Спорная история Спорная история ближайшего прошлого

К истории открытия радиационных поясов Земли

Andriuha077 29.11.2016 1

В избранноеВ избранномRemoved 1

Оригинал записи: Шубин Павел @Shubinpavel сегодня в 08:24 https://geektimes.ru/post/283142/ Как известно, уже первые запуски в космос дали нам открытие, изменившее наше представление об окружающем мире. Речь про радиационные пояса Земли. Согласно распространенной теории, исключительно благодаря первому американскому спутнику Explorer-I было сделано это открытие. Часть правды в этом есть, но сама история, как это часто и бывает, куда сложнее. В этой статье я постараюсь ее раскрыть немного более подробно. Это переработанный фрагмент мой книги о «Луне», которая, надеюсь, будет издана.

Значит, Explorer-I. Запуск 1 февраля 1958 года. Общая масса (вместе с последней ступенью) 14 кг. Они не разделялись. Орбита 358 на 2550 км.

Считается, что именно при изучении его сигналов впервые обнаружился весьма интересный факт: на определенной высоте регистрация заряженных частиц полностью прекращалась, прибор «не видел» даже космических лучей, присутствующих всегда. Это было так странно, что первоначально Джеймсу Ван Аллену (постановщику эксперимента) сказали, что его аппаратура банально отказала. Но он не сдался и выдвинул свою гипотезу: уровень радиации на тех высотках, куда забирается спутник, так высок, что это приводит к перенасыщению датчика.

Explorer-I перед сборкой

Впоследствии эта гипотеза подтвердилось. Именно это и было открытием радиационных поясов Земли.

Собственно, в такой формулировке все правильно. Но есть небольшой нюанс. Если вы откроете какие либо статьи, то, скорей всего, не найдете там научных данных, переданных именно этим спутником. Ссылка будет на более поздние аппараты.

В чем же дело? Чтобы оценить, насколько сложно было сделать это предположение, оказавшееся научным открытием, надо понимать, какие данные имелись в распоряжении группы ученых, занимавшихся расчетами.

Explorer-I был очень мал. Конечно, это было тогда все, что могли вывести США в космос, но также это означало, что на нем был очень и очень слабенький передатчик. Если сигналы с первого советского спутника легко принимали радиолюбители, то в США для примема сигналов пришлось строить стационарные посты системы Minitrack.

Внешний вид станций. Видно несколько полей антенн

Комната управления

Фрагмент антенны крупным планом

Расположение станций Minitrack. Кроме них, была еще одна станция в Австралии

Minitrack разрабатывалась для Авангарда, но использовалась для приема данных как с Эксплорера, так и советских искусственных спутников Земли.

Несмотря на очень высокий коэффициент усиления, получить сигнал со спутника было сложно. Магнитофона на первом Эксплорере не было, и это означало, что прием мог осуществляться только на небольшом участке витков.

Для получения качественного сигнала желательно, чтобы в момент прохождения таких участков наземная приемная станция находилась относительно недалеко, а сам спутник при этом был удачно ориентирован. Само по себе такое совпадение всех условий в нужный момент – редкость, а к тому же, большая часть сигналов тонула в посторонних шумах. В статье 1960 года прямо говорится, что большая часть сигналов с «Эксплорера-1» не обработана и непонятно, когда будет, да и будет ли обработана.

Половина всех записей телеметрии имела рейтинг F. Полностью нечитабельные данные. Остальные были немногим лучше.

Но что хорошо при наличии отработанной конструкции — можно запустить еще.

На 5 марта 1958 года назначили запуск «Эксплорера-2», однако он не удался: спутник на орбиту не вышел. 26 марта в космос отправили «Эскплорер-3», и это был важный шаг вперед, даже несмотря на то, что вышел он на не расчетную орбиту. Аппаратуру для исследования микрометеоров ученые сняли, а вместо нее установили миниатюрное запоминающее устройство для записи данных во время всего витка. А счетчики Гейгера закрыли металлическим листом для снижения их чувствительности.

Explorer-III. Если сравнить с первым аппаратом можно легко заметить лист для экранирования

Миниатюрный магнитофон Explorer-III

Теперь можно было получить информацию о всей орбите при прохождении спутником перигея, в оптимальных условиях. Именно это привело к качественному прорыву, и после изучения этих данных было сделано знаковое открытие.

Это произошло 2 апреля 1958 года. В этот день Ван Аллен узнал, что первые данные с «Эксплорера-3» поступили в центр обработки NRL. Взяв такси до центра, он забрал там распечатки данных, потом заглянул в аптеку, чтобы купить миллиметровую бумагу и линейку. После чего он заперся в отеле.

