6. Там, где исчезает голубой цвет неба

Там, где исчезает голубой цвет неба

 Природа наделена гораздо более
 богатым воображением, чем мы.

Паркер Е. Космические магнитные поля

Аудитория физфака МГУ. В глубине амфитеатра - длинный массивный стол, за ним - две доски во всю стену. Если нажать кнопку, полотно доски с шуршанием уходит вверх, поднимая только что написанные формулы и открывая место для новых.

Высокий плотный человек расхаживает там, внизу, читая нам, студентам, лекцию. Подняв в очередной раз глаза от конспекта, я вдруг понимаю, что он исчез. Легкий шок. Аудитория еще наполнена его голосом, сверху прекрасно обозревается место, где он должен быть и где теперь его нет. Знакомый голос:

- Вы меня слышите?

Я растерянно, вместе со всеми:

- Слышим...

- А видите?

- Нет!

Бог ты мой! Его голова показывается над столом, и он с торжеством заканчивает:

- А все потому, что световая волна короче звуковой!

Где же он там мог спрятаться? Как-то неуловимо быстро все возвращается на свои места, крупная фигура профессора снова стоит во весь рост, лекция продолжается:

- Стол не был препятствием для звуковой, более финной, волны и оказался препятствием для световой, более короткой. Вообще волны взаимодействуют лишь с теми объектами, размеры которых сравнимы с длиной волны или превышают ее...

Столько лет прошло, а вот ощущаешь какую-то неловкость, рассказывая об этом эпизоде, словно выставляешь напоказ рабочий момент нашей "внутрицеховой" жизни, когда о впечатлении, которое ты можешь произвести на людей посторонних, не думаешь, потому что нет их, посторонних. Мы чувствовали, что собрались вместе делать одно дело. Это ощущение создавал профессор. Он читал истово, непосредственно, как работают одаренные по-настоящему художники.

Недавно я видела, как в большом московском книжном магазине люди деловито раскупали его книгу - вузовский учебник по очередному разделу физики... Впрочем, все это - лирика. Физика здесь - лишь утверждение: волны взаимодействуют только с теми объектами, размеры которых сравнимы с длиной волны или превышают ее.

К XX веку это было хорошо известно ученым. Мягко говоря, безнадежной казалась им затея молодого итальянского инженера Гульельмо Маркони установить радиосвязь через Атлантический океан. Передатчик в Англии, приемное устройство далеко за горизонтом, в Северной Америке. Стоит сопоставить ширину океана, радиус Земли и длину волны, которую может послать передатчик, как вся нелепость предприятия выступает наружу. Выпуклость Земли - непреодолимое препятствие для этих волн. Ученые не скрывали своего мнения и всячески пытались урезонить энтузиаста.

Маркони же, не обращая внимания на резонные возражения и советы, деятельно готовился к эксперименту. Во время своих опытов по еще недалекой радиосвязи ему удавалось добиваться распространения радиоволн на все большие расстояния, и он предположил, что с чувствительным приемником и достаточно мощным передатчиком можно попытаться передать сигнал через океан.

Как известно, в 1901 году его дерзость увенчалась полнейшим успехом: и выпуклость земного шара не помешала, и величина сигнала, принятого в Америке, оказалась неожиданно большой. Специалистам пришлось срочно искать объяснение этому чуду.

Появилась гипотеза, что над планетой существует отражатель радиоволн, проводящее "зеркало", отправляющее радиоволны туда, за горизонт. Мы называем теперь такой электропроводящий слой, сильно влияющий на распространение радиоволн, ионосферой. Уже через год после эксперимента Маркони американский инженер-электрик А. Кеннели и английский физик О. Хевисайд предположили его существование.

Мало сказать, что гипотеза эта была встречена недоверчиво. Известно, что авторитетный научный журнал "Электричество" в то время не принял к печати статью на эту тему, объявив саму идею существования ионосферы вздорной. "Иногда достаточно обругать человека, чтобы не быть им обманутым!" - так считал, видимо, не один наш Козьма Прутков.

Впрочем, гипотеза о наличии в атмосфере проводящего слоя высказывалась и раньше. Ее содержала вышедшая в 1882 году работа шотландского физика и метеоролога В. Стюарта. Автор ее пришел к выводу, что электрические токи, текущие в этом слое, могут отвечать за магнитные возмущения на поверхности Земли. Время подтвердило это предположение: мы теперь знаем, что многие возмущения магнитного поля действительно связаны с ионосферными токами. Заметим, что появление работы Стюарта совпало с проведением в 1882-1883 годах Первого Международного полярного года, столетие которого только что отмечалось, - действительно первой попытки согласованных геофизических наблюдений, выполненных учеными разных стран на широкой сети наблюдательных станций. Вряд ли это было совпадением: Полярный год привлек внимание исследователей к проблемам геофизики.

