«Земля и Вселенная» 2002 №3, с. 57-64

В 1969 г. в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР (ИЗМИРАН) в составе Отдела физики Солнца была образована Лаборатория солнечной активности. Фактически она возникла значительно раньше. В 1958 г. в ИЗМИРАН пришел молодой талантливый ученый Геннадий Михайлович Никольский (1929-1982). Вокруг него быстро сформировалась группа научных сотрудников, в основном недавних выпускников Московского университета, которая и составила ядро будущей лаборатории. В 1969 г. Г.М. Никольский официально возглавил новую лабораторию. Автор настоящей статьи, работающий в ИЗМИРАНе с 1957 г., также вошел в группу, а затем и лабораторию Никольского.

Геннадий Михайлович Никольский у спектрографа. 1963 г. Фото автора.

Одним из важнейших направлений деятельности лаборатории стало исследование солнечной короны и межпланетной среды. Как известно, изучение солнечной короны началось в середине XIX в. после появления фотографии и внедрения методов спектрального анализа в практику астрономических наблюдений. Вплоть до 30-х гг. XX в. единственным источником информации о солнечной короне оставались наблюдения полных солнечных затмений. Изобретение французским астрономом Бернаром Лио внезатменного коронографа (1930 г.) позволило начать наблюдения короны независимо от затмений. Отметим, что крупнейший в мире коронограф системы Лио с диаметром объектива 53 см и фокусным расстоянием 8 м сконструирован и изготовлен под руководством Г.М. Никольского. Первые Большие коронографы были установлены в 1966 г. на Горной астрономической станции близ Кисловодска (коронограф ИЗМИРАН-ГАО) и на Саянской обсерватории СибИЗМИР (Земля и Вселенная, 1967, №4).

К сожалению, коронографы системы Лио позволяют наблюдать только внутреннюю корону в наиболее ярких спектральных линиях. Внешняя корона остается недоступной для наземных оптических наблюдений вне затмений. Поэтому лаборатория солнечной активности уделяла большое внимание наблюдениям полных солнечных затмений. Упомяну лишь два наиболее важных результата, полученных сотрудниками лаборатории в 1960-70-е гг.

Большой внезатменный коронограф ИЗМИРАН-ГАО (справа). На заднем плане — г. Эльбрус. Фото автора.

Спектральные наблюдения короны, выполненные во время затмения 30 июня 1973 г.. окончательно доказали, что горячее корональное вещество проникает глубоко внутрь хромосферы. Фактически, корона начинается в непосредственной близости от фотосферы, на высоте около 2000 км. Наиболее точные поляризационные наблюдения, проведенные во время нескольких затмений, позволили получить сведения о трехмерной структуре короны. В частности, впервые было обнаружено искривление больших корональных лучей ("стримеров") в направлении луча зрения.

Но полные солнечные затмения случаются редко (в среднем одно затмение за полтора года) и при этом большей частью — за пределами нашей страны. Последнее обстоятельство затрудняло проведение наблюдений. Так, за 18 лет между затмениями 30 июня 1973 г. в Африке и 11 июля 1991 г. в Мексике не было ни одной советской экспедиции для наблюдения подобного явления за рубежом. В лаборатории Никольского велись интенсивные поиски нетрадиционных способов наблюдений короны и других объектов в околосолнечном пространстве. В частности, большие надежды возлагались на наблюдения с пилотируемых космических кораблей. С этой целью автор настоящей статьи прошел подготовку в составе отряда космонавтов Академии наук СССР.

В апреле 1965 г., через четыре года после космического полета Ю.А. Гагарина, президент АН СССР М.В. Келдыш принял решение о формировании отряда космонавтов-исследователей Академии наук. В отряд предполагалось включить специалистов по астрономии, физике, биологии. Руководству ряда научных институтов и вузов было предложено подготовить списки кандидатов для отбора в космонавты. Осенью 1966 г. в Научно-исследовательском авиационном госпитале в Сокольниках соискатели прошли медицинское обследование. В результате жесткого отбора осталось четыре претендента.

