В конце девятнадцатого века профессор Карл Лемстрём вызвал искусственное полярное сияние на четырёх горах Лапландии

В конце девятнадцатого века в физике существовала устоявшаяся традиция: учёные пытались уменьшить величественные природные явления до размеров лабораторного стола. Они создавали крошечные модели водяных смерчей, молний и облаков, помещая их в стеклянные трубки и вакуумные камеры. Но профессор физики Императорского Александровского университета в Гельсингфорсе Карл Селим Лемстрём задумал нечто иное. Он решил не уменьшать, а воспроизвести полярное сияние в натуральную величину — там, где оно рождается, в полярной атмосфере.

Между 1872 и 1884 годами Лемстрём предпринял четыре экспедиции на горы северной Финляндии. Его цель состояла в том, чтобы доказать: северное сияние имеет электрическую природу, а в атмосфере постоянно текут электрические токи, которые просто нужно «собрать» с помощью механических приспособлений.

Первый эксперимент: гора Луосмаваара, 1871 год

В ноябре 1871 года Лемстрём установил на горе Луосмаваара, возвышавшейся на сто пятьдесят восемь метров над озером Энаре, устройство из двух квадратных метров медной проволоки. Спираль из проволоки диаметром два миллиметра держалась на стальных шестах высотой около двух метров. К спирали через каждые полметра были припаяны вертикальные металлические острия. От центра устройства изолированный проводник спускался в долину, примерно на четыре километра, к закопанной в землю платиновой пластине. В пасторском доме в долине установили гальванометр для измерения тока между «короной» из проводов и землёй.

На следующий день после установки аппарата, 22 ноября, над Луосмаваарой появился столб света. Лемстрём не мог с уверенностью сказать, возникал ли свет прямо над горой или позади неё, но спектроскоп показал зелёную линию — ту самую, которую в 1868 году обнаружил шведский физик Ангстрём и которая считалась характерной для полярных сияний. Правда, та же зелёная линия возвращалась от льда на пруду, крыши сарая и даже от снега рядом с обсерваторией. Лемстрём сделал вывод, что стоит внутри сферы электрического разряда. Другие учёные предположили, что он просто измерял отражения естественного сияния или зодиакального света.

Международный полярный год: гора Орантунтури, 1882–1883

В 1881 году в Санкт-Петербурге на подготовительной конференции Международного полярного года Лемстрём предложил продолжить исследования. Его заявку приняли. Из четырнадцати экспедиций, отправленных в Арктику, двенадцать вели наблюдения за полярными сияниями. Но только финская попыталась их воспроизвести.

Для нового эксперимента Лемстрём выбрал гору Орантунтури, в двадцати километрах от обсерватории в Соданкюля. 5 декабря 1882 года на вершине установили «разрядное устройство» — длинные нити голой медной проволоки, уложенные квадратными спиралями. Каждый ряд отстоял от следующего на полтора метра. Проволоку держали столбы высотой два с половиной метра. Оловянные наконечники торчали из проволочной спирали через каждые полметра. От устройства изолированный проводник спускался к гальванометру в рисовой хижине у подножия, откуда шёл к закопанной в землю цинковой пластине. Вся конструкция покрывала площадь девятьсот квадратных метров.

Зима 1882–1883 годов не баловала ясным небом — шли обильные снегопады, стояла облачность. Но Лемстрём утверждал, что с первого же дня работы аппарата почти каждую ночь над вершиной появлялось желтовато-белое свечение. Он описывал его как «очень изменчивое по интенсивности, в постоянной пульсации, словно жидкий огонь». С расстояния четырёх километров спектроскоп зафиксировал не зелёную линию 5577 ангстрем, а близкую к ней — 5569 ангстрем.

29 декабря 1882 года наблюдатели увидели колонну света высотой сто тридцать четыре метра, поднимавшуюся прямо над Орантунтури. Спектр снять не удалось — при температуре минус тридцать пять градусов по Цельсию обращаться с прибором было почти невозможно, а члены экспедиции предпочли определить плоскость свечения относительно аппарата. Гальванометр записывали короткими интервалами — руки наблюдателей быстро коченели, и они отогревали их у костра.

