Советские космонавты начиная с 1971 г. проводят регулярные научные исследования на орбитальных станциях. Уровень развития этих аппаратов убедительно демонстрирует эксплуатация нашей последней станции «Салют-6». На ней установлена рекордная продолжительность космических полетов трех экипажей, выполнен колоссальный объем исследований и экспериментов, решен ряд новых сложных проблем в интересах дальнейшего развития этого магистрального направления космонавтики.

Обращение советской науки к орбитальным станциям как решающему средству широкого освоения человеком космического пространства далеко не случайно. В развитии космонавтики, как и всякого большого и серьезного дела, есть своя логика. Достижения нашей страны в освоении космического пространства широко известны – первый спутник, первый полет человека, первые запуски автоматических станций к Луне, Марсу, Венере. Но по мере продвижения вперед в новой области человеческой деятельности все более очевидным становился тот неоспоримый факт, что фундаментальное освоение человеком околоземного космического пространства возможно лишь с созданием здесь постоянных баз – долговременных орбитальных станций. Поэтому после запуска «Востоков» и «Восходов» наша программа пилотируемых полетов была нацелена на планомерное решение всех проблем, связанных с разработкой орбитальных станций.

А таких проблем было немало. Это маневрирование на орбите, поиск, сближение и стыковка космических аппаратов, переход космонавтов из корабля в корабль. Большое значение имели вопросы точной ориентации и стабилизации аппаратов, обеспечения жизнедеятельности в длительных полетах. Надо было убедиться, что человек не только может выдерживать длительное пребывание в космосе, по и сохранить высокую работоспособность. Требовалось также установить эффективность различных методов дистанционных исследований Земли с орбиты.

Корабли «Восток» и «Восход» не позволяли решать эти задачи. Нужен был пилотируемый аппарат многоцелевого назначения. Им стал «Союз». Применение одного и того же корабля для различных целей облегчило и удешевило разработку сложной космической системы.

Создание «Союза» знаменовало новый этап в развитии пилотируемых аппаратов. Наличие на нем двух жилых отсеков, надежных бортовых систем и двигательных установок различного назначения, стыковочного узла позволяло осуществлять длительные полоты с целью детального изучения воздействия космических факторов на человеческий организм, отработать маневрирование и стыковку с другими кораблями, реализовать обширные программы научных исследований.

«Союз» не только позволил решить все проблемы, связанные с созданием орбитальной станции, но, когда она была создана, стал успешно выполнять роль транспортного корабля. Позже на его основе с минимальными затратами времени и средств был разработан автоматический грузовой корабль «Прогресс».

Глубокая научная и техническая обоснованность программы «Союз» принесла ожидаемые плоды – теперь мы располагаем отработанной орбитальной долговременной пилотируемой системой, состоящей из орбитальной станции, транспортных и грузовых кораблей. Мы близки к постоянной эксплуатации орбитальных станций – к круглосуточной и круглогодичной работе на них космонавтов, смене экипажей непосредственно на станциях, регулярной доставке на орбиту необходимых материалов.

На начальном этапе освоения космоса некоторые ученые сомневались в возможностях человека активно работать в космическом пространстве, предлагали максимально автоматизировать все процессы на корабле. Однако жизнь показала, что экипаж способен выполнять в космосе любую сложную работу почти так же, как и на Земле. Вместе с тем стало попятно и другое – автоматизировать все процессы на борту космических аппаратов не только сложно, но и нерационально. В ходе эксплуатации систем и оборудования часто возникают ситуации, которые предусмотреть в инструкциях и программах практически невозможно. Для выхода из них необходимо творчество экипажа.

Преимущество обитаемых орбитальных научных станций перед автоматическими космическими аппаратами как раз и заключается в том, что на них находится экипаж, способный изменять, дополнять программу работы, находить оптимальные решения при возникновении непредвиденных ситуаций, обнаруживать и устранять неполадки.

Только активная деятельность человека в космосе могла резко расширить фронт научных исследований, создать надежную технику для его длительной работы на орбите. Поэтому большинство ученых и исследователей были не за ограничение, а за расширение роли человека на борту станции. Полеты последних экипажей в полной мере подтвердили правильность этого взгляда. Наши космонавты проявляют творческий подход к решению самых различных задач, демонстрируют выдумку, находчивость. У многих из них открылся талант подлинных исследователей. А это сказывается на эффективности экспедиции и глубине исследований.

Вместе с тем эксплуатация станций показала, что некоторые процессы могут и должны быть автоматизированы. Нужно освободить космонавтов от постоянного контроля за состоянием некоторых систем, от выполнения работы, с которой легко справятся автоматы. И мы будем делать это по мере развития средств автоматизации и вычислительной техники.

Как правило, все наши орбитальные станции оснащаются десятками научных и экспериментальных установок, в состав которых входят сотни приборов. И, естественно, у многих возникает вопрос: а нужно ли такое разнообразие научного оборудования на одной станции? Ведь использовать его одновременно невозможно. Во время фотографирования земной поверхности, например, нельзя выполнять астрофизические наблюдения. Солнечный и рентгеновские телескопы также требуют разной ориентации станции. А при технологических экспериментах часто нежелательно даже малейшее движение на станции людей. Да и возможности экипажа не беспредельны.

Не снижает ли такое разнообразие научной аппаратуры на станции ее коэффициент полезного действия? Не правильно ли было бы создавать станции, нацеленные на решение конкретных задач, на какое-то одно направление исследований – медико-биологическое, астрофизическое, на исследование Земли?

На первый взгляд кажется, что перед нами стоит проблема выбора одного из двух принципиальных путей. А фактически никакой проблемы в этом нет. На мой взгляд, оба направления должны развиваться одновременно, взаимно дополняя друг друга.

Действительно, исследовательское оборудование на специализированных космических аппаратах может использоваться более рационально. Но нужно иметь в виду, что сейчас по основным направлениям исследований еще продолжаются поиски наиболее эффективных методов получения научной информации, отрабатывается конструкция приборов и оборудования. И так, очевидно, будет продолжаться еще достаточно долго. Поэтому многоцелевые орбитальные станции, на которых выполняются не только конкретные эксперименты, но главным образом проверяются методы и средства исследований, и впредь будут играть важную роль.

Специализировать орбитальные станции, видимо, следует по мере решения этих задач. На каком-то этапе может возникнуть вопрос и о включении в состав экипажей ученых и специалистов.

Освоение космоса происходит быстрыми темпами. В принципе уже возможна реализация проектов орбитальных станций с экипажами в 10 – 20 и более человек.

Но следует ли нам сейчас заниматься такими проектами? Исчерпаны ли возможности существующих станций?

Оказывается, экономическая и научно-техническая выгода крупных станций пока еще представляется сомнительной, а возможности наших «Салютов» далеко не исчерпаны.

Станции «Салют» совершенствуются одновременно в нескольких направлениях. Расширяются их эксплуатационные и исследовательские возможности, повышается надежность, улучшаются условия жизни и работы космонавтов. Сохраняя конструктивную преемственность, они отличаются весьма существенно.

Хотя по массе, габаритам «Салют-6» и близок своим предшественникам, тем не менее его исследовательские и эксплуатационные возможности гораздо шире. Установка второго стыковочного узла позволила не только повысить безопасность полета, но и обеспечить доставку дополнительного оборудования и материалов с помощью грузовых автоматических кораблей.

Ряд систем, которые на предыдущих станциях проходили проверку и являлись опытными, на «Салюте-6» стали штатными. Например, системы терморегулирования и ориентации. На станции появились душевая, двусторонняя телевизионная система, телетайпная связь, установка для регенерации воды и много других устройств.

Но наибольшим изменениям всякий раз подвергается научное оборудование станций. Год от года оно становится более совершенным, удобным, точным. О научном оборудовании нашей последней станции уже рассказывалось (см. раздел I, с. 74).

В прошлом году на «Салюте-6» кроме основных экипажей побывало три международных. Таким образом, на борту станции одновременно находились четыре человека. Это говорит о том, что при соответствующем обеспечении экипаж станции может быть увеличен вдвое, а при необходимости и больше.

Есть и еще одна важная причина, заставляющая нас не спешить с созданием крупных станций. Я имею в виду диспропорцию между скоростью получения научной информации и быстротой ее обработки. Это сильно беспокоит ученых, конструкторов и космонавтов.

Сейчас за месяц работы экипажа на орбитальной станции мы получаем столько научной информации о Земле, ее природе, природных ресурсах, что на обработку ее требуются годы. И дело здесь вовсе не в каких-то просчетах. Просто прежние методы обработки информации не отвечают новым условиям.

Каждая наша космическая экспедиция доставляет в исследовательские центры страны тысячи всевозможных фотографий. Над ними трудится большой отряд специалистов. Геологи определяют по ним районы, перспективные по газу и нефти. Строителям они помогают выбирать места будущих ГЭС, трассы каналов, железнодорожных магистралей, линий высоковольтных передач. Специалисты лесного хозяйства ведут по ним учет лесных запасов. По космическим фотографиям уточняются карты почв, растительности, определяются запасы грунтовых вод.

Невозможно даже перечислить виды информации, извлекаемой из фотографий. Но пока, к сожалению, делается это медленно. А значит, медленно происходит и экономическая отдача. Стало очевидным, что обработка материалов съемок из космоса должна вестись на базе высокопроизводительных автоматических систем. В связи с этим встает вопрос об оснащении научных центров, министерств и ведомств соответствующим оборудованием. Нужны и хорошо подготовленные специалисты. А все это требует времени и средств.

Увеличение сроков эксплуатации орбитальных станций неразрывно связано с повышением надежности всех ее систем, приборов и агрегатов. Это не простая проблема. Даже на Земле ни одна машина не работает непрерывно в течение многих месяцев и лет – ей требуются профилактический ремонт, замена деталей. В космосе положение спасает экипаж. Можно с полной уверенностью сказать, что столь длительная эксплуатация станции «Салют-6» стала возможна лишь благодаря космонавтам. По объему профилактических и ремонтно-восстановительных работ, выполненных на ней экипажами, она не имеет себе равных.

Но чтобы эффективно проводить такие работы, в конструкцию станции, ее оборудование должны быть заранее заложены возможности их восстановления. Иначе даже самый опытный экипаж ничего не сможет сделать.

На станции тысячи всевозможных устройств, приборов, механизмов. Все их сделать ремонтно-пригодными, конечно, нельзя – для этого станцию пришлось бы в космосе разбирать до винтика. Значит, в первую очередь должно быть обеспечено восстановление тех систем, которые связаны с жизнеобеспечением экипажа, ого безопасностью.

Оценка и нормирование ремонтно-пригодности – задачи далеко не простые. Если для наземного оборудования они имеют огромное значение, то что же говорить о технике, используемой в космосе. Наиболее полно оценить действительную надежность оборудования космического аппарата можно только на основе информации о его поведении в эксплуатации. Поэтому исключительно важное значение приобретает достоверность и полнота информации, поступающей от космонавтов. В этом случае разработчикам удается даже без коренного изменения конструкции систем, приборов, а лишь за счет доработки отдельных узлов или замены слабых элементов добиваться повышения надежности.

Совершенствуя орбитальные станции, специалисты никогда не забывают, что на них работают люди, которые в решающей мере определяют их эффективность, надежность и долговечность. Но для того чтобы космонавты могли трудиться на станциях с полной отдачей сил, чтобы их работоспособность не снижалась в длительных полетах, об организации их работы, быта и отдыха должен быть проявлен максимум заботы.

Длительные полеты наших космонавтов – не самоцель, не погоня за рекордами. Чем продолжительнее полет, тем больше опыта приобретает экипаж в эксплуатации систем и научного оборудования станции, тем совершеннее навык наблюдения объектов на поверхности Земли, в ее атмосфере и в космосе. В таком полете была установлена возможность длительного нахождения пилотируемого комплекса в состоянии гравитационной стабилизации, когда не включается ни один двигатель, а станция устойчиво сохраняет свое пополнение в пространстве, обеспечивая выполнение большого числа экспериментов.

Длительные наблюдения за океаном из космоса позволили установить возможность выведения судов рыболовецкого флота в районы скопления рыбы. Первые эксперименты показали перспективность и большую материальную выгоду. Все говорит за то, что в ближайшие годы может быть значительно повышена экономическая эффективность таких исследований. Для этого необходима связь экипажей орбитальных станций с судами, находящимися в океане, знание их координат и координат ближайших к ним районов скопления рыбы.

Длительная работа экипажей сокращает потребное количество транспортных кораблей и ракет-носителей, необходимых для доставки на станцию очередных смен. Это также повышает экономическую отдачу исследований.

Не берусь предсказывать оптимальный срок пребывания экипажей на околоземных научных станциях, но, прежде чем он будет определен, специалистам различных направлений науки и техники придется все взвесить и все продумать.

На «Салюте-6» имеется много из того, что мы хотели бы видеть на долговременных станциях. Регулярные рейсы на орбиту транспортных и грузовых кораблей заметно облегчили решение проблемы питания космонавтов. Стала возможной доставка продуктов по их заказам. С этими кораблями они получают почту, видеофильмы. Двустороннее телевидение как бы приблизило их к Земле, они уже больше не чувствуют себя оторванными от коллектива, своих товарищей.

На борту «Салюта-6» хорошо спланирован режим труда и отдыха. Благотворное влияние на настроение экипажей оказывают мероприятия группы психологической поддержки, телевизионные встречи с родными и близкими. Видимо, надо и дальше работать в этом направлении.

XXV съездом КПСС намечена четкая программа использования космических средств в интересах различных отраслей народного хозяйства. Выполнить поставленные партией задачи – долг всех, кто трудится в области космонавтики.

Начался новый космический полет. Снова на орбите экипаж советских исследователей космоса. Командиру корабля подполковнику Владимиру Ляхову и бортинженеру летчику-космонавту СССР Валерию Рюмину предстоит выполнить большую программу.

Как отметили космонавты в беседе с журналистами, каждый полет всегда новый. Усложняются задачи, расширяется сфера соприкосновения участников полета с неизведанными явлениями.

Готовя полет, ученые, инженеры, медики стремятся предусмотреть неожиданности, «проиграть» на земле сложные ситуации, в которых могут оказаться космонавты, предотвратить неблагоприятные влияния внеземного существования. Словом, принимают все меры для безопасной жизни и работы людей на орбите.

Одна из важнейших проблем медицинского обеспечения полета – защита экипажа корабля от ионизирующего излучения.

На современном этапе развития космонавтики значительно расширилась и усложнилась деятельность человека в космосе. Естественно, возникли проблемы безопасности космических полетов. Одна из них – защита экипажа корабля от ионизирующего излучения.

Различают три основных вида космического излучения: галактическое, солнечное и радиационные пояса Земли.

