Радиационный пояс ван аллена что это такое
Большая афера Ван Аллена
Для начала, из чего состоят радиационные пояса Земли?
внутренний радиационный пояс на высоте
4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ;
внешний радиационный пояс на высоте
17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ.
Распределение частиц высоких энергий в поясах. а — электроны, б — протоны. Данные взяты с:
Отлично. С структурой поясов разобрались Теперь немного азбучной истины о длине пробега альфа-частиц:
Длина пробега альфа-частиц в воздухе при энергии 10 МэВ — порядка 10,6 см.
В живой ткани — 130 мкм
В аллюминии — 69 мкм
Я так напомню, что микрометр — это 0,001 миллиметра.
Возьмем, что энергия альфа-частиц во внутреннем поясе Ван Аллена составляет100 МэВ. Т.е. длина пробега частицы в слое аллюминия, прикрывающем капсулу «Аполлона» составит… 690 мкм.
Ноль целых, семь десятых миллиметра.
При толщине стенок кабины не менее 19 миллиметров.
В ДВАДЦАТЬ СЕМЬ РАЗ БОЛЬШЕ.
(допустил небольшую ошибку, впрочем, непринципиальную. За ее обнаружение благодарю коллегу Мой Крест, который, впрочем, все равно не понял о чем речь. 😉 Исправляю ее сейчас же.)
Энергия протонов в внутреннем поясе составляет порядка 0,3-30 МэВ.
Пробег протонов в аллюминии составляет при указанных энергиях от 2,7 до 7 миллиметров.
Т.е. легко видеть, что пучки протонов нормальных для пояса энергий не в состоянии преодолеть аллюминиевые стенки кабины.
Так, с внутренним поясом разобрались. Вернее, не заметили. Летим дальше. Кто у нас там — внешний пояс. А в нем — бета-частицы, то бишь электроны. С энергией порядка десятков КэВ.
Слой аллюминия в 3,5 мм ПОЛНОСТЬЮ поглощает поток бета-частиц с энергиями порядка 2,5 МэВ. Т.е. в несколько десятков раз большими чем те, что на практике витают в поясах Ван Аллена.
Господа Ван Алленовцы! Уж простите, но если кто и является лунным аферистом, то это те, кто пытается страшным словом «радиация» смущать народ. Измерять реальное количество этой радиации и ее проникающую способность вы ведь «не догадались». А ведь вообще-то это ШКОЛЬНЫЙ КУРС ФИЗИКИ — что альфа- и бета-частицы не обладают особенно значимым пробегом в твердых материалах. Гамма-радиация дело другое, но гамма-радиация к поясам Ван Аллена имеет слабое отношение (гамма-излучение электромагнитным полем НЕ ЗАДЕРЖИВАЕТСЯ)
К истории открытия радиационных поясов Земли
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. Что было так странно, что первоначально Джеймсу Ван Аллену (постановщику эксперименте) 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 с 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
Не смотря 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 не 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 Аленн 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 относительно друг 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 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.
Радиационные пояса Земли: открытие и первые исследования
Об авторе
Юрий Иванович Логачев — доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Участник исследований радиации в космосе начиная с первых полетов искусственных спутников Земли, соавтор открытия внешнего радиационного пояса Земли.
Нет сомнения, что созданные в войну 1939–1945 гг. ракеты рано или поздно полетели бы в космос. Начало этому положил «Спутник-1», запущенный в СССР 60 лет назад. Через месяц вывели на орбиту «Спутник-2», потом в дело вступили США (Explorer-1 и -3, а также Vanguard-1), затем были «Спутник-3», Explorer-4, а впоследствии и многие другие. К настоящему времени в космосе побывало более 10 тыс. различных аппаратов — научных, военных и прикладных.
