С космическим путеводителем по Земле

Фотосъёмка способна предоставить документ – положение спутника на фоне опорных звёзд, но зависит от внешних условий – состояния погоды и освещения. На радиотехнические наблюдения не влияют ни освещение, ни облачность. По сигналам бортовых передатчиков устанавливается направление на ИСЗ, скорость его движения и определяется траектория. Но «мелкие» движения недостyпны и этому методу. Лазерная локация состоит из посылки к спутнику импульса светового излучения и приёма вернувшегося сигнала. Отражённый сигнал фиксируется на фоне звёзд. Этот метод точнее радиотехнического и не связан с условиями освещения. Казалось, именно на пути развития лазерного метода лежат возможности расшифровки спутниковой «хореографии». Но более точным оказался автономный способ, позволяющий бортовым средствам космического аппарата регистрировать собственный замысловатый путь в космосе.

Пролетающий над Землёй спутник временами вздрагивает. Колебания его в момент пересечения экватора объясняются экваториальным вздутием Земли. Другие скачкообразные изменения орбит свидетельствуют о неоднородности тела планеты, о возможном наличии небесных тел, движущихся вокруг неё, но пока не обнаруженных.

Более тонкие наблюдения за поведением тяжёлых спутников позволяют судить о некотором замедлении вращения нашей планеты, о вязкости мантии, одевающей её ядро.

Всё, буквально всё влияет на движение спутника: неоднородности Земли, наличие на её поверхности впадин и гор, перемещение воздушных масс. Нужны только точные методы регистрации его «орбитапьных мизансцен». И в этом смысле совершенствование методов измерений очень перспективно. Но существует и обратный приём. Опираясь на точность вывepeнныx орбит, локационными средствами спутников измерили расстояние до Земли и выявили неровности суши и поверхности океанов.

Особенность современных исследований – выяснение всеобщих закономерностей. Наиболее важные сведения получаются при использовании наземных, самолётных и спутниковых средств. Например, комбинация спутниковых, альтиметрических и наземных гравиметрических данных позволила получить около полутора тысяч членов разложения земного потенциала и, соответственно, формы геоида. Оказалось, даже в океанах существуют выступы и впадины водной поверхности, а экваториальный пояс имеет минимумы и максимумы с перепадом в 70 метров. Его минимумы расположены в районах Галапагосских и Мальдивских островов, а максимумы – вблизи островов Зелёного Мыса и Соломоновых.

Положение синхронных спутников, зависающих над «точкой» земного шара, используемых в качестве связных, неустойчиво над выпуклостями земного шара и устойчиво над прогибами. Существуют и местные неровности геоида: европейский горб, поднимающийся на 60 метров, и впадины вблизи Флориды и Калифорнии, понижение на 106 метров в Южной Индии и горб около 60 метров вблизи Новой Гвинеи. Всё это особенности фигуры Земли, а не рельефа поверхности, имеющего куда более солидные местные отклонения.

Уточнена грушевидность планеты. Замеры дают приподнятость Северного полюса нa 15 метров и опускание Южного на 25 метров. Интересно, что за 500 лет до обнаружения грyшевидности Земли спутниками её предсказывал Христофор Колумб. На что опирался при этом великий генуэзец? Для нас это опять-таки тайна. И может быть, она тоже отголосок утерянных ныне сведений, свидетельство высоких взлётов предшествующих цивилизаций.

Если бы Земля расплавилась, она бы не изменила форму, так как геоид – фигура жидкой Земли. С целью прямых измерений формы геоида со спутников с помощью альтиметра была измерена поверхность акваторий океанов. Полученная модель оказалась в хорошем соответствии с моделями, построенными по гравиметрическим измерениям.

Целая армия специализированных спутников уточняла характеристики планеты. Наконец европейскому спутнику GOCE удалось осуществить то, что выглядело мечтой на заре космонавтики. Прецизионные датчики-акселерометры на его борту были способны замерить одну десятитриллионную земного притяжения. Измеряя нюансы своего орбитального движения, они рисовали картину всего сущего на Земле. По замерам спутника были составлены самые точные на сегодняшний день гравитационный портрет планеты и модель её фигуры. Обмеры уникального космического аппарата, занявшие почти два года, свели погрешность знания размеров нашей планеты до сантиметра.

За год до старта первого искусственного спутника британское Королевское астрономическое общество назвало возможность космических путешествий «абсолютной чепухой». Действительно, трудно было себе представить одновременное разрешение множества препятствующих тому проблем. Прорыв человечества в космос – пример успешной реализации грандиозных проектов, воплощения в жизнь комплексных организационных решений, осуществления беспрецедентных конструкторских и технологических находок и идей.

Освоение Мирового океанa, как и океана воздушного, происходило постепенно. Космическую высоту человечеству пришлось преодолевать скачком. Первыми на орбиты вокруг Земли отправились автоматы. И через поразительно короткий срок первый землянин Юрий Алексеевич Гагарин увидел Землю со стороны.

Обживание космоса начиналось с коротких полётов. Совершенствовалась техникa, росла продолжительность орбитальной работы. Сразу же были отмечены гибкость, приспосабливаемость организма к условиям на орбите, выделены три основные реакции приспособляемости: изменение работы вестибулярного аппарата, водно-солевого обмена и сердечно-сосудистой системы.

В невесомости давление в венозной системе верхней части человеческого тела повышается, на что компенсаторный механизм организма отвечает уменьшением объёма крови. Послеполётные анализы отмечают убывание кальция в костях, изменение водно-солевого обмена, некоторое сокращение эритроцитов и гемоглобина в крови космонавтов. Невесомость не только снимает нагрузку на мышцы и кости, она меняет работу многих анализаторов, нервных окончаний, их взаимное согласование. Не менее существенна перемена условий работы и быта, резкое изменение навыков. Изоляция, длительное существование в искусственной среде космических летательных аппаратов, в узком кругу оторванного от Земли, крайне ограниченного коллектива – выливаются в комплекс специфичных психологических проблем.

