Метеоры в атмосфере

Мы развенчали падающие звезды в качестве подлинных звезд — этих величайших небесных тел — и признали в них лишь ничтожные камешки. Эти камешки, пока они несутся вне земной атмосферы, — ничтожные, но все-таки небесные тела, и изучение их как таковых увело нас в глубины межпланетного пространства, заставило обратиться к другим и гораздо более значительным небесным телам — кометам. Но, попав в атмосферу Земли и светясь в ней короткое время, и метеор и метеорит уже перестают быть по существу небесными телами. Их полет в воздухе сопровождается особыми интересными явлениями, причем маленький камешек-метеор уже перестает при этом быть таковым, почему некоторые ученые предлагают все такие камешки называть метеорными телами, а под метеором понимать лишь само явление свечения во время его полета в атмосфере. Нам кажется, что в этом нет особой нужды и это вызывает свои неудобства, но уделим некоторое внимание тому, почему и как метеоры, оказавшись в атмосфере, становятся видимы, и что нам дает изучение этих явлений для познания нашей собственной планеты...

Беззвучно катящаяся по небу звезда, осколок далекой кометы и орудийные залпы, обстрел и бомбежка мирных тыловых городов, что, кажется, может быть общего между ними?!

1918 год... Немецкие армии рвутся к Парижу, но они далеко, определенно известно, что враг не ближе 120 км от города, оснований для паники нет. И вдруг... в окрестностях Парижа начинают рваться большие снаряды. Что же думать... Где враг?

Оказалось, что немцы создали сверхдальнобойные пушки, которые могли стрелять на дистанцию в 120 км. Эти орудия выбрасывали снаряды массой 120 кг из ствола длиною 37 м с начальной скоростью 1700 м/с под углом 55° к горизонту. В этом и заключался главный секрет сверхдальности. Быстро прорезав нижние плотные слои воздуха, снаряд забирался в верхние разреженные слои земной атмосферы, далеко в стратосферу, на высоту 40 км. Там разреженный воздух мало тормозил его движение, и вместо нескольких десятков километров снаряд пролетал сотню километров. Надо сказать, что стрельба немцев не была очень меткой; они рассчитывали больше на создание паники.

Известную долю неточности их стрельбы обусловила невозможность рассчитать точно условия полета снаряда на большой высоте. Ни плотность, ни состав, ни движение воздуха на этой высоте не были тогда известны; атмосфера на этих высотах не была еще изучена. Действительно, даже стратостаты, поднимавшие впоследствии людей с научными приборами, достигли высоты всего лишь около 22 км, а воздушные шары с самопишущими приборами без людей поднимались до 30 км. Ракеты, поднимающиеся на высоты более 100 км, стали пускать только после второй мировой войны.

О более высоких слоях воздуха раньше можно было составить представление лишь путем изучения происходящих там явлений, и метеоры, ежедневно пронизывающие их, все еще доставляют один из лучших косвенных методов такого рода. Лишь совсем недавно на вооружение ученых поступило такое мощное средство всестороннего исследования верхних слоев атмосферы, как искусственные спутники Земли. Вот почему усиленное изучение метеоров было важным пунктом программы проведения Международного геофизического года (1957—1958 гг.).

Метеоры являются невольными разведчиками стратосферы, и наша задача — научиться их опрашивать. Вот к чему приводят результаты такого опроса, начатого всего лишь лет сорок назад.

Метеорные тела вторгаются в атмосферу со скоростью, примерно в сотню раз большей скорости ружейной пули в начале ее пути. Как известно, кинетическая энергия, т. е. энергия движения тела, равна половине произведения квадрата его скорости на его массу. Вся эта энергия метеора идет на излучение тепла и света, на раздробление тела на молекулы, на разрушение молекул тела и воздуха на атомы и на ионизацию этих атомов.

