Космические облака
Интересная идея из "Колониальной Службы" Лейнстера Мюррея. Активность местного солнца падает и героям угрожает смерть от холода. Они обогревают планету облаками из натрия.
- Я намерен попробовать еще кое-что. Мне нужны некоторые металлы, которые мы еще не использовали. Натрий, если я смогу его получить, если нет - тогда кальций, в худшем случае сгодится и цинк. Лучше всего подошел бы цезий, но ведь, насколько я знаю, пока не обнаружено никаких его следов на этой планете.
...
Бордман вместе со всеми смотрел на небо, не веря собственным глазам. Облако продолжало расти. Оно было неправильной формы: испарение шло больше с одной стороны, чем с другой. Яркая, чуть изогнутая дуга…
...
Миниатюрная ловушка могла поднять и держать бомбу на высоте в семьсот пятьдесят тысяч футов. ... взрывалась, выбрасывая массу испарившегося кальция и натрия, смешанных с взрывчаткой, распыляя их среди звезд. Абсолютный вакуум принимал испарившиеся частички металла. Отдельные атомы начинали распространяться в залитом солнцем пространстве. Разумеется, солнечный свет несколько поубавился, тем не менее фотоны создавали фотоэлектрический эффект. Под действием солнечных лучей газовые молекулы ионизировались и образовывалось облако - ионизированное облако, которое обладало яркостью солнечного света, проходящего через него. В течение часа хвост кометы вырос до десяти тысяч миль и осветил дневное небо. Но это было лишь первое из отражающих облаков.
Следующая бомба, запущенная в космос, взорвалась в другом месте, потому что ловушку передвинули на новое, более тщательно выбранное место. И вновь облако засверкало в другом участке неба с яркостью бриллианта!
...
Все отчаянно торопились создать так много кометных хвостов вокруг планеты, как это только возможно до наступления темноты. Никто не хотел, чтобы стало еще холоднее.
Планета повернулась на своей орбите, но вокруг нее уже образовалась сверкающая оболочка из светящихся газов, поглощавшая солнечную энергию; стена, которая прикрывала мир колонии от тьмы и холода, пропуская теплые потоки света.
Этой ночью температура все время росла, на рассвете было пятьдесят градусов ниже нуля. В течение дня запустили еще двадцать бомб, и на следующий день термометр показывал двадцать градусов ниже нуля.
К рассвету четвертого дня на Лани было всего лишь пять градусов ниже нуля, а в полдень в долине зазвенел небольшой ручей. С Теры поступали не менее обнадеживающие сообщения…
В тот день, когда огромная посадочная ловушка загудела, словно гигантский церковный орган, принимая корабль Надзора, уже шли оживленные разговоры о том, какими видами рыб следует заполнить растаявшие водоемы
Эта идея в свою очередь основывается на идее Шкловского. Процитируем книгу "Вселенная, жизнь, разум":
Для наблюдения межпланетных станций я предложил довольно простой, но весьма эффектный метод «искусственной кометы». Суть метода состояла в испарении на борту спутника небольшого количества (порядка двух-трех килограммов) натрия. Образующееся облако будет очень интенсивно рассеивать желтые лучи Солнца (это явление известно как «резонансная флуоресценция»). Вот это яркое облачко и должно наблюдаться наземными оптическими средствами. Следует заметить, что в те далекие годы подходящих радиосредств для достаточно точных наблюдений спутников у нас не было, и космическое руководство - в первую очередь Сергей Павлович Королев - решительно поддержало мое предложение.
Я настолько был увлечен реализацией этого проекта, что частенько оставлял мою смертельно больную мать одну, в жалкой комнатенке с глухонемыми соседями, что до конца дней своих не прощу себе. Решающее испытание «искусственной кометы» было проведено на знаменитом космодроме Капустин Яр. Глубокой ночью была запущена ракета. Было по-осеннему холодно. Я и мои ребята стояли примерно в километре от стартовой площадки. Теперь, конечно, никого не удивить зрелищем старта ракеты - с некоторых пор это стали показывать по телевизору.
Но тогда, да еще в непосредственной близости, да еще с сознанием большой ответственности (ведь пуск был сделан специально для нашей «кометы»), это было незабываемым событием. Прошло несколько минут после старта. Уже погасло адское пламя, хлещущее из ракетных дюз. Уже сама ракета превратилась в еле видимую слабую световую точку - а на агатово черном небе решительно ничего не происходило! Время как бы остановилось. Светящаяся точка - ракета перестала быть видимой. Неужели катастрофическая неудача? И вдруг, прямо в зените, блеснула яркая искра. А потом по небу, как чернила на скатерти, стало расползаться ослепительно красивое, ярчайшее пятно апельсинового цвета. Оно расплывалось медленно, и через полчаса его протяженность достигла 20 градусов. И только потом оно стало постепенно гаснуть.
