В открытом космосе без скафандра.

Многие наверняка видели в фантастических фильмах сцены с выходом человека в открытый космос без скафандра (например, "Вспомнить всё", "Пекло", "Космическая одиссея" и т.д.). Причем в разных фильмах эти выходы заканчивались по-разному - человек мог выжить, погибнуть от холода, задохнуться, сгореть от солнечного света и т.д. Вопрос также поднимался на многих околонаучных форумах. Попробуем ответить на вопрос, что же произойдет с человеком при выходе в открытый космос без скафандра с научной точки зрения.
Большую часть ответов на вопросы можно найти здесь (на английском), я же постараюсь изложить их суть здесь. Если кратко, эти ответы звучат так:

1. Человек сможет выжить, если его вернут из открытого космоса в нормальную атмосферу в течение 90 секунд.
2. Человек не взорвется.
3. Человек будет находиться в сознании и сможет совершать активные действия примерно 5-10 секунд.
4. Если человек не будет спасен, то первопричиной его смерти будет недостаток кислорода (т.е. он задохнется).

А теперь разберем эти вопросы подробнее:
читать дальше
Сможет ли человек выжить?
Наиболее полный ответ на этот вопрос можно найти из главы про атмосферное давление в Справочнике Космической биомедицины, Втором выпуске, NASA SP-3006. В этой главе описаны исследования воздействия вакуумной декомпрессии на животных. На странице 5 (после общего обсуждения низких давлений и эбуллизма (эбуллизм, образование пузырьков в жидкостях тела при резком снижении внешнего давления)) автор приводит описание предполагаемых результатов вследствие воздействия вакуума:

"Некоторая степень сознания будет вероятно сохранена в течение 9 - 11 секунд (см. главу 2 под Гипоксией). Вскоре после этого наступает паралич, сменяемый общими судорогами и затем снова наступает паралич. В это же время происходит быстрое образование водяного пара в мягких тканях и несколько медленнее — в венозной крови. Образование водяного пара будет отмечаться как распухание организма, возможно, в два раза по сравнению с нормальными объемами, если не предотвратить это стягивающим костюмом. (Было опытным путем установлено, что точно подогнанная эластичная одежда может полностью предотвратить эбулизм при снижении давления до 15 мм ртутного столба [Webb, 1969, 1970].) Сердечный ритм может повыситься первоначально, но затем быстро снизится. Артериальное кровяное давление также упадет в течение 30 - 60 секунд, в то время как венозное давление повышается из-за распирания венозной системы газом и паром. Венозное давление сравняется с артериальным или превысит его в течение одной минуты. Не будет фактически никакого эффективного обращения крови. После начального прорыва газа из легких во время декомпрессии газовый и водный пар продолжит течь наружу через дыхательные пути. Это непрерывное испарение воды охладит рот и нос практически до температуры замерзания; остальные части тела также будут охлаждаться, но более медленно.

"Cook and Bancroft (1966) сообщают о случайных случаях гибели животных из-за фибрилляции желудочков сердца в течение первой минуты подвергания близким к вакуумным условиям. Однако, животные как правило выживали, если рекомпрессия (восстановленеи давления) происходила в течение приблизительно 90 секунд.... После остановки сердца смерть была неизбежна, несмотря на попытки реанимации....

[После рекомпрессии] "Дыхание обычно начиналось спонтанно... Неврологические проблемы, включая слепоту и другие дефекты зрения были довольно распространенным явлением (см. проблемы из-за вскипания газа), но обычно исчезали довольно быстро.

"Очень маловероятно, что у человека, внезапно подвергнутого вакууму, было бы больше чем 5 - 10 секунд, чтобы спастись. Но если помощь подоспеет, то несмотря на серьёзные внешние и внутренние повреждения, разумно предположить, что рекомпрессия к терпимому давлению (200 мм ртутного столба) в течение 60 - 90 секунд могла привести к выживанию, и возможно к довольно быстрому восстановлению."

Таким образом, человек скорее выживет, чем умрет, если его смогут спасти из октрытого космоса и вернуть в помещение с атмосферным (или хотя бы более 200 мм ртутного столба) давлением в течение 60-90 секунд. Стоит отметить, что это имеет отношение только к эффекту взрывной декомпрессии. Если человек совершит ошибку, пытаясь дышать в вакууме, это приведет к кессонной болезни с гораздо более серьезными последствиями для здоровья. Также попытка задержания воздуха в легких может привести к их разрыву и почти неминуемой смерти. Именно поэтому такая декомпрессия называется «взрывной».