Молекулы и атомы твердого тела, и метеора в том числе, часто расположены в некотором определенном порядке, образуя так называемую кристаллическую решетку. С чудовищной скоростью метеор врезается в воздух, и молекулы, из которых состоит воздух, с силой втискиваются в молекулярную решетку метеорного тела. Чем дальше влетает метеор в земную атмосферу, тем плотнее там воздух и тем больше и больше молекулярная решетка метеорного тела подвергается ожесточенной бомбардировке молекулами воздуха.

Лобовая часть метеора в конце концов получает ливень таких ударов, при которых молекулы воздуха вонзаются в метеор, проникают внутрь него, как снаряд в железобетонный дот. Этот «обстрел» передней поверхности нарушает связи между молекулами и атомами тела, ломает кристаллические решетки и вырывает из них отдельные молекулы вещества метеора, накапливающиеся уже в беспорядке на его лобовой поверхности. Часть молекул расщепляется на атомы, из которых они состоят. Некоторые атомы от ударов даже теряют входящие в их состав электроны, т. е. ионизуются, приобретая электрический заряд. Отколотые электроны, время от времени скользя слишком близко к ионам, захватываются ими на «вакантные места» и при этом, в соответствии с законами физики, излучают свет. Каждый атом излучает свои длины волн, отчего спектр метеора и есть ярко-линейчатый спектр, характерный для свечения разреженных газов.

Чем глубже в атмосферу, тем быстрее идет разрушение метеора и сильнее его свечение. На высоте ниже 130 км над Землей оно уже достаточно, чтобы сделать метеор видимым для нас.

Молекулы воздуха тоже страдают при ударах, но они прочнее молекул и атомов метеора и реже ионизуются, кроме того, они не так сильно сконцентрированы и потому дают столь слабое свечение, что линии газов, составляющих атмосферу (в основном кислорода и азота), мы в спектре метеора не замечаем.

Ниже в атмосфере воздух перед лобовой поверхностью метеора образует «шапку», состоящую из сжатых газов, в которые превращается метеор, и отчасти — из газов сжимаемого им перед собою воздуха. Струи сжатого и горячего газа обтекают метеорное тело с боков, отрывая от него новые частицы и ускоряя разрушение камешка.

Более крупные метеорные тела проникают глубоко в атмосферу, не успев целиком превратиться в газ. Для них торможение приводит к потере их космической скорости на высоте 20—25 км. Из этой «точки задержки», как ее называют, они падают уже почти отвесно, как бомбы с пикирующего самолета.

В низких слоях атмосферы обилие твердых частиц, сорванных с боков метеорного тела и отставших от него, образует за ним «дымный» черный или белый пылевой след, часто видимый при полете ярких болидов. Когда такое тело достаточно велико, то в разрежение, образующееся за ним, устремляется воздух. Это, а также сжатие и разрежение воздуха на пути большого метеорного тела вызывают звуковые волны. Поэтому полет ярких болидов сопровождается звуками, похожими иногда на выстрелы и на раскаты грома.

Как яркость, так и цвет метеоров и болидов создается не накаливающейся твердой поверхностью, которая ничтожно мала, а частицами вещества, обращенными в газ. Поэтому цвет их зависит не столько от температуры, сколько от того, какие из светлых линий в его видимом спектре являются наиболее яркими. Последнее зависит от химического состава тела и от условий его свечения, определяемых его скоростью. В общем все-таки красноватый цвет сопровождает меньшую скорость движения.

Такова в кратких чертах картина свечения метеорных тел в атмосфере, которую рисует современная наука.

Остановимся на некоторых подробностях этих явлений, изученных совсем недавно и связанных с изучением стратосферы. Например, исследование торможения метеоров проливает свет на изменения плотности воздуха с высотой. Чем больше плотность воздуха, тем сильнее, конечно, торможение, но торможение зависит и от скорости движения и от формы тела, отчего самолетам, автомобилям и даже локомотивам стремятся придать «обтекаемую форму». Тело «обтекаемой» формы лишено острых углов и рассчитано так, чтобы при быстром движении воздух обтекал его, встречая как можно меньше помех, сопротивления, и потому меньше тормозил движение.

