ВОКРУГ СВЕТА №8-1965

МАЛАЯ КОСМИЧЕСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ

ГОРЯЧИ ЛИ НЕБЕСА НАШЕЙ ПЛАНЕТЫ

А. ГАНГНУС

Рисунки Г. КОВАНОВА

Легендарный Икар не внял советам Дедала. Он поднялся слишком высоко в небо, распались его крылья, скрепленные легкоплавким воском, и разбился солнцелюбивый Икар. Так повествует легенда. Она казалась правдивой: чем ближе к Солнцу, тем как будто должно быть теплее.

Но почему же тогда вершины высоких гор покрыты вечными снегами и жители долин, поднимаясь в горы, одеваются в теплые одежды? Зябко кутались в шубы и первые воздухоплаватели на воздушных шарах. Значит, чем выше, тем холодней?

По-видимому, говорили ученые, тепло, посланное Солнцем, «впитывается» поверхностью Земли. Нагреваясь, она передает это тепло ближайшим слоям воздуха. Поэтому, чем выше, чем разреженней атмосфера, тем ниже температура, а в самом космическом пространстве и холод «космический». Самые высокие полеты стратостатов и шаров-зондов как будто бы подтверждали эту схему, но...

ЗВУК И ТЕПЛО

Еще во время первой мировой войны русский ученый В. И. Виткевич обратил внимание на рассказы людей, которые утверждали, что иногда канонаду можно отчетливо услышать за 400 километров от фронта, в то время как в ста километрах ничего не слышно.

Разобраться в этих явлениях исследователю помог случай. И случай, можно сказать, трагический. 9 мая 1920 года в Москве взорвались крупные артиллерийские склады. Инженер опросил не один десяток жителей Подмосковья, чтобы установить, какова была слышимость взрыва. И вот что оказалось.

Вслед за «зоной нормальной слышимости» радиусом 60 километров шло «кольцо молчания» шириной около 100 километров. Потом снова возникала «зона слышимости».

Виткевич утверждал, что звуковой «луч» описывает гигантскую дугу где-то в стратосфере, и предложил даже организовать специальные взрывы для... исследования стратосферы.

Дело в том, что скорость звука меняется в зависимости

от плотности и температуры среды. При этом меняется и его направление. Звук преломляется. Чем резче меняется температура с высотой, тем больше преломление. В определенных условиях звук, преломляясь все сильнее, испытывает, как говорят ученые, полное внутреннее отражение в атмосфере и достигает поверхности Земли за сотни километров от источника. Значит, «поймав» звук, прошедший через стратосферу, можно по крутизне его траектории выявить закономерности распределения температуры по высоте.

Во время Второго Международного Полярного года (1932— 1933 годы) серия взрывов разорвала тишину полярной ночи на Новой Земле и Земле Франца-Иосифа.

Оказалось, до высоты 14 километров температура резко падала, достигая минус 60 градусов. В этой зоне Икар скорее бы превратился в сосульку. Выше, к 40 километрам, температура медленно повышалась до минус 48 градусов. Здесь Икар, верно, начинал бы потихоньку «оттаивать». Но потом он попал бы в довольно сложный переплет — еще каких-нибудь 5 километров, и температура подскакивала чуть ли не до 60 градусов тепла!

Итак, ответить на вопрос, горячи или холодны небеса нашей планеты, оказалось не так-то просто.

Кроме того, науке нужна была точная, поградусная проверка «температуры неба». А любые термометры — даже самых хитроумных конструкций — в данном случае не годились: прямые солнечные лучи, почти не нагревая воздуха, легко изменяют температуру любых непрозрачных тел, вставших на их пути, в том числе и самих термометров!

И все-таки ученые научились измерять температуру неба.

СФЕРЫ И ПАУЗЫ

...Голубой луч прожектора, как гигантская колонна, поддерживающая ночной небосвод, теряется в вышине. И чем ярче тот или иной участок «колонны», значит тем плотнее в этом месте атмосферный воздух.

А плотность его, как известно, закономерно связана с температурой. И наш луч прожектора оказывается чем-то вроде наглядной шкалы, на которой ученые прочли, как меняются плотность и температура с высотой.

Но выше 70 километров от поверхности Земли световой колонне уже не во что «упереться». Здесь слишком редко «попадаются» молекулы атмосферы, благодаря, которым виден свет прожектора. Тогда ученые призвали на помощь... метеоры.

