«Знание - сила» 1953 №10, с.15-1

Г. ГОРИН

Цветная вкладка А. Катковского

В

ПРЕДЫДУЩЕМ номере журнала мы совершили и путешествие в глубь Земли. На этот раз мы отправимся вверх — в голубые просторы над нашей головой, прямо в небо. Что такое небо? Много тысяч лет прошло с тех пор, как люди впервые задумались над этим вопросом. Смельчаки мечтали о полете над облаками. Народ создавал сказки о ковре-самолете, волшебном коне, о крыльях Икара, склеенных воском. Но сила тяжести прочно привязывала человека к земле. Облака, плывущие у него над головой на высоте одного-двух километров, были для него недоступнее, чем самые далекие страны. Впервые силу тяжести удалось преодолеть с помощью теплого воздуха. Вот что рассказывает об этом летопись: «1731 года в Рязани при воеводе подьячий Нерехтец Крякутной фурвин (мешок) зделал, как мяч большой, надул дымом поганым и вонючим, от него зделал петлю, сел в нее и нечистая сила подняла его выше березы после ударила о колокольню, но он уцепился за веревку, чем звонят и остался тако жив».

Только через 52 года изобретение Крякутного было повторено во Франции братьями Монгольфье. В 1804 году русский академик Захаров поднялся на высоту около 2,5 километра специально с целью научных наблюдений. После этого полеты следовали один за другим.

Но каждый километр ввысь доставался ценою больших усилий. Воздухоплавателям мешала не только сила тяжести, но и недостаток воздуха. Дело в том, что сила тяготения прижимает к земной поверхности газы, составляющие воздух. Чем выше, тем разреженнее воздух. На высоких горах путнику нехватает кислорода. Правда, в Тибете есть рудники и селения, находящиеся на высоте около 5 километров. Но непривычные жители равнины уже с 3,5-4 километров ощущают признаки горной болезни: вялость, одышку, сердцебиение, головную боль. На высоте 6 километров может быть потеря сознания, высота 8 километров опасна для жизни. К горной болезни здесь присоединяется кессонная. Благодаря низкому внешнему давлению в крови выделяются пузырьки азота. Кровь как бы вскипает. При этом пузырьки закупоривают тончайшие кровеносные сосуды.

Полеты за эту грань часто кончались трагически. В 1862 году погибли два англичанина, поднявшиеся на высоту 8,8 километра, вслед затем — два француза примерно на той же высоте. Позже уже в начале XX века едва не погиб немец Берсон. На высоте 10,8 километра у него был провал памяти. Смертью кончилось путешествие американца Грея на высоту 12,9 километра в 1927 году. Год спустя погиб испанский пилот, поднявшись на 11 километров. Они брали с собой кислородные приборы, но даже это не спасло их от гибели.

Советский летчик Коккинаки, совершивший рекордный полет на высоту 14,5 километра, писал, что на этой высоте ощущается лень, апатия. Трудно шевельнуть рукой, на это требуется огромный расход энергии. Кажется, что даже машина устала, она еле ползет вверх. Когда летчик задирал нос самолета, машина шла брюхом вперед, наклонно, но не вверх.

Как избавиться от опасности высотного подъема? Такую возможность указал еще в прошлом веке великий русский ученый Д. И. Менделеев. Он предложил совершать полет в герметически закрытой кабине. Это предложение было использовано в 1930-х годах. Рекордные полеты на высоту производились в стратостатах с герметическими кабинами. В конце 1933 года стратостат «СССР-1» поднялся на 19 километров. Четыре, месяца спустя стратостат «Осоавиахим-1» — на 22 километра.

К сожалению, нельзя надеяться, что стратостаты будущего поднимутся много выше. Дело в том, что стратостат, как и всякий воздушный шар, поднимается потому, что оболочка его наполнена каким-нибудь газом легче воздуха. Согласно закону Архимеда «тело теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненный им объем». Но в стратосфере воздух очень разрежен. Даже большие объемы его весят ничтожно мало. Поэтому, стратостаты должны быть очень велики. Советские стратостаты имели диаметр около 35 метров. Это высота восьмиэтажного дома. Еще более громоздкие шары могут подняться на 25-27, от силы на 30 километров. Но чтобы достигнуть 40 километров, нужно было бы построить шар диаметром около двух километров.

