Проблемы. Загадки. Гипотезы

Оглавление статей
Проблемы. Загадки. Гипотезы
Страница 2

Страница 1 из 2

 

 

Мы живем сейчас в удивительное время. Время стремительное, спрессовывающее года, в секунды, фантастически быстро меняющее облик планеты, технологию, каждый день приносящее ошеломляющие открытия и раскрывающее захватывающие дух перспективы. И в своем неудержимом движении научно-техническая революция увлекает за собой все — мы даже сами иногда не замечаем, как начинаем мыслить и говорить по-другому, в унисон с космическим веком. Говорить… Да, меняется сам язык — чудесное средство общения, взаимопонимания, а в науке — один из способов передачи информации.

Язык науки, на первый взгляд сухой и бесстрастный, в эпоху НТР все больше проникает в живую, яркую, эмоциональную разговорную речь. И, конечно, это процесс взаимный, строгие термины современной науки вдруг приобретают неожиданную образность, метафоричность, звучат то ласково (например, «очарование» элементарных частиц в атомной физике), то сурово («ядерная зима» в докладах экспертов о возможных катастрофических последствиях ядерной войны).

Давно закончился бессмысленный спор «физиков» и «лириков», давно стало ясно, что математика и поэзия намного ближе друг к другу, чем кажется, что ученому для описания своих идей и результатов необходимо все богатство, все краски и оттенки родного языка. Вспомним древних астрономов. Какие звучные и красивые имена дали они на века созвездиям и планетам! И в этой книге встречались обороты и термины, относящиеся скорее к «разговорному жанру», чем к высокой науке. Но без участия воображения все наши сведения о природе ограничились бы классификацией фактов. Есть такие области науки, которые являются общечеловеческими не только по результатам, но и по методам, способам, средствам получения новых знаний.

К проблеме Солнце — Земля это относится полностью. Ограниченный объем книги, да и цель, которую мы себе поставили — дать только общее представление об ионосфере и основах солнечно-земной физики,— не позволили рассказать о многих интересных, хотя и мало еще разработанных, задачах и явлениях.

Что является причиной солнечной активности вообще и ее вариаций в частности? Влияют ли солнечная активность и другие космические факторы на биологическую сферу, на процессы жизни, на живую природу? Связана ли электромагнитная солнечная деятельность с погодой и климатом на нашей планете? Имеются ли магнитное поле и ионосфера у других планет солнечной системы? Нельзя ли использовать на Земле огромную энергию ионосферных процессов?

Эти и многие другие вопросы находятся сейчас на стадии исследования, вызывают бурные научные дискуссии и, естественно, большой интерес у самых широких кругов читателей. Поэтому стоит сказать о них несколько слов.

О причинах солнечной активности, то есть возникновения  пятен, вспышек, протуберанцев и т. д., достоверных данных практически нет. Здесь исследователи пока продолжают накопление экспериментальных данных, пытаются выстроить их в какую-нибудь стройную систему, найти хотя бы надежные эмпирические закономерности. Если это удастся, то можно будет сопоставить их с прогнозом теоретиков и какую-либо из имеющихся гипотез признать теорией.

Так, одна из интереснейших гипотез о причинах солнечной активности и особенно периодичности в ее проявлениях пытается объяснить это явление приливами в атмосфере Солнца. Приливы эти в принципе могут вызываться воздействием на солнечную атмосферу поля тяготения планет Солнечной системы — Юпитера, Земли, Венеры, Марса, Меркурия. Некоторые исследователи нашли в периодических изменениях солнечной активности периоды обращения некоторых планет. Можно считать, что Солнце является чутким прибором, отзывающимся на все изменения силы тяготения вследствие перемещения планет в пространстве. Что же это получается? Не Солнце—Земля, а Земля — Солнце? Здесь есть над чем поразмыслить…

Солнечно-земная физика не только пользуется результатами других научных дисциплин, но и вносит в них свой вклад. Прежде всего, конечно, космические исследования играют заметную роль в фундаментальной физике плазмы. А в астрофизике? Ведь свойства плазмы в системе Солнце — Земля служат как бы мостиком от экспериментов в ограниченной по объему лабораторной плазме к генераторам плазмы космического масштаба, частицам сверхвысоких энергий. Система Солнце—Земля и для будущих поколений будет долго оставаться единственной астрофизической системой во Вселенной, доступной для прямых измерений. Если удастся понять, как работает эта система, то можно будет получить полезную информацию для понимания природы солнечно-планетных связей и для других звездных систем.

Сравнительное изучение таких характеристик планет, как их магнитосфера, ионосфера и атмосфера, очень полезно и важно для восприятия Солнечной системы как единого целого. Иногда изучение других планет заставляет по-новому взглянуть на солнечно-земные связи.

О магнетизме других планет имеется достоверная информация, полученная с помощью космических аппаратов. Луна, по-видимому, обладает слабым магнитным полем. Но судя по намагниченности лунных пород на Луне в принципе могут быть сильные магнитные аномалии.