Про первый спутник написано немало, но гораздо менее известны следующие пять, результаты которых принесли важное открытие: были обнаружены радиационные пояса Земли. Неожиданно оказалось, что за пределами своей атмосферы Земля, находящаяся, как ожидалось, в совершенно пустом космическом пространстве, окружена интенсивными потоками заряженных частиц, которые захвачены магнитным полем планеты. Эти пояса радиации имеют сложную пространственную структуру и испытывают сильные вариации, связанные с активностью Солнца. К настоящему времени радиационные пояса хорошо изучены, понята физика явления, найдены источники частиц (это космические лучи; частицы, ускоренные во время вспышек на Солнце; частицы из ионосферы и атмосферы Земли), определена их важность и связанные с ними опасности для человечества. Пояса радиации исследовались многими различными аппаратами, в том числе и для решения прикладных задач, без которых мы уже не можем обойтись. Достаточно перечислить телеретрансляторы на геостационарной орбите, навигационные системы (GPS и Глонасс), метеоспутники, аппараты для поисков полезных ископаемых из космоса. Важная задача — обеспечение радиационной безопасности космических полетов, в частности при планировании освоения Луны и полетов человека на Марс.
Календарь первых космических событий
О том, что Земля постоянно облучается заряженными частицами высокой энергии — космическими лучами, ученые узнали в 1912 г. После открытия будущего нобелевского лауреата В. Гесса исследователи все время стремились забраться повыше — поближе к их возможному источнику. В 30-е годы для изучения космических лучей в стратосферу запускались аэростаты, шары-зонды, а сразу после окончания войны — ракеты (сначала немецкие ФАУ, затем США и СССР стали делать свои ракеты). Интерес представляли не только космические лучи: для измерения ультрафиолетового излучения Солнца тоже нужно уйти выше слоя озона, эффективного УФ-поглотителя. Магнитное поле Земли и ионосфера также требовали измерений на больших высотах. Уже в 50-е годы идея создания искусственных спутников активно обсуждалась научным сообществом, особенно в связи с намечавшимися исследованиями в Международном геофизическом году (МГГ, 1957–1958).
В СССР подготовка экспериментов на спутниках началась в середине 1956 г. На совещании в Академии наук СССР ведущие специалисты по физике верхней атмосферы Земли, магнитного поля, ионосферы и космических лучей получили задание подготовить предложения-проекты экспериментов на искусственных спутниках Земли. Собранные заявки охватывали широкий спектр исследований от атмосферы до микрометеоров (и космической радиации в том числе), причем предполагалось все измерения проводить на одном аппарате. У каждого эксперимента были свои требования, и столь большой набор приборов нуждался в длительной подготовке спутника. Забегая чуть вперед, скажем, что запуск такого спутника (он оказался уже третьим) состоялся лишь 15 мая 1958 г.
Между тем было известно, что США также готовят к полету космический аппарат. В ситуации жесткой конкуренции возникло естественное желание быть первыми. Успешный запуск баллистической ракеты в СССР в августе 1957 г. подтолкнул руководителей спутниковой программы не дожидаться готовности основного научного аппарата, а запустить более простой, лишь бы обогнать США. Цель, как все знают, была достигнута, первым спутником в космосе стал советский.
С. Н. Вернов (1910–1982)
На борту следующего, «Спутника-2», вышедшего на орбиту через месяц после «Спутника-1» (3 ноября 1957 г.), кроме научной аппаратуры находилась собака по имени Лайка. Она была гвоздем проекта, весь полет задумывался для ответа на вопрос: смогут ли летать в космос люди? Но была и научная программа, которая включала изучение ультрафиолетового излучения Солнца (под руководством С. Л. Мандельштама) и космических лучей (экспериментом руководил С. Н. Вернов). Хотя запуск «Спутника-2» был приурочен к 40-летию Великой Октябрьской революции, его работа освещалась менее шумно, а результаты были опубликованы только в научных журналах, причем значительно позднее.
Следующими успешными, как теперь говорят, миссиями, стали аппараты США Explorer-1 и -3, запущенные 31 января и 26 марта 1958 г. с приборами для изучения космических лучей (научный руководитель эксперимента Дж. Ван Аллен). 15 мая наконец стартовал наш «Спутник-3» с большим набором измерительной аппаратуры. Полеты перечисленных спутников не только положили начало научным исследованиям космоса, но и помогли сделать важное геофизическое открытие — обнаружить радиационные пояса Земли.
Дж. Ван Аллен (1914–2006).
