...расстояние от самых безумных фантазий до совершенно реальной действительности сокращается с поразительной быстротой. М. Горький

Глава 9
ПАНЦЫРЬ АТМОСФЕРЫ

Мы обычно не задумываемся над тем, как многим мы обязаны в своей жизни окружающей нас атмосфере.

При отсутствии атмосферы жизнь на Земле была бы невозможна. Из атмосферы мы черпаем, когда дышим, кислород, необходимый для жизнедеятельности любого организма. К счастью, в атмосфере находится огромное количество кислорода, которое все время пополняется растениями. Превращенный в жидкость, кислород атмосферы покрыл бы Землю сплошным слоем толщиной 2,2 метра!

Окружающая нас атмосфера нужна нам не только как источник кислорода. Она обеспечивает и исключительно благоприятные условия для жизни на Земле. Мощный слой земной атмосферы защищает жизнь, бурлящую на ее поверхности, от непосредственного сурового воздействия бескрайного мирового пространства, в котором ничтожной песчинкой плывет наша Земля.

В мировом пространстве царит жесточайший холод: температура тела, находящегося в мировом пространстве, если оно находится на большом удалении от звезд – например, на таком, как одна звезда от другой, – была бы близкой к абсолютному нулю, то-есть около минус 273°. Только тепловое излучение далеких звезд повысило бы температуру этого тела на несколько градусов по отношению к абсолютному нулю. Не будь атмосферы, температура земной поверхности, не обращенной к Солнцу, достигала бы минус 160°, а под палящими солнечными лучами превышала бы плюс 100°. Именно такие условия существуют, например, на Луне. Каково было бы нам жить на такой неуютной планете?

Атмосфера, укутывающая Землю как бы толстым пуховым одеялом, служит мощным теплоизоляционным экраном. Но атмосфера – это особый, «хитрый» экран, и ни одно пуховое одеяло с ним сравниться не может. Она пропускает солнечные лучи, мчащиеся к Земле, когда светит Солнце, но не позволяет Земле расстаться с полученным ей теплом, рассеять его в мировом пространстве, когда Солнце заходит. Благодаря атмосфере земная поверхность не подвергается такому резкому охлаждению, а суточные колебания температуры на ней оказываются сравнительно небольшими. Мы живем на Земле как бы внутри гигантского термоса хитроумной конструкции, пропускающего тепло в одну сторону и не пропускающего – в другую. И страшно подумать, что было бы без этого «термоса»!

В результате неравномерного нагревания атмосферы в ней возникают воздушные течения и ветры. Энергия ветра с древних времен служит человеку. Благодаря воздушным течениям происходит выравнивание температуры в атмосфере, переносятся с места на место облака и тучи, проливаясь благодатным дождем над колосящимися нивами, создавая круговорот воды, столь необходимый человеку. Атмосфера – это та среда, в которой зарождается земной климат со всеми его особенностями.

Но атмосфера – не только тепловой экран, и не одни только тепловые явления происходят в ней. Наряду с тепловыми лучами Солнце шлет на землю в изобилии и так называемые ультрафиолетовые лучи. Именно под действием этих лучей наша кожа приобретает тот замечательный бронзовый цвет, который мы называем загаром. Однако некоторая часть ультрафиолетовых лучей вместо пользы может причинить вред. И здесь снова невидимым защитником всего живого выступает атмосфера: она поглощает вредную часть ультрафиолетового излучения Солнца. Если бы поток этих лучей достигал земной поверхности не ослабленным, то жизнь на ней, вероятно, была бы невозможной*.
 

Не только от излучения Солнца защищает нас земная атмосфера, смягчая и ослабляя его, отфильтровывая и поглощая вредные лучи. Наука установила, что к нам на землю со всех сторон из мирового пространства мчатся особые лучи, получившие название космических.

Космические лучи в действительности представляют собой потоки частиц вещества, главным образом ядер атомов водорода, а также гелия и некоторых других химических элементов. Эти частицы мчатся с огромной скоростью. Их энергия в миллионы раз больше энергии, выделяющейся при распаде атомов урана. Если бы не было земной атмосферы, принимающей на себя эту страшную бомбардировку, то не исключено, что неослабленные космические лучи, врываясь в человеческий организм, могли бы причинить ему большой вред**.
 