Галактическое излучение представляет собой ускоренные до высокой энергии ядра химических элементов, среди которых преобладают водород, гелий и другие легкие элементы. По своей проникающей способности оно превосходит все другие виды излучений, кроме нейтрино. Для полного его поглощения потребовался бы свинцовый экран толщиной около 15 м.

Большинство частиц галактического излучения, приходящих в окрестности Земли, отклоняется геомагнитным полем и поглощается в атмосфере. Взаимодействуя с ядрами ее атомов, галактическое излучение образует так называемое вторичное излучение. Этот общий поток сравнительно невелик и не представляет какой-либо опасности для людей, живущих на Земле. Однако в межпланетном пространстве доза этого излучения значительно возрастает, что небезопасно для космонавтов.

Солнечное излучение возникает при так называемых хромосферных вспышках на Солнце, представляющих собой гигантские взрывы в верхних слоях его атмосферы. Такие взрывы сопровождаются выбросом части солнечного вещества, оптическими явлениями, ускорением частиц и т. д. Это излучение состоит из протонов и в меньшей степени – из ядер гелия (α-частиц) и более тяжелых ядер. Частицы достигают нашей планеты приблизительно через час после основной стадии хромосферной вспышки на Солнце.

Наибольшую радиационную опасность для человека в условиях космического полета представляют солнечные протоны высоких энергий, свободно проникающие через оболочку космических аппаратов. Если при полете за пределами магнитосферы Земли космонавт будет находиться вне космического корабля во время солнечной протонной вспышки, то он может получить дозу облучения, превышающую смертельную.

Отсеки космического корабля сконструированы с таким расчетом, чтобы несколько ослабить потоки заряженных частиц солнечного происхождения. Однако в бытовых рабочих и лабораторных помещениях это ослабление недостаточно, и солнечные космические лучи могут представлять серьезную опасность для здоровья людей. Значит, необходимы специальные меры. Среди них – создание специального убежища, в котором космонавты могли бы укрыться во время мощных солнечных вспышек, постоянный контроль и прогноз ухудшения радиационной обстановки, а также применение методов активной защиты с использованием электрических и магнитных полей.

Радиационные пояса Земли оказываются основным постоянным источником радиационной опасности при полетах в околоземном пространстве. В центральной их зоне, находящейся на расстоянии 2000 – 3000 км от поверхности Земли, мощность эквивалентной дозы протонного излучения достигает нескольких сот бэр в сутки. Таким образом, радиационная опасность в этой области пространства исключительно высока, и полет космических кораблей без специальной защиты невозможен. С уменьшением высоты круговой орбиты над поверхностью Земли до 400 – 500 км радиационная опасность резко уменьшается и соответственно увеличивается допустимая продолжительность полетов без специальной защиты. Например, экипаж орбитальной станции «Скайлэб», находившийся в космосе 84 сут, получил дозу облучения 10 бэр, а при 96-суточном полете станции «Салют-6» доза облучения была 3 бэр. Между тем годовая допустимая доза в соответствии с нормами радиационной безопасности для профессиональной деятельности в земных условиях составляет 5 бэр.

Меньшая доза облучения экипажа станции «Салют-6» при большей длительности полета объясняется тем, что орбита ее полета была более низкой. В этом случае радиационная обстановка в отсеках станции лучше, но требуется больше топлива для коррекции высоты орбиты.

С увеличением продолжительности полета пропорционально возрастает доза галактического космического излучения, почти не ослабляемого конструкциями корабля, и появляется опасность облучения несколькими солнечными вспышками. В этом случае уже невозможно обезопасить пребывание людей в космосе только за счет компоновки отсеков корабля. Необходима дополнительная защита. Если полет в межпланетном пространстве будет длиться до года, то такая специальная защита радиационного убежища будет весить несколько тонн. Это оправдано только в том случае, если космонавты успевают вовремя укрыться в убежище.

Планируя космические полеты, необходимо искать соотношение между возможностями ракетно-космической техники и способностью человека выполнять заданную программу полета в условиях повышенного (по сравнению с земными условиями) уровня риска для его здоровья и жизни. Адекватной мерой радиационной безопасности при этом следует считать вероятность неблагоприятных последствий. С учетом ограничения их социальной значимости (снижение работоспособности, сокращение продолжительности жизни и др.) разработаны «Временные нормы радиационной безопасности космических полетов (ВНРБ-75)», утвержденные Министерством здравоохранения СССР. Для создателей пилотируемых космических станций и кораблей они стали важным практическим ориентиром в работе.

Расчеты, выполненные при создании «Салюта-6», показали, что в условиях планируемого полета роль радиационного убежища может выполнять спускаемый аппарат корабля «Союз». Оценки, проведенные непосредственно перед стартом первой и второй экспедиций, позволили сделать вывод, что риск превысить допустимую дозу облучения не превышает 1%, т. е. требование высокой надежности будет выполнено.

Предметом постоянного внимания специалистов служб контроля радиационной обстановки и безопасности космических полетов были вспышки на Солнце и состояние геомагнитного поля. Такие вспышки могли быть источником опасных потоков космического излучения, а невозмущенное геомагнитное поле оказывается надежной защитой космонавтов. Тщательный контроль геофизических условий и характеристик излучений, а также имеющиеся в распоряжении специалистов методы позволили уверенно оценить ожидаемые дозы радиации и обеспечить успешное завершение полета.

В пилотируемых космических полетах все больше решается важных прикладных задач, связанных с исследованиями природной среды в интересах народного хозяйства и наук о Земле. Поэтому комплексная подготовка космонавтов в этом направлении приобрела особую значимость.

Наблюдения земной поверхности проводятся начиная с первого космического полета Ю. Гагарина. В отчете об этом полете он писал: «Отчетливо вырисовываются горные хребты, крупные реки, большие лесные массивы, пятна островов, береговая кромка морей. Я видел облака и легкие тени их на далекой и милой Земле». В последующем многие космонавты описывали свои наблюдения природной среды. Они замечали много нового, интересного. Вместе с тем они признавали, что для таких исследований требуется более основательная подготовка.

В рабочей тетради В. Севастьянова есть запись, сделанная 11 июня 1970 г. во время 18-суточного полета на корабле «Союз-9»: «Космонавту нужны знания в области метеорологии и географии более глубокие, чем у меня. Особенно для длительных орбитальных исследовательских станций».

С началом полетов в космос ученым стало ясно, что роль космонавтов в разрешении проблем, связанных с космическим природоведением, и в реализации программ исследований будет исключительно велика. Действительно, космонавты первые апробировали космическую съемочную технику, которая затем была положена в основу разработки аппаратуры на автоматических спутниках. Они первые сфотографировали характерные объекты земной поверхности, дешифровочные признаки которых затем были преобразованы в эталоны для распознавания многочисленной фотографической и телевизионной информации. Советские космонавты смогли провести такие эксперименты, как съемка горизонта Земли, выполнить космическую съемку синхронно с аэросъемкой и наземными работами. Эти эксперименты легли в основу разработки научных методов космического природоведения.

Среди проблем, в решении которых космонавты принимали активное участие в последние годы, можно назвать отработку многозональных фотографических систем на космических кораблях «Союз-12», «Союз-13», «Союз-22», орбитальной станции «Салют-4». Они занимались наладкой различной бортовой аппаратуры, проводили визуальные наблюдения для отработки методов дешифрирования природных объектов, изучения принципиально новых способов анализа природных процессов в глобальных масштабах с учетом пространственной и временной динамики. Космонавты приобретали также опыт оперативной доставки получаемой информации потребителям. Такие исследования и наблюдения проводились с борта станций «Салют-3», «Салют-4», «Салют-5» и особенно активно экипажами станции «Салют-6».

Высокая продуктивность работы экипажей орбитальной станции «Салют-6» в области исследования природной среды и природных ресурсов Земли объясняется не только длительностью полетов, но и хорошей подготовкой Ю. Романенко, Г. Гречко, В. Коваленка, А. Иванченкова, В. Ляхова, В. Рюмина, их творческим подходом к решению задач.

Подготовка космонавтов по программам природоведения достаточно сложна. Она включает как теоретические, так и практические предметы. В Центре подготовки космонавтов им. Ю. Гагарина при участии Госцентра «Природа» создан специализированный учебно-методический кабинет по космическому природоведению. Его технические средства обучения предназначаются для проведения лекций, практических занятий, а также для самостоятельной работы с теле-, фото- и кинодокументами в режиме тренажа. Средства эти весьма разнообразны. Среди них диапроекторы, кинопроекторы, полиэкранная установка на базе шести кадропроекторов, позволяющая проводить одновременный или выборочный показ на шести экранах. Здесь же система из двух кадропроекторов, совмещающая изображение на общем экране. Кабинет оснащен телевизионными системами.

В учебном процессе используются снимки Земли, сделанные из космоса: многозональные, спектрозональные и цветные, схемы их тематического дешифрирования в интересах различных ведомств и учреждений, фотопланы и карты, составленные на основе съемок из космоса.

Во время подготовки по программе природоведения космонавты овладевают техникой фото- и киносъемок, изучают бортовую фотоаппаратуру, знакомятся со средствами обработки космической информации, посещают музей землеведения, изучают образцы геологических пород, флору различных регионов планеты.

Навыки визуальных наблюдений природных объектов они приобретают во время полетов на самолете-лаборатории Ту-134. Экипажи орбитальных станций участвуют, как правило, в нескольких самолетных экспедициях, каждая из которых состоит из серии полетов по разным маршрутам. Экспедиция длится примерно 5 дней. Г. Гречко, например, совершил 8 полетов, В. Коваленок и А. Иванченков – одиннадцать, налетав более тридцати часов.

Каждой такой экспедиции предшествует обстоятельная подготовка, в ходе которой космонавты изучают маршруты, знакомятся с природными объектами.

В полетах специалисты учат космонавтов по признакам распознавать нужные объекты, классифицировать их, давать характеристику, отмечать особенности, облегчающие поиск аналогов.

Во время таких экспедиций космонавты приобретают навык оценки антропогенного воздействия на природную среду, нарушения экологического равновесия, степени и характера загрязнения окружающей среды.

В качестве примера приведем задачи, ставившиеся во время тренировочных полетов по маршруту Баку–Ашхабад–Чарджоу–Душанбе–Фергана. Анализу подлежали характер и величина загрязнения Каспийского моря; возможность наблюдения донного рельефа мелководий; влияние на результат наблюдений ряби, волнения моря и угла места Солнца; геологическое строение Копетдага (уточнялась возможность дешифрирования локальных структур, пустынных лесов и различных типов песчаных образований); системы Западного Копетдага и нефтегазоносные структуры Западной Туркмении; зона главного Копетдагского разлома (изучение характерных признаков, новейших подвижек) . Объектами изучения также были способы водной мелиорации, последствия нерационального использования воды (фильтрация из каналов, засоление полей); складчатая структура и система разломов в пределах Гиссарского хребта; структура Таджикской депрессии; различия в признаках основных сельскохозяйственных культур (хлопок и рис) в Ферганской долине и долине р. Зеравшан.

Выбор маршрутов преследовал как учебные, так и практические цели. Обучаемым показывали не только типовые районы страны, но и ряд объектов, включенных в программу визуально-инструментальных исследований с борта орбитальной станции.

Экипажи «Салюта-6» неоднократно отмечали, что благодаря таким полетам они научились смотреть на Землю глазами исследователей. Наша планета предстала перед ними во всем своем природном многообразии, приоткрыла завесу над многими своими сокровенными тайнами.

Полеты на орбитальной станции показывают, что космонавты легко ориентируются, быстро находят нужные объекты и особенно эффективно ведут исследования в тех районах, над которыми они летали на самолете. Полученная подготовка позволяет им не только фиксировать наблюдаемые объекты и явления (что тоже имеет большое значение), но активно изучать и прогнозировать их развитие.

Так, все основные экипажи «Салюта-6» научились прогнозировать распространение некоторых атмосферных явлений (пылевых бурь и др.) на сутки и двое. Это наводит на мысль, что, видимо, недалеко время, когда в системе метеорологии ключевое место займет постоянно действующая служба погоды на базе орбитальной станции, с которой космонавты будут выдавать оперативную метеорологическую информацию.

С орбиты впервые удалось обнаружить межконтинентальные пыльные бури. Возникнув в центре Сахары, пылевой шлейф переносится через Атлантический океан в его приэкваториальном поясе и достигает Кубы и Америки. Вполне возможно, что это явление каким-то образом связано с формированием погоды.

Хотя в распознавании цветовых аномалий в акватории Мирового океана сделаны первые шаги, В. Коваленок и А. Иванченков смогли обнаружить косяки рыбы. Сведения о них были переданы в Центр управления. Конечно, здесь еще предстоит большая исследовательская работа, но можно себе представить космическую службу, оповещающую научные центры о районах миграции рыб. Экономическое значение такой службы, естественно, может быть очень велико.

Подготовка космонавтов в области ландшафтоведения и геологии позволила экипажам «Салюта-6» получить ценную информацию о кольцевых структурах, так называемых «полосчатых» ландшафтах, которые ранее не отмечались, о высокогорных ледниках и их динамике, о вулканической деятельности на нашей планете.

Подготовка космонавтов-исследователей по комплексной программе природоведения – важное условие повышения эффективности пилотируемых космических полетов.

Недалеко время, когда в околоземном пространстве будут постоянно функционировать орбитальные станции с многочисленными экипажами, а к планетам Солнечной системы отправятся межпланетные космические корабли. Для столь продолжительной деятельности людей в космосе нужны надежные и совершенные системы жизнеобеспечения.

Сейчас на борту пилотируемых космических аппаратов системы жизнеобеспечения работают в основном по открытому циклу. Они содержат запасы пищи, воды, кислорода. Отходы жизнедеятельности складируются в специальные емкости и удаляются за борт. Газообразные продукты поглощаются фильтрами. Масса таких систем пропорциональна численности экипажа и времени полета.

Для пребывания на борту корабля в течение суток одного человека сейчас требуется около 700 г пищи, 800 г кислорода, 8000 г воды (с учетом питьевой и санитарно-бытовой). Это составляет примерно 10 кг.

Нетрудно представить себе запасы материалов на орбитальной станции или межпланетном корабле, период активного функционирования которых будет исчисляться годами. Правда, на борту последних наших орбитальных станций стала работать система регенерации воды из атмосферной влаги, что позволило увеличить расход воды для гигиенических целей. Однако это лишь первые шаги к тем системам жизнеобеспечения, которые понадобятся в будущем.

Больших запасов на борту космических аппаратов можно, конечно, и не делать. А периодически с помощью грузовых кораблей, таких, например, как «Прогресс», доставлять на орбитальные станции необходимые продукты. Такая схема снабжения вот уже 2 года используется при полете станции «Салют-6».

А как быть с межпланетными кораблями, отправляющимися в дальний космос? Вслед за ними не пошлешь ведь грузовик с продуктами.

