PNIPU

Современные города стремительно разрастаются: появляются новые районы, застройка становится все более рассредоточенной, а вместе с ними увеличиваются и транспортные потоки. В этих условиях доступность — то есть способность жителя за приемлемое время добраться до работы, школы или больницы — становится главным показателем комфорта и качества жизни.

При этом планировка и расположение территории напрямую влияют на стоимость жилья. Районы и кварталы с удобными транспортными связями всегда ценятся больше. И напротив, в местах, куда долго и сложно добираться, городская инфраструктура — магазины, спортивные центры или детские сады — развита слабее. В итоге жители окраин тратят на дорогу больше времени и денег, при этом имеют меньше возможностей для работы и досуга.

Именно поэтому транспортная доступность сегодня находится в центре внимания городских властей, архитекторов и застройщиков. Однако любые ошибки в планировке обходятся крайне дорого: переделывать уже построенные участки или прокладывать дополнительные дороги — это миллиардные траты. Это значит, что необходимо уметь предсказывать последствия градостроительных решений еще на этапе проектирования.

До сих пор главными инструментами оценки транспортной доступности оставались навигационные сервисы вроде «Яндекс.Карт» или Google Maps, а также специальные математические модели, учитывающие распределение рабочих мест по городу.

Однако у них есть принципиальное ограничение: они показывают только текущую ситуацию («как долго ехать от точки А до точки Б»). Эти инструменты не отвечают на главные вопросы: почему время в пути именно такое и что конкретно нужно изменить в устройстве улиц и кварталов, чтобы сократить его. Это значит, что с их помощью невозможно понять, на какие именно факторы нужно воздействовать, чтобы ускорить поездки.

Кроме того, доступность сильно зависит не только от удаленности от центра, но и от планировки. Например, от плотности улиц, количества перекрестков и тупиков, извилистости проездов. Два района на одинаковом расстоянии от центра могут сильно различаться именно из-за этих параметров. В результате власти тратят бюджет на решения, которые не всегда дают ожидаемый эффект: к примеру, строят новые дороги, но поездки не становятся быстрее.

Это касается не только новых районов, но и уже существующих. Во многих из них доступность страдает из-за неудачной планировки. При этом выявить такие проблемные места и понять, что именно нужно исправить, без специального инструмента невозможно.

Ученые Пермского Политеха создали нейросетевую модель — компьютерную программу, которая не просто измеряет транспортную доступность, а объясняет, от чего она зависит. Она позволит прогнозировать, какие изменения в устройстве улиц действительно повлияют на скорость передвижения, а какие окажутся бесполезными.

Чтобы создать модель, исследователи проанализировали реальный российский город с разными типами застройки — исторической, советской и современной. Его разбили на кварталы и для каждого собрали данные о планировке: плотность улиц, количество перекрестков, тупиков, извилистость проездов.

Также ученые рассчитали количество рабочих мест в разных районах — ведь чем их больше находится поблизости, тем чем быстрее до них добраться. Кроме того, эксперты рассчитали модельное время поездок между кварталами с учетом не просто расстояния, а типов улиц. Например, на широких магистралях скорость выше, а на узких дворовых проездах — ниже, что сказывается на общем времени поездки.

На основе этих данных для каждого квартала был рассчитан единый показатель — индекс транспортной доступности. Его вычисляли стандартным способом, учитывая количество рабочих мест, достижимых в пределах 45 минут. Именно столько, согласно строительным нормам, составляет максимально допустимое время поездки до места работы. Чем выше индекс, тем лучше район связан с остальной частью города и тем легче его жителям добираться до важных объектов.

— Сегодня знать фактический уровень доступности недостаточно — с этим справляются и традиционные методы. Нужен инструмент, который мог бы заранее оценивать изменения в планировке. Для этого на основе двух наборов данных — планировочных параметров кварталов и их индексов — мы создали нейросетевую модель. Она умеет прогнозировать транспортную доступность и показывать, какие изменения в устройстве улиц повлияют на удобство поездок. Это позволит проанализировать не только еще не построенные территории, но и уже существующие, — рассказала Екатерина Савельева, старший преподаватель кафедры «Архитектура и урбанистика» ПНИПУ.

Модель обучили на реальных данных: расстояние до центра города, параметры всех кварталов и соответствующие им индексы. Она изучила эти примеры и научилась связывать планировку с уровнем доступности. После обучения модель стала работать как калькулятор: нужно только ввести характеристики территории, включая удаленность от центра, и получить оценку. При этом можно менять разные параметры — например, увеличить извилистость проездов — и увидеть, как при этом изменится прогнозируемая доступность.

Чтобы убедиться, что решение работает корректно, ученые загрузили параметры всех кварталов города, получили индексы и сравнили их с реальными, которые рассчитали вручную. Модель показала высокую точность прогноза: показатель качества составил 95%. Это означает, что она правильно воспроизводит реальную ситуацию и ее можно использовать для оценки.

— Однако главное преимущество разработки по сравнению с традиционными методами в том, что она не просто выдает индекс, но и показывает, какие именно характеристики и как сильно на него влияют. Модель делает это с помощью анализа важности признаков. Она оценивает вклад каждого параметра в итоговый прогноз и показывает, изменение какого из них даст наибольший эффект. Например, если в двух кварталах на одинаковом расстоянии от центра доступность различается, наша модель может показать: в первом случае проблему создает излишняя извилистость улиц, а во втором — недостаток перекрестков. Это дает архитекторам и планировщикам четкое понимание, на что именно нужно воздействовать, — отметила Екатерина Савельева.

Разработка пермских ученых позволяет принимать обоснованные решения еще на этапе проектирования, избегая дорогостоящих ошибок. Но у нее есть и другое важное применение — она помогает находить проблемные участки в уже существующей застройке, те места, где доступность снижена именно из-за неудачной планировки, а не удаленности от центра. Такой инструмент не только позволит властям эффективнее расходовать бюджет, направляя средства лишь на те проекты, которые действительно сделают города удобнее, но и в конечном счете повысит качество и комфорт жизни людей по всей стране.

