Немногим поможет нам в определении границ атмосферы использование и других ее свойств. Если, например, иметь в виду «комфортные» свойства атмосферы, то есть те ее свойства, которые создают благоприятные условия для жизни людей, то граница атмосферы будет лежать очень недалеко от земной поверхности.
Уже на сравнительно небольших высотах человек испытывает «кислородное голодание» в связи с уменьшением содержания кислорода в окружающем воздухе. На поверхности Земли из общего давления атмосферы 760 миллиметров ртутного столба примерно 160 миллиметров приходится на долю кислорода, остальное — на долю азота. Когда высота над уровнем моря становится равной 4 километрам, давление кислорода в воздухе снижается примерно до 100 миллиметров ртутного столба. Дальнейшее увеличение высоты приводит к тому, что с вдыхаемым воздухом в легкие попадает слишком мало кислорода. Недостаток кислорода прежде всего начинают ощущать клетки головного мозга, наиболее нуждающиеся в непрерывном подводе этого «жизненного газа». Вот почему на высоте примерно 4 километров летчик должен надеть кислородную маску, чтобы восполнить недостаток кислорода подводом его из баллона или газификатора жидкого кислорода. Такая маска помогает делу примерно до 10–11 километров, а при дальнейшем увеличении высоты даже вдыхание чистого кислорода не устраняет кислородного голодания. На высоте примерно 15 километров поступление кислорода в кровь прекращается вовсе, так как на этой высоте легкие оказываются заполненными продуктами дыхания и свежий воздух в них не проникает — его давление оказывается недостаточным для этого. Вот эту-то высоту и можно считать границей атмосферы с точки зрения дыхания. Как показывает опыт, на высоте 15 километров даже тренированный человек теряет сознание из-за кислородного голодания через 10–15 секунд, причем это время не меняется при дальнейшем увеличении высоты. Только исключительная физическая выносливость Коккинаки позволила ему достичь высоты 14,5 километра в рекордном полете 21 ноября 1935 года.
Но не только удушение вследствие недостатка кислорода грозит человеку при увеличении высоты. Оказывается, на больших высотах даже самый хладнокровный человек рискует… вскипятиться, только не в переносном, а в буквальном смысле. Уже на высотах порядка 8 километров у человека начинаются так называемые декомпрессионные расстройства, связанные с уменьшением атмосферного давления. Эти расстройства аналогичны «кессонной болезни» водолазов. При этом газы, заключенные в жидкостях и тканях человеческого тела, начинают выделяться из раствора, образуя пузырьки. Это касается прежде всего азота в крови и в тканях, в особенности жировых, а также углекислоты, водяных паров и др. Такие газовые пузырьки образуются в кровеносных сосудах, в полостях суставов, в тканях, вызывая нарушение нормальной деятельности органов человеческого тела и причиняя нестерпимую боль.
По мере снижения атмосферного давления выделение газов увеличивается, но настоящая катастрофа происходит, когда давление окружающего воздуха становится равным 47 миллиметрам ртутного столба, что соответствует примерно высоте 19 километров. Когда давление снижается до этой величины, температура кипения воды, которая, как известно, уменьшается при уменьшении давления, снижается как раз до 37°, то есть до температуры человеческого тела. Это значит, что все жидкости в человеческом теле начинают кипеть, переходить в парообразное состояние (в действительности картина более сложна, в частности, углекислота приводит к кипению при меньших температурах). Опыты, проведенные на собаках, убедительно показали, что дело происходит именно так. Когда подопытных собак подвергали внезапной декомпрессии, понижая давление с нормального или слегка пониженного до 30 миллиметров ртутного столба, что соответствует примерно высоте 22 километра, то через 30 секунд подкожная клетчатка начинала быстро вздуваться. Не более чем через минуту после этого прекращалось дыхание, еще через минуту останавливалось сердце. Так физиология человеческого организма устанавливает еще одну границу атмосферы и начало Космоса.
Фильтрующее действие атмосферы проявляется на несколько больших высотах. Космические лучи оказываются почти неослабленными уже на высоте 20–25 километров; ультрафиолетовые лучи Солнца — на высоте свыше 30–35 километров. Серьезных неприятностей от встреч с метеоритами можно ожидать на высоте 100–110 километров — именно на этой высоте обычно вспыхивают «падающие звезды».
Таким образом, с точки зрения перечисленных выше свойств атмосферы мировое пространство начинается уже на высоте 15–20 километров и становится «абсолютным» на высоте свыше 100 километров. Однако некоторые явления в атмосфере происходят на гораздо больших высотах — в частности, северные сияния полыхают на высотах до 1000 и даже более километров (наибольшая зарегистрированная высота равна 1200 километрам).
Сопротивление, которое оказывает атмосфера какому-нибудь телу, передвигающемуся в ней с определенной скоростью, зависит от плотности воздуха. На тех высотах, где плотность становится ничтожно малой, и сопротивление оказывается исключительно малым. Можно полагать, что это относится уже к высотам порядка 100 километров,[27] однако некоторые ученые считают, что при полетах с огромной, космической скоростью сопротивление воздуха должно не только приниматься в расчет, но что оно может играть относительно большую роль даже на высоте многих сотен километров.