Эффективность предложенного метода была продемонстрирована с полной на глядностью. Вскоре «комета» отлично сработала в «боевой обстановке» на нашей лунной ракете, на полпути между Землей и Луной. Увы, этот метод не получил в дальнейшем должного развития. Правда, мой сотрудник Дима Курт, сделав серию фотографий, через несколько месяцев защитил кандидатскую диссертацию: по скорости диффузии атомов натрия удалось очень уверенно определить плотность земной атмосферы на высоте 550 км. Помню, как в разгар этой цветовой феерии я сказал Диме: «Полюбуйтесь, как сияет на небе ваша диссертация». Я потом предложил развитие метода «искусственной кометы» - использовать в качестве «рабочего вещества» вместо натрия литий. Такой же оптический эффект можно было получить, испаряя в десятки раз меньше вещества. А цвет литиевой «кометы» должен был быть багрово-красный. Космические корабли стали бы похожи на трассирующие пули! Ничего из этого не вышло - никто этим серьезно не заинтересовался.
Тогда же я предложил в качестве «рабочего вещества» стронций и барий, подчеркнув богатые возможности этого метода для исследования земной магнитосферы. Через много лет в ФРГ были весьма успешно осуществлены эти эксперименты.
Этот способ был испытан при полете Луны-1:
3 января в 3:56:20 по московскому времени, на расстоянии в 119500 км от Земли из станции было выпущено облако паров натрия (1 кг); рассеиваясь в вакууме, облако светилось оранжевым светом в течение нескольких минут и наблюдалось с Земли как слабая звезда 6-й величины.
Нетрудно заметить большую разницу в сроках существования облака в двух последних цитатах. Дело в том что на высоте 550 км еще присутствуют остатки земной атмосферы, замедляющие расширение облака. В полном вакууме расширение идет со скоростью сравнимой с тепловой скоростью атомов натрия - из-за нагрева солнцем она может превысить 2 км/с!
Еще цитата:
Резонансное рассеяние натрия обладает исключительной мощностью. На расстоянии 150 000 000 км от Солнца (а на этом расстоянии находится Земля) каждый атом натрия рассеивает в одну секунду приблизительно один квант света. А общее количество света от всего натриевого облака массой в один килограмм равноценно сиянию электрического прожектора мощностью в 70 000 киловатт с коэффициентом полезного действия 10 процентов. Питать энергией такой прожектор должна была бы большая электростанция.
Но резонансно рассеивать оранжевый солнечный свет могут только атомы натрия. Молекулы этой способностью не обладают. Значит натрий должен быть выброшен из ракеты только в виде атомов - в атомарном состоянии. К счастью, натрий довольно легко испаряется - и именно в виде атомов. Для этого он перемешивается с термитом, который в нужный момент воспламеняется от специального программного устройства электрическим запалом. Даже если бы в пары переходило всего 10 процентов натрия, а остальные 90 процентов выбрасывались из испарителя в виде капелек расплавленного металла, молекул и т. д., то все же выигрыш в яркости по сравнению с прямыми наблюдениями ракеты был бы не менее, чем в 1000 раз для одного килограмма металлического натрия.
Применяя оранжевый светофильтр, можно выделить спектральную линию натрия, а мешающий свет от Луны или зашедшего под горизонт Солнца уменьшить во много раз. Для наблюдений искусственной натриевой кометы пришлось разработать и изготовить специальную фотографическую аппаратуру.
Во время полета Советской космической ракеты на Луну 12 сентября 1959 года в 21 час 49 минут по московскому времени находящийся на ракете испаритель натрия был приведен в действие. Образовалось облако, которое наблюдалось более 5 минут на многих астрономических обсерваториях. Всего получено около 70 фотографий, некоторые из которых, рисующие последовательное развитие натриевого облака, приведены на этой странице. На многих фотографиях хорошо получились и изображения звезд, что позволило сразу определить точные координаты ракеты в момент включения испарителя.