"Идея была. А веры ей не было, - пишет о гипотезе существования ионосферы советский геофизик Э. С. Казимировский в своей научно-популярной книге "Волшебное зеркало планеты". - Новые представления, тем более столь радикально меняющие наши взгляды на проблему, далеко не сразу становятся общепринятыми. Долгое время предположения о наличии в верхней атмосфере электропроводящего слоя, способного отражать радиоволны, считались недоказанными".

Несмотря на замечательный успех эксперимента Маркони, к выпуклости Земли по-прежнему относились как к непреодолимому препятствию для радиоволн. Ретроспективно это выглядит довольно комично. Стремясь установить дальнюю радиосвязь, старались использовать длинные волны, ибо, как мы знаем, волны взаимодействуют лишь с теми объектами, размеры которых сравнимы с длиной волны или превышают ее, и длинным волнам легче преодолеть препятствие - выпуклость Земли. Но связь на длинных волнах оказывается очень дорогой: по законам радиотехники длинную волну излучает длинная антенна, поэтому приходилось строить огромные антенные системы и мощные передатчики, занимающие целые здания и потребляющие очень много энергии. Это вполне могло служить декорацией к фильмам о торжестве науки и техники - масштабы впечатляют, но толку от всего этого было мало.

Есть еще один диапазон волн - короткие. Но ими пренебрегали именно потому, что, используя их, не было надежды преодолеть выпуклость Земли. Кроме того, распространяясь вдоль земной поверхности, короткие волны затухают быстрее длинных: чем радиоволна короче, тем больше она тратит энергии, создавая электрические токи в толще Земли. Казимировский рассказывает: "На короткие волны серьезные связисты сначала и внимания-то не обращали. Этот диапазон оставили для развлечения радиолюбителей, которые сами строили маломощные радиостанции с небольшими антеннами (волны-то короткие!) и устанавливали радиосвязь друг с другом".

По его словам, в отношении специалистов к гипотезе существования радиозеркала, ионосферы, "коренной перелом наступил тогда, когда стало известно, что коротковолновики-радиолюбители бьют все рекорды дальней связи... Уже в 1922 году радиолюбители установили уверенную двустороннюю связь между Европой и Америкой. Специалисты были потрясены. Самодельные маломощные передатчики оказались более дальнодействующими, чем длинноволновые правительственные радиостанции, обладавшие большой мощностью и крупногабаритными антеннами, мачтами и башнями".

Вскоре служебные радиостанции стали регулярно применять короткие волны для дальней связи. А в 1925 году ионосфера, "волшебное зеркало планеты", была открыта экспериментально. Группа английских радиофизиков в одной из лабораторий Кембриджского университета сконструировала приемные антенны, которые не только принимали сигналы удаленных радиостанций, но и можно было с их помощью определить направление прихода радиоволн. Передатчик был расположен на севере Англии, а приемник - на юге. Расстояние между ними было около 400 километров. Когда посмотрели, откуда приходит к приемнику радиосигнал, то оказалось, волна принимается не с севера, а сверху! 1925 год стал "годом рождения" ионосферы.

Ионосфера - это промежуточный слой между плазмой магнитосферы и нейтральной атмосферой Земли, в котором свободные заряженные частицы, обеспечивающие перенос заряда, электрический ток, перемешаны с нейтральными. Советский специалист в области распространения радиоволн А. Н. Щукин писал: "Можно сказать без преувеличения, что не будь отражения и преломления радиоволн в верхних слоях атмосферы, роль радио как средства связи сократилась бы на 90-95 процентов". Так что нашим привычным радио мы обязаны космосу.

Знать детально состояние "радиозеркальной оболочки" Земли было бы очень полезно. Если бы умели уверенно расшифровывать ее свойства, мы могли бы полнее эти свойства использовать. Замечено, например, что радиоволны после отражения от ионосферы и затем от какого-либо предмета могут вернуться по своему пути обратно, к тому месту, откуда они вышли. Значит, в принципе можно видеть то, что делается за горизонтом - на расстояниях до нескольких тысяч километров. Для сравнения заметим, что обычный радиолокатор, работающий в режиме "прямого зрения", обнаруживает самолет, летящий на высоте 10 тысяч метров, с расстояния до 400 километров. При высоте полета 100 метров еще ближе - с расстояния 50 километров.

