«Вестник АН СССР» 1958 №1, с.8-12

Еще несколько лет назад астрономы только мечтали о том времени, когда в космосе будут двигаться небесные тела, сделанные человеческими руками. А теперь мы не только наблюдаем и предвычисляем их пути на небесной сфере, но и получаем с них сведения, расширяющие наши знания об окружающем мире. Уже вес первого спутника — 83,6 кг — вызвал буквально сенсацию во всем мире. Осенью прошлого года на VIII Международном конгрессе астронавтов в Испании мне довелось лично наблюдать, с каким восхищением и удивлением восприняли наши зарубежные коллеги, прибывшие из разных стран, сообщение о запуске первого советского спутника. Нас буквально осаждали вопросами. Особенно поразил всех вес спутника, который, по сравнению с американским проектом, действительно, представлялся чрезвычайно большим. Журналисты, особенно американские, неоднократно спрашивали, не допущена ли в сообщении ТАСС ошибка в отношении веса спутника.

Легко себе представить, какое впечатление произвел запуск второго спутника, весящего более полутонны.

Второй спутник по своему весу и орбите уже близок к «настоящим» космическим телам, входящим в нашу планетную систему и известным в астрономии под названием «малых тел Солнечной системы».

Первый спутник имеет форму шара диаметром 58 см. Он находился в передней части ракеты-носителя и отделился от нее после выхода на орбиту и окончания работы двигателя ракеты. Так как скорость отделения спутника от ракеты невелика, ракета-носитель продолжала в течение длительного времени двигаться вокруг Земли по орбите, близкой к орбите спутника. Затем вследствие разности периодов обращения, являющейся результатом как относительной скорости в момент отделения, так и различной степени торможения в верхних слоях земной атмосферы, они начали расходиться. Изменения в движении ракеты-носителя становились все более и более заметными. К концу ноября она более чем на 10 оборотов опередила свою маленькую луну и, постепенно снижаясь, начала входить в плотные слои атмосферы. 1 декабря ракета-носитель прекратила свое существование как космическое тело.

Первый спутник просуществовал дольше. Его жизнь как космического тела закончилась 4 января.

Второй спутник является последней ступенью ракеты; на нем размещена вся научная и измерительная аппаратура. Он обращается вокруг Земли на значительно большей высоте, чем первый (высота орбиты второго спутника в апогее составляет 1700км, первого спутника — 900 км), и поэтому изменения в его орбите происходят значительно медленнее.

Спутники, как и ракета-носитель, не являются самосветящимися телами, а лишь отражают солнечный свет. Наблюдать спутник можно лишь в утреннее или вечернее время, в сумерки, когда поверхность Земли погружена в темноту, а его поверхность еще освещена Солнцем. Днем он «теряется» в освещенном небе, ночью его скрывает тень Земли.

Орбиты спутников представляют собой в первом приближении эллипсы, один из фокусов которых находится в центре Земли. Плоскость обеих орбит наклонена к плоскости земного экватора под углом в 65°. Ориентация плоскости орбиты относительно неподвижных звезд остается почти постоянной. Вследствие вращения Земли спутник каждый последующий оборот проходит над другим районом, расположенным западнее предыдущего примерно на 1000—3000км (в зависимости от широты). Вследствие отклонения поля тяготения Земли от центрального плоскость орбиты медленно прецессирует, что также содействует смещению по долготе. Период обращения первого спутника в первые дни после запуска составлял 96,2 мин., второго — 103,7 мин. По мере понижения орбиты период уменьшается, скорость изменения периода характеризует эволюцию орбиты, т. е. время существования спутника.

Первый спутник наблюдался в сумерки как очень слабая звездочка на пределе видимости невооруженным глазом. Блеск его ракеты-носителя был значительно больше и временами сравнивался с блеском самой яркой звезды северного неба — Веги. За движением ракеты-носителя по небосводу можно было легко проследить невооруженным глазом. Второй спутник еще ярче, его блеск временами превосходит блеск Венеры. После истощения источников радиопитания астрономические наблюдения остаются главным средством изучения движения спутников и позволяют следить за изменениями их орбит.

Для оптических наблюдений за искусственными спутниками Земли Астрономический совет Академии наук СССР организовал 66 специальных станций при физико-математических факультетах университетов и педагогических институтов. Станции эти более или менее равномерно расположены по всей стране. Для визуальных наблюдений была сконструирована специальная астрономическая трубка АТ-1, обладающая большим полем зрения (11°), увеличением в 6 раз и входным отверстием в 50 мм. На каждой станции имеются 20—25 таких трубок, звездные карты, секундомеры и специальное оборудование для отметки времени наблюдения и приема сигналов точного времени (радиоприемник, магнитофон и т. д.). Регулярно, за сутки до прохождения спутника над данной станцией, ее начальник получает телеграмму с указанием времени, астрономического азимута и высоты движения ожидаемого объекта. Наблюдения и прием сигналов точного времени начинаются за 10—15 мин. до его появления.

С астрономической точки зрения искусственные спутники Земли являются не совсем обычными небесными телами, так как движутся они чрезвычайно быстро, проходя в среднем на небесной сфере градус в секунду. Из всех астрономических объектов они наиболее близки, пожалуй, к метеорам.

Для обеспечения надежности наблюдений трубки устанавливаются в определенном порядке, образуя так называемый оптический барьер. Каждая трубка наводится неподвижно на какой-то участок неба так, чтобы поля зрения соседних трубок перекрывались. Таким образом, пролет спутника одновременно могут увидеть 2 или 3 наблюдателя. Большое число трубок необходимо, чтобы не пропустить пролет, если предсказания были неточны, и чтобы зафиксировать несколько положений спутника. Наблюдатель должен отметить момент пролета спутника через поле зрения трубки и определить его положение относительно звезд. Обычно выставляются два барьера: один перпендикулярно видимому пути спутника, а другой вдоль небесного меридиана.

Результаты наблюдений (момент наблюдения, координаты на небесной сфере, оценка блеска) немедленно сообщаются по телеграфу в Астрономический совет и передаются в Вычислительный центр для уточнения орбиты и более точного предсказания последующих пролетов.

Наблюдателями являются студенты, аспиранты, преподаватели высших учебных заведений. С момента запуска первого спутника непрерывно работает вся наша сеть. Ежедневно приходят сообщения в среднем от 20—30 станций. Наблюдатели работают подчас в весьма тяжелых условиях, так как в северных районах и Сибири стоят сильные морозы. Хорошо работают станции при Рязанском педагогическом институте; Пулковской обсерватории, университетах в Москве, Фрунзе, Ужгороде и Риге.

Визуальные наблюдения, естественно, не могут дать большой точности. С их помощью положение спутника засекается с точностью до 0,1°, а время прохождения — до 1 сек. (Опытные наблюдатели могут дать и несколько большую точность.) Такие наблюдения играют особенно большую роль на последнем этапе жизни спутника, когда он начинает входить в земную атмосферу. В это время изменение его орбиты происходит уже настолько быстро и нерегулярно, что предсказать их сколько-нибудь надежно пока не представляется возможным. Между тем как раз вхождение спутника в атмосферу Земли и движение в ней представляют особый интерес, так как позволяют изучать плотность воздуха на различных высотах. Единственно эффективным способом наблюдения в этих условиях является установка оптического барьера из возможно большего числа трубок с тем, чтобы безусловно не пропустить спутник.

Следующим этапом являются фотографические наблюдения — получение фотографии следа спутника среди звезд на небе с помощью астрономического телескопа или специальной широкоугольной камеры. Поле зрения обычных телескопов меньше, чем у визуальной трубки, и составляет обычно не более 5°. Так как астрономический телескоп в общем довольно инерционный инструмент, его необходимо установить заблаговременно. Для того чтобы след спутника действительно попал на пластинку, установленную за телескопом, необходимо более точно знать его эфемериду. Результаты визуальных наблюдений как раз и позволяют давать более точные предсказания для астрономических обсерваторий.

На фотографии, где засняты и звезды, можно уже более точно измерить координаты спутника. Время наблюдения фиксируется с помощью специального прерывателя или автоматического затвора, соединенного с обычным хронометром или печатающим хронографом службы времени. На фотографии след спутников в результате этого оказывается периодически прерванным. Хорошие фотографии ракеты-носителя первого спутника и второго спутника получены на Пулковской обсерватории, в Астрофизическом институте Академии наук Казахской ССР в Алма-Ате, на Харьковской обсерватории и др. Если удастся точно замерить момент наблюдений (при наличии на обсерватории службы времени это можно сделать с точностью ¹/₁₀₀ сек.), то эти наблюдения представят большую научную ценность. Они позволят еще более уточнить орбиту спутника, выявить ее изменение во времени, а это чрезвычайно интересно, так как по отклонениям и изменениям орбиты можно судить об изменении силы тяжести в различных точках земного шара, т. е. о распределении массы в Земле — вопрос, который детально никаким другим способом решен быть не может. С помощью визуальных и фотографических наблюдений можно также изучить изменение блеска ярких спутников и ракеты-носителя, т. е. определить, как они меняют свою ориентировку в пространстве.

В наблюдениях участвуют сейчас все обсерватории СССР, а также обсерватории многих других стран. Астрономический совет получает интересные данные наблюдений из Эдинбурга (Англия), Дунсинка (Ирландия), Нанкина (Китай), Познани (Польша), Потсдама (ГДР) и из астрономических центров других стран.

Через Комитет по проведению Международного геофизического года мы обратились ко всем странам — участницам МГГ с просьбой принять участие в оптических наблюдениях спутников для обмена информацией и надеемся, что число наблюдений в ближайшее время значительно возрастет.

