Мы обитатели дна воздушного океана. Атмосфера обволакивает землю сплошным и достаточно весомым покровом, но для нас он является привычной средой обитания. То, что люди не только почувствовали, но и поняли существование воздуха и его движений, было великим открытием, но вне индивидуальных усилий исследователей.
Наблюдать движения воздуха в нижних слоях атмосферы можно, следя за облаками. А когда мореплаватели освоили практически все акватории в разные сезоны, то были собраны ценные сведения о преобладающих ветрах на обширном пространстве – почти на всей планете.
Однако оставалось совершенно неясно, что же происходит выше самых высоких горных вершин и облаков? Подъемы на обычных воздушных шарах тут помочь не могли. Об этом некоторые теоретики догадывались, но решающие эксперименты воздухоплаватели проводили на себе, рискуя жизнью.
Рекордный подъем в тропосферу осуществили на аэростате английские ученые Глешер и Коксвель в сентябре 1862 года. Утром облачность была небольшая, и они начали подъем. Однако сравнительно быстро облака сгустились, и аэронавты находились в темноте и сырости, среди сплошного слоя облаков. По мере подъема температура опустилась до нуля и продолжала снижаться. Высота была около 8 км. Стало трудно дышать. Сначала он утратил зрение, а вскоре и сознание…
По словам Коксвеля, он больше всего страдал от холода. Ледяная пленка покрыла веревки шара. Руки окоченели. Увидев, что Глешер в обмороке, попытался ему помочь, но не смог сдвинуться с места. Понял, что подъем продолжать нельзя. Из последних сил добрался до веревки, регулирующей клапан, чтобы открыть его. Руки отказались ему служить. Чувствуя, что силы его покидают, вцепился в веревку зубами. Клапан, наконец, открылся. Начался спуск.
Систематические исследования границы между тропосферой и стратосферой на воздушных шарах и шарами-зондами начали с 1893 года французы Эрмит и Безансон. Выяснилось, что температура воздуха понижается лишь до определенной высоты, а затем начинает постепенно повышаться. Впервые было отмечено увеличение в стратосфере концентрации озона.
На шаре с открытой гондолой в 1901 году немецкие ученые Берсон и Зюринг достигли высоты 10 800 м, используя для дыхания специальные приборы.
В самом конце XIX века француз Тейссерен-де-Бор и немец Ассман успешно зондировали высокие слои атмосферы с помощью небольших шаров, наполненных водородом. К ним привязывали самопишущие приборы, отмечающие изменение температуры и давления. Шары поднимались до 30–35 км над уровнем моря. В разряженной среде их оболочка раздувалась и в конце концов лопалась. Приборы опускались на землю на парашюте или специальном дополнительном шаре. При таком способе изучения атмосферы приходилось разыскивать спустившийся «с небес» контейнер с приборами, записями.
Когда появились усовершенствованные радиопередатчики, их стали использовать для замеров параметров стратосферы в момент полета. Это уже были радиозонды.
В конце концов выяснилось, что на значительных высотах абсолютно преобладают горизонтальные перемещения очень разреженного воздуха. Там почти нет водяного пара, создающего у земной поверхности мощные вертикальные потоки благодаря затратам энергии на испарение и отдаче – при конденсации. Эту область воздушной оболочки назвали стратосферой (от греческого «стратум» – слой), нижнюю придонную, до высот 8–12 км – тропосферой (от греческого «тропос» – поворот, т. к. здесь существуют круговороты воздуха). Пришлось конструировать специальные воздушные шары, получившие название стратостатов. Они обладали большой подъемной силой, и в связи с этим имели огромные размеры (более 15 тыс. куб. м).
Из-за разреженности атмосферы на больших высотах и низких температур подъем в открытой гондоле можно осуществлять только с использованием скафандров и обогревающих устройств.
Швейцарский профессор Огюст Пиккар решил использовать в качестве балласта свинцовую дробь, занимающую значительно меньший объем, чем обычный песок или вода (разрешенные законом виды балласта). Пиккар сделал вычисления и доказал, что свинцовая песчинка безопасна, ибо весит менее 10 миллиграмм.