Наконец в мае 1967 г. был подписан приказ о формировании первой группы космонавтов Академии наук СССР. В группу вошли Р.А. Гуляев (астроном), В.Г. Ершов (математик), О.П. Коломийцев (радиофизик) и М.Н. Фаткуллин (радиофизик). В.Г. Ершов работал под руководством М.В. Келдыша в Институте прикладной математики. Предполагалось, что он станет участником лунной программы. Остальные три члена группы — сотрудники ИЗМИРАН — должны были готовиться к исследованиям Солнца и солнечно-земных связей на орбитальных станциях. Командиром группы был назначен профессор Г.П. Катыс, прошедший подготовку к полету на корабле "Восход" (дублер К.П. Феоктистова).

Расположение кораблей "Союз-19" и "Аполлон" перед стыковкой и после расстыковки. Рисунок NASA.

В конце мая 1967 группа приступила к занятиям в Центре подготовки космонавтов в Звездном городке. За год с небольшим она прошла полный курс общекосмической подготовки, включающий, помимо теоретических занятий, большой комплекс тренировок: на центрифуге, в барокамере, сурдокамере, полеты на истребителе МиГ-15 (в том числе испытания на невесомость), прыжки с парашютом и т.д. В июле 1968 г. основной курс подготовки был закончен. Впоследствии кандидатов вызывали на повторные медицинские обследования. Но, повидимому, Академия наук утратила интерес к своей группе космонавтов, и нас постепенно списали якобы по медицинским показаниям. Дольше всех, до 1974 г., продержался В.Г. Ершов (все-таки сотрудник М.В. Келдыша), но и он не прошел очередную медицинскую комиссию в Институте медико-биологических проблем.

В 1974 г. первая и до сих пор единственная группа космонавтов Академии наук СССР прекратила свое существование¹ . Тогда в лаборатории Никольского стали задумываться о том, как привлечь действующих космонавтов к проведению внеатмосферных исследований. Скоро представился благоприятный случай. В мае 1972 г. Председатель Совета министров СССР Н.А. Косыгин и Президент США Р. Никсон подписали "Соглашение о сотрудничестве в исследовании и использовании космического пространства в мирных целях". Одним из основных пунктов Соглашения была договоренность о создании совместимых средств сближения и стыковки советских и американских космических кораблей и станций. Для испытания таких средств на 1975 г. запланировали совместный экспериментальный полет кораблей "Союз" и "Аполлон" (проект ЭПАС).

¹О перипетиях создания отряда космонавтов Академии наук СССР можно прочитать в энциклопедии "Советские и российские космонавты: 1961-2000". М., Изд. дом "Новости космонавтики", 2001.

Было решено не ограничиваться выполнением основной технической задачи ЭПАС (испытание совместимых средств сближения и стыковки), а провести также ряд совместных научных исследований. На конкурс заявок Лаборатория солнечной активности ИЗМИРАН представила проект эксперимента "Искусственное солнечное затмение", предложенный Г.М. Никольским и А.И. Симоновым, сотрудником ЦКБЭМ (ныне РКК "Энергия" им. С.П. Королёва). Эксперимент должен был моделировать полное солнечное затмение, при котором роль Луны отводилась кораблю "Аполлон". С борта корабля "Союз" планировалось получить серии фотоснимков солнечной короны, а также "атмосферы" вокруг КК "Аполлон" в условиях искусственного затмения Солнца. Проект преследовал прежде всего методическую цель: экспериментальную проверку новых методов исследования солнечной короны и "атмосферы" космического корабля.

Снимок участка неба вокруг КК "Аполлон", сделанный с корабля "Союз-19" в ходе эксперимента "Искусственное затмение Солнца". Видно яркое дифракционное кольцо вокруг "Аполлона". Угловой диаметр кольца равен 6 диаметрам Солнца (выдержка 0.16с в момент, когда расстояние между кораблями составляло 58 м). Фото ИЗМИРАН.

По итогам конкурса, на который было подано свыше 100 заявок (большей частью из США), для проведения совместных исследований отобрали следующие проекты: МА-148 Искусственное солнечное затмение, МА-147 Зонообразующие грибки, АР-002 Микробный обмен, МА-150 Универсальная печь, МА-059 УФ-поглощение (измерение концентрации атомов кислорода и азота в верхней атмосфере на высоте полета), МА-014 Электрофорез. Как видим, лишь один эксперимент (МА-148) имел астрономическую направленность и один (МА-059) — геофизическую. Проект Г.М. Никольского и А.И. Симонова "Затмение" не только успешно прошел конкурсный отбор, но и был признан самым интересным и оригинальным. Научным руководителем эксперимента был утвержден профессор Г.М. Никольский, представителем американской стороны — доктор Р.Т. Джюли.

