Тема. «Экологические проблемы космической деятельности человека».
(9 класс)
Цель. Рассказать учащимся о проблемах космической деятельности современности; объяснить, каким образом отработанные спутники и космические фрагменты влияют на околоземное пространство; учить детей самостоятельно анализировать и выявлять как позитивные, так и негативные аспекты прогресса;
воспитывать внимательность при изучении нового материала и закреплении его;
развивать память, логическое мышление, интерес к изучению физики;
формировать экологическую культуру, бережное отношение к окружающей среде.
Тип урока: изучение нового материала.
Форма проведения: школьная лекция (с обратной связью).
Методы: объяснительно-иллюстративный, репродуктивный, частично-поисковый.
Ход урока
Организационный момент. Мотивация изучения нового материала. Изучение нового материала. Закрепление изученного. Итоги урока. Домашнее задание.1. Организационный момент.
Здравствуйте, ребята. Сегодня мы продолжим «бороздить просторы Вселенной», как было сказано в одном известном фильме и поговорим о влиянии космической деятельности человека на экологию. Тем более что проблема загрязнения окружающей среды является в настоящее время глобальной. На сегодняшнем уроке мы с вами рассмотрим проблему загрязнения Земли и околокосмического пространства твердыми фрагментами, космическими отходами и проникновение загрязняющих веществ в воздух и на поверхность Земли.
2. Мотивация изучения нового материала.
Вступительное слово учителя. Взаимодействие общества и природы всегда было и остается самым важным условием существования человечества; вне природы человеческая жизнь невозможна. К сожалению, в последнее время эти проблемы значительно обострились.
Выделяют такие виды экологического влияния на околоземное космическое пространство (вследствие деятельности человека):
- загрязнение твердыми фрагментами, космическими отходами (отработанными спутниками, разгонными блоками и т. д.);
- проникновение загрязняющих веществ в воздух и на поверхность Земли;
- выбросы химических веществ в результате работы ракетных двигателей;
- радиоактивное загрязнение и излучение от ядерных энергетических установок, используемых на космических аппаратах.
3. Изучение нового материала.
Мы с вами остановимся на проблеме загрязнения околоземного космического пространства твердыми фрагментами. Прежде всего, необходимо ввести понятие « околоземное космическое пространство». Околоземное космическое пространство (ОКП) – газовая оболочка, окружающая Землю, которая защищает ее от всех видов излучения.
Кроме того, это пространство важно во взаимодействии между Солнцем и Землей, определяя климатические условия на нашей планете и их изменения.
1 – Земля;
2 – ОКП;
3 – атмосфера Земли.
Нижняя граница ОКП располагается на высоте 15 -20км над Землей, а верхняя – простирается на десятки и сотни земных радиусов. Если систематически загрязняется ОКП, то это неминуемо приведет к загрязнению околоземной атмосферы, поверхности Земли, а вместе с этим – к отравлению всего живого на планете.
В наше время механизмы влияния ОКП на биосферу и человека изучены недостаточно. Негативное влияние на ОКП в огромном масштабе связано с началом космической эры, насчитывающей всего несколько десятилетий. По своему характеру космическая деятельность нацелена в будущее, открывает новые возможности человечества, помогает культурному и социальному прогрессу стран и народов.
Первые десятилетия освоения ближнего и дальнего космоса проводились человеком неосторожно, без экологического прогнозирования, считалось, что космическая деятельность никому не приносит вреда, не влияет на экологическую ситуацию на Земле. Все более серьезной становится ситуация загрязнения ОКП космическими обломками и другим мусором. По оценкам специалистов, в конце 80-х годов в ближнем космосе было около 3000т космических отходов, что составляло 1% массы верхней атмосферы. С тех пор количество обломков отработанных космических аппаратов и их фрагментов возросло во много раз. В данное время радары и оптические телескопы регулярно следят за около 10тыс. объектами искусственного происхождения, а количество объектов малых размеров (от 1 до 10см), обращающихся около Земли, достигает 100 – 150тыс. их невозможно заметить с помощью обычных телескопов, но они создают угрозу для космических кораблей.
По оценкам независимых американских специалистов, риск столкновения космического аппарата с летающими старыми обломками больше вероятности любых других аварий. Космический мусор породил и другую техническую проблему: обломок шириной 1см пробивает обшивку космического аппарата. Человечество подошло к общей проблеме космической деятельности, связанной с надежностью.
Эта угроза возрастает в связи с тем, что обломки саморазмножаются. При столкновениях возникают сотни и тысячи меньших по размеру новых обломков. В результате это может привести к тому, что сначала будет закрыт доступ к орбитальным полетам на малых орбитах, а потом и в околоземном пространстве. Конструкторы космических аппаратов вынуждены создавать защитные электромагнитные экраны, которые защищали бы космические аппараты от обломков. По этой причине, например, масса орбитальной станции США увеличилась на 5т. Международная космическая станция для защиты от космических обломков размером 1 – 2см оборудована двумястами защитными экранами.
Освоение околоземного пространства началось с запуска искусственных спутников. Начиная с 4 октября 1957 года, вследствие запуска почти 4000 ракет-носителей на околоземные орбиты и в межпланетное пространство выведено более 20тыс. искусственных спутников Земли (ИСЗ).
Из них только около 50 действующих. Остальные, совершив запланированные эксперименты, превратились в пассивные объекты искусственного происхождения. Пассивные объекты на низких объектах ИСЗ, погрузившись в слои атмосферы, разогрелись и постепенно разрушились, а другие фрагменты «сгорели», то есть распались. Искусственные тела на высоких орбитах сохраняются очень долго. В частности, на высоте 36тыс. км от поверхности Земли они могут существовать миллионы лет.
В период освоения космического пространства зарегистрировано около 150 разрушений искусственных космических аппаратов вследствие взрывов и столкновений, причем более 15 из них произошло на высоте 36 тыс. км от Земли. При разрушении ИСЗ образуется большое количество обломков. Например, после взрыва верхней части ракет «Титан – Транстейдж» зарегистрировано 509 фрагментов; спутника «Космос - 1823» ( на высоте 850 -900км) – около 170 обломков. Каждый из них имеет размер более 10см. Количество меньших фрагментов осталось неизвестным, так как существующими средствами наблюдения их выявить невозможно.
Следовательно, в околоземном пространстве нагромождаются пассивные ИСЗ и их обломки, использованные ступени ракет-носителей, отработанные приборы, выбросы из космических ракет и аппаратов, куски краски и другие предметы искусственного происхождения. Специалисты называют это космическим «мусором». За последние 40 лет службы контроля космического пространства различных стран зарегистрировали и взяли под наблюдение более 24тыс. объектов искусственного происхождения размерами от 30см и больше. Около 16тыс. из них уже пропали, сгорев в атмосфере, а остальные остаются на орбите разной высоты. Быстро нагромождаясь, космический «мусор» становится все большей угрозой для полетов в космос, а также экологии ОКП.
Искусственные космические объекты активно функционируют на протяжении 5-16 лет, а время баллистического существования, то есть пребывания в полете, значительно превышает этот срок и составляет десятки и сотни лет. Кроме того, любая ракетно-космическая система имеет массовую эффективность (отношение полезного груза к стартовой массе), которая равна 1 – 3%. Остальные 97 – 99% массы – это топливо, остатки конструкций, и все это сгорает и падает, превращаясь в отходы.
Значит, для уменьшения загрязнения космического пространства механическими обломками одним из вариантов является увеличение термина службы спутников и другой космической техники и уменьшение количества запусков космических объектов.
Далее мы выделим проблему проникновения загрязняющих веществ
( остатки неотработанного ракетного топлива) в воздух, грунт и грунтовые воды, связав это с круговоротом веществ в природе.
Для этого рассмотрим строение ракеты.