Ранним утром 27 мая 1931 года Огюст Пиккар и его ассистент геофизик Кипфер вошли в гондолу и закрыли крышки люком. Через 28 минут после старта Кипфер заметил, что приборы показывают высоту 15500 м. Стратосфера!
«Вокруг нас только небо, – писал впоследствии Пиккар. – Красота его для нас невиданная, захватывающая. Оно темное, темно-синее или фиолетовое, почти черное».
Во время подъема баллон стал из грушевидного сферическим. Теперь он пребывал в стратосфере в устойчивом равновесии. Пиккар сбросил 50 кг груза, чтобы подняться еще на несколько сот метров. Он намеревался выполнить измерения на высоте, где атмосферное давление составляет только одну десятую часть нормального (16000 м над уровнем моря). Но когда он дернул за веревку, чтобы открыть маневровый клапан, то понял, что она перестала действовать! (Впоследствии было установлено, что веревка переплелась с дополнительным стартовым канатом, прикрепленным незадолго до отлета.) Чтобы спуститься на землю, не оставалось ничего другого, как ждать вечера: после захода солнца, когда баллон охладится, его объем и, следовательно, подъемная сила уменьшатся. Но злоключения стратонавтов еще не закончились. Во-первых, запаса кислорода едва хватало, чтобы дождаться захода солнца, во-вторых, стратостат дрейфовал, несомый воздушным течением неизвестно куда. Не исключено, что вечером он приводнится где-нибудь посредине Адриатического моря.
При спуске шар удлинится, клапанная веревка, сильно натянувшись, автоматически откроет клапан и оставит его в таком положении. Спуск сразу же ускорится, и удар при приземлении может оказаться очень сильным. Пиккар и Кипфер решили не сбрасывать больше балласт. Оставшийся груз следовало сохранить на случай слишком быстрого приземления, чтобы несколько притормозить его. Потянулись томительные часы ожидания; разнообразие вносили только новые, непредвиденные и опасные происшествия. Пронизывающий холод сменился немилосердным пеклом. Пиккар предполагал регулировать температуру внутри гондолы путем поворота ее вокруг оси. Для этого одну сторону гондолы окрасили в черный цвет, другую оставили блестящей. Лучи солнца должны были поглощаться или отражаться – в зависимости от того, какой стороной обращена к нему гондола. Но мотор, предназначенный для выполнения этого маневра, вышел из строя. И эта простая система терморегулирования не функционировала. Внутренние стенки гондолы покрылись тонким слоем инея, который выпал в снег, когда температура резко подскочила до 40° выше нуля.
К четырнадцати часам стратостат медленно пошел на снижение. На высоте около 4500 метров Пиккар и Кипфер открыли люки. Ночью гондола коснулась снежного поля на высоте 2800 метров. Это было далеко не идеальное место для посадки. Сброшена часть балласта. Стратостат подскочил, перелетел через ледник и приблизился к ровной площадке. Пиккар, не колеблясь, дернул за фал разрывного полотнища, чтобы вскрыть оболочку. Шар освободился от газа, гондола покатилась вниз и остановилась у медленно оседавшей оболочки. Пиккар и Кипфер легли спать прямо на леднике (как выяснилось на следующий день, это был ледник Гургль в австрийском Тироле). Чтобы спастись от холода, они завернулись в оболочку воздушного шара.
На заре, связавшись веревкой и на каждом шагу пробуя снег бамбуковой палкой, имеющейся в снаряжении стратостата, они стали осторожно спускаться в долину. В поддень они были замечены группой лыжников, которые проводили их в деревню – маленькое тирольское селение Гургль. Скоро мир с облегчением узнал о благополучном приземлении исследователей. Это был триумф! Человек впервые вторгся в пределы стратосферы.
Через год Пиккар превысил свое достижение. В августе 1932 г. с инженером Козинсом поднялся на 700 м выше. Шар был выкрашен в белый цвет для отражения солнечных лучей. Результат снова был неожиданным: в гондоле температура упала до -15°. Зато удалось провести ряд научных экспериментов. Пиккар зафиксировал резкое увеличение интенсивности космических лучей. Ученый высказал предположение, что в будущем станет возможным использовать космическую энергию стратосферы.