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».

Огюст Пикар в гондоле стратостата

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.

Ничтожная плотность воздуха на больших высотах могла существенно облегчить полет в стратосфере ракет и реактивных самолетов. Да и артиллерийские снаряды могут в разреженной атмосфере преодолевать значительные расстояния. Подобные проблемы стали особенно актуальны после Первой мировой войны, когда началось обновление военной техники.

30 сентября 1933 года в воздух с московского аэродрома поднялся стратостат «СССР» с объемом оболочки 24 340 куб. м (диаметр около 36 м). Вес трехслойной оболочки с принадлежностями превышал 1 т. Гондола имела форму шара диаметром в 2,3 м с плетеным ивовым амортизатором внизу. Внутри гондолы – сидения для экипажа, электрическое освещение, приборы. В полет отправились командир корабля летчик Прокофьев, инженер Годунов, радист Бирнбаум. Стратостат, не вращаясь, быстро устремился вверх. С ним постоянно поддерживалась радиосвязь. Из шести наблюдательных пунктов геодезисты фиксировали положение стратостата. За полчаса прошли тропосферу и достигли высота 17 км. Отцепляя мешки с балластом, продолжали подъем. В кабине, разогретой на солнце, температура поднималась до +31 °C, тогда как за бортом стояла стужа (-65°). В 12 часов 45 минут была достигнута рекордная высота: 19 км. Еще более 2 часов пробыв на достигнутом рубеже, делая измерения, пошли на снижение. Спуск продолжался около 3 часов. Приземлились за Коломной на берегу Москвы-реки.