"Техника-молодежи" 1959 г №5, с.6-8, обл 4

Рис К. ВЕЧКАНОВА

Если всего лишь полвека назад для техники было «безразлично» состояние высоких слоев атмосферы, то сейчас это положение резко изменилось. Точные данные о плотности и составе воздуха на больших высотах, об интенсивности и энергии космических лучей, ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, о метеоритной опасности необходимы для расчета линий радиосвязи, полета ракеты или спутника, взлета или посадки межпланетного корабля. Вот почему а последние годы внимание ученых приковано к изучению свойств верхней атмосферы.

К началу Международного геофизического года, различными методами (вплоть до ракетных) земная атмосфера была изучена до высоты 100 км.

Некоторые ученые считали, что на высотах более 100 км имеет место непрерывный рост температуры. Поскольку одной только энергии жесткого электромагнитного излучения Солнца недостаточно для того, чтобы обеспечить столь сильный разогрев земной атмосферы, то был высказан ряд предположений о причинах этого явления. Предполагали, например, что атмосфера разогревается межпланетным газом, который является продолжением солнечной короны и температура которого будто бы достигает нескольких сот тысяч градусов.

Так как верхняя атмосфера сильно ионизирована, то высказывалось предположение, что разогрев ее происходит за счет циркуляции ионизированной среды в магнитном поле Земли. Высказывалось также мнение, что разогрев вызван поглощением в верхних слоях атмосферы инфразвуковых волн, приходящих из нижних слоев.

Наиболее же распространенной точкой зрения была такая, которая вообще исключала возможные источники разогрева, предполагая, что верхняя атмосфера имеет очень малую плотность и температура ее не превышает 1000°.

С ПОМОЩЬЮ СПУТНИКОВ

Запуск а космическое пространство искусственных спутников Земли впервые позволил однозначно определить плотность атмосферы вплоть до высоты 700 км.

Для измерения ничтожных плотностей газовой среды, составляющих стомиллионные и миллиардные доли плотности воздуха на уровне моря, были применены специальные вакуумные манометры.

ПОЯСНЕНИЕ К РИСУНКУ НА 4-й СТРАНИЦЕ ОБЛОЖКИ: С левой стороны изображен «газовый хвост» Земли, протянувшийся на 100 тыс. км в мировом пространстве. На таблице слева показано изменение состава атмосферы с высотой, каким оно представлялось раньше. Считали, что под действием земного притяжения в приземных слоях сосредоточиваются наиболее тяжелые газы — кислород и азот, а верхние слои атмосферы целиком состоят из наиболее легкого газа — водорода. Температура верхней атмосферы считалась неизменной (50° ниже нуля), а границей атмосферы принималась высота 1 000 км. Справа показано изменение состава атмосферы с высотой по данным искусственного спутника. Там же нанесены кривые изменения с высотой температуры и концентрации частиц. Обратите внимание на человечков с измерительными приборами. Оказалось, что и температура и концентрация частиц в верхних слоях атмосферы гораздо выше, чем предполагали раньше. На таблице показаны также средства для изучения атмосферы — шары-зонды, метеорологические ракеты, газовые облака, выпускаемые ракетами, и искусственный спутник Земли.

На рисунке «внизу художник «изобразил устройство магнитного электроразрядного манометра. В этом приборе имеются две катодные пластины, между которыми расположен кольцевой электрод, выполняющий роль анода. На анод через сопротивление подается постоянное напряжение величиною в несколько тысяч вольт. Манометр помещается в зазор постоянного магнита таким образом, чтобы магнитные силовые линии были направлены перпендикулярно к плоскости катодных пластин.

Если вблизи одной из катодных пластин (например, в результате космической радиации) появится электрон, то под влиянием совместного действия электрического и магнитного полей он будет двигаться к положительно заряженному аноду по траектории, имеющей вид винтовой линии с малым шагом. Благодаря кольцеобразной форме анода электрон не может сразу попасть на него, а пролетает внутри анодного кольца по направлению к противоположной пластине катода, тормозится ею и двигается в обратном направлении, совершая таким образом многократные колебания около плоскости анода. Такое удлинение пути электронов значительно увеличивает вероятность их встречи с молекулами газов и ионизации последних. В манометре возникает электрический разряд, а величина разрядного тока зависит от числа частиц в объеме прибора.