«В 3 часа утра я упаковал расчеты и графики и отправился домой с убеждением, что наши инструменты на обоих Explorers I и III работали должным образом, но что мы встретили новый таинственный физический эффект», — после вспоминал Ван Аллен.

Он еще не знал, что в тот же день в его лабораторию пришла аудиозапись данных, за которыми он ездил. Его сотрудники МакИлвейн, Рей и аспирант Джо Каспер сразу приступили к их анализу. И когда он вернулся, то увидел на своем стуле записку: «Космос радиоактивен!»

Та самая записка

Конечно, на данные именно с Explorer-III Аллен позже ссылался в своих научных работах. И сформировал первое описание радиационных поясов. В те времена в научной литературе «Эксплорер-1» и «Эксплорер-3» упоминались рядом, сейчас же часто говорят только о первом аппарате, хотя основную работу в этом тандеме выполнил второй. Возможно, так поступают для простоты, а возможно – для пущего эффекта: первый американский спутник сделал первое открытие, перевернувшее наше представление о космосе. Звучит!

Первая запись показаний счетчика Гейгера вдоль орбиты спутника «Эксплорер-3». Спад скорости счета заряженных частиц с нулевой по десятую минуту обусловлен изменением интенсивности космических лучей с широтой, а ее постоянство с 15-й и по 20-ю и с 37-й по 80-ю минуту — насыщением схемы регистрации его сигналов. Спад показаний до нуля с 20-й по 37-ю минуты свидетельствуют о перегрузке счетчика интенсивными потоками заряженных частиц

1 мая 1958 года Ван Аллен выступил на совместном заседании Национальной Академии наук и Физического общества США, где озвучил свою теорию. И скоро она получила веское подтверждение.

15 мая 1958 года ТАСС сообщил, что на орбиту Земли вышел «Спутник-3» массой 1327 кг. Но он впечатлял и без того. Большая масса — более совершенные приборы. Данные «Спутника-3» уверенно подтвердили правоту Ван Алена и дали много новой информации о радиационных поясах. Но уже тогда началось формирование мифа об успехе американского «Эксплорера» и неудаче советских «Спутников». Вот что писал редактор журнала «Таймс»:

«…ни один из трех тяжелых русских спутников не передал сообщений об излучении Ван Аллена. Одно из объяснений состоит в том, что русские перехитрили сами себя, отказавшись сообщить внешнему миру, как нужно интерпретировать сигналы с их спутников. Поскольку только нижние части орбит спутников проходили над советской территорией, русские ученые никогда не получали данных с больших высот. Если какой-то из советских спутников и имел запоминающее устройство, то оно не работало. Другое предположение состоит в том, что гейгеровские счетчики перегружались вблизи апогея излучением Ван Аллена и русские ученые не знали, как объяснить это необычное поведение. Собака, запущенная на втором спутнике, умерла примерно через неделю, но русские не сообщили, было ли это вызвано воздействием излучения. Вполне возможно, что они этого не знали».

Но прочитав это замечание, Ван Аллен потребовал добавить следующие строки:

«Я выражаю существенное несогласие с разделом статьи относительно неудач советских исследователей по обнаружению захваченного излучения. По моему представлению, наша работа со спутником «Эксплорер-1» действительно обеспечила основное открытие, и я сделал первое публичное сообщение на объединенной сессии Американского Физического Общества и Национальной Академии наук США 1 мая 1958 г. Двумя неделями позже был успешно запущен советский «Спутник-3», и он обеспечил существенное подтверждение наших ранних результатов».

Казалось бы, на этом можно ставить точку. Но не все так просто. Для этого достаточно вспомнить, что за пару месяцев до первого «Эксплорера» был запущен «Спутник-2», и он уже обладал всей необходимой аппаратурой для фиксации излучения. Почему же его данные не привели к этому эпохальному открытию? Он что, ничего не зафиксировал? Как сейчас известно, фиксировал. Так в чем же дело?

Прибор СП-65 на «Спутнике-2» имел весьма сложную конструкцию и изначально предназначался для изучения солнечной активности. У него имелось три входных устройства, расположенных под углом 120 градусов друг относительно друга. Это было сделано для того, чтобы при вращении аппарата Солнце могло попадать хотя бы в один приемник. Причем информация со всех приемников в телеметрии суммировалась. А почему нет? Когда Солнце попадает в один из приемников, в другие оно попасть никак не может, а значит, их данные близки к нулю и не влияют на общую картину. Причем из-за вращения станции (спутник ведь был неориентированным) данные ожидали получить в виде небольших всплесков в те моменты, когда Солнце попадало в поле действия одного из приемников.

