Известно, что шаровые молнии, возникающие внутри замкнутых помещений, как правило, безвредны. Энергия мазера в таких средах ограничивается 10 джоулями (в открытом пространстве энергия достигает 109–1010 Дж), а это совершенно не опасно. В то же время возникающая на открытом воздухе шаровая молния часто исчезает с мощным взрывом, который иногда вызывает серьезные разрушения. Причем на проводящие предметы этот взрыв воздействует сильнее, нежели на непроводящие: например, бывало, шаровая молния, взрываясь, вырывала из стен домов электрощитки и швыряла их на середину улицы.
Существует и еще одна теория шаровой молнии. По ней источником энергии для шаровой молнии является электрическое поле, которое создают заряды, рассеивающиеся в земле после удара молнии. Они же контролируют движение шаровой молнии, так что она никак не зависит от условий окружающей среды (например, шаровая молния может спокойно лететь против ветра). Такая молния напоминает коронный разряд в газе и представляет собой последовательность электрических импульсов, сменяющих друг друга с миллисекундной частотой. Шаровая молния средних размеров (10–20 сантиметров в диаметре) может образоваться из крупной капли росы, попавшей в канал грозового разряда. С другой стороны, как показали расчеты, для устойчивости шаровой молнии необходимо, чтобы плотность ее вещества мало отличалась от плотности окружающего воздуха.
Ученые не довольствуются, конечно, сбором достоверных свидетельств появления шаровой молнии. Они пытаются получить ее в лабораторных условиях, экспериментально проверяя свои теоретические предположения и математические расчеты. Полученная искусственно молния "плюется" искрами, собирается в шар, проходит сквозь щели. От настоящей она отличается только маленьким размером да коротким сроком жизни, измеряемым несколькими секундами.
В завершение отметим, что наряду с линейной и шаровой молниями в природе встречаются и более редкие феномены – ракетообразная и четочная молнии. Ракетообразная молния наблюдалась буквально в единичных случаях. Она длится 1–1,5 секунды и представляет собой медленно развивающийся между облаками разряд. К редчайшим случаям молнии следует отнести и четочную. Она имеет общую длительность 0,5 секунды и представляется глазу на фоне облаков в виде светящихся четок диаметром около 7 сантиметров.
Глава 3 НЛО в горящих небесах
И как раз коллективный, неличностный характер науки, та ее особенность, что процедуры познания, складывавшиеся столетиями, стоят выше любого индивидуального мнения, даже самого авторитетного, служат гарантией действительной объективности познания, и надежнее этой гарантии ничего быть не может. Это не означает абсолютной непогрешимости науки, но означает нечто более важное: наука ошибается, однако в своем дальнейшем движении аннулирует собственные ошибочные утверждения. Говоря по-другому, наука как целое представляет собой систему с сильной тенденцией к самокорректировке. И обвинять науку в тупом, злонамеренном, демагогическом или диктуемом какими-либо иными посторонними соображениями отрицании фактов, которые являются ее кровью и воздухом, – значит не понимать ее основополагающих функциональных принципов.
С. Лем. О "неопознанных летающих объектах"
Как ни интригующе звучит объяснение НЛО с помощью призрачных и шаровых молний, эти редкие явления явно не "закрывают" всю соответствующую статистику наблюдений. Какой же еще природный феномен может объяснить стремительно перемещающиеся в стратосфере мерцающие диски и эллипсоиды? Ну конечно же свечение ионосферного слоя магнитосферы Земли! Этот поразительный процесс тщательно исследуется уже более двух столетий и в нашем полушарии хорошо известен как сполохи северного сияния. Собственно говоря, укоренившееся название "северное сияние" не совсем правильно. Над Южным полюсом также можно наблюдать фантастические переливы ионосферного света. Поэтому следует использовать термин "полярное сияние". Полярные сияния в Северном полушарии обычно движутся на запад со скоростью примерно один километр в секунду.
По яркости сияния разделяются на четыре класса, отличающиеся друг от друга в десять раз. В первый класс попадают еле заметные сияния, сходные по своей яркости с Млечным Путем. Сияния же четвертого класса по яркости можно сравнить с полной Луной.
