Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

Также важным было взаимодействие со стенками корпуса. Когда пылинка сталкивалась с оболочкой, происходило перераспределение заряда и изменение конфигурации.

Тем не менее возникли идеи о моделировании взаимодействия элементов кристаллов через пылинки. Все-таки частички можно наблюдать визуально, а атомы не видны. Уже на МКС провели эксперимент с меламинформальдегидом – пылинки из него становились очень сильно заряженными. В невесомости между ними преобладали электрические взаимодействия, и космонавты наблюдали образование структур, напоминающих кристаллическую решетку. Теперь можно было изучать фундаментальные свойства материалов. Если же использовать лазер, внешнее поле или электрический разряд, то возникают течения и волны плотности. В одной части камеры зарядов становится больше, в другой – меньше.

Следующий вариант эксперимента предполагал использование сразу нескольких типов пылинок, например больших и маленьких. В его ходе образовывались «цепочки» из крупных микрочастиц в облаке мелких.

С учетом большого разнообразия вариантов эксперимента исследование «Плазменный кристалл» стало одним из самых длинных в истории космонавтики. Полученные знания пока относятся к категории фундаментальной науки, но в будущем могут применяться практически. Уже есть проекты осаждения взвешенных в плазме частиц для создания покрытий с особыми свойствами, или удаления нежелательных частиц пыли при производстве микросхем, или для создания электрических ядерных батарей.

Изучение Земли

Еще с тех пор как в 1946 году камерой, установленной на борту ракеты V‐2, американской копии немецкой «Фау‐2», удалось сфотографировать нашу планету с высоты более 100 километров, стало ясно, каким потенциалом обладают космические аппараты. Правда, до запуска первого спутника оставалось еще 11 лет.

В те времена ракеты летали не более 20 минут, а этого слишком мало для проведения глобальных исследований, поэтому эксперименты были направлены в первую очередь на определение параметров атмосферы: температуры на разных высотах, концентрации частиц, химического состава, уровня радиации. Эти параметры нужны, чтобы рассчитать нагрев корпуса от трения, оказываемое сопротивление воздуха и понять причины, которые могли вызывать сбои в работе систем управления ракет.

Газовую оболочку Земли можно условно разделить на четыре слоя и несколько условных и пограничных зон. Граница определяется по поведению температуры. Самый нижний слой, в котором мы живем, – тропосфера. Обычно теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается. С высотой концентрация частиц уменьшается, и теплый воздух остывает. Хотя перемешивание потоков очень сильно, все же в среднем температура слоя уменьшается с высотой. Закон Архимеда не работает, когда плотность холодного разреженного и теплого поднимающегося воздуха сравнивается.

Постоянное движение воздушных масс рождает множество явлений и эффектов.

Второй слой – стратосфера – как раз наоборот, очень спокойный. Название происходит от латинского слова, которое обозначает разделение. Температура с высотой начинает повышаться, так как нагрев обеспечивает солнечная радиация и излучение, для которого атмосфера непрозрачна. По сравнению с тропосферой это спокойное место, но в слое идут процессы, связанные с химическими взаимодействиями и вращением Земли, например образование озонового слоя и глобальные искривляющиеся течения воздушных масс, так называемые волны Россби.

Волны Россби. NASA

В XIX веке считалось, что на этом атмосфера заканчивается. Выше не могут подняться ни воздушные шары, ни самолеты.

Следующий атмосферный слой – мезосфера – получил свое название в 1951 году, как раз с началом полета ракет. Термин переводится как средняя сфера. А следующий за ним слой – термосфера, в переводе – теплая сфера.

В мезосфере температура падает с увеличением высоты. Молекулы воздуха разделяются на атомы, и они так сильно разрежены, что не могут поглотить достаточное количество энергии от Солнца. Чем выше, тем меньше атомов, которые могут нагреться. К тому же атмосфера в этом слое отдает полученную энергию в космос с помощью излучения, можно сказать, светится сама и за счет этого охлаждается.

В мезосфере происходит масса интересных эффектов, ведь к обычной конвекции присоединяются эффекты электрического взаимодействия, химические процессы и даже гравитационное влияние других небесных тел.

Правда, изучать этот слой крайне тяжело. За семь-восемь минут полета сложно «поймать» тонкие изменения. Только когда начали летать спутники, ученым удалось отследить часть процессов, но даже сейчас известно далеко не все, но об этом позже.

В четвертом слое – термосфере – атомы находятся так далеко друг от друга, что нельзя говорить о привычной для нас температуре. В учебнике по физике указано, что это мера средней кинетической энергии, то есть физическая величина, связанная со скоростью движения частиц. В термосфере атомов так мало, что один из них может пролететь вокруг планеты и не столкнуться с другим атомом. О среднем движении частиц говорить не приходится. Термометр будет показывать очень низкое значение, но если взять отдельную частицу и определить ее кинетическую энергию, то значение температуры получится +2500 °C.

Солнечный ветер и магнитное поле разгоняют атомы, а причин для их замедления с высотой становится все меньше и меньше.

Естественно, в атмосфере можно выделить еще множество слоев, например промежуточные: тропопауза, стратопауза, мезопауза, термопауза, – которые разделяют сферы. В них температура практически не меняется. Также по количеству заряженных частиц выделяют нейтросферу и ионосферу, а по составу газов – гетеросферу, гомосферу и турбопаузу между ними.

Наконец, экзосферой называют область, где частицы улетают от планеты в космос. По сути, атомы там – скорее спутники Земли, нежели элементы атмосферы, но они все равно являются частью газовой оболочки. Некоторые причисляют ее к пятому слою атмосферы, хотя найти отличие ее параметров от межпланетной среды почти невозможно.

1957 год был объявлен международным геофизическим годом, и специально к нему на околоземную орбиту был запущен первый спутник. Он представлял собой небольшой шар с четырьмя штыревыми антеннами. Спутник получил имя ПС‐1, что расшифровывается как простейший спутник. Он умел только передавать короткие радиосигналы на Землю. Аппарат скорее служил средством вдохновения и социально-политического влияния, о чем будет рассказано ниже. Однако ученые уже могли получить некоторые данные о малоизученной ионосфере.

Этот слой состоит не из нейтральных атомов или молекул газов, а из заряженных частиц – ионов. Солнечное излучение разрывает химические соединения и отделяет электроны от ядер атомов. Заряженные частицы в свою очередь прекрасно взаимодействуют с электромагнитным полем вообще и радиоволнами в частности. Давно был известен такой эффект: короткие волны, то есть радиоволны частотой от двух до восьми МГц, могут отражаться от ионосферы и доходить до приемников под линией горизонта, а иногда, если отражений будет много, – до тех, что стоят с противоположной стороны земного шара. На самом деле радиоволны могут не только отражаться, но и преломляться и поглощаться ионосферой. На