарктиде могут достигать -93.2 °C.
Несмотря на то, что земная поверхность в среднем получает от Солнца в 30 тысяч раз больше энергии, чем от земных недр, геотермальная энергетика является важным элементом экономики некоторых стран (к примеру, Исландии).
Бурение рекордной Кольской скважины показало, что на глубине 12 км температура достигает +220°С.
Изотерма +20 °C в земной коре проходит на глубинах от 1500-2000 м (районы многолетней мерзлоты) до 100 м и менее (субтропики), а в тропиках выходит на поверхность. В горных районах термальные источники имеют температуру до +50…+90 °C, а в артезианских бассейнах на глубинах 2000-3000 м вода с температурой +70…+100 °C и более.
Точка, где наблюдалась минимальная температура, не является самой высокой частью ледника: её высота составляет около 3900 метров против 4093 метров у Плато А (Аргус).
Более ранний анализ снимков спутника “Aqua“ за 2004-2007 годы подтверждает, что самые холодные зимние температуры наблюдаются на хребте B, который соединяет плато А и плато F (Фуджи).
В районах активного вулканизма термальные источники проявляются в виде гейзеров и струй пара, выносящих на поверхность пароводяные смеси и пары с глубин 500-1000 м, где вода находится в перегретом состоянии (+150…+200 °C). В подводных гидротермальных источниках (“черных курильщиках”) наблюдаются температуры до +400 °C. В вулканах температура лавы может повышаться до +1500°C.
На основе лабораторных экспериментов, данных сейсмологии и теоретических расчетов считается, что в недрах планеты температуры могут превышать 7 тысяч градусов. Несколько вариантов теоретической температуры глубинных слоев планеты.
Если бы наша планета не обладала атмосферой, то согласно закону Стефана-Больцмана её средняя температура равнялась бы не +14 °C, а -18 °С. Различие объясняется тем, что земная атмосфера поглощает часть теплового излучения поверхности (парниковый эффект). Это во многом объясняет, почему с ростом высоты над поверхностью планеты падает не только давление, но и температура.
Температурный максимум в стратосфере (на высоте примерно 50 км) объясняется взаимодействием озонового слоя с ультрафиолетовым излучением Солнца. Температурный пик в экзосфере (ионосфере) связан с ионизацией молекул внешних разреженных слоев атмосферы под действием солнечного излучения. Суточные колебания в этом слое могут достигать нескольких сотен градусов. В экзосфере происходит улетучивание земной атмосферы в космос.
Температурные колебания у других планет Солнечной системы
Хорошим примером температурных колебаний в случае, если бы у Земли не было атмосферы, является . По наблюдениям спутника LRO температура поверхности нашего спутника изменяется от +140°C в небольших экваториальных кратерах до -245 °C на дне полярного кратера Hermite (Эрмита). Последнее значение даже меньше, чем измеренная температура поверхности Плутона -245 °C или любого другого небесного тела Солнечной Системы, для которого были проведены температурные измерения. Тем самым температурные колебания на Луне достигают 385 градусов. По этому показателю Луна занимает второе место в Солнечной Системе после .
Измерения приборов, оставленных экипажами миссий Аполон-15 и Аполон-17, показали, что на глубине 35 см, температуры в среднем на 40-45 градусов теплее, чем на поверхности. На глубине 80 см сезонные колебания температуры исчезают, и постоянная температура близка к -35 °С. Оценивается, что температура ядра Луны равна 1600–1700 K. Куда более высокие температуры могут появляться во время падения астероидов.
Так в древних земных кратерах обнаружены фианиты, для образования которых из циркона требуются температуры, превышающие 2640 Кельвинов. Достижение таких температур невозможно при земном вулканизме.
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Несмотря на то, что человечество исследовало Землю вдоль и поперек, ученые продолжают делать открытия, заставляющие переписывать учебники. Вот и американские исследователи из Колорадского университета в Боулдере внесли свой вклад —
они выяснили, что температура в Антарктиде способна опускаться почти до -100°C.
Об открытии нового температурного рекорда они рассказали в статье в журнале Geophysical Research Letters .
Ранее самая низкая зафиксированная температура в Антарктиде составляла -93°C, эти данные были получены в 2013 году. Новый рекорд, как и предыдущий, был установлен в восточной части материка. Исследователи обнаружили его, изучив показатели спутников, фиксирующих изменения температуры в Антарктиде, и сверив результаты с данными наземных метеорологических станций.
Теперь самая низкая температура на Земле официально составляет -98°C. Температурный рекорд был установлен 31 июля 2010 года.
«Я никогда не находился в таком холоде и, надеюсь, никогда не буду, — делится Дойл Райс, один из исследователей. —
Говорят, там каждый вдох приносит боль и нужно быть предельно осторожным, чтобы не отморозить горло и легкие при дыхании. Это намного холоднее, чем в Сибири или на Аляске».
«Такую температуру можно ощутить на полюсах Марса в ясный летний день», — сравнивает Тед Скамбос, ведущий автор исследования.
Температура опускается настолько низко в ледяных «карманах» глубиной до трех метров.