Несмотря на призрачность предмета исследований, внимание многих ученых уже много десятилетий приковано к далеким заоблачным высям. Дело в том, что среда полярных сияний содержит электрически заряженные частицы – ионы и электроны. Это и придает им поразительные световые свойства. Если в приземном слое сухой воздух является качественным изолятором, то в ионосфере он – хороший проводник.
Биосфера человека расположена на суше, в пограничной области поверхности водного океана и дна океана воздушного. Со всех сторон она окружена благодатной воздушно-водяной средой, поддерживающей жизнь. Плотность атмосферы резко падает по мере удаления от поверхности Земли. В верхних ее слоях разреженный воздух непригоден для дыхания, но зато он задерживает губительные излучения, идущие от Солнца и из космического пространства.
Верхняя атмосфера (стратосфера) Земли служит своеобразным воздушным щитом для отражения многочисленных метеоритов. Такие метеорные тела, даже небольшого размера, вследствие их огромной скорости, обладают большой разрушительной силой. Сталкиваясь с газовыми частицами атмосферы, они сильно разогреваются и испаряются, оставляя в небе характерные следы "падающих звезд".
Верхняя атмосфера (стратосфера) Земли служит своеобразным воздушным щитом для отражения многочисленных метеоритов. Такие метеорные тела даже небольшого размера вследствие огромной скорости обладают большой разрушительной силой. Сталкиваясь с газовыми частицами атмосферы, они сильно разогреваются и испаряются, оставляя в небе характерные следы "падающих звезд".
Выше пятидесяти километров над поверхностью Земли расположен тот ярус воздушной оболочки, который называется ионосферой. Ионосфера простирается до высот в несколько сотен километров, плавно переходя в мантию плазмосферы. Воздушная среда здесь существенно меняет свой состав, растет относительная концентрация легких газов, среда становится в миллиарды раз более разреженной. У поверхности Земли воздух в основном состоит из двухатомных молекул азота, кислорода и углекислого газа, а на большой высоте – в ионосфере – молекулы этих газов под воздействием жесткого излучения Солнца распадаются на отдельные атомы. На высотах в тысячи километров основными элементами экзосферы (внешней атмосферы) становятся водород и гелий.
Среда ионосферы все время находится в бурном движении, перерастающем в настоящие ураганы, правда незаметные на земной поверхности.
Однажды ученые даже наблюдали загадочные облакообразные полярные сияния, мчавшиеся со скоростью свыше трех тысяч километров в час.
Поскольку на границе экзосферы плотность газов ничтожна мала, молекулы и атомы могут беспрепятственно разгоняться до второй космической скорости. При такой скорости любое тело преодолевает земное притяжение и уходит в космос. То же самое происходит с газовыми частицами водорода и гелия. Но, несмотря на утечку легких газов из земной атмосферы, ее состав не меняется, так как происходит непрерывный процесс восполнения за счет газов земной коры и испарения океанов. К тому же часть тех же атомов и молекул поступает из межпланетной среды при обтекании земной экзосферы.
Видный радиофизик Ф. И. Честнов в научно-популярной книге "В глубинах ионосферы" писал:
Высокое небо. Прозрачный воздух. На первый взгляд кажется, что на большой высоте царят покой и безмятежность. Но если бы мы обрели волшебную способность видеть молекулы и атомы, нас поразило бы зрелище мира, который поистине никогда не знает покоя. Часто случаются взрывы и катастрофы. Разрушаются одни частицы, рождаются другие. И виновником этих непрекращающихся превращений является Солнце. <…> Много сил затратили ученые, чтобы раскрыть основные черты ионосферы и нарисовать ее "портрет". Каждый шаг в этом направлении требовал новых экспериментов, остроумных гипотез и сложных вычислений. Подобно древним воинам, ученые настойчиво осаждали заоблачные выси. Но вместо боевого оружия они пользовались физическими приборами, а правила военного искусства заменили строгой логикой математики. Портрет ионосферы, который предстает перед нашими глазами, – не застывшая картина. Он все время меняется, и не только из-за того, что сама ионосфера изменчива, а в основном потому, что все более и более богатыми и достоверными становятся наши знания.
