Штурм неба

Однако шар-зонд обладает крупным недостатком — он далеко уносит приборы. Не всегда их удаётся найти, а иногда приборы попадают в водоёмы или под дождь, и тогда записи измерений оказываются испорченными. Там, где населённых пунктов мало, выпускать шары вообще не имеет смысла, так как приборы будут возвращаться крайне редко.

Но даже и в том случае, когда прибор найден и возвращён на место выпуска, проходит очень много времени, прежде чем его записи будут обработаны и станет известно, как же изменялись давление, температура и влажность по высоте во время подъёма шара-зонда.

Между тем, в работе Службы погоды необходимо получать эти сведения как можно быстрее — лучше всего непосредственно во время полёта. Ясно, что шары-зонды не могли удовлетворить этим требованиям.

Чтобы получать показания приборов во время самого полёта, был создан новый прибор, получивший название радиозонда (рис. 12).

Рис. 12. Радиозонд в полете.

Радиозонд автоматически с помощью маленького радиопередатчика посылает условные сигналы о величине давления, температуры и влажности на Землю. Идея этого замечательного неодушевлённого исследователя атмосферы принадлежит советскому учёному профессору П. А. Молчанову.

Первый в мире радиозонд, построенный под его руководством, был выпущен в Павловске, около Ленинграда, 30 января 1930 года. Он достиг высоты 9 километров. Этот полет доказал, что автоматическая передача метеоданных на Землю с помощью радиопередатчика возможна. В 1931 году была организована экспедиция в село Полярное, недалеко от Мурманска, для исследования верхних слоёв атмосферы в Арктике. Эта экспедиция дала первые сведения о состоянии атмосферы во время полярной ночи.

В том же году радиозонды выпускались П. А. Молчановым в Арктике с дирижабля[3]. Эти исследования показали, что в полярных районах среднегодовая нижняя граница стратосферы лежит на высоте около 10 километров; зимой она снижается до высоты в 8–9 километров.

В наши дни организовано систематическое радиозондирование атмосферы. Аэрологические станции два раза в день в одни и те же сроки выпускают в воздух радиозонды. Сведения о температуре, давлении и влажности верхних слоёв, полученные по радио, аэрологические станции сообщают в Центральный институт прогнозов, где составляются очередные прогнозы погоды.

Первые радиозонды П. А. Молчанова достигали высоты 8—10 километров, в 1934 году эта высота увеличилась до 25 километров. Сейчас наибольшая высота подъёма радиозонда составляет 36,5 километра. Это достигнуто в результате совершенствования радиозонда — уменьшения веса приборов и улучшения качества оболочки.

Высота подъёма радиозонда и шара-зонда ограничена главным образом качеством оболочки. Сначала делали матерчатую оболочку. Так как при подъёме вверх объём такой оболочки не изменяется, а плотность окружающего воздуха уменьшается, то уменьшается и подъёмная сила шара. Когда шар достигал высоты, где его подъёмная сила приближалась к нулю, он, плавая в атмосфере, удалялся на большие расстояния от места выпуска.

Чтобы шар поднимался выше и не улетал далеко, матерчатую оболочку заменили резиновой. При подъёме шара давление окружающего воздуха уменьшается, и благодаря этому водород, содержащийся в оболочке, увеличивается в объёме и растягивает её. Но растяжению резины тоже есть предел. На некоторой высоте резина разрывается, и приборы возвращаются на Землю.

Чем лучше качество резины, тем выше может подняться шар. При подъёме шара на высоту до 30 километров объём оболочки увеличивается почти в 90 раз. При этом толщина стенки оболочки уменьшается примерно в 17 раз. При подъёме от 30 до 40 километров объём шара должен увеличиваться ещё почти в два раза.

Совершенно очевидно, что даже для достижения высоты 40 километров оболочка должна быть сделана из резины очень высокого качества.

Ракета. Мы уже знаем, что самолёт не может летать без воздуха. Воздух необходим и для полёта аэростата и шара-зонда.

Ракета же не нуждается в воздухе. Больше того, атмосферный воздух только мешает её полёту, создавая сопротивление её перемещению и несколько ухудшая работу двигателя.

Внешний вид ракеты показан на рисунке 13.

Рис. 13. Внешний вид ракеты.

В камеру сгорания (рис. 14) подаётся горючее (например, керосин) и окислитель (например, азотная кислота).

При горении образуются газы, которые вытекают из камеры через отверстие в её задней стенке.

На рисунке 14, а стрелками изображено распределение давления по поверхности камеры сгорания при работе двигателя у поверхности земли.