Результаты полетов спутников Explorer-1, -3 были представлены общественности 1 мая 1958 г. на заседании Академии наук США. В период с мая по август 1958 г. новое явление бурно обсуждалось, чему способствовала проводившаяся в Москве 29 июля — 9 августа V Генеральная ассамблея Международного геофизического союза, посвященная итогам МГГ. Доклады и обсуждения результатов полетов Explorer-1, -3 и «Спутника-3» помогли выяснить в общих чертах картину захваченных магнитным полем Земли энергичных заряженных частиц, обсудить их источники. Эксперименты «Спутника-3» показали, что повышенная радиация характерна для двух четко разделенных областей: экваториальной и приполярной, названных впоследствии внутренним и внешним радиационными поясами. Радиация в экваториальной области, по данным «Спутника-3», состоит главным образом из протонов с энергией 100 МэВ (приборы американских спутников Explorer-1, -3 не могли идентифицировать природу частиц), приполярные районы заполнены в основном электронами с энергией 100 кэВ (спутники Explorer-1, -3 на эти широты не залетали, наклон их орбит был не очень большим, рис. 1).
Рис. 1. Орбиты двух спутников Земли — советского и американского. Наклон плоскости орбиты «Спутника-2» к плоскости экватора Земли — 65°, спутника Explorer-3 — 33°. Перигеи орбит находятся на широтах места запуска, апогеи — в противоположном полушарии. Масштабы орбит и Земли почти соблюдены
В период заседания Ассамблеи МГГ научный лексикон обогатился новыми понятиями: захваченные магнитным полем заряженные частицы, нейтроны альбедо космических лучей, проникновение солнечных частиц в магнитное поле Земли и их захват; именно тогда был введен общепринятый ныне термин «радиационные пояса Земли». И это несмотря на то, что ученым еще не были известны данные следующего американского спутника Explorer-4 (запущенного 26 июля 1958 г.), который был укомплектован более широким набором аппаратуры по сравнению с предыдущими. Впереди было и очень важное событие — создание искусственных поясов радиации в магнитном поле Земли с помощью атомного взрыва небольшой мощности (американский эксперимент Argus в августе 1958 г.).
Первые полеты — первые неожиданности
При подготовке наших экспериментов на спутниках сроки были сжатыми, дело новым, а ракетчики выдавали очень жесткие лимиты на вес, габариты и энергопотребление приборов. В этих условиях, естественно, нам пришлось ограничиться простейшими устройствами, способными регистрировать заряженные частицы: детекторами служили газоразрядные счетчики; электроника в то время уже появилась более легкая — полупроводниковая. На первых спутниках США были практически такие же приборы. Особенность газоразрядных счетчиков (счетчиков Гейгера) состоит в том, что они не различают вид частиц (их заряд или массу), вызвавших разряд, а регистрируют только факт попадания частицы в счетчик, делая это непрерывно и сообщая исследователям число разрядов в единицу времени. «Мертвое время» счетчиков, пока идет разряд, составляет десятки микросекунд, так что счетчик может надежно считать до 10 4 частиц/с.
Значительная разница в экспериментах Вернова и Ван Аллена состояла в траекториях запущенных спутников и, соответственно, в обследованных областях пространства. Прибор Вернова был установлен на «Спутнике-2» с наклоном орбиты к земному экватору около 65°, тогда как американские Explorer-1, -3 имели около 33° (рис. 1). Информация с советского аппарата передавалась каждый день с трех витков, проходящих над территорией СССР. «Спутник-2» совершал каждый день 14 оборотов вокруг Земли, период обращения составлял 103 мин, на каждом витке аппарат смещался по долготе на 26°, так что витки покрывали всю поверхность Земли. Передатчики на «наших» витках работали непрерывно, но их сигнал регистрировался советскими приемными станциями, расположенными только в пределах границ страны, а поскольку запоминающих устройств на спутнике не было, данные с остальной, большей, части витков были нам недоступны. На остальных 11 витках спутник молчал.
Как потом стало ясно, это несовершенство эксперимента лишило нас очень важной информации, фактически приоритета обнаружения повышенной радиации на больших высотах над значительной частью поверхности Земли.