Ученые использовали данные спутников Terra и Aqua, а также измерения спутников Национального управления океанических и атмосферных исследований США за 2004-2016 годы. Наибольшие перепады температуры, как выяснилось, происходят в Южном полушарии ночами в июне-августе. Температура ниже -90°C регистрируется там регулярно.
Также исследователи определили условия, благоприятствующие установлению температурного минимума: ясное небо, легкий ветерок и крайне сухой воздух. Даже минимальное содержание водяного пара в воздухе способствует его нагреванию, хотя и не сильному.
«В этом районе в определенные периоды воздух очень сухой, и это позволяет снегу легче отдавать тепло», — поясняет Скамбос.
Температурный рекорд был отмечен сразу в нескольких точках на расстоянии в сотни километров друг от друга. Это заставило исследователей задуматься — есть ли вообще предел для похолодания?
«Все зависит от того, как долго сохраняются условия, позволяющие воздуху охлаждаться, и того, сколько в атмосфере водяного пара», — считает Скамбос.
Чрезвычайно сухой и холодный воздух опускается в ледяные карманы и становится все холоднее и холоднее, пока не изменятся погодные условия. По словам исследователей, температура может опуститься и еще ниже, просто для этого потребуется очень много ясных и сухих дней подряд.
Если этот рекорд и удастся побить, то явно нескоро, считают авторы работы. Повышение уровня углекислого газа в атмосфере и в связи с этим увеличение количества водяного пара отнюдь не способствует появлению необходимых для этого условий.
«Наблюдение за процессами, от которых зависит низкая температура воздуха и поверхности Земли, показывает, что в будущем мы будем фиксировать экстремально низкие температуры реже», — пишут исследователи.
Исследователи отмечают, что полученные данные — это показатели, зафиксированные удаленно. Самой низкая температура, зарегистрированная на наземной метеорологической станции, составила -89,2°C. Она была зафиксирована 21 июля 1983 года на советской антарктической станции «Восток».
Из-за того, что современные данные были получены со спутников, а не напрямую, некоторые исследователи отказываются признавать их значимость.
«Восток» — по-прежнему самое холодное место на Земле, — настаивает профессор географии Аризонского университета и специалист Всемирной метеорологической организации Рэнди Червену. — Здесь было использовано дистанционное зондирование, а не стандартные метеорологические станции, поэтому мы во Всемирной метеорологической организации не признаем эти результаты».
В США самая низкая температура была зафиксирована на Аляске в поселении Проспект-Крик. Температурный рекорд, установленный 23 января 1971 года, составил -80°C.
Мы знаем, что минимально возможная температура составляет -273.15 °C. При такой температуре движение частиц прекращается, и выделяемая ими тепловая энергия становится равна нулю. Вероятно, должна существовать и такая точка, выше которой частицы уже не смогут выделять больше тепловой энергии, достигнув своего максимума.
Современная физика считает, что эта точка находится на уровне 1.41679 × 10 32 K (Кельвинов) и называется Планковской температурой. Именно такой была температура Вселенной в первые доли секунд после Большого взрыва.
Как Кельвины перевести в Цельсии?
В физике удобно измерять температуру в Кельвинах, которые не подразумевают наличие шкалы отрицательной температуры, то есть абсолютный ноль здесь равен нулю. Чтобы представить температуру в более привычных нам градусах Цельсия, достаточно знать формулу, по которой вычисляется температура в Кельвинах. T K (темп. В Кельвинах)= T C (температура в Цельсиях) + T 0 (константа, равная 273.15). Иными словами, чтобы перевести кельвины в Цельсии, достаточно вычесть из Кельвинов число 273.15. например, 1000 К = 1000 — 273.15 = 726.85 °C.
Учитывая формулу по переводу Кельвинов в градусы Цельсия, мы можем представить планковскую температуру в градусах Цельсия как 1.41679 * 10(32)-273.15 °C. Конечно, данная оценка вычислена теоретически и основана на том, что если материи, разогретой до Планковской температуры, придать ещё энергии, то это не приведет к увеличению скорости частиц и, как следствие, повышению температуры. Зато вызовет появление новых частиц во время хаотических столкновений уже существующих, что приведет к росту массы материи. Но представим, что материи, разогретой до планковской температуры, всё-таки придать ещё энергии, чтобы попытаться нагреть её ещё больше. В таком случае, всю Вселенную ждет… а что ждет Вселенную после прохождения точки планковской температуры, не знает никто. Вероятно, гравитационное взаимодействие между частицыми разогретой материи станет настолько сильным, что сравняется с тремя другими взаимодействиями: электромагнитным, сильным и слабым. Описать физику нашего мира а таких не может ни одна существующая на сегодняшний день физическая теория.
Но вернемся от дел космических к делам земным. В своих попытках достичь максимально возможной температуры в пределах лабораторий человек установил температурный рекорд на уровне около 5.5 триллионов Кельвинов, что можно записать как 5*10 12 К. Конечно, ученые не разогревали кусок железа до этой немыслимой температуры — на это просто не хватило бы энергии. Данная температура была зафиксирована во время эксперимента в Большом адронном коллайдере во время столкновения ионов свинца при околосветовых скоростях.