Прибор включался автоматически при прохождении советских телеметрических станций. Всего получили девять фрагментов телеметрии. Их расшифровка поставила ученых в тупик. Да, иногда со спутника шел сигнал, близкий к ожидаемому. Но большая часть информации сигнализировала о неком равномерном (и весьма сильном) фоне, окружающем аппарат. Этот фон очень плавно возрастал или убывал, причем не было никаких корреляций с вращением станции, как будто Солнце светило со всех сторон. Отказ прибора? Контрольные данные свидетельствовали о его исправности. Вот здесь бы кому-нибудь воскликнуть: «Космос – радиоактивен!», как это сделали в команде Ван Алена через несколько месяцев. Увы, такого смельчака не нашлось.

Впрочем, здесь нужно также отметить, что и это были только первые шаги. Открытие поясов радиации означало появление перед учеными нового, поистине гигантского поля деятельности, его особенности ученые еще плохо себе представляли.

Дополнение. Черток Борис. Ракеты и люди. Книга 2. Фили-Подлипки-Тюратам

Одним из сенсационных результатов, полученных с помощью научных приборов третьего спутника, было открытие высокой концентрации электронов на больших высотах, за пределами уже известной ионосферы. Сергей Николаевич Вернов, профессор МГУ, автор этих исследований, объяснял это явление вторичной электронной эмиссией – выбиванием электронов из металла спутника при столкновении с частицами высоких энергий – протонами и электронами. Помню его восторженное сообщение по этому поводу на заседании у Келдыша, где отчитывались ученые по результатам научных исследований на третьем спутнике.

Однако американский физик Дж. Ван Аллен два года спустя доказал, что на самом деле то, что замерили приборы третьего спутника, есть не результат вторичной эмиссии, а регистрация первичных частиц ранее неизвестных радиационных поясов Земли. Поэтому американцы эти радиационные пояса назвали «поясами Ван Аллена». В оправдание Вернова надо сказать, что он ошибся по причине отказа на спутнике запоминающего устройства телеметрии. Вернов не имел возможности получить измерения радиационной активности по всему витку. Он получал измерения только в режиме непосредственного приема при пролете спутника над территорией СССР. Ван Аллен сделал свое открытие, пользуясь результатами измерений с американского спутника. Он показал, что существует область в околоземном пространстве, в которой магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы (протоны, электроны и?-частицы), обладающие большой кинетической энергией. Эти частицы не покидают околоземное пространство, находясь в так называемой магнитной ловушке.

Это открытие стало большой научной сенсацией. Для космонавтики оно имело важное практическое значение. Космические аппараты, орбиты которых проходили сквозь радиационные пояса, получали значительное облучение, в частности разрушение структуры фотоэлектронных преобразователей солнечных батарей. Для пилотируемых космических аппаратов длительное пребывание в этих поясах вообще считается недопустимым.

После опубликования открытий Ван Аллена решили, пусть с опозданием, исправить ошибку, допущенную по вине отказа запоминающего устройства на третьем спутнике. В нашей литературе радиационные пояса стали называть поясами Ван Аллена – Вернова.

Эта история была хорошим уроком для ученых, показавшим, насколько необходима надежная работа приборов непосредственного измерения и бортовых служебных систем для хранения и передачи на Землю полученных ими данных. К сожалению, надежность приборов для научных исследований и в последующие годы оставалась слабым местом нашей космонавтики.

1 мая 1958 г. на совместном заседании Национальной Академии наук и Физического общества США выступил Ван Аллен. Он связал высокие уровни скоростей счета гейгеровских счетчиков на спутниках «Эксплорер-1 и -3» с наблюдавшимися прежде потоками электронов в зоне полярных сияний. Он заявил, что «не может быть, чтобы частицы имели энергии порядка миллиардов электронвольт». Иными словами, Ван Аллен считал, что экранированные счетчики регистрировали только тормозное излучение электронов малых энергий, отвергая тем самым возможность того, что наблюдавшиеся частицы могли быть протонами. Хотя совершенно очевидно, что одиночный гейгеровский счетчик не позволяет определить, что вызвало его срабатывание — протон, электрон или тормозное излучение последнего. Кроме того, из его выводов оставалось неясным, как проникают эти электроны из зоны полярных сияний к экваториальной плоскости на высоту 2 тыс. км.