Рис. 2. Данные «Спутника-2». Интенсивность космической радиации на одном из витков при пролете над северными районами СССР 7 ноября 1957 г. Как теперь ясно, это был сброс частиц из внешнего радиационного пояса во время слабого магнитного возмущения
На «Спутнике-2» было установлено два идентичных прибора, которые показывали практически одинаковые результаты, согласующиеся с имеющимися представлениями о потоках космических лучей на различных широтах и высотах до 300–600 км. Было ощущение полного восторга: все отлично работает и дает ожидаемый результат. Но 7 ноября 1957 г. на одном из витков были зарегистрированы флуктуационные возрастания скоростей счета приборов (рис. 2). Участок повышенного счета продолжался 13 мин и приходился на высокие геомагнитные широты (в районе перигея орбиты спутника, на высоте до 300 км). Мы пообсуждали различные, вплоть до фантастических, источники зарегистрированной повышенной радиации и остановились на протонах от слабой солнечной вспышки. Но в первой публикации результатов полета «Спутника-2» [1] даже этого сказано не было, упоминался только сам факт: надежно зарегистрировано 50%-е возрастание скорости счета приборов на одном из витков полета спутника на высоких широтах. То, что в статье не обсуждался обнаруженный эффект, можно объяснить узкой целенаправленностью наших устремлений: все, что в стороне от главного направления — изучения космических лучей, — откладывалось на потом. Все были перегружены «неотложными» проблемами, и мелкие неожиданности отвлекали внимание. Поэтому мы и ограничились вариантом солнечных космических лучей, которые в принципе могут проникнуть на высокие широты, особенно при возмущенном магнитном поле. О возможностях ускорения частиц в магнитосфере Земли серьезно не говорили, а о сбросе захваченных частиц даже не упоминали. Обнаруженное возрастание потока было небольшим, длились недолго. Сильных вспышек в это время не наблюдалось, поэтому решили, что оно вызвано небольшой вспышкой на Солнце, о наличии которых к тому времени было уже хорошо известно.
Приборы Ван Аллена сразу после запуска оказались в экваториальных областях повышенной радиации, скорость счета частиц быстро нарастала и даже попадала в режим перегрузки, приборы зашкаливали, счетчики переставали работать. Ван Аллен с коллегами правильно интерпретировали ситуацию и зафиксировали наличие потоков радиации в экваториальных районах Земли на высотах, больших 500 км. О его докладе 1 мая 1958 г. [2] мы тогда не знали, в СССР эти результаты на первых порах стали известны только по краткой публикации в Scientific American (май 1958 г.); более подробные сведения приведены в работах [3–5]. В этих сообщениях, как и в советских, нет никакого упоминания о частицах, захваченных магнитным полем Земли. Авторы предполагали: зарегистрированные ими частицы имеют авроральное происхождение, проникая каким-то образом от высоких широт в экваториальную область.
Ошибочная интерпретация авторами первых измерений энергичных заряженных частиц на спутниках говорит о том, что обе группы, советская и американская, были не готовы к восприятию обнаруженного нового явления. Однако результаты, доложенные Ван Алленом, всколыхнули научную общественность, начались бурные обсуждения в различных научных коллективах, в основном на Западе (в Советский Союз в те времена информация, даже чисто научная, просачивалась с трудом). Результаты же полета «Спутника-2» стали известны специалистам только в июне 1958 г. (когда вышла статья [2]), да и то в основном русскоязычным читателям. Такое катастрофическое отставание в популяризации своих достижений было характерно для советского периода, оно объясняется рядом причин, среди которых секретность стоит не на последнем месте.