Методом оптического наблюдения за метеорными следами советские ученые В. В. Федынский и К. П. Станюкович открыли новый холодный слой на высоте 80 километров, где температура доходила до 70 — 80 градусов ниже нуля.

Но, наблюдая за торможением первого советского спутника и его ракеты-носителя, ученый из ФРГ X. Петцольд установил, что на 200 километрах температура достигает плюс 1000, а на 500 километрах — 2500 градусов тепла!

Постепенно тепловая структура земной атмосферы становится все более и более отчетливой.

Самый нижний слой атмосферы. тот, в котором мы живем, называют тропосферой. Толщина его 10—12 километров в умеренных широтах и 16— 17 в тропиках. Здесь с высотой температура понижается до минус 55—60 градусов. От этой холодной границы тропосферы, называемой тропопаузой, температура до 35 километров почти не меняется, а затем до высоты 45 — 55 километров медленно повышается. Это стратосфера, верхнюю теплую границу которой — уже упомянутый теплый слой — называют стратопаузой. Выше, до восьмидесятого километра, — мезосфера, пояс нового падения температуры. Верхняя граница этой сферы называется мезопаузой. Отсюда температура быстро повышается. Это термосфера. С 500 километров она переходит в экзосферу — место утечки атмосферных газов в пространство. Она «раскалена» до нескольких тысяч градусов.

Но мало было открыть температурные слои атмосферы — надо как-то объяснить их существование. Этих объяснений и гипотез значительно больше, чем открытых сфер и пауз.

РАСКАЛЕННОЕ НИЧТО

Сомнений не было, пожалуй, только в том, что главный «нагреватель» верхних слоев атмосферы — Солнце. Но непосредственно нагреть своими лучами атмосферу (как, например, воду) Солнце не сможет — слишком прозрачен и разрежен атмосферный газ. Как же нагревается в таком случае этот самый газ?

В «пойманном» на Земле спектре Солнца зияют пробелы — полосы поглощения, как их называют физики. До земной поверхности полностью не доходят солнечные, рентгеновы и гамма-лучи и почти полностью ультрафиолетовые. Их энергия тратится в разных слоях атмосферы на химические реакции, идущие с выделением тепла.

Но ученые считают, что этого тепла слишком мало, чтобы нагреть верхние слои атмосферы. Некоторые исследователи выдвинули следующую гипотезу. Врываясь на большой скорости в экзо- и термосферы, потоки межпланетной пыли отдают энергию своего движения частицам разреженного газа, заставляя их «пошевеливаться» быстрее, то есть увеличивая температуру этого газа.

Во время Международного геофизического года американским ученым С. Чепменом была выдвинута гипотеза о том, что солнечная корона, начинаясь недалеко от верхней границы солнечной атмосферы, распространяется «в окрестности» на 8600 радиусов Солнца и охватывает всю нашу планетную систему. Температура этой сверхкороны огромна и падает постепенно по мере удаления от Солнца.

Если вблизи самого Солнца она равна миллиону градусов, то на орбите Меркурия сверхкорона нагрета до 280 тысяч градусов, а Венеры — до 240 тысяч. У орбиты Марса космос накален до 190 тысяч градусов, Юпитера — до 135 и Сатурна — до 115 тысяч градусов. А космические окрестности нашей Земли нагреты до 219 тысяч градусов.

Итак, почти 220 тысяч градусов — на пороге нашего дома! Не опасно ли? Ничуть. Чудовищная температура «окрестного» космоса из-за крайней разбросанности носителей этой температуры — частиц межпланетного газа — может достаточно сильно нагревать лишь те слои атмосферы, которые сравнимы с космосом по числу частиц на кубическую единицу пространства. Массивным спутникам и межпланетным станциям этот «жар» не страшен. Не страшен этот жар и для нас.

С каждым километром вниз, в более плотные слои термосферы, температура уменьшается на 4 градуса. И на высоте уже 80 километров тепловое влияние космоса полностью нейтрализуется внутренними законами атмосферы — надежной «шубы» нашей планеты.

* * *

Итак, если бы Икар мог действительно залететь беспредельно высоко, то по пути ему пришлось бы терпеть и антарктический холод двух холодных слоев и жару стратопаузы, где его крылья могли бы расплавиться. Выше он попал бы в пекло сотен и тысяч градусов, но не ощутил бы даже легкого тепла. Наоборот, в раскаленном, но почти пустом пространстве он замерз бы окончательно. «Тепло» там только очень редким частицам газа.