– Многие начинают подготовку к встрече с вирусами с укрепления иммунитета через покупку иммуностимуляторов, но это неправильно. Прежде чем прибегать к любым средствам, важно понять реальное состояние организма. Первым шагом должна быть лабораторная оценка реальных резервов организма. Наиболее информативны общий анализ крови, биохимия и определение уровня микроэлементов, а при наличии симптомов или факторов риска стоит пройти обследование на скрытые инфекции. Это позволит выявить конкретные нарушения, которые без коррекции будут ослаблять иммунитет в самый неподходящий момент, – делится старший научный сотрудник кафедры «Химия и биотехнология» Пермского Политеха, кандидат медицинских наук Валерий Литвинов.

Лабораторный скрининг даст врачу объективную картину: какие нутриенты в дефиците, есть ли признаки воспаления. На основе этих данных назначается индивидуальная терапия. При этом важно помнить: даже самые продуманные меры не сработают без правильной основы. Базой для поддержки иммунитета всегда остаётся полноценное питание. Если анализы выявили острую нехватку одного из важных микроэлементов, разнообразный рацион уже не сможет полностью её восполнить – потребуется временная медикаментозная поддержка, но именно сбалансированное питание будет фундаментом восстановления.

Санируйте хронические очаги инфекции

После лабораторной диагностики стоит устранить еще один фактор, ослабляющий иммунитет, – хронические инфекционные очаги. Кариес, воспаленные десны, тонзиллит или синусит – это не локальные проблемы, а постоянно действующие источники патологического процесса, которые заставляют защитную систему работать в режиме повышенной готовности, отвлекая ресурсы от новых угроз.

– Осенью эти очаги особенно опасны: перепады температуры, переохлаждение, сухой воздух в помещениях и рост циркуляции вирусов создают условия для обострения. Слизистые оболочки хуже противостоят респираторным патогенам, а системная воспалительная нагрузка продолжает истощать иммунные резервы. Поэтому санацию стоит проводить заранее, до начала эпидемического подъема, даже если ничего не беспокоит, – многие процессы протекают бессимптомно, – объясняет эксперт ПНИПУ.

Периодонтит повышает уровень С-реактивного белка – маркера системного воспаления, которое держит организм в напряжении, истощает его ресурсы и мешает ему эффективно бороться с осенними респираторными вирусами. Устранение этих очагов – лечение кариеса, промывание миндалин и терапия синусита – приводит к постепенному восстановлению естественной сопротивляемости инфекциям. Поэтому сентябрь или октябрь – оптимальное время для визита к стоматологу и отоларингологу.

Питание как фундамент защитных сил: от фитонутриентов до микробиоты

Осенью свежих овощей и фруктов становится меньше, растет доля калорийной и обработанной пищи, а потребность в микронутриентах из-за стресса и холода повышается. В итоге организм недополучает нужных соединений, а микробиота кишечника, где сосредоточено около 70 % иммунных клеток, страдает от нехватки клетчатки и избытка сахара.

– Овощи и фрукты – источник фитонутриентов, которые поддерживают наше здоровье через противовоспалительные и антиоксидантные механизмы. Однако рассчитывать, что летние запасы витаминов защитят осенью и зимой, не стоит: водорастворимые соединения (группа B и аскорбиновая кислота) выводятся за несколько часов или суток и требуют ежедневного пополнения, а жирорастворимые (A, D, E) хотя и могут накапливаться, но их избыток опасен. Если лабораторная диагностика выявила конкретный дефицит или переизбыток какого-либо элемента, врач скорректирует рацион и при необходимости назначит препараты, – рассказывает Валерий Литвинов.

Параллельно важно поддерживать правильную работу ЖКТ: лактобациллы и бифидобактерии укрепляют кишечный барьер, конкурируют с патогенами и вырабатывают короткоцепочечные жирные кислоты, помогающие иммунным клеткам отличать реальную угрозу от собственных тканей. Нарушение ее состава повышает восприимчивость к респираторным инфекциям и утяжеляет их течение. Поэтому ее поддержка – это профилактика, для которой нужны пребиотики (лук, чеснок, бананы, овсянка, яблоки, корень цикория) и пробиотики (кефир, несладкий йогурт, квашеная капуста).

– Изменение рациона начинает влиять уже через несколько дней, но устойчивые сдвиги требуют 4-8 недель, поэтому приступать к подготовке стоит начинать заранее, – обращает внимание ученый Пермского Политеха.

Сделайте прививку в «золотой» период

Полноценное питание, лабораторная диагностика и санация очагов создают базу, но не защищают от конкретных сезонных вирусов. Единственный способ специфической профилактики – вакцинация. Она не просто усиливает иммунную систему, а обучает его распознавать и уничтожать определенные патогены, с которыми с высокой вероятностью предстоит встретиться.

– Оптимальное время для вакцинации от основных респираторных инфекций – гриппа, COVID-19 и пневмококка – сентябрь и октябрь: за 2-4 недели успевает сформироваться достаточный уровень антител, и к моменту, когда из‑за холодов и длительного пребывания в закрытых помещениях риск заражения станет максимальным, организм будет уже защищён, – рассказывает ученый Пермского Политеха.

Современные вакцины содержат инактивированные вирусы или их фрагменты, которые не вызывают болезнь, но стимулируют выработку антител и клеток памяти. Благодаря этому при встрече с настоящим патогеном иммунный ответ развивается быстрее и мощнее, снижая риск заражения, госпитализации и тяжелого течения. Если человек уже болеет ОРВИ, процедуру стоит отложить до выздоровления – на фоне повышенной температуры могут усилиться побочные реакции.

Поддерживайте влажность воздуха в помещении

Осенью носовые пазухи оказываются под ударом: с началом отопительного сезона влажность в помещениях резко падает. Если летом она держится на уровне 50-70 %, то с включением батарей может опускаться до 20-30 %, а в сильные морозы – еще ниже.