А. Е. Чудаков (1921–2001)
Рис. 3. Траектории частиц, захваченных в ловушку магнитного диполя Земли. Движение заряженной частицы в геомагнитной ловушке (вверху). Внизу показаны траектория перемещения частицы по спирали на силовой линии магнитного поля (слева) и процесс отражения частицы в сильно неоднородном магнитном поле (магнитная пробка, справа)
Рис. 4. Движение частиц после их импульсной инжекции в магнитное поле Земли. Начальный период долготного дрейфа частиц после атомного взрыва (вверху). Электроны дрейфуют в одну сторону, протоны (и другие положительно заряженные частицы) — в другую. Примерное расположение пояса электронов после операции Argus (внизу)
В 1957 г. Ф. Сингер (США) для объяснения магнитных бурь предположил, что главная фаза бури обусловлена долготным дрейфом частиц, захваченных магнитным полем Земли [19]. Эта идея уже содержала некоторые представления, которыми сейчас описываются основные явления в радиационных поясах Земли.
Приведенные примеры показывают: к 1957 г. были группы исследователей, в основном геофизиков, которые серьезно обсуждали природу частиц в магнитосфере Земли для объяснения полярных сияний, выясняли траектории солнечных и космических частиц в магнитном поле Земли и были готовы к восприятию новых открытий. Исследователи космических лучей (Вернов и Ван Аллен) этими вопросами не занимались, и успехи геофизиков были им неизвестны. Разобщенность геофизиков и физиков-космиков — одна из причин непонимания полученных последними результатов.
Первые же тесные встречи-обсуждения с участием специалистов разного профиля произошли в июле 1958 г. в Москве во время V Ассамблеи МГГ, где присутствовали ученые США (Е. Рэй, Ф. Сингер и др.) и СССР (С. Н. Вернов, А. Е. Чудаков, С. Л. Мандельштам, В. И. Красовский и др.). На специально организованных лекциях коллеги-сотрудники Ван Аллена и Вернов с Чудаковым сделали доклады о результатах полетов всех спутников Земли («Спутника-2», Explorer-1 и -3 и «Спутника-3»). Результаты этих экспериментов были не только поняты и приняты научной общественностью, но и сразу подтверждены операцией Argus и измерениями искусственно созданных поясов спутником Explorer-4 [20].
Рис. 5. Нейтронный источник протонов во внутреннем поясе (нейтронное альбедо). Модель образования внутренней зоны радиации: протоны галактических космических лучей (1) испытывают столкновения в атмосфере (2) и рождают нейтроны (3), которые, выходя из атмосферы, распадаются (4), создавая захваченные электроны (5) и протоны (6)
Таким образом, можно констатировать, что к концу лета 1958 г. научное сообщество узнало о существовании вокруг Земли областей повышенной радиации и о том, что эта радиация разделена на две зоны, внутреннюю (экваториальную) и внешнюю (приполярную). Внутренняя зона заполнена в основном протонами с энергией 100 МэВ, внешняя — электронами с энергией от 100 кэВ. Было установлено, что эти частицы захвачены магнитным полем Земли, и найден возможный источник наполнения поясов частицами — распад нейтронов альбедо космических лучей. Существенно, что захват и длительное удержание частиц были сразу подтверждены искусственными радиационными поясами в операции Argus. Возникшее на V ассамблее МГГ очень удачное название открытого явления — «радиационные пояса Земли» — в печати, вероятно, впервые появилось в работах Сингера [21], опубликованных почти сразу после окончания конференции.
О приоритете и сотрудничестве
До сих пор в истории физики стоит вопрос: кого же считать автором открытия радиационных поясов Земли? Суммируем различные сведения и соображения, которые могут помочь составить некоторое представление о вкладе различных групп и отдельных ученых в обнаружение и объяснение этого явления.
Прежде всего — о самом открытии. Оно не могло не произойти, будучи таким же неизбежным, как открытие Америки. Развитие ракетной техники, вызванное общим прогрессом, а не только политическими и военными запросами, неминуемо привело бы к попаданию приборов в области повышенной радиации, и кто первый залетел бы туда, тот и открыл бы. Но просто попасть в пояса радиации недостаточно, нужно зарегистрировать потоки частиц и понять, что именно зарегистрировано.
В нашем случае ситуация оказалась несколько сложней: столкнулись с поясами одни исследователи, а разгадали эффект другие.