Изучение свойств и процессов, происходящих в верхних воздушных слоях, в ионосфере – одна из важнейших задач современной науки. Недаром в последние годы оформилась и быстро развивается новая область научного знания, занимающаяся этой проблематикой, – аэрономия . Несомненно, у нее большое будущее. Вполне возможно, что именно бурное развитие физики ионосферы подтолкнуло в свое время известного фантаста Фредерика Брауна к созданию оригинального рассказа "Волновики". В нем повествуется о новой "полевой" форме жизни, проявляющей себя в виде электромагнитных волн радиодиапазона. Вот как их описывает автор от имени одного из главных героев – профессора Хелметца:
– Ведь космические пришельцы – это, в сущности, настоящие радиоволны. Единственная их особенность заключается в том, что у них нет источника излучения. Они представляют собой волновую форму живой природы, зависимую от колебаний поля, как наша земная жизнь зависит от движения, вибрации вещества.
– Какой они величины? Одинаковые или все разные?
– Все они имеют разную величину. Причем измерять их можно двояко. Во-первых, от гребня до гребня, что дает так называемую длину волны. Приемник ловит волны определенной длины какой-то одной точкой диапазона. Что же касается пришельцев, то для них шкалы радиоприемника просто не существует. Им одинаково доступна любая длина волны. А это означает, что либо они по самой своей природе могут появляться на любой волне, либо могут менять длину волны произвольно, по собственному желанию. Во-вторых, можно говорить о длине волны, определяемой ее общей протяженностью. Допустим, что радиостанция ведет передачу одну секунду, тогда соответствующий сигнал имеет протяженность, равную одной световой секунде, что составляет приблизительно 187 000 миль. Если передача длится полчаса, то протяженность сигнала равна половине светового часа и т. д. и т. п.
Что касается пришельцев, то их протяженность разнится от индивидуума к индивидууму в пределах от нескольких тысяч миль – в этом случае мы говорим о протяженности в несколько десятых световой секунды – до полумиллиона миль, тогда протяженность волны равна нескольким световым секундам. Самый длинный зарегистрированный сигнал – отрывок из радиопередачи – длился восемь секунд.
– А почему все-таки, профессор, вы считаете, что эти радиоволны – живые существа? Почему не просто радиоволны?
– Потому что просто радиоволны, как вы говорите, подчиняются определенным физическим законам, подобно всякой неодушевленной материи. Камень не может, подобно зайцу, взбежать на гору, он катится вниз. Вознести его на гору может только приложенная к нему сила. Пришельцы – особая форма жизни, потому что они способны проявлять волю, потому что они могут произвольно менять направление движения, а главным образом потому, что они при любых обстоятельствах сохраняют свою целостность. Радиоприемник еще ни разу не передал двух слившихся сигналов. Они следуют один за другим, но не накладываются друг на друга, как бывает с радиосигналами, переданными на одной волне. Так что, как видите, мы имеем дело не "просто с радиоволнами"…
Финал произведения построен в трагикомическом ключе – оказывается, космические волновики (так зовут пришельцев из ионосферы) питаются искусственным и атмосферным электричеством. Это быстро приводит к исчезновению бытовой и промышленной электроэнергии, пропадают молнии, ну а человечество возвращается в век пара!
Но так ли уж легко могут преодолеть космические электромагнитные колебания толщу ионосферы? В приповерхностном слое – тропосфере – воздух представляет собой смесь нейтральных молекул различных газов (в основном азота, кислорода и углекислого). Следовательно, если нас окружает сухой воздух, то его можно считать хорошим изолятором.
Иначе обстоит дело в глубинах ионосферы. Там воздушная среда вполне способна проводить электрический ток, поскольку вместо нейтральных молекул и атомов она содержит электроны и ионы. Вспомним, что ионы – это положительно или отрицательно заряженные частицы, образующиеся из нейтральных атомов и молекул под воздействием каких-либо внешних факторов. Из-за наличия ионов и назвали эту часть воздушного океана Земли ионосферой.