Рис. 14. Схема показывает, как возникает сила тяги в ракетном двигателе.

Силы, приложенные к боковым поверхностям и уравновешивающие друг друга, на рисунке не показаны. Сила давления газов на переднюю стенку камеры больше, чем на заднюю, так как площадь задней стенки меньше на величину отверстия; результирующая сила будет направлена в сторону передней стенки.

Тяга всегда направлена в сторону, противоположную направлению вытекающих из камеры сгорания газов. Когда газы выбрасываются в сторону Земли, тяга направлена вверх.

Величина тяги зависит от давления газов в камере и от площади выходного отверстия. Чем больше давление газов и площадь выходного отверстия, тем больше тяга двигателя. Чтобы ракета могла лететь вверх, необходимо, чтобы сила тяги превышала вес ракеты.

Представим теперь, что двигатель работает на такой высоте, где нет воздуха, а значит, нет и внешнего давления. Давление на внутренней поверхности камеры распределится так же, как и в первом случае (рис. 14, б). Исчезновение внешних сил давления приведёт к увеличению результирующей силы, направленной вперёд, хотя процесс горения в камере и распределение давления внутри неё совершенно не изменились. Таким образом, при отсутствии атмосферы ракетный двигатель развивает большую тягу, чем при наличии её. Это ценное свойство ракетного двигателя позволяет использовать его для исследования очень высоких слоёв атмосферы.

Ракетный двигатель работает и в атмосфере и в безвоздушном пространстве. Это не значит, что ракета может достигнуть любой высоты. Наибольшая высота подъёма ракеты зависит от совершенства двигателя и самой ракеты, а также от вида применяющегося топлива.

Ещё в 1903 году знаменитый русский учёный К. Э. Циолковский опубликовал работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этой работе Циолковский предложил применить для реактивного двигателя жидкое топливо как наиболее удобное для высотных полётов и дал первую схему ракеты с жидкостно-реактивным двигателем.

«В качестве исследователя атмосферы, — писал Циолковский, — предлагаю реактивный прибор, то-есть род ракеты, но ракеты грандиозной и особенным образом устроенной…».

В 1947 году ракета с жидкостно-реактивным двигателем достигла высоты 187 километров.

Ещё большей высоты подъёма можно достичь с помощью «ракетного поезда» — составной ракеты. В работе «Космические ракетные поезда» в 1929 году Циолковский описал устройство предлагаемой им составной ракеты и подсчитал возможную высоту её подъёма.

Составная ракета представляет собой несколько отдельных ракет, соединённых одна с другой подобно вагонам поезда. Ракеты работают последовательно одна за другой. Ракета, использовавшая своё топливо, отсоединяется от поезда и падает на Землю. Составная ракета в полёте показана на рисунке 15.

Рис. 15. Ракетный поезд в полёте.

Составные ракеты уже используются для аэрологических наблюдений. В 1949 году был запущен ракетный поезд из двух ракет, из которых нижняя достигла высоты около 32 километров, затем отделилась от верхней и упала на Землю, а верхняя достигла высоты 400 километров.

Скорость перемещения ракеты в полёте определяется с помощью радиолокатора. Направление её движения поддерживается автопилотом. Если из-за порыва ветра или из-за неравномерности в работе двигателя она начнёт отклоняться от заданного курса, автопилот, воздействуя на рули, заставит её следовать по заданному курсу.

В метеорологической ракете полезный груз состоит из приборов для измерения температуры, давления и влажности воздуха, приспособления для взятия проб воздуха, фотокамеры для фотографирования Земли, приборов для исследования солнечного излучения и многих других.

Измерить температуру во время ракетного полёта значительно сложнее, чем у поверхности Земли. Обычный термометр, помещённый снаружи ракеты, будет показывать повышенную температуру, так как при полёте воздух перед ракетой сжимается и вследствие этого нагревается, нагретым будет и поток воздуха, обтекающий её. Кроме того, на термометр могут попасть лучи Солнца. Поэтому для измерения температуры во время ракетного полёта созданы специальные термометры. Принцип действия одного из них основан на том, что скорость распространения звука в воздухе изменяется с температурой. Прибор, измеряющий скорость распространения звука, позволяет определить температуру воздуха без всех тех погрешностей, которые сопровождают измерение температуры обычным термометром.