Первыми обнаружили частицы поясов в СССР, вторыми в США, но никто сначала не понял природу явления. Мы зарегистрированные частицы сочли солнечными, а не магнитосферными и не сразу уделили им должное внимание. Потом исправились, решили подробнее исследовать обнаруженный казус и на «Спутник-3» поставили прибор, разрешивший эту проблему. Американцы тоже сначала заподозрили Солнце, впрыснувшее частицы в полярные районы, где раньше Ван Аллен наблюдал что-то подобное [24]. Правда, для переноса частиц от полюсов к экватору механизма не нашлось. Причина недоразумений — сосредоточенность мыслей на одной задаче — изучении космических лучей. Проблем геофизики для физиков-космиков просто не существовало, мысли были далеко и высоко, а магнитное поле Земли было помехой, хотя иногда оно и использовалось как магнитный спектрометр, помогавший определить энергетический спектр и состав космических лучей [25]. Может быть, виновата загруженность другими проблемами. Трудно поверить, что физикам-космикам не хватало знаний предшествующих исследований по траекториям частиц в магнитном поле Земли.
Доклад Ван Аллена 1 мая 1958 г. [2], возбудивший научное общество, стал толчком к пониманию процессов в геомагнитном поле. Результаты и обсуждения предшествующих исследований позволили уже ко времени открытия V ассамблеи МГГ в июле 1958 г. сформулировать концепцию захвата и удержания частиц в магнитном поле Земли. И в своей специальной лекции на ассамблее Вернов и Чудаков рассказывали о внешнем поясе, о составе частиц в обоих поясах, о границах поясов. В докладе же от группы Ван Аллена не было даже упоминаний о стабильных потоках захваченных магнитным полем частиц, говорилось только об обнаруженной ими «радиации». Вероятно, его сотрудники-докладчики не осознали природы нового явления и не успели или не решились в отсутствие руководителя (Ван Аллена на ассамблее не было) перестроиться.
Обоснованно ли именовать Ван Аллена автором открытия радиационных поясов? Почему сложилось подобное мнение? Причин несколько.
Прежде всего, Ван Аллен первым широко оповестил о своих результатах, затем последовало много публикаций, хотя нигде до полета Explorer-4 по реальной физике явления он не высказывался. Истинную природу феномена поняли другие. Работа Ван Аллена с уже установившейся терминологией была опубликована лишь в конце 1959 г. [26]. Данные CCCР нигде за границей до июля 1958 г. не докладывались, первая публикация была представлена в печать только 4 мая 1958 г. Результаты «Спутника-3» международная общественность узнала тоже только на V ассамблее МГГ.
Вторая причина — неосведомленность исследователей о работах в смежных областях науки. Основное внимание уделялось космическим лучам. В 1958 г. под руководством Вернова велись работы на ШАЛ-установке в МГУ (исследовались так называемые широкие атмосферные ливни частиц), создавалась большая ШАЛ-установка в Якутске, проводились опыты на Памире, наблюдения на шарах-зондах и многие другие исследовательские работы. Такое обилие экспериментов и привело к потере ориентации, не было сразу нащупано главное направление исследований, осознание ситуации пришло позднее. Когда все устоялось, Вернов признал: «Если бы физики в то время знали больше о геофизике и геофизики лучше знали физику, мы могли бы сделать гораздо больше открытий».
Третья причина — изолированность СССР, плохая связь и недостаточный обмен информацией с зарубежными учеными. Этому состоянию способствовала напряженность отношений с США и секретность, связанная со всем, что касалось военно-промышленного комплекса, поставляющего ракеты-носители. Не исключено, что запоздалая публикация результатов «Спутника-2» была вызвана согласованием материалов статьи с соответствующими инстанциями. Может быть, поэтому статья и попала в журнал только 4 мая 1958 г., хотя в тот день все соавторы уже около двух недель были на полигоне, готовили к запуску «Спутник-3» и физически не могли сами послать статью в журнал.
Все вместе привело к тому, что Вернов со своими спутниковыми результатами просто не был известен широкой научной и масс-медийной общественности, тогда как Ван Аллен — у всех на слуху и в блеске новых перспективных исследований. Естественно, научная общественность и признала последнего автором открытия радиационных поясов Земли. А вы кому бы отдали пальму первенства в этих условиях?