Ученые давно выяснили, что молекулы воздуха на всем протяжении стратосферы находятся в постоянно сложном движении. Его потоком захватываются и ионы с электронами. Они непрерывно участвуют в противоположных процессах ионизации и нейтрализации – рекомбинации, идущих с различной скоростью на разных высотах.
Вот как описывает это в своей замечательной книге Федор Иванович Честнов:
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 чаще и рекомбинация идет быстрее. Поднимаемся выше, в разреженные слои: столкновения частиц становятся реже, а воссоединение ионов и электронов в нейтральные молекулы идет очень медленно.
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, 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 (auroras borealis по-латыни). Если наблюдать их с поверхности Земли, то лучше это делать ночью и в ясную погоду, когда не мешают Солнце и облака. Этих трудностей легко 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. Одинаково удобно исследовать сияния как в Северном, так и в Южном полушарии и даже 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 на них не действует магнитное поле Земли. Такие протоны, имея большие (протонные) скорости, могут проникать в области, недоступные заряженным частицам. Вспышки северного сияния обычно наблюдаются через день-два после вспышек на Солнце – эти два явления тесно связаны друг с другом.
Полярные сияния являются не только "собственностью" Земли. Напротив, они четко наблюдаются в плазмосферах и других планет – газовых гигантов Юпитера и Сатурна, а также на некоторых их спутниках, окруженных собственными атмосферами.
Юпитерианское полярное сияние имеет ту же природу, что и земное: быстрые электроны, дрейфующие в магнитосфере планеты вдоль силовых линий между полюсами, высыпаются у полюсов в верхние слои атмосферы и вызывают свечение газа. Полярное сияние на Юпитере интенсивнее всего в ультрафиолете, поскольку основные спектральные линии водорода, который доминируют в атмосфере Юпитера, лежат именно в данной части спектра.
Комплексные наблюдения юпитерианских полярных сияний с борта межпланетной автоматической станции "Кассини", пролетающей мимо Юпитера на пути к Сатурну, позволили ученым разработать численные модели полярных сияний, включая эффекты взаимодействия с солнечным ветром.
Исследования последних десятилетий, особенно проведенные с помощью искусственных спутников Земли и ракет, существенно обогатили наши знания о полярных сияниях. Раскрыты некоторые их тайны, а кроме того, накоплен большой фактический материал об окружающем нашу планету пространстве, состоянии межпланетной среды и солнечном излучении, включая потоки заряженных частиц. И тем не менее не все с полярными сияниями ясно.
Сегодня мы еще не можем не только описать это явление количественно, но даже предсказать заранее многие его свойства. Проблема полярных сияний оказалась слишком сложной и многоплановой. Например, до сих пор не ясна связь полярных сияний с погодой. Северяне хорошо знают, что полярные сияния чаще наблюдаются в морозные ночи. Объяснения этому пока нет.
Однако сегодня у исследователей полярных сполохов появились могущественные помощники – геофизические ракеты, искусственные спутники Земли, снабженные самой современной аппаратурой. Приборы, установленные на спутниках, уже дали немало ценнейших сведений о самых высоких слоях земной атмосферы – их химическом составе, строении, плотности и о многом другом. Все это позволило кое-что уточнить в представлениях о природе полярных сияний, что-то пересмотреть, от чего-то полностью отказаться.
Так, новейшие данные, полученные с помощью современных средств исследования, приводят некоторых ученых к предположению о том, что полярные сияния есть 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 воссоздание в лабораторных условиях. Это удалось сделать и для полярного сияния – эксперимент, получивший название "Аракс", был проведен в свое время совместно российскими и французскими исследователями.
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 эти электроны проникли в Северное полушарие и вызвали искусственное полярное сияние над Согрой. К сожалению, облака не позволили увидеть его с поверхности Земли, зато радарные установки четко его зарегистрировали.