Но задача точного описания отражающего действия ионосферы далеко не простая. Существуют целые институты, в названия которых вынесены слова "ионосфера и распространение радиоволн". Приложили усилия к исследованиям этой проблемы физики А. Зоммерфельд и В. А. Фок, внес свой вклад в нее, еще будучи аспирантом МГУ, и Р. В. Хохлов.

Для нас ионосфера - продолжение космоса. Создается она действием космических факторов на верхние слои земной атмосферы. Уже не раз мы говорили, что волны взаимодействуют лишь с теми объектами, размеры которых сравнимы с длиной волны или превышают ее. Коротковолновое - ультрафиолетовое и рентгеновское - излучение Солнца сильно действует на нейтральные частицы атмосферы, приводя к возникновению всякого рода обломков: молекулы разбиваются на атомы, появляются свободные электроны и разные ионы. К тому же частицы, усваивая "лишнюю" энергию, становятся возбужденными, способными испускать порции (кванты) электромагнитных волн, светиться. Нам нет надобности обсуждать в подробностях эти квантовомеханические процессы, благодаря которым ионосфера запасает энергию. Пусть лишь прозвучит "за кадром" старая песенка московских студентов-физиков:

 А энергия лишь квантом излучается, 
 И лишь квантами обратно поглощается. 
 И, с одной орбиты сбитый, 
 На другую вмиг орбиту 
 Электрон всегда скачком перемещается!

В ней все правильно.

Когда обломки, встречаясь между собой, восстанавливают свою целостность или когда возбужденная частица превращается в невозбужденную, запасенная ранее энергия излучается в виде световых квантов. Поэтому верхние слои атмосферы, принимающие на себя основной удар коротковолнового излучения Солнца, светятся по-особому, не так, как ее нижние слои.

Днем это собственное свечение верхней атмосферы забивается ярким солнечным светом, рассеянным нейтральными частицами атмосферы. Но запасенная в ионосфере энергия освобождается и ночью. Поэтому в ясную безлунную ночь небосвод, если наблюдать его с Земли, имеет примерно в два раза большую яркость, чем можно ожидать при учете лишь одного света звезд.

Это слабое свечение ночного неба - прямая родня полярному сиянию, в обоих случаях светится одна и та же среда. Только энергия для свечения черпается из разных источников: это либо запасенная ионосферой энергия электромагнитного излучения Солнца, либо (в случае полярных сияний) энергия частиц, приходящих из магнитосферы и бомбардирующих верхние слои атмосферы. Впрочем, высыпающиеся из магнитосферы частицы вносят свой вклад и в общее свечение ночного неба, только высыпания слабые и свечение слабое. Частицы верхних слоев атмосферы получают энергию и при сгорании попавших в нее мелких метеоритов. Кончается тем же: возвращаясь в нормальное состояние, частицы испускают кванты света различной окраски - различных длин волн.

Этим свечением верхние слои атмосферы как бы сообщают о себе, о своем химическом составе, о возбудителях свечения и о многом другом. Так, почти 100 лет назад физики обнаружили в спектре ночного свечения неба яркую зеленую линию. В земных лабораториях такого не наблюдалось. Предположили, что в атмосфере Земли имеется неизвестный газ, дали ему название "геокороний". Но потом оказалось, что эту линию излучают атомы кислорода, не связанные в молекулы. Этот атомарный кислород существует лишь на высотах 100 километров и выше, у нас же, на дне "воздушного океана", атомы кислорода всегда объединены в молекулы газа кислорода по двое.

Воздух ниже высоты 100 километров хорошо перемешан и по составу практически не отличается от приземного (мы отвлекаемся от различия примесей, которое позволяет говорить о слое озона, обсуждать, где находятся пары воды и прочее), только плотность его быстро спадает по мере удаления от Земли. На высоте 100 километров по понятиям земной физики - высокий вакуум, но по составу - это обычный воздух. Выше меняется и состав.