В заключение хотелось бы все-таки зафиксировать, что, несмотря на споры о приоритетах обнаружения радиационных поясов Земли, открытие внешнего радиационного пояса безусловно принадлежит СССР. Внешний пояс был впервые зарегистрирован на «Спутнике-3», сообщение на V ассамблее МГГ было сделано, когда данных с американского Explorer-4, который тоже залетал во внешний пояс, еще не было. Повторим, что «Спутник-3» получил очень важные результаты: определил природу частиц внешнего пояса (электроны с энергией 100 кэВ), установил внутреннюю и внешнюю границы внешнего радиационного пояса, его изменчивость под действием геомагнитной активности, положения максимумов интенсивности частиц, Для внутреннего пояса «Спутник-3» также нашел состав частиц, его границы на всех долготах в Северном и Южном полушариях по всему земному шару. Таких данных о внешнем поясе к моменту V ассамблеи еще ни у кого не было. Конечно, открытие внешнего пояса в определенной степени вторично, но тем не менее это достойный результат.
Вообще-то у СССР был шанс первым открыть радиационные пояса Земли. Вот выдержка из воспоминаний Сингера, опубликованная в сборнике ИКИ к 50-летию запуска «Спутника-1» [27].
Вернов потерял право первооткрывателя радиационного пояса из-за секретности русских. Частицы радиационного пояса были зарегистрированы в эксперименте Вернова на «Спутнике-2» на шесть месяцев раньше, чем их зарегистрировал прибор Ван Алена на Explorer-1. Однако эллиптическая орбита «Спутника» значительно проникала в пояс лишь в Южном полушарии, а русские ни с кем не стали делиться телеметрическим кодом (Прим. автора: С. Н. Вернов этого кода не знал, передачу вели другие службы, и код был засекречен). Во время Конгресса по космическим лучам в Москве в 1959 г. в гостиничном номере (по-моему, это было в гостинице «Москва») профессор Гарри Мессел, известный исследователь космических лучей и глава Физической школы в Университете Сиднея, рассказал мне, как все происходило. Он записывал сигнал со «Спутника-2» каждый раз, когда тот пролетал над Австралией, однако кода ему не дали. Когда же они наконец попросили у него копию записанных данных, он послал их к черту (как это мог сделать только Гарри Мессел). Гарри, украинец из Канады, рассказывал эту историю с большим юмором. Конечно, если бы они получили данные наблюдений вплоть до апогея орбиты «Спутника-2», расположенной на высоте 1680 км, сомнений бы не осталось.
Есть и другие «если бы». Они связаны даже не столько с секретностью, сколько с необычайной срочностью проведения всех работ. Можно пожалеть о нашей близорукости, но ведь легко судить задним числом о том, как бы надо было сделать. И все-таки за три месяца обсуждений ученые всего мира смогли понять новое явление природы. Изучение радиационных поясов Земли показало важность совместных работ и бесперспективность разобщенности. Каким было наше представление о магнитном поле Земли и окружающем Землю пространстве до открытия радиационных поясов и какова реальная картина, известная в настоящее время, демонстрирует рис. 6.
Рис. 6. Представление об околоземном пространстве до (слева) и после (справа) открытия радиационных поясов Земли
Но самое главное — полет первых спутников указал путь к дальнейшему прогрессу науки. Был сделан начальный шаг к полному освоению Солнечной системы и, помечтаем, Вселенной.
Литература
1. Вернов С. Н., Григоров Н. Л., Логачев Ю. И., Чудаков А. Е. Измерения космического излучения на искусственном спутнике Земли // Доклады АН СССР. 1958; 120(6): 1231–1233 и Сб. «Искусственные спутники Земли». 1958; 1: 5–8.
2. Van Allen J. A. Transcript of 1958 lecture, I. G. Y // Satellite Rep. 1961; 13.
3. Van Allen J. A., Ludwig G. H., Ray E. C., McIlwain C. E. Preliminary reports: Satellites 1958 Alpha and 1958 Gamma // Trans. Amer. Geophys. Union. 1958; 39(4): 767–769.