Во время полёта ракеты приборы автоматически делают измерения, которые могут передаваться по радио на Землю. Но передать можно далеко не всё. На высоте взята проба воздуха и её надо доставить в лабораторию. Чтобы при обратном спуске приборы не повредились, та часть ракеты, где они размещены, спускается на парашюте. Это может быть обычный шёлковый парашют в виде зонта или парашют в виде вращающихся лопастей. Встречный поток воздуха заставляет лопасти вращаться, при этом возникает подъёмная сила, замедляющая падение.

Итак, ракета поднимается выше всех других летательных аппаратов. Какие же новые сведения об атмосфере помог получить человеку этот неодушевлённый исследователь?

Учёные и до применения ракет предполагали, что температура в стратосфере сохраняется примерно неизменной только до некоторой высоты, а затем начинает повышаться. Исследовательские полёты ракет подтвердили это предположение. Оказалось, что после высоты в 30–35 километров, где воздух охлаждён примерно до —55°, наблюдается повышение температуры, — на высоте 50–60 километров она достигает около +75° Цельсия. В более высоких слоях температура снова понижается и на высоте около 80 километров равна около —50°.

На высоте больше 100 километров температура воздуха снова возрастает и на высоте 250–300 километров она доходит до +500–600 градусов Цельсия.

Ракеты позволили собрать ценные сведения и о составе атмосферы. Долгое время учёные считали, что химический состав воздуха должен изменяться с высотой; предполагалось, что самый тяжёлый газ воздуха — кислород — должен убывать с высотой быстрее всего, более лёгкий — азот — несколько медленнее, а содержание водорода, который у поверхности Земли имеется в виде ничтожной примеси, должно непрерывно возрастать. Сейчас окончательно доказано, что состав воздуха практически не меняется с высотой.

Лишь в слабой степени выше 20–30 км намечается относительное уменьшение кислорода сравнительно с азотом и заметное убывание тяжёлых газов — аргона и углекислоты.

6. КАК ИЗУЧАЕТСЯ АТМОСФЕРА БЕЗ ПОДЪЁМА ПРИБОРОВ В ВОЗДУХ?

Наибольшая высота, на которой побывал человек — 22 километра. Ракеты достигали высоты 400 километров. Но и это не удовлетворило учёных.

Наука имеет в своём распоряжении средства, позволяющие составить представление о слоях атмосферы, ещё не достигнутых ни человеком, ни его приборами. В эти слои человек посылает звук, радиоволны. Используются и сведения, которые приносят на Землю световые лучи. Все эти косвенные методы изучения атмосферы пополняют наши знания и о низших слоях атмосферы. Рассмотрим их подробнее.

Звук. 9 мая 1920 года на Ходынском поле в Москве были взорваны артиллерийские склады. Взрыв был слышен в радиусе 55 км. Далее, в кольце шириной около 100 километров, простиралась «зона молчания», где взрыва совсем не было слышно. А на ещё большем расстоянии от Москвы взрыв снова был отчётливо слышен (рис. 16).

Рис. 16. Зоны слышимости взрыва, который был произведён 9 мая 1920 года в Москве.

Профессор В. И. Виткевич заинтересовался странным поведением звука и предположил, что такая слышимость взрыва объясняется наличием в атмосфере слоёв, отражающих звук.

Звук в однородной среде с постоянной температурой распространяется прямолинейно. Но если звук встречает на своём пути среду с иной температурой, он изменяет своё направление. При этом, если звук переходит в слой более тёплого воздуха, то угол между направлением его движения и границей слоя уменьшается, а если звук переходит в более холодный слой, то угол возрастает. Таким образом звук, идущий вверх, может возвратиться на Землю только в том случае, если в атмосфере есть слой воздуха с повышенной температурой. Это ясно видно из рисунка 17.

Рис. 17. Направление распространения звуковых волн, когда на их пути встречается слой более холодного (а) или более тёплого (б) воздуха.

Слой воздуха с пониженной температурой отклоняет звуковой луч вверх (рис. 17, а), а слой с повышенной температурой отбрасывает его обратно к земле (луч А на рис. 17, б). На Землю возвращаются не все звуковые волны. Те из них, которые идут ближе к вертикальному направлению (луч В), отклоняются от своего направления, но на Землю не возвращаются. Они проходят сквозь этот слой и затухают в атмосфере. Отражённые волны возвращаются на Землю, но уже на значительном расстоянии от источника звука (см. рис. 17, б). Этим и объясняется возникновение зон молчания.

Произведя ряд взрывов в целях исследования и замерив время распространения звука от его источника до зоны повторной слышимости, учёные нашли, что звук отражается от слоя атмосферы, расположенного на высоте 40–50 километров.