Расскажем о том, как проходил эксперимент "Искусственное солнечное затмение". В течение двух суток корабли "Союз-19" и "Аполлон" совершали совместный полет в состыкованном состоянии. Перед расстыковкой связка кораблей ориентировалась продольной осью в направлении на Солнце, при этом "Аполлон" находился со стороны Солнца. В заданный момент времени произошло разделение кораблей, и они начали расходиться с относительной скоростью около 1 м/с. "Аполлон" закрыл собой Солнце, создавая для наблюдателя на "Союзе" условия искусственного солнечного затмения. Корабли удалились друг от друга на 225 м. При таком расстоянии для наблюдателя на "Союзе" угловые размеры искусственной Луны (корабля "Аполлон") вдвое превысили размеры солнечного диска и, следовательно, осталась открытой внешняя корона начиная с расстояния около 2R_⊙ от центра диска. После этого корабль "Аполлон" вновь приблизился к "Союзу" для повторной стыковки. Во время искусственного затмения Солнца с корабля "Союз" велось фотографирование солнечной короны с помощью 70-мм автоматической фотокамеры, снабженной блоком программного управления. Поле зрения кадра — 30° х 30°, выдержка — от 0.16 до 11 с.

На период проведения орбитального эксперимента были предусмотрены синхронные наземные наблюдения солнечной короны в высокогорных условиях. Для этой цели изготовлен легко транспортируемый внезатменный коронограф и подготовлена небольшая экспедиция, расположившаяся на склоне горы Эльбрус в районе "Приюта одиннадцати" (на высоте 4200 м).

Снимок солнечной короны, полученный 11 августа 1999 г. с помощью коронографа LASCO-C2 на борту космической обсерватории "SOHO". Внутренняя окружность соответствует угловым размерам Солнца. Фото ESA-NASA.

15 июля 1975 г. с космодрома Байконур стартовал корабль "Союз-19" с космонавтами А.С. Леоновым и В.Н. Кубасовым на борту. Через несколько часов с космодрома Канаверал поднялся корабль "Аполлон" с астронавтами Т. Стаффордом, В. Брэндом и Д. Слэйтоном. 17 июля, после двух суток автономного полета, корабли состыковывались. Эксперимент "Искусственное солнечное затмение" успешно проведен 19 июля после первой расстыковки кораблей. Фотосъемку вел В.Н. Кубасов (Земля и Вселенная, 1975, № 4; 1976, № 1).

Экспонированная фотопленка (Kodak HS-2485) была проявлена в ИЗМИРАНе Г.М. Никольским и И.С. Ким. Анализ снимков показал, что кадры с выдержками 1-11 с засвечены. Виной тому — свет, шедший из кабины КК "Союз-19" (от светящихся инструментальных панелей управления) и рассеивавшийся в стекле иллюминатора, через который велась съемка. Оптимальные результаты получены при выдержках 0.16 и 0.33 с. На таких снимках хорошо видно узкое светящееся кольцо вокруг "Аполлона", обусловленное дифракцией солнечного света на поверхности корабля. Видны также области свечения, относящиеся к "атмосфере" вокруг корабля. На оригинальных негативах выявлена F-корона как диффузное свечение, концентрирующееся к эклиптике. Корональные лучи не видны, т.к. яркость фона, связанного с рассеянием света, оказалась значительно выше ожидаемой.

Пионерский эксперимент "Искусственное солнечное затмение" дал ценный методический материал, использованный в дальнейшем при разработке новых приборов для внеатмосферных наблюдений солнечной короны. За годы, прошедшие после эксперимента "Затмение", техника внеатмосферных наблюдений ушла далеко вперед. Сейчас есть возможность прослеживать корональные лучи в белом свете до очень больших расстояний от Солнца. Особенно впечатляют результаты, получаемые с борта космической обсерватории "SOHO", запущенной в декабре 1995 г. (Земля и Вселенная, 1997, № 2). На КА "SOHO" установлены, в частности, два коронографа, имитирующие затмение Солнца.