Артиллерийские снаряды испытывают в полете огромное сопротивление воздуха. Метеорные же тела летят в воздухе со скоростью, в десятки раз превышающей скорость снаряда, и для них сопротивление воздуха еще больше. По снимку метеора, полученному однажды в Москве любителями астрономии, членами Астрономо-геодезического общества, фотокамерой с сектором, вращающимся перед объективом, для одного метеора нашли торможение (которое часто называют отрицательным ускорением) около 40 км/с². Это в 400 раз превосходит ускорение свободного падения тел под действием силы тяжести! И это на высоте 40 км над Землей, где воздух так разрежен, что человек там немедленно погиб бы от удушья.

Для того чтобы звук был слышен, воздух должен иметь определенную плотность. В безвоздушном пространстве звуков нет, и как колокольчик в вакууме под колпаком воздушного насоса на лекции по физике старается напрасно, так и в безвоздушном межпланетном пространстве мировые катастрофы происходят беззвучно. Грандиозный взрыв «новой звезды» или столкновения звезд (впрочем, почти невероятные) происходят так бесшумно, что, находясь вблизи от них в момент катастрофы, мы бы даже не обернулись, если бы это произошло у нас «за спиной».

Рис. 98. Строение земной атмосферы.

Характер звуков при полете болидов говорит нам многое о плотности верхних слоев атмосферы.

Хорошую возможность изучения воздушных течений в высоких слоях атмосферы нам доставляют следы, остающиеся в небе после полета ярких метеоров и болидов; 20—80 км — вот их высота над нашими головами.

Сколько времени видны пылевые следы, зависит от условий освещения и от количества вещества, превращенного в мельчайшую взвешенную в воздухе пыль. Играют тут роль и воздушные течения, разносящие пылинки в стороны и «заметающие» след болида. В исключительных случаях след болида бывает видим в течение 5—6 часов.

Серебристые следы, видимые ночью после пролета быстрых и ярких метеоров, имеют другую природу, — они газовые и лежат всегда выше 80 км. При огромной скорости соударяющихся молекул вдоль пути метеора происходит сильная ионизация молекул воздуха, чему помогает и ультрафиолетовое излучение метеора. В образовавшемся за метеором цилиндре ионизованного воздуха медленно происходит воссоединение ионов с электронами, медленно потому, что при большой разреженности воздуха на такой высоте наэлектризованные частички далеки друг от друга и проходят длинный путь, прежде чем воссоединятся снова. Процесс их воссоединения, как всегда, сопровождается излучением линий спектра. В то же время ионизованные молекулы разлетаются в стороны, и ширина следа растет. От этого яркость следа, конечно, ослабевает, но иные следы (видимые обычно только несколько секунд) остаются на небе среди звезд иногда даже в продолжение часа.

Непрестанная ионизация воздуха метеорами способствует поддержанию на высотах от 80 до 300— 350 км над Землей ионизованных слоев. Основная причина их возникновения — ионизация воздуха солнечными световыми (ультрафиолетовыми) и корпускулярными лучами (потоками наэлектризованных частиц).

Может быть, не все знают, что именно этим слоям мы обязаны тем, что на коротких волнах можно переговариваться с любителями-коротковолновиками, живущими на Малайском Архипелаге или в Южной Африке. Радиосигналы, излучаемые передатчиком и падающие на эти слои под определенным углом, благодаря его электропроводности отражаются как от зеркала. Они не уходят в мировое пространство, а, отразившись вниз, почти неослабленные принимаются где-либо очень далеко от передающей радиостанции.

