Загадки астрономии

Глава I Загадки Земли

На вопрос «какую форму имеет Земля» в древнем Риме покорно отвечали: «Плоскую». После путешествий Колумба и Магеллана следовало давать ответ: «Круглую». Более точные измерения, выполненные учеными XVIII в., привели к новым открытиям в геофизике, и тогда стал правильным ответ: «Шар, выпуклый на экваторе и сжатый у полюсов». Теперь, в космический век, этот ответ так же устарел, как ракета вчерашнего дня. Современный школьный учитель может назвать нашу планету бесформенным гигантом и пояснить это ученикам. Земля имеет неправильную форму в экваториальной плоскости и похожа на грушу.

Столь причудливая форма нашей планеты была выявлена за последние пять лет благодаря искусственным спутникам. Авангард 1 — шар диаметром 16 см и весом 1,5 кг, выведенный на орбиту 17 марта 1958 г., сначала двигался по эллиптической орбите с апогеем (наиболее удаленная от Земли точка орбиты) 3968 км и с перигеем (ближайшая к Земле точка) до 659 км. Иногда, но только над Северным полушарием, расстояние в перигее составляло 650 км. Какова причина изменения высоты перигея? Ведь это противоречит законам тяготения, управляющим движением объекта вокруг сферически симметричного тела. Очевидно, Земля несимметрична. Возмущения орбиты Авангарда 1, обработанные на электронно-вычислительных машинах, показали, что Земля имеет слегка грушевидную форму.

В 1961 г. дальнейший анализ движения спутников позволил сделать еще одно открытие: диаметр Земли между Тихим и Атлантическим океанами приблизительно на 30 м меньше, чем между Северной Америкой и Австралией.

Так перед учеными встал новый вопрос, на который еще не найдено ответа.

Отклонения формы Земли от сферической слишком незначительны по сравнению с ее полным диаметром — 12 756 км. Космонавту, возвращающемуся с Марса, наша планета покажется круглой, как биллиардный шар. Но именно эти едва заметные отклонения от сферы и привели к краху прежней теории: считалось, что Земля — сфероид (слегка сплюснутый шар. — Ред.) с твердым железо-никелевым ядром, окруженным толстой оболочкой полурасплавленной магмы, а сверху — тонкой, как фольга, корой. Но тогда она была бы «мягкой» до глубины 5000 км и все искажения сгладились бы под действием сил, вызываемых вращением.

Космические станции и искусственные спутники Земли помогли открыть удивительное явление: оказалось, что на одной стороне Земли атомы водорода обнаруживаются далеко за границами атмосферы. Согласно Фридману (Морская исследовательская лаборатория, США), протяженность этого невидимого газового хвоста — 30 млн. км.

Если летящие на Марс люди, оглянувшись назад, увидят газовый хвост нашей планеты, сияющий отраженным солнечным светом, его существование будет окончательно доказано.

Спутники приблизили нас к раскрытию другой удивительной тайны.

В 1959 г. датчики спутников впервые передали на Землю загадочную информацию о микрометеоритах, число которых на одних высотах возрастало, на других — уменьшалось. Эти данные, проанализированные Уипплом (Гарвардский университет), привели к поразительному открытию, ранее предсказанному Зингером (Мерилендский университет) и состоящему в том, что облако космической пыли обращается вокруг Земли над экватором на средней высоте менее 150 км (возможно, около 100 км).

На таких высотах частицы не могут находиться долго, так как растрачивают энергию на преодоление сопротивления воздуха и постепенно падают на Землю.

Следовательно, облако пополняется из неизвестного постоянного источника вне Земли. Это пылевое кольцо, недоступное наземному наблюдателю, вероятно, и есть та дымка, расположенная над основной массой атмосферы, о которой сообщали космонавты.

Но вокруг нашей планеты может обращаться нечто более значительное, чем крошечные метеорные тела.

Профессор Томбо, открывший в 1930 г. планету Плутон, недавно посвятил два года наблюдениям ближайших окрестностей Земли при помощи специального широкоугольного телескопа. Он искал подтверждений любопытной теории, согласно которой Земля за время своего существования захватила силой притяжения астероиды или большие метеориты поперечником до 1,5 км. Он прекратил безуспешные поиски, но можно все же надеяться, что Земля имеет около десятка крошечных спутников, которые послужат готовыми «платформами» для будущих космических станций.

А теперь вернемся в земную атмосферу; здесь количество загадок еще более возрастает.

В 60-х годах XX века при помощи спутников Тирос начала создаваться космическая система предсказания погоды. Жалоба Марка Твена, цитировавшего Дадли: «Все толкуют о погоде, но никто не может повлиять на нее», наконец потеряет свою злободневность. Наблюдения облаков телеобъективами Тироса показали, что океанские циклоны по своим размерам значительно больше, чем раньше предполагалось, — до 3000 км в диаметре. Эти циклоны оказывают влияние на движения земной атмосферы в целом и тем самым на погоду.