Обычно считают, что с высоты 800 — 1000 километров начинается уже так называемая зона рассеяния. Из этой зоны часть молекул воздуха улетучивается в мировое пространство, чтобы рассеяться в нем. Воздух в этой зоне так разрежен, что молекула пролетает сотни километров до очередного столкновения с какой-нибудь другой молекулой. Эти столкновения там почти отсутствуют, тогда как у земной поверхности столкновения молекул происходят сотни тысяч раз на пути в 1 сантиметр.
Строение земной атмосферы неоднородно, и межпланетная ракета, пересекающая атмосферу, будет переходить из одной ее зоны в другую, как альпинист, пересекающий различные климатические зоны при высокогорном восхождении.
Ближайший к земной поверхности слой атмосферы, так называемая тропосфера, имеет высоту 7-18 километров, в зависимости от времени года и географической широты (меньше — на полюсе, больше — на экваторе). Тропосфера — это кузница погоды; в ней, в основном, происходят процессы, определяющие погоду: зарождаются дожди, ветры, туманы. Температура воздуха в тропосфере, по мере увеличения высоты, непрерывно падает, достигая минус 50–60° на верхней границе тропосферы. Это объясняется тем, что тропосфера нагревается теплом, которое излучает земная поверхность: чем дальше от этой «печки», тем холоднее воздух. В тропосфере находится около 80 процентов всей атмосферы.
Выше тропосферы начинается стратосфера, хотя часто различают еще небольшой промежуточный слой — тропопаузу. Было время, когда считали, что температура воздуха в стратосфере с высотой не меняется, оставаясь равной примерно минус 60°, а затем постепенно снижается, так что у границ атмосферы уже царит холод мирового пространства. В действительности же оказалось, что мороз в 60° сохраняется лишь до высоты 30–40 километров, а затем температура воздуха начинает вдруг повышаться, достигая на высоте 50–60 километров примерно нуля градусов. Вслед за этим температура опять резко падает: на высоте 80 километров уже снова мороз, да такой крепкий, что и на полюсе холода, в якутском селении Оймяконе, подобного не бывает, — минус 80° и более.[28] Но это уже последнее снижение. Здесь температура снова начинает расти: на высоте 200 километров она достигает плюс 800-1000°, а на высоте 1000–1100 километров становится равной 3000°. По мнению некоторых ученых, на еще больших высотах температура воздуха достигает десятков тысяч градусов.
Это оказывается не только неожиданным, но, на первый взгляд, и очень грозным обстоятельством для будущих межпланетных путешественников. Неужели межпланетному кораблю придется сотни километров лететь в условиях, существующих в топках котлов или в мартеновских печах, если не худших? К счастью, на самом деле все обстоит совсем иначе, и никаких «зон огня» межпланетному кораблю преодолевать не придется — понятие температуры на очень больших высотах становится иным, чем у Земли.
На этих высотах воздух так разрежен, что о поверхность ракеты каждое мгновение будет ударяться только сравнительно небольшое число молекул, а ведь именно эти удары и повышают температуру оболочки ракеты. В то же время оболочка ракеты будет терять много тепла из-за его излучения в окружающее пространство. Вследствие этого на таких больших высотах никакой «жары», конечно, нет, и температура поверхности ракеты будет там даже ниже, чем на меньших высотах, если только она не накаляется лучами Солнца. В этом случае ее температура может превышать 100°.
Наши знания о верхних слоях атмосферы все время обогащаются. Немалую роль в этом играют изобретенные советским ученым П. А. Молчановым воздушные шары — радиозонды, первый полет которых был осуществлен в 1930 году. Все большее значение приобретают предложенные еще Циолковским высотные метеорологические ракеты. Ценные сведения наука уже сумела получить с помощью первых искусственных спутников Земли и в результате полета советской космической ракеты.
Было время, когда думали, что в стратосфере вовсе нет ветров и царит мертвый штиль. Оказалось, что это не так. В стратосфере дуют ветры со скоростью 300–400, а на больших высотах — даже до 1500 километров в час. Эти ветры, неспособные пошевелить даже волосы на голове — так там разрежен воздух, — отличаются исключительным постоянством: они почти всегда дуют на восток. Раньше считали также, что стратосфера не оказывает никакого влияния на земную погоду, — это тоже оказалось ошибочным.
Стратосфера простирается до высоты примерно 70–80 километров и содержит в себе почти все оставшееся количество воздуха, то есть 20 процентов. Вся атмосфера, лежащая выше стратосферы на многие сотни километров в высоту, заключает в себе менее 0,5 процента общего количества воздуха в атмосфере.
Совершенно особую, исключительно важную роль в нашей жизни играет первая половина стратосферы благодаря тому, что она содержит в большом количестве озон.[29] Молекулы озона, состоящие из трех атомов кислорода, поглощают коротковолновое (так называемое жесткое) ультрафиолетовое излучение Солнца. Этот слой озона является фильтром, защищающим нас от опасных, неослабленных солнечных лучей.
