Чтение онлайн

Недавно я видела, как в большом московском книжном магазине люди деловито раскупали его книгу — вузовский учебник по очередному разделу физики… Впрочем, все это — лирика. Физика здесь — лишь утверждение: волны взаимодействуют только с теми объектами, размеры которых сравнимы с длиной волны или превышают ее.

К XX веку это было хорошо известно ученым. Мягко говоря, безнадежной казалась им затея молодого итальянского инженера Гульельмо Маркони установить радиосвязь через Атлантический океан. Передатчик в Англии, приемное устройство далеко за горизонтом, в Северной Америке. Стоит сопоставить ширину океана, радиус Земли и длину волны, которую может послать передатчик, как вся нелепость предприятия выступает наружу. Выпуклость Земли — непреодолимое препятствие для этих волн. Ученые не скрывали своего мнения и всячески пытались урезонить энтузиаста.

Маркони же, не обращая внимания на резонные возражения и советы, деятельно готовился к эксперименту. Во время своих опытов по еще недалекой радиосвязи ему удавалось добиваться распространения радиоволн на все большие расстояния, и он предположил, что с чувствительным приемником и достаточно мощным передатчиком можно попытаться передать сигнал через океан.

Как известно, в 1901 году его дерзость увенчалась полнейшим успехом: и выпуклость земного шара не помешала, и величина сигнала, принятого в Америке, оказалась неожиданно большой. Специалистам пришлось срочно искать объяснение этому чуду.

Появилась гипотеза, что над планетой существует отражатель радиоволн, проводящее "зеркало", отправляющее радиоволны туда, за горизонт. Мы называем теперь такой электропроводящий слой, сильно влияющий на распространение радиоволн, ионосферой. Уже через год после эксперимента Маркони американский инженер-электрик А. Кеннели и английский физик О. Хевисайд предположили его существование.

Мало сказать, что гипотеза эта была встречена недоверчиво. Известно, что авторитетный научный журнал "Электричество" в то время не принял к печати статью на эту тему, объявив саму идею существования ионосферы вздорной. "Иногда достаточно обругать человека, чтобы не быть им обманутым!" — так считал, видимо, не один наш Козьма Прутков.

Впрочем, гипотеза о наличии в атмосфере проводящего слоя высказывалась и раньше. Ее содержала вышедшая в 1882 году работа шотландского физика и метеоролога В. Стюарта. Автор ее пришел к выводу, что электрические токи, текущие в этом слое, могут отвечать за магнитные возмущения на поверхности Земли. Время подтвердило это предположение: мы теперь знаем, что многие возмущения магнитного поля действительно связаны с ионосферными токами. Заметим, что появление работы Стюарта совпало с проведением в 1882–1883 годах Первого Международного полярного года, столетие которого только что отмечалось, — действительно первой попытки согласованных геофизических наблюдений, выполненных учеными разных стран на широкой сети наблюдательных станций. Вряд ли это было совпадением: Полярный год привлек внимание исследователей к проблемам геофизики.

"Идея была. А веры ей не было, — пишет о гипотезе существования ионосферы советский геофизик Э. С. Казимировский в своей научно-популярной книге "Волшебное зеркало планеты". — Новые представления, тем более столь радикально меняющие наши взгляды на проблему, далеко не сразу становятся общепринятыми. Долгое время предположения о наличии в верхней атмосфере электропроводящего слоя, способного отражать радиоволны, считались недоказанными".

Несмотря на замечательный успех эксперимента Маркони, к выпуклости Земли по-прежнему относились как к непреодолимому препятствию для радиоволн. Ретроспективно это выглядит довольно комично. Стремясь установить дальнюю радиосвязь, старались использовать длинные волны, ибо, как мы знаем, волны взаимодействуют лишь с теми объектами, размеры которых сравнимы с длиной волны или превышают ее, и длинным волнам легче преодолеть препятствие — выпуклость Земли. Но связь на длинных волнах оказывается очень дорогой: по законам радиотехники длинную волну излучает длинная антенна, поэтому приходилось строить огромные антенные системы и мощные передатчики, занимающие целые здания и потребляющие очень много энергии. Это вполне могло служить декорацией к фильмам о торжестве науки и техники — масштабы впечатляют, но толку от всего этого было мало.