4. Van Allen J. A., Ludwig G. H., Ray E. C., McIlwain C. E. Preliminary reports: Satellites 1958 Alpha and 1958 Gamma // IGY Satellite Rep. Ser. 1958; 3: 73–92.
5. Van Allen J. A., Ludwig G. H., Ray E. C., McIlwain C. E. Observation of high intensity radiation by satellites 1958 alpha and gamma (Explorers I and III) // Jet Propulsion. 1958; 28(9): 588–592.
6. Вернов С. Н., Чудаков А. Е. Изучение космических лучей с помощью ракет и спутников в СССР // Труды 2-й Международной. конференции по мирному использованию атомной энергии (Женева, 1958). М., 1959; 1: 267–271.
7. Vernov S. N., Chudakov A. E. Terrestrial corpuscular and cosmic rays // Space Research. H. Kallmann Bijl (eds). Amsterdam, 1960; 751–796.
8. Vernov S. N., Vakulov P. V., Gorchakov E. V. et al. Study of the cosmic-ray soft component by the 3rd Soviet Earth satellite // Planet and Space Science. 1959; 1(2): 86–93.
9. Van Allen J. A., McIlwain C. E., Ludwig G. H. Radiation observations with satellite 1958-е // J. Geophys. Res. 1959; 64(2): 271–286.
10. Hess W. N. The Radiation Belt and Magnetosphere. Blaisdell Publishing Company, 1968.
11. Тверской Б. А. Динамика радиационных поясов Земли. М., 1968.
12. Шабанский В. П. Явления в околоземном пространстве. М., 1972.
13. Gombosi T. I., Baker D. N., Balogh A. et al. Anthropogenic space weather // Space Sci. Rev. 2017. DOI: 10.1007/s11214-017-0357-514.
14. Stormer C. On the trajectories of electric particles in the field of magnetic dipole with applications to the theory of cosmic radiation // Astrophysics. 1930; 1: 237.
15. Stormer С. The Polar Aurora. Cambridge, 1955.
16. Christofilos N. The Argus experiment // Proc. Natl. Acad. Sci. 1959; 45: 1144–1152.
17. Christofilos N. C. The Argus experiment // J. Geophys. Res. 1959; 64(8): 869–875.
18. Christofilos N. Sources of Artificial Radiation Belts. Radiation Trapped in the Earth’s Magnetic Field. D. Reidel, Holland, 1966.
19. Singer S. F. A new model of magnetic storms and aurorae // Trans. Amer. Geophys. Union. 1957; 38: 175.
20. Van Allen J. A., McIlwain C. E., Ludwig G. H. Satellite observations of electrons artificially injected into the geomagnetic field // J. Geophys. Res. 1959; 64(8): 877–891.
21. Singer S. F. Trapped albedo neutron theory of the radiation belt // Phys. Rev. Lett. 1958; 1: 181–183.
22. Kellogg P. J. Possible explanation of the radiation observed by Van Allen at high altitude In satellites // Nuovo Cimento. 1959; 11(1): 48–66.
23. Вернов С. Н., Григоров Н. Л., Иваненко И. П. и др. Возможный механизм создания «земного корпускулярного излучения» под действием космических лучей // Доклады АН СССР. 1959; 124(5): 1022–1025.
24. Van Allen J. A. Direct detection of Auroral radiation with rocket equipment // Pric. Nat. Acad. Sci. 1957; 43: 57–62.
25. Вернов С. Н., Григоров Н. Л., Добротин Н. А. и др. Определение знака заряда первичных частиц космических лучей по измерениям азимутальной асимметрии в стратосфере в районе экватора // Доклады АН СССР. 1949; 68: 253–255.
26. Van Allen J. A. The geomagnetically trapped corpuscular radiation // J. Geophys. Res. 1959; 64: 1683–1689.
27. Ф. Сингер. Эпоха до запуска спутника и его ранние открытия. Первая космическая. М., 2007: 216–223.
* Доклад С. Н. Вернова «Возможный механизм создания „земного излучения“ под действием космических лучей» на семинаре ФИАН 6 июня 1958 г. Текст доклада существует.