На больших высотах, начиная примерно с 70 километров, атмосфера состоит в основном не из обычных молекул воздуха, а из ионов, то есть молекул и атомов, имеющих электрический заряд. Поэтому верхние слои атмосферы называют обычно ионосферой. Ионы появляются на этих высотах главным образом под действием ультрафиолетовых лучей Солнца, отрывающих от обычных молекул воздуха электроны. Действием ультрафиолетового излучения объясняется и повышение температуры воздуха с высотой, а также то, что на очень больших высотах молекул кислорода и азота уже нет: они распадаются на атомы. По существу, земная атмосфера — это огромный электрохимический завод: в его цехах, то есть в разных слоях атмосферы, происходят сложные процессы образования различных веществ с использованием энергии Солнца.
Слои ионосферы, расположенные на различных высотах, обладают неодинаковыми свойствами, в частности электромагнитными, и потому, например, по-разному влияют на распространение радиоволн. Так называемый D-слой ионосферы, находящийся на высоте 70–90 километров, отражает длинные радиоволны; E-слой, расположенный на высоте 100–120 километров, — средние; F-слой, лежащий на высоте 200–300 километров, — короткие. Эти слои ионосферы различаются своим составом и степенью ионизации.[30] Поэтому они по-разному и влияют на распространение радиоволн. Волны ультракоротковолнового диапазона, длиной примерно от 1 сантиметра до 20 метров, в значительной степени проходят через ионосферу. Это позволит в будущем установить радиосвязь между Землей и кораблями, летящими в мировом пространстве, но зато препятствует дальнему радиовещанию на этих волнах и, в частности, передачам телевидения на большие расстояния.
Наличие земной атмосферы усложняет проблему межпланетного полета. Это связано главным образом с сопротивлением, которое оказывает воздух передвигающемуся в нем телу. Из-за него для совершения межпланетного полета понадобится затратить большую энергию, чем это необходимо для сообщения межпланетному кораблю скорости отрыва. Это равносильно необходимости сообщить кораблю какую-то дополнительную скорость, которая будет зависеть от скорости полета корабля в атмосфере — она тем меньше, чем меньше эта скорость, — а также от формы корабля и траектории полета. Для оценки величины дополнительной скорости можно принять, что она не будет превышать 1 километр в секунду, то есть около 10 процентов от скорости отрыва. Но гораздо более серьезные неприятности будет причинять атмосфера межпланетному кораблю в связи с его нагревом при полете в воздухе с большой скоростью. Ни конструктор, ни командир межпланетного корабля не имеют права ни на минуту забывать об этой опасности, которая может стать роковой.
Однако атмосфера может сослужить и хорошую службу межпланетному кораблю, — нужно лишь умело использовать ее свойства.
Так, например, при посадке на Землю торможение в атмосфере будет гасить скорость межпланетного корабля без затраты на это топлива, а при взлете может оказаться выгодным использование воздушно-реактивных двигателей, расходующих гораздо меньше топлива, чем ракетные.
Несколько неожиданные, может быть, перспективы использования свойств атмосферы на службе астронавтике (впрочем, это в такой же мере касается и авиации) открывают результаты недавних опытов, проведенных в США. Эти опыты подтвердили высказывавшиеся ранее некоторыми учеными предположения о том, что происходящая в верхних слоях атмосферы диссоциация, то есть распад, молекул воздуха на атомы, под действием солнечного излучения открывает принципиальные возможности использования запасенной в атмосфере в результате этого процесса солнечной энергии. Действительно, если диссоциация молекул происходит с затратой больших количеств энергии, излучаемой Солнцем, то при обратном процессе воссоединения, или, как говорят, рекомбинации атомов в молекулы, эта энергия может быть выделена вновь. Такая рекомбинация, вероятно, идет в природе естественным путем, вызывая известное явление свечения ночного неба. Но эта реакция оказывается очень медленной. Ускорить ее можно было бы с помощью какого-нибудь катализатора, как это часто делается в химии. Но как забросить такой катализатор на высоту в десятки километров? Вот тут-то ученые и обратились за помощью к ракетной технике.
В 1956 году в США были осуществлены запуски высотных ракет, на которых находилось некоторое количество химического вещества, могущего служить катализатором для ускорения реакции воссоединения атомов кислорода в молекулы. Вначале таким веществом служила окись азота, в последующих опытах — пар металлического натрия. В обоих случаях выпущенный из ракеты на большой высоте катализатор действительно вызывал бурную реакцию рекомбинации, о которой можно было судить по яркому свечению ночного неба. Интересно, что рекомбинация атомов атмосферных газов может происходить и непосредственно на поверхности летящей ракеты. Такое свечение и наблюдалось при движении ракеты на высотах 150–200 километров в темную безлунную ночь — в иных условиях его увидеть нельзя, так оно слабо. Кстати сказать, в 1957 году удалось получить, тоже с помощью натрия, свечение атмосферы и на значительно меньших высотах, порядка 25–27 километров. Здесь свечение было результатом реакции с участием озона, количество которого на этих высотах максимально.