Никола Тесла — повелитель молний. Научное расследование удивительных фактов. - Олег Фейгин

На высотах в тысячи километров основными элементами экзосферы (внешней атмосферы) становятся водород и гелий. Среда ионосферы все время находится в бурном движении, перерастающем в настоящие ураганы, правда, незаметные на земной поверхности. Однажды, в середине прошлого века, ученые даже наблюдали загадочные облакообразные полярные сияния, мчавшиеся со скоростью свыше 3000 км/ч.

Поскольку на границе экзосферы плотность газов ничтожно мала, молекулы и атомы мо1ут беспрепятственно разгоняться до второй космической скорости. При такой скорости любое тело преодолевает земное притяжение и уходит в космос. То же самое происходит с газовыми частицами водорода и гелия. Но, несмотря на утечку легких газов из земной атмосферы, ее состав не меняется, так как происходит непрерывный процесс восполнения за счет газов земной коры и испарения океанов. К тому же часть тех же атомов и молекул поступает из межпланетной среды при обтекании земной экзосферы.

Много затратили ученые, чтобы раскрыть основные черты ионосферы и нарисовать ее «портрет». Каждый шаг в этом направлении требовал новых экспериментов, остроумных гипотез и сложных вычислений. ...Портрет ионосферы, который предстает перед нашими глазами, - не застывшая картина. Он все время меняется, и не только из-за того, что сама ионосфера изменчива, а в основном потому, что все более и более богатыми и достоверными становятся наши знания. Некоторые элементы этого своеобразного портрета вдруг бледнеют, а затем исчезают совсем. Это значит, что определенное научное предположение оказалось опровергнутым новыми данными .Другие же элементы портрета, наоборот, становятся более четкими и ясными. Эт получается тогда, когда удачные эксперименты неопровержимо подтверждают выдвинутую гипотезу.

Ф.И. Честнов. В глубинах ионосферы

Рис. 56. Солнечный ветер

Отсюда следуют многие удивительные эффекты, и в частности сильное влияние состояния ионосферы на наземную радиосвязь. Вот почему изучение свойств и процессов верхних воздушных слоев стало одной из важных задач современной науки И недаром в последние годы оформилась и быстро развивается новая область научного знания, занимающаяся этой проблематикой, — аэрономия. Несомненно, что перед ней очень большое будущее.

Видный радиофизик Ф. И. Честное в научно-популярной книге «В глубинах ионосферы» писал:

«Высокое небо. Прозрачный воздух. На первый взгляд кажется, что на большой высоте царят покой и безмятежность. Но если бы мы обрели волшебную способность видеть молекулы и атомы, нас поразило бы зрелище мира, который поистине никогда не знает покоя. Часто случаются взрывы и катастрофы. Разрушаются одни частицы, рождаются другие. И виновником этих непрекращающихся превращений является Солнце»(см. рис. 57 на вклейке).

Но так ли уж легко космические электромагнитные колебания могут преодолеть толщу ионосферы? В приповерхностном слое — тропосфере — воздух представляет собой смесь нейтральных молекул различных газов (в основном азота, кислорода и углекислого). Следовательно, если нас окружает сухой воздух, то его можно считать хорошим изолятором.

Иначе обстоит дело в глубинах ионосферы. Там воздушная среда вполне способна проводить электрический ток, поскольку вместо нейтральных молекул и атомов она содержит электроны и ионы. Вспомним, что ионы — это положительно или отрицательно заряженные частицы, возникающие под воздействием каких-либо внешних факторов из первичных нейтральных атомов и молекул. Наличие ионов и дало соответствующее название — «ионосфера» — этой части воздушного океана Земли.

Ученые давно выяснили, что молекулы воздуха на всем протяжении стратосферы постоянно находятся в сложном движении. Потоком этого непрекращающегося движения захвачены и ионы с электронами. Они непрерывно участвуют в противоположных процессах ионизации и нейтрализации — рекомбинации ионов, идущих с различной скоростью на разных высотах.

Предоставим еще раз слово Федору Ивановичу Честнову:

«Представьте себе толпу, в которой каждый человек торопится в нужном ему направлении. Люди будут сталкиваться друг с другом почти на каждом шагу. Но вот толпа поредела, стало свободнее; теперь уже столкновение — редкий случай. Примерно то же мы будем наблюдать и в мире молекул.