Поэтому еще на заре космонавтики у К. Э. Циолковского возникла идея создания такой системы жизнеобеспечения, в которой осуществлялось бы частичное или полное воспроизводство нужных продуктов питания с регенерацией воды и атмосферы, т. с. создания на борту космического аппарата круговорота ограниченного количества различных элементов и соединений.

Однако создание системы, подобной земной, основанной только на биологическом круговороте веществ, в ограниченном объеме орбитальной станции или межпланетного корабля – задача непомерной сложности.

Сложность ее прежде всего в том, что скорости превращения веществ в разных биологических объектах различны. В процессе разложения веществ может происходить накопление промежуточных соединений, в результате чего некоторые вещества будут выходить в «тупик». А это неминуемо разрушит систему.

В масштабе Земли такого рода отклонения компенсируются огромным количеством обращающихся веществ и элементов. На космическом же аппарате, естественно, столь широкое разнообразие процессов воссоздать невозможно. Однако на нем можно создать искусственные системы, включающие как биологические, так и физико-химические звенья. Сочетание их позволит техническими приемами и известными физико-химическими методами ускорять или замедлять естественные процессы разложения и создания различных веществ и таким образом выровнять скорости процессов, связанных с обменом веществ.

Над разработкой таких биотехнических систем уже давно и настойчиво работают ученые многих стран (рис. 4). Важное место отводится растениям: как высшим, так и низшим. Последние представлены различными водорослями. Растения обладают удивительными свойствами: они живут, питаются, растут и размножаются, поглощая из окружающей среды углекислый газ, минеральные соли и воду, используя световую энергию Солнца. Процесс этот сопровождается выделением кислорода и образованием органических веществ, главным образом углеводов и витаминов.

Рис. 4. Биотехническая система 1 – космическая кухня; 2 – звено животных; 3 – регенератор воды; 4 – звено растений; 5 – звено утилизации отходов

80% кислорода на нашей планете создают микроводоросли морей и океанов. Поэтому в качестве поставщика кислорода многие специалисты наряду с высшими растениями рекомендуют хлореллу – микроскопическую зеленую водоросль. Подсчитано, что 1 л суспензии водоросли хлореллы дает до 50 л кислорода в сутки. В то же время с 1 м² оранжереи можно получить лишь 35 л кислорода. К тому же хлорелла содержит белок, жиры, углеводные соединения и многие витамины. Правда, у клеток хлореллы прочные оболочки, которые затрудняют ее обработку, да и человек трудно привыкает к ней. Но, несмотря на это, хлореллу считают перспективным объектом биологических систем жизнеобеспечения космонавтов.

Экспериментальные системы регенерации атмосферы и воды, основанные на фотосинтезе одноклеточных водорослей, уже созданы и показали способность к устойчивому функционированию.

Однако, только одна растительная пища, хотя и богатая углеводами и витаминами, не может считаться полноценной. Человек нуждается еще и в пище животного происхождения. Поэтому в биотехническую систему должно входить звено животных и птиц, которые, питаясь отходами высших растений и водорослями, давали бы человеку продукты животного происхождения.

Для питания растений нужны растворы минеральных солей. Их можно получить в звене утилизации или минерализации отходов жизнедеятельности человека и биокомплекса, а необходимое количество питьевой и санитарно-бытовой воды – путем регенерации ее из жидких отходов жизнедеятельности человека и растений.

Конечно, реальная биотехническая система жизнеобеспечения будет включать в себя еще много других устройств, обеспечивающих управление, автоматизацию, коррекцию биологических, физических и химических процессов. Но суть ее заключается в согласовании связей между отдельными звеньями, в трансформации и бесконечных превращениях веществ и соединений из одного состояния в другое.

Сейчас разработка биотехнических систем жизнеобеспечения находится на этапе экспериментальных исследований. Они проводятся в земных лабораториях, на спутниках, космических кораблях и орбитальных станциях.

В Советском Союзе в соответствии с программой освоения космического пространства был создан экспериментальный наземный комплекс систем жизнеобеспечения. В нем в течение года (с 5 ноября 1967 г. по 5 ноября 1968 г.) проводился эксперимент с участием трех испытателей. Системы комплекса были рассчитаны на пребывание испытателей в отсеках гермокабины, функционирование оранжереи, регенерацию кислорода, питьевой и санитарно-бытовой воды из мочи и конденсата атмосферной влаги, очистку атмосферы от углекислого газа и др.

В 1977 г. в Институте медико-биологических проблем Министерства здравоохранения СССР состоялся полуторамесячный уникальный эксперимент с целью изучения модели замкнутой экологической системы – миниатюрного подобия будущих космических поселений. В нем не применялись никакие физико-химические способы очистки воды и воздуха. В результате подбора растений была достигнута полная сбалансированность по количеству выделяемой человеком двуокиси углерода и поглощаемого им кислорода. Урожая с космического огорода и биомассы водорослей хватало, чтобы готовить растительную часть пищи.

В начале эксперимента участвовал один испытатель, в системе работала только оранжерея, высшие растения которой использовались для регенерации атмосферы. Когда подключился второй испытатель, кроме оранжереи использовалась установка с хлореллой.

Среди высших растений были пшеница, капуста, горох, свекла, морковь. До начала эксперимента специалисты вырастили побеги пшеницы и овощей с таким расчетом, чтобы получился непрерывный конвейер и каждую неделю можно было снимать урожай. Меню составлялось согласно требованиям физиологии и гигиены питания. Учтена была равномерность содержания различных компонентов в продуктах жизнедеятельности человека, возвращающихся в систему, т. е. был соблюден принцип взаимности – необходимое условие сосуществования организмов. Состояние здоровья испытателей по их отчетам и заключение врачей было хорошим.

С расширением возможностей космонавтики стали проводиться эксперименты в реальных условиях космоса. На борту станции «Салют-6» исследовали динамику роста различных видов хлореллы. Результаты показали, что скорость роста некоторых форм хлореллы в опытных условиях в 3 – 5 раз выше по сравнению с контрольными.

Опыты с высшими растениями представляют особый интерес для специалистов. Прежде всего они стремятся узнать, как влияют на рост и развитие этих растений невесомость и другие факторы космического полета.

К сожалению, эксперименты подтвердили опасения ученых. Например, на «Салюте-6» горох погибал через 3 – 4 недели роста. Но исследования продолжались. В полет брались различные растения. Однако результат был один: семена прорастали, растения развивались до определенного этапа и погибали. Полный цикл их развития – от семени до плода – получить не удавалось. Только однажды во время полета космонавтов В. Коваленка и А. Иванченкова одна луковица выпустила семенную стрелку. В остальных случаях растения вырастали хилые.

В чем же дело? Что так влияет на растения – невесомость или другие факторы? Неужели придется прибегать к созданию на борту искусственной силы тяжести?

Ответить на эти вопросы помогут более сложные и точные эксперименты. Поэтому с каждым полетом ученые расширяют биологические исследования, усложняют аппаратуру. На борт станции «Салют-6» грузовой корабль «Прогресс-5» доставил прибор «Биогравистат». Это небольшая центрифуга, на которой создается искусственная гравитация, равная земной. На концах ее лопастей располагаются семена различных растений. Такие же семена размещены и на неподвижной части «Биогравистата». Семена замачиваются, и центрифуга вращается до тех пор, пока не прорастут первые корешки. Затем семена вынимают и фиксируют. После доставки на Землю их ждет анализ биологов. Опыты показали, что хотя семена расположены произвольно, но корешки прорастают лишь в одном направлении – от центра вращения, словно посажены они в земную почву.

Наблюдения за ростом растений в космосе позволили специалистам сделать предварительные выводы. Прежде всего, считают они, очевидно и бесспорно влияние необычных условий космического полета на развитие растений. Это могло быть результатом невесомости, космической радиации, газовой среды и других факторов. Второй важный вывод: растения могут расти в невесомости, если создать им благоприятные условия. И третий: выращенные на борту корабля из семян растения вполне пригодны для употребления в пищу.

Таким образом, перенос некоторых звеньев биотехнической системы жизнеобеспечения в реальные условия космического полета связан с решением ряда проблем. На современном этапе исследований специалисты пытаются раскрыть механизм влияния факторов космического полета на развитие биологических объектов, в частности на растения.

Несмотря на встретившиеся сложности, сомнений в том, что замкнутую экологическую систему можно создать, у специалистов нет. Об этом говорят положительные результаты наземных экспериментов. И некоторые звенья такой системы уже успешно используются на пилотируемых космических аппаратах.

Специалистам предстоит решить еще немало проблем, прежде чем жизнь на космическом аппарате, как и на Земле, будет идти за счет многократного использования элементов и соединений в направленном человеком круговороте веществ. Зато, решив эту задачу, человек сможет бесконечно долго жить и работать в космическом пространстве.

В течение многих веков человечество изучало свою планету, Солнечную систему, ближайшие звезды, Галактику. Но только нашему поколению представилась возможность приступить к познанию Вселенной в целом. Главный вывод этих исследований можно сформулировать коротко: окружающий нас мир изменяется с течением времени – эволюционирует.

Эволюция Вселенной заключается прежде всего в том, что расстояния между скоплениями галактик с течением времени увеличиваются – на 0,01% за 2 млн. лет. Как говорят ученые, галактики разбегаются.. Исследуя приходящий к нам свет далеких миров, астрономы по смещению спектральных линий определяют скорость их движения относительно Солнечной системы. Чем дальше от земного наблюдателя находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется от него.

Другое важнейшее открытие космологии XX века – фоновое космическое радиоизлучение, пронизывающее всю Вселенную. Его интенсивность в миллиметровом и сантиметровом диапазонах волн в тысячи раз превышает суммарное излучение всех известных космических радиоисточников.

Вселенная прозрачна для фонового радиоизлучения. Оно приходит на Землю равномерно со всех сторон, и мы вправе сделать вывод – в один и тот же момент времени оно везде одинаково. Этот подлинный свет Вселенной многое рассказывает о ее строении. Природа радиоизлучения и оптического света одинакова – электромагнитные колебания. Радиоволны, которые мы принимаем, сформировались в первичной плазме и были светом раскаленного вещества.

Как совместить представление о расширении Вселенной с признанием того, что она заполнена излучением? Расширение ведет к охлаждению излучения, точно так же, как после сгорания охлаждаются газы в цилиндре автомобильного мотора, приведя в движение поршень и расширяясь. Отсюда следует теоретический вывод, что в прошлом Вселенная была плотной, но также и более горячей.

Согласно этой теории, выдвинутой 30 лет назад Г. Гамовым, современная стадия эволюции началась около 15 млрд. лет назад с расширения предельно горячей и предельно плотной плазмы. Первый миллион лет эта плазма была бесструктурной – не было ни звезд, ни галактик, а только различные частицы, протоны, нейтроны и электроны. Никакие сложные ядра не могли существовать – их расщепляло горячее излучение. Состав плазмы менялся по мере ее расширения. Опыты, проведенные в лабораториях, позволяют с уверенностью рассчитать ход ядерных реакций в ранней Вселенной. Независимо от начального состава получается смесь на 75% водорода и 25% гелия (по весу). Современные наблюдения показывают, что всюду, практически во всех звездах и галактиках количество гелия превышает 25%. Это блестяще подтверждает теорию «горячей» Вселенной. Образуется также небольшое количество тяжелого водорода (дейтерия), что особенно важно для нас – землян в связи с перспективой сжигания дейтерия в термоядерных управляемых реакторах XXI века. По-видимому, практически весь дейтерий во Вселенной возник в ходе ядерных реакций на ранних стадиях ее расширения.

Установлено, что наиболее распространенные земные элементы – углерод, кислород, железо, а также редкий, но важный уран – родились в недрах звезд и были выброшены в окружающее пространство при их взрывах. Это произошло гораздо позже, через миллиарды лет после синтеза основного количества гелия, но раньше, чем образовались наши Солнце и Земля.

Итак, явственные следы древнейшего периода истории Вселенной остались и в ее материальном составе – в виде водорода, гелия и дейтерия и в спектре излучения. Обнаружение этих следов укрепляет уверенность в том, что эволюция действительно проходила через стадию горячей плотной плазмы. Это не противоречит тому, что Вселенная в каких-то других формах существовала до своего сжатия и разогрева. В сверхгорячем плотном состоянии «сгорели» следы той стадии. Тем не менее можно делать уверенные выводы о ходе современного этапа развития Вселенной вне зависимости от гипотез, касающихся предшествовавшего ему состояния.

В пространстве Вселенная безгранична. Непосредственно же наблюдения дают сведения только об ограниченной ее области. Здесь она однородна, в среднем ее свойства одинаковы близко и далеко от нас, в северной и южной сторонах неба. Из этого с большой уверенностью можно заключить, что и сверхдалекие ненаблюдаемые с Земли области качественно не отличаются от наших окрестностей.

Сейчас наступил новый этап в познании крупномасштабных свойств Вселенной. Космологов интересуют малые отклонения от идеальной картины однородно расширяющегося мира, и здесь снова мощным оружием исследования стало фоновое радиоизлучение.

Расскажем об одном из направлений этих исследований. В определенном месте – например, в том, где в настоящее время находится Солнечная система, – есть одна и только одна система координат, в которой космическое радиоизлучение имеет одинаковую интенсивность, в какую бы сторону мы ни направили радиотелескоп. А вот наблюдатель, который вместе с радиотелескопом летел бы со скоростью 100.000 км/с относительно Земли, увидел бы другую картину. Плотность энергии встречного радиоизлучения для него усилится, а догоняющего – ослабится в 4 раза. Нам, земным наблюдателям, повезло: мы движемся так, что радиоизлучение со всех сторон практически одинаково.

Но что значит «повезло»? Мы вправе говорить о том, что Земля движется относительно радиоизлучения по сравнению со скоростью света медленно. Фоновое радиоизлучение позволяет отличить «движение» от «покоя». Иногда утверждают, что открытое в 1965 г. космическое радиоизлучение представляет собой «новый эфир», замену того светоносного эфира, о котором думали физики XIX века. Надо подчеркнуть, что новые открытия не возвращают нас к эфиру XIX века, не перечеркивают теории относительности. Запремся в лаборатории, защитимся металлическим экраном от радиоизлучения. Тогда любой опыт покажет, что покой или движение лаборатории ни на что не влияют. Законы физики одинаковы, инвариантны, как говорят ученые, относительно движения. Отличие движения от покоя – это свойство Вселенной, заполняющего ее радиоизлучения, а не законов физики. Ведь инженер, строящий мосты или здания, считает поверхность Земли покоящейся, и он прав, хотя мы прекрасно знаем, что планета вертится вокруг своей оси и со скоростью 30 км/с за год совершает оборот вокруг Солнца.