Будет ли человек находиться в сознании?
Справочник Космической биомедицины отвечает на этот вопрос: "Некоторая степень сознания будет вероятно сохранена в течение 9 - 11 секунд.... Очень маловероятно, что у человека, внезапно подвергнутого вакууму, было бы больше чем 5 - 10 секунд, чтобы помочь себе."

Больший объем информации о том, как долго человек смог бы оставаться в сознании, можно почерпнуть из авиационной медицины. Авиационная медицина определяет "время полезного сознания", то есть как долго после декомпрессии пилоты будут бодрствовать и будут способны принимать активные меры для спасения их жизни. Выше 50 000 футов (15 км) время полезного сознания составляет 9 - 12 секунд, как указано FAA в таблице 1-1 в Advisory Circular 61-107 (меньшее время для активно двигающегося человека; большее время для человека, сидящего спокойно). Изображение 2-3 Гида Бортврача ВВС США показывает 12 секунд полезного сознания выше 60 000 футов (18 км); по-видимому более длительное перечисленное время базируется на условии, что пилоты ВВС хорошо подготовлены физически к высотным полетам, и будут в состоянии использовать свое время эффективно даже когда частично потеряют сознание от гипоксии. Linda Pendleton добавляет к этому: "Взрывная или быстрая декомпрессия сократит время полезного сознания наполовину из-за поражающего фактора, обусловленного ускоренного выбросом адреналина темпа, в котором тело сжигает кислород." Advisory Circular 61-107 говорит, что время полезного сознания выше 50 000 футов понизится с 9-12 секунд до 5 секунд в случае быстрой декомпрессии (по-видимому из-за "поражающего" фактора, описанного Pendleton).
Немного более интересная книга, "Выживание в космосе" Ричарда Хардинга, повторяет это заключение:
"В высотах, больше чем 45 000 футов (13 716 m), бессознательное состояние развивается через пятнадцать - двадцать секунд со смертью приблизительно после четырех минут."
и далее:
"обезьяны и собаки успешно вернулись к жизни после подвергания вакууму до двух минут..."

Вскипит ли кровь человека?
Нет.

Кровь внутри организма находится под более высоким давлением, чем во внешней среде. Обычно кровяное давление составляет 75/120. «75» означает, что между ударами сердца, кровь находится под давлением 75 Torr (примерно 100 мбар) выше внешнего давления. Если внешнее давление падает до нуля, при кровяном давлении 75 Torr температура кипения воды составляет 46°С (115°F). Это значительно выше температуры тела 37°С (98,6°F). Кровь не закипит, потому что эластичное давление стенок кровеносных сосудах удержит давления достаточно высоким, так что температура тела будет ниже температуры кипения — по крайней мере, до тех пор, пока сердце не прекратит биться. (Если быть совсем точными, кровяное давление изменяется в зависимости от того, в каком месте организма оно измеряется, поэтому вышеприведенное заявление следует понимать как обобщение. Однако, в силу возникновения небольших очагов образования пара давление там повышается. В тех местах, где кровяное давление ниже, давление пара будет расти до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. В результате общее давление будет одинаковым.)

Тело заморозится?
Нет.

В нескольких последних голливудских фильмах показано как люди, оказавшись в вакууме, мгновенно замораживаются. В одном из них, персонаж-ученый отмечает, что температура равна «минус 273 градуса» — то есть равна абсолютному нулю.

Но в практическом смысле, в космосе нет температуры — нельзя измерить температуру вакуума, потому что там её нет. Остаточных молекул вещества, находящихся в вакууме, недостаточно, чтобы проявился эффект температуры. Космос — не «холодный» и не «горячий», он «никакой».

Зато космос очень хороший изолятор. (По сути, вакуум — это то, что находится между стенками термоса). У космонавтов, как правило, возникает больше проблем с перегревом, чем с поддержанием необходимой температуры.

Если вы окажетесь в космосе без скафандра, ваша кожа ощутит лёгкую прохладу — вследствие того, что вода будет испаряться с поверхности кожи. Но вы не заморозитесь до твердого состояния!

Выжил ли кто-нибудь после воздействия вакуума?