Чтобы проникнуть в более высокие слои, пришлось отказаться от самого тяжелого груза — от герметической кабины и от пассажиров, посылать в стратосферу шары с приборами.

Такие шары с небольшими радиоустановками — радиозонды поднимаются километров на 30. Шары без радиоустановки с самопишущими приборами или даже совсем без приборов (шары-зонды) достигали высоты 38-40 километров. Следя за их полетом, можно изучать воздушные течения на этой высоте.

Дальнейший путь ввысь указал великий русский ученый К. Э. Циолковский, предложивший использовать ракету для полетов в безвоздушном пространстве. Ракета в отличие от аэростата или самолета не нуждается в воздушной среде. Воздух только тормозит движение ракеты, в безвоздушном пространстве она летит гораздо быстрее.

В настоящее время ракеты с приборами могут подниматься на сотни километров.

Есть еще один вестник, обгоняющий даже ракету. Вестник этот — лучи света. В сумерки, когда солнце находится за горизонтом, верхние слои атмосферы еще освещены. Можно получить о них сведения, изучая этот сумеречный свет.

Можно использовать также искусственный свет — освещать ночное небо прожектором. Применяя прожекторы с особым фильтром, советские ученые прощупывали небо до 54 километров.

На цветной вкладке цифрой 1 обозначен уровень моря. На высоту 8,8 километра поднимается высочайшая горная вершина Эверест, по-тибетски Чомолунгма (3). Выше ее воздушный шар (6). До 18 километров взлетел самолет с герметической кабиной (7). На 22 километре плывет стратостат (8). Это рекордная высота, достигнутая человеком. Еще выше шары с приборами: радиозонд (11), шар-зонд (12). Луч прожектора вышел бы за пределы этого рисунка. Он изображен на обороте (13). Там же показана и ракета (20).

Собрав воедино сведения, полученные с помощью воздушных шаров, стратостатов, шаров с приборами и так далее, мы можем составить себе представление о воздушном океане и мысленно совершить путешествие вверх.

Итак, путешествие началось. Проваливается вниз зеленая лужайка аэродрома, покатые крыши ангаров, ряды самолетов, похожих на белые стрелки. На зеленой траве четко выделяется серая буква «Т» — бетонные взлетные полосы.

За аэродромом виден город, река, набережные, розоватая масса зданий (рисунок I). Горизонт все расширяется. За зданиями появляются окрестные леса, прямые ленты шоссе.

600 метров, 700. 800... Несколько выше в прозрачной синеве плывут снежно-белые пухлые облака, похожие на плетеные булки (2). Это кумулус — кучевые облака, облака хорошей погоды. В летние дни они образуются над нагретыми полями.

Правей виднеется нимбокумулус — грандиозное, грозовое облако (5), нечто вроде сизой башни, уходящей вверх на высоту до 10 километров (а в тропиках до 15) и заканчивающейся там плоскостью — наковальней. Это мрачное облако то и дело освещается изнутри молниями, спустя несколько секунд доносится отдаленное ворчание грома.

Продолжаем подъем. Вскоре ландшафт заволакивается кисеей, блекнут яркие краски. Затем земля пропадает в белой мгле. Непроглядная стена тумана скрывает и небо и землю. Этот туман — одно из тех пухлых кучевых облаков, которые казались такими привлекательными снизу. Почему в жаркий летний день мы встречаем туман на высоте?

Под лучами Солнца почва, зеленые листья и, главное, моря и океаны испаряют воду. Количество водяного пара в воздухе зависит от температуры. Так, например, при нуле градусов в каждом кубическом метре воздуха не может быть более 5 граммов пара, при плюс 20 градусах — 17 граммов и так далее. Если температура понижается, излишек пара превращается в воду. Вода оседает на пылинках, частицах соли и ионах — электрически заряженных атомах. При этом образуются мельчайшие капельки или льдинки, из которых состоят облака.