Вернемся к радиоизлучению. Измерения были уточнены американскими учеными, и оказалось, что яркость радионеба на длине волны 9 мм в направлении на созвездие Льва на 0,001 больше, а в противоположном направлении – на 0,001 слабее средней величины. Такое различие соответствует движению Земли и всей Солнечной системы относительно радиоизлучения со скоростью около 400 км/с.

Солнечная система входит в состав Галактики, которая тоже вращается, совершая один оборот за 250 млн лет. Солнце движется вокруг центра Галактики со скоростью 300 км/с. Для космологии представляет интерес, как быстро наша Галактика в целом движется относительно радиоизлучения. Оказывается, что ее скорость близка к 600 км/с (движение Солнца частично компенсирует движение Галактики).

Итак, скорость нашей Галактики относительно фонового радиоизлучения измерена. Она оказалась сравнительно малой по космическим масштабам. Возникает естественный вопрос: а как обстоит дело с далекими галактиками и их скоплениями? Мы знаем, что они «убегают» от нас с огромными скоростями в десятки тысяч километров в секунду. Движутся ли они относительно радиоизлучения? Ясно, что далеко от пас, там, где находятся скопления галактик, в каждой точке есть свое понятие «покоя» относительно излучения, своя выделенная система координат.

Как доказать, что убегающие галактики действительно удаляются вместе с окружающим их излучением? Покоятся ли относительно окружающего их радиоизлучения далекие скопления, свет от которых идет к нам сотни миллионов и миллиарды лет? Как «привязать» весь наблюдаемый мир к сопутствующей расширению Вселенной системе координат? Оказывается, есть возможность уже сегодня получить ответ, пользуясь современной наземной и внеатмосферной аппаратурой. Метод исследования теоретически разработан авторами статьи. Состоит он в следующем.

Нужно изучить радиояркость неба в направлениях на скопления галактик. Из данных наблюдений в рентгеновском диапазоне известно, что пространство между галактиками в скоплениях заполнено горячим межгалактическим газом. Он рассеивает фотоны фонового космического радиоизлучения, о котором говорилось выше. Наблюдатели видят наряду с этим первичным также и излучение, рассеянное электронами облаков газа. Интенсивность рассеянного излучения и ого поляризация зависят от того, движется облако или покоится относительно окружающего радиоизлучения. Наблюдая скопления на сантиметровых и миллиметровых волнах, можно измерить эту скорость и определить ее направление.

Задача осложняется тем, что, кроме движения облака как целого, имеется еще хаотическое тепловое движение электронов газа со скоростями порядка 30 – 50 тыс. км/с. Рассеяние облаком хаотически движущихся горячих электронов приводит к понижению радиояркости неба в направлениях на скопления. Эффект поражает своей неожиданностью: столкновение фотонов с горячим газом приводит к понижению, а не к увеличению яркости радиоизлучения! Но так обстоит дело только на длинных волнах. И если произвести измерения на двух и более длинах волн, то можно разделить два эти эффекта.

Часть этой программы уже выполнена. Явления, вызванные хаотическим движением электронов в облаке, четко выделены. Сейчас такие радионаблюдения стали важным методом поиска горячего межгалактического газа в скоплениях галактик. Вместе с данными, полученными в рентгеновском диапазоне, радионаблюдения позволяют измерить сразу и абсолютный (в единицах длины), и угловой размеры скоплений галактик. Это необычайно важно для космологии. Зная обе эти величины, можно определить расстояние до скоплений и после этого связать его со скоростью разбегания далеких галактик. Кроме того, появляется возможность подсчитать среднюю плотность вещества во Вселенной, а это дает основания прогнозировать ее далекое будущее. Если средняя плотность окажется меньше трех атомов в кубическом метре, то процесс расширения будет продолжаться неограниченно долго. В противном случае через десятки миллиардов лет оно сменится сжатием.

Уже имеющиеся данные позволяют сделать вывод о том, что скорости скоплений галактик относительно радиоизлучения невелики. Так, скопление, отстоящее от нас на 2 млрд. световых лет и удаляющееся (если судить по смещению линий в спектре) со скоростью 50 000 км/с, практически покоится относительно системы координат, связанной с реликтовым излучением (скорость меньше 10% от 50 000).

Эти наблюдения были начаты в СССР в Пулкове и на большом радиотелескопе РАТАН. Затем в работу включились и ученые других стран. Результаты наблюдений еще раз подтверждают общую картину «горячей» Вселенной с разбегающимися галактиками. Но то, что еще предстоит определить, представляет огромный интерес для познания более тонкой структуры Вселенной, для понимания того, как из бесформенной однородной плазмы возникли скопления галактик.

Как правило, молодые научные дисциплины прогрессируют быстрее, чем старые, уже установившиеся области знания.

Однако замечательным исключением из этого правила является древнейшая наука астрономия, особенно ее молодая, главная сегодня ветвь – астрофизика. Мы становимся свидетелями поистине революционных астрономических открытий.

Сверхвысокие плотности пульсаров – звезд, состоящих почти сплошь из нейтронного вещества, которое в 1 см³ может содержать массу до 1 млн. т; температуры в десятки и сотни миллионов градусов, при которых обязательно должны идти непрерывные термоядерные реакции; взрывы сверхновых, когда в течение нескольких часов освобождается такое количество энергии, которое Солнце излучает за сотни миллионов лет; часто повторяющиеся взрывы на молодых звездах, по сравнению с которыми взрыв водородной бомбы может показаться детской игрушкой, – все это не может не привлекать внимания астрофизиков.

Все эти процессы происходят далеко от Земли. На огромных расстояниях, подчас столь больших, что электромагнитные волны, несущие с собой информацию об этих процессах, доходят до нас лишь за миллиарды лет. Естественно, что эти волны доходят до нас как очень слабый сигнал, недоступный глазу или простому радиоприемному устройству, – нужны гигантские оптические телескопы и мощные радиоприемные антенны.

Несколько лет назад в Советском Союзе был установлен и ныне успешно действует самый большой в мире оптический телескоп с диаметром зеркала в 6 м. Этот большой инструмент, который сочетает в себе удивительную точность механических движений и оригинальность решения огромного числа технических задач, вставших перед его конструкторами, позволяет обнаружить звезды и галактики, свет которых в 100 млн. раз слабее света предельно слабых звезд, еще видимых невооруженным глазом. Телескоп установлен на вершине горы близ станции Зеленчукская (Северный Кавказ), и большая часть времени его работы посвящена изучению отдаленных галактик. Там же, близ станции Зеленчукская сооружен колоссальный радиотелескоп, представляющий собой ожерелье, составленное из множества зеркал, диаметр которого равен 600 м. Уже первые наблюдения, произведенные с помощью этих инструментов, позволили глубоко заглянуть в тайны природы.

Известно, что Бюраканской астрофизической обсерваторией, находящейся близ Еревана, за последние 15 лет открыто огромное количество (свыше 1500) галактик, испускающих избыточное ультрафиолетовое излучение. Эти звездные системы отличаются от миллионов других галактик тем, что в них происходят либо интенсивные процессы возникновения молодых звезд, либо формирование больших газовых облаков, выбрасываемых из ядра галактики с огромными скоростями, измеряемыми тысячами километров в секунду. В частности, оказалось, что некоторые из этих «активных» галактик содержат не одно, как это бывает у обычных галактик, а два ядра.

Большой 6-метровый телескоп позволил подробно исследовать такие галактики с двойными ядрами и собрать информацию, довольно убедительно свидетельствующую о том, что двойное ядро возникает в результате деления первоначального единого ядра. Тем самым проливается новый свет на проблему эволюции галактик, поскольку астрономы склоняются к тому мнению, что важнейшим фактором эволюции этих систем являются изменения, происходящие в их ядрах и в непосредственной близости от них.

Особый интерес представляет проблема строения ядра нашей Галактики. Поскольку все галактики, наблюдаемые нами, делятся на две категории: с активными ядрами, в которых происходят бурные процессы гигантских энерговыделений, и со спокойными ядрами, в которых таких процессов не происходит, то астрономов волнует вопрос – активно ли ядро нашей Галактики?

Поскольку оно закрыто от нас непрозрачными для обычного света пылевыми облаками, то его приходится изучать путем наблюдения либо в радиоволнах, либо в далеких инфракрасных лучах. Значительный вклад в это изучение внесли голландские астрономы – они пришли к выводу, что, хотя сейчас ядро нашей Галактики является спокойным, есть многочисленные свидетельства бурной деятельности ядра в «недавнем» прошлом – несколько десятков миллионов лет тому назад. Мы здесь употребили термин «недавний», поскольку этот срок очень мал по сравнению с продолжительностью жизни звезд и галактик, которая измеряется обычно сроками порядка нескольких миллиардов лет. Поэтому особый интерес представляют данные, полученные на новом радиотелескопе. Оказалось, что ядро нашей Галактики, как установили советские астрофизики, обладает сравнительно небольшой массой. Это, по-видимому, исключает возможность крупномасштабной активности в ближайшие миллионы лет.

Если открытия в области внегалактической астрономии и в области исследования ядра нашей Галактики совершаются с помощью крупнейших телескопов, установленных на Земле, то наиболее интересные результаты, касающиеся тел Солнечной системы, т. е. ближайших к нам космических объектов, и в первую очередь – планет, мы получаем с помощью искусственных спутников Земли и автоматических межпланетных станций. В результате работы этих космических лабораторий составлено представление о свойствах поверхностей Луны, Марса, Меркурия, Венеры.

Совершенной неожиданностью явилось то, что поверхности планет оказались столь же пересеченными кратерами и горными цепями, как и поверхность Луны. Особенно поразительными оказались результаты исследования Венеры. Большинство астрономов считало, что на поверхности этой планеты все образования типа гор и скал должны быть давно выветрены благодаря воздействию на них мощной плотной атмосферы. Однако советские астрономы считали вероятным, что процессы выветривания могут не успевать выравнивать следы вулканической деятельности на поверхности Венеры. Данные, полученные с помощью советских научных станций «Венера», оказались в полном согласии с этим представлением.

Скажем и о том, что исследование планет продвигается вперед не только с помощью космических аппаратов – огромную роль продолжают играть в этом деле наземные телескопы. Сделанные с их помощью наблюдения привели к блестящему подтверждению еще одного предсказания советских астрономов. Профессор Киевского университета С. Всехсвятский предсказал, что наряду с Сатурном и другие планеты тоже могут иметь вокруг себя пылевые кольца. Поскольку после открытия колец Сатурна Галилеем прошло более трех с половиной веков, а планеты казались в этом отношении уже достаточно подробно исследованными, подавляющее большинство астрономов отнеслось к этому предсказанию крайне скептически. Но, как иногда бывает в науке, правильной оказалась идея, казавшаяся еретической. Вокруг Урана было обнаружено пылевое кольцо. Астрономический совет АН СССР по заслугам присудил профессору Всехсвятскому диплом за это выдающееся открытие.

Говоря о научных результатах, относящихся к телам Солнечной системы, нельзя не сказать о замечательном открытии, касающемся центрального тела этой системы – Солнца. Академик А. Северный и его сотрудники обнаружили явление пульсации поверхностных слоев Солнца. Полученный ими период пульсации оказался в резком противоречии с существующими моделями внутреннего строения нашего центрального светила и является пока камнем преткновения для теорий, объясняющих происхождение энергии излучения Солнца. Это поистине увлекательное открытие было выполнено в результате мастерского применения тончайших средств исследования Солнца, сосредоточенных в Крымской астрофизической обсерватории, и вызвало восхищение астрономической общественности мира.

В отдаленных звездах, туманностях и галактиках идут процессы, которые приводят к появлению рентгеновского излучения. Оно не доходит до поверхности Земли, так как поглощается атмосферой. Вот почему исследование этого излучения можно производить лишь со спутников, снабженных специальными рентгеновскими телескопами. С их помощью обнаружены «рентгеновские звезды», которые являются сверхплотными объектами такого же типа, как и пульсары.

Во Вселенной имеются источники еще более коротких волн – гамма-лучей. Особенно острый интерес вызывают наблюдаемые в мировом пространстве гамма-всплески, которые вдруг на малую долю минуты заполняют энергией гамма-лучей окружающее Землю пространство. До сих пор не удалось окончательно отождествлять источники этих вспышек с какими-либо космическими объектами (звездами, галактиками). Это, пожалуй, наиболее непонятное из всех загадочных астрономических явлений, обнаруженных человеком. Но нет сомнений в том, что это тоже результат естественных процессов, происходящих в сверхплотном веществе, роль которого до последнего времени недооценивалась астрономами.

Что касается других нерешенных задач, то здесь прежде всего следует сказать, что, хотя мы и наблюдаем много звезд и туманностей, которые «только что» (меньше 1 млн. лот назад) возникли, все же механизм возникновения звезд и поныне остается неясным. Природа тщательно скрывает от нас тайну рождения звезд. И для раскрытия этой тайны науке предстоит выполнить еще очень большую работу.

Здесь я не могу не поделиться одним соображением, скорее философского характера. Есть ученые, которым кажется, что наука практически разрешила все относящиеся к природе принципиальные вопросы и остается всего лишь несколько загадок, касающихся происхождения звезд и строения элементарных частиц. И кажется, что вот-вот будут разгаданы эти загадки.

На основе опыта истории научных исследований мне хочется сказать, что и перед учеными XXI века, и учеными куда более отдаленного, скажем, 41-го века, наверняка будут стоять столь же трудные, а может быть, еще более трудные и глубокие задачи, чем те, которые стоят сегодня перед нами. Наилучшим свидетельством тому является современное развитие астрофизики, где, чем больше совершается открытий, тем больше возникает проблем и задач, которые надо решать.

Крымская астрофизическая обсерватория Академии наук СССР является одной из крупнейших в мире как по оснащению большими телескопами, сложными и разнообразными приборами, средствами вычислительной техники, так и по широте тематики исследований. Здесь установлены и функционируют уникальные инструменты – башенный солнечный телескоп, большой телескоп-рефлектор с диаметром зеркала 2,6 м, гамма-телескоп, радиотелескоп с параболической антенной диаметром 22 м (РТ-22). С помощью этих и других инструментов крымские астрофизики вносят весомый вклад в познание Вселенной, в решение прикладных задач. Многие приборы разрабатываются сотрудниками обсерватории и изготавливаются в ее мастерских. Здесь успешно развиваются работы по созданию астрономической оптики, в том числе крупных зеркал для телескопов. В обсерватории впервые разработана и освоена технология обработки ситалла (материала с практически нулевым коэффициентом теплового расширения) и изготовления из него астрономических зеркал. Любопытный штрих. Если крупнейший в стране в довоенное время телескоп-рефлектор, установленный в Симеизе, диаметром зеркала 1 м мог быть изготовленным только в Англии, то сейчас астрономические зеркала более крупных размеров (до 1,5 м) изготавливаются непосредственно в обсерватории.

