вернёмся в библиотеку?

«Земля и Вселенная» 1993 №5




Из истории науки


История открытия
радиационных
поясов Земли:
кто же, когда и как?


В. В. ТЕМНЫЙ,
кандидат физико-математических наук
Институт истории естествознания
и техники им. С. И. Вавилова РАН




Джеймс Ван Аллен с прибором спутника «Эксплорер-1», с помощью которого он обнаружил первые признаки существования радиационных поясов Земли (обложка журнала «Тайм» от 4 мая 1959 г.)
ОБЩЕПРИНЯТАЯ ВЕРСИЯ

В настоящее время считается общепризнанным, что автором открытия радиационных поясов Земли является американский физик из университета штата Айова Джеймс Ван Аллен (Земля и Вселенная, 1992, № 6, с. 14. — Ред.). Эта точка зрения была изложена в статье главного редактора журнала «Тайм» (май 1959 г.). Из нее следовало, что это открытие Ван Аллена, сделанное на основе измерений на спутниках «Эксплорер-1» и «Эксплорер-3», было логическим завершением результатов его ранних экспериментов на геофизических ракетах, в то время, когда «...ни один из трех тяжелых русских спутников не передал сообщений об излучении Ван Аллена. Одно из объяснений состоит в том, что русские перехитрили сами себя, отказавшись сообщить внешнему миру, как нужно интерпретировать сигналы с их спутников. Поскольку только нижние части орбит спутников проходили над советской территорией, русские ученые никогда не получали данных с больших высот. Если какой-то из советских спутников и имел запоминающее устройство, то оно не работало. Другое предположение состоит в том, что гейгеровские счетчики перегружались вблизи апогея излучением Ван Аллена и русские ученые не знали, как объяснить это необычное поведение. Собака, запущенная на втором спутнике, умерла примерно через неделю, но русские не сообщили, было ли это вызвано воздействием излучения. Вполне возможно, что они этого не знали».

Хорошо известно, что значит такого рода публикация в «Тайме» да еще с красочным портретом героя статьи на первой странице обложки! И поэтому представляется совершенно естественным, что после этого мировая пресса стала связывать открытие только с именем американского физика, и на страницах замелькали новые термины: «излучение Ван Аллена», «пояса Ван Аллена»...

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


Первые отечественные исследователи околоземного космического пространства - профессора С. Н. Вернов и В. И. Красовский

Попробуем теперь, когда улеглись страсти с приоритетом открытия, разобраться в результатах, полученных с первых спутников, на основе которых и были открыты пояса. Для этого необходим тщательный анализ последовательности событий тех лет, поскольку сложившаяся тогда ситуация очень напоминает известную притчу о том, как трое слепых ощупывали слона.

ШАГИ К ОТКРЫТИЮ

С 3 ноября 1957 г. на втором советском искусственном спутнике Земли (ИСЗ), с апогеем орбиты — 1671 км и углом ее наклона i=69,3°, гейгеровскими счетчиками, установленными группой С. Н. Вернова, регистрировался хорошо известный рост с широтой потока космических лучей. Неожиданно на его фоне был зарегистрирован быстрый всплеск интенсивности заряженных частиц. Хотя тогда авторы эксперимента объяснили его приходом к Земле энергичных частиц от Солнца, сейчас мы понимаем, что это был первый в истории факт регистрации прибором спутника частиц радиационных поясов. Однако тогда на основании этого единичного факта такой вывод сделать не удалось.

Сигналы этого прибора с апогейных высот в южном полушарии принимались австралийскими специалистами. Если бы им удалось сразу же расшифровать свои записи, то открытие радиационных поясов могло произойти еще в 1957 г. Этому помешала секретность кодировки сигналов советского спутника.

С 1 февраля 1958 г. экранированный гейгеровский счетчик, установленный группой Ван Аллена на борту первого американского спутника «Эксплорер-1», начал регистрировать энергичные заряженные частицы. Неожиданно было обнаружено, что на больших высотах у экватора и над Южной Америкой его счет прекращался полностью, причем не регистрировались даже космические лучи, присутствующие всегда. Информация поступала только в режиме прямого приема, поскольку «Эксплорер-1», как и второй советский спутник, не имел запоминающего устройства.