Отражающая способность слоя воздуха зависит от его температуры. Чем более высокую температуру имеет слой воздуха, тем больше его отражающая способность и тем меньше расстояние между зонами слышимости. Поэтому, изучая расположение зон молчания и слышимости, учёные определили и температуру этого слоя воздуха. Она оказалась равной 50–70° выше нуля. Звук сыграл здесь роль термометра.

Наличие отражающего слоя с повышенной температурой было подтверждено через 30 лет, когда применение ракет позволило непосредственно замерить температуру на этих высотах. Чем объяснить повышение температуры в этом слое атмосферы?

Сейчас установлено, что в слое воздуха от 20 до 50 километров имеется повышенное содержание озона. Молекулы озона состоят из тех же атомов, что и молекулы кислорода, только в каждой молекуле кислорода содержится два атома, а в молекуле озона — три. Кислород воздуха может превращаться в озон под действием лучей Солнца или при электрических разрядах во время грозы. В отличие от кислорода и азота, озон способен поглощать значительную часть солнечного излучения. Благодаря этому слой воздуха от 35 до 60 километров имеет повышенную температуру. Особенно резко возрастает температура на высоте около 40 километров.

Радиоволны. Установлено, что короткие радиоволны способны передаваться на огромные расстояния при сравнительно небольшой мощности радиопередатчика. Исследование этого явления показало, что радиоволны, особенно короткие, отражаются от какого-то слоя в атмосфере. Благодаря многократному отражению, они огибают земной шар, проходя огромные расстояния.

Характерной особенностью отражающего радиоволны слоя является наличие в нём большого количества ионов. Поэтому этот слой атмосферы назвали ионосферой.

«Ион» — греческое слово, означающее «блуждающий», «идущий». В физике ионами называют мельчайшие частицы вещества — атомы или группы атомов, имеющие электрический заряд.

Ионы имеются во всех слоях атмосферы. Они образуются из молекул газов, составляющих воздух, в результате воздействия на них лучей Солнца и космических лучей, которые представляют собой поток быстрых частиц, летящих из мирового пространства. При большой плотности воздуха ионы долго существовать не могут, они теряют свои заряды при столкновениях друг с другом. Иначе обстоит дело в высоких слоях атмосферы. Вследствие малой плотности газа в ионосфере столкновения между частицами газов происходят крайне редко, ионы существуют здесь длительное время.

Нижняя граница ионосферы имеет высоту 80—100 километров. Верхняя граница ионосферы расположена на высоте 500—1000 километров.

В последнее время радиоволны стали использовать для определения изменения погоды, пользуясь методами радиолокации: излучаемая антенной радиолокатора энергия узким пучком направляется под углом к поверхности Земли.

Если этот пучок встретит на своём пути полосу дождя, грозу, зону шторма или тайфуна, он от них отразится и возвратится к радиолокатору; таким путём можно определить их местоположение, а также направление и скорость передвижения.

Метеоры. В мировом пространстве находится огромное количество песчинок и камней, которые называются метеорными телами. Эти тела могут иметь самую разнообразную массу — от долей грамма до десятков тонн.

Иногда метеорные тела попадают в земную атмосферу. Они летят со скоростью в десятки километров в секунду. При такой огромной скорости движения впереди летящего тела происходит сильное сжатие и нагревание воздуха — перед ним образуется «подушка» раскалённого светящегося газа. От движения в воздухе нагревается и само метеорное тело. Оно тоже начинает светиться, образуя явление метеора. Большинство метеорных тел сгорает в воздухе, и только некоторые из них падают на поверхность Земли.

Высоты «возгорания» и «потухания» метеоров можно определить, если наблюдать за ними из двух пунктов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Метеоры становятся видимыми на высоте от 150 до 80 километров и обычно полностью сгорают на высоте от 60 до 30 километров.

Из наблюдений за метеорами учёные черпают много сведений о земной атмосфере. Ещё раньше, чем стали возможны ракетные полёты на большие высоты, эти наблюдения позволили собрать сведения о плотности и температуре воздуха на высотах от 30 до 150 километров.

Особенно ценный материал был получен о направлении ветра на этих высотах. Если метеор появляется ночью, в воздухе на непродолжительное время остаётся след в виде светящейся линии. Метеоры, появляющиеся днём, оставляют иногда след, похожий на струйку дыма. Эти следы состоят из ионизированного воздуха или из мельчайших пылинок, отделившихся от метеорного тела.

