Загадки астрономии - Отто Байндер

А теперь вернемся в земную атмосферу; здесь количество загадок еще более возрастает.

Загадка 5. Вызывают ли «прямоугольные» облака ураганы и торнадо?

В 60-х годах XX века при помощи спутников Тирос начала создаваться космическая система предсказания погоды. Жалоба Марка Твена, цитировавшего Дадли: «Все толкуют о погоде, но никто не может повлиять на нее», наконец потеряет свою злободневность. Наблюдения облаков телеобъективами Тироса показали, что океанские циклоны по своим размерам значительно больше, чем раньше предполагалось, — до 3000 км в диаметре. Эти циклоны оказывают влияние на движения земной атмосферы в целом и тем самым на погоду.

Тирос 4, специально спроектированный как «охотник за ураганами» (запущен 8 февраля 1962 г.), зарегистрировал облако почти правильной прямоугольной формы, которое, по-видимому, способно порождать смерчи. Хотя этот факт нуждается в подтверждении, он все же показывает, как открытие явления до сих пор неизвестного помогает объяснить на первый взгляд совершенно непонятное поведение погоды на Земле.

А теперь поднимемся выше облаков, туда, где расположен источник других загадок.

Загадка 6. Тянется ли экзосфера примерно до расстояния 100 000 км — внешних границ магнитного поля Земли?

Современные представления о различных слоях атмосферы — тропосфере (11 км), стратосфере (80 км), ионосфере (1000 км) — были существенно дополнены новыми, полученными при помощи спутников данными. С высотой химический состав ионосферы резко меняется. Азот и кислород сменяются водородом — самым легким газом во Вселенной. Теперь известно, что между ними находится гелиосфера — зона гелия, простирающаяся от 1200 до 2000 км, а уже над ней расположена протоносфера — зона ионизованного водорода.

Но исследователи атмосферы не уверены, что экзосфера — последний чрезвычайно разреженный слой, состоящий из атомов, ионов и электронов, постепенно исчезает, переходя в «настоящее» космическое пространство уже на высотах от 10 000 до 30 000 км, как предполагалось прежде. Счетчики Гейгера, установленные на спутнике Эксплорер 12 с большим апогеем, обнаружили разреженную газовую плазму значительно дальше. Эти заряженные частицы, удерживаемые земным магнитным полем, проникают до расстояний пяти — восьми диаметров Земли в зависимости от меняющегося излучения Солнца. Но временами космонавты будут обнаруживать «языки» атмосферы, простирающиеся на 100 000 км — четверть расстояния до Луны.

Загадка 7. Являются ли свечение ночного неба и полярные сияния следствием соответственно химических и электрических реакций?

Даже в безлунную ночь небо часто ярче, чем оно было бы только при свете звезд. Своеобразное свечение, охватывающее весь небосвод, оставалось тайной для астрономов в течение трех с половиной столетий, и впервые ключ к разгадке его происхождения подобрали опять-таки ракеты космического века. Геофизические ракеты для исследований верхней атмосферы были оборудованы спектроскопическими приборами, которые зарегистрировали на высоте около 40 км известную ученым зеленую линию — «отпечаток пальцев» атомарного кислорода. В нижних слоях атмосферы кислород, которым мы дышим, обычно существует в виде двухатомных молекул. Выше 40 км не встречающее препятствий ультрафиолетовое излучение нагревает молекулы кислорода и азота, до тех пор пока они не распадаются на атомы. Ночью, когда одиночные атомы снова соединяются — рекомбинируют, поглощенная ими солнечная энергия освобождается и возникает таинственное свечение неба.

Однако эта теория объясняет не все, и, по-видимому, важную роль может играть другой фактор. Возможно, это солнечное излучение, под действием которого образуются свободные радикалы, — отдельные части химических соединений (например, четырехокись азота N2O4 распадается в верхней атмосфере на три заряженные компоненты, несущие положительный и отрицательный заряды). Если плотность воздуха велика, они существуют лишь очень короткие промежутки времени. Но в ионосфере, где частицы могут быть удалены друг от друга на расстояния в несколько сантиметров или метров, свободные радикалы могут не сталкиваться и не объединяться в течение длительных промежутков времени. Оторванные друг от друга солнечным излучением свободные радикалы, рекомбинируя, вновь освобождают накопленную энергию в виде свечения неба.