Начиная с 26 марта 1958 г. это явление стало фиксироваться таким же прибором на спутнике «Эксплорер-3». Запоминающее устройство спутника регистрировало показания счетчика вдоль каждого витка. Анализируя эти записи, сотрудник Ван Аллена, Карл Мак-Илвайн, пришел к выводу, что регистрировавшееся и ранее на «Эксплорер-1» и теперь отсутствие показаний вызывалось не отсутствием заряженных частиц, а перегрузкой ими прибора. Авторы эксперимента установили, что нулевые показания детектора на самом деле соответствовали реальным скоростям его счета более 300 тысяч импульсов в секунду, т. е. на три-четыре порядка превышающей интенсивность космических лучей. «Боже мой, космос радиоактивен!» — эту фразу Эрнста Рея, коллеги Мак-Илвайна, можно считать эпиграфом начала новой эры радиационных исследований космического пространства.

ПОПЫТКИ ИНТЕРПРЕТАЦИИ

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

Первая запись показаний счетчика Гейгера вдоль орбиты спутника «Эксплорер-3». Спад скорости счета заряженных частиц с нулевой по десятую минуту обусловлен изменением интенсивности космических лучей с широтой, а ее постоянство с 15-й и по 20-ю и с 37-й по 80-ю минуту — насыщением схемы регистрации его сигналов. Спад показаний до нуля с 20-й по 37-ю минуты свидетельствуют о перегрузке счетчика интенсивными потоками заряженных частиц
как проникают эти электроны из зоны полярных сияний к экваториальной плоскости на высоту 2 тыс. км.

15 мая 1958 г. был запущен III советский ИСЗ (i=65,2°, высота апогея 1880 км в южном полушарии). Сцинтиляционные детекторы научных групп С. Н. Вернова и В. И. Красовского зафиксировали гораздо более интенсивные потоки заряженных частиц, чем гейгеровские счетчики спутников «Эксплорер-1 и -3». Детекторы группы Вернова впервые позволили установить, что наблюдаемые потоки заряженных частиц состоят именно из протонов с энергиями порядка 100 МэВ.

Вдоль ночных участков орбиты 15 мая между экватором и широтой 56° детекторами группы Красовского были зарегистрированы потоки энергии электронов с энергиями Ее=10-20 кэВ достигающие 100 эрг·см-2 с-1. Их поглощение в верхней атмосфере Земли должно было привести к образованию полярного сияния III балла яркости и к сильным ионосферным возмущениям. Поскольку 15 мая такие явления не наблюдались, то В. И. Красовский пришел к выводу, что регистрировавшиеся на III спутнике электроны не достигали плотной атмосферы потому, что были захвачены магнитным полем Земли.

Сотрудник С. Н. Вернова А. Е. Чудаков из показаний детектора над территорией СССР в приполярной зоне на широтах около 60° выделил постоянно присутствовавшее тормозное излучение от потоков электронов с Ее= 100 кэВ и интенсивностью около 103 см-2·с-1 ср-1 (ср — телесный угол в 1 стерадиан). Он установил, что с ростом высоты зона регистрации этих потоков смещается к низким широтам вдоль геомагнитных силовых линий. Этот результат и следует считать первой достоверной регистрацией электронов внешнего радиационного пояса.

ПЯТАЯ АССАМБЛЕЯ СПЕЦИАЛЬНОГО КОМИТЕТА МЕЖДУНАРОДНОГО ГЕОФИЗИЧЕСКОГО ГОДА (МГГ).

Она состоялась в Москве 31 июля — 9 августа 1958 г. На ней были представлены первые результаты наблюдений на спутниках, выполненные советскими и американской научными группами. Выводы каждого докладчика отражали его профессиональный интерес.

Показания счетчика III ИСЗ, запущенного в СССР 15 мая 1958 г., вдоль двух участков его орбиты. По горизонтали отложены значения географической долготы (φ), широты (λ) III ИСЗ и геомагнитной широты (Λ). Приведены также значения высоты спутника над поверхностью Земли

В. И. Красовский объяснил возможность захвата геомагнитным полем наблюдавшихся интенсивных потоков электронов с энергиями в 10-20 кэВ. А. Е. Чудаков сообщил, что в узкой приполярной зоне постоянно присутствуют потоки электронов с Ее=около 100 кэВ. С. Н. Вернов и А. И. Лебединский ввели понятие «земное корпускулярное излучение», относящееся к протонам от β-распада нейтронов альбедо, создаваемых космическими лучами в атмосфере Земли. Они впервые рассмотрели накопление этих протонов в магнитосфере Земли как следствие их вращения и колебаний вдоль силовых линий геомагнитного поля.

В докладе Ван Аллена, зачитанном его сотрудником Э. Реем, природа излучения в низкоширотной зоне связывалась с электронами, ранее наблюдавшимися над зоной полярных сияний. Ван Аллен прислал на Ассамблею телеграмму со свежими результатами наблюдений со спутника «Эксплорер-4», запущенного 26 июля на орбиту с i = 51°. Эти данные дополнили содержание его доклада, не изменив выводов о природе регистрировавшихся частиц: «...общая ситуация подобна ранее наблюдавшейся. Интенсивность излучения возрастает в несколько тысяч раз между 300 и 1600 км с быстрым началом роста около 400 км высоты... Сцинтиллятор полной энергии [под таким же поглотителем, как и в детекторе группы В. И. Красовского. — В. Т.] показывает 10 эрг. см-2 с-1 ср-1 на высоте 1600 км. На основании этого факта и наших прежних данных есть основания полагать, что большая часть потока энергии создается электронами с энергией порядка 50 кэВ. Полный поток таких низкоэнергичных электронов Je=108 см-2 с-1 ср-1. Не обнаружено значительных временных флуктуации за период в три дня. С ростом широты большие интенсивности простираются к малым высотам. Уровень облучения на 1600 км около двух рентген в сутки».

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

ВЗРЫВЫ «ТИК», «ОРЕНДЖ», «АРГУС» И ТЕРМИН «РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА»

1 августа 1958 г. в 10 ч 50 мин 05 с (UT) в условиях полной секретности над островом Джонстон (169° з. д., 17° с. ш.) на высоте 76,8 км США произвели термоядерный взрыв «ТИК».

10 августа — через сутки после окончания 5 Ассамблеи МГГ в «Нью-Йорк Таймс» появилось сообщение о предстоящих высотных ядерных взрывах «Аргус» над Южной Атлантикой.

11 августа в редакцию поступила статья С. Ф. Зингера, в которой он впервые ввел понятие «радиационный пояс Земли». Автор представлял его как полость, заполненную заряженными частицами, которые совершают вращательные, колебательные и дрейфовые движения относительно силовых линий геомагнитного поля.

12 августа над о. Джонстон в 10 ч 30 мин 08 с UT на высоте 42,97 км был произведен второй термоядерный взрыв «Орендж». В этот же (!) день в редакцию журнала поступила вторая статья С. Ф. Зингера о радиационном поясе.

К настоящему времени в открытой печати опубликованы материалы наблюдений последствий только взрыва «Орендж», после которого в течение 19 дней у Восточного побережья США гейгеровскими счетчиками геофизических ракет регистрировались релятивистские электроны. Но за прошедшие 35 лет в печати почему-то так и не появилось ни одной публикации о наблюдениях электронов от первого, более высотного взрыва «Тик». Видимо, эти результаты все еще остаются секретными.

Термоядерные взрывы 1958 г. могли бы так и остаться неизвестными, если бы не появление исключительно ярких низкоширотных «полярных сияний» под местами взрывов и в магнитосопряженных точках Южного полушария.

В отличие от взрывов «ТИК» и «ОРЕНДЖ», радиационные пояса от маломощных атомных взрывов «Аргус» 27, 30 августа и 6 сентября 1958 г. были исследованы достаточно подробно, в основном на ИСЗ «Эксплорер-4». Эти узкие пояса между силовыми линиями, опирающимися на места взрывов, существовали в течение нескольких недель. Анализ экспериментальных результатов и расчеты характерных движений захваченных от этих взрывов электронов проводились также в условиях секретности и были представлены научной общественности только через 8 месяцев на специальном симпозиуме Министерства обороны, Комиссии по атомной энергии и Национальной Академии наук США 29 апреля 1959 г. Из опубликованных результатов следует, что к моменту проведения эксперимента «Аргус» его автор Н. Кристофилус (Радиационная лаборатория им. Лоуренса) не предполагал, что взрывы повлекут за собой образования вокруг Земли радиационного пояса.



РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ. ЧТО МЫ ЗНАЕМ О НИХ ТЕПЕРЬ?

После трех десятилетий изучения радиационных поясов у ученых сложилось достаточно полное представление об их природе и строении. Радиационными поясами теперь принято считать область околоземного пространства, в которой магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы, обладающие кинетической энергией от десятков кэВ до сотен МэВ. В их число входят протоны, электроны и α-частицы. Частицы не могут покинуть радиационные пояса из-за того, что магнитное поле здесь имеет форму так называемой магнитной ловушки, лабораторным аналогом которой может служить зеркальная ловушка, используемая для создания термоядерного синтеза. Некоторые частицы находятся здесь очень долгое время, например, протоны — многие десятилетия. Под действием силы Лоренца частицы совершают в радиационных поясах сложное движение: колебательное по спиральной траектории вдоль силовой линии из северного полушария в южное и обратно с одновременным более медленным перемещением вокруг Земли.