– Нос – это не просто орган обоняния, а мощный фильтр. Его внутренняя поверхность покрыта ресничками, которые продвигают слизь с осевшими микробами в желудок, где они погибают. Кроме того, в носовой полости вырабатываются лизоцим, лактоферрин и секреторный иммуноглобулин А, нейтрализующие угрозы. Когда воздух пересушен, секрет густеет, реснички замедляют движение, а выработка защитных факторов снижается. Вирусам становится легче проникнуть в клетки, – комментирует эксперт ПНИПУ.

Поддержание влажности 40-60 % в помещении необходимо круглый год, особенно в отопительный сезон. Также предпочтительно, чтобы воздух поступал через нос, а не через рот: в последнем случае он остается холодным, сухим и неочищенным и сразу попадает в нижние отделы респираторного тракта. Если носовое дыхание затруднено из-за искривленной перегородки, полипов или аллергического ринита, нужна консультация отоларинголога.

Настройте сон и световой режим

Вслед за защитой слизистых оболочек необходимо создать условия для полноценного восстановления иммунной системы, которое происходит в фазе глубокого сна. Осенью сокращается продолжительность дня, и это напрямую влияет на биоритмы: солнечные лучи управляют суточными циклами через супрахиазматическое ядро гипоталамуса, синхронизируя работу всех клеток. Недостаток витамина D нарушает утреннюю выработку кортизола и ночную – мелатонина, сбивая цикл бодрствования и отдыха. В результате подавляется активность Т-лимфоцитов и снижается выработка цитокинов, отвечающих за борьбу с вирусами.

– Исследования показывают: люди, которые спят меньше 6 часов, болеют простудой в 4 раза чаще, чем те, кто спит 7-9 часов. Десинхроноз – расхождение между внутренними часами и режимом освещения – снижает продукцию интерферонов и активность естественных клеток, ослабляющих противовирусную защиту. Поэтому наладить цикл сна и бодрствования так же важно, как сбалансировать питание или пройти вакцинацию, – обращает внимание Валерий Литвинов.

Утром важно получить достаточно естественного света: например, позавтракать у окна или выйти на короткую прогулку перед работой. Если рабочий график или погода не позволяют регулярно выходить на улицу, помогут короткие выходы в обеденный перерыв или использование специальных ламп яркостью около 10 000 люкс по 20-30 минут утром. Вечером, наоборот, следует ограничивать искусственное освещение, особенно синий спектр экранов, подавляющий выработку мелатонина. В спальне необходимо поддерживать темноту, тишину и прохладу 18-20 °C и соблюдать регулярный режим сна.

Снижайте стрессовые нагрузки

Осень также сопровождается ростом психоэмоционального напряжения: начало учебного года, рабочие дедлайны, сокращение светового дня и ухудшение погоды. Параллельно снижается физическая активность. Это двойной удар по здоровью, который ведет к повышению уровня кортизола.

– Хронический стресс ослабляет иммунитет. В результате усиливается системное воспаление, повреждающее здоровые ткани. Физическая активность, наоборот, стимулирует кровообращение и лимфоток, повышает число особых лимфоцитов, распознающих и уничтожающих заражённые вирусом клетки, улучшает настроение и снижает тревожность. При этом важно соблюдать баланс: чрезмерные нагрузки могут дать обратный эффект, поэтому ключ – умеренность и регулярность, – делится ученый Пермского Политеха.

Для снижения стрессовой нагрузки ежедневно желательно уделять 10-15 минут техникам релаксации – медленному дыханию с удлинённым выдохом, медитации, спокойной прогулке без гаджетов. Также важно поддерживать качественные социальные контакты: общение с близкими снижает уровень кортизола и повышает выработку секреторного иммуноглобулина A, защищающего слизистые. Необходима и умеренная физическая активность – 30 минут ходьбы в день, плавание, велосипед, приседания или йога.

Каждый раз, когда мы летим в самолете, включаем свет или заправляем машину, мы доверяем свою безопасность материалам, работающим в экстремальных условиях. Лопатки авиадвигателей вращаются в раскаленном газе, элементы реакторов АЭС годами выдерживают нагрев и облучение, а оборудование нефтехимии контактирует с агрессивными средами под давлением. Все эти критически важные системы объединяет один класс материалов — жаропрочные никелевые сплавы.

Их свойства определяются не только химическим составом, но и микроструктурой — множеством мельчайших кристаллических элементов. Если посмотреть на металл под мощным микроскопом, вместо однородной блестящей поверхности откроется сложная мозаика из зерен. Внутри каждого, в свою очередь, скрыта еще более тонкая структура — тысячи крошечных субзерен, кристаллические решетки которых чуть-чуть отличаются друг от друга. Именно от формы, размера и взаимного расположения этих микрообъектов в конечном счете зависит, выдержит ли деталь рабочую нагрузку или разрушится.

Большая часть процессов придания формы металлу происходит при нагреве и завершается отжигом — продолжительной выдержкой при повышенной температуре, которую подбирают так, чтобы в итоге сформировалась структура с нужными прочностными свойствами. Главный процесс, который запускается при таком нагреве, — рекристаллизация. Это замена дефектных зерен новыми, более совершенными. Все начинается с небольших областей — зародышей, которые разрастаются и поглощают соседние.

Чтобы получить на выходе прочную деталь без дефектов, инженеру нужно заранее предсказать, как именно будут появляться и расти эти зародыши при конкретной температуре. Для этого нужны компьютерные модели. Однако существующие программы либо слишком упрощенные, либо чересчур медленные.

Слабое место многих из них — отсутствие физически обоснованного описания того, как формируются зародыши новых, малодефектных зерен. Без этого инженеры вынуждены подбирать режимы термообработки экспериментально, выпуская одну опытную партию за другой. Для крупных деталей авиадвигателей или энергоустановок стоимость бракованной партии может исчисляться миллионами рублей, а подбор режима растягивается на месяцы и годы. Еще серьезнее, если дефект структуры останется незамеченным: трещина в лопатке турбины грозит разрушением двигателя в полете, а ослабленный сварной шов в реакторе — аварийным остановкам производства. Там же, где физически обоснованное описание процесса все же существует, расчет настолько ресурсоемок, что занимает недели машинного времени, — для реального производства это неприемлемо.