Основные направления работ обсерватории связаны с исследованием Солнца и звезд, с выяснением роли магнитных полей в физике Солнца и звезд.

В последнее время группой сотрудников под руководством директора обсерватории Героя Социалистического Труда академика А. Б. Северного обнаружено явление пульсации Солнца с периодом 2 ч 40 мин и амплитудой ±10 км (напомним, что диаметр Солнца составляет 1 390 000 км). Это явление имеет исключительно важное значение для решения проблемы внутреннего строения Солнца и источников его энергии.

Не менее существенные результаты получены при изучении солнечной активности. Как известно, уровень солнечной активности меняется, достигая максимума в среднем через каждые 11 лет. Одним из наиболее ярких проявлений активности можно считать солнечные хромосферные вспышки, при которых выделяется колоссальное количество энергии. Мощные потоки заряженных частиц устремляются к Земле, вызывая возмущения в верхней атмосфере и магнитном поле Земли. В обсерватории разработана методика прогнозирования солнечной активности, причем прогнозируется не только само событие, но и его мощность. Краткосрочные (на 3 дня) прогнозы такого рода оправдываются в 80% случаев. Этот результат имеет большое практическое значение в связи с воздействием, которое вспышки оказывают на верхнюю атмосферу Земли, ее магнитное поле, радиационные пояса и т. п. В свою очередь все это сказывается на состоянии нижних слоев атмосферы и в конечном счете – на состоянии биологических систем, в том числе и человека.

Природа солнечной активности исследуется не только в оптическом диапазоне волн (видимом свете), но и в радиодиапазоне с помощью РТ-22. Радиоастрономические исследования существенно расширяют возможности наземной астрономии, раздвигают границы доступной наблюдениям Вселенной. Достаточно упомянуть о том, что именно радиотелескопы позволили обнаружить такие интересные и во многом пока еще загадочные объекты, как квазары, удаленные от нас на чудовищные расстояния в миллиарды световых лет. Сейчас мы их наблюдаем в том состоянии, в котором они были миллиарды лет назад: только сейчас радиоволны, покинувшие их тогда, доходят до нас и регистрируются радиотелескопами. В некоторых случаях радионаблюдения оказываются единственным способом исследования небесных объектов. Так, из нескольких десятков пульсаров только один наблюдается в оптике, а все остальные в радиодиапазоне.

Можно было бы отметить многие другие исследования, проводимые в обсерватории, но достаточно и упомянутых, чтобы представить себе их объем и размах.

Обсерватория поддерживает постоянные научные контакты с многочисленными научными учреждениями, высшими учебными заведениями, обсерваториями нашей страны и зарубежными; участвует в кооперативных работах по многостороннему и двустороннему сотрудничеству академий наук социалистических стран. Астрономы многих, в том числе развитых капиталистических стран, приезжают в обсерваторию для проведения наблюдений, выполнения совместных работ и обсуждения их результатов, для ознакомления с аппаратурой и методами, применяемыми у нас.

Впервые в истории астрономических наблюдений специалисты многих стран объединили усилия, чтобы выявить причины всплесков солнечной активности, повторяющихся в среднем через каждые 11 лет.

Более полутора тысяч ученых включается в реализацию международной научной программы «Год солнечного максимума». Исследования будут вестись с октября этого года вплоть до февраля 1981 г. Чем вызван глобальный эксперимент? Каковы его задачи? На эти вопросы отвечает председатель научного совета по проблеме «Физика солнечно-земных связей» Академии наук СССР доктор физико-математических наук Н. Пушков.

Из раскаленной солнечной короны, где температура достигает нескольких миллионов градусов, беспрерывно вылетают в космическое пространство электроны, протоны, α-частицы. В период спокойного Солнца они обладают малой энергией. Но вот наступил максимум активности. На светиле происходят гигантские вспышки. Это приводит к возмущению ионосферы, геомагнитным бурям. На Земле временно нарушается дальняя радиосвязь, дают неверные показания навигационные приборы самолетов и кораблей.

В реализации программы начинающихся исследований примут участие около 40 обсерваторий мира.

Конечная цель астрофизиков – научиться прогнозировать солнечные вспышки.

Природа наделила нас удивительным оптическим прибором – глазами. Основную часть информации об окружающем мире мы получаем с помощью глаз. Чувствительность органов зрения человека поразительна. Разрешающая сила глаза равна 1 угл. мин и позволяет с расстояния 100 м различить предметы, разнесенные между собой на 3 см.

Однако, несмотря на совершенство глаза, мы не можем увидеть даже такие сравнительно близкие объекты, как спутники Юпитера или кольца Сатурна. Это стало возможным лишь после того, как Галилей создал телескоп – «увеличил» размер зрачка и таким образом повысил его разрешающую силу. Открывшаяся перед наблюдателем картина имела не только познавательное значение – она произвела революцию в естествознании.

Дальнейшее развитие астрономии во многом определялось совершенством инструментов. В нашей стране создан крупнейший в мире телескоп с 6-метровым зеркалом. Он открывает широкие возможности для исследования даже далеких галактик. Но сколь бы крупными ни были оптические инструменты, их угловое разрешение ограничено турбулентностью в атмосфере и соответствует примерно 1 с дуги.

Чтобы лучше познать природу космических объектов, наблюдения за ними ведутся не только в оптическом, но и в других участках спектра электромагнитного излучения, в том числе в радиодиапазоне. Но радиоволны в сотни тысяч и даже миллионы раз длиннее оптических. Поэтому разрешающая сила даже самых крупных современных радиотелескопов, зеркала которых достигают десятков метров, не превышает возможностей невооруженного глаза. В этом смысле радиоастрономы до недавнего времени находились, можно сказать, в догалилеевской эпохе.

Академик В. Л. Гинзбург и доктор физико-математических наук Г. Г. Гетманцев в 1950 г. предложили оригинальный метод измерения размеров радиоисточников и их положения на небе. По времени исчезновения и появления сигнала в период затмения небесного тела Луной можно определить точное положение источника радиоизлучения, а затем «привязать» его к оптически видимому объекту. В 1963 г. в Австралии, а в следующем – у нас велись наблюдения затмения источника ЗС 273. Они показали, что там имеется компактное ядро и протяженная компонента в виде газовой струи, выброшенной из ядра. Были обнаружены также неизвестные ранее оптические линии, которые, как выяснилось, принадлежат излучению водорода, сильно смещенному в красную сторону спектра.

Теперь известно несколько сотен объектов данного типа. Они получили название квазизвездных объектов (сокращенно – квазаров). Открыты также галактики с активными ядрами, которые имеют аналогичные свойства. Расстояния до них огромны, и, значит, наблюдаемое излучение относится к далекому прошлому Вселенной – к моменту зарождения галактик и их ядер. Ведь прошли сотни миллионов и даже миллиарды лет, пока эти излучения достигли нашей планеты. Наблюдение за такими объектами на столь больших расстояниях стали возможными лишь благодаря их необычайно высокой яркости, соответствующей температуре, в сотни миллионов раз превышающей температуру самых ярких звезд.

Не менее интересным оказался ряд туманностей в' нашей Галактике. В этих, на первый взгляд, ничем не примечательных облаках межзвездного газа обнаружены космические мазеры – тела, излучающие радиоволны СВЧ-диапазона. Они, как было доказано работами члена-корреспондента АН СССР И. С. Шкловского, должны быть связаны с областями образования звезд и планетных систем. Прямая их противоположность – так называемые пульсары. Эти нейтронные звезды посылают сигналы подобно маякам в виде узкого луча. Пульсары – последняя стадия эволюции звезд, стадия их умирания.

Все эти необычные по свойствам и природе объекты имеют ничтожно малые угловые размеры – меньше 0,001 с дуги. Их изображение невозможно получить даже с помощью лучших оптических телескопов. Одно время казалось, что мы никогда не увидим детальных фотографий этих интереснейших космических созданий. Однако решение задачи было найдено там, где этого можно было меньше всего ожидать, – в радиоастрономии.

Советскими специалистами в 1963 г. был предложен так называемый метод радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами. Он заключается в одновременном приеме сигналов от исследуемого объекта на далеко друг от друга разнесенные антенны. Записанные на магнитные ленты сигналы затем совместно обрабатываются на вычислительных машинах с тщательной привязкой по времени. В отличие от обычного интерферометра, в данном случае антенны непосредственно не связаны между собой, и расстояние между ними (длина базы) может быть сколь угодно большим. Таким образом удается «синтезировать» огромный радиотелескоп.

Метод сверхдальней радиоинтерферометрии открыл перед астрономами широкие возможности для исследований сверхкомпактных радиоисточников. Сейчас крупные радиотелескопы СССР, Австралии, Англии, Голландии, Канады, ФРГ, США объединены в глобальную сеть интерферометров – своего рода глобальный радиотелескоп. Его угловое разрешение достигает 0,0001 с, т. е. в 10 000 раз больше, чем у лучших оптических телескопов. Эта разрешающая сила позволяет земному наблюдателю увидеть на Луне обычный футбольный мяч. Именно благодаря сверхдальней радиоинтерферометрии удалось с точностью до 20 см регистрировать положение американских астронавтов во время их передвижения на Луне.

Подзорная труба Галилея приблизила к нам миры Солнечной системы. Современные оптические телескопы дали возможность детально изучить многие объекты нашей Галактики. Сверхдальняя радиоинтерферометрия открыла безграничные глубины Вселенной и позволяет проникнуть в тайны зарождения галактик, квазаров, планетных систем и звезд.

Что же удалось установить с помощью нового метода? Наблюдатели увидели, как из ядер квазаров и некоторых галактик эпизодически выбрасываются облака релятивистских частиц. Их излучение и вызывает всплеск радиоволн источника, переменность его блеска. У объектов с наиболее активными ядрами обнаружено удивительное явление – видимая скорость разлета и расширения отдельных компонент превышает скорость света.

Как следует из современных представлений, видимая сверхсветовая скорость облаков частиц в действительности объясняется релятивистскими эффектами. В собственной системе координат скорость их движения не превышает световой, однако весьма близка к ней. Это же служит причиной и необычайно высокой яркости объекта. При таких скоростях излучение облака релятивистских частиц концентрируется в узком конусе. Мы видим излучение лишь тех, которые выбрасываются в направлении к нам. При иной ориентации осей облака релятивистских частиц становятся доступны наблюдению с Земли только после потери ими околосветовой скорости.

Гигантская энергия, выделяющаяся в ядрах квазаров и галактик, сверхсветовая скорость разлета и расширения облаков частиц вызывали определенные трудности в объяснении их природы. Нередко даже ставилась под сомнение правильность определения расстояния до этих объектов. Но исследования, проведенные в последние годы, убедительно доказали, что они находятся в далеких от нас глубинах Вселенной. Чтобы облака релятивистских частиц были видимы на таком большом удалении, они должны излучать огромную энергию и обладать очень большой массой – в тысячи раз превосходящей Солнце. Источник этих частиц и энергии, по современным представлениям, – сверхмассивное вращающееся магнитоплазменное тело (магнитоид).

Одним из интереснейших результатов, полученных на глобальном радиотелескопе, оказались данные по сейфертовской галактике 3G 84. В ее ядре была обнаружена двойная система, у которой каждая из частей содержит яркое ядро и симметричные к нему облака релятивистских частиц. Оптические исследования показывают, что спектральные линии этого объекта двойные. Такое раздвоение может вызываться излучением двух масс, движущихся относительно друг друга со скоростью около 800 км/с. Как предполагает И. С. Шкловский, обе системы могут быть гравитационно связаны между собой и вращаться с орбитальным периодом около 10 000 лет. Но возможно, что это две сталкивающиеся галактики. Дальнейшие исследования на глобальном радиотелескопе позволят решить эту проблему.

Изучение структуры квазаров и ядер галактик имеет большое значение не только для понимания динамики этих объектов, изучения их природы, но и существенно расширяет представления об эволюции Вселенной. Удивительная картина открылась при исследовании на глобальном радиотелескопе мазерных источников, расположенных в газопылевых туманностях. Оказалось, что в каждой из них мазеры сосредоточены примерно в десяти центрах активности, которым соответствует область звездообразования. Таким образом, звезды рождаются из газопылевой материи не в одиночку, а группами. В ходе этого процесса на одном из этапов и образуются космические мазеры – облака возбужденных молекул водяного пара либо гидроксила.

Ныне можно с достаточной уверенностью говорить, что мазерные источники распределены в газопылевом диске, окружающем протозвезду. Его радиус равен 1000, а толщина – 100 астрономическим единицам. Диск вращается со скоростью примерно 6 км/с, расширяется со скоростью около 10 км/с и гравитационно связан с протозвездой, масса которой равна приблизительно сорока Солнцам. Вероятно, диск составляет отдельные кольца, из которых в дальнейшем и образуются планеты.

Примечательно, что по радиоастрономическим данным, в отличие от прежних представлений, вода и многие другие сложные химические соединения, включая спирты, возникают уже на начальной стадии формирования звезд и протопланет, а возможно, даже предшествуют ему. Узнать, как распределены химические соединения в газопылевом диске, какова последовательность их образования, – одна из интереснейших задач, стоящих перед глобальной радиоинтерферометрией. Но даже то, что мы уже сегодня знаем об этих объектах, существенно расширяет представления о природе и динамике образования звезд и планетных систем и имеет большое значение для естествознания в целом.

Успехи, достигнутые на радиоинтерферометрах со сверхдлинными базами, не предел. В нашей стране и за рубежом рассматриваются проекты создания инструментов космических размеров. Очень интересно предложение вывести на орбиту вокруг Земли один из радиотелескопов, который совместно с наземной сетью интерферометров образует единую систему. Таким образом будет получена возможность быстрых наблюдений на базах практически неограниченной длины. Это откроет исследователям новые перспективы в изучении окружающих нашу планету космических объектов. Трудно даже предугадать, сколь удивительный мир может открыться перед глазами людей.

На советских спутниках и космических станциях «Прогноз-7», «Метеор», «Венера-11» и «Венера-12», на зарубежных космических аппаратах «Вела-5» и «Вела-6», «Гелиос-2», «Венус-Орбитер», ИСЕЕ-3 в эти дни действуют приборы для регистрации и изучения гамма-всплесков. Почему они привлекают внимание исследователей и включены в космические программы ряда стран?

Гамма-излучения несут нам такую информацию о самых отдаленных небесных объектах, какую невозможно получить в других диапазонах электромагнитных волн. Особенно интересны всплески космического гамма-излучения – одно из новых и совершенно неожиданных явлений, обнаруженных при изучении Вселенной (земная атмосфера непрозрачна для этих лучей). Первое сообщение появилось в 1973 г. и содержало сведения о 16 гамма-всплесках, зарегистрированных за 4 года наблюдений. Вскоре такие же события были обнаружены гамма-астрономическими приборами нескольких других спутников, в том числе «Космоса-461» и «Метеора» с аппаратурой ленинградской группы астрофизиков.