Радиационные пояса принято разделять на внутренний и внешний, хотя это разделение носит весьма условный характер. Внутренний пояс расположен в экваториальных широтах, и его нижняя граница находится на различной высоте над разными районами Земли. Например, над Южной Америкой пояс проходит лишь на высоте всего 200-300 км, в то время как над Австралией — на высоте 1600 км. Максимальная концентрация протонов во внутреннем поясе (а он составлен в основном этими частицами) наблюдается на высоте около 3000 км. Энергии протонов здесь лежат в пределах 20-800 МэВ. Число протонов с этими энергиями значительно уменьшается при росте расстояния от Земли и при его сокращении. Из-за своей огромной проникающей способности протоны представляют значительную опасность для экипажей космических кораблей, достигающих значительных высот. Энергия электронов внутреннего пояса, как правило, бывает порядка 100 кэВ, а максимальная их концентрация наблюдается на высотах около 3400 км от земной поверхности.

Границы внешнего радиационного пояса принято считать находящимися на расстояниях 19 тыс. и 45 тыс. км. от Земли. Здесь преобладают протоны с энергиями до нескольких сотен кэВ и электроны с энергиями от 40 до 100 кэВ.

Существующие теории объясняют появление частиц в радиационных поясах их дрейфом из «хвоста» магнитосферы во внешний пояс во время магнитных бурь под действием электрического поля и медленной диффузией частиц в магнитную ловушку при небольших вариациях магнитного поля. Процессы, приводящие к тому, что частицы покидают радиационные пояса, до сих пор остаются неясными. Лишь одна причина этого явления пока точно установлена - столкновение с частицами атмосферы. Остается надеяться, что дальнейшие исследования позволят ответить и на этот вопрос.


ДВА ПОЯСА: ОКОНЧАТЕЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ

После того, как в сентябре 1959 г. С. Ф. Зингер создал представление о радиационном поясе и был проведен анализ прежних наблюдений пояса в ближней околоземной области, возник естественный вопрос о его форме и внешней границе на больших удалениях от Земли. В тот момент единого мнения о конфигурации пояса не существовало. Ван Аллен представлял его как единую область, заполняемую электронами из зоны полярных сияний. Постоянно наблюдавшееся уменьшение интенсивности частиц на одной и той же высоте между 55° и 60° геомагнитной широты он пытался объяснить увеличением плотности атмосферы на высоте полета спутников при разогреве ее потоками вторгающихся электронов на этих широтах или влиянием Южно-Атлантической геомагнитной аномалии. Результаты эксперимента С. Н. Вернова и А. Е. Чудакова на III спутнике указывали на существование двух радиационных поясов различного состава: внутреннего протонного и внешнего электронного.

Положение внешних границ поясов удалось определить лишь в конце 1958 — начале 1959 г., когда космические аппараты «Пионер-1, -2, -3» и «Луна-1» «пронзили» пояса насквозь. Первые указания на существование именно двух поясов содержатся в почти забытых работах Джона А. Симпсона (данные с КА «Пионер-1» и «Пионер-2»). Лучше известны результаты наблюдений Дж. Ван Аллена и Л. Франка во время полета «Пионеров-3, -4» и С. Н. Вернова после старта космических аппаратов «Луна-1» и «Луна-2». По измерениям на траекториях их удаления от Земли и возврата к ней КА «Пионер-3», дополненных данными ИСЗ «Эксплорер-4» и КА «Пионер-4», были построены уровни постоянных интенсивностей захваченных частиц. Они определенно указали на существование двух радиационных поясов, максимумы которых удалены от центра Земли на 1,5 и 3,5 земных радиусов, подтверждая ранние представления С. Н. Вернова и А. Е. Чудакова, относящиеся к 5 Ассамблее МГГ в августе 1958 г.

ИСКУССТВЕННЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ОТ ВЗРЫВОВ 1962 г.

9 июля 1962 г. в 09 ч 00 мин 09,8 с (UT) на высоте 400 км над островом Джонстон был произведен термоядерный взрыв «Старфиш» («Морская звезда»). Точка взрыва располагалась на разомкнутой дрейфовой оболочке, погружающейся в плотную атмосферу на 15-20° восточнее. По-видимому, предполагалось, что при таком выборе точки взрыва искусственный пояс не должен образоваться. Однако он возник, превзойдя по размерам все возможные пределы, заполнив оба естественных пояса и «загрязнив» всю магнитосферу Земли.