Это явление отражения радиоволн связано и с длиной радиоволны. Можно изучить плотность ионов в электропроводящем атмосферном слое, меняя длину волны и определяя, когда радиопередача прекратится, т. е. когда радиоволны не отразятся, а ускользнут из земной атмосферы. Другие радионаблюдения позволяют следить за высотой слоев, которая несколько колеблется.

Как и можно было ожидать, обнаружено, что изменение числа метеоров, влетающих в атмосферу, и даже появление отдельных ярких болидов меняет силу радиоприема на коротких волнах, вызывая быстрые, кратковременные изменения электропроводности воздуха благодаря его ионизации на высотах 50—130 км. Большие возмущения в силе радиоприема далеких станций были, например, отмечены на Слуцкой обсерватории под Ленинградом в часы метеорного дождя Драконид 9 октября 1933 г.

Так радиосвязь неожиданным образом реагирует на появление бренных останков комет, светил, казалось бы, таких безразличных для повседневных дел на нашей Земле!

Около ста лет назад известный московский астроном В.К. Цераский случайно заметил летом необычные серебристые облака, светившиеся на ночном небе в северной его части. Это не могли быть обычные облака, плавающие не выше 8, в крайнем случае 12 км над Землей. Если б это были они, то Солнце, находящееся под горизонтом, не могло бы достать их своими лучами и заставить так ярко светиться. Это должны были быть необыкновенно высокие облака. И действительно, сравнение зарисовок их положения на фоне звезд, сделанное одновременно с двух разных мест (В.К. Цераским и А.А. Белопольским), позволило первому из них впервые доказать, что эти облака разгуливают на высоте 80— 85 км. С тех пор их наблюдали не раз всегда летом и в северной части неба, вблизи горизонта, так как даже на такой большой высоте и только при этих условиях солнечные лучи могут их осветить из-под горизонта.

Эти ночные «светящиеся» или «серебристые» облака, как их называют, упорно держатся всегда на высоте 82 км. Быть может, эти облака, лежащие близ нижней границы погасания метеоров, образованы кристалликами льда, намерзшими на пылинки.

Что в воздухе на высоте 80 км, где он, казалось бы, должен быть так «чист» (вспомните чистоту воздуха хотя бы в горах!), есть пыль, это еще, казалось бы, куда ни шло. Но что бы вы подумали, если бы вам кто-либо сказал о металлической атмосфере над нашей головой!

Рис. 99. Светящиеся, или серебристые облака, находясь на большой высоте, освещаются лучами Солнца, находящегося под горизонтом. (Фотография сделана в Свердловске в 1928 г.)

Мы справедливо отвергли наивные представления древности о «небесной тверди», о «хрустальных небесах» над нашей головой и вдруг признаем... чуть ли не металлическое небо!

В самом деле, в 1938 г. спектроскоп в руках французских астрофизиков Кабанна, Дюфэ и Гози с убийственным хладнокровием показал, что в спектре ночного неба постоянно есть известная желтая линия натрия и линии кальция. Кроме этих металлов, ученые надеются обнаружить в атмосфере еще алюминий и даже железо! (Кстати сказать, чтобы получить спектр света ночного неба, которое и так-то кажется почти черным, т. е. почти не испускающим света, приходится делать многочасовые экспозиции.) Металлы, найденные в атмосфере, относятся к высоте 130 км над Землей и, конечно, никакого твердого купола не образуют. Отдельные атомы названных металлов единицами насчитываются среди многочисленных молекул крайне разреженного воздуха на этой высоте. По-видимому, атомы металлов рассеиваются в атмосфере при испарении метеоров и светятся при соударении с другими частичками. В самом деле, так или иначе, а продукты испарения метеоров, т. е. по преимуществу атомы тяжелых элементов, должны не только оставаться, но и накапливаться в атмосфере. Будут ли они там светиться или нет — это вопрос особый, но нет никаких причин, чтобы, рассеиваясь на высоте порядка сотни километров, они могли тотчас же опуститься на землю.

