«Земля и Вселенная» 2001 №1, с.34-41

Сергей Николаевич Вернов — выдающийся ученый в области физики космоса, Герой Социалистического Труда, лауреат Государственной и Ленинской премий. С.Н. Вернов занимался изучением космических лучей и околоземного пространства, совместно с А.Е. Чудаковым в 1958 г. открыл внешний радиационный пояс Земли.

С.Н. Вернов родился 11 июля 1910 г. в г. Сестрорецке под С.-Петербургом. Отец его был почтовым служащим, мать — преподавателем математики. В 1926 г. Сергей поступает в Механический техникум и уже через год переходит на первый курс физико-механического факультета Ленинградского политехнического института, который окончил в 1931 г с дипломом инженера-физика. В студенческие годы Сергей работал лаборантом в Государственном радиевом институте (ГРИ), созданном В.И. Вернадским. Закончив в 1935 г. аспирантурантуру и защитив кандидатскую диссертацию ("Изучение космических лучей в стратосфере с помощью радиозондов") он продолжает работать старшим научным сотрудником этого института. Диссертация Сергея Николаевича очень понравилась С.И. Вавилову, который пригласил его в докторантуру ФИАН для продолжения исследований космических лучей. В 1935 г. С.Н. Вернов переехал из Ленинграда в Москву.

Космические лучи — потоки стабильных частиц, приходящих на Землю из космоса (первичное излучение), а также частицы, возникающие при взаимодействии первичных частиц с атмосферой (вторичное излучение). Первичные космические лучи состоят из протонов, ядер гелия и более тяжелых элементов с энергиями от 10⁷ до 10²¹ эВ. Происхождение космических лучей связано с галактической (вспышки Сверхновых) и солнечной активностью.

Изучать космические лучи начали уже 100 лет назад, причем в первые 15-20 лет ученые не знали, что собственно они исследуют. При изучении электропроводности различных газов, в том числе воздуха, заметили, что даже в отсутствие ионизующих источников продолжает протекать слабый "темновой" ток. Первые публикации об этих экспериментах относятся к 1900-1901 гг.

Запуск в стратосферу регистрирующей космические лучи аппаратуры (масса 50 кг) с помощью гирлянды шаров-зондов

О первичных космических лучах — частицах, пронизывающих Вселенную, ничего не знали. Чтобы понять их природу стали проводить эксперименты на границе атмосферы. К сожалению, экспериментаторы не могли подняться с приборами на высоту более 10 км. Необходима была аппаратура, проводящая измерения и передающая их результаты без участия человека. Именно по этому пути и пошел С.Н. Вернов, используя опыт профессора П.А. Молчанова, получавшего метеорологическую информацию с помощью радиозондов. В 1936-38 гг. Сергей Николаевич провел цикл экспериментов по изучению широтного эффекта космических лучей в стратосфере, запуская автоматические шары-зонды. Полеты выполнялись на разных широтах: в Ленинграде, Ереване и в районе экватора (с борта танкера "Серго Орджоникидзе" в Индийском океане). Оказалось, что на экваторе поток частиц космических лучей в четыре раза меньше, чем в высоких широтах. Получалось, что магнитное поле Земли отклоняет космические частицы, т.е. они заряжены.

В 1939 г. С.Н. Вернов защитил докторскую диссертацию по теме "Широтный эффект космических лучей в стратосфере и проверка каскадной теории в случае прохождения электронов через вещество с малым атомным номером". Предполагалось, что первичные космические лучи состоят из электронов. Сергей Николаевич, изучая на больших высотах переходное излучение воздух-свинец, обнаружил несоответствие гипотезе о первичных электронах. В 1949 г. он исследовал восточно-западную асимметрию космических лучей в стратосфере во время экспедиции на специально оборудованном судне "Витязь". Измерения показали превышение потока частиц западного направления над восточным, т.е. что они положительно заряжены. Эти эксперименты подтвердили присутствие протонов в первичном космическом излучении, а несколько позднее в их составе обнаружили ядра более тяжелых химических элементов, вплоть до железа, свинца и даже урана.

В послевоенные годы Советский Союз тратил большие средства на создание атомной бомбы и связанные с ним ядерные исследования. Президент АН СССР СИ. Вавилов добился разрешения Правительства на расширение исследований космических лучей. С.Н. Вернов начал формировать новые научные коллективы. В 1947 г. им создана стратосферная станция под Москвой (г. Долгопрудный), где исследовались космические лучи с помощью аппаратуры, поднимаемой гирляндой аэростатов до 25-30 км. В 1947-51 гг. группа ученых, созданная Сергеем Николаевичем, проводила изучение космических лучей на еще больших высотах — 70-100 км с помощью высотных ракет, запускаемых с полигона Капустин Яр. Ракетные эксперименты возглавлял его соратник А.Е. Чудаков (ныне академик РАН). В конце 40-х гг. С.Н. Вернов организовал исследования космических лучей, проникающих на большие высоты атмосферы. На высотном самолете установили большой электромагнит с камерой Вильсона, в которую поместили пластины из бериллия и свинца, измеряя первичные и вторичные лучи. За эти работы в 1949 г. С.Н. Вернов получил Государственную премию, а в 1953 г. становится членом-корреспондентом АН СССР.