Тирос 4, специально спроектированный как «охотник за ураганами» (запущен 8 февраля 1962 г.), зарегистрировал облако почти правильной прямоугольной формы, которое, по-видимому, способно порождать смерчи. Хотя этот факт нуждается в подтверждении, он все же показывает, как открытие явления до сих пор неизвестного помогает объяснить на первый взгляд совершенно непонятное поведение погоды на Земле.

А теперь поднимемся выше облаков, туда, где расположен источник других загадок.

Современные представления о различных слоях атмосферы — тропосфере (11 км), стратосфере (80 км), ионосфере (1000 км) — были существенно дополнены новыми, полученными при помощи спутников данными. С высотой химический состав ионосферы резко меняется. Азот и кислород сменяются водородом — самым легким газом во Вселенной. Теперь известно, что между ними находится гелиосфера — зона гелия, простирающаяся от 1200 до 2000 км, а уже над ней расположена протоносфера — зона ионизованного водорода.

Но исследователи атмосферы не уверены, что экзосфера — последний чрезвычайно разреженный слой, состоящий из атомов, ионов и электронов, постепенно исчезает, переходя в «настоящее» космическое пространство уже на высотах от 10 000 до 30 000 км, как предполагалось прежде. Счетчики Гейгера, установленные на спутнике Эксплорер 12 с большим апогеем, обнаружили разреженную газовую плазму значительно дальше. Эти заряженные частицы, удерживаемые земным магнитным полем, проникают до расстояний пяти — восьми диаметров Земли в зависимости от меняющегося излучения Солнца. Но временами космонавты будут обнаруживать «языки» атмосферы, простирающиеся на 100 000 км — четверть расстояния до Луны.

Даже в безлунную ночь небо часто ярче, чем оно было бы только при свете звезд. Своеобразное свечение, охватывающее весь небосвод, оставалось тайной для астрономов в течение трех с половиной столетий, и впервые ключ к разгадке его происхождения подобрали опять-таки ракеты космического века. Геофизические ракеты для исследований верхней атмосферы были оборудованы спектроскопическими приборами, которые зарегистрировали на высоте около 40 км известную ученым зеленую линию — «отпечаток пальцев» атомарного кислорода. В нижних слоях атмосферы кислород, которым мы дышим, обычно существует в виде двухатомных молекул. Выше 40 км не встречающее препятствий ультрафиолетовое излучение нагревает молекулы кислорода и азота, до тех пор пока они не распадаются на атомы. Ночью, когда одиночные атомы снова соединяются — рекомбинируют, поглощенная ими солнечная энергия освобождается и возникает таинственное свечение неба.

Однако эта теория объясняет не все, и, по-видимому, важную роль может играть другой фактор. Возможно, это солнечное излучение, под действием которого образуются свободные радикалы, — отдельные части химических соединений (например, четырехокись азота N₂O₄ распадается в верхней атмосфере на три заряженные компоненты, несущие положительный и отрицательный заряды). Если плотность воздуха велика, они существуют лишь очень короткие промежутки времени. Но в ионосфере, где частицы могут быть удалены друг от друга на расстояния в несколько сантиметров или метров, свободные радикалы могут не сталкиваться и не объединяться в течение длительных промежутков времени. Оторванные друг от друга солнечным излучением свободные радикалы, рекомбинируя, вновь освобождают накопленную энергию в виде свечения неба.

Возможно, что недавно открытое пылевое облако вокруг Земли также вносит свой вклад в появление сияния, отражая свет Солнца либо превращая космические лучи в видимый свет. В любом случае для окончательного решения загадки свечения ночного неба требуется дальнейшее зондирование атмосферы ракетами.

Информация, полученная при помощи первых спутников, казалось, позволила дать простое объяснение такому явлению, как полярные сияния. Но вскоре были получены новые данные и опять возникло много неясностей. Полярные сияния наблюдаются на обоих магнитных полюсах Земли. Очевидно, какие-то частицы, движущиеся вдоль магнитных силовых линий, реагируют с молекулами газов воздуха, вызывая полярные сияния. Неясно, однако, что это за частицы. Первоначально им приписывали солнечное происхождение, пока открытие радиационных поясов^[1] не указало на другой возможный источник этих частиц.

Сейчас ученые собирают новые сведения обо всех подобных видах излучения и пока воздерживаются от вынесения окончательного приговора. Ключом к решению проблемы послужила бы регистрация одновременного появления полярных сияний на обоих полюсах установленными на спутниках датчиками. Это было бы указанием на то, что радиационному поясу, имеющему форму бублика и одинаково удаленному от магнитных полюсов Земли, больше подходит роль первичного возбудителя полярных сияний, чем потокам частиц от Солнца, которые в некоторых случаях могут проникать только к одному полюсу и едва касаться другого.

Еще два вида свечения небосвода не относятся к околоземным атмосферным явлениям, а рождаются далеко в космосе.

Зодиакальный свет появляется над горизонтом сразу после захода Солнца и лежит в поясе зодиакальных созвездий, вдоль которого проходят пути планет по небосводу. Он имеет форму сахарной головы (конуса). Постепенно бледнея во время сумерек, зодиакальный свет совершенно исчезает, когда наступает полная темнота.

Очевидно, это слабое отражение солнечного света каким-то веществом за пределами земной атмосферы, в малоизученной межпланетной плазме. Одно из предположений состоит в том, что Солнце окружено пылевым облаком, подобным земному, но значительно большим, которое достигает максимальной толщины вблизи орбиты Венеры и сильно отражает солнечный свет. В соответствии с более поздней гипотезой солнечная атмосфера (корона), излучающая энергию, простирается так далеко от Солнца, что видна с Земли как образование, сияющее собственным светом.

Зодиакальный свет всегда наблюдается в той же стороне, что и Солнце, а в направлении точно противоположном местоположению Солнца появляется противосияние. Следовательно, противосияние может возникнуть только в антисолнечной точке в полночь. Из-за света звезд лишь тренированный глаз может различить очень слабое круглое туманное пятнышко, которое и представляет собой противосияние.

Попытки объяснить его происхождение обычно пополняли число научных курьезов, но старая идея американского астронома Барнарда была вновь вызвана к жизни благодаря космическим зондам, которые обнаружили в межпланетном пространстве облако микрометеоритной пыли. Законы тяготения допускают, что на расстоянии 1 500 000 км от Земли в антисолнечной точке действует «гравитационная ловушка», совершающая оборот вокруг Солнца в течение года, как и Земля, она-то и увлекает за собой легкое вещество. Короче говоря, этот «призрак» всегда остается в антисолнечной точке и находится достаточно далеко от Земли, чтобы не попадать в ее тень. Сгусток пыли в пространстве мог бы отражать солнечный свет и вызывать таинственное противосияние.

Исследования космического века приводят к открытиям не только внеатмосферных явлений, но и явлений, связанных с самой земной атмосферой.

Эту загадку загадали спутники, когда приборы одного из них обнаружили аномально высокую плотность воздуха на высоте около 240 км, в то время как другой через несколько дней зарегистрировал в той же зоне в десять раз меньшую плотность. Так как эти колебания продолжались, удивленные ученые решили, что воздушные «приливы», подобные морским, иногда посылают гигантские волны из нижних, более плотных слоев атмосферы на огромные высоты. Старое название атмосферы — воздушный океан Земли — стало теперь вполне оправданным.

Подобно прихотливым морским приливам и отливам, существуют сложнейшие «мореподобные» движения воздуха.

К настоящему времени имеются лишь отрывочные сведения о движении воздушных масс на разных высотах, полученные при помощи спутников, и трудно выбрать наиболее характерные данные. На какой-то промежуточной высоте вследствие уменьшения силы притяжения верхние слои атмосферы должны прекратить вращение синхронно с поверхностью Земли и наконец совсем остановиться по отношению к межпланетному пространству. По отношению же к Земле этот верхний разреженный слой будет мчаться с максимальной скоростью 1500 км/час — скорость вращения нашей планеты на экваторе.

Земное тяготение загадывает нам еще одну удивительную загадку.

В науке о Земле появились новые поразительные гипотезы, опирающиеся на теорию относительности. Они указывают на противоречие в современной теории гравитации. Сила тяготения определяется не только массой, но также пространством и временем. Если это так, то она не остается постоянной, как считалось, а зависит от континуума пространство — время — масса в нашей расширяющейся Вселенной.

Гравитационная энергия фактически может изменяться обратно пропорционально времени и объему пространства. Уменьшение силы притяжения за период времени менее миллиона лет было бы очень малым, но, несмотря на это, реальным и измеримым.

Эту теорию выдвинул Пик (Принстонский университет). Он предлагает проверить свою теорию при помощи точных наблюдений искусственных спутников, которые должны быть запущены с интервалом в пять лет.

Из сказанного выше мы видели, что подход с «космической меркой» открыл целый ящик Пандоры с новыми загадками Земли. Достаточно сказать, что о нашей планете, третьей от Солнца, мы знаем лишь немногим больше, чем, к примеру, о второй или шестой.

Американский океанолог, который изучает дно Тихого океана и обнаруживает там гигантскую трещину, сразу понимает, почему на его родине вулканический пояс проходит через Калифорнию. Таким же образом, только в значительно больших масштабах, наши исследования за пределами Земли помогут разрешить многие из земных загадок.

На Луне — следующей остановке в нашем путешествии по космосу, — вероятно, существуют сохранившиеся издавна зашифрованные сведения о происхождении Земли.