Наблюдения за перемещением этих следов показали, что на высотах 30–80 километров дуют преимущественно восточные, а выше — западные ветры. Скорость ветра велика и возрастает с увеличением высоты. Однако, если бы на эти высоты можно было поместить дощечку флюгера, которая указывает силу ветра, она бы не шелохнулась, так как на этих высотах плотность воздуха слишком мала. Например, на высоте 80 километров плотность воздуха примерно в 26 000 раз меньше, чем у поверхности Земли.

Облака. Облака, которые мы обычно наблюдаем, представляют собой скопления мелких капелек или ледяных кристалликов. Они располагаются в тропосфере и имеют самую разнообразную форму.

Есть облака и на значительно больших высотах. Иногда на высоте 22–30 километров можно видеть так называемые перламутровые облака. Богатство цветов перламутровых облаков позволило учёным сделать предположение, что и эти облака состоят из кристалликов льда. Перламутровые облака наиболее часто наблюдаются в Норвегии. Они образуются при сильных западных ветрах, когда воздушные массы обтекают Скандинавские горы и отбрасываются вверх. Восходящие потоки воздуха достигают высоты 22–30 километров. Низкая температура заставляет содержащиеся в поднимающемся воздухе водяные пары превращаться в лёд.

Но и перламутровые облака, оказывается, не самые высокие. В 1885 году профессор В. К. Цесаркий в Москве наблюдал серебристые, или светящиеся облака. Это яркие, тонкие, быстро перемещающиеся облака. Они располагаются на высоте примерно 80 километров и перемещаются со скоростью около 100 метров в секунду. Эти облака бывают видны летней ночью на тёмном фоне неба.

Сначала учёные предполагали, что серебристые облака состоят из пепла, выбрасываемого вулканами. Однако более тщательные наблюдения показали, что эти облака появляются почти каждый год и подолгу не исчезают с неба, независимо от того, произошло ли перед этим извержение какого-либо вулкана или нет. Поэтому было высказано предположение, что и серебристые облака состоят из воды. Возможно, что в них содержится и пыль.

Наблюдения за облаками помогают учёным получить сведения о наличии влажности в воздухе отдельных слоёв атмосферы, а также о направлении и скорости ветра.

Полярные сияния. Полярные сияния — величественное явление, наблюдаемое в полярных районах Земли. Иногда полярные сияния имеют вид параллельных дуг жёлто-зелёного цвета или светло-голубых полос, разделённых тёмными промежутками. Иногда на ночном небе вспыхивают пучки ярких дрожащих лучей, которые соединяются в корону, и тогда небо превращается в огромный светящийся купол, по которому катятся разноцветные волны. Чаще можно видеть, как по небу развёртывается складчатое полотнище, беспрерывно колеблющееся.

Впервые природу полярного сияния попытался объяснить М. В. Ломоносов. Он предположил, что это явление вызывается электрическими разрядами, происходящими в высоких слоях атмосферы. Своё предположение Ломоносов основывал на им же проведённых опытах: если из стеклянного шара выкачать воздух и пропустить через разреженное пространство электрический ток, то «…електрическая сила в шаре… внезапные лучи испускает, которые во мгновение ока исчезают, и в то же почти время новые на их местах выскакивают, так что беспрерывное блистание быть кажется». Ломоносов решил, что подобные явления наблюдаются в атмосфере во время полярного сияния.

Гениальная догадка Ломоносова в основном подтвердилась. Теперь достоверно известно, что полярное сияние представляет собой свечение разреженного ионизированного воздуха в слоях атмосферы на высоте от 80 до 1000 километров.

Полярные сияния доказывают, что воздух есть и на высоте 1000 километров. Они помогли учёным определить и состав атмосферы на больших высотах. Здесь на помощь пришёл спектральный анализ т. е. определение состава вещества по его спектру.

Белый солнечный свет состоит из разноцветных лучей. Если его пропустить через стеклянную призму, то белый свет распадётся на множество составляющих его цветных лучей, начиная с фиолетового и кончая красным. Эта разноцветная полоска и называется спектром. Спектр получается потому, что цветные лучи, составляющие белый свет, отклоняются призмой от первоначального направления или, как говорят, преломляются по-разному.

Если в спектре цвета непрерывно переходят один в другой, то такой спектр называется сплошным. Сплошной спектр дают раскалённые тела в твёрдом и жидком состояниях, а также газы при большом давлении.

Иначе выглядит спектр раскалённых паров и газов. Этот спектр состоит из цветных линий, разделённых тёмными полосами. Поэтому он называется линейчатым. Каждое химическое вещество имеет свой, характерный только для него спектр. По виду спектра можно заключить, какое вещество излучает свет.