С высотой становится все холоднее. На аэродроме было плюс 20 градусов, а на высоте трех километров — уже около нуля, при пяти километрах — минус 12. Вода должна здесь замерзать. Очевидно, те облака, которые мы видим над головой, похожие на громадные страусовые перья (4), целиком состоят из льдинок. Кто бы подумал, что в каких-нибудь 5 километрах от зеленых полей и цветущих садов — настоящая зима!

Температура продолжает падать. Минус 30 градусов, минус 40, минус 50. Таких морозов вообще не бывает в наших местах. На двенадцатом километре мы отмечаем минус 55, потом небольшой подъем до 50. И затем температура устанавливается. Мы продолжаем подниматься вверх, температура держится около 50 градусов ниже нуля. Облаков нет совсем. Над нами глубокое яркосинее небо. Мы вступили в стратосферу — область постоянных сильных ветров и постоянной температуры. Небольшой температурный скачок — тропопауза отделяет стратосферу от ниже лежащей тропосферы — буквально «области поворотов», где дуют переменчивые ветры, поднимается теплый воздух, опускается холодный, возникают и тают облака, а температура резко падает при подъеме вверх.

Невольно возникает вопрос, почему же наверху холодно? Ведь Земля получает тепло от Солнца. Казалось бы, чем ближе к Солнцу, тем должно быть теплее.

Это объясняется свойствами атмосферы. Посмотрите на рисунок II. На нем голубыми линиями обозначены видимые солнечные лучи. Атмосфера прозрачна. Видимые лучи проходят сквозь нее беспрепятственно, только облака отражают их в большом количестве. Лучи доходят до земной поверхности и нагревают ее. Всякое нагретое тело излучает, в соответствии со своей температурой. Земля излучает невидимые инфракрасные лучи (они обозначены красными линиями). Эти лучи сильно поглощаются водяным паром и углекислым газом, находящимися в нижних слоях атмосферы. Таким образом, воздух получает тепло от земли, чем ближе к земле — тем теплее.

До стратосферы не доходят потоки нагретого у поверхности воздуха. Кроме того, там нет углекислого газа, водяного пара и облаков. Только изредка на высоте 28-30 километров наблюдаются перламутровые облака (10).

Итак, мы находимся на высоте 22 километров (рисунок III). Над головой небо темнолиловое, чернильного цвета. Ниже лиловый цвет переходит в темносиний. На горизонте довольно резкая грань отделяет синюю стратосферу от белесовато-голубой тропосферы. Внизу серая дымка. В ней громоздятся облака, похожие на горы. С трудом можно уловить очертания города. Все тонет в серой мгле. Странно выглядит на черно-синем фоне неба сероватое, не очень яркое солнце. Неподалеку от него серп луны, почти такой же яркий, как ночью. Но звезды еще не видны. Возможно, их гасит отраженный свет земли.

Вскоре появляются и они. Сначала, конечно, планеты: Венера, Юпитер. Затем звезды: голубоватый Сириус, похожее на сноп созвездие Ориона. В ваших широтах оно видно в зимние ночи, а в стратосфере, кроме того, в летние дни.

Но увлекшись звездами, мы забыли о приборах. Что это с нашим специальным электрическим термометром? Он показывает ноль градусов. Температура медленно продолжает повышаться. На 40-м километре — плюс 30 градусов, на 50-м — плюс 60, еще выше — 75 градусов. За областью вечной зимы мы неожиданно встретили слой горячего воздуха (14).

На существование этого слоя впервые указал советский профессор Виткевич. В 1920 году в Москве произошел взрыв. Взрыв этот был слышен в Калуге, в Рязани. Но ближе к Москве во многих городах звук взрыва не был слышен совсем. Почему же звуковая волна перескочила через близлежащие города? Очевидно, она поднялась в стратосферу, встретила там какое-нибудь препятствие и отразилась к Земле. Профессор Виткевич предположил, что такого рода препятствием, изменяющим направление звука, мог быть слой теплого воздуха.