Несколько планет обладает достаточно сильными собственными магнитными полями, чтобы затормозить солнечный ветер и образовать магнитосферы выше ионосфер. Это Меркурий, Земля, Юпитер, Сатурн, а может быть, и Марс. У Меркурия магнитосфера почти аналогична магнитосфере Земли, но большую часть ее объема занимает сама гигантская твердая планета. Более того, на Меркурии нет собственной атмосферы и радиационных поясов.

Магнитосфера планеты-гиганта Юпитера несколько отличается по форме от земной. В отличие от земной магнитосферы, для которой основным источником частиц является солнечный ветер, источником захваченных частиц в магнитосфере Юпитера является ионосфера самого Юпитера и тороидальная область с тяжелыми ионами и электронами, окружающая эту планету вблизи орбиты его спутника Ио.

Космические аппараты «Пионер-11» и недавно «Вояджер-1» и «Вояджер-2» обнаружили, что магнитосфера Сатурна больше похожа на земную, чем магнитосфера Юпитера. Интересно, что знаменитые кольца Сатурна сильно влияют на захваченные частицы и, следовательно, на магнитосферные возмущения. Советские и американские автоматические станции серии «Венера» и «Маринер», космические ракеты-зонды, посланные к Марсу, показали, что общепланетарное магнитное поле Венеры и Марса невелико: гораздо слабее, чем у Земли.

Поэтому солнечный ветер иногда может взаимодействовать прямо с атмосферой, участвуя в создании ионосфер этих планет. В солнечном ветре Венеры и Марса, так же как и в солнечном ветре Земли, образуются ударные волны, но их фронты располагаются гораздо ближе к поверхности планет, чем у Земли. Однако обе планеты имеют с ночной стороны плазменные шлейфы, напоминающие хвост магнитосферы Земли. Космические аппараты и наземные радиолокаторы уже дали многочисленные сведения об ионосферах Венеры и Марса. У нас уже есть представление и о дневных, и о ночных условиях на этих далеких планетах. Но дискуссии о природе их плазменных оболочек продолжаются, в связи с чем и планируются новые эксперименты.

Интенсивно изучаются и атмосферы планет. Они очень разнообразны по массе, составу, тепловому режиму. Ближе всего к земной по размеру, температуре поверхности и солнечной освещенности атмосфера Марса. Но давление в атмосфере Марса и поверхности составляет только 1 % приземного и атмосфера Марса почти полностью состоит из углекислого газа. Гигантские горы и впадины на поверхности Марса существенно влияют на систему ветров в его атмосфере. Ветры у поверхности очень сильны — скорость их достигает иногда 60 км/ч. Время от времени случаются сильнейшие пылевые бури.

Зато на Венере, где основной компонент атмосферы — тоже углекислый газ, давление у поверхности в 90 раз больше приземного, а температура составляет около 400 °С. Крупномасштабная циркуляция в этой плотной, похожей на океан атмосфере приводит к тому, что температура сохраняется практически неизменной днем и ночью на экваторе и на полюсе. Скорости ветров здесь просто фантастические — до 100 км/ч, и это в такой плотной атмосфере. Теперь понятно, какой запас прочности должен быть у космических аппаратов, садящихся на поверхность Венеры?

В атмосферах Венеры и Юпитера были обнаружены молниевые разряды. Пока трудно понять механизм их возникновения в атмосферах, где нет облаков, состоящих из частиц льда и капель воды, как на Земле. Но понять его необходимо, хотя, честно говоря, мы плохо знаем процесс генерации молниевых разрядов и возникновения таких явлений, как шаровые молнии, и в земных условиях.

В последние годы множество событий заставило общество проявить пристальное внимание к чисто практическим последствиям солнечно-земных связей. И одно из них — падение на Землю космической лаборатории США «Скайлэб». Когда последний астронавт в 1974 г. покинул лабораторию, считалось, что космический аппарат выведен на безопасную орбиту. Там он должен был ожидать прибытия одного из первых челночных космических кораблей многоразового использования типа «Шаттл». Корабль должен был подтолкнуть аппарат, перевести на более высокую орбиту. И здесь лаборатория должна была дожидаться расконсервации.

Увы, план этот был сорван, что обусловлено двумя обстоятельствами: во-первых, задержками выполнения программы «Шаттл», а во-вторых — быстрым ростом солнечной активности в период, близкий к годам максимума. Рост солнечной активности привел к тому, что атмосфера на высоте орбиты стала горячее и плотнее, это усилило торможение «Скайлэба», и орбита стала опускаться гораздо быстрее, чем ожидалось. Точно предсказать место падения оказалось весьма не просто, и газеты разразились предсказаниями катастрофы и гневными выпадами в адрес неугомонных «яйцеголовых», ученых, от которых опять одни неприятности. К счастью, павший жертвой солнечной активности «Скайлэб» упал в пустынном районе Северной Австралии, не причинив особого вреда.