Случай с участием человека описан Ротом (Roth), в техническом докладе НАСА «Аварийные ситуации, связанные с быстрой (взрывной) декомпрессией с участием субъектов в скафандрах» (“Rapid (Explosive) Decompression Emergencies in Pressure-Suited Subjects”). Основное внимание в докладе уделяется декомпрессии, а не собственно воздействию вакуума, но тем не менее в документе есть много полезной информации, включая результаты случаев декомпрессии с участием людей.

Зафиксировано несколько случаев пребывания людей в вакууме без видимых последствий. В 1966 техник НАСА в Хьюстоне подвергся декомпрессии до состояния космического вакуума при аварии во время испытания скафандра. Этот случай упоминает Рот. Техник потерял сознание через 12–15 секунд. Когда давление было восстановлено примерно через 30 секунд, он пришёл в сознание, без явного ущерба для организма. Некоторые побробности можно найти здесь.

Прежде чем сделать вывод, что пребывание в космосе безвредно, следует отметить, что в том же докладе Рот приводит отчёт о вскрытии жертвы взрывной декомпрессии: «Сразу после быстрой декомпрессии, было отмечено, что у него начался умеренный кашель. Вскоре после этого было замечено, что он начал терять сознание, дежурные врачи описывали, что пациент стал совершенно вялым, малоподвижным и не реагировал на раздражители в течение 2–3 минут [требовавшихся для восстановления в камере атмосферного давления].

...Немедленно была начата процедура искусственного дыхания... Пациент вдохнул спонтанно, при достижении атмосферного давления он сделал несколько вдохов. Они были крайне нерегулярны, в количестве двух или трёх…

В отчёте [о вскрытии] сообщается следующее: Основные патологические изменения, как указано выше, связаны с удушьем. Считается, что основной причиной смерти в этом случае может быть острая сердечно-сосудистая и дыхательная недостаточность, вторичной причиной — двусторонний пневмоторакс…»

В авиационной литературе отмечены многие другие случаи смерти вследствие декомпрессии, в том числе один космический инцидент вследствие декомпрессии капсулы спускаемого корабля «Союз-11» в 1971 году. Анализ этой аварии можно найти в книге D.J. Shayler “Disasters and Accidents in Manned Spaceflight”.

Что касается воздействия вакуума на части тела — здесь материалов значительно меньше. В 1960 году во время высотного парашютного прыжка с воздушного шара-зонда имел место инцидент с воздействием вакуума на часть тела, когда у Джо Киттингера (Joe Kittinger, Jr.) упало давление в правой перчатке во время подъема на 103000 футов (19,5 миль или 31,4 км) в негерметизированной гондоле. Несмотря на потерю давления, он продолжил полёт, хотя в руке появилась сильная боль и она потеряла подвижность. После того, как он вернулся на землю, состояние его руки нормализовалось.

Киттингер писал в National Geographic (ноябрь 1960 г.): «На высоте 43000 футов (13,1 км) я понял, что не так. Моя правая рука ведёт себя неправильно. Я проверил давление в перчатке; воздушного пузыря в ней не было. Перспектива подвернуть кисть руки почти полному вакууму на пике подъёма вызвала у меня определенное беспокойство. Из своего предыдущего опыта я знал, что рука будет раздуваться, тв ней почти прекратится кровообращение, возникнет сильнейшая боль… Я решил продолжить подъём, и не стал сообщать наземному управлению о моих трудностях».

На высоте 103000 футов (31,4 км) он пишет: «Кровообращение почти прекратилось в моей разгерметизированной правой руке, она стала жёсткой и болезненной».

И во время посадки: «Дик смотрит на мою распухшую руку с беспокойством. Тремя часами позже опухоль спала, не оставив никаких последствий».

Случай декомпрессии, происшедший с Киттингером, рассматривается в книге Шейлера «Бедствиях и авариях во время пилотируемых космических полётов» (Disasters and Accidents in Manned Spaceflight):
[Когда Киттингер достиг пика подъёма] «его правая рука в два раза превышала нормальный размер… Он пытался отключить некоторое оборудование ещё до посадки, но не смог, так как правая рука причиняла ужасную боль. Он приземлился в 13 мин 45. сек. покинув “Excelsior”. Через три часа после посадки его распухшая рука и кровообращение в ней вернулись в нормальное состояние».

См. также статью Леонарда Гордона в “Aviation Week” от 13 февраля 1996 года (Leonard Gordon, Aviation Week, February 13th 1996.)

Наконец, в конференции sci.space, Грегори Беннетт описывает реальный космический инцидент: «У нас был один случай с проколом в скафандре во время полетов «шаттлов». На STS-37, во время одного из моих летных экспериментов, одно из рёбер жёсткости на ладони перчатки одного из астронавтов разболталось в креплении, сместилось внутри перчатки и прокололо её между большим и и указательным пальцем. Не было взрывной декомпрессии, просто маленькое отверстие длиной 1/8 дюйма (около 3 мм), но это было весьма интересно, поскольку она была первой травмой, когда-либо произошедшей вследствие повреждения скафандра. Как ни удивительно, но астронавт даже не знал, что произошёл прокол! Он был настолько взвинчен адреналином, что только по возвращении из полёта заметил болезненный красный след на руке. Он думал, что перчатка просто натёрла ему руку и не беспокоился об этом… Что же случилось: когда металлическая пластина проколола перчатку, кожа руки астронавта частично запечатала отверстие. Он закровоточил в космос, и тут же его свернувшаяся кровь запечатала отверстие так, что осталась внутри дыры».

Взрывная декомпрессия

В «Справочнике лётного врача ВВС США» (“The USAF Flight Surgeon's Guide”) Фишер перечисляет следующие последствия, вызванные расширением газов во время декомпрессии.

1. Желудочно-кишечный тракт во время быстрой декомпрессии
Одной из наиболее вероятных проблем в ходе быстрой декомпрессии является расширение газов в полостях тела. Расстройство брюшной полости во время быстрой декомпрессии, как правило, не сильно отличаются от тех, которые могут произойти во время медленной декомпрессии. Тем не менее, расстройство в брюшной полости может повлечь за собой существенные последствия. Из-за расширяющегося газа, находящегося в желудке, диафрагма перемещается вверх что может воспрепятствовать дыхательным движениям. Расстройства органов брюшной полости также могут воздействовать на отростки блуждающего нерва, что может послужить причиной сердечно-сосудистой депрессии, а в самых серьёзных случаях — вызывать снижение артериального давления, потерю сознания и шок. Обычно, внутрибрюшное расстройство после быстрой декомпрессии исчезает как только выходит наружу избыточный газ.

2. Лёгкие в ходе быстрой декомпрессии
Из-за того, что в лёгких, как правило, содержится относительно большой объем воздуха и из-за деликатной структуры лёгочной ткани и наличия сложной альвеолярной системы для прохождения воздуха считается, что легкие являются потенциально наиболее уязвимой частью тела во время быстрого декомпрессии. При быстрой декомпрессии избыточное давление нарастает быстрее, чем легкие могут его компенсировать, вследствие чего давление в лёгких будет нарастать. Если пути выхода воздуха из легких заблокированы полностью или частично, то в случае внезапного падения давления в кабине существует опасность возникновения высокого давления, что может привести к чрезмерному раздутию лёгких и грудной клетки.

Если дыхательные пути открыты, никаких серьезных травм в результате быстрого декомпрессии не происходит, даже если надета кислородная маска, но последствия будут катастрофическим, вплоть до смертельного исхода, если легочного проходы заблокированы — например, если пилот постарается задержать дыхание с легкими, полными воздуха. В этом случае воздух в легких во время декомпрессии не может выйти наружу, поэтому легкие и грудная клетка сильно расширяются из-за чрезмерно высокого внутрилёгочного давления, что приводит к разрыву легочных тканей и капилляров. Находящийся внутри воздух, разрывая легкие, проникает в грудную клетку и через разрывы в стенках кровеносных сосудов попадает в систему кровообращения. Воздушные пузырьки в больших количествах разносятся по всему организму и оказываются в таких жизненно важные органах, как сердце и мозг.

Движение этих воздушных пузырьков похоже на воздушную эмболию, возникающую у аквалангистов и при аварийном спасении с подводной лодки, когда человек поднимается с глубины с задержкой дыхания. Человеческие лёгкие устроены таким образом, что кратковременная задержка дыхания (например, глотание или зевание) не создаёт в легких давления, превышающего их предела прочности на растяжение.

3. Декомпрессионная болезнь (кессонная болезнь)
Учитывая скорость подъёма на сравнительно большие высоты, увеличивается вероятность декомпрессионной болезни.

4. Гипоксия (Hypoxia, кислородное голодание)
После разгерметизации кабины находящиеся в ней сразу же подвергаются механическому воздействию быстрой декомпрессии, а угроза последующей гипоксии становится всё более серьёзной с увеличением высоты. Время до потери сознания после падения давления в кабине снижается из-за того, что кислород переходит из венозной крови в легкие. Гипоксия является самой большой проблемой после декомпрессии.

Наблюдаемые признаки быстрой декомпрессии
...
а) Резкий, «взрывоподобный» шум. При столкновении двух различных воздушных масс возникает громкий шум. Именно из-за этого взрывоподобного шума часто используется термин «взрывная декомпрессия» для описания быстрой декомпрессии.

б) Летающий мусор. Быстрое истечение воздуха из кабины самолёта во время декомпрессии столь велико, что незакреплённые предметы, находящиеся в кабине, силой давления будут затягиваться в образовавшееся отверстие. Например, карты, графики, полётный журнал и прочие подобные предметы будут вылетать наружу через отверстие. Грязь и пыль на несколько секунд ухудшают видимость.

в) Туман. Воздуха при любой температуре и давлении имеет способность удерживать некоторое количество водяного пара. Резкое изменение температуры или давления изменяют способность воздуха удерживать водяной пар. При быстрой декомпрессии температура и давление снижаются, при этом снижается и количество удерживаемого воздухом водяного пара. Водяной пар, не удерживаемый воздухом, становится заметен в виде тумана. Это туман быстро рассеивается (например, в кабине истребителя). Если это салон более крупного самолета, туман рассеивается медленнее.

г) Температура. Обычно во время полёта температура в кабине поддерживается на уровне комфортности, однако при подъёме температура за бортом снижается. В случае декомпрессии температура в салоне быстро падает. Если у пилота нет соответствующего защитного костюма, может произойти переохлаждение и обморожение.

д) Давление.

От чего зависит скорость декомпрессии?

Время декомпрессии зависит от размера пробоины. Для скорости оценки можно предположить, что воздух выходит через отверстие со скоростью звука. Так как давление падает по мере истечения воздуха через отверстие, скорость истечения воздуха составляет примерно 60% от скорости звука, или около 200 метров в секунду при комнатной температуре воздуха (см. уравнение Хиггинса):

P = Po exp[-(A/V)t*(200m/s)]

Это позволяет вывести очень простое (и весьма приблизительное) правило: в объёме в один кубический метр отверстие площадью в один квадратный сантиметр вызовет снижение давление в десять раз примерно за сто секунд.

Это очень приблизительный подсчёт. Время прямопорционально объёму и обратнопропорционально размеру отверстия. Например, в объёме три тысячи кубометров через отверстие в десять квадратных сантиметров давление снизится от 1 атмосферы до 0,01 атмосферы за 60 тысяч секунд, или семнадцать часов (при более точном расчёте обнаружим, что это будет 19 часов).

Исчерпывающей работой по этому вопросу является труд Деметриадеса (Demetriades, 1954) “On the Decompression of a Punctured Pressurized Cabin in Vacuum Flight”.

Справочно. Когда давление снижается примерно до 50% атмосферного человек оказывается в области «критической гипоксии», а когда давление падает примерно до 15% атмосферного, оставшееся время полезного сознания сокращается до 9–12 секунд в зависимости от свойств вакуума.

Воздействие радиации на человека в открытом космосе

Поскольку обитаемые космические станции летают ниже радиационных поясов Земли, то воздействие космической радиации на человека будет незначительным, будь он в скафандре или без него. Во всей Солнечной системе есть лишь одна область, в которой человек может умереть от радиации быстрее, чем от удушья - это область радиационных поясов Юпитера (в ней находятся несколько его спутников), но скафандр также не защитит человека от радиации.

Таким образом, можно подвести итог: первопричиной смерти человека при попадании в открытый космос станет удушье. Что же делать, если вы вдруг попали в вакуум без скафандра? Первым делом нужно выдохнуть, чтобы ваши легкие не порвались. Далее у вас есть 5-10 секунд, чтобы предпринять какие-то активные действия по спасению своей жизни. Если же этого времени не хватит, вам останется лишь уповать на то, что помощь подоспеет в течение 90 секунд.

По материалам modernmyth.ru