Надо заметить, что натрий все же не является идеальным материалом для образования искусственных комет. У него есть существенный недостаток. Дело в том, что слишком уж много натрия на Солнце. Поэтому в солнечном спектре на месте линий натрия находятся провалы излучения. Солнечные атомы натрия в этих местах спектра как бы высосали энергию. Искусственная комета использует энергию Солнца лишь со дна этих провалов, т. е. всего около 5 процентов от нормальной энергии непрерывного спектра. Обидно мало!
Однако существуют элементы, которые на Солнце почти отсутствуют, но могут служить материалом для «космического маяка». Таков, к примеру, металл литий. Его на Солнце в 200 000 раз меньше, чем натрия, и, следовательно, вызванных литием провалов в солнечном спектре практически нет. Одно это даст увеличение яркости по сравнению с натрием в 20 раз.
Другое преимущество лития в том, что он в три раза легче натрия. Следовательно на один килограмм металла приходится втрое больше атомов. Если точно учесть все факторы, то суммарный выигрыш для лития по сравнению с натрием составит 40 раз.
Итого 7000 киловатт света, площадь одноатомного слоя килограмма натрия - примерно 60 000 м2, то есть натрий рассеивает примерно 10%. Правда в статье упомянута цифра 5%, по-видимому радиус резонансного рассеивания натрия чуть больше радиуса Ван-дер-Ваальса, по которому я считал площадь. Учитывая что рассеяние идет во все стороны и Земле достанется не больше половины, получаем что Земля получит 3.5 МВт на кило натрия, и 140 МВт на кило лития.
Температура планеты пропорциональна корню четвертой степени от теплового потока. Значит для повышения температуры на один градус необходимо увеличить поток энергии на 1.3 процента. Тепловой поток от Солнца - 1.7 * 10^17 Ватт, то есть одномоментно нам понадобится 400 тысяч тонн натрия, или 10 тысяч тонн лития. Даже если облако создается в верхних слоях атмосферы(а не в открытом космосе) и рассеивается за часы, эта цифра явно слишком велика. При этом количество энергии, собираемое из атмосферы ограничено - для потока порядка десятой процента нам понадобится кольцо натрия шириной порядка 130 километров, в общем из атмосферы наш процент явно не соберешь.
Итак, начиная с определенных производственных и пусковых мощностей, искусственные кометы можно использовать для управления климатом. Но и нам, и героям Мюррея до них явно далеко. Неудивительно что при перечислении способов борьбы с глобальным потеплением эту идею не упоминают.
- Я намерен попробовать еще кое-что. Мне нужны некоторые металлы, которые мы еще не использовали. Натрий, если я смогу его получить, если нет - тогда кальций, в худшем случае сгодится и цинк. Лучше всего подошел бы цезий, но ведь, насколько я знаю, пока не обнаружено никаких его следов на этой планете.
...
Бордман вместе со всеми смотрел на небо, не веря собственным глазам. Облако продолжало расти. Оно было неправильной формы: испарение шло больше с одной стороны, чем с другой. Яркая, чуть изогнутая дуга…
...
Миниатюрная ловушка могла поднять и держать бомбу на высоте в семьсот пятьдесят тысяч футов. ... взрывалась, выбрасывая массу испарившегося кальция и натрия, смешанных с взрывчаткой, распыляя их среди звезд. Абсолютный вакуум принимал испарившиеся частички металла. Отдельные атомы начинали распространяться в залитом солнцем пространстве. Разумеется, солнечный свет несколько поубавился, тем не менее фотоны создавали фотоэлектрический эффект. Под действием солнечных лучей газовые молекулы ионизировались и образовывалось облако - ионизированное облако, которое обладало яркостью солнечного света, проходящего через него. В течение часа хвост кометы вырос до десяти тысяч миль и осветил дневное небо. Но это было лишь первое из отражающих облаков.
Следующая бомба, запущенная в космос, взорвалась в другом месте, потому что ловушку передвинули на новое, более тщательно выбранное место. И вновь облако засверкало в другом участке неба с яркостью бриллианта!
...
Все отчаянно торопились создать так много кометных хвостов вокруг планеты, как это только возможно до наступления темноты. Никто не хотел, чтобы стало еще холоднее.
Планета повернулась на своей орбите, но вокруг нее уже образовалась сверкающая оболочка из светящихся газов, поглощавшая солнечную энергию; стена, которая прикрывала мир колонии от тьмы и холода, пропуская теплые потоки света.
Этой ночью температура все время росла, на рассвете было пятьдесят градусов ниже нуля. В течение дня запустили еще двадцать бомб, и на следующий день термометр показывал двадцать градусов ниже нуля.
