«Техника-молодежи» 1964 №9, с.2-4, 23, вкл.

KOСМОС ГЛАЗАМИ ПРИБОРОВ Борис СМАГИН

«Двадцатый век». Фото А.Климова и И.Серегина

Глаза многочисленных приборов пристально и тщательно осматривают пространство, еще недавно казавшееся океаном пустоты.

И наши знания о Космосе расширяются непрерывно и стремительно.

Пустота... Какая же там пустота? Межпланетный водород, потоки ядерных частиц и микрометеоров, «лавины» электромагнитных излучений, причудливые магнитные поля — вот что такое эта бывшая «пустота».

Космос живет своей сложной, насыщенной событиями жизнью.

Разгадки многочисленных тайн его важны не только из-за чисто познавательного интереса. Жизнь Космоса неразрывно связана со всей жизнью нашей Земли, и понять многие чисто земные явления поможет лишь тщательное изучение Космоса.

И вот в Космос поднялись магнитометры, флюксометры, ионизационные приборы, измерители температур, давлений, анализаторы заряженных частиц, масс-спектрометры для изучения ионного и нейтрального состава атмосферы...

Что же увидели эти приборы?

ВОЗДУШНОЕ ОДЕЯЛО ЗЕМЛИ

Атмосфера — воздух, которым мы дышим, — воздушное одеяло, теплое, заботливо укрывающее нас всех от губительного дыхания Солнца и различных «космических пришельцев» из далеких пространств Вселенной.

Ракеты и спутники прежде всего занялись изучением атмосферы. Она переменчива, как и весь Космос. Но все, что в ней происходит, оказалось неразрывно связано с различными солнечными процессами, связано гораздо теснее, чем это думали раньше.

Границей атмосферы до недавнего времени считали высоту в тысячу километров. Дальше — пустота, ледяное безмолвие Вселенной. Спутники «подняли» атмосферу до 3 тыс. км. Она, конечно, на таких высотах крайне разреженна, но все-таки существует!

Верхние слои атмосферы сильнее всего ощущают знойное дыхание Солнца. Непрерывно меняется их плотность. Через определенное время увеличивается, потом падает и снова растет. А период этот составляет как раз те самые 27 суток — время обращения экваториальных областей Солнца вокруг своей оси.

Атмосфера прилежно реагирует на солнечные вспышки только с замедлением примерно через день после грандиозного извержения солнечного вещества, когда оно доберется до Земли.

Насколько сильно влияет Солнце на «жизнь» верхних слоев нашей земной атмосферы, видно хотя бы из того, что в 1964 году плотность слоев на высоте всего лишь 200 км оказалась в два раза меньшей, чем в предыдущие годы. Сейчас минимум солнечной активности, «год спокойного Солнца». Атмосфера Земли живо воспринимает это «спокойствие». Она стала более холодной, ее протяженность в Космосе уменьшилась.

Некоторые спутники оказались более «долговечными», чем предполагали их создатели. Например, третий советский спутник просуществовал на целых полгода дольше, чем ему было отпущено. Подвели расчеты. Плотность атмосферы подсчитали такой же, как год тому назад. Тогда больше была активность Солнца, плотнее «верхняя» атмосфера, сильнее торможение спутника. Вот и «лишние» полгода жизни.

Каким же образом Солнце так сильно действует на верхние слои атмосферы, резко изменяя ее плотность?

Скорее всего атмосферу Земли разогревает коротковолновое излучение Солнца. Видимо, известную роль играют и корпускулярные потоки солнечного вещества. Они устремляются в пространство и достигают окрестностей Земли. Частицы заряжены, их тотчас подхватывает магнитное поле Земли, сбрасывая в атмосферу над земными полюсами. Приборы спутников четко указали, что именно в полярных областях атмосфера наиболее разогрета. Этим же эффектом объясняются и полярные сияния, которые наверняка обязаны своим существованием мощным потокам заряженных частиц, рождающихся на Солнце.

ВНУТРИ МАГНИТНЫХ ЛОВУШЕК

Магнитная ловушка — остроумная установка, из которой заряженной частице не выбраться. Мы видели подобные устройства в лабораториях. Ученые надеются удержать в них капризную термоядерную плазму. Но, оказывается, мудрая природа уже создала магнитные ловушки, да такой величины, какая людям не под силу.

Несколько «платьев» самой причудливой и экстравагантной формы надето на земной шар. Двухслойной своеобразной кожурой окружают планету миллионы миллионов заряженных частиц — протонов и электронов — знаменитые радиационные пояса, о которых столько говорят в последнее время.

И не удивительно — ведь речь идет не только об интересном физическом феномене. Явление это имеет конкретное приложение в наш век, когда начинается штурм планет солнечной системы.

Откуда взялись заряженные частицы, почему они окружили Землю, что их там держит? Целая серия вопросов, на которые прекрасно ответила наука. Поясов два. Очертания их весьма прихотливы. Внутренний занимает пространство от 1 до 4 тыс. км, внешний — 10-50 тыс. км.

Невидимые тенета магнитного поля Земли захватили заряженные частицы и цепко держат их в плену. Откуда берутся эти частицы? Основным поставщиком их служит Солнце. Каждая хромосферная вспышка добавляет свою долю частиц, захваченных магнитным полем. Второй источник — Космос, точнее говоря, космические лучи, потоки заряженных частиц, рождающихся в далеких глубинных областях Вселенной.

Раньше ученые предполагали, что можно даже разграничить в пространстве деятельность этих двух источников. Тогда можно считать, что внешняя зона в основном образуется вследствие солнечной деятельности. А во внутренней зоне главная роль принадлежит космическим лучам. Но сейчас некоторые ученые считают, что вообще нет изолированных радиационных поясов. Ведь вполне возможно, что аппаратура, установленная на спутниках и космических ракетах, регистрирует лишь определенную часть общей массы частиц, не замечая других. И просвет между зонами является фикцией.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КОСМОСА

Приборы искусственных спутников хорошо изучили геомагнитное поле. Кстати, первую магнитную съемку Земли с космического корабля осуществил третий советский спутник.

Магнитное поле Земли прихотливо. Раньше думали, что различные аномалии, которых у него вполне достаточно, объясняются лишь тем, что земной магнит своеобразно-эксцентрически расположен относительно формы Земли. Но приборы спутников показали, что дело сложнее. Грандиозный земной магнит вращается в межпланетном пространстве. А поскольку там есть заряженные частицы, то в Космосе появляются индукционные токи, вызванные к жизни вращением магнитного поля. Токи, рожденные в Космосе, тотчас же оказывают свое влияние и на магнитное поле Земли. Такова сложная взаимосвязь магнитных и электрических явлений Земли и безграничного пространства, в котором она находится, таковы причины некоторых аномалий магнитного поля Земли. Изменяется оно плавно, постепенно сходит на нет. Но начиная с расстояния в 22,5 земного радиуса появляются резкие колебания — флюктуации. Может быть, это действует «солнечный ветер» — грандиозные потоки ионизированного солнечного газа, разлетающегося со скоростями до 800 км/сек. Тогда на ночной стороне Земли образуется своего рода магнитный шлейф, силовые линии магнитного поля вытягиваются в грандиозный конус.

Плотность газов этого необычного «ветра» ничтожно мала — всего несколько частиц на кубический сантиметр. Что касается состава, то это привычные для Космоса ядра водорода с небольшой примесью (примерно один на десять) ядер гелия.

Геомагнитное поле постепенно смыкается с солнечной плазмой, то есть с областью, еще недавно считавшейся «пустотой». Но так ли там пусто с точки зрения магнетизма? Межпланетное и околосолнечное пространства наполнены изрядным количеством вещества — ионизированного газа. В наш участок Вселенной его поставляет Солнце, вместе с ионизированными потоками плазмы начинают самостоятельное существование «вмороженные» в них магнитные поля. Может быть, магнитные силовые линии поля Солнца при этом просто вытягиваются, сохраняя связь со своими солнечными источниками. Тогда возникает своеобразный магнитный «мешок» в несколько миллионов километров. Если Земля попадает в этот «мешок», то космическим лучам, рожденным где-то в Галактике, уже труднее проникнуть к нам. Сквозь «мешок» им не пробраться. А может случиться, что магнитный «мешок» вообще потеряет связь с Солнцем, становясь своего рода автономным «небесным магнитным телом».