Устройство ионизационного манометра показано на верхнем рисунке. Этот прибор представляет собою стеклянную колбу, на ножке которой укреплена цилиндрическая сетка. Внутри сетки вдоль ее оси натянута тонкая проволока, служащая коллектором положительных ионов, а снаружи сетки на той же ножке укреплен вольфрамовый метод. Этот катод накаливается до высокой температуры (около 1700°) и испускает электроны, которые ускоряются по направлению к положительно заряженной сетке. Электроны пролетают между редкими витками сетки, но отталкиваются отрицательно заряженным коллектором. Совершая колебательное движение около сетки, электроны сталкиваются с атомами и молекулами газа, попадающего из внешней атмосферы в рабочую полость манометра, и производят их ионизацию. Образующиеся при этом положительные ионы притягиваются отрицательно заряженным коллектором и отдают ему свой заряд. Число ионов, а следовательно и ток в цепи коллектора, зависит от числа частиц в объеме прибора.

Эти манометры применялись как при ракетных исследованиях атмосферы, так и при измерении давления и плотности на третьем советском искусственном спутнике Земли (ИСЗ). Установленные на наружной поверхности спутника манометры с помощью герметических разъемов соединялись с измерительной аппаратурой и источниками питания, находящимися внутри спутника, а показания приборов с помощью радиотелеметрической системы передавались на Землю. Перед установкой на спутник манометры были тщательно откачаны до высокого вакуума и запаяны. Заборные отверстия манометров автоматически вскрывались с помощью разбивающего механизма только после того, как ИСЗ вышел на орбиту.

Величина давления в рабочей полости манометра зависит не только от того, каково давление в свободной атмосфере. Поскольку спутник мчится с колоссальной скоростью (8 км/сек), меняя все время свой угол «атаки» и медленно вращаясь вокруг своей продольной оси (совершая один оборот за 18 минут), давление в манометре все время меняется. Все зависит от того, как расположено заборное отверстие относительно потока газа. Если оно окажется на тыльной стороне спутника, то прибор попадает в область «молекулярной тени», число влетающих в прибор частиц будет ничтожно мало, и он зарегистрирует «данный вакуум». Если же поток газа будет направлен в манометр, то вследствие «скоростного напора» количество молекул, попадающих в его рабочую полость, резко возрастает и соответственно увеличивается измеряемое давление.

ВСЕМ, ВСЕМ! ГОВОРИТ СПУТНИК. ЗДЕСЬ МНОГО ВЕЩЕСТВА И ВЫСОКАЯ ТЕМПЕРАТУРА. Я РАЗВЕДЫВАЮ ПУТИ В КОСМОС

Для того чтобы по измеренному давлению определить давление или плотность в свободной атмосфере, нужно в каждый момент времени знать, как ориентирован спутник в пространстве. Здесь на помощь приходит магнитометр. Помимо своего прямого назначения — измерения магнитного поля Земли, он позволяет с помощью двух потенциометрических датчиков определить ориентацию спутника в пространстве и тем внести соответствующие поправки в показания манометров.

Для того чтобы вокруг спутника не могла создаться собственная «атмосфера» за счет выделения газов, захваченных из нижних слоев атмосферы и пробившихся изнутри спутника, к его герметичности предъявлялись очень жесткие требования, а его поверхность изготовлялась из материалов, обладающих ничтожным газовыделением.

Как известно, верхняя атмосфера настолько сильно ионизирована, что в каждом ее кубическом сантиметре может находиться до миллиона ионов. Для того чтобы ионы не попали в рабочую полость прибора и тем самым не исказили результатов измерений, на входе каждого манометра были установлены специальные ионные ловушки.

Установленные на ИСЗ манометры позволяют не только измерять плотность атмосферы на различных высотах, но и выяснять, как она изменяется на различных широтах в различное время суток.

Помимо этого, плотность атмосферы в районе перигея (минимальной высоты орбиты) спутника может быть определена без манометров по наблюдаемому торможению спутника.

