Никола Тесла — повелитель молний. Научное расследование удивительных фактов
Шрифт:
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
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).
Рис. 58. Юпитерианские сияния
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,
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.
Природа полярных сияний продолжает волновать ученых. Можно сказать так: внимание к ним растет пропорционально росту наших интересов к процессам, происходящим и в атмосфере Земли, и на Солнце, а также благодаря возросшим техническим возможностям науки. Теперь у исследователей полярных сполохов появились могущественные помощники — геофизические ракеты, искусственные спутники Земли, снабженные самой современной аппаратурой. Приборы, установленные на спутниках, уже дали ученым немало ценнейших сведений о самых высоких слоях земной атмосферы — их химическом составе, строении, плотности и многом другом.
Все это позволило кое-что уточнить в представлениях о природе полярных сияний, что-то пересмотреть, от чего-то полностью отказаться. Идет быстрый процесс углубления знаний, и он еще далек от завершения (см. рис. 59 на вклейке).
Рис. 59.
На рисунке видны окружающие полюс Сатурна кольца ультрафиолетовых полярных сияний. Поднимающиеся более чем на тысячу километров над верхней границей облачного покрова, эти полярные сияния во многом напоминают аналогичные земные явления. Природа сатурнианских сияний связана с потоками энергичных заряженных частиц солнечного ветра, направленных магнитным полем планеты в полярные области, где они начинают активно взаимодействовать с атмосферными газами. На изображении, выполненном в условных цветах, протяженные красные области полярного сияния соответствуют излучению атомарного водорода, белые области связаны с водородными молекулами. Полярные сияния в мощных атмосферах планет газовых гигантов имеют ту же природу, что и в земной плазмосфере. Главные отличия связаны со строением отдельных магнитосфер.
Так, новейшие данные, полученные с помощью современных средств исследования, приводят некоторых ученых к предположению, что полярные сияния — это следствие взаимодействия ультрафиолетового излучения Солнца с очень разреженным воздухом, который на больших высотах находится в атомарном состоянии. Происходит ионизация воздуха — превращение нейтральных атомов в заряженные ионы. Существование в верхних слоях атмосферы ионосферы — области, хорошо проводящей электричество, — уже прочно доказано.
Наиболее убедительным доводом в пользу того, что мы понимаем какое-нибудь физическое явление, является его повторение в лаборатории. Это удалось сделать и для полярного сияния — создать его искусственно в лаборатории с масштабами нашей планеты (см. рис. 60 на вклейке). Данный эксперимент, получивший название «Араке», был проведен в свое время совместно российскими и французскими учеными.
Рис. 60.
В качестве лабораторий были выбраны две магнитосопряженные точки на поверхности Земли (то есть две точки на одной и той же силовой линии магнитного поля). Ими были: для Южного полушария — французский остров Кергелен в Индийском океане, а для Северного — поселок Согра в Архангельской области. С острова Кергелен стартовала геофизическая ракета с небольшим ускорителем частиц, который на определенной высоте создал поток электронов. При движении вдоль магнитной силовой линии от Земли, которая над экватором была уже на расстоянии 20 000 км, эти электроны проникли в Северное полушарие и вызвали искусственное полярное сияние над Согрой. К сожалению, облака не позволили визуально наблюдать это сияние с поверхности Земли. Однако радарные установки четко зарегистрировали его.