Таким образом, получалось, что длинные волны могли огибать поверхность земного шара из-за дифракции, а более короткие - из-за отражения от слоя Хэвисайда. Существование такого слоя было доказано прямыми экспериментами Эпплтона и Барнета в 1925 году. Отражение происходило примерно на высоте 100 километров. Исследователи наблюдали интерференционные максимумы и минимумы (биение) прямой и отраженной волн. Помимо слоя Хэвисайда, были открыты и другие "горизонты" ионосферы: оказалось, что она похожа на слоеный пирог, причем степень ионизации зависела от солнечной активности. Интенсивность солнечного света постоянна, однако в ультрафиолетовой области спектра Солнце является звездой переменной. Именно ультрафиолетовые лучи ответственны за состояние ионосферных слоев.
Подобные факты могут служить основой для объяснения результатов К. Штермера. Во всяком случае, пренебречь ими не представляется возможным.
Короткие волны, которые как раз и использовались в опытах К. Штермера, имеют наибольшее значение для связи на огромных расстояниях, сравнимых с размерами земного шара. Они сравнительно слабо поглощаются ионосферными слоями, зато отражаются достаточно хорошо одним, а иногда и двумя слоями. (Нелишним будет упомянуть и о замираниях коротковолновых сигналов, которые раньше объясняли неисправностями приемника. Американский физик Деллинджер сопоставил позднее их с солнечными вспышками - именно в них-то и была скрыта причина. Замирания возникают только днем, в пределах освещенного полушария, в иной день их можно насчитать до пяти-десяти. При продолжительности в несколько минут они довольно часто "делают погоду" на линиях радиосвязи.)
Теперь пора, пожалуй, рассказать подробнее об опытах Карла Фредерика Штермера, члена Норвежской академии наук и литературы в Осло, иностранного члена Парижской академии наук и Лондонского королевского общества, почетного члена Академии наук СССР (с 1934 года). Исследования К. Штермера снискали заслуженное уважение своей глубиной и оригинальностью. Этот замечательный норвежский ученый разработал стройную теорию полярных сияний, предложил методы расчета траекторий заряженных частиц в магнитном поле Земли, которые обогатили не только науку о Земле, но и физику и математику.
Однажды (это случилось в декабре 1927 года) сосед К. Штермера, инженер и радиолюбитель Иорген Халльс рассказал ученому о мощном эхе, свидетелем которого ему довелось быть. По его словам, через несколько секунд после сигналов коротковолновой станции в Эндховене (Голландия) слышались сильные отголоски. "Как только я узнал об этом замечательном явлении, - писал позднее К. Штермер, - мне пришла мысль, что волны беспроволочного телеграфа могли быть отражены теми токами и поверхностями электронов, на которые мысль моя была направлена в годы с 1904-го по 1907-й при теоретическом исследовании северных сияний".
В декабре 1927 года К. Штермер договорился с Эндховеном о сеансах радиопередачи. Первые опыты начались в январе. Прием вели две станции: в Форнебо и Кигде. Обе станции располагались близ Осло. Станция в Нигде - это станция уже знакомого нам инженера Халльса. Радиопередатчик в Эндховене посылал сигналы через каждые пять секунд. Они регистрировались с помощью осциллографа. Очень ясно фиксировались импульсы Эндховена. Тогда же было обнаружено и несколько других сигналов, "которые могли вызваться атмосферными пертурбациями или же эхом". Во время опытов Иорген Халльс часто звонил по телефону К. Штермеру, чтобы сообщить о своих наблюдениях. Он слышал гораздо больше запаздывающих сигналов, чем отмечала станция в Форнебо. Это, по всей видимости, объясняется тем, что у него был очень чувствительный радиоприемник (Халльс вел прием сигналов на громкоговоритель).
Летом того же года состоялась встреча К. Штермера с Ван дер Полем, работавшим в Эндховене. Они договорились посылать стандартные телеграфные посылки (три импульса, три тире). Период повторения таких тройных посылок составлял 20 секунд. От осциллографа решено было отказаться (немаловажную роль в этом решении сыграл успешный опыт Халльса).