Но сами по себе магнитные поля мирового межпланетного пространства, как бы мы их внушительно ни называли, ничтожно малы. Напряженность этого поля достигает всего лишь 10^-4— 10^-5 эрстеда. Напомним, что магнитное поле у поверхности Земли составляет 0,5 эрстеда. Приборы межпланетных станций показали, что в общем это поле примерно одинаково во всем пространстве, изученном до сих пор.

О Земле и околосолнечном пространстве, таким образом, магнитологи получили много ценных сведений. А планеты? Каковы их магнитные поля? Авторы различных теорий о происхождении планет солнечной системы давно ждут точных сведений по этому поводу. Вопрос о строении ядер планет может быть однозначно решен после определения их магнитных полей.

Вот почему так волновались ученые, когда узнали, что автоматические приборы не обнаружили на Луне магнитного поля, сколько-нибудь отличного от поля Космоса. Значит, магнитное поле Луны, во всяком случае, в 10 тыс. раз меньше земного.

Радиационных поясов у Луны также не оказалось. Это очень приятно для путешественников, которые надеются посетить Луну, и является еще одним доказательством отсутствия магнитного поля у нашего ближайшего соседа.

А в конце 1962 года американская станция «Маринер-2» прошла на расстоянии 32 тыс. км от Венеры. И снова приборы практически не обнаружили там магнитного поля. Правда, точность измерений на таком большом расстоянии была невелика. Так что можно лишь сказать, что на расстоянии 30 тыс. км от планеты магнитное поле Венеры, если оно существует, составляет не более 5-10% поля Земли.

ПУСТ ЛИ КОСМОС?

В 1958 году с третьей советской автоматической межпланетной станцией случилось нечто странное. Внезапно она замолчала. Аналогичная история произошла и с американским спутником «Эксплорер-Ш». То же самое — обрыв связи и вечное молчание.

МАГНИТОМЕТР. Если в магнитном поле вращать виток проволоки, то в нем согласно закону электромагнитной индукции возникнет электрический ток. катушка проволоки поворачивается относительно магнитных силовых линий Земли, и в ней индуцируется электрический ток. Его компенсирует ток от стабильного источника напряжения. Специальная автоматика непрерывно поворачивает катушку так, чтобы ее ось совпадала с направлением магнитных силовых линий. Телеметрическая схема передает на Землю не только данные о напряженности магнитного поля, но и о направлении магнитных силовых линий. ИОНИЗАЦИОННЫЙ МАНОМЕТР. Под действием электрического напряжения атомы газа ионизируются и ускоряются отрицательным напряжением. Количество ионов, которые «проскочат» сетку лампы и доберутся до коллектора, пропорционально давлению воздуха. Таким образом, ионный ток в трехэлектродной лампе является мерой атмосферного давления. РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТРОМЕТР. Рентгеновские лучи от Солнца в зависимости от своей интенсивности и длины волны по-разному проникают через набор фильтров перед катодом фотоумножителя. Ток фотоумножителя пропорционален интенсивности рентгеновых лучей данной длины волны. РАДИОЧАСТОТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР. Химический состав верхних слоев атмосферы определяется масс-спектрометром. Ионы различных газов, попадая в прибор, ускоряются постоянным электрическим напряжением между первыми двумя сетками. Ко второй паре сеток подведено переменное высокочастотное напряжение. В зависимости от его частоты «проскочить» к коллектору могут лишь ионы строго определенного атомного и молекулярного веса. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ФЛЮКСОМЕТР. Принцип работы прибора основан на том, что металлы «непрозрачны» для электростатических полей. Вращающаяся фигурная пластинка прибора попеременно создает на неподвижной пластинке электростатическую «тень», изменяя таким образом заряд на коллекторе. ИОННАЯ ЛОВУШКА. Этот прибор предназначен для определения концентрации свободных протонов в космическом пространстве. Попадая в ловушку, ионы создают электрический ток в двух электрических цепях — между сеткой и коллектором и между сеткой и корпусом космического корабля. ПРИБОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ КОРПУСКУЛЯРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. Корпускулы, проникая сквозь фильтр, попадают в кристалл йодистого натрия. В кристалле возникают вспышки света, которые, в свою очередь, являются причиной импульсов электрического тока в цепи фотоумножителя. По количеству этих импульсов можно судить об интенсивности корпускулярной компоненты солнечных лучей. ПРИБОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ. Космические лучи проникают внутрь счетчика Гейгера, в котором пространство между тонкой струной, натянутой по оси, и стенками цилиндра заполнено разреженным газом. Благодаря высокому напряжению между струной и стенками счетчика космические лучи вызывают импульсы ионного тока.