Вот мы спускаемся ниже и попадаем в более плотные слои. Частицы воздуха здесь гуще, значит, столкновения происходят чаще и рекомбинация идет быстрее. Поднимаемся выше, в разреженные слои: столкновения частиц становятся реже, а воссоединение ионов и электронов в нейтральные молекулы идет очень медленно.

Что же произойдет, если действие ионизирующего излучения в верхней атмосфере прекратится?

Очевидно, электроны снова “вернутся на свои места”, ионизированные частицы в конце концов станут нейтральными, а свободные заряды постепенно исчезнут и воздух потеряет электрическую проводимость. Если же ионизирующее излучение будет действовать постоянно и с неизменной силой, то появление новых свободных электронов уравновесит их убыль — насыщенность воздуха свободными зарядами меняться не будет».

Именно так возникают замечательные по своей красоте полярные сияния (лат. — auroras borealis), давшие свое название этому удивительному природному феномену.

Поверхность Земли — не самое лучшее место для наблюдения за полярными сияниями: во-первых, почти всегда их надо наблюдать ночью, когда не мешает солнце; во-вторых, наблюдениям могут помешать облака.

Этих трудностей можно избежать, если следить за полярными сияниями из космоса, где к тому же нет искажающего влияния нижних плотных слоев атмосферы. Наблюдения с пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций дали богатый материал о пространственном расположении сияний, их изменении во времени и о многих особенностях этого явления. Более того, космические аппараты позволили выполнять измерения внутри полярного сияния. При этом одинаково удобно исследовать сияния и в Северном, и в Южном полушарии. Таким способом можно наблюдать сияния и на дневной стороне Земли.

Интересно, что энергичные протоны, вторгаясь в верхнюю атмосферу и вызывая протонные сияния, часть своего пути движутся как нейтральные атомы водорода. В этом случае они свободны от действия магнитного поля Земли и, имея большие (протонные) скорости, могут проникать в области, недоступные заряженным частицам. Вследствие этого области, где наблюдаются протонные полярные сияния, отличаются большой протяженностью. Вспышки северного сияния обычно появляются через день-два после вспышек на Солнце. Это служит непосредственным доказательством взаимосвязи между упомянутыми явлениями.

Полярные сияния — «собственность» не только Земли. Например, они четко наблюдаются в плазмосферах планет — газовых гигантов Юпитера и Сатурна, а также на некоторых их спутниках, окруженных собственными атмосферами (рис. 58).

Можно с уверенностью сказать, что исследования последних десятилетий, включая изучение этого явления с искусственных спутников Земли и ракет и создание искусственных сияний, существенно обогатили наши знания о полярных сияниях. Ясно, что не только открыта тайна полярных сияний, но и накоплен большой фактический материал об окружающем нашу планету пространстве, состоянии межпланетной среды и солнечном излучении, включая потоки заряженных частиц. И тем не менее проблема полярных сияний еще далека от своего решения.

Действительно, мы знаем, что полярное сияние — это свечение верхней атмосферы в высоких широтах Северного и Южного полушарий Земли, вызванное энергичными заряженными частицами, вторгающимися в земную магнитосферу на своем пути от Солнца. Известны и основные закономерности проявления полярных сияний: их зависимость от высоты, географического положения, солнечной активности, возмущений магнитного поля Земли и т. д. И все же в настоящее время мы еще не можем не только описать количественно это явление, но и предсказать заранее многие закономерности предстоящего полярного сияния. Проблема полярных сияний оказывается слишком сложной и многоплановой. Например, до сих пор неясна их связь с погодой. Северяне хорошо знают, что полярные сияния чаще наблюдаются в морозные ночи. Объяснения этому пока нет.

Полярное сияние на Юпитере имеет ту же природу, что и на Земле: быстрые электроны, дрейфующие в магнитосфере планеты вдоль силовых линий между полюсами, высыпаются у полюсов в верхние слои атмосферы и вызывают свечение газа. Полярное сияние Юпитера интенсивнее всего в ультрафиолете, поскольку основные спектральные линии водорода, который доминирует в атмосфере Юпитера, лежат именно в данной части спектра.