Одиннадцатого октября в 15 часов 30 минут К. Штермер услышал отчетливое эхо. Через несколько минут позвонил Халльс, и Штермер немедленно направился к нему. Громкоговоритель отчетливо воспроизводил эхо.
"Как правило, каждый сигнал давал один отголосок, а иногда даже несколько, - писал К. Штермер в своей книге "Проблемы полярных сияний". Обычно отголосок, подобно сигналу, также имел три тире, иногда они сливались, случалось также, что отголосок затягивался в более длительный звук, чем сигнал. Высота звука была та же, что и сигнала".
Именно здесь, в квартире Халльса в Бигде, ученый записал промежутки времени между сигналами и отголосками: это и были те самые серии К. Штермера, которые впоследствии неоднократно публиковались в разных газетах и журналах. А вот свидетельство ученого: "Отмеченные мной периоды времени не имеют притязания на точность, поскольку я не был достаточно подготовлен, но они дают, по крайней мере, качественное представление о данном явлении. По словам Халльса, он до моего прихода наблюдал несколько отголосков через 3 секунды".
В этих свидетельствах норвежского ученого особенно важными представляются упоминания о "размывании" сигналов (следствие их долгого путешествия в ионизированной среде) и о приеме Халльсом других отголосков, не зарегистрированных К. Штермером (знаменитые серии К. Штермера, оказывается, неполны).
Еще одно важное обстоятельство, неоднократно отмеченное К. Штермером, разная сила отголосков. Некоторые едва просматривались на осциллографической ленте и были заметно слабее при воспроизведении громкоговорителем.
Вывод, который нельзя не сделать, обдумывая результаты опытов К. Штермера, состоит вот в чем: разной задержке сигналов соответствовала разная их сила и разная степень "размытия". Этого не было бы, если бы сигналы посылались из одной точки пространства, например, с борта гипотетическою летательного аппарата или зонда (хотя последний случай требует некоторых оговорок относительно скорости и направления его предполагаемого движения).
Двадцать пятого октября К. Штермер зарегистрировал несколько сигналов с очень большой задержкой (до 25 секунд). Затем эхо исчезло. По уже в феврале 1929 года оно снова наблюдалось. В мае французские исследователи Галле и Талон зарегистрировали около 2 000 отголосков, причем задержка достигала 30 секунд. Они также слышали слабые и сильные сигналы. Результаты их наблюдении опубликованы: это довольно сложная таблица, в которой нельзя уловить какую-либо закономерность в распределении сильных и слабых импульсов.
К. Штермер объяснил результаты опытов исходя из своей теории движения заряженных корпускул в магнитном поле Земли. Это, вообще говоря, не то же самое, что объяснять эхо отражением от ионосферы.
В 1947 году были впервые зарегистрированы отражения радиоволн от полярных сияний. Но появление сполохов как раз и связано с потоками солнечных корпускул. И это позволяет оценить всю глубину взглядов, высказанных норвежским ученым в самом начале тридцатых годов. Уже в конце 1928 года, опираясь на разработанную им теорию движения заряженных частиц, он предсказал, что эхо, по всей вероятности, будет отсутствовать до середины февраля. Так оно и получилось. Прогноз блестяще оправдался.
В заметке, опубликованной в журнале "Нейчур" 5 января 1929 года, К. Штермер приводит расчеты, относящиеся к интенсивности корпускулярных потоков от Солнца, и показывает, что "с конца октября и до середины февраля высота светила над горизонтом недостаточна для образования ливней частиц. Эхо возникает лишь при наличии некоторых благоприятных условий". Какие же это условия? "Математическая теория показывает, что эти благоприятные условия наступают в том случае, когда корпускулы исходят от Солнца, стоящего вблизи магнитной экваториальной плоскости". В своих работах ученый показал, что, попадая в магнитное поле Земли, частицы могут попасть в такую зону пространства, которую им покинуть уже не удастся. Они концентрируются в большом торе, охватывающем земной шар. Стенки тора служат своеобразным зеркалом для радиоволн, и не просто зеркалом, а концентратором, собирающим их и посылающим в немногих направлениях. Именно поэтому радиоволны могут путешествовать по естественному волноводу долгое время, и после многих отражений К. Штермеру удавалось принять их на Земле.