Схема строения радиационных поясов, предложенная Дж. Ван Алленом:
а) к началу 1959 г. (до анализа результатов с КА, запускавшихся к Луне). Единый пояс содержит максимум интенсивности на расстоянии двух радиусов Земли от ее центра плоскости экватора;

б) к середине 1959 г. (после анализа результатов с КА «Пионер-1, -2, -3, -4» и с III советского ИСЗ). В двух радиационных поясах максимумы находятся на удалении радиуса 1,5 земных (внутренний протонный) и 3,5 (внешний электронный). Цифры у контуров постоянной интенсивности характеризуют скорость учета экранированного счетчика Гейгера (в имп/с). Нанесена траектория удаления от Земли и возврата к ней КА «Пионер-3»


Это произошло из-за выброса плотного ионизованного облака продуктов взрыва поперек силовых линий. Единственный работавший в момент взрыва ИСЗ «Космос-5» зарегистрировал мгновенный (быстрее, чем за 0,1 с) рост интенсивности γ-излучения на несколько порядков и ее последующий спад на два порядка за 100 с. В это время «Космос-5» находился на 1 200 км ниже «горизонта» взрыва. Последствия загрязнения магнитосферы ощущались еще несколько лет. Узкие радиационные пояса от трех советских ядерных взрывов 22, 28 октября и 1 ноября 1962 г. существовали в течение одной-двух недель. Подробное изучение искусственных поясов в 1962 г. позволило сделать вывод о том, что проведение пилотируемых полетов вокруг Земли и к Луне несовместимо с высотными ядерными взрывами, после которых дозы радиации в центре образовавшихся поясов приближаются к летальным. Мораторий на проведение ядерных взрывов в космосе, заключенный между СССР и США в 1963 г., сохраняется уже 30 лет.

ПОСЛЕ 1962 г.

Заполнение магнитосферы Земли продуктами взрыва «Старфиш» на много лет осложнило продолжение изучения естественного радиационного окружения Земли. Поэтому данные о свойствах электронов внутреннего радиационного пояса и протонов кольцевого тока, которые удалось получить после 1962 г., можно считать имеющими отношение к естественной радиации только при сопоставлении их с результатами наблюдений, проведенными до 9 июля 1962 г.

Интерес исследователей к загрязненной на многие годы внутренней магнитосфере Земли стал ослабевать. Они обратили внимание на ее внешние области. В 1962-63 гг. вне головной ударной волны Земли был обнаружен солнечный ветер — распространяющийся от Солнца в межпланетном пространстве постоянный поток плазмы с радиальной скоростью около 400 км/с.

Интерес к радиационным поясам вновь возник через 11 лет после их прямой регистрации при пролетах КА «Пионер-10, -11» и «Вояджер-1, -2» через магнитосферы планет-гигантов Солнечной системы: Юпитера (1973, 1974, 1979 гг.), Сатурна (1977, 1981 гг.), Урана (1986 г.) и Нептуна (1989 г.). Исследования показали, что их радиационные пояса во многом схожи с земными. Более энергичные захваченные частицы были обнаружены в их внутренних поясах и менее энергичные частицы — во внешних. Открыты и значительные отличия радиационных поясов планет-гигантов от земных. Например, пояса Юпитера оказались более сплюснутыми в плоскости экватора по сравнению с земными из-за быстрого вращения планеты вокруг своей оси.

Радиационные пояса Сатурна оказались подобными земным. Из-за сильного наклона осей вращения Урана и оси его магнитного диполя к плоскости Земли меридиональные сечения его поясов, по-видимому, почти перпендикулярны плоскости эклиптики. Радиационные пояса Нептуна во многом сходны с поясами Земли. Получается, что даже при столь различных удалениях от Солнца планет-гигантов их пояса формируются, по-видимому, одинаковыми источниками.

...Изложенная здесь история исследования радиационного окружения Земли позволяет ответить на вопрос о приоритетах их первооткрывателей словами Дж. Ван Аллена из его письма в журнал «Тайм» 1959 г.: «...вклады американских и советских исследователей в понимании огромной радиационной области перемежались за последние 15 месяцев».

Два радиационных пояса под названиями «внутренний протонный» и «внешний электронный», по-прежнему фигурируют в литературе несмотря на то, что в 1962 г. было установлено, что плотность энергии захваченных электронов во внутреннем поясе намного выше, чем протонов, а во внешнем, соответственно, наоборот.

Широкомасштабные исследования радиационных поясов в начале 60-х годов имели, кроме научного, и политическое значение. Трудно представить, до какого предела могло бы возрасти радиационное загрязнение земной магнитосферы, если бы ядерные взрывы в «безвоздушном пространстве» над плотной атмосферой продолжалось по-прежнему без радиационного контроля с борта первых ИСЗ.