А вот еще один аспект проблемы освоения космической плазмы. На протяжении всей истории нашей цивилизации производство энергии всегда было проблемой номер один. Сейчас энергетика почти целиком основана на невозобновляемых источниках энергии (это уголь, нефть, газ, ядерное топливо и т. п.), и мы порой уже сталкиваемся с их острой нехваткой. А где взять возобновляемые? Может быть, в космосе? Фантастика? Да, пока почти фантастика. Но сколько вполне реальных технических решений начиналось с фантастики?

Идея использования практически безграничного источника энергии — Солнца — отнюдь не новая, но очень заманчивая. Я говорю не о гелиотехнике, где тепло и свет с помощью специальных зеркал или фотоэлементов преобразуется в тепло и электричество. Речь идет о попытках найти способы использования той части энергии Солнца, которая преобразуется в электрическую в самой ионосфере. Ресурсы такой энергетики порядка 1010 кВт, что соответствует энергии 10 тыс. атомных электростанций мощностью 1   млн кВт каждая.

Установки, которые непосредственно — без паровых, газовых, гидравлических турбин — преобразуют тепловую энергию в электрическую, уже известны. Это так называемые магнитогидродинамические генераторы (МГД). Магнитная гидродинамика — это наука о движении проводящей электричество жидкости или электропроводящего газа. Проводником, пересекающим магнитное поле, в МГД-генераторах является низкотемпературная плазма, газ, нагретый до нескольких тысяч градусов и содержащий добавки легко ионизируемых веществ (для повышения электропроводности). Если плазму довести до необходимой скорости (а это можно сделать и за счет ее внутренней энергии), то при движении поперек магнитного поля на ее частицы будет действовать электродвижущая сила. Замкнем электроды на какую-нибудь внешнюю нагрузку — по такой цепи пойдет электрический ток. Подобные генераторы существуют, они работают на Земле, находятся под промышленной нагрузкой.

Но ведь мы говорили, что движение космической плазмы в магнитном поле Земли происходит и в ионосфере. Скорости ионосферных дрейфов достигают сотен метров в секунду, а в периоды геомагнитных возмущений даже больше. Уже на высотах областей D и Е ионосферы в плазме индуцируется электродвижущая сила, направленная как поперек, так и вдоль ее потока. В результате в ионосфере возникает круговой электрический ток в направлении с востока на запад и продольный ток в направлении к Земле (положительные ионы движутся к Земле, а электроны — от Земли). Схема генерации электрического тока в ионосферной плазме аналогична принципу действия МГД-генератора. Можно сказать, конечно условно, что в освещенной Солнцем части ионосферы располагается источник энергии (МГД-генератор), а в ночной части — приемник энергии (МГД-двигатель). Вместе с проводами (токопроводящей плазмой) источник и приемник образуют замкнутый контур. При вращении Земли вокруг своей оси ионосферная плазма совершает цикл тепловой машины, расширяясь и сжимаясь в соответствии с изменением температуры в суточном цикле. Приблизительные оценки показывают, что в ионосферном МГД-генераторе сила тока 100 млн. А, напряжение в приземной области ионосферы 200 тыс. В! В результате непрерывного взаимодействия ионосферного кругового тока с магнитным полем Земли происходит разделение электрических зарядов: положительный заряд скапливается на нижней границе ионосферы, а электроны — на внешней границе, в районе радиационных поясов. Положительный заряд внутренней поверхности ионосферы, возможно, обусловливает отрицательный заряд на поверхности Земли. Получается гигантский сферический конденсатор, его обкладки — ионосфера и Земля, а диэлектрик между ними — неэлектропроводящий воздух. Можно даже измерить напряженность электрического поля в таком конденсаторе: у поверхности Земли она равна примерно 130 В/м, с высотой она падает и уже на высоте 20—30 км ничтожно мала.

Это, конечно, прекрасно, что в космосе все есть — и генераторы, и токи, и поля, и конденсаторы — в общем все элементы электростанции. Но как все это использовать для совершения полезной работы на Земле? Как сделать проводники, соединяющие космический генератор и электроплиту в нашей квартире? Вот тут имеется полный простор для фантазии. Мощные кабели на опорных башнях высотой 100 км (!), столбы ионизированного воздуха, создаваемые на вершинах гор путем специального нагрева с добавками легко ионизируемого вещества (как в промышленных МГД-генераторах), организация время от времени «пробоя» конденсатора ионосфера — Земля путем облучения воздуха мощным потоком жесткого ионизирующего излучения от ядерных реакторов и создания «плазменных столбов» между Землей и ионосферой и т. п. и т. д. А для пропускания сверхсильных токов по цепи, работающей сверхвысоким напряжением, на тысячи километров предлагается, естественно, использовать сверхпроводящие материалы. Благо физики уже получили в лабораториях сверхпроводимость не только при сверхнизких температурах, но и при температурах, не требующих криогенной техники.

Предыдущая — След. »

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: