«Земля и Вселенная» 2002 №4, с. 39-46

Выдающийся российский ученый, крупный специалист в области магнитосферных исследований, доктор физико-математических наук, лауреат Государственной премии профессор Ю.И. Гальперин скоропостижно скончался 28 декабря 2001 г. В сентябре 2002 г. ему исполнилось бы 70 лет. Начав свою научную жизнь с оптических наблюдений полярных сияний с поверхности Земли, он одним из первых перешел к исследованию околоземного космического пространства со спутников. Со времени образования Института космических исследований РАН он заведовал там лабораторией "Физики авроральных явлений".

Юрий Ильич опубликовал более 200 статей и входил в коллектив авторов трех монографий по экспериментальной космической физике.

Ю.И. Гальперин являлся членом Международного астрономического союза (с 1957 г.), Международной академии астронавтики (с 1974 г.), Американского геофизического союза (с 1974 г.), членом-учредителем Европейского астрономического союза (с 1990 г.). Многие научные группы в разных городах нашей страны, в частности в Калининграде, Могилеве, Мурманске, Якутске, обязаны ему своими успехами. Его энциклопедические знания охватывали практически все направления науки о космосе.

Ю.И. Гальперин на семинаре в ИКИ (ноябрь 1999 г.).

Юрий Ильич родился 14 сентября 1932 г. в Москве. Его отец, Илья Романович Гальперин, известный лингвист, был профессором английского языка и литературы Института иностранных языков. Мать, Надежда Михайловна Гальперина, преподавала в том же институте французский язык. Благодаря родителям он свободно владел английским и французским языками и уже в школьные годы читал Шекспира в подлиннике.

Однако он выбрал астрономию, возможно самую поэтическую из точных наук, и в 1950 г. поступил на астрономическое отделение механико-математического факультета Московского государственного университета. Его любимым учителем в университете был Иосиф Самойлович Шкловский, в то время увлеченно занимавшийся свечением верхней атмосферы Земли. По окончании университета Ю.И. Гальперин был направлен в Институт физики атмосферы в отдел верхней атмосферы, где работал И.С. Шкловский и которым руководил В.И. Красовский. Такой союз двух крупных ученых во многом определил направления исследований в Институте и способствовал росту в нем молодых специалистов. Оба руководителя Ю.И. Гальперина ценили в своем ученике самостоятельность, эрудицию, физическую интуицию и талант.

В это время во всех странах шла подготовка к Международному геофизическому году (Земля и Вселенная, 1999, № 5) - координированным наблюдениям геофизических явлений в 1957-59 гг. Институт физики атмосферы организовал три наблюдательные станции: Лопарская (за полярным кругом), Рощино (близ Ленинграда) и Звенигород (под Москвой). Они были оснащены светосильными спектрографами высокого разрешения, разработанными в Государственном оптическом институте и превосходившими по своим характеристикам аппаратуру, существовавшую тогда в мировой практике. На каждой из наблюдательных станций Института было установлено по три спектрографа, предназначенных для регистрации видимой, ближней ультрафиолетовой и ближней инфракрасной областей спектра.

Визит в 1957 г. на станцию ИФА в Звенигороде Сиднея Чепмена, основоположника науки о магнитосфере и организатора Международного геофизического года. Ю.И. Гальперин и В.И. Красовский демонстрируют гостю спектрограф СП-48. Для защиты от росы спектрограф помещен в ящик с внутренним подогревом. Выбор азимута осуществлялся вращением турели вокруг вертикальной оси, выбор зенитного угла — поворотом бленды с укрепленным на ней плоским зеркалом.

Самые интересные материалы были собраны на станции Лопарская, где Юрий Ильич провел три наблюдательных сезона. Ему удалось зарегистрировать множество спектров полярных сияний и классифицировать их. Особенное внимание он уделял широкой водородной линии Н_α. К этому времени во всем мире было получено только 5 таких спектров; он добавил еще 17. Профиль линии отражал дисперсию скоростей вторгающихся в верхнюю атмосферу протонов, испытавших перезарядку с водородными атомами, и позволял судить об их функции распределения. На основе этих измерений Ю.И. Гальперин доказал, что авроральные протоны вторгаются из магнитосферы, а не из "солнечных корпускулярных потоков", как тогда считалось. Этой проблеме была посвящена кандидатская диссертация Юрия Ильича.

В Лопарской он наблюдал множество разнообразных полярных сияний и восхищался их красотой и загадочностью. Он говорил, что каждый теоретик должен провести сезон на обсерватории, чтобы увидеть собственными глазами те явления, которые собирается объяснить. В наше время многие из них объяснены, и Юрий Ильич внес в это немалый вклад.

С наступлением спутниковой эры отдел В.И. Красовского сразу же включился в разработку космической аппаратуры. Среди первых в отделе был создан прибор для измерения частиц малых энергий. Под такими энергиями понималась энергия около 10 кэВ, что следовало из измерения высоты полярных сияний. Прибор был установлен на III ИСЗ, запущенном 15 мая 1958 г. Измерения показали, что подобные "мягкие" частицы достаточно интенсивны и имеют распределение по углам относительно магнитного поля, характерное для частиц, захваченных в геомагнитную ловушку. По современной терминологии, это частицы кольцевого тока. Тогда это стало сенсационным научным результатом, противоречившим представлениям об определяющей роли сравнительно маломощного источника — высокоэнергичных частиц космических лучей.

В 1961-62 гг. отдел В.И. Красовского выполнил два больших эксперимента на спутниках "Космос-3" и "Космос-5". Было проведено много измерений частиц малых энергий над овалом полярных сияний, а также фотоэлектронов с энергиями более 30 эВ. Однако после объявления в печати о готовящемся высотном американском термоядерном взрыве "Starfish" ("Морская звезда"), эта программа была срочно переориентирована на исследование его воздействия на магнитосферу. "Космос-5", единственный из всех спутников, смог зарегистрировать эффекты, возникшие в момент взрыва. Измерения полностью изменившейся внутренней магнитосферы выполнялись до весны 1963 г. и были продолжены на спутниках "Электрон-1" и "Электрон-2". Интерпретации этих измерений посвящена докторская диссертация Юрия Ильича. Он воссоздал физическую картину формирования возникшего при взрыве искусственного радиационного пояса, его характеристики и время распада, обнаружил ряд новых явлений ("γ-заря" — рассеяние γ-излучения за горизонт, длительное сохранение ионов тяжелых ядер вследствие вертикального дрейфа в экваториальной ионосферной аномалии; прорыв горячей плазмы вверх в экваториальной зоне и др.).

В 1967 г. образован Институт космических исследований АН СССР (Земля и Вселенная, 2000, № 5). В него перевели из разных институтов научные группы, занимающиеся космической тематикой, и, в частности, группу из отдела В.И. Красовского во главе с Ю.И. Гальпериным. На ее основе Юрий Ильич создал лабораторию "Физики авроральных явлений" и бессменно руководил этой лабораторией.

К 1967 г., еще в ИФА, лабораторией был подготовлен большой эксперимент по исследованию частиц полярных сияний с комплексом аппаратуры, полностью занявшим целый спутник. Предыдущие спутники "Космос-3", "Космос-5" и другие запускались с полигона Капустин Яр под Волгоградом (тогда еще Сталинградом), наклонение их орбиты составляло 49°, и поэтому овала полярных сияний спутник достигал лишь над Северной Америкой и южнее Австралии. Для того чтобы спутник пересекал авроральный овал и полярную шапку, необходим больший угол наклонения. Такие орбиты возможны при запуске с космодрома Плесецк. Коллектив лаборатории с фактически готовым комплексом аппаратуры ждал, когда введут в действие этот космодром, рискуя потерять спутник — его могли передать другой группе. Но риск был оправдан — такая орбита значительно расширяла возможности наблюдений.

Спутник "Космос-261" запущен 20 декабря 1968 г., второй спутник с идентичной аппаратурой, "Космос-348", — 13 июня 1970 г.

С "Космоса-261", в сущности, началось международное сотрудничество по программе "Интеркосмос" (программа сотрудничества ряда европейских стран с СССР в области исследований космического пространства). На этом спутнике была установлена только отечественная аппаратура. В странах, участвовавших в программе, синхронно со спутниковыми проводились наземные измерения характеристик ионосферы и термосферы, затем бортовые и наземные измерения совместно анализировались. Так же была организована совместная работа на спутнике "Космос-348". В этих экспериментах обнаружена диффузная авроральная зона — крупномасштабное высыпание электронов малых энергий к экватору от овала полярных сияний.

Ю.И. Гальперин всегда стремился к тому, чтобы установленная на спутнике аппаратура представляла единый комплекс, призванный проводить разносторонние исследования по общей программе, а не была случайным набором инструментов.

На четырех спутниках серии "Космос" была установлена только советская, а на последующих трех: "Ореол-1" (1971-72), "Ореол-2" (1973-74), "Ореол-3" (1981-86) — советско-французская аппаратура. Работы проводились в рамках советско-французского проекта "АРКАД". Старый друг Юрия Ильича Жан-Жак Бертелье писал о нем: "Те, кто участвовал в советско-французском космическом сотрудничестве, считают, что Юрий лучше всех олицетворял длительную историю проектов, успехов, открытий советской и французской команд. Его глубокие и обширные знания в области ионосферной и магнитосферной физики, его дружеское лидерство среди советской и французской команд производили на каждого нового члена проекта неизгладимое впечатление".

Уже в проектах "АРКАД-1" и "АРКАД-2" были получены важные научные результаты: установлена пятнообразная форма каспа, определена планетарная картина эволюции энергетических спектров протонов, их инжекции из хвоста во внутреннюю магнитосферу, их дрейфа в магнитосфере и высыпания в диффузной зоне.

Научные приборы, разработанные в проекте "АРКАД", стали существенным шагом вперед в области космического приборостроения. На спутнике "Ореол-3" (проект "АРКАД-3") были применены новые методы измерения космической плазмы, достигнута рекордная для того времени чувствительность при измерении низкочастотных волн и частиц малых энергий. В конструкцию и служебные системы спутника внесли ряд усовершенствований. В разработке и изготовлении научных приборов проекта "АРКАД" участвовали многие организации в Советском Союзе и во Франции. Содружество ученых и инженеров в проекте стало настоящим союзом единомышленников.

Как экспериментатор, Юрий Ильич был очень критичен при интерпретации наблюдений, особенно измерений тепловой плазмы. Он ясно сознавал, что неравномерное распределение потенциала вокруг спутника сильно искажает наблюдаемые потоки мягких частиц. Поэтому он настоял на эквипотенциализации спутника "Ореол-3" и изготовлении для него новых, электромагнитно-чистых солнечных панелей. Советская и французская группы совместно провели тщательную проверку научных приборов и систем спутника на электромагнитную совместимость.

Снимок полярного сияния, полученный С.А. Черноусом 30 марта 2001 г. в 22 ч 00 мин на полигоне Полярного геофизического института в Апатитах.

Усовершенствование солнечных панелей уменьшило электромагнитные помехи в 1000 раз и существенно продлило срок их службы — за 6 лет работы спутника они сохранили свою эффективность. (Такие же панели потом установили на спутнике "Интеркосмос Болгария-1300" и спутниках проекта "Интербол"). В 80-е гг. это представляло собой настоящий прорыв в области измерений тепловой и сверхтепловой плазмы.

Командное устройство спутника позволяло дать только несколько команд за сеанс, а гибкое управление новой аппаратурой требовало значительно большего их числа. Необходимого увеличения достигли благодаря бортовой ЭВМ французского производства, управлявшей всем комплексом аппаратуры. Тщательная отладка телеметрической системы уменьшила процент сбоев до 0.1%. Кроме штатной телеметрии использовалась французская широкополосная телеметрия, передающая информацию в режиме непосредственной передачи на несколько приемных станций, расположенных в Тулузе (Франция), Тромсё (Норвегия), Апатитах, Звенигороде (Россия), на о. Кергелен и Земле Адели (Антарктика), в Куру (Французская Гвиана), Сугадайре (Япония) и Шрихарикоте (Индия).

Работа спутника планировалась так, чтобы проводить измерения, координированные с другими спутниками, наземными геофизическими лабораториями и мощными радиопередатчиками. Кроме того, рассчитывалось время запуска ракет для осуществления совместных работ.

Вот пример одной серии таких координированных экспериментов. Осенью 1981 г. вблизи Алма-Аты в процессе строительных работ проводились промышленные взрывы. Несколько лабораторий использовали их для осуществления эксперимента МАССА (изучения Магнитосферно-Атмосферных Связей при Сейсмо-Активных явлениях). Исследовались эффекты, возбуждаемые в верхней атмосфере и ионосфере крупномасштабной акустической волной, возникающей в результате взрыва. Время мощного взрыва (10 вагонов взрывчатки) согласовали с пролетом спутника "Ореол-3". В результате на спутнике в соответствующей силовой трубке были зарегистрированы электростатические УНЧ и ОНЧ-шумы, а также интенсивная МГД-волна. Эти результаты нашли подтверждение при дальнейших промышленных взрывах, которые проводились во время, специально рассчитанное для координации работы со спутником.

В проекте "АРКАД-3" получены приоритетные для того времени результаты: изучены новые явления в каспе, авроральном овале и субавроральной зоне; обнаружены новые типы дисперсии по скоростям вторгающихся ионов; исследованы явления, возникающие в магнитосфере в результате искусственных воздействий (МГД-волна в эксперименте МАССА, стимулированные высыпания частиц под действием ОНЧ-излучения от наземного передатчика, МГД-волны от плазменной струи, испускаемой с вращающейся ракеты, запущенной с исследовательского корабля в Северной Атлантике).

В 1984 г. в Тулузе состоялась международная конференция, посвященная результатам выполнения программы "АРКАД-3". Доклады, сделанные на этой конференции, показывают актуальность исследований по проекту. Те же имена и в значительной степени те же проблемы встречаются в современных журналах и на конференциях. Информация, полученная в проекте, используется до сих пор. Ю.И. Гальперин за подготовку и осуществление проекта "АРКАД-3" был удостоен Государственной премии.

Юрий Ильич ставил эксперименты и на других спутниках, например на ИСЗ "Космос-184", "Интеркосмос-19", "Космос-1809". Анализ первых прямых измерений дрейфа ионосферной плазмы, проведенных на спутнике "Космос-184", позволил ему и его коллегам открыть новое явление в возмущенной магнитосфере — узкую струю ионов, дрейфующих со сверхзвуковой скоростью в западном направлении вблизи плазмопаузы ("поляризационный джет"). Это явление, открытое в 1973 г., повторно обнаружили американские исследователи в 1977 г. и назвали его субавроральным дрейфом ионов (SAID). В ионосфере существование поляризационного джета приводит к целому ряду резких изменений, создающих сильные плазменные неоднородности, которые хорошо регистрируются с поверхности Земли с помощью ионозондов и сильно нарушают распространение радиоволн, т.е. влияют на космическую погоду (Земля и Вселенная, 1997, №6; 2000, №3).

Сотрудники Юрия Ильича под его руководством продолжили исследования поляризационного джета, используя как ионосферные наблюдения в Якутии, так и измерения со спутника "Интербол-2". Они показали, что джет образуется через 10-15 мин после вспышки суббури, а не на фазе ее восстановления, как считалось раньше, и связан с глубокой инжекцией частиц, проникающих до среднеширотных L-оболочек. В настоящее время ими разрабатывается модель этого явления.

В 80-х гг. Ю.И. Гальперин и Я.И. Фельдштейн вели интенсивную дискуссию с геофизическим сообществом по поводу соответствия овала дискретных форм полярных сияний плазменным структурам хвоста магнитосферы. Большинство исследователей считали, что авроральный овал проецируется на пограничный плазменный слой на расстояниях 50-100 радиусов Земли. Ю.И. Гальперин и Я.И. Фельдштейн утверждали, что он проецируется на центральный плазменный слой, а стационарная дуга на экваториальной границе овала, с появления которой начинается вспышка суббури, — на околоземной край плазменного слоя и что область вспышки суббури расположена в околоземном плазменном слое на расстоянии 5-15 радиусов Земли. Эта точка зрения сначала была принята в штыки, но потом стала приобретать все больше сторонников, и ее даже назвали "ренессансом Фельдштейна-Гальперина". Теперь она стала общепринятой, и все забыли, что противоположные взгляды когда-то существовали.

Ю.И. Гальперин и Жан Мишель Боске, соратники в проекте "АРКАД-3" и создатели теории "минимума В", в Ванкувере в 1987 г.

Ю.И. Гальперин активно сотрудничал со многими научными группами в разных уголках нашей страны, и много направлений обязаны ему своим рождением. Он побудил группу сотрудников Калининградского университета заняться моделированием электрического поля вокруг спутника, погруженного в разреженную плазму, и расчетом траекторий ионов малых энергий в его окрестности. При постоянной поддержке Юрия Ильича эта группа развивала также нестационарную модель полярного ветра.

Многолетнее сотрудничество Ю.И. Гальперина с профессором Могилевского университета А.В. Волосевич касалось моделирования нелинейных волн и локализованных движущихся структур в магнитосфере. Авторы опубликовали серию статей, разрабатывая эту проблему. В настоящее время рассчитаны трехмерные квазистационарные структуры вариаций плотности и электростатического потенциала, которые хорошо согласуются с наблюдаемыми на спутниках "FAST", "POLAR", "GEOTAIL" трехмерными мелкомасштабными движущимися структурами солитонного типа.

Юрий Ильич активно участвовал в проекте "Интербол", используя накопленный при проведении проекта "АРКАД-3" опыт. Он участвовал в нескольких экспериментах на спутнике "Интербол-2", в основном связанных с измерениями тепловой и сверхтепловой плазмы. Сотрудники лаборатории под руководством Юрия Ильича работали над такими проблемами, как измерения параметров тепловой и свехтепловой плазмы и ее моделирование, трехмерное моделирование электрического поля вокруг заряженного спутника, определение концентрации окружающей спутник плазмы по величине его потенциала.

Ю.И. Гальперин активно развивал перспективный международный проект "Рой" по исследованию сильной турбулентности магнитосферной плазмы и являлся его научным руководителем (Земля и Вселенная, 2001, № 3). Он был также одним из руководителей готовящегося крупного российско-украинского проекта "Интербол-Прогноз" по проблемам космической погоды.

Ю.И. Гальперин и известный канадский геофизик Гордон Ростокер с супругой Джилиан во время визита в STEL в ноябре 2001 г.

Юрий Ильич обладал удивительной интуицией, опирающейся на глубокие и разносторонние знания в области физики магнитосферы. Его предсказания обычно подтверждались экспериментально. Он радовался новым теориям и открытиям, замене старых концепций и научным "революциям".

Удивительно, но с годами он становился все менее консервативным. "Легкий на подъем", он готов был мчаться на другой конец света — на научную конференцию, обсуждение технических деталей выполнения проекта, защиту диссертации. Последняя его командировка осенью прошлого года в Японию, в Лабораторию солнечно-земных связей (STEL), была исключительно плодотворной. Он продолжил там свои старые работы, закончил статью о множественных масштабах в авроральной плазме, наметил и обсудил направления сотрудничества своей лаборатории с коллегами из STEL.

Юрий Ильич оставил глубокий след в исследованиях космической плазмы в России и во всем мире. Многие проблемы, которые он обдумывал до последних дней, остались открытыми и нуждаются в дальнейших исследованиях. Их решение поможет нам продвинуться в изучении чудес околоземного космоса.