Итак, метеорное вещество есть везде, оно лежит у нас под ногами, оно непрерывно путешествует в пространстве, оно висит у нас над головой.

Изучение метеорных явлений дало много ценного для познания стратосферы. Не все из этих выводов, как, например, первые выводы зарубежных ученых Линдемана и Добсона, являются бесспорными в очень молодой науке о движении метеоров в атмосфере, но они все же иллюстрируют, какие возможности тут открываются перед нами. А выводы эти вот какие. Исходя из своей теории свечения метеорных тел в атмосфере, рассматривающей взаимодействие с воздухом летящего метеорного тела, упомянутые авторы в 1923 г. объяснили особенности в распределении по высоте точек погасания метеоров и заключили, что на высоте около 60 км воздух сильно нагрет. Они вычислили там температуру, и она оказалась равной +30°, а позднейшие вычисления привели даже к температуре 110°. (Не будем говорить, что на этой высоте температура оказалась выше точки кипения воды, потому что при тех малых давлениях воздуха, какие имеют место в стратосфере, температура кипения воды много ниже, чем 100°C.)

Это открытие явилось сюрпризом, потому что непосредственные промеры температуры до высоты в 30 км показывали сначала быстрое ее падение с высотой, а с 11 км (нижней границы стратосферы) начинался слой с почти постоянной температурой в 50° мороза, независимо от времени года и климатического пояса местности. Вернее говоря, стратосфера ведет себя даже «шиворот навыворот»: зимой, даже в полярных странах, ее температура около —45°, а летом и в тропиках около —90°. Тропосфера, или нижний слой земной атмосферы, характеризуется падением температуры с высотой и над экватором распространяется выше (до 15—16 км), чем у полюсов Земли (9—10 км). Эта верхняя ее граница — конец изменения температуры — и определяет начало стратосферы, до известной степени объясняя неожиданное распределение температуры стратосферы по климатическим поясам, так как температура стратосферы равна температуре верхней границы тропосферы. Сезонные же и неожиданные изменения ее температуры тоже связаны с сезонным изменением в высоте границы тропосферы, так как воздух нагревается преимущественно снизу, землей, а зимой земля менее нагрета и прогревает атмосферу до меньшей высоты.

Рис. 100. Две фотографии яркого метеорного следа, полученные с перерывом в несколько минут Д. Дебабовым на Чукотке (1941 г.).

Изучение метеоров неожиданно открыло существование нового повышения температуры с высотой, как говорят, верхней температурной инверсии в стратосфере. Стратонавту, поднявшемуся в меховом костюме в стратосферу, если он сможет подняться выше 40 км, будет, пожалуй, труднее защищаться от жары, которая сменит там 50-градусный мороз, господствующий ниже.

Существование верхней температурной инверсии подтверждается изучением торможения метеоров по фотографиям с вращающимся сектором. Это торможение уменьшается в той самой области, где предположено повышение температуры, как и должно быть. В последнее время температура +50°C на высоте 60 км найдена и прямыми измерениями при помощи приборов, установленных на ракетах, запускавшихся в стратосферу.

С точки зрения изучения стратосферы интересно также, что скорость расползания газовых светящихся метеорных следов связана с давлением и температурой окружающих слоев воздуха и позволяет оценить их величину.

Раньше стратосферу считали областью невозмущенного покоя, застывшего в неподвижности воздушного океана, относя всякие ветры и перемещения воздушных масс к области тропосферы. Поэтому полкой неожиданностью явилось обнаружение советскими учеными И.С. Астаповичем, В.В. Федынским и другими воздушных течений на высоте 80 км над Землей, со скоростями, доходящими до 120 м/с, относящих метеорные следы преимущественно к востоку, но иногда и в другую сторону; встречаются даже и вертикальные течения.

Изучение метеоров в связи со свойствами стратосферы только что началось, и приведенные данные являются лишь первым его даром, могущим убедить в пользе этой отрасли астрономии даже наиболее скептически настроенных людей.