Есть еще один диапазон волн — короткие. Но ими пренебрегали именно потому, что, используя их, не было надежды преодолеть выпуклость Земли. Кроме того, распространяясь вдоль земной поверхности, короткие волны затухают быстрее длинных: чем радиоволна короче, тем больше она тратит энергии, создавая электрические токи в толще Земли. Казимировский рассказывает: "На короткие волны серьезные связисты сначала и внимания-то не обращали. Этот диапазон оставили для развлечения радиолюбителей, которые сами строили маломощные радиостанции с небольшими антеннами (волны-то короткие!) и устанавливали радиосвязь друг с другом".

По его словам, в отношении специалистов к гипотезе существования радиозеркала, ионосферы, "коренной перелом наступил тогда, когда стало известно, что коротковолновики-радиолюбители бьют все рекорды дальней связи… Уже в 1922 году радиолюбители установили уверенную двустороннюю связь между Европой и Америкой. Специалисты были потрясены. Самодельные маломощные передатчики оказались более дальнодействующими, чем длинноволновые правительственные радиостанции, обладавшие большой мощностью и крупногабаритными антеннами, мачтами и башнями".

Вскоре служебные радиостанции стали регулярно применять короткие волны для дальней связи. А в 1925 году ионосфера, "волшебное зеркало планеты", была открыта экспериментально. Группа английских радиофизиков в одной из лабораторий Кембриджского университета сконструировала приемные антенны, которые не только принимали сигналы удаленных радиостанций, но и можно было с их помощью определить направление прихода радиоволн. Передатчик был расположен на севере Англии, а приемник — на юге. Расстояние между ними было около 400 километров. Когда посмотрели, откуда приходит к приемнику радиосигнал, то оказалось, волна принимается не с севера, а сверху! 1925 год стал "годом рождения" ионосферы.

Ионосфера — это промежуточный слой между плазмой магнитосферы и нейтральной атмосферой Земли, в котором свободные заряженные частицы, обеспечивающие перенос заряда, электрический ток, перемешаны с нейтральными. Советский специалист в области распространения радиоволн А. Н. Щукин писал: "Можно сказать без преувеличения, что не будь отражения и преломления радиоволн в верхних слоях атмосферы, роль радио как средства связи сократилась бы на 90–95 процентов". Так что нашим привычным радио мы обязаны космосу.

Знать детально состояние "радиозеркальной оболочки" Земли было бы очень полезно. Если бы умели уверенно расшифровывать ее свойства, мы могли бы полнее эти свойства использовать. Замечено, например, что радиоволны после отражения от ионосферы и затем от какого-либо предмета могут вернуться по своему пути обратно, к тому месту, откуда они вышли. Значит, в принципе можно видеть то, что делается за горизонтом — на расстояниях до нескольких тысяч километров. Для сравнения заметим, что обычный радиолокатор, работающий в режиме "прямого зрения", обнаруживает самолет, летящий на высоте 10 тысяч метров, с расстояния до 400 километров. При высоте полета 100 метров еще ближе — с расстояния 50 километров.

Но задача точного описания отражающего действия ионосферы далеко не простая. Существуют целые институты, в названия которых вынесены слова "ионосфера и распространение радиоволн". Приложили усилия к исследованиям этой проблемы физики А. Зоммерфельд и В. А. Фок, внес свой вклад в нее, еще будучи аспирантом МГУ, и Р. В. Хохлов.

Для нас ионосфера — продолжение космоса. Создается она действием космических факторов на верхние слои земной атмосферы. Уже не раз мы говорили, что волны взаимодействуют лишь с теми объектами, размеры которых сравнимы с длиной волны или превышают ее. Коротковолновое — ультрафиолетовое и рентгеновское — излучение Солнца сильно действует на нейтральные частицы атмосферы, приводя к возникновению всякого рода обломков: молекулы разбиваются на атомы, появляются свободные электроны и разные ионы. К тому же частицы, усваивая "лишнюю" энергию, становятся возбужденными, способными испускать порции (кванты) электромагнитных волн, светиться. Нам нет надобности обсуждать в подробностях эти квантовомеханические процессы, благодаря которым ионосфера запасает энергию. Пусть лишь прозвучит "за кадром" старая песенка московских студентов-физиков: