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. Тоже 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 иарят 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 непрекрашаюшихся 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 ит. 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.