Число наблюдений гамма-всплесков со спутников и высотных аэростатов постепенно увеличивалось и к началу прошлого года достигло примерно 50. Регистрировали их самыми различными приборами, как правило, плохо приспособленными для этого. Тем не менее некоторые общие характеристики гамма-всплесков удалось установить. В большинстве случаев они состоят из нескольких последовательных «пиков». Их длительность меняется от долей до десятков секунд. Частота регистрации – от пяти до восьми событий в год.

Наиболее поразительной особенностью нового явления оказались его энергетические характеристики. Если источники гамма-всплесков расположены в нашей Галактике, то выделяемая ими в среднем за несколько секунд энергия в 10 раз превышает суммарную светимость Галактики в этом диапазоне. Напомню, что звезды типа Солнца излучают в видимой области энергию в миллион раз меньшую. Если же источники гамма-всплесков находятся за пределами пашей Галактики, то оценки их энергетики дают величины, фантастически большие даже по астрофизическим масштабам, – порядка 10⁴⁴ эрг/с.

Детали временной структуры гамма-всплесков позволили оценить размеры излучающих их источников. Продолжительность наиболее коротких импульсов может быть менее 0,01 с. Это означает, что размеры излучающей области не превышают длины пути, который свет проходит за такое время, т. е. около 3000 км.

Следовательно, источники – очень компактные объекты.

Таким образом, стало ясно, что наблюдаемые гамма-всплески – лишь слабые отголоски грандиозных космических взрывов, происходящих где-то в глубинах Вселенной. Естественно, что необычные характеристики обнаруженного явления привлекли внимание астрофизиков. Появилось множество гипотез о его природе, и в перечень возможных «кандидатов» в источники гамма-всплесков вошли обычные звезды, белые карлики, новые и сверхновые, нейтронные звезды, черные и белые дыры, антивещество, летящие с околосветовой скоростью частицы космической пыли, падение комет на компактные объекты и многое другое. Как шутили на одном из симпозиумов по релятивистской астрофизике, трудно среди этих гипотез узнать ту «темную лошадку», которая придет к финишу первой.

Конечно, сложности физической интерпретации в значительной мере были обусловлены неопределенностью экспериментальной ситуации – сведений о характеристиках регистрируемых событий недостаточно, «привязать» источники гамма-всплесков к каким-либо известным астрофизическим объектам не удавалось. Стало ясно, что удовлетворительных темпов получения новой информации можно достичь, только создав специальную аппаратуру для исследования гамма-всплесков. Чувствительность приборов предстояло увеличить на порядок, чтобы стало возможным изучать более слабые, но зато чаще происходящие всплески.

С этой целью в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе АН СССР сотрудниками нашей лаборатории была разработана аппаратура «Конус», предназначенная для установки на межпланетных станциях «Венера-11» и «Венера-12». Чувствительность этой аппаратуры по сравнению с применявшимися ранее приборами удалось повысить примерно в 50 раз, она достигла уровня, который позволяет замечать прохождение всего одного-двух гамма-квантов через квадратный сантиметр поверхности детектора.

«Конус» – своего рода охотник за гамма-всплесками. На спутнике прибор работает в экономическом режиме ожидания, измеряя радиационную обстановку. И только при появлении всплеска аппаратура автоматически переходит в режим детальных измерений временной структуры и энергетических спектров излучения. Принципиально новой является способность «Конуса» определять небесные координаты источника при наблюдениях даже с одного космического аппарата.

Как известно, на борту «Венеры-11 и -12» установлена также французская аппаратура для изучения гамма-всплесков. Она обладает несколько меньшей чувствительностью, но позволяет изучать временную структуру с очень хорошим разрешением. Центр тяжести исследований при помощи этой аппаратуры, установленной еще и на станции «Прогноз-7», лежит в получении максимально точных координат источников сильных гамма-всплесков для отождествления их с конкретными астрофизическими объектами.

Уже первые дни полета станций показали, что «Конус» фиксирует в среднем 1 гамма-всплеск за 2 – 3 дня работы. В течение 3 месяцев полета к Венере им зарегистрировано 36 событий. После посадки спускаемых аппаратов на поверхность планеты станции совершают полет по орбите вокруг Солнца, и наблюдения гамма-всплесков продолжаются. Число зарегистрированных всплесков возросло почти до 100.

Первый принципиально важный астрофизический результат эксперимента – установлено, что источники гамма-всплесков находятся в нашей Галактике. Более того, удалось показать, что они концентрируются к галактическому центру. Расстояния до них – тысячи и десятки тысяч световых лет, а среднее энерговыделение только в гамма-диапазоне достигает 10⁴⁰ – 10⁴¹ эрг.

Таким образом, картина изучаемого явления стала значительно более четкой и подробной. Удалось существенно ограничить круг возможных предположений о природе источников гамма-всплесков и механизме излучения. Однако еще многое осталось неясным. И тут сама природа сделала шаг навстречу исследователям.

5 и 6 марта 1979 г. станции «Венера» зарегистрировали весьма необычные всплески, пришедшие, как показали измерения, из одного и того же источника в созвездии Золотая Рыба. Всплеск 5 марта был мощнее других в тысячу с лишним раз и в начальной фазе зарегистрирован большинством спутников, оборудованных соответствующей аппаратурой. Сильнейший импульс излучения продолжался всего 1/4 с. Но «Конус» подробно записал и сравнительно слабый длинный «хвост» всплеска. С удивлением увидели исследователи четкую картину излучения рентгеновского пульсара.

Как известно, «классические» рентгеновские пульсары – это двойные звезды, одна из которых нейтронная. Рентгеновское излучение возникает при истечении плазменного вещества из нормальной звезды и падении его с околосветовыми скоростями на нейтронную. Там плазма движется к магнитным полюсам звезды, в области которых образуются излучающие зоны. Они-то и попадают в поле зрения наблюдателя попеременно, в такт с вращением звезды.

Все эти характерные особенности излучения рентгеновского пульсара с периодом 8,1 с проявились во всплеске 5 марта. Но если пульсары излучают в течение миллионов лет, то в данном случае всплеск возник практически мгновенно и длился всего несколько минут. Менее чем через сутки из того же источника пришел повторный короткий всплеск. Но он был слабее в 100 раз.

Ясно, что мы встретились с представителем совершенно нового класса релятивистских объектов – вспыхивающим рентгеновским пульсаром. Причины кратковременности вспышек и условия, определяющие их мощность, остаются неясными. Но очень важно, что впервые при изучении гамма-всплесков данные наблюдений дают основание связать их с нейтронной звездой. Поэтому можно полагать, что причиной таинственных всплесков служат нестационарные процессы падения вещества на компактные объекты в двойных системах.

Изучение релятивистских компактных объектов – нейтронных звезд и «черных дыр», образованием которых завершается эволюция многих звезд, – в настоящее время одно из наиболее интересных и многообещающих направлений исследований в астрофизике. Можно надеяться, что гамма-всплески станут важным источником сведений об этих объектах и связанных с ними явлениях.

15 ноября, четверг. Новое крупное научное открытие в области космохимии внесено в Государственный реестр открытий СССР.

Солнечный ветер – для нас он больше из области фантастики, нечто литературное, доступное разве что смелому воображению. Но есть такие разделы пауки, которые занимаются уникальными, действительно фантастическими свойствами этого «ветра», а точнее, интенсивного потока заряженных частиц – ионов – большой энергии.

...Работа эта началась под руководством академика А. П. Виноградова. Эксперименты велись в четырех научно-исследовательских институтах АН СССР. Главным их объектом стал ценнейший материал – лунная пыль, реголит, доставленный с поверхности Селены. Еще 8 лет назад при изучении «груза» со станции «Луна-16» ученые с удивлением обнаружили удивительные крупицы железа, которое не только не окислялось на «родной» Луне, но не поддавалось и земной коррозии. А это ведь противоречит известной еще со школьной скамьи истине: на поверхности металла всегда образуется пленка окисла – плод реакции, казалось бы, неизбежной, но...

Так что же, химические законы опровергнуты «лунными пришельцами»? До этого дело не дошло. В ходе тщательнейших опытов, когда в земных лабораториях создавались условия, близкие к космическим, когда шкала измерений была сверхмикроскопической, нашлась причина, решилась трудная загадка. Помог принципиально новый способ анализа реголита – рентгеноэлектронная спектроскопия. Тут уже счет был даже не на микроны, а на сотые его доли. Шли в дело все новые образцы, доставленные на Землю станциями «Луна-20» и «Луна-24». И пришло открытие.

Группе московских ученых – директору Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского, члену-корреспонденту АН СССР В. Л. Барсукову, докторам химических наук В. С. Урусову и В. И. Нефедову и их товарищам в сотрудничестве с коллегами из Института металлофизики АН УССР удалось открыть «свойство неокисляемости ультрадисперсных форм простых веществ, находящихся на поверхности космических тел».

Означает это, что в результате «бомбардировки» ионами и метеоритами кислород уносится из лунного вещества протонами. Окисленный было металл восстанавливается и уже не поддается коррозии даже после многолетнего пребывания в нашей земной, насыщенной кислородом атмосфере. Тут космический металл во много раз превзошел все образцы, рожденные в научных лабораториях нашей планеты.

Кстати, свойство не окисляться после пребывания под солнечным ветром на не защищенной атмосферой планете присуще не только железу, но и частицам титана, кремния. Это подтвердилось рядом экспериментов как в советских, так и в американских лабораториях.

Что же дает науке новое слово космохимии? По мнению специалистов, открытие это позволит точнее определять возраст образцов – вычисляя степень воздействия на них солнечного ветра. Наличие неокисленных форм и изменение поверхности планет в результате разрушения этим ветром заметно меняет способность космических тел к отражению света – это также важно учитывать ученым, исследующим просторы Вселенной.

И, наконец, вполне земные перспективы: имитируя солнечный ветер, т. е. бомбардируя ионами поверхность металлических изделий в соответствующих условиях, можно получать практически неподвластный коррозии «щит» из ультрадисперсных частиц. Видимо, этот метод заинтересует специалистов многих отраслей. Вот так Луна и солнечный ветер помогают – несколько неожиданным образом – в решении важных народнохозяйственных проблем.

Связь между солнечными и земными явлениями осуществляется не только посредством электромагнитного излучения, но и за счет плазменных процессов. Важную роль здесь играет магнитосфера Земли. В результате ее взаимодействия с ионосферой образуются мощные электрические токи и зарождаются яркие полярные сияния.

Геофизические явления в высоких широтах Земли и в первую очередь полярные сияния издавна вызывали особый интерес. Уже в начале XVIII века была замечена связь полярных сияний с возмущениями земного магнитного поля. У русских поморов, например, издавна существует своеобразная примета: «на пáзорях матка дурит» (во время полярных сияний невозможно ориентироваться по компасу). М. В. Ломоносов считал, что сияния вызываются движением мельчайших заряженных частиц (электрических корпускул). По мере развития науки и техники вскрывались все более глубокие связи электромагнитных явлений в высоких широтах с явлениями, происходящими в космосе.

Изучение атмосферных процессов в высокоширотных районах сыграло большую роль в развитии науки. Именно здесь в конце прошлого века начались организованные исследования по международным программам с участием ученых многих специальностей. В связи с этими исследованиями был выдвинут ряд идей, которые позднее нашли применение в астрофизике, а также использовались для разработки магнито-гидродинамических методов получения электроэнергии и поисков путей осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Еще до запусков первых искусственных спутников Земли было установлено, что главная причина магнитных бурь и связанных с ними ярких полярных сияний – это мощные потоки плазмы, приходящие от Солнца. Исследования с помощью космических аппаратов, которые ведутся уже более 20 лет и сочетаются с непрерывными измерениями наземными геофизическими станциями и обсерваториями, позволили глубже понять весь комплекс магнитосферных и ионосферных процессов и их роль в жизни и деятельности людей.

Теперь установлено, что атмосфера Солнца непрерывно испускает интенсивные потоки плазмы – солнечный ветер. Солнечная плазма почти идеально проводит электричество, она как бы вытягивает и несет с собой к Земле солнечное магнитное поле. Плазма обтекает Землю и в результате образуется магнитосфера Земли – полость, где сконцентрировано геомагнитное поле (рис. 5). На обращенной к Солнцу стороне граница магнитосферы отстоит от центра Земли примерно на 70 000 км. В противоположном направлении магнитосфера вытягивается на многие миллионы километров, образуя магнитный хвост Земли.

Рис. 5. Структура магнитосферы

В результате слабого взаимодействия межпланетного и земного магнитного полей их силовые линии частично соединяются друг с другом и какая-то доля солнечного ветра и электрическое поле, возникающее в межпланетной среде, проникают в магнитосферу. Существование такого взаимодействия теперь твердо установлено, правда его механизм еще полностью не выяснен. Например, зная характеристики солнечного ветра, мы не можем пока рассчитать электрическое поле в магнитосфере.

Под действием этого поля возникает сложное течение плазмы из хвоста во внутренние области магнитосферы. В самом хвосте образуется сравнительно тонкий плазменный слой, разделяющий области с магнитными полями противоположного знака (в северной половине хвоста силовые линии направлены к Земле, в южной – в противоположную сторону). Мощные электрические токи в плазменном слое замыкаются частично через границу магнитосферы, частично – через дневную часть внешней оболочки Земли. Вследствие этого вблизи экваториальной плоскости вокруг пашей планеты течет кольцевой ток силой в десятки миллионов ампер. Часть его вдоль магнитных силовых линий доходит до Земли и замыкается в ионосфере на высоте 100 – 150 км.

На больших расстояниях от Земли плазма сильно разрежена и имеет высокую температуру (десятки и сотни миллионов градусов). Поэтому она приобретает свойства сверхпроводника: сильные токи не сопровождаются появлением электрических полей. Электрическое поле там связано лишь с движением проводящей среды в магнитном поле. Иная ситуация в ионосфере, расположенной ближе к Земле. Здесь электроны и ионы имеют температуру всего несколько сотен градусов и часто сталкиваются с нейтральными атомами. По этой причине ионосфера обладает большим электрическим сопротивлением, и электрические токи наводят в ней заметные разности потенциалов. Вдоль магнитных силовых линий возмущения электрического поля распространяются на большие высоты и, в свою очередь, изменяют характер движения горячей разреженной плазмы.

Таким образом, магнитосфера и ионосфера сильно взаимодействуют друг с другом и образуют единую электрическую систему. Солнечно-земные связи имеют, следовательно, довольно сложный характер: солнечный ветер формирует магнитосферу и ее электрическое поле, а процессы магнитосферно-ионосферного взаимодействия порождают систему токов и электрических полей, охватывающих все околоземное пространство.