Чтобы решить эту проблему, ученые Пермского Политеха усовершенствовали компьютерную модель, которая предсказывает поведение сплава при нагреве с точностью около 99%.

В основе метода — описание реальной геометрии структуры с помощью многогранников Лагерра. Это особый класс трехмерных ячеистых разбиений, который точно повторяет форму реальных зерен и субзерен в металле: каждый такой элемент в модели представлен отдельным объемным многогранником. Такое описание позволяет учитывать форму, размер и взаимное расположение субзерен, а также то, как они взаимодействуют друг с другом и с упрочняющими частицами при нагреве.

Чтобы убедиться в корректности модели, ученые провели вычислительные эксперименты на сплаве Inconel 718. Он является одним из самых востребованных жаропрочных материалов, который применяется в авиационных двигателях, нефтехимическом оборудовании и атомной энергетике. В модели имитировали нагрев виртуального образца в диапазоне 200–340 °C и сравнивали полученные предсказания с результатами реальных лабораторных опытов. Максимальное отклонение расчета от реальных данных составило не более 1,15%, а на этапе подбора параметров — всего 0,42%. Это значит, что цифровой расчет описывает структуру металла практически так же точно, как наблюдение под микроскопом.

— Отличительная особенность нашей модели в том, что она учитывает топологию структуры и контактное взаимодействие соседних зерен, а также влияние упрочняющих частиц. Это дает физически обоснованное описание того, как формируются и растут зародыши рекристаллизации, и при этом модель не требует огромных вычислительных ресурсов. По сути, мы создали «цифровой микроскоп», который позволяет заглянуть в перестройку структуры металла без дорогостоящих экспериментов, — рассказал Никита Кондратьев, заведующий лабораторией многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

На практике это работает так. Допустим, конструкторскому бюро нужно подобрать режим отжига для новой партии лопаток турбины: при какой температуре и сколько часов выдерживать заготовку, чтобы зерна выросли до нужного размера и обеспечили запас прочности. Раньше для этого изготавливали и испытывали десятки опытных партий, перебирая температуры с шагом в десятки градусов. Теперь значительную часть этой работы можно перенести в компьютер: один расчет занимает несколько часов вместо недель экспериментов, а итоговый режим заранее «настроен» под заданные характеристики сплава — нужный размер зерна, прочность, пластичность. Это сокращает расход дорогостоящих материалов на пробные плавки, ускоряет вывод новых изделий в производство и снижает риск брака.

Кроме того, модель помогает разглядеть редкое, но опасное явление — аномальный рост отдельных зерен, когда некоторые кристаллы внезапно вырастают гораздо крупнее соседей. Такие области становятся слабыми местами детали и часто служат отправной точкой для усталостных трещин. Расчет позволяет заранее предсказать, при каких температурах и временах выдержки риск их появления минимален.

Разработанный цифровой инструмент можно расширять, добавляя описание других особенностей структуры материала, а получаемые зависимости — например, средний размер субзерен — встраивать в модели более крупного масштаба, вплоть до расчета прочности готовой детали. Это поможет инженерам подбирать режимы термообработки никелевых сплавов так, чтобы детали для авиационной, нефтехимической и атомной отраслей сразу приобретали требуемые свойства, и сократить число дорогостоящих натурных экспериментов на стадии разработки изделий.

– Диаметр Плутона составляет около 2376 километров, что примерно в 1,5 раза короче диаметра Луны. А весит он в 6 раз меньше нее. Площадь его поверхности равна 17,6 миллионам км2 – это примерно как вся территория России. При непрерывной езде со средней скоростью 90 км/ч обогнуть Плутон по экватору можно было бы примерно за трое суток. Для сравнения, экватор Земли при той же скорости потребовал бы около 19 дней, что почти в 7 раз дольше, – рассказывает эксперт в области астрономии Пермского Политеха Евгений Бурмистров.

Многие считают, что именно из-за маленьких размеров Плутон понизили до статуса карликовой планеты, однако причина кроется совсем в другом.

Не расчистил свою орбиту и перестал быть планетой

– Чтобы считаться планетой, небесное тело должно соответствовать трем строгим критериям, установленным Международным астрономическим союзом: вращаться вокруг Солнца, иметь достаточную массу, чтобы под действием собственной гравитации приобрести сферическую форму, и доминировать в районе своей орбиты, то есть «расчистить» ее от других крупных тел, – делится Евгений Бурмистров.

Первые два условия Плутон полностью выполняет — он движется вокруг нашей звезды и имеет шарообразную форму. Однако третий критерий стал для него решающим.

– Дело в том, что он находится в пределах пояса Койпера — огромного региона за пределами Нептуна, где расположены тысячи ледяных объектов. Он делит свою орбиту со множеством других крупных тел, включая карликовую планету Эриду, которая по массе сопоставима с Плутоном. Чтобы не признавать все эти объекты планетами, астрономы ввели третье правило, и с 2006 года Плутон классифицируется как крупнейшая карликовая планета Солнечной системы, – объясняет Евгений Бурмистров.

Есть хвост, как у кометы

У Плутона действительно есть нечто, похожее на хвост кометы, —полоса ионизированного газа, которая тянется на тысячи километров в направлении, противоположном Солнцу.

– Такой хвост образуется, когда солнечный ветер — поток заряженных частиц — сталкивается с разреженной атмосферой Плутона и буквально «сдувает» ее газы в космос. Гравитация там настолько слаба, что они не могут удерживаться у поверхности и уносятся прочь, – говорит Евгений Бурмистров.

Несмотря на это, Плутон отличается от комет по нескольким показателям.

– Во-первых, он имеет сложную геологию и стабильную атмосферу. Во-вторых, его хвост образуется не из-за испарения поверхностного льда солнечным теплом, а из-за потери атмосферы. Кроме того, Плутон — самый большой объект пояса Койпера, разделяющий характеристики других крупных тел, поэтому на своей орбите он остается карликовой планетой, – отвечает Евгений Бурмистров.