Возможно, что недавно открытое пылевое облако вокруг Земли также вносит свой вклад в появление сияния, отражая свет Солнца либо превращая космические лучи в видимый свет. В любом случае для окончательного решения загадки свечения ночного неба требуется дальнейшее зондирование атмосферы ракетами.

Информация, полученная при помощи первых спутников, казалось, позволила дать простое объяснение такому явлению, как полярные сияния. Но вскоре были получены новые данные и опять возникло много неясностей. Полярные сияния наблюдаются на обоих магнитных полюсах Земли. Очевидно, какие-то частицы, движущиеся вдоль магнитных силовых линий, реагируют с молекулами газов воздуха, вызывая полярные сияния. Неясно, однако, что это за частицы. Первоначально им приписывали солнечное происхождение, пока открытие радиационных поясов[1] не указало на другой возможный источник этих частиц.

Сейчас ученые собирают новые сведения обо всех подобных видах излучения и пока воздерживаются от вынесения окончательного приговора. Ключом к решению проблемы послужила бы регистрация одновременного появления полярных сияний на обоих полюсах установленными на спутниках датчиками. Это было бы указанием на то, что радиационному поясу, имеющему форму бублика и одинаково удаленному от магнитных полюсов Земли, больше подходит роль первичного возбудителя полярных сияний, чем потокам частиц от Солнца, которые в некоторых случаях могут проникать только к одному полюсу и едва касаться другого.

Еще два вида свечения небосвода не относятся к околоземным атмосферным явлениям, а рождаются далеко в космосе.

Загадка 8. Какое межпланетное вещество вызывает зодиакальный свет и противосияния?

Зодиакальный свет появляется над горизонтом сразу после захода Солнца и лежит в поясе зодиакальных созвездий, вдоль которого проходят пути планет по небосводу. Он имеет форму сахарной головы (конуса). Постепенно бледнея во время сумерек, зодиакальный свет совершенно исчезает, когда наступает полная темнота.

Очевидно, это слабое отражение солнечного света каким-то веществом за пределами земной атмосферы, в малоизученной межпланетной плазме. Одно из предположений состоит в том, что Солнце окружено пылевым облаком, подобным земному, но значительно большим, которое достигает максимальной толщины вблизи орбиты Венеры и сильно отражает солнечный свет. В соответствии с более поздней гипотезой солнечная атмосфера (корона), излучающая энергию, простирается так далеко от Солнца, что видна с Земли как образование, сияющее собственным светом.

Зодиакальный свет всегда наблюдается в той же стороне, что и Солнце, а в направлении точно противоположном местоположению Солнца появляется противосияние. Следовательно, противосияние может возникнуть только в антисолнечной точке в полночь. Из-за света звезд лишь тренированный глаз может различить очень слабое круглое туманное пятнышко, которое и представляет собой противосияние.

Попытки объяснить его происхождение обычно пополняли число научных курьезов, но старая идея американского астронома Барнарда была вновь вызвана к жизни благодаря космическим зондам, которые обнаружили в межпланетном пространстве облако микрометеоритной пыли. Законы тяготения допускают, что на расстоянии 1 500 000 км от Земли в антисолнечной точке действует «гравитационная ловушка», совершающая оборот вокруг Солнца в течение года, как и Земля, она-то и увлекает за собой легкое вещество. Короче говоря, этот «призрак» всегда остается в антисолнечной точке и находится достаточно далеко от Земли, чтобы не попадать в ее тень. Сгусток пыли в пространстве мог бы отражать солнечный свет и вызывать таинственное противосияние.

Исследования космического века приводят к открытиям не только внеатмосферных явлений, но и явлений, связанных с самой земной атмосферой.

Загадка 9. «Дышит» ли Земля, периодически расширяя и сжимая воздушную оболочку, под влиянием изменений интенсивности солнечного излучения?

Эту загадку загадали спутники, когда приборы одного из них обнаружили аномально высокую плотность воздуха на высоте около 240 км, в то время как другой через несколько дней зарегистрировал в той же зоне в десять раз меньшую плотность. Так как эти колебания продолжались, удивленные ученые решили, что воздушные «приливы», подобные морским, иногда посылают гигантские волны из нижних, более плотных слоев атмосферы на огромные высоты. Старое название атмосферы — воздушный океан Земли — стало теперь вполне оправданным.