Елена Сапарина - Небесный землемер

Еще совсем недавно земная атмосфера там, на границе с мировым пространством, считалась не очень уж густой и довольно сильно нагретой. А первый лот, проникший в воздушные глубины, принес сведения совсем иного рода. Воздушный океан в местах промеров оказался более холодным и плотнее, чем предполагали раньше.

И все же это были опять-таки очень неточные сведения. Как не могут несколько измерений морских глубин рассказать о строении всего океана, так и разрозненные ионосферные исследования мало говорили ученым о свойствах атмосферной толщи в целом.

Вот почему, разрабатывая научную программу для первых искусственных спутников, ученые прежде всего заставили их измерять плотность окружающего воздуха.

Это, между прочим, помогает более точно рассчитывать орбиты новых спутников.

Плотность воздуха на больших высотах в миллиарды раз меньше, чем у поверхности Земли. Здесь воздух так разрежен, что молекулы его можно было бы буквально пересчитывать по пальцам. Но это-то и создает новые трудности. Для измерения плотности верхних слоев атмосферы пришлось применить специальные «ловушки» молекул. Один из таких своеобразных приборов был установлен на третьем нашем спутнике.

Как только спутник вышел на орбиту, специальный механизм разбил покрышку, и ловушка наполнилась молекулами воздуха. Здесь, сталкиваясь с электронами, стекающими с раскаленного вольфрамового волоска, они превращались в положительные ионы, которые прочно «прилипали» к счетной сетке. Пересчитав их, спутник радировал на Землю.

Осенью 1958 года на состоявшейся в Москве Всемирной ассамблее Специального комитета Международного геофизического года советские ученые сообщили о первых результатах этих интереснейших наблюдений. Оказалось, что в каждом кубическом метре на высоте свыше 200 километров молекул воздуха насчитывается примерно одна десятимиллионная доля грамма — в 10 миллиардов раз меньше, чем у поверхности Земли.

Выяснилось также, что атмосфера Земли простирается гораздо выше, чем это предполагалось. В самой же низкой точке орбиты третьего советского спутника воздух тормозил его, как показали наблюдения, с силой около 4 граммов.

Теперь, когда спутник сам сообщает о плотности высоких слоев воздуха, влияние атмосферы на его орбиту может быть учтено с большой точностью. А все другие отклонения орбиты будут зависеть только от неровностей земного поля тяжести — тех же самых неровностей, которые возмущают, искажают путь естественной Луны.

Вы уже, наверное, обратили внимание, что все неправильности поля тяготения Земли, влияющие на движение спутника, все эти сгустки силовых линий и разреженные места вызваны исключительно формой нашей планеты, ее внутренним строением.

В истинной орбите искусственного спутника, как и в движении естественной Луны, все эти неправильности отразятся, словно в зеркале. Только орбита искусственного спутника — гораздо более близкое «зеркало» и потому более точное. Те же самые причины, которые едва заметно изменяют долготу и широту Луны, то есть делают ровный эллипс ее орбиты слегка извилистым, вызывают гораздо более сильные изменения в движении искусственного спутника. Именно по этим изменениям его орбиты и определяют форму Земли.

Каковы же они?

Орбита спутника представляла бы собой правильный, постепенно приближающийся к кругу эллипс, если бы Земля была совершенно круглой, как ровный металлический шар. И если бы вдобавок слагающие ее породы имели всюду одинаковую плотность. Спутник тогда двигался бы все время в одной плоскости, как по обручу, внутри которого вращалась бы наша планета. Это значит, что в конце каждого оборота он возвращался бы в ту же самую точку орбиты, из которой начал свое движение. Оба конца кривой, по которой он движется, должны были соединиться, и эллипс замкнулся бы. Но в действительности этого не происходит.

Из-за сплюснутости Земли, из-за лишнего утолщения, опоясывающего Землю, плоскость орбиты спутника будет поворачиваться, описывая конус, подобный тому, который обходит ось обычного волчка. «Обруч», таким образом, сам движется в пространстве. В результате этого, обойдя вокруг Земли, спутник не попадает в точку начала своего движения. Кривая его пути останется незамкнутой, и каждый следующий виток не будет совпадать с предыдущим — эллипс превратится в спираль.

Подсчитано, что за каждый оборот всех трех советских спутников вокруг Земли плоскости их орбит поворачивались примерно на четверть градуса. (Вращается плоскость орбиты в ту или иную сторону в зависимости от того, в каком направлении был запущен спутник.)

Быстрота этого смещения зависит от того, насколько сильно наклонена орбита спутника к земному экватору. А у них этот наклон был один и тот же — 65°30′. Через три месяца, когда орбита опишет полный конус, она должна вернуться в то положение, какое занимала в самый первый момент, и витки новой спирали невидимой паутиной снова станут оплетать земной шар.

Кроме этого, сплюснутый земной шар немного сплющивает и орбиту спутника, сжимая ее с севера на юг: витки спирали будут все меньше и меньше походить на эллипс.

И, наконец, спираль, которую спутник вычерчивает в небе Земли, будет изобиловать небольшими зигзагами — следами тех бугров и впадин поля тяжести, над которыми пролетает спутник и которые так трудно исследовать непосредственно с земной поверхности.

Итак, непослушная спираль, подвластная лишь «капризам» земного тяготения, опояшет Землю совсем не так, как это должен был сделать ровный неподвижный обруч идеальной орбиты. Предусмотреть все ее изменения и рассчитать, где и насколько действительный путь спутника будет отходить от заданного маршрута, можно лишь в том случае, если бы было подробно изучено земное поле тяжести.

Пожалуй, только геодезистов не огорчила неточность предсказания истинного пути спутника. Ведь именно теперь, наблюдая за его движением по этой неизвестной в деталях орбите, они получили возможность определить точную форму нашей планеты не с самой Земли, а из космоса.

Самое же интересное, что для этого геодезистам не потребовались никакие специальные приборы, как, например, исследователям верхней атмосферы, если не считать, конечно, светосильных фотокамер и очень точной службы времени для наблюдения за самим спутником. Даже обычный «земной» гравиметр или маятник не стали они устанавливать на искусственном спутнике.

Измерительным прибором служит он сам — послушный небесный землемер, движущийся в космосе. Как и в случае с естественной Луной, чтобы определить с его помощью форму Земли, необходимо лишь знать его координаты.