Несмотря на то, что движение спутников происходит в чрезвычайно разреженных слоях земной атмосферы, где сила сопротивления даже в наиболее низкой части орбиты не превосходит двух граммов на 1 м² поперечного сечения, все же соударения спутника с молекулами и атомами газа вызывают его торможение, приводящее к сокращению орбиты и уменьшению периода обращения.

Кроме манометрических измерений и наблюдений за торможением спутников, для определения плотности атмосферы на больших высотах был применен еще один метод. Для этого при одном из пусков геофизической ракеты на высоте 430 км в течение короткого промежутка времени было проведено испарение атомарного натрия и проведено его воспламенение. Наблюдение за скоростью расплывания натриевого облака позволило определить плотность земной атмосферы на этой высоте, которая оказалась в хорошем соответствии со значениями, выведенными из анализа торможения ИСЗ.

Зная изменение плотности с высотой, можно определить так называемую «высоту однородной атмосферы». Это та условная высота, до которой нужно сжать всю вышележащую атмосферу, чтобы заключенный в оставшемся слое воздух имел одинаковый молекулярный вес, одинаковую плотность, давление и температуру равные их значениям у основания слоя. Чем больше молекулярный вес и меньше температура воздуха, тем меньше высота однородной атмосферы.

Так, например, у поверхности Земли, где молекулярный вес воздуха равен 29 г/моль, а температура близка к комнатной, высота однородной атмосферы равна 8 км. Торможение спутников и манометрические измерения показывают, что на уровне 500 км высота однородной атмосферы достигает 100 км. Это говорит о том, что на больших высотах плотность значительно медленнее убывает с высотой, нежели на более низких высотах, и, кроме того, указывает на большую температуру, присущую этим слоям атмосферы. Учитывая, что на высоте 500 км молекулярный вес воздуха уменьшается почти вдвое, можно вычислить, что температура молекул воздуха на этой высоте достигает 1500—1700°, то есть равна температуре плавления стали.

Однако это совершенно не означает, что заброшенное на эту высоту тело (будь то ракета, спутник или космический корабль) будет воспринимать такую высокую температуру. Вследствие чрезвычайно малой плотности среды и колоссальной скорости движения космического корабля его температура будет определяться в основном лучистой энергией, которую он будет поглощать от Солнца, Земли и нижних слоев атмосферы. Например, расположенные на поверхности третьего искусственного спутника кремниевые батареи в зависимости от того, находятся они в тени или на солнце, меняют свою температуру от 16 до 30° и безотказно работают в течение целого года, питая электрическим током установленный на спутнике радиопередатчик.

АТМОСФЕРА «ДЫШИТ»

Наблюдение торможения спутников и манометрические измерения говорят о высокой температуре верхней атмосферы и ее значительно более плотной, чем полагали прежде, структуре и полностью опровергают существовавшее ранее мнение о холодной, сильно разреженной атмосфере.

Не следует, однако, предполагать, что атмосфера является чем-то застывшим, неизменным и обладает раз навсегда установившимися свойствами.

Многочисленные наблюдения за полярными сияниями, изменением магнитного поля Земли, сумеречными явлениями, свечением ночного неба, метеорами и ионосферой навели ученых на мысль, что атмосфера расширяется при нагревании днем и сжимается при охлаждении ночью и в ней имеют место солнечные и лунные приливы.

Однако только экспериментальные исследования на ИСЗ и проведенные в период МГГ пуски высотных ракет (в том числе в полярных районах) впервые позволили установить закономерности этих явлений.

Было обнаружено, что дневные летние значения плотности на высоте 200 км больше ночных зимних почти в 20 раз, а что плотность атмосферы в полярных районах примерно в 5 раз больше, чем вблизи экватора. Было установлено, что на земную атмосферу исключительно большое воздействие оказывает Солнце и те многочисленные процессы, которые на нем происходят. Солнечная радиация и извергаемые Солнцем частицы являются причиной магнитных бурь, вызывают полярные сияния и ионизацию верхних слоев атмосферы.

Было обнаружено, что сильные магнитные бури одновременно сопровождаются увеличением торможения спутника, что, по-видимому, связано с увеличением плотности и температуры атмосферы.

Кроме того, сопоставление интенсивности вспышек на Солнце с изменением торможения спутника показывает, что существует связь между колебаниями плотности или температуры атмосферы и происходящими на Солнце процессами.