Эта высота, 100 километров, примечательна во многих отношениях. Мы видели, что примерно здесь находится нижняя граница полярных сияний. Свечение ночного неба говорит о том, что свободные электрические заряды в верхних слоях атмосферы есть и ночью. И действительно, особенности распространения радиоволн показывают, что отражающее электропроводное радиозеркало существует круглосуточно, оно окружает нашу планету со всех сторон. Причем электрическая проводимость атмосферы нарастает с высотой весьма показательно: она мала между поверхностью Земли и той же высотой - примерно 100 километров, выше резко увеличивается (днем она, естественно, намного больше, чем ночью, потому что в ионосфере больше "обломков", а значит, и свободных зарядов).

Можно сказать, что на этой 100-километровой высоте проходит граница земного и космического. Обращенная к Земле часть космоса, ионосфера, - последняя важная Для нас деталь устройства космического телевизора, который показывает нам полярные сияния.

Все земные электронные или просто электротехнические устройства выполняют свои функции потому, что Детали их имеют неодинаковое сопротивление: где надо - поставлен проводник, где надо - изолятор. Проводящий слой, ионосфера, примыкает к магнитосфере и переходит в нее. Они обмениваются между собой электрическими зарядами (токами). Но физические свойства у них различны. Плазма магнитосферы разрежена и состоит в основном из свободных заряженных частиц. Плазма ионосферы гуще, плотность свободных носителей зарядов здесь намного больше, но эти свободные заряды представляют собой малую примесь к нейтральным частицам, с которыми им приходится сталкиваться при движении. Поэтому ионосфера и магнитосфера отличаются и электрическим сопротивлением. Не вдаваясь в подробности, проинформируем читателя, как работает эта "небесная электротехника".

Электропроводящие свойства наших проводников таковы, что при обмене зарядами между ионосферой и магнитосферой токи "предпочитают" течь вдоль силовых линий магнитного поля. В нижней ионосфере в отличие от верхней заряды перетекают также и поперек силовых линий, причем делают это тем легче, чем больше в ионосфере свободных заряженных частиц. Иначе говоря, с увеличением числа носителей зарядов в ионосфере падает ее сопротивление поперечному (по отношению к магнитным силовым линиям) току. С этим связан интересный эффект, когда космические проводники, ионосфера и магнитосфера, как бы сами себя выводят на режим короткого замыкания.

В лабораторных плазменных установках в тех областях, где по плазме течет достаточно сильный ток вдоль силовых линий магнитного поля (продольный ток), появляются частицы, намного более энергичные, чем частицы окружающей плазмы. И летят они также вдоль силовых линий магнитного поля.

Подножия магнитных силовых линий, проходящих по магнитосфере, находятся в ионосфере. Легко представить себе, что будет, если в магнитосферной плазме появится такой достаточно сильный продольный ток: в ионосферу посыпятся энергичные частицы. Разрушая нейтральные частицы ионосферы, они создадут в ней добавочные свободные заряды, и сопротивление ионосферному поперечному току упадет. Ситуация становится похожей на короткое замыкание. Из житейского опыта хорошо известно, что при этом происходит: резко увеличивается ток в подводящих проводах. В данном случае это продольные токи из ионосферы в магнитосферу и наоборот. Но с увеличением продольных токов создаются условия для усиленного высыпания в ионосферу энергичных частиц. Процесс таким образом развивается, и режим все больше напоминает короткое замыкание.

По-видимому, такой механизм участвует в создании спокойных дуг полярных сияний: и тех, что тянутся на тысячи километров, и тех, что покороче. Дело здесь не в их длине, а в том, что поперек дуги физические величины распределены знакомым нам образом: пара продольных токов, один течет из магнитосферы в ионосферу, другой - в обратном направлении (рис. 7); над дугой со спутников наблюдаются энергичные частицы - те, что вызывают свечение; в ионосфере увеличено количество свободных заряженных частиц в области свечения, то есть там, где энергичные частицы разбивают нейтральные. Вся эта система очень узкая и правильная, как сама дуга.

Рис. 7. Дуга полярного сияния в поперечном сечении (внизу) и токи над ней

Но ясно, что такой процесс должен идти не только в области спокойных дуг полярных сияний. Мы говорим о дугах просто потому, что они лучше изучены: спокойные легче наблюдать и осмысливать. Для описанного здесь процесса важен дополнительный обстрел ионосферы энергичными частицами. Такие частицы появляются в магнитосфере во время возмущенных состояний космоса, о которых пойдет речь в следующей главе. Заметим еще, что есть идея вызвать подобный процесс путем искусственного (с помощью ракет) введения заряженных частиц в ионосферу - другими словами, уменьшая ее сопротивление поперечному току.