Солнце встает на западе, а садится на востоке

Рассвет на Плутоне действительно происходит на западе, а закат на востоке. Причина кроется в его уникальном вращении.

– Ось Плутона наклонена примерно на 120 градусов – он фактически крутится в обратном направлении по сравнению с большинством планет Солнечной системы. Это приводит к тому, что, в отличие от Земли, где направление «восток» связано с вращением навстречу Солнцу, на Плутоне это правило работает наоборот. В результате, для любого наблюдателя на поверхности карликовой планеты солнечный восход будет происходить на западе, а закат — на востоке, – объясняет Евгений Бурмистров.

Это делает Плутон одним из самых необычных миров в нашей звездной системе, где даже смена дня и ночи подчиняется иным, неземным законам.

Холодный снаружи, но теплый внутри

Далекий от Солнца Плутон на самом деле не такой холодный, как может показаться с первого взгляда. Его ядро не остыло до сих пор, и это связано с процессами, которые продолжают поддерживать его внутреннюю температуру. По приблизительным оценкам она варьируется от 500 до 1000 °C, тогда как снаружи поверхность остужается до –230 °C.

– Основным источником тепла служит радиоактивный распад элементов, прежде всего калия, урана и тория, которые в большом количестве содержатся в каменной сердцевине. По оценкам ученых, ядро занимает около 40 % объема Плутона, и если в нем содержится хотя бы 75 частей калия на миллиард, то он выделяет достаточно энергии, чтобы поддерживать тепло в недрах планеты на протяжении миллиардов лет, – рассказывает Евгений Бурмистров.

Кроме того, толстый слой ледяной оболочки действует как теплоизолятор, препятствуя быстрому уходу внутреннего подогрева в космос.

На Плутоне находится самый большой ледник из азота

– На Плутоне расположен огромный участок в форме сердца под названием область Томбо – это самый большой азотный ледник в Солнечной системе. Его диаметр составляет около 1000 километров, и он покрывает значительную часть карликовой планеты, – делится Евгений Бурмистров.

На поверхности этой гигантской равнины практически нет кратеров. Это говорит о том, что ее возраст составляет не более 100 миллионов лет, а также указывает на то, что она постоянно обновляется, и на Плутоне до сих пор происходят активные геологические процессы.

– Тепло ядра подогревает нижние слои азотного льда. Они становятся мягче и легче, всплывают к поверхности, а остывшие и более плотные верхние пласты опускаются вниз. Такая постоянная циркуляция сглаживает поверхность, поэтому на леднике нет старых кратеров — любые вмятины от метеоритов просто затягиваются, как будто их и не было. В результате лед остается гладким даже на такой огромной площади, – говорит ученый Пермского Политеха.

На Плутоне происходит круговорот азота, метана и угарного газа

На Плутоне постоянно циркулируют три вещества – азот, метан и угарный газ. У нас на Земле похожий круговорот характерен только для воды, которая испаряется, конденсируется в облака и выпадает в виде осадков. На карликовой планете этот процесс происходит иначе – вещества существуют только в двух формах, переходя из твердого состояния в газообразное и обратно.

– Трансформация изо льда в газ называется сублимацией: под воздействием солнечного тепла твердый азот, метан и угарный газ испаряются, минуя жидкую фазу, и попадают в атмосферу. Дело в том, что для того, чтобы вещества плавились и становились жидкостью, нужно достаточно высокое давление, а на Плутоне оно примерно в 100 000 раз меньше земного. Обратный процесс, конденсация, происходит, когда газы остывают и снова оседают на поверхности в виде инея или снега, – делится Евгений Бурмистров.

Эти процессы напрямую зависят от смены сезонов на Плутоне, которые длятся десятилетиями: при приближении к Солнцу льды испаряются, а при удалении — замерзают и оседают.

Вулканы Плутона извергали ледяную магму

На поверхности Плутона есть ледяные вулканы, которые извергали не расплавленную породу, как на Земле, а смесь воды, аммиака, метана и других летучих соединений. Некоторые из них могли выбрасывать около 1000 кубических километров ледяной магмы.

– Причина их активности – радиоактивный распад элементов в каменном ядре Плутона, которое до сих пор продолжает выделять тепло. Также существование магмы на такой холодной планете стало возможным благодаря наличию аммиака, действующего как антифриз, – он понижает температуру замерзания воды и других веществ, – говорит Евгений Бурмистров.  

Самыми известными такими сопками являются гора Райт высотой 4–5 км и Пиккара, достигающая 7 км. По размеру они сопоставимы с крупнейшими земными вулканами, например, с гавайским Мауна-Лоа или танзанийским Килиманджаро. Хотя они сейчас плутонианские экземпляры считаются потухшими, они относительно молоды и их возраст может составлять от нескольких сотен миллионов до нескольких миллионов лет.

– Если Плутон продолжит сохранять достаточную внутреннюю энергию, то однажды они могут снова извергнуться, залив окрестные равнины слоями ледяной магмы, которая, мгновенно замерзая, создаст новые ледяные ландшафты, – добавил эксперт ПНИПУ.

Плутон покрыт пиками высотой с небоскреб

На экваторе Плутона есть по-настоящему инопланетный ландшафт – гигантские острые пики, достигающие нескольких сотен метров в высоту, что сравнимо с размерами небоскреба. Своей невероятной формы эти столбы достигают благодаря уникальным условиям карликовой планеты.

– Метан, из которого состоит поверхность экваториальной зоны, конденсируется и накапливается, а затем под воздействием солнечного света и ветра начинается его сублимация - переход из твердого состояния сразу в газ. Этот процесс протекает неравномерно: лед испаряется в одних местах, вырезая глубокие борозды, и оставляет нетронутыми другие, превращая их в причудливые гребни, похожие на гигантские лезвия, – объясняет Евгений Бурмистров.

