航天員在太空呼吸的氧氣從哪來(lái)？

2021年4月初，筆者參加了一個(gè)考察隊(duì)，前去確認(rèn)一個(gè)臺(tái)站選址，用來(lái)安放探測(cè)太空現(xiàn)象的儀器設(shè)備，監(jiān)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)影響下地球周圍的宇宙空間的狀態(tài)和變化。其中一些設(shè)備對(duì)人類活動(dòng)影響很敏感，所以往往需要安放在地廣人稀的偏遠(yuǎn)地區(qū)。

這不，其中一個(gè)備選站點(diǎn)就是西藏的那曲地區(qū)。那曲位于西藏北部，地處青藏高原腹地，是長(zhǎng)江、怒江、拉薩河、易貢藏布等大江大河的源頭。那曲市東部屬高原山地，海拔在3800-4500米之間，平均海拔約4100米。這次的站點(diǎn)，海拔大約在4800米左右，考察隊(duì)下火車不久測(cè)了一下，差不多就4400米了。

考察隊(duì)在那曲下火車時(shí)，海拔已經(jīng)超過(guò)4400米（來(lái)源：自制）

作為一個(gè)土生土長(zhǎng)的中原人，筆者早早就出現(xiàn)了頭疼等癥狀。考察隊(duì)有多人需要吸氧，幸好旅館都有氧氣釋放，藥店也可以買氧氣。一個(gè)可供吸40分鐘氧氣的充氣枕賣50塊錢(qián)，充氣只需要5塊錢(qián)。所以我們開(kāi)玩笑說(shuō)貴的不是氧氣，是吸氧氣的“資格”。

Part.1

什么是“高原反應(yīng)”？

高原反應(yīng)，也叫高原病、高山病，嚴(yán)格說(shuō)，它是高原病的一種分型。從低海拔地區(qū)急速進(jìn)入海拔3000米以上高原，暴露在低壓低氧環(huán)境后，會(huì)產(chǎn)生各種不適，這就是高原反應(yīng)，是高原地區(qū)獨(dú)有的常見(jiàn)病，

常見(jiàn)的癥狀有頭痛，失眠，食欲減退，疲倦，呼吸困難等。

頭痛是最常見(jiàn)的癥狀，常為前額和雙顳部跳痛，夜間或早晨起床時(shí)疼痛加重。以筆者這次的經(jīng)歷為例，晚上睡覺(jué)感覺(jué)頭一直隱隱的疼，睡不踏實(shí)，早上起來(lái)顯得特別精神不振。

高原上的氣壓通常是平原上的1/2，氧氣含量也相對(duì)比較稀薄，氧氣的缺失造成了我們常說(shuō)的高原反應(yīng)。對(duì)于身體較為薄弱的人來(lái)說(shuō)，就會(huì)出現(xiàn)基礎(chǔ)疾病加重，甚至出現(xiàn)上述的頭暈、頭疼、呼吸困難、心悸、疲勞、乏力等情況。通常輕癥者經(jīng)過(guò)3-5天的時(shí)間，進(jìn)行一定程度的吸氧，癥狀可以逐漸消失并且緩解；但是如果是高原反應(yīng)重癥者，會(huì)出現(xiàn)明顯的高原性肺水腫和腦水腫，是非常危險(xiǎn)的。

高原反應(yīng)“那些事”

（圖片來(lái)源：https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/11853206941/641）

Part.2

為什么越往地球高處，氧氣就越少？

咱們周圍的空氣雖然看不見(jiàn)摸不著，但其實(shí)也被地球重力吸引、也有重量。只不過(guò)是因?yàn)槲覀兞?xí)慣了地球表面的氣壓，人體能夠達(dá)到內(nèi)外壓力平衡，才不會(huì)覺(jué)得自己被“壓扁了”。

既然空氣是由地球引力集中在地球周圍的，那么離地越近，引力越強(qiáng)，聚集的氣體也就越多，氣體的壓強(qiáng)也越大。而離地遠(yuǎn)的時(shí)候，引力較弱，氣體也沒(méi)有那么密集，壓強(qiáng)較小。

換一個(gè)說(shuō)法，氣壓是從我們所站的位置，向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱所受到的重力。假如筆者爬到4800米的那曲站點(diǎn)，頭頂?shù)目諝庵菑?800米開(kāi)始往上直到上千公里的，缺少了最下方那4800米，空氣柱對(duì)底面的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上在平原處受到的完整空氣柱的壓力；相應(yīng)的，壓力較小的地方壓縮的空氣密度也較小，4800米處空氣密度也小于平原。