Процессы в межпланетной среде и в магнитосфере, как уже говорилось, могут приводить к геомагнитным возмущениям, которые мешают навигации и устойчивой радиосвязи. В последние годы появились новые данные, свидетельствующие о возможном взаимодействии этих процессов на земную атмосферу и биосферу. По-видимому, возмущения приводят к образованию циклонов и антициклонов в полярных шапках Земли и как будто бы ухудшают состояние людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. Какая тут связь, еще неясно. Однако, например, известно, что во время магнитных бурь магнитосфера начинает генерировать интенсивные электромагнитные колебания с периодами около 1 с. Пока нельзя исключить возможность своеобразного резонанса этих колебаний с электрическими потенциалами сердца и мозга, имеющими такие же периоды.

Многолетние систематические исследования показали, что наиболее сильные возмущения геомагнитного поля и яркие полярные сияния концентрируются в двух кольцевых зонах в ионосфере, расположенных вблизи северного и южного геомагнитных полюсов. Вдоль этих зон шириной в сотни километров, получивших название авроральных овалов, навстречу друг другу текут две мощные токовые струи. Токи струй замыкаются частично через полярные шапки, частично – через низкоширотные районы Земли. Возмущения магнитного поля под струями даже в самых спокойных условиях достигают таких размеров, которые вблизи экватора бывают лишь в периоды сильнейших магнитных бурь.

В области авроральных овалов наблюдаются различные формы полярных сияний, в том числе протонные сияния, которые возбуждаются атомами водорода, движущимися к Земле со скоростью около 1000 км/с. Наиболее интенсивные формы сияний – узкие однородные дуги – располагаются на границах этих зон. Спутниковые измерения показывают, что в районе однородных дуг вдоль магнитных силовых линий к Земле подходят мощные потоки электронов с энергией в несколько килоэлектронвольт.

В спокойных условиях граница овала на дневной стороне проходит от полюса примерно в 10° по широте, на ночной – в 20°. Но, как правило, несколько раз в сутки эта картина нарушается. Ее искажает суббуря. Вначале овалы медленно «сползают» к более низким широтам. Это сопровождается некоторым ослаблением тока в струях и яркости сияний. Затем дуги сияний на высокоширотных границах внезапно вспыхивают и быстро смещаются в направлении полюса. Ток в струях и возмущения магнитного поля на Земле резко возрастают. Примерно через час возмущения затухают и восстанавливается исходная картина.

Мощность суббурь особенно велика после вспышек на Солнце. Границы овалов в этих случаях могут «сползать» до широты Москвы, а иногда даже и до средиземноморских широт. Возмущения магнитного поля достигают колоссальных размеров – они составляют десятки процентов от общего поля Земли. Развитие суббури сопровождается многими необычными явлениями. Например, резко изменяется структура поля ионосферы: в одних местах возрастает электронная концентрация и усиливается поглощение радиоволн, в других – «отсасываются» электроны и становится неоднородным или вовсе исчезает «зеркало», отражающее радиоволны. Из магнитосферы в полярную ионосферу начинают поступать электромагнитные волны различных периодов.

Более 10 лот назад стало ясно, что авроральные овалы – это как бы спроектированные на ионосферу (вдоль магнитных силовых линий) области магнитосферы, где имеется горячая плазма, т. е. плазменный слой в ее хвосте, кольцевой ток и своеобразная «трещина» в магнитном панцире Земли, через которую свободно проникает и доходит до ионосферы солнечная плазма. Суббури как раз и связаны с изменениями структуры этих районов. К такому выводу независимо пришли многие ученые, специалисты по различным вопросам физики ионосферы и магнитосферы. Автор статьи сформулировал эту концепцию на основе изучения радиационных поясов Земли. Для объяснения некоторых особенностей инжекции электронов во внешний радиационный пояс необходимо было предположить, что существуют процессы, при которых магнитные силовые линии на внешнем краю пояса сначала вытягиваются далеко в хвост магнитосферы, а затем быстро возвращаются обратно. С точки зрения физики плазмы вытягивание силовых линий в хвост связано с тем, что в соответствующих районах увеличивается давление газа заряженных частиц. Характерная особенность процессов такого типа – асимметрия по долготе, поскольку плазменный слой существует лишь на ночной стороне Земли. Асимметрия, а также нестационарность процессов и порождают магнитосферно-ионосферное взаимодействие.

Механизм взаимодействия становится особенно наглядным, если рассматривать явления, происходящие вблизи внутренней границы кольцевого тока и, соответственно, низкоширотных границ овалов. Магнитное поле Земли здесь слабо искажено и близко к дипольному. Из-за неоднородности поля в пространстве заряженные частицы дрейфуют вокруг Земли. Скорость дрейфа пропорциональна энергии частиц, а его направление зависит от знака заряда.

Поскольку граница плазмы несимметрична относительно магнитной оси Земли, за счет такого дрейфа она поляризуется. И когда на ночной стороне граница будет ближе к Земле, чем на дневной, на утренней стороне магнитосферы появится отрицательный, а на вечерней – положительный заряд. Если бы поляризация ничем не компенсировалась, то за несколько минут (при тех высоких давлении и температуре плазмы, которые характерны для кольцевого тока) возникла бы колоссальная разность потенциалов – порядка миллиарда вольт. В действительности этого не происходит: избыток электронов на утренней стороне сбрасывается вдоль силовых линий в ионосферу, а недостаток на вечерней компенсируется притоком из нее электронов.

В итоге вдоль силовых линий между магнитосферой и ионосферой Земли текут токи. Система вертикальных токов состоит из четырех струй, сила тока в каждой из них достигает сотен тысяч ампер. На вечерней стороне ток направлен к Земле, на утренней – в противоположную сторону. Процессы, приводящие к образованию аналогичных токов у высокоширотной границы овала, не столь наглядны, поскольку здесь магнитное поле сильно искажено давлением плазмы. Конечный результат тот же, только знаки токов меняются (на утренней стороне ток направлен к Земле, на вечерней – в магнитосферу).

Таким образом, на обеих границах овалов полярных сияний существует пара направленных в противоположные стороны вертикальных токов, которые замыкаются в ионосфере через овалы. Эта токовая система представляет собой гигантский соленоид, из которого возмущение магнитного поля почти не выходит наружу. Однако при замыкании токов через овалы между высокоширотной и низкоширотной их границами возникает электрическое напряжение в несколько десятков тысяч вольт. Тогда, помимо обычного тока, в ионосфере образуется ток Холла, создаваемый магнитным полем. Он направлен перпендикулярно к электрическому и магнитному полю и образует струи, ориентированные вдоль овала. С этими токовыми струями главным образом и связаны магнитные возмущения на поверхности Земли.

Система магнитосфера – ионосфера обладает необычными с точки зрения общепринятых представлений свойствами. Известно, что переменному электромагнитному полю тем труднее проникнуть в проводник, чем выше частота поля. В случае данной системы ситуация обратная. Если отрезок времени, за который меняется электрическое поле в хвосте магнитосферы, заметно превышает несколько минут, это изменение практически не распространяется на низкие широты – ему препятствует овал.

Конечно, рассмотренная схема процессов дает лишь упрощенное представление о магнитосферно-ионосферном взаимодействии. В действительности же картина значительно сложнее. Ее усложняет то, что сопротивление ионосферы весьма неоднородно. В настоящее время разработана теория, позволяющая учесть и такие эффекты. Теория хорошо подтверждается экспериментами на спутниках. В частности, удалось доказать, что токи вдоль силовых линий играют фундаментальную роль в динамике авроральных овалов.

Однородные дуги полярных сияний, как правило, располагаются у границ овалов. К областям, где наблюдаются дуги, из магнитосферы приходят мощные потоки электронов высокой энергии. Такие потоки зарегистрированы лишь на высотах до нескольких тысяч километров. За пределами этих высот энергии основной массы электронов и их потоки в среднем в несколько раз меньше, чем над дугами.

Энергичные электроны, сталкиваясь с атомами нейтрального газа атмосферы, «выбивают» из них электроны. Такие «вторичные» электроны способны возбудить нейтральные атомы и молекулы, которые, возвращаясь к основному состоянию, излучают кванты света. В некоторых случаях возбуждение нейтральных частиц связано с процессом их ионизации. Таким образом, небольшие потоки энергичных электронов вызывают лишь слабое свечение ночного неба, которое можно регистрировать только чувствительными приборами. В области дуг сияний приходящие потоки электронов столь велики, что свечение заметно на фоне Луны, а наиболее яркие сияния создают освещенность такую же, как и Луна.

Что же приводит к столь резкой концентрации энергичных электронов в районе сияний? Ответ на этот вопрос дает концепция ионосферно-магнитосферного взаимодействия. Отметим, прежде всего, что яркие дуги совпадают с областями, где из ионосферы вдоль магнитных силовых линий вытекают токи. Создающие их электроны приходят сюда с больших высот. Сила токов столь велика, что ее не может обеспечить происходящее здесь «высыпание» электронов. Дополнительное ускорение электроны получают на довольно больших высотах (в несколько тысяч километров от поверхности Земли), где благодаря ослаблению напряженности поля силовые линии расходятся и образуют гигантскую «воронку». Попадая в нее, электроны ускоряются электрическим полем вдоль силовых линий и затем, по мере приближения к Земле, фокусируются. Совместное действие ускорения и фокусировки приводит к мощным потокам электронов, без которых невозможно поддерживать токи вдоль силовых линий. Этими интенсивными потоками и создаются яркие дуги сияний.

Детальная теория описанных явлений, развитая автором совместно с Е. Е. Антоновой, показывает, что из «воронки» должен вытекать наверх интенсивный поток ускоренных ионосферных ионов. Во время сильных магнитных бурь благодаря такой инжекции в магнитосферу будет накачиваться большое количество энергичных ионов кислорода, которые практически отсутствуют в солнечной плазме. Такой эффект был обнаружен и экспериментально с помощью спутников Земли. Явление это невозможно объяснить вне рамок концепции магнитосферно-ионосферпого взаимодействия.

Радиационные пояса наполнены заряженными частицами, которые «сортируются» в соответствии с их энергией и массой. На характер распределения частиц сильно влияют возмущения магнитного поля Земли.

В околоземном космическом пространстве есть области, где потоки заряженных частиц велики. Области эти как бы опоясывают Землю и потому получили название радиационных поясов (рис. 6). Возникают они потому, что земное магнитное поле служит своеобразной ловушкой для частиц. Оно захватывает их и удерживает долгое время. Согласно расчетам, частицы «живут» там иногда до 100 лет. На расстоянии от Земли, сравнимом с ее радиусом, плотность вещества мала, и движущиеся частицы, не встречая существенного сопротивления, очень медленно теряют энергию.

Рис. 6. Радиационные пояса Земли

Напряженность магнитного поля Земли относительно невелика, зато простирается оно на многие тысячи километров. Поэтому даже частицы высоких энергий, вплоть до миллиардов электронвольт, движутся по сильно искривленным траекториям, которые навиваются на силовые линии поля (один оборот частицы малой энергии вокруг силовой линии длится миллионные доли секунды). Частица, начавшая свой путь, скажем, в северном полушарии, двигаясь вдоль силовой линии, сначала удаляется от Земли. Приближаясь к Земле в южном полушарии, она попадет в область возрастающего магнитного поля и ее движение изменится. В результате частица «отразится» и начнет двигаться в обратном направлении. На путешествие из северного полушария в южное и обратно она затратит менее 1 с. Поскольку с удалением от Земли магнитное поле ослабевает, более далекий участок траектории частицы имеет меньшую кривизну. Это приводит к тому, что траектории положительно заряженных частиц смещаются к западу, а отрицательно заряженных – к востоку. Таким образом, частицы совершают путешествие еще и вокруг Земли. Время, затрачиваемое на такое путешествие, зависит от энергии частицы и от того, насколько она удалена от центра Земли. Например, протону с энергией 1 МэВ, находящемуся от центра Земли на расстоянии четырех ее радиусов, понадобится около 10 мин, чтобы сделать полный оборот вокруг Земли. Итак, в земном магнитном поле частица совершает сложные движения – она вращается вокруг магнитной силовой линии, движется вдоль нее из северного полушария в южное и обратно и дрейфует вокруг Земли.

Если бы магнитное поле не изменялось со временем, геомагнитная ловушка была бы идеальной, и частица остановилась бы только в том случае, если бы потеряла энергию. В действительности же вариации магнитного поля изменяют траектории частиц. Некоторые частицы «утыкаются» в плотные слои земной атмосферы и быстро теряют энергию. Траектории частиц могут также перемещаться – удаляться или приближаться к Земле.

По мере приближения к Земле магнитное поле настолько сильно возрастает, что на расстоянии менее одного радиуса его относительное изменение со временем становится несущественным. Поэтому частицы здесь удерживаются длительное время и их потоки характеризуются большим постоянством. В удаленных от Земли областях потоки частиц быстро изменяются. Эти изменения можно связать с процессами, происходящими на Солнце. Солнечный ветер бомбардирует земное магнитное поле и может полностью его уничтожить на больших расстояниях от Земли. Но вблизи нее, где плотность энергии магнитного поля резко возрастает, солнечный ветер не в состоянии изменить интенсивность магнитного поля. Он огибает Землю, формируя полость с размерами порядка 10 земных радиусов – магнитосферу Земли. От невозмущенного межпланетного пространства ее отделяет ударная волна – за ней межпланетное пространство совершенно не «чувствует» присутствия земного магнитного поля. Энергия, которую песет солнечный ветер, весьма непостоянна, так как зависит от солнечной активности, следовательно, непостоянно и магнитное поле внутри магнитосферы. В связи с этим, траектории частиц и их энергия претерпевают существенные изменения. Это приводит, с одной стороны, к гибели частиц, а с другой – к увеличению их энергии.

В радиационных поясах обнаружены различные частицы: электроны, протоны, ионы гелия, ионы кислорода. Несомненно, хотя и в меньшем количестве, там должны присутствовать другие частицы.

Протоны радиационных поясов распределены в соответствии с их энергией. Чем больше энергия, тем ближе к Земле расположена область, которую они заполняют. Это указывает на одну из важнейших причин ускорения частиц в радиационных поясах. Если почему-либо протоны будут перемещаться к Земле (напомним, что при этом они будут попадать в более сильное магнитное поле) поперек магнитных силовых линий, энергия их будет возрастать. Все происходит так же, как в ускорителях частиц – бетатронах: магнитное поле возрастает и возникает электрическое поле, которое и ускоряет частицы.

Как изменяются потоки высокоэнергичных протонов, ионов гелия и ионов кислорода с удалением от Земли? Оказывается, чем больше масса частицы, тем дальше от Земли такие частицы наблюдаются. Что же мешает частицам продиффундировать ближе к Земле? Частицы разных масс (если энергия их приблизительно одинакова) различаются величиной потери энергии на единицу пути. Чем больше масса частицы, тем больше энергии она теряет. Вот почему ионам гелия и кислорода не удается подойти к Земле так близко, как это могут сделать протоны.

