Чтение онлайн

Теперь эти высоты — выше плотной атмосферы — относят к космическому пространству. Современные космические корабли с космонавтами на борту летают обычно на высоте 200–400 километров. Нижняя граница сияний, как мы теперь знаем, находится от земного наблюдателя на расстоянии 95-100 километров, и чем ярче, сильнее сияние, тем ниже эта граница опускается. По вертикали свечение захватывает сотню-другую километров, однако может достигать и 400–600, а иногда и 1000–1100 километров.

"Что видимое сияние в месте, лишенном воздуха, произведено быть может, в том мы искусством уверены", — писал Ломоносов. "Искусством" были его лабораторные опыты по электрическому разряду в газах. Он проводил их со стеклянными шарами, откуда откачивался, но не полностью, воздух. "Возбужденная электрическая сила в шаре, из которого воздух вытянут, внезапные лучи испускает, которые в мгновенье ока исчезают, и в то же время новые на их места выскакивают, так что беспрерывное блистание быть кажется. В северном сиянии всполохи или лучи… вид подобный имеют", — говорил о своих наблюдениях Ломоносов. Замеченная им аналогия электрического разряда в газе и полярных сияний имеет очень глубокий смысл. Свечение неба при сияниях и свечение воздуха в сосуде с газовым разрядом, так же как и свечение экрана обычного телевизора, с физической точки зрения — это одно и то же явление: свечение вещества при бомбардировке его потоком быстрых заряженных частиц. Разница лишь в том, что именно обеспечивает частицы высокой энергией движения — космический ли процесс или электрическое напряжение, подведенное к электродам установки, и какое именно вещество — воздушный или твердый экран — встречают эти частицы на своем пути.

Мысль об электрической природе полярных сияний была высказана Ломоносовым на заседании конференции Академии наук в 1751 году. Независимо от него и почти одновременно с ним к выводу о близости природы газового разряда и свечения неба при полярных сияниях пришли Ж. Кэнтон в Англии и Б. Франклин в Америке. Примерно в то же время епископ Бергена Э. Понтопидан написал книгу под названием "Первая естественная история Норвегии", в которой был затронут необыкновенно широкий круг вопросов — от месторождений нефти в Северном море до происхождения мух, червей и полярных сияний. Понтопидан также указывал на электрическую природу сияний: по образному сравнению автора, Земля, вращающаяся в межпланетной среде, напоминает крутящуюся сферу в электрофорной машине, а электрические разряды в такой машине соответствуют вспышкам полярных сияний. Повидимому, это первая точка зрения на полярные сияния как на результат взаимоотношений Земли и окружающей ее межпланетной среды. Нам еще много предстоит говорить об этих взаимоотношениях. С космосом связывала полярные сияния и замечательная экспериментальная работа французского ученого Ж. де Мерана, относящаяся к 1733 году. Он обнаружил статистическую связь явлений на Солнце и на Земле: среднее число крупных полярных сияний соответствовало среднему числу солнечных пятен! Этот факт оказался фундаментальным для современной нам науки о полярных сияниях. Но, опираясь на него, нельзя забывать слово "среднее": эта закономерность существует только, как говорят физики, в среднем. Если же рассматривать причинно-следственную связь, то закономерность размывается: утверждение, что у каждого сияния есть прямая солнечная причина, о которой можно судить по числу солнечных пятен, неверно. Чтобы не пускаться сейчас в детали, я просто сошлюсь на газетные заметки о попытках чисто наземными средствами спровоцировать полярные сияния.

Насколько продвинуло науку выявление электрической природы сияний и их космического происхождения, видно по такому факту. Практически в то же время, в 1733 году, вышла работа шведского физика и астронома А. Цельсия — имя его известно всем благодаря предложенной им шкале температур. И работа эта была написана с позиции идеи, что полярные сияния представляют собой отблески горных вершин!

Впрочем, автор не особенно настаивал на своей трактовке, поскольку вообще считал существовавшие тогда гипотезы легковесными. Он утверждал, что "гораздо полезнее оставить после себя потомкам правильные наблюдения, Чем легко опровергаемые теории", и призывал ученых сосредоточить внимание на тщательных наблюдениях. Ему многим обязана наука о полярных сияниях. К истине этот исследователь шел своим путем: он настойчиво добивался создания разветвленной сети станций, на которых можно было бы вести одновременные наблюдения за полярными сияниями. Ему удалось организовать ее, но он не дожил до того времени, когда его дело стало приносить весомые плоды.

Из наблюдений сетью станций постепенно стала вырисовываться общая, глобальная картина полярного сияния: сначала на уровне "чаще — реже видно", потом на уровне размазанного изображения, которое получается, когда снимают движущиеся предметы с большей, чем нужно, выдержкой, еще позже был выявлен "мгновенный портрет" всей системы сияний — авроральный овал. Внутри этого кольца полярных сияний — магнитный полюс Земли. Эта черта, если рассматривать сияние как телепередачу из космоса, отражает принцип устройства космического телевизора: он работает на магнитном поле.

Земля потому и располагает своим телевизионным аппаратом для показа репортажей из космоса, что обладает собственным магнитным полем. У ее соседей-планет с этим обстоит по-разному. Значительные магнитные поля есть у Юпитера и Меркурия, и многие процессы вблизи этих планет идут так же, как на Земле. Открыто небольшое магнитное поле у Марса. Из исследованных пока крупных небесных тел Солнечной системы лишь Луна и Венера лишены заметного собственного магнитного поля.