15 мая 1958 г. был запущен III советский ИСЗ (i=65,2°, высота апогея 1880 км в южном полушарии). Сцинтиляционные детекторы научных групп С. Н. Вернова и В. И. Красовского зафиксировали гораздо более интенсивные потоки заряженных частиц, чем гейгеровские счетчики спутников «Эксплорер-1 и -3». Детекторы группы Вернова впервые позволили установить, что наблюдаемые потоки заряженных частиц состоят именно из протонов с энергиями порядка 100 МэВ. Вдоль ночных участков орбиты 15 мая между экватором и широтой 56° детекторами группы Красовского были зарегистрированы потоки энергии электронов с энергиями Ее=10-20 кэВ достигающие 100 эрг·см-2 с-1. Их поглощение в верхней атмосфере Земли должно было привести к образованию полярного сияния III балла яркости и к сильным ионосферным возмущениям. Поскольку 15 мая такие явления не наблюдались, то В. И. Красовский пришел к выводу, что регистрировавшиеся на III спутнике электроны не достигали плотной атмосферы потому, что были захвачены магнитным полем Земли. Сотрудник С. Н. Вернова А. Е. Чудаков из показаний детектора над территорией СССР в приполярной зоне на широтах около 60° выделил постоянно присутствовавшее тормозное излучение от потоков электронов с Ее= 100 кэВ и интенсивностью около 103 см-2·с-1 ср-1 (ср — телесный угол в 1 стерадиан). Он установил, что с ростом высоты зона регистрации этих потоков смещается к низким широтам вдоль геомагнитных силовых линий. Этот результат и следует считать первой достоверной регистрацией электронов внешнего радиационного пояса.

31 июля — 9 августа 1958 г. в Москве состоялась Пятая ассамблея Специального комитета Международного Геофизического года (МГГ). На ней были представлены первые результаты наблюдений на спутниках, выполненные советскими и американской научными группами. Выводы каждого докладчика отражали его профессиональный интерес. Показания счетчика III ИСЗ, запущенного в СССР 15 мая 1958 г., вдоль двух участков его орбиты. По горизонтали отложены значения географической долготы (φ), широты (λ) III ИСЗ и геомагнитной широты (Λ). Приведены также значения высоты спутника над поверхностью Земли В. И. Красовский объяснил возможность захвата геомагнитным полем наблюдавшихся интенсивных потоков электронов с энергиями в 10-20 кэВ. А. Е. Чудаков сообщил, что в узкой приполярной зоне постоянно присутствуют потоки электронов с Ее=около 100 кэВ. С. Н. Вернов и А. И. Лебединский ввели понятие «земное корпускулярное излучение», относящееся к протонам от β-распада нейтронов альбедо, создаваемых космическими лучами в атмосфере Земли. Они впервые рассмотрели накопление этих протонов в магнитосфере Земли как следствие их вращения и колебаний вдоль силовых линий геомагнитного поля. В докладе Ван Аллена, зачитанном его сотрудником Э. Реем, природа излучения в низкоширотной зоне связывалась с электронами, ранее наблюдавшимися над зоной полярных сияний. Ван Аллен прислал на Ассамблею телеграмму со свежими результатами наблюдений со спутника «Эксплорер-4», запущенного 26 июля на орбиту с i = 51°. Эти данные дополнили содержание его доклада, не изменив выводов о природе регистрировавшихся частиц: «…общая ситуация подобна ранее наблюдавшейся. Интенсивность излучения возрастает в несколько тысяч раз между 300 и 1600 км с быстрым началом роста около 400 км высоты… Сцинтиллятор полной энергии [под таким же поглотителем, как и в детекторе группы В. И. Красовского. — В. Т.] показывает 10 эрг. см-2 с-1 ср-1 на высоте 1600 км. На основании этого факта и наших прежних данных есть основания полагать, что большая часть потока энергии создается электронами с энергией порядка 50 кэВ. Полный поток таких низкоэнергичных электронов Je=108 см-2 с-1 ср-1. Не обнаружено значительных временных флуктуации за период в три дня. С ростом широты большие интенсивности простираются к малым высотам. Уровень облучения на 1600 км около двух рентген в сутки».

Итак, в начале августа 1958 г. было установлено, что вокруг Земли всегда присутствуют интенсивные потоки протонов с энергией порядка 100 МэВ (С. Н. Вернов) и электронов с энергиями в десятки кэВ (В. И. Красовский, Дж. Ван Аллен), захваченные геомагнитным полем. Эти выводы вполне укладывались в рамки теорий того времени. До открытия явления, позже названного «радиационным поясом Земли», оставалось сделать еще один шаг — доказать, что заряженные частицы, «накопленные» в геомагнитном поле, могут дрейфовать в азимутальном направлении. Эта возможность обсуждалась еще в 1946 г. при разработке зеркальной магнитной ловушки и считалась проблематичной из-за предполагаемого образования пространственного заряда от разделяющихся при дрейфе электронов и ионов. Доказать существование дрейфа заряженных частиц могли только эксперименты с инжекцией заряженных частиц в геомагнитную ловушку. Ими стали высотные ядерные взрывы, проведенные США в августе — сентябре 1958 г.