В 1946 г. в МГУ созданы Научно-исследовательский институт ядерной физики |(НИИЯФ) и отделение ядерной физики физического факультета. Кафедру "Космические лучи" возглавил С.Н. Вернов. В 1960 г. его назначают директором НИИЯФ и заведующим отделением ядерной физики физического факультета МГУ. С.Н. Вернов стал членом бюро и заместителем академика-секретаря отделения ядерной физики, возглавлял Научный совет АН СССР по комплексной проблеме "Космические лучи", вел большую работу по планированию научных исследований в СССР, в наших бывших союзных и автономных республиках. Очень много сил отдал С.Н. Вернов созданию научных центров изучения космических лучей. В период интенсивных исследований космических лучей в стране работало более 10 таких центров (в Якутске, Алма-Ате, Тбилиси, Иркутске и ряде других городов).

Здание для изучения космических лучей, построенное в 1956 г. на территории МГУ. Полукруглая крыша сделана из легкого материала, пропускающего частицы даже небольших энергий

С 1957 г. велись ежедневные стратосферные полеты шаров-зондов в г. Долгопрудном, а затем из других мест (Мурманска, Алма-Аты и Антарктиды) для систематических наблюдений интенсивности космических лучей. Полеты шаров-зондов с простейшей регистрирующей аппаратурой позволили получить данные об интенсивности космических лучей более чем за 40 лет. Коллеги и ученики Сергея Николаевича обнаружили влияние общего магнитного поля Солнца на уровень космических лучей во внутренних областях гелиосферы, на орбите Земли. Эта работа в 1976 г. была удостоена Ленинской премии.

Сергей Николаевич проводил эксперименты с помощью шаров-зондов, на стратостатах, самолетах и высотных ракетах. Скоро стало ясно, что для изучения частиц очень больших энергий нужны приборы огромной площади. Энергичные частицы генерируют в атмосфере огромные потоки частиц — широкие атмосферные ливни. В 1957 г. под руководством С.Н. Вернова создана установка для изучения частиц сверхвысокой энергии в Москве на территории МГУ. Установка занимала огромную по тем временам площадь — около 3 км². В первый же год ее работы в спектре космических лучей при энергии 2 х 10¹⁵ эВ выявлена нерегулярность излучения. С.Н. Вернов — один из авторов открытия закономерности в энергетическом спектре космических лучей. Впоследствии этот факт, имеющий первостепенное значение для определения природы и источников частиц высоких энергий, подтвержден экспериментами во многих лабораториях мира. Расширять установку в Москве было затруднительно из-за ограниченности территории, поэтому исследования перенесли в Якутск и Самарканд, причем в Якутске к настоящему времени площадь установки достигла 20 км². С.Н. Вернов был не только инициатором создания такого типа установок, но и сам вел исследования. В списке научных трудов Сергея Николаевича около четверти работ посвящены изучению широких атмосферных ливней.

Возникновение широких атмосферных ливней при прохождении частиц космических лучей через атмосферу Земли. Представлены два ливня от частиц с энергиями 1014 и 1018 эВ. На врезке показана более подробная картина образования новых частиц

Исследование космических лучей с помощью космических аппаратов — одно из важнейших направлений деятельности Сергей Николаевича. С запусками первых ИСЗ начались интенсивные исследования космической радиации за пределами атмосферы, а позднее и магнитосферы Земли. Группа ученых из Физического института АН СССР и Физико-технического института на втором советском спутнике изучала Солнце и космические лучи в ультрафиолетовом диапазоне с помощью приборов, разработанных С.Н. Верновым и его коллегами. Запущенный 15 мая 1958 г. третий советский ИСЗ регистрировал потоки частиц над различными районами земного шара. Была обнаружена новая радиационная область — внешний радиационный пояс Земли. Подтверждены и дополнены сведения, полученные американскими спутниками "Эксплорер-1 и -3" о зонах радиации высокой интенсивности в экваториальных широтах. Открытие внешнего радиационного пояса и изучение радиации на траекториях полетов АМС к Луне отмечено присуждением С.Н. Вернову в 1960 г. Ленинской премии.

Магнитосфера Земли, обтекаемая солнечным ветром. Горизонтальные прерывистые черточки, сплошные линии — силовые линии межпланетного и геомагнитного полей; плотные точки по дугообразной кривой — головная ударная волна

Особенно удачные исследования радиационных поясов Земли проведены С.Н. Верновым в 1964 г. во время полетов четырех спутников "Электрон". Одной ракетой выводились два спутника на различные орбиты: у "низкого" КА апогей достигал 6 тыс. км, у "высокого", исследовавшего внешний пояс, — 60 тыс. км. На основе собранной информации Б.А. Тверской, один из учеников Сергея Николаевича, разработал теорию радиационных поясов.

Солнечные батареи спутника "Электрон-1", большую часть времени находившегося в интенсивных полях радиации внутреннего пояса под влиянием сильного облучения, перестали вырабатывать электроэнергию. Возникла необходимость изучения поведения различных материалов в условиях космоса. С.Н. Вернов занялся изучением проблемы поражающих факторов космического пространства — воздействия радиации на элементы космической техники и живые организмы, в том числе и космонавтов. Сергей Николаевич сосредоточил внимание прежде всего на вопросах космического материаловедения. Он возглавляет исследования факторов воздействия на различные материалы и системы космической техники: радиации, глубокого вакуума, ультрафиолетового и рентгеновского излучения, микрометеорной материи. В помощь конструкторам космической техники Сергей Николаевич начал выпускать сборник "Модель космического пространства" (7 изданий, 1964-83 гг.). Такая информация о различных явлениях в космосе вскоре стала выходить в виде изданий Госстандарта, т.е. вместо справочной она стала нормативной, обязательной в конструкторских работах.

При подготовке полета человека в космос с 1960 г. стали измерять радиацию на высотах до 300 км. Так появилась новая наука — космическая дозиметрия, а С.Н. Вернов стал инициатором регистрации радиации и первым разработчиком дозиметров радиации. В конце 80-х гг. аналогичные приборы, измеряя уровень радиации на станции "Мир", показали, что на малых высотах она зависит от солнечной активности. Происходит разогрев атмосферы Земли и дополнительное высыпание частиц в районе Бразильской магнитной аномалии. Эффект высыпания частиц в областях отрицательных аномалий магнитного поля Земли, обнаруженный Сергеем Николаевичем и его коллегами, в 1982 г. был зарегистрирован как открытие.

С.Н. Вернов с учениками и коллегами (1959 г.). Слева направо: А.Е. Чудаков (ныне академик РАН), Н.Л. Григоров (профессор, заслуженный деятель науки России), академики С.Н. Вернов и Г.Б. Христиансен, доктора физико -математических наук И.Л. Иваненко и А.Н. Чарахчьян

Важный этап космических исследований — полеты на Луну и к ближайшим планетам. Сергей Николаевич организовал изучение космических лучей на трассах полетов АМС. Первые запуски к Луне показали, что у Луны нет радиационных поясов, как нет и заметного магнитного поля. "Луна-9" в 1966 г. определила радиоактивность лунной поверхности. АМС "Венера-4" и "Марс-3", выполнив исследования Венеры в 1967 г. и Марса в 1971 г., не обнаружили у этих планет радиационных поясов.

Исследования первичных космических лучей высокой энергии на спутниках "Протон" в 1965-68 гг. также проводились под руководством С.Н. Вернова. Это был первый опыт запуска в космос приборов большой массы (до 12,5 т). Уникальные по разносторонности и диапазону регистрации энергичных частиц эксперимента до сих пор не повторены.

С помощью первых же ИСЗ изучался и другой тип космических лучей. Кроме галактического излучения источником энергичных частиц является Солнце — солнечные космические лучи. Иногда во время вспышек оно генерирует большое число энергичных частиц, существенно увеличивая радиационную опасность при полетах КА вне магнитного поля Земли. Со времени их открытия в 1942 г. зарегистрировано более 50 вспышек потоков заряженных частиц с максимальной энергией в несколько ГэВ (1 ГэВ = 10⁹ эВ).

После организации в 1965 г. секции ядерной физики Научно-технического совета Министерства высшего образования СССР С.Н. Вернов стал ее бессменным председателем. С присущей ему энергией и настойчивостью он занимался координацией ядерно-физических исследований в вузах СССР. По его инициативе в нескольких вузах были созданы проблемные лаборатории по ядерной физике и физике высоких энергий.

Успешные исследования космических лучей выдвинули С.Н. Вернова в число наиболее авторитетных ученых, в 1968 г. его избирают действительным членом Академии наук СССР. Научная школа С.Н. Вернова и созданные им коллективы сформировались к началу 70-х гг.

Сергей Николаевич очень заботился о своих преемниках. Его ученики — выдающиеся ученые в области физики космических лучей и взаимодействия частиц высокой энергии — неоднократно удостаивались Ленинских и Государственных премий. Необыкновенная интуиция и вдумчивая работа с коллегами позволили ему собрать вокруг себя плеяду молодых ученых. Сергей Николаевич обладал способностью распознавать талантливых людей и привлекать их своей исследовательской увлеченностью. С.Н.Вернов умел создать атмосферу созидания, способствовавшую проявлению талантов и рождению новых идей. Под его председательством проходили Всесоюзные конференции по космическим лучам. Плодотворными стали организованные С.Н. Верновым Международные семинары по космической физике, постоянно проводимые в Ленинграде. Занимался Сергей Николаевич и общественной работой, много лет возглавляя Московский комитет защиты мира.

С.Н. Вернов умер 26 сентября 1982 г., вписав яркие страницы в историю изучения космических лучей и освоение космического пространства.

Ю.И.ЛОГАЧЕВ,
доктор физико-математических наук