К рассвету четвертого дня на Лани было всего лишь пять градусов ниже нуля, а в полдень в долине зазвенел небольшой ручей. С Теры поступали не менее обнадеживающие сообщения…
В тот день, когда огромная посадочная ловушка загудела, словно гигантский церковный орган, принимая корабль Надзора, уже шли оживленные разговоры о том, какими видами рыб следует заполнить растаявшие водоемы
Эта идея в свою очередь основывается на идее Шкловского. Процитируем книгу "Вселенная, жизнь, разум":
Для наблюдения межпланетных станций я предложил довольно простой, но весьма эффектный метод «искусственной кометы». Суть метода состояла в испарении на борту спутника небольшого количества (порядка двух-трех килограммов) натрия. Образующееся облако будет очень интенсивно рассеивать желтые лучи Солнца (это явление известно как «резонансная флуоресценция»). Вот это яркое облачко и должно наблюдаться наземными оптическими средствами. Следует заметить, что в те далекие годы подходящих радиосредств для достаточно точных наблюдений спутников у нас не было, и космическое руководство - в первую очередь Сергей Павлович Королев - решительно поддержало мое предложение.
Я настолько был увлечен реализацией этого проекта, что частенько оставлял мою смертельно больную мать одну, в жалкой комнатенке с глухонемыми соседями, что до конца дней своих не прощу себе. Решающее испытание «искусственной кометы» было проведено на знаменитом космодроме Капустин Яр. Глубокой ночью была запущена ракета. Было по-осеннему холодно. Я и мои ребята стояли примерно в километре от стартовой площадки. Теперь, конечно, никого не удивить зрелищем старта ракеты - с некоторых пор это стали показывать по телевизору.
Но тогда, да еще в непосредственной близости, да еще с сознанием большой ответственности (ведь пуск был сделан специально для нашей «кометы»), это было незабываемым событием. Прошло несколько минут после старта. Уже погасло адское пламя, хлещущее из ракетных дюз. Уже сама ракета превратилась в еле видимую слабую световую точку - а на агатово черном небе решительно ничего не происходило! Время как бы остановилось. Светящаяся точка - ракета перестала быть видимой. Неужели катастрофическая неудача? И вдруг, прямо в зените, блеснула яркая искра. А потом по небу, как чернила на скатерти, стало расползаться ослепительно красивое, ярчайшее пятно апельсинового цвета. Оно расплывалось медленно, и через полчаса его протяженность достигла 20 градусов. И только потом оно стало постепенно гаснуть.
Эффективность предложенного метода была продемонстрирована с полной на глядностью. Вскоре «комета» отлично сработала в «боевой обстановке» на нашей лунной ракете, на полпути между Землей и Луной. Увы, этот метод не получил в дальнейшем должного развития. Правда, мой сотрудник Дима Курт, сделав серию фотографий, через несколько месяцев защитил кандидатскую диссертацию: по скорости диффузии атомов натрия удалось очень уверенно определить плотность земной атмосферы на высоте 550 км. Помню, как в разгар этой цветовой феерии я сказал Диме: «Полюбуйтесь, как сияет на небе ваша диссертация». Я потом предложил развитие метода «искусственной кометы» - использовать в качестве «рабочего вещества» вместо натрия литий. Такой же оптический эффект можно было получить, испаряя в десятки раз меньше вещества. А цвет литиевой «кометы» должен был быть багрово-красный. Космические корабли стали бы похожи на трассирующие пули! Ничего из этого не вышло - никто этим серьезно не заинтересовался.
Тогда же я предложил в качестве «рабочего вещества» стронций и барий, подчеркнув богатые возможности этого метода для исследования земной магнитосферы. Через много лет в ФРГ были весьма успешно осуществлены эти эксперименты.
Этот способ был испытан при полете Луны-1:
3 января в 3:56:20 по московскому времени, на расстоянии в 119500 км от Земли из станции было выпущено облако паров натрия (1 кг); рассеиваясь в вакууме, облако светилось оранжевым светом в течение нескольких минут и наблюдалось с Земли как слабая звезда 6-й величины.
Нетрудно заметить большую разницу в сроках существования облака в двух последних цитатах. Дело в том что на высоте 550 км еще присутствуют остатки земной атмосферы, замедляющие расширение облака. В полном вакууме расширение идет со скоростью сравнимой с тепловой скоростью атомов натрия - из-за нагрева солнцем она может превысить 2 км/с!