Чаще всего для полета и выведения на определенную орбиту ракета имеет 2-3 ступени. Ступень – это специальная оболочка, содержащая определенный запас топлива для ракеты. Когда он используется, происходит автоматическое его отсоединение от общей части ракеты. В основном загрязняют земную поверхность и атмосферу ступени космических ракет, под действием силы земного притяжения они падают на Землю. Наибольшую опасность для растительного и животного мира создает падение первых ступеней ракеты, которые механически практически не разрушаются и содержат топливо. Вторая и третья ступень, разрушаясь на больших высотах (35 -50км), падают в виде относительно мелких обломков и кусков металла, а остатки топлива (генпыли) рассеиваются в атмосферу. При этом образуется ядовитый смог. Таким образом, происходит постепенное загрязнение окружающей среды вдоль трасс ракет, поражение огромных территорий, которое распространяется и расширяется с каждым новым запуском. Химическое загрязнение ядовитыми компонентами ракетного топлива очень опасно. Оно легко проникает везде, не разрушаясь, а наоборот – накопляется со временем в грунте, грунтовых и поверхностных водах. Растения аккумулируют эти ядовитые вещества, затем их употребляют животные и люди, проживающие на загрязненных территориях. Отравление людей проявляется в виде тяжелых поражений желудочно-кишечного тракта, заболевания печени и даже может привести к смерти.
Среди способов решения этой проблемы – уменьшение количества запусков и отказ от использования ступеней для запуска ракет, или внедрение технологий максимального использования топлива.
4. Закрепление изученного.
Ответьте, пожалуйста, на следующие вопросы:
Почему ступени при отсоединении от ракеты падают на Землю, а не вращаются около планеты, как спутники?(Ответ. У них недостаточная скорость, чтобы преодолеть земное притяжение, и потому они падают на Землю.)
Изготавливается международная космическая станция «Альфа», которая будет иметь длину 60м и массу 400т. Для ее открытия необходимо 45 запусков ракет-носителей. Почему нельзя вывести в открытый космос такую станцию при помощи только одной ракеты-носителя?(Ответ. Мощность современных ракет-носителей недостаточна, поэтому для выведения в космическое пространство станции большой массы нужно или несколько запусков, или несколько ракет-носителей.)
На орбите Марса в нынешнее время 9 космических кораблей, но только три работают. Будет ли влиять деятельность человека при современных тенденциях освоения космоса на дальнейшее исследование планеты?(Ответ. Да. Неработающие спутники мешают работе действующих, кроме того, существует реальная угроза столкновения их между собой.)
Почему вторая и третья ступени космических ракет больше разрушаются, чем первая?(Ответ. Вторая и третья ступени преодолевают значительное расстояние, подвергаются сильному трению в верхних слоях атмосферы, разогреваются и взрываются.)
Почему в будущем конструкторы космических ракет будут пытаться не использовать ступени для запуска ракет?(Ответ. КПД составляет 1 – 3%. Это меньше, чем КПД паровой машины (5 – 7%). Кроме того, происходит загрязнение окружающей среды остатками топлива при падении ступеней на Землю.)
Почему все космические обломки невозможно зафиксировать?(Ответ. Много космических обломков имеют очень маленькие размеры и незаметны для систем наблюдения.)
5. Итог урока. Домашнее задание.
Космическая деятельность требует взвешенного и осторожного отношения к окружающей среде. Сейчас сформировалась сеть общественных организаций, которые регулируют международную деятельность по использованию космического пространства. Огромную роль в этом играет Комитет ООН по вопросам использования космического пространства в мировых целях, Европейское космическое агентство и т. д.
Независимо от того, усилиями каких государств и организаций реализуются космические проекты, такая деятельность должна служить всему человечеству. Глобальный характер этой деятельности, большие средства на нее, экологические проблемы делают актуальным создание космической организации, которая бы смогла объединять и координировать деятельность стран в космическом пространстве.
Как говорится: «Повторение – мать учения», поэтому мы еще раз повторим то, что выучили на уроке. Но сделаем это в необычном виде – с помощью презентации.
Задание. (Выбрать из предложенных вариантов)
Создать проект по улучшению экологической ситуации на Земле. Предложить вариант решения проблемы загрязнения околокосмического пространства твердыми фрагментами. Предложить вариант решения проблемы загрязнения атмосферы и поверхности Земли загрязняющими веществами.