Сами спутники не смогли рассказать о причинах случившейся с ними беды. Но в этом быстро разобрались на Земле.

Виноваты метеорные потоки — вот единодушный приговор ученых. Приборы показали, что в первый раз Земля встретилась с мощной лавиной метеоров. Что касается «Эксплорера-III», то его заставил замолчать известный метеорный поток Акварид. Выходит, будущих путешественников в Космосе подстерегает серьезная опасность? Удар метеора в борт космического корабля — катастрофа! Действительно, много ли таких опасных метеоров в космическом пространстве? Их количество в общем ничтожно. Столкновение каждого квадратного метра поверхности космического корабля с опасным метеором может произойти примерно один раз за двести лет. Значит, практически путешествие к Луне в этом смысле абсолютно безопасно.

За 1700 часов путешествия на пути в 70 млн. км американской автоматической станции «Маринер-2» ей встретились лишь два метеорчика с массой более 1,3·10^-10 грамма. А пылевых частиц в этом участке Вселенной вообще оказалось в 10 тыс. раз меньше, чем вблизи Земли.

Приборы третьего советского искусственного спутника показали, что в среднем на каждый квадратный метр поверхности корабля попадало 1.7·10^-3 метеорной частицы в секунду. Но и мельчайшие пылинки за время длительного полета могут весьма серьезно «обработать» металлическую обшивку космического корабля.

100 млн. км прошла советская межпланетная станция «Марс-1». Дважды на ее пути появлялись скопления метеорных частиц.

Первым «посетителем» был уже известный ученым поток со звучным наименованием «Таурид». 60 раз датчики станции ощущали удары микрометеоров. 100 мин. летела станция в этом рое. Частицы потока Таурид двигаются в пространстве отдельными сгустками на расстояниях 4000-4500 км друг от друга. Но ведь для космоса это почти что рядом!

Затем где-то в 30 млн. км от Земли станция снова попала под град метеорных ударов. Этот неизвестный поток мчится в пространстве со скоростью около 40 км/сек. Частицы в нем также собрались отдельными кучками, иногда отдаляясь друг от друга почти на 200 тыс. км.

Куда несется это громадное облако частиц и откуда оно появилось, пока что никто не знает.

Некоторые ученые считают, что вокруг Земли на высоте нескольких сот километров, подобно радиационным поясам, простирается микрометеорное кольцо. Возможно, так и должно быть. Ведь планета Сатурн окружена даже видимым кольцом из мелких и мельчайших пылинок и метеоров. Почему бы и другим планетам не завести себе такое красивое окружение?

Раньше думали, что в отдаленных областях солнечной системы микрометеоров гораздо больше, чем над Землей. Но эксперименты пока что опровергают это предположение. Очевидно, все-таки метеорная опасность сильно преувеличена. Потоки космического излучения наверняка вызовут у космонавтов гораздо больше забот и тревог.

Мы перечислили лишь некоторые результаты измерений многочисленных приборов, которые так тщательно обследуют космос. За семь лет сделано очень много. Но главное впереди — ведь, несмотря на свою видимую пустоту и безмолвность, космос неисчерпаем!