Однако эти невидимые стремительные снаряды не достигают земной поверхности – они гибнут в атмосфере, сталкиваясь с атомами составляющих ее газов и рассеивая в ней свою энергию. Лишь «внуки» и «правнуки» частиц, врывающихся в атмосферу, достигают дна воздушного океана – обломки ядер тех атомов, с которыми сталкиваются эти частицы в атмосфере. Энергия частиц, достигающих земной поверхности и пронизывающих не только нас с вами, но и самую Землю на глубину в десятки и сотни метров, огромна, но все же она неизмеримо меньше энергии исходных, первичных частиц. Интенсивность космических лучей у поверхности Земли такова, что они не представляют опасности для людей, и этим мы тоже обязаны земной атмосфере.

Земная атмосфера защищает нас не только от действия смертоносных лучей и бомбардировки невидимыми частицами – мировое пространство бомбардирует Землю и более существенными «снарядами»: небесными камнями, метеоритами. Многие миллионы таких снарядов врываются каждую минуту в земную атмосферу со скоростью в десятки и сотни тысяч километров в час. Это во много раз больше, чем скорость снаряда, вылетающего из ствола артиллерийского орудия. Правда, размеры подавляющего большинства таких снарядов очень невелики – они подобны крохотным песчинкам, но при огромной скорости и песчинки становятся опасными. Если бы не атмосфера, в которой большинство небесных камней разрушается и сгорает, то один только такой каменный «дождь» сделал бы жизнь на Земле невозможной или, по крайней мере, уж очень опасной.

Без атмосферы не существовало бы звука: мы не могли бы ни говорить, ни слышать. Каким бедным стал бы из-за этого человеческий мир!

А неоценимая служба, которую несет атмосфера, снабжая кислородом бесчисленное множество различных тепловых двигателей, предоставляя опору крыльям самолетов, несущим винтам вертолетов, воздушным шарам!

Наряду с теми услугами, которые оказывает нам атмосфера, делая нашу жизнь на Земле не только возможной, но и окружая ее всяческими удобствами, она является источником многих замечательных красот природы, тысячелетиями воспеваемых поэтами всех народов. Голубой цвет неба, яркая игра красок восхода и заката Солнца, вереницы облаков причудливых очертаний, мерцание звезд, нежность сумерек и неповторимый фейерверк северного сияния – всем этим мы обязаны земной атмосфере.

Всем хороша атмосфера, когда мы имеем в виду жизнь на Земле. Но когда мы собираемся покинуть Землю и совершить межпланетный полет, то она не помогает, а мешает. Куда бы мы ни направили полет межпланетного корабля, он должен пересечь земную атмосферу, пробить этот «панцырь», преодолеть трудности, связанные с очень быстрым полетом в воздухе. Еще большие трудности ждут корабль при его возвращении на Землю.

Чтобы победить врага, надо его знать. Что же представляет собой наша земная атмосфера, как высоко простирается она над Землей, какие опасности подстерегают корабль на его пути в атмосфере, как их можно избежать – вот вопросы, которые, естественно, интересуют и конструктора и командира межпланетного корабля. Земная атмосфера, воздушная оболочка Земли, простирается над ней на огромную высоту. Однако нельзя сказать, где точно кончается атмосфера и начинается мировое пространство: на высоте 100, 1000 или 10 тысяч километров. Атмосфера постепенно, незаметно переходит в мировое пространство, и никакой резкой грани между ними провести нельзя.