ГАЗОВЫЙ ХВОСТ ЗЕМЛИ

По мере уменьшения плотности воздуха с высотой одновременно уменьшается вероятность столкновения молекул между собою. При значительных температурах, начиная с некоторого уровня, называемого уровнем диссипации, скорости молекул могут достигать величины порядка 12 км/сек, вследствие чего молекулы начинают покидать атмосферу, уходя в межпланетное пространство по параболическим траекториям, фокус которых находится в центре Земли.

Чем легче газ, тем быстрее он покидает пределы земной атмосферы. На высотах порядка 300 км, где температура достигает 1 000°, частицы наиболее легкого газа — водорода — ускользают из земной атмосферы в течение нескольких лет после появления в ней. Для ускользания гелия при этих условиях требуются миллионы лет, но и этот промежуток времени невелик по сравнению с возрастом Земли, который исчисляется миллиардами лет.

Вследствие этого в атмосфере содержится сравнительно мало гелия, несмотря на то, что он непрерывно выделяется радиоактивными элементами земной коры.

Более тяжелые газы (например, неон) ускользают значительно медленнее. Что касается заряженных частиц (ионов), то они удерживаются не только полем земного тяготения, но также и магнитным полем Земли, и для их ускользания из атмосферы требуются значительно большие скорости.

Где же граница земной атмосферы? На какой высоте воздушная оболочка Земли переходит в межпланетный газ? Что представляет собой этот межпланетный газ и каковы его свойства?

Если сравнительно еще недавно ученые считали, что граница земной атмосферы лежит где-то на высоте около 1 000 км, то исследования с помощью спутников существенно отодвинули эту границу. Торможение спутников показало, что даже на высоте 700 км в каждом кубическом сантиметре содержится около миллиона молекул, а установленный на третьем советском спутнике радиочастотный масс-спектрометр зарегистрировал на высоте 800 км более 160 тысяч положительных ионов атомарного кислорода и азота в каждом кубическом сантиметре. Эти факты говорят о том, что земная атмосфера простирается значительно дальше, чем предполагалось ранее, и что ее следы имеются даже на высоте 2 000 — 3 000 км.

Внешняя форма воздушной оболочки Земли не шарообразна, а вытянута с ночной стороны Земли наподобие кометного хвоста. Длина этого хвоста достигает 100 000 км, а его свечение указывает на то, что он состоит из кислорода и азота, как и вся остальная атмосфера Земли. Причиной возникновения этого газового хвоста не может являться ускользание газов, так как последнее должно быть направлено во все стороны одинаково. Хвост образуется, по-видимому, в результате давления солнечных лучей на частицы самых верхних слоев земной атмосферы.

Что касается межпланетного газа, то наши представления о нем также существенно изменились. Если несколько лет назад считали, что плотность межпланетного газа ничтожна и концентрация частиц в нем не превышает нескольких единиц в кубическом сантиметре, то в последнее время возникла другая точка зрения, по которой межпланетный газ является более плотной средой с концентрацией около 1 000 частиц в кубическом сантиметре.

Эта точка зрения вытекает как из наблюдения за свечением «газового хвоста» Земли, так и из характера распространения так называемых «свистящих атмосфериков» — низкочастотных электромагнитных колебаний, вызываемых электрическими разрядами в атмосфере. Распространение этих колебаний указывает на то, что межпланетный газ сильно ионизирован и в каждом кубическом сантиметре его содержится около 1 000 электронов.

Однако ионизация межпланетного газа может быть вызвана не только свободными электронами, но и межпланетной пылью. Кроме того, ряд ученых высказывает мнение, что в межпланетном пространстве нет сплошной газовой среды, а имеют место только отдельные корпускулярные потоки сильно ионизированного газа, которые выбрасываются с поверхности Солнца и движутся с колоссальной скоростью, достигающей нескольких тысяч километров в секунду.

Эти потоки состоят из электронов и протонов — ядер водорода, причем их концентрация иногда достигает 1 000 частиц в кубическом сантиметре.

Какова же на самом деле природа межпланетного газа, покажут результаты эксперимента по изучению газовой составляющей межпланетного вещества и корпускулярного излучения Солнца, аппаратура для проведения которого установлена на первой советской космической ракете.