Существование горячего слоя зависит от озона хорошо известного газа, запах которого слышится в воздухе после грозы. Больше всего озона на высоте 22-25 километров (9), но и там количество его скромное: миллионные доли процента. Однако роль озона огромна. Он почти целиком поглощает ультрафиолетовые лучи, идущие от Солнца. Эти лучи губительно действуют на живые существа. Таким образом, невидимая озоновая броня предохраняет жизнь от ультрафиолетовых лучей.

Поглощая лучистую энергию и превращая ее в тепловую, озон нагревает окружающие газы, отчего и образуется горячий слой (14). Но в этом горячем слое мы могли бы замерзнуть. Здесь велика температура, то есть средняя скорость молекул, но количество молекул в разреженном воздухе очень мало. В конечном итоге мало и количество тепла. Ночью, когда нет прямых солнечных лучей, нам было бы здесь очень холодно.

Поглощение ультрафиолетовых лучей показано на рисунке II. Здесь же вы видите космические лучи, условно изображенные желтыми линиями. Эти таинственные лучи, самые мощные из всех известных нам, приходят из неведомых межзвездных просторов. Попадая в земную атмосферу, они сталкиваются с молекулами газов и образуют целые каскады вторичных частиц. Количество частиц возрастает, а энергия каждой отдельной частицы убывает. Бóльшая часть этих ослабленных частиц кончает свой путь в нижних слоях стратосферы, только отдельные доходят до земной поверхности.

Достигнув плюс 75 градусов, температура начинает понижаться. Но вот неожиданное зрелище. Внезапно огненная нить разрезает небосклон. За ней другая. Сверкнув, пролетает огненный шарик, оставляя освещенный Солнцем буроватый дымный след (рисунок IV). Это метеоры (прежде их неправильно называли падающими звездами) — ничтожные песчинки, залетевшие из космических пространств в земную атмосферу. Мы видели конец их существования. Врезавшись в атмосферу со скоростью несколько десятков километров в секунду, космические частицы мгновенно раскаляются и испаряются. Метеоры (18) обычно загораются на высоте 100-160 километров и гаснут около 80 или еще ниже. Только самые крупнее — уже не песчинки, а камни-метеориты пробивают насквозь стратосферу и, потеряв здесь скорость, падают на землю.

Между тем, мы приближаемся к 82 километру — замечательной в своем роде грани. Впервые ученые обратили внимание на эту грань лет 60 тому назад, когда русский астроном Цераский изучал плавающие здесь серебристые облака (16). Это самые высокие облака. Они находятся на строго определенной высоте — 82 километра, и до сих пор неизвестно, из чего они состоят — из капелек воды, частиц соли, вулканической или метеорной пыли.

Здесь же проходит температурная граница. Понизившись снова до минус 75 градусов, температура отсюда начинает повышаться. В самых верхних слоях атмосферы она доходит по подсчетам ученых до 4000 градусов, но повторяем: там высока температура, то есть средняя скорость молекул, а тепла мало — слишком мало молекул.

Мы уже покинули стратосферу и вступили в ионосферу — третью область атмосферы.

Ионосфера была открыта благодаря радио. Первоначально радиовещание проводилось только на длинных волнах. Волны же короткие были предоставлены радиолюбителям для экспериментов. И вдруг неожиданно для специалистов оказалось, что любители на коротких волнах переговариваются с самыми отдаленными странами, совершенно недоступными для мощных радиостанций.

Короткие волны распространяются по прямой линии. Почему же они огибают земной шар? Видимо, есть какие-то области в атмосфере, отражающие радиоволны, подобно зеркалам, по направлению к земле.