Один из них (LASCO-C2) дает изображения лучистой солнечной короны до гелиоцентрического расстояния 6R_⊙, другой -(LASCO-C3) — вплоть до расстояния 30R_⊙ (Земля и Вселенная, 2001, № 2).

Однако вернемся в 1970-е гг. 29 сентября 1977 г. на околоземную орбиту была выведена пилотируемая орбитальная станция "Салют-6". 11 декабря этого же года на ней приступила к работе первая основная экспедиция в составе Ю.В. Романенко и Г.М. Гречко. В начале 1978 г. они визуально обнаружили новое атмосферное явление: диффузное неоднородное свечение ночной атмосферы, появляющееся над экваториальными областями. Наблюдатели назвали это свечение "вторым слоем", в отличие от "первого слоя" — известного перманентного свечения ночной атмосферы на высоте около 100 км. Следы подобного свечения ("второго слоя") ранее отмечали также П.И. Климук и В.И. Севастьянов, работавшие на станции "Салют-4".

По предложению А.И. Симонова к исследованиям нового явления подключился Г.М. Никольский, составивший программу дальнейших наблюдений. По этой программе Г.М. Гречко и Ю.В. Романенко провели в марте 1978 г. фотографические наблюдения "второго слоя". Применялась фотокамера "Киев-4" со светосильным объективом "Юпитер-3". Съемка велась на изопанхроматическую фотопленку Kodak HS-2485 с выдержками от 30 до 60 с. Фотопленку доставила на станцию экспедиция посещения (космонавты А.А. Губарев и В. Ремек). Фотометрический и морфологический анализ негативов, выполненный в Лаборатории солнечной активности, показал: "второй слой" ("ночное экваториальное кольцо"), располагается над геомагнитным экватором на высотах ионосферной области F; максимум ионов — на высоте около 300 км; протяженность слоя — более 100 км; яркость составляет в среднем 10^-12 яркости Солнца. Г.М. Гречко и Ю.В. Романенко сделали несколько снимков зодиакального света. Анализ результатов этих наблюдений был проведен с участием исследователя зодиакального света профессора Н.Б. Дивари.

В мае-июле 1979 г. фотографические наблюдения "второго слоя" продолжил В.В. Рюмин, прибывший на станцию "Салют-6" в составе третьей основной экспедиции (командир экипажа В.А. Ляхов). На этот раз использовалась цветная обратимая фотопленка, что позволило определить спектральный состав свечения. Был сделан вывод, что свечение "второго слоя" обусловлено главным образом излучением атомов кислорода в красных запрещенных линиях λ 6300 и λ 6364 Å. Что касается первого слоя (ионосферная область Е), то в его свечении преобладает зеленая запрещенная линия кислорода λ 5577 Å.

Особенно ценные материалы по "второму слою" получены В.В. Рюминым в 1980 г., во время его второго длительного пребывания на "Салюте-6" (четвертая основная экспедиция). Фотографирование проводилось через широкоугольный светосильный объектив на цветную обратимую пленку Kodak Ektachrom-400, а также на цветную и черно-белую негативные пленки с выдержками от 30 до 300 с. Детальный фотометрический анализ полученных цветных снимков выполнил аспирант Г.М. Никольского, И.А. Несмянович.

19 апреля 1982 г. на орбиту была выведена пилотируемая научная станция "Салют-7". К полету на станцию готовились французские космонавты Ж.-Л. Кретьен и П. Бодри. Это обстоятельство послужило поводом для подготовки совместных советско-французских научных исследований на борту станции. Программа, разработанная под эгидой Совета "Интеркосмос" и Национального центра космических исследований Франции, включала астрофизические и геофизические наблюдения, медико-биологические исследования и технологические эксперименты.

Зодиакальный свет, увиденный с борта станции "Салют-7". Яркое светило в вершине светящегося конуса — Венера. Фото ИЗМИРАН.

Остановимся на одном пункте программы, к которому Лаборатория солнечной активности имела прямое отношение. Для исследований, проводившихся на станции "Салют-6", был подготовлен эксперимент "Фотографирование ночного неба", получивший сокращенное обозначение ПСН ("Photographie du Ciel Nocturne"). Научные руководители эксперимента — Г.М. Никольский и сотрудник Парижского астрофизического института доктор С. Кучми. Использовалась модифицированная фотокамера Nicon со сменными объективами и гидирующим устройством на альтазимутальной монтировке.