Самое знаменитое изображение из этой экспедиции — рисунок, опубликованный Лемстрёмом во французском отчёте 1886 года. На нём — приглушённое желтоватое свечение прямо над вершиной Орантунтури, рассеивающееся с высотой. Слева на рисунке — второе жёлтое свечение, которое Лемстрём обозначил как «слабое сияние в небе за горой». Он включил естественную аврору в изображение не случайно — так он устанавливал визуальную параллель между природным и рукотворным явлениями, соединяя эксперимент и природу в сознании зрителя.

Дополнительные устройства: горы Пиеторинтунтури и Комматтиваара

В конце 1882 года два меньших разрядных устройства установили на вершине Пиеторинтунтури, у Култала. Чтобы добраться до аппарата, члену экспедиции нужно было подняться на триста метров и пройти ещё три километра двести метров. В цепь добавили машину Хольца для усиления напряжения, а столбы изолировали серной кислотой, чтобы электричество не «растекалось» по их поверхности. Хрупкую машину везли на спине северного оленя — и она прибыла целой.

27 февраля и 2 марта 1883 года наблюдатели видели свечение и над Пиеторинтунтури. Уно Роос заметил вертикальный луч постоянной ширины бледно-жёлтого цвета с расстояния один километр пятьсот шестьдесят метров и наблюдал его около минуты. Его коллега Грант, подключённый по телефонному проводу, с расстояния пять километров луч не разглядел.

В дополнительный год работы, зимой 1883–1884, Лемстрём установил разрядное устройство на горе Комматтиваара, в шести километрах к востоку от базы в Соданкюля. Провода на этот раз сделали из железа — медные слишком часто рвались под тяжестью инея. 12 ноября 1883 года над горой снова появилось свечение. Оно было особенно ярким, «как движущийся узел вдоль всего аппарата», и наблюдалось пятнадцать минут с расстояния один километр. Лемстрём создал акварель этого события, на которой свечение отражается в озере — он хотел показать, что это объективное явление, влияющее на окружающую среду, а не оптическая иллюзия. Эта акварель никогда не публиковалась при жизни учёного и позже была передана в Финское наследие.

Миниатюрная версия и международные выставки

После первых экспериментов на Луосмавааре, но до Полярного года Лемстрём построил настольную версию своего разрядного устройства. Латунная сфера на шестидесятисантиметровом резиновом стержне соединялась с машиной Хольца. Шестнадцать трубок Гейсслера с воздухом под давлением 0,5 миллиметра представляли верхние слои атмосферы. Когда машину запускали, сфера заряжалась отрицательно, и по трубкам разливалось красновато-сиреневое свечение.

Это устройство финансировал шведский магнат барон Оскар Диксон. На выставке 1875 года в Париже аппарат получил золотую медаль. Для выставки 1877 года в Лондонском музее Южного Кенсингтона Фердинанд Карре сконструировал новую машину, и на этот раз Лемстрём приехал лично, чтобы выступить с речью. Он объяснял, что электрический ток не даёт света в воздухе нормального давления, но как только поднимается в разрежённый воздух трубок Гейсслера, возникает явление, очень похожее на настоящее полярное сияние.

Что говорили современники

Английский учёный Джон Рэнд Кэпрон, посетивший Лондонскую выставку, был впечатлён. Он писал, что если Лемстрём установит постоянное сияние, шансы понять его истинную природу возрастут. Кэпрон внимательно следил за экспедициями в Лапландию. В телеграмме от 11 декабря 1882 года Лемстрём сообщил, что над Орантунтури появился «желтовато-белый ореол, который слабо, но совершенно точно даёт спектр полярного сияния».

Интересно, что Кэпрон в своей речи перед Британской ассоциацией содействия развитию науки использовал слово «собирает», а не «создаёт» по отношению к сиянию Лемстрёма. Он настаивал: если эксперимент удался, значит, Лемстрём «собрал» настоящее сияние, а не создал искусственную подделку. Кэпрон даже назвал термин «искусственная аврора» странным недоразумением.

Однако Кэпрон был и осторожен. Он указывал на неопределённость спектроскопических измерений. Зелёная линия не всегда проявлялась, а четырёхпризменный спектроскоп Лемстрёма не давал линии там, где двухпризменный её показывал. Кое-где зелёную линию регистрировали даже тогда, когда сияния не было видно вовсе. Кэпрон сожалел, что длину волны единственной наблюдаемой линии не определили абсолютно точно. Тем не менее он принял, что Лемстрём действительно создал авроральное свечение.

