隕石は地球に落ちると燃えます。一枚の紙はどうですか？燃え尽きてしまうのか、それとも安全に着陸するのか？

科学者の推定によると、地球には毎日約50トンの隕石が衝突している。

はい、お聞きの通り、このデータは NASA の公式 Web サイトから取得したものです。毎日たくさんの隕石が落ちているのに、なぜ私たちはそれを感じないのでしょうか？実際に地面に到達できる隕石はごくわずかで、おそらく 50 個以下であり、残りは大気との摩擦で燃え尽きてしまうからです。はい、地球には濃い大気があります。物質が地球の重力に捕らえられて地球に落下すると、その速度が非常に速いため、大気と激しく摩擦し、燃焼や浸食が起こります。これは隕石にも当てはまりますが、宇宙飛行士を乗せた帰還カプセルにも当てはまるため、帰還カプセルの表面の熱保護コーティングは非常に重要です。熱保護コーティングがなければ、リターンカプセルは閉じた鉄鍋のようになります。

隕石や宇宙船は大気との摩擦によって侵食されますが、紙切れはどうでしょうか?宇宙から紙を投げたら安全に着地するでしょうか？

おそらく、これについては議論する必要はないと思うでしょう。なぜ実験だけをしないのでしょうか?実際、この実験を行うのは非常に困難です。宇宙ステーションから紙を投げればいいんじゃないの？いいえ、宇宙ステーションは静止していないからです。宇宙ステーションを含め、地球を周回するすべての宇宙船は地球の周りを高速で移動しており、その速度は少なくとも第一宇宙速度である秒速7.9キロメートルを超えています。秒速 7.9 キロメートルで移動する宇宙船から紙を投げた場合、紙の速度も秒速 7.9 キロメートルになります。宇宙第一の速度で動く一枚の紙は、他の宇宙船と同じように地球の周りを動きます。

このことから、紙を投げることは思考実験に過ぎず、紙を投げるときの紙の初期速度がゼロであることを確認する必要があることがわかります。

初期速度がゼロの紙は、地球の重力の力によって地球に向かって落下し、落下速度は徐々に増加します。空気抵抗がなければ、すべての物体は同じ速度で落下するため、最初は紙と隕石の速度に違いはありません。紙の落下当初の高さが400キロメートル以上だと仮定すると、自由落下の公式によれば、紙が地表から約100キロメートルの位置に落下すると、その速度は毎秒2000メートル以上に達することになります。この速度では、紙は大気との摩擦により瞬時に燃えて灰になります。しかし、実際の問題はこれよりも複雑です。なぜなら、地球の大気は時間の経過とともに希薄から高密度へと変化するからです。

地球の大気は下から上に向かって、対流圏、成層圏、中間圏、熱圏に分かれていることがわかっています。

ただし、各レイヤー間には明確な境界はありません。同様に、地球の大気の密度は上から下に向かって徐々に増加しますが、各層の間には明確な境界はありません。したがって、紙が宇宙から地球に落下し始めると、紙が受ける空気抵抗が徐々に増加するため、速度はゆっくりと低下します。より密度の高い成層圏に到達すると、その速度は比較的低くなり、大気との摩擦によって侵食される可能性は低くなります。その場合、この紙は安全に地面に着地できるでしょうか?そうではありません。それは地球の大気圏に消えていくだろうが、燃えるという形ではない。紙が宇宙から熱圏に落下すると、まず高温のテストを受けます。

熱圏は太陽に直接さらされているため、熱圏物質の温度は非常に高くなりますが、これは熱圏の空気の温度が非常に高いことを意味するものではありません。

60度のお湯を体に浴びるととても暑く感じますが、90度のサウナにいるとそれほど暑くは感じません。これは、水の密度が空気の密度よりもはるかに高いためです。同様に、熱層の空気密度は非常に低いため、全体の温度は高くなりません。しかし紙は違います。紙は非常に密度の高い素材です。太陽の下では、その温度はすぐに1000度以上に上昇しますが、これは紙が自然発火する温度よりもはるかに高いです。しかし、燃焼に必要な酸素がほとんどないため、自然発火することはありません。紙はおそらく中間圏まで無事に到達し、そこでも温度は非常に高いが、大気中の空気の 97% は成層圏より下にあるため、自然発火することはないだろう。

本当のテストは、紙が成層圏に到達したときに行われます。

名前の通り、成層圏の空気は水平に流れており、比較的安定しているため、飛行機が巡航する場所でもあります。しかし、主に風向の季節的な変化により、成層圏内の空気の流れが非常に速くなることがあります。紙の強度が十分でない場合は、風で破れてしまう可能性があります。この紙が成層圏を生き延びれば、天候が変わりやすく雲が多い対流圏に入ります。風、雨、雷、稲妻は日常茶飯事です。空気抵抗の影響で、紙の落下速度は非常に遅くなりました。対流圏で転がり、漂いながら、風と雨の洗礼を受けます。しかし、それはただの紙切れであり、あまり多くのものに耐えることはできないので、地面に到達する前に灰になってしまうでしょう。一枚の紙が地面に届くことは決してありません。

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