Советско-французская экспедиция посещения — В.А. Джанибеков, А.С. Иванченков и Ж.-Л. Кретьен — находилась на борту станции "Салют-7" с 26 июня по 1 июля 1982 г. Экипаж основной экспедиции состоял в это время из двух человек: А.Н. Березового и В.В. Лебедева. В выполнении программы ПСН участвовали пять космонавтов. За несколько дней наблюдений получено большое количество превосходных цветных фотоснимков зодиакального света, светящейся ионосферы, полярных сияний и других объектов (Земля и Вселенная, 1982, № 5). Особый интерес представляет уникальная фотография (получена 30 июня 1982 г. В.А. Джанибековым), показывающая стратификацию излучения первого эмиссионного слоя. В его верхней части (высота около 100 км) располагается подслой с преимущественным излучением атомов кислорода в зеленой линии λ 5577 Å. Ниже (~85 км) отчетливо виден еще один подслой желтого цвета; этот цвет свидетельствует о преобладании резонансного излучения атомов натрия (дублет λ 5990 и λ 5996 Å). Снимки дают прямую картину вертикального разреза свечения ночной ионосферы, недостижимую при наземных наблюдениях.

Обратим внимание на снимок зодиакального света. В вершине конуса видна планета Венера. В этот период она находилась на максимально возможном угловом расстоянии от эклиптики. Фотометрический анализ снимка показал, что плоскость симметрии зодиакального пылевого облака в межпланетном пространстве не совпадает с плоскостью эклиптики, а отклонена от нее на 3° в сторону плоскости орбиты Венеры². После кончины Г.М. Никольского сотрудничество лаборатории с космонавтами постепенно прекратилось.

² Подробное описание астрофизических и геофизических исследований, выполненных на борту станции "Салют-7", можно найти в статье Г.М. Никольского (Земля и Вселенная, 1983, № 2).

Интерферометрическая камера для наблюдений резонансного излучения атомов, освобождающихся при сублимации твердого вещества вблизи Солнца. У прибора — Р.А. Гуляев. Снимок сделан перед затмением Солнца 11 августа 1999г. в Болгарии. Фото автора.

Какие новые астрономические задачи могут быть решены в будущем с привлечением пилотируемой космонавтики? Одна из возможных задач связана с исследованием межпланетной среды, находящейся в непосредственной близости к Солнцу. Твердое вещество (межпланетная пыль, потоки метеороидов, ядра комет типа "царапающих"), проникающее в ближнее околосолнечное пространство, подвергается интенсивной сублимации благодаря нагреву солнечным излучением. При этом образуются свободные атомы и низкозарядные ионы, которые могут быть обнаружены по их сублимации благодаря нагреву солнечным излучением. При этом образуются свободные атомы и низкозарядные ионы, которые могут быть обнаружены по их резонансному излучению. В видимой области спектра есть, например, резонансные линии кальция, натрия и ряда других элементов. Во время полного солнечного затмения 26 февраля 1998 г. на о. Гваделупа автор совместно с профессором П.В. Щегловым (ГАИШ МГУ) впервые обнаружил резонансное свечение ионов кальция, связанное с сублимацией твердого вещества на гелиоцентрических расстояниях от 5 до 20 R⊙. Для наблюдений использовалась интерферометрическая камера с эталоном Фабри-Перо, настроенная на линию К ионизованного кальция.

Отметим, что исследование динамики и эволюции сублимирующего вещества вблизи Солнца имеет важное космогоническое значение, в частности для понимания процессов в молодых протопланетных газопылевых системах, обнаруженных вокруг ряда звезд, например β Живописца. При дальнейшем исследовании процессов сублимации вокруг Солнца очень привлекательны резонансные линии нейтрального и ионизованного магния (космическое содержание этого элемента на порядок выше содержания кальция). Но резонансные линии магния расположены в спектральной области с длиной волны около 2800 Å, недоступной для наблюдений с поверхности Земли. В принципе, такие наблюдения могут быть проведены с пилотируемых кораблей и орбитальных станций.