И действительно, изучая отражение радиоволн, ученые обнаружили такие «зеркальные» слои. Сейчас известен слой «D» (15) на высоте 60-80 километров, слой «Е» (17) — около 100 километров, слой «F₁» (21) на высоте около 200 километров; кроме того, слои «F₂» (22), «G₁» «G₂» «С» и так далее. (Ионизированные слои на рисунке условно показаны желтыми точками, а отражение радиоволн изображено на схеме V). Ионизированные слои создаются самыми мощными ультрафиолетовыми лучами Солнца, более мощными чем те, которые поглощает озон. Эти лучи в верхних слоях атмосферы разбивают молекулы кислорода и азота и электризуют (ионизируют) атомы, превращают их в электрически заряженные ионы.

Ионизированный воздух проводит электричество, а радиоволны отражаются от проводников. Именно поэтому слои ионосферы могут отражать радиоволны.

В ионосфере иногда можно наблюдать красивое зрелище... Но для этого нам нужно направиться на север к полярному кругу.

Вот далеко над горизонтом загорается бледнозеленый свет, что-то вроде отблеска огней далекого города. Потом появляется широкая светлая дуга. Небо под ней кажется особенно темным. Затем дуга превращается в лучи, перебегающие по небосклону. Временами они собираются пучком, словно лучи прожектора при салюте. Внезапно сияющий занавес закрывает северную половину неба. Весь он соткан из переливающихся лучей — сверху соломенно-желтых или зеленых, внизу — малиновых, фиолетовых, розовых. Занавес волнуется, будто сильный ветер колышет его.

Мы вступили в область полярных сияний (19). Нижняя граница их проходит на высоте 80-100 километров. Природу этого полярного фейерверка впервые разгадал наш великий соотечественник Михаил Васильевич Ломоносов ровно 200 лет тому назад. Он писал в 1753 году: «Весьма вероятно, что северные сияния рождаются от прошедшей на воздухе электрической силы». Современная наука подтвердила мнение Ломоносова. Полярные сияния действительно вызываются наэлектризованными частицами. Эти частицы вылетают в большом количестве из активных областей Солнца. Магнитное поле Земли отклоняет их к полюсам. И там в верхних слоях атмосферы они возбуждают свечение разреженных газов, сходное со свечением в пустотной трубке. («В шаре, из которого воздух вытянут» — писал Ломоносов.)

Но вот полярное сияние уже под нами. Мы — на высоте 200 километров (рисунок VI). Отсюда хорошо видна кривизна Земли. Землю ореолом окружает слой плотного воздуха. Дымка скрывает поверхность, с трудом угадываются очертания морского берега. В дымке снежные холмики облаков. Наверху на звездном небе видны и Солнце и Луна. Рядом с ярким серпом хорошо видна темная часть Луны, освещенная пепельным светом. И у Солнца видна жемчужная корона, если заслонить диск рукой.

Но где же конец нашего пути, где конец атмосферы? По наблюдениям ученых освещенные дневным светом фиолетово-серые полярные сияния (23) наблюдаются до высоты 1100 километров. Значит и там есть разреженный газ, способный светиться. Значит и там — атмосфера.

Конечно, этот газ необычайно разрежен. Давление на уровне моря в среднем равно 760 миллиметров ртутного столба. В лабораториях удается получить разрежение — вакуум в 1 миллиардную часть миллиметра. На высоте 1100 километров давление гораздо меньше.

Отдельные молекулы газа могут здесь без всякой помехи вылетать за пределы атмосферы. Поэтому эта область называется сферой рассеяния. Отсюда небольшая часть газов, главным образом легких, улетучивается в межпланетное пространство.

Приблизительно на расстоянии 2500-3000 километров от Земли плотность газов — одна молекула на кубический сантиметр. Здесь атмосфера незаметно переходит в межпланетное пространство. Можно считать, что здесь, где-то между 1000 и 3000 километров, проходит граница атмосферы.

А далее на многие миллионы километров тянутся почти пустые межзвездные просторы. Годами можно путешествовать по ним, прежде чем мы встретим другие тела. Но об этих телах речь пойдет в следующий раз.