А чем вызвана диффузия частиц поперек магнитных силовых линий? Профессор Б. А. Тверской создал теорию радиационных поясов, которая опирается на тот факт, что в геомагнитном поле довольно часто возникают внезапные импульсы. В течение 2 мин интенсивность поля быстро возрастает (или падает), а затем медленно, примерно за час, возвращается к исходному уровню. Как уже говорилось, частицы с энергией около 1 МэВ совершают оборот вокруг Земли за 10 мин. Такой промежуток времени заключен как раз между временем нарастания и спада интенсивности поля при внезапных импульсах. Поэтому во время внезапного импульса происходят необратимые изменения траекторий частиц.

Если бы внезапный импульс был намного короче, чем время оборота частиц вокруг Земли, такого явления не существовало бы и изменения траектории частицы в период нарастания и спада интенсивности магнитного поля взаимно скомпенсировали бы друг друга. Если бы внезапный импульс протекал во много раз дольше, чем время путешествия частиц вокруг Земли, то траектории частиц, следуя за изменением интенсивности магнитного поля, изменялись бы медленно и никакого смещения траекторий частиц поперек магнитных силовых линий не наблюдалось бы. Поскольку внезапный импульс создает необратимые изменения траекторий частиц с энергией порядка 1 МэВ, то эти частицы диффундируют поперек магнитных силовых линий, что приводит их к бетатронному ускорению. По теории Тверского коэффициент диффузии возрастает, как десятая степень расстояния до центра Земли, а максимум потока частиц сконцентрирован в области, где время их жизни (за которое они теряют энергию) примерно равно времени их продвижения от внешней границы радиационных поясов к Земле. Чем выше энергия частиц, тем дольше они «живут» и, следовательно, тем ближе к Земле они успевают проникнуть.

Ближе всего к Земле расположена область, где существуют протоны очень высоких энергий – 100 и даже 500 МэВ. Эти частицы не могут ускоряться за счет бетатронного механизма – они порождаются частицами высоких энергий, входящих в состав космических лучей, которые, бомбардируя верхние слои земной атмосферы, расщепляют атомные ядра. В результате возникают нейтроны, энергия которых иногда превосходит даже миллиард электронвольт. Не обладая электрическим зарядом, нейтроны свободно проходят сквозь земное магнитное поле. Но эти частицы неустойчивы и распадаются примерно за 1000 с. Некоторые из них распадаются близко к Земле и порождают протоны, электроны и антинейтрино. Протоны и электроны попадают в геомагнитную ловушку.

Но почему протоны с энергией более 100 МэВ существуют лишь на расстояниях, не превышающих 2,5 радиуса Земли? Объяснение дает та же теория Тверского. Благодаря диффузии частиц, вызванной внезапными импульсами магнитного поля, протоны с энергией более 100 МэВ «вымываются» из радиационных поясов. Поскольку коэффициент диффузии растет пропорционально десятой степени расстояния от центра Земли, то вблизи нее время «вымывания» уже приближается к 100 годам. А за столь длительный срок даже с помощью такого слабого агента, как космические лучи, можно «накачать» в радиационные пояса так много протонов большой энергии, что их поток превысит поток космических лучей в тысячи раз.

До сих пор мы рассматривали поведение протонов в радиационных поясах. А как ведут себя там электроны? Наблюдения показывают, что электроны малых энергий занимают обширную область, тогда как высокоэнергичные электроны встречаются в сравнительно ограниченной области, разделенной на две части. Одна из них – внутренний радиационный пояс, другая – внешний. Резкие изменения интенсивности магнитного поля приводят к тому, что поток электронов уменьшается вблизи Земли, но зато сильно возрастает на больших расстояниях от нее. Затем в результате диффузии область повышенной интенсивности электронов в виде диффузионной волны перемещается в направлении Земли.

По теории Б. А. Тверского можно рассчитать, как зависит скорость радиальной диффузии от расстояния до центра Земли. В связи с тем, что коэффициент диффузии сильно возрастает с удалением от Земли, скорость радиальной диффузии тоже резко растет с увеличением расстояния от центра Земли.

Кроме сравнительно медленного продвижения частиц к Земле за счет диффузии, во время магнитных бурь происходит быстрая инжекция электронов. В результате зазор между внешним радиационным поясом (на расстоянии 3 – 7 земных радиусов) и внутренним (на расстоянии менее трех земных радиусов) заполняется электронами. По окончании магнитной бури картина поясов восстанавливается – вновь между внутренним и внешним радиационными поясами появляется зазор.

Что же приводит к гибели электронов в этой области после магнитной бури? Академик Р. 3. Сагдеев и В. Д. Шафранов предсказали, что если существует анизотропия в угловом распределении частиц плазмы, то должна возникать неустойчивость. В радиационных поясах такая анизотропия в распределении электронов приводит к тому, что появляются особые волны – свистящие атмосферики. Они получили свое название по характеру сигнала, который при звуковом восприятии напоминает свист. Волны эти распространяются вдоль силовых линий из северного полушария в южное и обратно. Происходит это из-за неравномерной плотности вещества и существования своеобразных вытянутых вдоль силовых линий волокон, которые играют роль волноводов для свистящих атмосфериков. Отражаясь от ионосферы, волны частично теряют свою интенсивность. Таким образом, создается следующая цепочка явлений: потоки электронов порождают волны, волны отражаются от ионосферы и воздействуют на электроны, что приводит к гибели тех электронов, которые «утыкаются» в плотные слои земной атмосферы. Больше всего электронов гибнет как раз в зазоре между поясами.

Наблюдение потоков электронов в искусственном радиационном поясе, который был создан в результате ядерных взрывов, проведенных США на больших высотах, показало, что вблизи Земли (на расстояниях менее двух радиусов от ее центра) среднее время жизни электронов велико и исчисляется иногда годами. В зазоре между поясами электроны «живут» всего несколько суток. В областях же, удаленных от Земли, например, на 5 радиусов, время жизни этих частиц превышает 10 сут.

Явления, происходящие в радиационных поясах, весьма сложны. И все-таки многие из них уже удалось понять и даже создать количественную теорию. Теперь желательно от наблюдений всей совокупности явлений перейти к активному экспериментированию. Это можно сделать, например, путем инжекции ионов лития или европия, практически отсутствующих в земной атмосфере и на Солнце. Наблюдая изменения их траекторий и энергии, можно получить новые интересные сведения о радиационных поясах Земли.

25 сентября 1979 г. в Советском Союзе произведен запуск очередного искусственного спутника Земли «Космос-1129».

На борту спутника, предназначенного для продолжения исследований влияния факторов космического полета на живые организмы, установлены экспериментальные системы с различными биологическими объектами, а также радиационно-физическая аппаратура.

На спутнике размещены биологические объекты и научная аппаратура Советского Союза, Чехословацкой Социалистической Республики, Соединенных Штатов Америки и Франции.

В исследовании экспериментального биологического материала также примут участие специалисты Народной Республики Болгарии, Венгерской Народной Республики, Германской Демократической Республики, Польской Народной Республики и Социалистической Республики Румынии.

Спутник выведен на орбиту с параметрами:

– максимальное расстояние от поверхности Земли (в апогее) – 406 километров;

– минимальное расстояние от поверхности Земли (в перигее) – 226 километров;

– начальный период обращения – 90,5 минуты;

– наклонение орбиты – 62,8 градуса.

Кроме научной аппаратуры, на спутнике имеются: радиосистема для точного измерения элементов орбиты, радиотелеметрическая система для передачи на Землю данных о работе приборов и научной аппаратуры.

Установленная на спутнике аппаратура работает нормально. Координационно-вычислительный центр ведет обработку поступающей информации.

Среди советских искусственных спутников Земли видное место занимают биологические. Результаты исследований, проводимых с их помощью, позволяют планомерно совершенствовать методы и средства медико-биологического обеспечения длительных космических полетов человека, обогащать науку новыми уникальными данными.

В период с 1973 по 1977 г. в космосе побывали четыре советских биоспутника – «Космос-605, -690, -782 и 936». Эксперименты на новом биоспутнике – «Космос-1129» являются развитием ранее намеченной программы, предусматривающей изучение процессов жизнедеятельности в условиях космического полета, исследование влияния факторов полета на различные системы организма, создание эффективных мер профилактики и защиты его от неблагоприятного воздействия этих факторов.

Основная задача нынешних экспериментов – дальнейшее изучение механизмов приспособления организма к невесомости и реадаптации к силе земной тяжести после полета. В качестве подопытных животных используются белые крысы, выращенные в «особо чистых» условиях специалистами Института эндокринологии Словацкой Академии наук (ЧССР). Окончательный отбор и подготовка животных к полету проведены в Институте медико-биологических проблем Минздрава СССР. Всестороннему анализу будут подвергнуты системы организмов, органы, ткани, клетки. Широко будут использованы современные методы исследования, в большинстве своем недоступные при проведении медицинских исследований на людях.

На борту спутника находятся 38 крыс. 30 из них размещены в индивидуальных «помещениях» научной аппаратуры, аналогичных использовавшимся ранее. В них автоматически обеспечиваются 4-разовое кормление, водоснабжение, вентиляция регенерированным воздухом, удаление отходов жизнедеятельности, освещение и т. д. Оперативная оценка состояния животных и получение научной информации осуществляются с помощью электронной системы контроля двигательной активности, а также по сигналам вживленных некоторым животным миниатюрных устройств, измеряющих температуру тела.

Дальнейшее увеличение длительности полетов и усложнение программы работ человека в космосе связаны с повышением нагрузок на центральную нервную систему. Для объективной оценки ее резервов и работоспособности важно исследовать в аналогичных условиях динамику нервных процессов в головном мозгу животных, поведение которых не осложнено социальными факторами – такими, например, как чувство ответственности, долга, которые в значительной мере стимулируют высокую работоспособность космонавтов. Изучение состояния высших отделов головного мозга животных в длительном полете (эксперимент «Поведение») проводится впервые.

Будет исследован также характер перестройки суточной периодики некоторых физиологических процессов у животных, что дополнит новыми данными результаты исследований, проводимых в длительных полетах человека.

Есть основания считать, что к необычным факторам окружающей среды организм наиболее чувствителен в ранний, эмбриональный период развития. В эксперименте «Онтогенез» впервые делается попытка определить возможности оплодотворения и развития зародыша у млекопитающих в условиях невесомости. С этой целью на борту спутника установлен блок-виварий, состоящий из двух секций, разделенных прозрачной перегородкой. В нем содержатся шесть самок и два самца. На третий день полета открытием по команде с Земли «люков» в перегородке будет разрешено общение разнополых животных. После завершения полета предполагается получить потомство крыс, прошедших основные этапы эмбрионального развития в невесомости. Ставится задача исследовать состояние организма новорожденных, выявить возможные аномалии развития, оценить темпы их роста и жизнеспособность. Предполагается также путем скрещивания этих животных получить и исследовать следующее поколение.

Изучению хода эмбрионального развития в невесомости посвящен также эксперимент, проводимый совместно учеными СССР и ЧССР при участии специалистов США. Во время полета предполагается инкубировать 60 яиц японского перепела. Необходимые условия для этого будут автоматически обеспечиваться внутри бортового инкубатора, созданного в ЧССР.

С помощью другого чехословацкого прибора будет проведено дальнейшее изучение процессов теплообмена в невесомости, имеющих важное значение при разработке систем жизнеобеспечения.

Задача эксперимента «Гравитационная преференция» – определить, какую по величине силу тяжести, созданную вращающейся центрифугой, предпочитают животные для жизни и развития своего потомства. Ответить на этот вопрос предстоит плодовым мушкам-дрозофилам, которым во время полета будет предоставлена возможность по своему усмотрению выбрать место для откладывания яиц в любой из трех зон с разными величинами искусственной силы тяжести.

На автоматической установке для выращивания высших растений из семян с помощью фотосъемки будет изучаться влияние факторов космического полета на формирование и динамику роста кукурузы, льна, хибинской капусты и других растений.

До настоящего времени не выяснено, влияет ли невесомость на скорость размножения клеток. Решению этой задачи посвящен эксперимент на культивируемых вне организма живых клетках.

Подготовленные специалистами США и проводимые совместно с советскими учеными эксперименты с культурами растительных клеток имеют цель подтвердить способность изолированных соматических клеток растений к нормальному развитию в невесомости от эмбриона до взрослого организма, а также исследовать интенсивность обмена веществ в опухолевых растительных клетках.

Советско-французским радиобиологическим экспериментом «Биоблок» будут продолжены начатые в предыдущих полетах биоспутников работы по оценке радиационной опасности тяжелых ядер галактического космического излучения. Определение характеристик потоков этого вида излучений внутри биоспутника с помощью советских и американских дозиметров составляет задачу другого эксперимента, проводимого совместно специалистами СССР и США.

Основной частью радиационно-физических исследований на биоспутнике является дальнейшее изучение электростатической защиты от воздействия заряженных частиц космического пространства. В ходе нового эксперимента предстоит впервые оценить работоспособность установленного на приборном отсеке спутника унифицированного модуля электростатической защиты при рабочем напряжении на электроде 300 кВ. С помощью подобных модулей в дальнейшем можно будет экранировать наиболее уязвимые в радиационном отношении части космических аппаратов любой формы.

Экспериментами на очередном советском биоспутнике «Космос» продолжено сотрудничество ученых СССР и ряда социалистических стран, а также США и Франции в рамках программы «Интеркосмос». Это новый вклад в укрепление дружбы между народами, углубление процесса разрядки напряженности во взаимоотношениях между государствами.

14 октября завершился 19-суточный полет биоспутника «Космос-1129». Обитатели биологической лаборатории – млекопитающие животные (крысы), насекомые, растения, культуры клеток возвращены на Землю. В течение всего полета специалисты на Земле получали подробную информацию с борта биолаборатории.

Как сообщили корреспонденту ТАСС в Институте медико-биологических проблем Минздрава СССР (ИМБП), на месте посадки была оперативно развернута полевая лаборатория – огромный надувной ангар, состоящий из нескольких герметично соединенных между собой палаток. После предварительного осмотра специалисты – морфологи, биохимики, физиологи – провели первые исследования. Несколько часов продолжалась работа «в поле» и подготовка «космических путешественников» к отправке в Москву, в ИМБП, где собрались ученые из различных научных учреждений Советского Союза, НРБ, ВНР, ГДР, ПНР, ЧССР, США и Франции. После предварительной оценки полученных результатов часть материала поступит в научные лаборатории стран, участвующих в проведении эксперимента.

* Назначение: 1 – исследования космического пространства; 2 – отработка методов получения информации о Мировом океане; 3 – исследования природных ресурсов Земли; 4 – исследования влияния факторов космического полета на живые организмы.