Критика и сомнения

Более серьёзный вызов пришёл от друга Лемстрёма — Адольфа Эрика Норденшёльда, знаменитого полярного исследователя. В рукописи о своей экспедиции на «Веге» Норденшёльд предположил, что Лемстрём мог спутать светящийся ореол над горой с авророй. В письмах Лемстрёму он прямо спрашивал: уверен ли тот, что видел именно северное сияние, а не свечение, которое иногда возникает на вершинах гор, на альпийских пиках, на шестах и даже на ушах верблюдов?

Лемстрём защищался в статье в журнале Nature, утверждая, что эти два явления невозможно спутать ни на минуту любому, кто видел их одновременно.

Вторая попытка воспроизвести результаты Лемстрёма провалилась. Датский учитель и исследователь авроры Софус Тромхольт зимой 1883–1884 годов установил аналогичное устройство на горе Эсья в Исландии. Двести пятьдесят метров голой проволоки спиралью, две тысячи игольчатых наконечников, тысяча метров провода, изолированного гуттаперчей, от вершины до подножия. Двадцать один человек нёс оборудование на гору, четыре часа ушло на установку. Никакого тока между наконечниками и закопанной пластиной. Никаких признаков свечения. Тромхольт заключил, что Лемстрём, должно быть, видел огни святого Эльма — электрическое свечение, которое иногда возникает на остроконечных предметах во время грозы.

Французская академия наук поручила инженеру Селестену Ксавье Воссена, основателю обсерватории на Пик-дю-Миди, повторить эксперимент. Его аппарат был ещё больше — три тысячи семьсот метров медных проводов, двести вертикальных столбов. Десять месяцев устройство простояло на вершине — без единого признака естественной авроры и без огней святого Эльма. Зато 11 августа 1885 года Воссена ударило электричеством — опалило брови и ресницы, обожгло лицо. Через несколько дней искры из аппарата ударили другого наблюдателя. Воссен пришёл к выводу, что Лемстрём создавал именно огни святого Эльма, а не полярное сияние.

Почему Лемстрём прекратил эксперименты

После 1884 года Лемстрём больше не пытался вызвать искусственное сияние. Он объяснял это трудностями: замёрзшие руки, провода, ломающиеся под тяжестью инея. Он переключился на изучение влияния атмосферного электричества на урожайность сельскохозяйственных культур и опубликовал трактат на эту тему в год своей смерти, 1904-м.

Удался ли эксперимент?

Сам Лемстрём не сомневался. Он утверждал, что созданные им световые явления были «той же природы, что и авроры». Они не просто выглядели как полярное сияние, но и возвращали некоторые спектроскопические линии, характерные для атмосферной авроры — пусть и с неопределённостями.

Но его критики — Кэпрон, Тромхольт, Норденшёльд, Воссен — указывали на главную проблему: как можно воспроизвести явление, природа которого до конца не понята? Чтобы создать точную копию, нужно знать, из чего состоит оригинал. А в 1880-е годы учёные ещё не пришли к согласию ни о механизме возникновения полярных сияний, ни о том, какие атомы или молекулы участвуют в этом процессе. Зелёная линия 5577 ангстрем была загадкой — она не соответствовала ни одному известному элементу.

Вопрос, который остаётся без ответа: что именно видел Лемстрём на четырёх финских горах? Было ли это настоящее полярное сияние, которое он научился вызывать с помощью медных сетей? Или огни святого Эльма — электрическое свечение, которое случайно совпадало с авроральным спектром? А может быть, он просто оказался свидетелем естественной авроры, чьё появление совпало с работой его аппарата? Ни Тромхольт в Исландии, ни Воссен на Пик-дю-Миди не смогли повторить результат Лемстрёма. Но их аппараты стояли в других местах, в другое время, при другой геомагнитной активности.

Карл Лемстрём ушёл из жизни, уверенный, что он создал искусственное полярное сияние. Его акварели хранятся в музеях. Его отчёты пылятся в архивах. А медные сети, которые он разворачивал на вершинах, давно поглощены лапландской тундрой. Но сама идея — вызвать небесный огонь с помощью проводов и остроконечных шестов — остаётся одной из самых дерзких в истории экспериментальной физики. И может быть, когда-нибудь, на другой горе, в другой полярной ночи, кто-то завершит то, что начал финский профессор полтора века назад.