Искусственные спутники — это своеобразные летающие лаборатории, значительно расширяющие наши «земные» возможности. Передатчики, установленные на первом и втором спутниках, позволили в течение длительного времени принимать радиосигналы с двумя различными частотами из областей ионосферы, ранее не доступных для длительных наблюдений. Большое число специальных станций, клубы ДОСААФ н тысячи радиолюбителей вели радионаблюдения за спутниками.

Измерения напряженности поля принимаемых со спутника радиосигналов позволяют оценить поглощение радиоволн в ионосфере, включая те ее области, которые лежат выше максимума ионизации основного ионосферного слоя F2. До сих пор основные сведения об ионосфере получались с помощью радиоволн, посылаемых с Земли и отраженных от областей ионосферы, лежащих ниже максимума ионизации. Двигаясь по эллиптической орбите, спутник занимает различные положения относительно основного максимума электронной концентрации в земной атмосфере. Такие условия создают большое разнообразие в путях распространения коротких радиоволн на большие расстояния и позволяют, в частности, изучать распространение радиоволн путем ионосферных радиоволноводов. Результаты наблюдений явно указывают на наличие волноводных каналов в ионосфере.

Верхние слои атмосферы играют большую роль в жизни Земли. Они защищают живые организмы от вредного воздействия коротковолнового излучения Солнца, космических лучей и метеоритов. Через них происходит воздействие солнечной активности (пятна, хромосферные вспышки) на процессы, происходящие в тропосфере: развитие циклонов и антициклонов, колебания уровня воды в океанах и морях. Состояние этих слоев не остается постоянным, оно непрерывно меняется в зависимости от времени суток и года, от степени солнечной активности. В частности, имеются все основания предполагать наличие непосредственной связи вариаций интеноивности коротковолнового излучения Солнца с процессами в ионосфере.

Хотя общая энергия коротковолнового излучения Солнца сравнительно невелика (она в десятки тысяч раз меньше энергии, излучаемой Солнцем в видимом свете); влияние его на верхние слои атмосферы очень существенно, благодаря высокой активности этих лучей. Существует прямая связь между активными образованиями на Солнце, особенно хромосферными вспышками, и усилением коротковолнового излучения. Излучение это связано также с физическими процессами, протекающими в солнечной короне. Изучение коротковолнового участка спектра Солнца представляет поэтому особый интерес для астрофизиков и геофизиков. Между тем излучение это практически полностью поглощается молекулами воздуха, что делает невозможным изучение его с Земли.

На втором спутнике измерения ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца производились с помощью трех специальных фотоэлектронных умножителей, расположенных под углом в 120° друг к другу и снабженных системой фильтров для выделения наиболее интересных участков спектра. Результаты измерений передавались на Землю с помощью телеметрической системы. Одновременно на Земле все службы Солнца, не только в СССР, но и во всех странах — участницах МГТ, вели непрерывные и усиленные наблюдения за солнечной активностью, радиоизлучением Солнца, состоянием ионосферы. Обработка и сопоставление космических и земных наблюдений позволят решить ряд важных научных проблем.

Установка для изучения первичной составляющей космических лучей на втором спутнике состоит из двух одинаковых приборов для регистрации заряженных частиц, расположенных взаимно перпендикулярно и предназначенных для измерения интенсивности космического излучения. Важным преимуществом установки на спутнике является не только измерение интенсивности действительно первичной составляющей космического излучения, не искаженной взаимодействием с атмосферой, но и возможность определения широтного эффекта этого излучения, а следовательно, и его энергетического спектра. Вариации интенсивности космических лучей связаны с активностью Солнца и рядом процессов, протекающих в космическом пространстве. Ответ на вопрос, что представляют собой первичные космические лучи, каков их химический состав, изменение их интенсивности во времени вне влияния земной атмосферы, чрезвычайно существенен как для физиков, так и для астрофизиков. Получение таких сведений позволит проверить существующие теории происхождения космического излучения, которое, как предполагается, связано с вспышками сверхновых звезд, даст ценные сведения о распространенности химических элементов во Вселенной, что, в свою очередь, связано с проблемой происхождения элементов.

Значение второго искусственного спутника Земли усиливается тем, что с его помощью первое живое существо — собака — проникло в космос. Трудно переоценить значение медико-биологических исследований, проведенных на втором спутнике. То, что подопытное животное хорошо перенесло длительное воздействие ускорений при выходе спутника на орбиту и последующее состояние невесомости, продолжавшееся несколько дней, является серьезным шагом на пути к межпланетным перелетам. Тщательная обработка полученных наблюдений, без сомнения, даст еще много ценного для разработки средств, обеспечивающих безопасность полета человека в космическом пространстве.

Научные наблюдения, которые уже проведены и еще будут проводиться на спутниках в течение Международного геофизического года, являются новым, чрезвычайно эффективным орудием познания природы. Программа этих исследований охватывает изучение природы корпускулярного излучения Солнца, космических лучей, магнитного поля Земли, химического состава ионосферы, метеорной материи, ряд важных медико-биологических наблюдений и еще много других существеннейших проблем астрофизики и геофизики, изучение которых невозможно на Земле.