Слабая гравитация и крайне разреженная атмосфера позволяют метановым пикам оставаться стабильными миллионы лет: здесь нет ни дождей, ни ветров, способных их сгладить, а лед не «сползает», как это происходило бы на Земле. Так природа создала один из самых необычных и суровых пейзажей во всей Солнечной системе.

С Плутона Солнце выглядит маленькой звездочкой

С Плутона, который находится в среднем в 50 раз дальше от Солнца, чем Земля, оно действительно выглядит как очень маленькая яркая звезда.

– Освещенность там примерно в 1500–1600 раз слабее, чем на нашей планете. Однако это все равно гораздо ярче света, который доходит до нас от полной Луны ночью, так что на Плутоне теоретически вполне можно было бы читать книгу, – отмечает Евгений Бурмистров.

С Земли же Плутон увидеть невооруженным глазом невозможно — он слишком мал и далек. Даже в любительский телескоп он выглядит как едва заметная тусклая точка, и для его наблюдения нужен инструмент с диаметром объектива не менее 200–300 мм. Обычно астрономы-любители используют астрофотографию: делают несколько снимков одного участка неба с интервалом в несколько дней и сравнивают их, чтобы заметить смещение карликовой планеты по своей орбите на фоне неподвижных звезд. Лучшее время для наблюдений – период около противостояния: Плутон находится напротив Солнца на земном небе и достигает максимальной для данного периода видимой яркости.

Необычное название полнолуния уходит корнями в календарь алгонкинов — коренных народов Северной Америки. Оно происходит от природного совпадения: пик летнего полнолуния приходится на период, когда в Великих озерах и реках начинается активный лов осетра — крупной рыбы, которая в их культуре считалась символом изобилия. Это наблюдение и легло в основу общепринятого именования. У других племен встречались и иные названия — Кукурузная Луна, Зерновая Луна или даже Красная Луна — из-за частого багрового оттенка, который спутник приобретает в августе, находясь при этом достаточно низко над горизонтом.

— С точки зрения астрономии лунное затмение происходит, когда Земля оказывается между Солнцем и своим естественным спутником и отбрасывает на него тень. В момент максимальной фазы затмения тень закроет почти весь диск, но небольшая его часть останется освещенной прямыми солнечными лучами, поэтому явление называют частным, а не полным. А красный цвет возникает из-за того, что солнечный свет, проходя через атмосферу Земли, рассеивается: короткие синие волны уходят в стороны, а длинные красные достигают Луны, — делится эксперт в области астрономии Пермского Политеха Евгений Бурмистров.

Максимальная фаза затмения наступит 28 августа в 07:12–07:13 по московскому времени. В этот момент тень Земли закроет 96 % лунного диска, и спутник окрасится в насыщенный медно-красный цвет — от ярко-оранжевого до темно-бурого, в зависимости от состояния атмосферы и высоты Луны над горизонтом. Общая продолжительность затмения составит более пяти с половиной часов.

Дата Осетровой Луны, как и других полнолуний, каждый год немного меняется. Причина в том, что продолжительность синодического месяца — периода между одинаковыми фазами Луны — составляет примерно 29,5 суток. Это меньше длины календарного месяца (30–31 день), из-за чего срок полнолуния сдвигается.

Наилучшие условия для наблюдения сложатся в Северной и Южной Америке. Жители Европы, Африки и западных районов Азии увидят затмение в меньшей степени.

— В конце августа Солнце будет находиться в созвездии Льва, а полная Луна — в противоположном ему Водолее, расположенном в южной части эклиптики, воображаемой линии на небе, вдоль которой происходит видимое движение Солнца, Луны и планет. В России затмение будет доступно для наблюдения преимущественно в западных регионах, причём чем западнее находится наблюдатель, тем больше будет видна его частная фаза. В центральной части страны Луна зайдет за горизонт ещё до максимума, а восточнее частная фаза во многих местах вообще не будет видна. Тем не менее сам процесс частичного погружения в тень прекрасно виден невооруженным глазом, — рассказывает эксперт ПНИПУ.

Благодаря высокой яркости спутника наблюдать за ним можно даже при городской засветке. Для этого не обязательно выезжать далеко за город — достаточно найти место с открытым южным или западным горизонтом (в зависимости от региона) и ясным небом. Лунное затмение полностью безопасно для глаз, поэтому специальные очки или фильтры не нужны. Однако бинокль или небольшой телескоп помогут разглядеть детали поверхности и оттенки затемнения.

Такое совпадение — августовское полнолуние с покрытием почти всего диска — случается нечасто. Ближайшее полное лунное затмение, когда Луна целиком уйдет в тень, произойдет только 31 декабря 2028 года. Так что даже если вы не попадете в идеальную зону видимости, просто взглянуть на небо в ночь с 27 на 28 августа уже стоит: Осетровая Луна сама по себе — красивое зрелище, а если повезет с погодой и местоположением, вы станете свидетелем редкого небесного явления, когда спутник Земли на время окрасится в багровые тона.

Сегодня в космической технике используют два типа ракетных двигателей. Жидкостные — мощные и управляемые, их можно многократно запускать и останавливать, регулировать тягу. Но они чрезвычайно сложны и дороги: сотни клапанов, турбонасосы, криогенные баки, требующие постоянного охлаждения. Всё это создаёт дополнительные риски для долгих космических миссий. Твердотопливные — просты и надежны, однако их нельзя остановить или перезапустить в полете. Это как запущенная ракета: включил — и летишь до полного выгорания топлива. Для современных задач — маневрирования спутников на орбите, уклонения от космического мусора или мягкой посадки на Луну — нужен двигатель, который можно останавливать и запускать многократно. Гранулированное топливо — это твердые частицы, которые подаются в камеру сгорания вместе с газом. Прерывая подачу, можно остановить двигатель, возобновляя — запустить снова. По простоте конструкции оно близко к твердотопливным двигателям, а по управляемости — к жидкостным.

В настоящее время гранулированное топливо не используется в двигателях ракетно-прямоточного типа. Поэтому сейчас главная задача исследователей развить технологию и довести производство от лабораторных образцов до серийного выпуска.

Однако до последнего времени у инженеров не было главного — методики, позволяющей на этапе проектирования точно рассчитать все параметры такого двигателя. Сколько топлива заливать, какого размера делать баки, сколько ставить форсунок, при каком давлении система будет работать стабильно. Ошибка на этом этапе обходится слишком дорого: неправильный расчёт может привести к аварии при запуске, потере дорогостоящего аппарата и, что самое важное, создать угрозу для жизни людей. А переделать двигатель после того, как он уже построен, практически невозможно — это многомиллионные затраты и годы работы.

— Мы разработали методику, которая позволяет на этапе проектирования рассчитать все ключевые параметры таких двигателей: от соотношения газа и порошка в топливной смеси до размеров баков и количества форсунок — рассказал Андрей Елькин, ведущий конструктор ПАО НПО «Искра», младший научный сотрудник ПНИПУ.

Прежде чем приступить к расчётам, нужно было досконально изучить само топливо. С помощью компьютерного моделирования ученые определили, сколько энергии выделится при сгорании, и выяснили, какими должны быть размер и форма частиц для стабильной подачи. Это как подобрать кофе для автомата: слишком мелкий помол — вода проходит медленно, кофе горчит, автомат забивается. Слишком крупный — вода пробегает быстро, напиток получается жидким и безвкусным. Так и с топливом: его физические свойства напрямую влияют на то, будет ли система работать стабильно.

После того как компьютерная модель была готова, предстояло проверить её в деле. Для этого учёные разработали экспериментальную установку. Вместо реального топлива в ней использовали вещества-имитаторы — они по физическим свойствам идентичны настоящему составу, но не горят. Это позволило проводить опыты безопасно и без лишних финансовых затрат. Сначала это был обычный кварцевый песок, затем хлорид калия, плотность которого почти в точности повторяет плотность реального топлива.

— Эксперименты и компьютерные расчёты совпали. Мы получили чёткие зависимости: как меняется расход топлива и газа при изменении давления. На основе этих данных создали пошаговую методику и выполнили расчёт двигательной установки для космического аппарата — комментирует Михаил Храмцов, заведующий лабораторией кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ.

Разработанная методика — впервые экспериментально подтверждённая система расчёта параметров двигателей на гранулированном топливе. До пермских учёных никто не создавал методики оценки параметров, позволяющих с такой точностью проектировать подобные установки. Теперь у инженеров есть возможность заранее, ещё на этапе расчётов, закладывать все ключевые параметры — от массы топлива до давления в системе. Это прямой путь к созданию манёвренных, многоразовых космических двигательных аппаратов нового поколения, спутников, способных уклоняться от космического мусора, межпланетных зондов с возможностью многократной коррекции курса и аппаратов для очистки орбиты — той самой проблемы, которая становится всё острее с каждым годом.

– Одним из мощных ориентиров для них являются запахи: их основной «газоанализатор» расположен на верхнечелюстных щупальцах – чувствительных волосках рядом с ротовым аппаратом. Когда молекулы углекислого газа, концентрация которого в выдыхаемом человеком воздухе в 100 раз выше атмосферной, попадают на эти рецепторы, они посылают нервный сигнал в мозг комара, активируя его охотничье поведение и одновременно повышая чувствительность к другим ароматам жертвы, таким как молочная кислота или компоненты пота, – говорит ведущий инженер кафедры «Охрана окружающей среды» ПНИПУ Мария Комбарова.

Однако существуют люди, которые, наоборот, отпугивают этих насекомых своим запахом.

– Кожа человека вырабатывает химическое соединение метилпиперазин как один из продуктов метаболизма, и его количество варьируется индивидуально: у одних оно выделяется в большем объеме, у других — в меньшем. Люди с высоким уровнем этого вещества в кожном секрете оказываются для комаров «невкусными» или даже «невидимыми», так как оно действует как природный репеллент: дезориентирует насекомых, нарушая их обонятельные рецепторы. В результате они перестают реагировать даже на самые привлекательные для них запахи. Именно этим объясняется, почему одни люди притягивают кровососов значительно сильнее других, – объясняет Мария Комбарова.

Стоит также отметить, что комары реагируют на малейшие колебания воздуха и даже микродвижения мускулов. Чем больше люди размахивают руками, тем больше привлекают к себе все новых насекомых.

Комары могут жить и размножаться целый год

Обычно назойливые двукрылые живут относительно недолго. Самцы существуют всего около двух недель. Их единственная биологическая задача – оплодотворить самку, и после этого они быстро погибают. Продолжительность жизни женских особей летом составляет в среднем один-два месяца.

– Однако некоторые из них научились использовать зимнюю спячку как хитрый эволюционный механизм для выживания и сохранения потомства. Например, самки широко распространенного по всему миру рода Кулекс осенью напившись крови, находят влажные укрытия — пни, опавшие листья или норы — и погружаются в состояние анабиоза, экономя энергию до наступления тепла, – комментирует Мария Комбарова.

Эта способность позволяет им пережить зиму и весной отложить яйца, давая начало новому поколению.

– У Кулекса существует несколько экологических форм, и одна из самых известных — это комар подвальный, который приспособился к жизни рядом с человеком в теплых помещениях, таких как цокольные этажи, хлева или шахты лифта. В отличие от своих сородичей, они не впадают в зимнюю спячку: самки размножаются круглый год, и благодаря этому они постоянно досаждают нам даже в холода. Они могут существовать в замкнутых циклах, где поколения комаров сменяют друг друга практически без перерыва, а продолжительность жизни такой особи может достигать почти года — это яркий пример того, как эволюция создает устойчивые адаптации к измененной человеком среде, – продолжает Мария Комбарова.

Люди используют хоботки комаров для инъекций

– Хоботок комара — это сложная конструкция, состоящая из шести тонких игл, которые защищены видоизмененной в желобок нижней губой. Обе верхние челюсти работают как крошечные пилочки. Они не только разрезают кожу, но и удерживают ее края. Еще две иглы оснащены мышцами, которые раздвигают ткани, чтобы освободить путь для остальных инструментов. Пятая выполняет функцию шприца — она впрыскивает в ранку специальную слюну с веществами, которые разжижают кровь и предотвращают ее свертывание. И наконец, шестая игла — это своеобразный насос, который сначала пробует кровь, как бы проверяя, достаточно ли она подготовлена к употреблению, а затем начинает ее засасывать. Благодаря такой сложной конструкции за час охоты комар может совершать до ста попыток укуса, и большинство из них оказываются успешными, – рассказывает Мария Комбарова.

Природа создала хоботок настолько совершенным, что он проходит между клетками кожи, не повреждая их.

– Человечество до сих пор не может сделать ничего подобного: искусственные иглы уступают в точности и тонкости. Поэтому ученые нашли временное решение – в лабораториях специально выращивают культуры комаров, чтобы извлекать их хоботки и использовать их как микроинструменты для точечного введения клеток, например, эритроцитов, в заданные участки тканей, что в перспективе может применяться для 3D-биопечати и тестирования лекарств, – делится Мария Комбарова.

Самцы находят самок по звуку крыльев

– Самцы действительно находят самок по писку, который издают их крылья. У каждого вида свои уникальные акустические «сигналы», и они должны четко отличать «голос» женских особей своего рода от других, ведь в одном регионе обитает около 30 разновидностей кровососущих комаров. Все они издают разные звуки, и ошибиться здесь нельзя — от этого зависит продолжение рода, – отмечает Мария Комбарова.

Однако это не просто случайное совпадение — у этих насекомых есть сложная система распознавания, основанная на частоте колебаний.

– У комаров есть специальные чувствительные рецепторы — волоски-сенсиллы на теле, которые улавливают мельчайшие вибрации воздуха, а также особая пара редуцированных крыльев, которые и создают тот самый писк, характерный для каждого вида. Именно по этому звуку и вибрациям от него самец безошибочно определяет свою самку. Интересно, что он не реагирует на звуки неполовозрелых или неподготовленных к размножению женских особей: он способен «услышать» только ту, которая готова к спариванию. Благодаря такой тонкой настройке комары успешно размножаются и поддерживают свой вид, – говорит ученая Пермского Политеха.  

После кладки яиц самка комара может разучиться летать

Чтобы получить потомство, самке комара нужна кровь, поскольку она является основным источником белков – строительного материала для формирования яиц, и жиров, которые обеспечивают энергетический запас для развития эмбрионов.

– Чем больше ей удается выпить, тем больше штук она сможет отложить. Например, один полноценный прием крови может увеличить количество личинок до 200, хотя в среднем это число обычно меньше – около 100. При этом самки могут пить ее многократно, что позволяет им производить несколько кладок подряд. За всю жизнь одна женская особь комара способна отложить до 1 500 яиц, и ее репродуктивный успех напрямую связан с доступностью крови, – говорит Мария Комбарова.

Однако природа предусмотрела и запасной вариант.

– Даже если самка никогда не пила кровь, она все равно способна отложить небольшое количество личинок — около 5–10 штук. Для этого ей приходится использовать собственные внутренние ресурсы, в том числе белки из летательных мышц. Однако такая жертва сильно ослабляет организм: после откладки яиц без крови самка теряет способность к полноценному полету и часто погибает, не успев найти новый источник питания, – рассказывает Мария Комбарова.

Таким образом, кровь для комара — это не просто еда, а стратегический ресурс, который определяет не только количество потомства, но и выживание самой самки в конкурентной борьбе за продолжение рода.

Основной источник питания комаров – не кровь

– Несмотря на то, что женские особи комаров известны как кровососы, это лишь небольшая часть их рациона, предназначенная только для выведения потомства. Основу их повседневного питания составляет нектар цветов: глюкоза из нектарников растений дает им энергию, необходимую для полета, поиска партнера и активной жизни, – отмечает Мария Комбарова.

А самцы комаров вообще питаются исключительно растительными соками и нектаром, поскольку их ротовой аппарат не приспособлен для прокалывания кожи.

– Они играют важную роль в опылении растений, особенно в заболоченных местностях, где эти насекомые являются основными хозяевами. В России это аир болотный, различные виды осок, хохлатка полая, а также луговые растения: пижма, нивяник, ястребинка, даже одуванчики. В тропических регионах москиты опыляют и культурные виды, в частности, дерево какао, а в Японии — некоторые виды магнолий, орхидей и других цветковых, – добавляет ученая Пермского Политеха.

Без комаров вода была бы грязнее, а огородные вредители – агрессивнее

Комаров принято считать вредными и надоедливыми насекомыми, мешающими людям жить. Однако с другой стороны они приносят существенную пользу экосистемам.

– Яйца этих насекомых могут развиваться только во влажной среде, поэтому самки откладывают их в водоемы. Там личинки питаются органическими частицами, бактериями и разлагающейся растительностью, тем самым участвуя в естественном очищении воды. Одни виды выступают в роли фильтров, пропуская через себя мелкую взвесь, другие — соскребают налет с подводных поверхностей, – делится Мария Комбарова.

Но польза комаров не ограничивается очисткой прудов и рек: они являются важнейшим звеном пищевой цепи.

– Их личинки и куколки служат основным кормом для мальков, личинок жуков-плавунцов и стрекоз, а также для лягушек и жаб. Взрослые насекомые — важный источник пищи для птиц, особенно для тех, кто живет рядом с водой. Если бы эти насекомые исчезли, это вызвало бы цепную реакцию: сначала сократилось бы количество рыб и земноводных, затем насекомоядных птиц, а в итоге — из-за отсутствия естественных регуляторов численности — могли бы резко размножиться вредители растений, такие как тля, гусеницы и жуки-листоеды, – объясняет эксперт ПНИПУ.  

Так что комары – это не просто надоедливые кровососы, а неотъемлемая часть экосистемы, встроенная в нее на протяжении 180 миллионов лет эволюции, – именно столько они уже существуют на нашей планете. Конечно, полное их уничтожение невозможно и нецелесообразно — они необходимы природе, даже если порой досаждают людям.