Незримое присутствие магнитного поля Земли люди ощущали давно. В их руках был простенький прибор — компас. Если держать его на ладони, то стрелка, установившись, всегда показывает одно направление. Упрямство стрелки производило впечатление чуда.

"Чудо такого рода, — пишет великий физик А. Эйнштейн в своей "Творческой биографии", — я испытал ребенком 4 или 5 лет, когда мой отец показал мне компас. То, что эта стрелка ведет себя так определенно, никак не подходило к тому роду явлений, которые могли найти себе место в моем неосознанном мире понятий (действие через прикосновение). Я помню еще и сейчас — или мне кажется, что помню, — что этот случай произвел на меня глубокое и длительное впечатление. За вещами должно быть что-то еще, глубоко скрытое".

И здесь же он отмечает, что наука представляется ему в известном смысле как непрерывное бегство от "удивительного", от "чуда".

Научному выявлению магнитного поля нашей планеты помог тот же компас. Он оказался незаменимым при быстром ориентировании в пути. В самом деле, определить направление на север можно, например, по полуденному положению Солнца. Это удается проделать без сложных приборов, просто проследив за движением тени от, скажем, воткнутой в землю палки. Но тень движется из-за суточного вращения Земли. Чтобы ее смещение оказалось достаточно большим, как это необходимо для измерений, нужно по крайней мере несколько часов — время, сравнимое с сутками. В пути, особенно в морском, такое измерение нереально. И люди давно заметили на небе одну-единственную звездочку, Полярную звезду, которая всегда была на одном месте (вернее, почти на одном месте: в науке о Земле все — почти, особенно для современного человека с его точными приборами). Она и помогала держать курс. Но нельзя же двигаться только по ночам, да и то выбирая ясную погоду! Упрямая магнитная стрелка готова была работать всегда, круглосуточно.

Вряд ли мы узнаем когда-нибудь, кто открыл ее чудесное свойство. Самые ранние источники — китайская энциклопедия, составленная между 265 и 419 годами новой эры, а в Европе записки английского монаха Некэма, относящиеся к XII веку, — описывают компас как прибор, уже употребляемый моряками.

Русские использовали компас еще в XV веке. С его помощью они устанавливали свои навигационные знаки — приметные кресты. Таких крестов было очень много на побережье Северного Ледовитого океана. В XVI–XVII веках их видели и описывали западные путешественники. Крестов стало гораздо меньше после 1628 года, когда во исполнение царского приказа "О запрещении морского хода в Мангазею" большая часть крестов была сожжена, "чтоб однолично в Сибирь, в Мангазею, немецкие люди (иностранцы. — Л. А.) водяным путем и сухими дорогами ходу не проискали" — так говорится в отчете непосредственного исполнителя — тобольского воеводы. Эти кресты, сделанные из огромных бревен, своей поперечиной указывают направление магнитной стрелки, а не направление на географический полюс, которое определяется по движению Солнца или звезд (угол между этими направлениями называют углом магнитного склонения).

Что магнитная стрелка отклоняется от географического направления север — юг, китайцы заметили еще в XII веке. Но люди долго не придавали этому значения. Считалось, что магнитную стрелку притягивает Полярная звезда и поэтому стрелка должна указывать на географический полюс, отклонение же ее от этого направления объясняли техническим несовершенством компаса. При недалеких плаваниях это отклонение почти не изменялось, да и ввести на него поправку ничего не стоило.

Всерьез задуматься о причинах такого отклонения пришлось знаменитому Колумбу при обстоятельствах весьма драматических. Он вел свои корабли на запад к берегам еще не открытой Америки. С компасом творилось что-то неладное: угол отклонения его стрелки от направления на Полярную звезду постепенно уменьшался. Потом компас стал указывать точно на нее, и затем стрелка сдвинулась совсем уж в немыслимую сторону! Такое поведение компаса вызывало страх у суеверных моряков. Им хотелось повернуть назад. Назревал бунт. Колумб, решив, что в этих условиях "полезная ложь лучше вредной правды", незаметно для других повернул картушку — циферблат компаса и объяснил экипажу, что сместилась не магнитная стрелка компаса, а Полярная звезда. Вера моряков в свой компас была так сильна, что им оказалось легче представить себе сдвиг Полярной звезды, чем отклонение стрелки компаса. Они приняли всерьез слова капитана и успокоились. Колумб же стал первооткрывателем переменного магнитного склонения и уже потом — Америки.

Рис. 1. Силовые линии дипольного поля

Этот эффект связан отчасти с несовпадением точек магнитного и географического полюсов нашей планеты — в Северном полушарии расстояние между ними без малого 1600 километров. Осознали это несовпадение не сразу. Человек, введший понятие магнитного полюса Земли, считал, что он совпадает с географическим, а различие в величине магнитного склонения между разными точками на поверхности Земли объясняется расположением материков и океанов: океаны немагнитны, тогда как материки могут быть сложены из магнитных материалов (таких, например, из которых делают магнитные стрелки). Этим человеком был В. Гильберт, ученый и придворный врач английской королевы Елизаветы. В 1600 году вышел его фундаментальный труд по земному магнетизму. Слова "Земля — большой магнит" принадлежат ему.