因此，越往高處，空氣壓力和密度越低，直到“真空”。空氣密度低了，空氣中的氧氣的量也少了。而且由于氧元素較重，其實(shí)較高高度氧的下降會(huì)更快，后來(lái)空氣里只剩下氫，甚至低到什么空氣都沒(méi)有。然而我們?nèi)祟愘囈陨娴模强諝庵械难鯕狻?/p>

高處的氣壓低、含氧量也低（圖片來(lái)源：https://www.meipian.cn/2cbosflq）

Part.3

在太空呼吸的氧氣有哪幾種獲取方法？

越往高處空氣越稀薄，那么到了“太空”，不就沒(méi)有空氣了？2021年10月，神舟十三號(hào)載人飛船搭載著“太空出差三人組”順利進(jìn)入太空。根據(jù)任務(wù)，三位航天員將在太空中駐留6個(gè)月，他們將在太空中過(guò)春節(jié)。這么長(zhǎng)的時(shí)間，他們呼吸的氧氣從何而來(lái)？

宇宙空間可不止4800米這么低，地球周圍的宇宙空間，最低高度大約是10萬(wàn)米，這里幾乎就沒(méi)有空氣了，氣壓甚至是地面的百萬(wàn)分之一。

宇航員想在這里呼吸，就不是“補(bǔ)充氧氣”這么簡(jiǎn)單了。

第一種方法當(dāng)然就是從地面直接帶氧氣罐。一如我們考察隊(duì)在西藏購(gòu)買氧氣袋、氧氣瓶一樣。這種方法最為直接，不過(guò)效率也很低。

登山時(shí)常見(jiàn)的便攜式氧氣瓶（圖片來(lái)源：Rehabmart.com）

第二種方法是固體燃料氧氣發(fā)生器。這種方法主要是化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，在西藏也可以購(gòu)置相似的裝備。固體原料利于存儲(chǔ)，可以用較小的體積儲(chǔ)備較多的氧氣。例如，裝著粉末狀氯酸鈉和鐵粉混合物的金屬罐子，在點(diǎn)燃時(shí)，鐵燃燒并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)所需的熱能，相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氯化鈉和氧氣。商用飛機(jī)在艙內(nèi)氣壓下降時(shí)也用相似的辦法制氧。

第三種方法是電解水。這種方式在地面很少用，但卻是空間站中提供氧氣非常重要的手段。

在地面上，電解水消耗能源較多，產(chǎn)生的氫氣又有危險(xiǎn)，但是，空間站上的供電不是問(wèn)題，巨大的太陽(yáng)能電池板可以供應(yīng)免費(fèi)的電力，而伴隨產(chǎn)生的氫氣也可排放到太空中。作為原料的水，可以從地球上通過(guò)補(bǔ)給船運(yùn)送到空間站，還可以通過(guò)冷凝器回收機(jī)艙空氣中的水蒸氣，甚至使用宇航員的尿液過(guò)濾和回收。據(jù)報(bào)道，國(guó)際空間站的氧氣發(fā)生器就是電解水的制氧設(shè)備。

國(guó)際空間站內(nèi)部的樣子（圖片來(lái)源：百度圖庫(kù)）

Part.4

在太空呼吸，“只進(jìn)不出”是不行的

人類呼吸，消耗的是氧氣，呼出的是二氧化碳。空間站是密封的，時(shí)間長(zhǎng)了，房間里豈不是要堆滿了二氧化碳？二氧化碳要往哪里去？

這就需要提到空間站中的空氣系統(tǒng)，它不止制備、提供氧氣，還需要處理宇航員呼出的二氧化碳。

宇航員所呼吸的空氣中，產(chǎn)生的二氧化碳已經(jīng)經(jīng)過(guò)空氣系統(tǒng)處理，比如用沸石分子篩可以去除空氣中的二氧化碳。也就是說(shuō)，空氣系統(tǒng)不僅要能出氧氣，也要能除去二氧化碳?？諝庵羞€有其他一些氣體，比如甲烷、丙酮、甲醇和一氧化碳等，這些氣體都可以在空間站上的活性炭過(guò)濾器的幫助下移除。因此，宇航員所用的呼吸系統(tǒng)，實(shí)際上應(yīng)該叫空氣循環(huán)與過(guò)濾系統(tǒng)，而不止是制備氧氣。

正是在這些空氣系統(tǒng)的幫助下，宇航員們才能在太空中安然過(guò)年，順利完成任務(wù)。讓我們期待他們的凱旋歸來(lái)吧！

出品：科普中國(guó)

制作：王錚

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

（本文中標(biāo)明來(lái)源的圖片已獲得授權(quán)）

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