Еще цитата:
Резонансное рассеяние натрия обладает исключительной мощностью. На расстоянии 150 000 000 км от Солнца (а на этом расстоянии находится Земля) каждый атом натрия рассеивает в одну секунду приблизительно один квант света. А общее количество света от всего натриевого облака массой в один килограмм равноценно сиянию электрического прожектора мощностью в 70 000 киловатт с коэффициентом полезного действия 10 процентов. Питать энергией такой прожектор должна была бы большая электростанция.
Но резонансно рассеивать оранжевый солнечный свет могут только атомы натрия. Молекулы этой способностью не обладают. Значит натрий должен быть выброшен из ракеты только в виде атомов - в атомарном состоянии. К счастью, натрий довольно легко испаряется - и именно в виде атомов. Для этого он перемешивается с термитом, который в нужный момент воспламеняется от специального программного устройства электрическим запалом. Даже если бы в пары переходило всего 10 процентов натрия, а остальные 90 процентов выбрасывались из испарителя в виде капелек расплавленного металла, молекул и т. д., то все же выигрыш в яркости по сравнению с прямыми наблюдениями ракеты был бы не менее, чем в 1000 раз для одного килограмма металлического натрия.
Применяя оранжевый светофильтр, можно выделить спектральную линию натрия, а мешающий свет от Луны или зашедшего под горизонт Солнца уменьшить во много раз. Для наблюдений искусственной натриевой кометы пришлось разработать и изготовить специальную фотографическую аппаратуру.
Во время полета Советской космической ракеты на Луну 12 сентября 1959 года в 21 час 49 минут по московскому времени находящийся на ракете испаритель натрия был приведен в действие. Образовалось облако, которое наблюдалось более 5 минут на многих астрономических обсерваториях. Всего получено около 70 фотографий, некоторые из которых, рисующие последовательное развитие натриевого облака, приведены на этой странице. На многих фотографиях хорошо получились и изображения звезд, что позволило сразу определить точные координаты ракеты в момент включения испарителя.
Надо заметить, что натрий все же не является идеальным материалом для образования искусственных комет. У него есть существенный недостаток. Дело в том, что слишком уж много натрия на Солнце. Поэтому в солнечном спектре на месте линий натрия находятся провалы излучения. Солнечные атомы натрия в этих местах спектра как бы высосали энергию. Искусственная комета использует энергию Солнца лишь со дна этих провалов, т. е. всего около 5 процентов от нормальной энергии непрерывного спектра. Обидно мало!
Однако существуют элементы, которые на Солнце почти отсутствуют, но могут служить материалом для «космического маяка». Таков, к примеру, металл литий. Его на Солнце в 200 000 раз меньше, чем натрия, и, следовательно, вызванных литием провалов в солнечном спектре практически нет. Одно это даст увеличение яркости по сравнению с натрием в 20 раз.
Другое преимущество лития в том, что он в три раза легче натрия. Следовательно на один килограмм металла приходится втрое больше атомов. Если точно учесть все факторы, то суммарный выигрыш для лития по сравнению с натрием составит 40 раз.
Итого 7000 киловатт света, площадь одноатомного слоя килограмма натрия - примерно 60 000 м2, то есть натрий рассеивает примерно 10%. Правда в статье упомянута цифра 5%, по-видимому радиус резонансного рассеивания натрия чуть больше радиуса Ван-дер-Ваальса, по которому я считал площадь. Учитывая что рассеяние идет во все стороны и Земле достанется не больше половины, получаем что Земля получит 3.5 МВт на кило натрия, и 140 МВт на кило лития.
Температура планеты пропорциональна корню четвертой степени от теплового потока. Значит для повышения температуры на один градус необходимо увеличить поток энергии на 1.3 процента. Тепловой поток от Солнца - 1.7 * 10^17 Ватт, то есть одномоментно нам понадобится 400 тысяч тонн натрия, или 10 тысяч тонн лития. Даже если облако создается в верхних слоях атмосферы(а не в открытом космосе) и рассеивается за часы, эта цифра явно слишком велика. При этом количество энергии, собираемое из атмосферы ограничено - для потока порядка десятой процента нам понадобится кольцо натрия шириной порядка 130 километров, в общем из атмосферы наш процент явно не соберешь.
Итак, начиная с определенных производственных и пусковых мощностей, искусственные кометы можно использовать для управления климатом. Но и нам, и героям Мюррея до них явно далеко. Неудивительно что при перечислении способов борьбы с глобальным потеплением эту идею не упоминают.