空を飛ぶ勇敢な「流星」と「宇宙船」

流星群は宇宙において昔からロマンチックで神秘的な存在であり、空を横切る流星の美しい光景を目にすることを楽しみにしている人はたくさんいます。一般的には、11月のオリオン座流星群、12月のふたご座流星群など、年末でも観測できる流星群は多くあります。

流星群を見ているとき、なぜ流星は熱くなり光るのか、という疑問を考えたことはありませんか。

美しく魅力的な流星群（写真提供：veer Gallery）

流星の光は、隕石が大気圏に突入する際に、大気圏の空気との摩擦や熱によって生じるものと考える人も多いでしょう。実際のところ、これは大部分が誤りです。実際、隕石が大気圏に突入した後に発生する熱のほとんどは空気の圧縮によるもので、空気との摩擦によって発生する熱はごく一部に過ぎません。隕石の圧縮空気によって発生した熱により、最終的に隕石は燃えて輝き、短命の流星となります。ほとんどの隕石は最終的には高温により燃え尽きてしまいます。このプロセスについては以下で説明します。

隕石は大気圏に突入すると、前方の空気を圧縮し、隕石前方の空気の温度が数千度まで急激に上昇し、その後、隕石に発火して輝き、私たちが目にする流星になります。言い換えれば、流星の感動的な「最後の歌」を生み出すのは、摩擦空気ではなく圧縮空気なのです。

隕石が大気圏に入ると、最初に燃えるのは隕石の前方の空気が最も圧縮されている部分である（画像出典：https://sputniknews.com/science/201804291064008986-five-asteroids-heading-past-earth-today/）

圧縮空気はなぜ大量の熱を発生するのでしょうか?これは実際にはエネルギー保存の法則に関係しています。隕石が大気圏に入るときの速度は非常に速くなります（通常は秒速数十キロメートル）。このとき、隕石の前方の空気は隕石の周囲に素早く「押し込める」ことができないため、急速に圧縮されてしまいます。エネルギー保存の法則によれば、ガスを圧縮する際に行われた仕事はガスの内部エネルギーに変換され、それがガスの温度の上昇として現れます。

この現象は日常生活では非常によく見られます。たとえば、空気ポンプを使用してタイヤに空気を入れる場合、ガスを圧縮する作業を行っているため、ポンプ内の空気の温度が上昇し、ポンプが熱くなります。同様に、隕石の前の空気は非常に強く圧縮されるため、温度も非常に高くなり、通常は摂氏2000度程度になります。このような高温であれば、ほとんどの隕石は燃え尽きてしまうため、地球上の生命は効果的に保護されることになります。

もちろん、比較的耐火性の高い隕石が地球に落下して完全に燃え尽きてしまうことも、ごく少数ながら存在します。これらは、さまざまな宇宙博物館で見られる隕石です。この種の隕石は一般に非常に珍しく、非常に貴重な科学研究材料です。

さまざまな人工宇宙船（人工衛星、有人宇宙船、さらには宇宙ステーションも含む）は、大気圏に帰還する際に光と熱を放出します。実はその原理は隕石の原理と似ています。空気を圧縮する効率は隕石よりもさらに高い。ここでは有人宇宙船の帰還カプセルを例に挙げます。有人宇宙船の帰還カプセルの形状は、一般的に次のようになります。

アポロ月探査機の帰還カプセル（画像出典：http://www.pinsdaddy.com/apollo-command-module-model_3Zsivj3AOYNXNR0BgInRlmH9JmWQBRPkGA8FmDvWHbQ/）

または、次のようになります:

神舟10号有人宇宙船の帰還カプセル（写真提供：人民写真網、撮影：方楊）

細部は異なるかもしれませんが、どれも見た目は似ています。上部が小さく、下部が大きく、下部は非常に鈍い表面になっています。このような鈍い面により、圧縮空気によって発生した熱が主に宇宙船の鈍い側面に集中し、宇宙船の後方に逃げることがなくなり、背後の宇宙飛行士やその他の科学機器を効果的に保護することができます。したがって、現在ではあらゆる有人宇宙船の帰還カプセルは鈍角になるように設計されている。カプセルが大気圏に再突入すると、次のように加熱されます。

帰還カプセル内の圧縮空気の概略図（画像出典：https://www.quora.com/Why-does-a-spacecraft-heat-up-during-reentry）

熱は主に前部に集中しており、後部の宇宙飛行士が効果的に保護されていることがわかります。もちろん、帰還カプセルが大気圏に突入すると、大気との摩擦が生じ、確かに熱が発生しますが、この熱は圧縮空気によって発生する熱に比べれば微々たるものです。また、有人宇宙船の帰還カプセルの外殻は耐火性・耐高温性の材料で作られているため、隕石のように燃えることはありませんが、それでも高温によって帰還カプセルの外殻は焦げてしまいます。

下の写真の通り、我が国の有人宇宙船「神舟」の帰還カプセルがあります。上の写真で宇宙に入る前の帰還カプセルと比較すると、これが「焦げた」帰還カプセルであることがわかります。

地球に帰還した神舟帰還カプセル（画像出典：https://commons.wikimedia.org/wiki/Shenzhou）

他の不燃性宇宙船の場合、形状や帰還カプセルは異なりますが、原理はほぼ同じです。大気圏に突入してからしばらくすると、圧縮された空気によって発生した高温により宇宙船全体が燃え尽きてしまいます。例えば、旧ソ連のミール宇宙ステーションや中国の天宮1号宇宙ステーションが墜落したとき、その部品の大半は大気圏で焼失し、ごく一部が太平洋に散乱しただけだった。

地球を離れるときに宇宙船が熱くならないのはなぜかと尋ねる生徒もいるかもしれません。原理は実は非常に単純で、さまざまな宇宙船（有人宇宙船、宇宙ステーション、衛星など）が地球を離れるときにロケットによって運ばれるからです。ロケットの形状は流線型で、進行方向の空気を「押しのける」ことが容易であり、摩擦によって発生する熱は比較的小さい。したがって、ロケットは地球を離れるときに非常に高い温度のテストを受けることはありません。

長征シリーズロケット。ロケットはすべて先端が尖っているのがわかります。目的の 1 つは、移動方向に空気をより効率的に排出し、抵抗を減らすことです (画像ソース: http://calt.spacechina.com/n482/n498/index.html)

もちろん、地球に帰還するカプセルの速度を落とすためにロケットを使うこともできるが、それは燃料を倍増させることを意味し、打ち上げコストが増加するだけでなく、ロケットの積載量も大幅に減少することになり、報われない手段となる。さらに、自然はすでに私たちに大気という優れた無料の「ブレーキ」を与えてくれているのですから、なぜそれを利用しないのでしょうか?