С увеличением высоты над Землей плотность атмосферы уменьшается, число молекул воздуха в единице объема становится все меньшим. Основная масса атмосферы находится у самой земной поверхности, на малых высотах. Если мы вырежем из атмосферы вертикальный, бесконечно длинный столбик поперечным сечением в 1 квадратный сантиметр, то вес воздуха в этом столбике будет равен примерно 1 килограмму. Стоит нам отрезать от этого столбика его нижний конец длиной всего в 1 километр, как вес воздуха в столбике уменьшится сразу на 100 граммов, то-есть на 10 процентов. Вес воздуха в нижнем конце такого столбика длиной 5,5 километра составит 0,5 килограмма, то-есть половину общего веса воздуха в столбике. Нижний конец столбика длиной 18 километров будет заключать в себе 14/15 всего воздуха в столбике. Если мы поднимемся вдоль такого столбика на высоту примерно 150 километров, то вес воздуха над нами будет равен всего только одной стомиллионной части общего веса воздуха в столбике, то-есть примерно одной сотой миллиграмма. Весь остальной воздух будет находиться под нами.

Поэтому можно было бы считать, что уже на таких высотах атмосферы практически нет, однако и на этой высоте в кубическом сантиметре находится все еще примерно 100 миллиардов молекул воздуха. Даже на высотах в тысячи километров еще имеются следы атмосферы, в миллиарды миллиардов раз более разреженной, чем у земной поверхности, – в кубическом сантиметре там находится всего несколько сотен или даже десятков молекул. И даже то, что мы называем обычно безвоздушным мировым пространством, в действительности не вовсе лишено вещества – в нем плавают отдельные молекулы и атомы. Выходит, что по плотности атмосферы нельзя установить ее границу – она может быть только условной.

Не многим 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 небольших сравнительно высотах человек не может находиться вне герметической кабины или специального костюма, даже при использовании кислородной маски, так как внешнее давление оказывается для этого недостаточным. На высоте 15 километров, как показывает опыт, даже тренированный человек теряет сознание через 10–15 секунд, причем это время не меняется при дальнейшем увеличении высоты. Только исключительная физическая выносливость Коккинаки позволила ему достичь 14,5 километра в рекордном полете 21 ноября 1935 года. Выходит, что, с точки зрения этих свойств атмосферы, она простирается не выше, чем на 10–15 километров. 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 иногда на высоте до 1000–1100 километров. Сопротивление, которое оказывает атмосфера какому-нибудь телу, передвигающемуся в ней с определенной скоростью, зависит от плотности воздуха. Поэтому на тех высотах, где плотность становится ничтожно малой, и это сопротивление оказывается исключительно малым. Можно полагать, что это относится уже к высотам порядка 100 километров, 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 высотах во многие сотни 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 многие 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

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. 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 плюс 60°***. 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****. Но это уже последнее снижение. Здесь температура воздуха снова начинает расти: уже на высоте 200 километров она достигает плюс 200–300°, а на высоте 1000-1100 километров становится равной 4000°. По мнению некоторых ученых, на еще больших высотах температура 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 многие 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 эта поверхность 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 астрономом П. А. Молчановым воздушные шары – радиозонды, первый полет которых был осуществлен в 1930 году. Все большую роль начинают играть предложенные для этой цели еще Циолковским высотные метеорологические 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 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*****. 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 80 километров, атмосфера состоит в основном не из обычных молекул воздуха, а из ионов, то-есть молекул и атомов, имеющих электрический заряд. Это наэлектризованный воздух. 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. Этим 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. Роль ионосферы в этом отношении, кстати сказать, исключительно велика. Если бы этого электрически заряженного слоя атмосферы не существовало, то дальнее радиовещание было бы невозможным.

Если оно возможно, то только потому, что так называемый D-слой ионосферы, находящийся на высоте 60–80 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. Поэтому они по-разному и влияют на распространение радиоволн. Волны ультракоротковолнового диапазона, длиной примерно от 1 сантиметра до 15–20 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 этого сопротивления 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 этой дополнительной скорости можно принять, что она не будет превышать 1 километра в секунду, то-есть около 10 процентов от скорости отрыва.

Серьезные неприятности будет причинять атмосфера межпланетному кораблю и 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.

Мешает атмосфера межпланетному кораблю, но вместе с тем она может сослужить и хорошую службу – 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.

Во всяком случае, мы знаем о земной атмосфере уже достаточно много, для того чтобы не только спокойно и уверенно направить межпланетный корабль через атмосферу к далекой цели, но и чтобы наилучшим образом использовать свойства атмосферы для межпланетных сообщений.