Приспосабливаясь к космоcу, человек не должен отвыкать от Земли, вот почему физкультура в длительных полётах – обязательная профилактическая работа. Разработанные методы дистанционной диагностики позволяют контролировать состояние здоровья и работоспособность космонавтов с Земли.

Земля постоянно оценивает орбитальную радиационную обстановку, зависящую от «погоды на Солнце». Мерило оценки радиационного воздействия на человека в космосе не такое, как на 3eмлe. На орбите в потоке воздействующих частиц присутствует больше тяжёлых ядер, опасных для организма. При внезапной радиационной опасности, порождённой вспышкой на Солнце, экипаж использует «убежище» – покрытый толстой теплоизоляционной оболочкой спускаемый аппарат (СА), а в случае необходимости он может прервать полёт и совершить посадку. Частицы космического излучения неплохо поглощаются ракетным топливом, и наполненные баки будущих космических комплексов смогут служить экраном радиационной защиты.

Создание орбитального пилотируемого комплекса на базе станций, транспортных пилотируемых кораблей «Союз» и грузовых «Прогрессов» – породило новое качество. Грузопоток «Земля – орбита – Земля» дал возможность продлевать жизнедеятельность станции путём снабжения её сменяемыми материалами, в первую очередь реактивным топливом и продуктами поддержания жизнедеятельности. Кроме того, стало возможным «на ходу» перестраивать станцию, обновлять её научный арсенал, возвращать, не прерывая экспедиций, результаты космического труда.

Оценивая эффективность «Салютов» второго поколения, американская газета The Christian Science Monitor подчёркивала: «Русские видят в запуске орбитальных станций со сменными экипажами возможность надёжного освоения человеком космоса. Они предвидят создание гораздо более крупных станций, которые будут иметь решающее важное значение для всех обитателей нашей небольшой планеты, будут способствовать созданию новых заводов, устройств для передачи электроэнергии и вообще условий для новой промышленной революции в условиях невесомости».

«Салюты» сделали возможным появление новых космических станций, таких как станция «Мир» и Международная космическая – МКС. Они позволили проводить вне Земли долговременные космические экспедиции. Впервые в истории космонавтики космонавты Владимир Титов и Муса Манаров провели на борту орбитальной станции целый год, выполнив большой объём исследовательских работ. Шесть стыковочных узлов «Мира» позволяли принять не только периодические транспортные средства, но и достраивающие его модули, подобные астрофизическому модулю «Кванту». Каждый специализированный модуль, по сути дела, корпус-лаборатория, входящий в научный городок дрейфующей космической станции «Мир».

Эта долговременная орбитальная станция предварила переход к многозвенному, производственному, обитаемому орбитальному комплексу МКС. Именно ему была вменена обязанность изучить экспериментально и фрагментарно начатое первыми орбитальными станциями. «Небесная лаборатория» используется для решения ряда научных и хозяйственных задач, подсчитывается их рентабельность, экономический эффект. Эта работа – этап пути к постоянно действующим рабочим комплексам, что органически войдут в систему организаций Земли. На их плечи ляжет постоянная отчётность о состоянии посевов, обнаружение очагов пожаров, поиск и инспекция рационального использования природных peсурсов Земли, метеообзор и многое другое.

В состав таких комплексов войдут технические средства навигационного сопровождения морского и воздушного транспорта, обнаружения сигналов бедствия, радио- и телевизионной связи – словом, всего того, что пока порознь поручается специализированным спутникам.

Исследование и освоение космического пространства (несмотря на более чем полувековую его историю) только начинается. И обязательно будет открываться новое «применение космоса». Даже крайняя удалённость и изоляция космических аппаратов может быть с успехом использована для опасных экспериментов. Например, в опытах по генной инженерии с микроорганизмами, когда существует опасность выхода их из-под контроля и возникновения эпидемий и пандемий в масштабах Земли. Удобно работать в условиях космоса и с вредными веществами: изотопами, сильнодействующими ядами, мутагенными препаратами, которые лучше бы вынести за пределы Земли.

Человек в мечтах не раз забирался в небесную высь. Правда, высь он нередко считал своего рода скорлупой. Анаксимен в VI веке до новой эры представлял себе Землю, окружённую твёрдой сферой, в которую вбиты золотыми гвоздями звёзды. Века развития перечеркнули наивные представления, но оказалось, что ограничивающая небесная оболочка есть. Проникновению в небесную высь даже взором мешает прозрачная атмосфера. Воздушный слой отсекает гамма-лучи, рентгеновское, ультрафиолетовое, субмиллиметровое излучения. А ведь Вселенная рассказывает о себе в широком диапазоне электромагнитных волн.

Космическая астрономия стала всеволновой. Подъём аппаратуры выше атмосферных высот позволил эффективно использовать разные телескопы. Уже на первых станциях «Салют» успешно работали телескопы: рентгеновский, ультрафиолетовый, оптический, инфракрасный, субмиллиметровый, гaмма- и радиотелескопы. Космические телескопы добавили к «астрономическим объектам» ещё один – планету Земля. Изучение Вселенной в спутниковую эпоху уточнило наши представления о звёздном пространстве и космических связях Земли.

Если первые орбитальные телескопы только начинали использовать космические возможности, то телескоп «Хаббл» их блистательно продолжил. Космический телескоп «Хаббл» – совместный проект NASA и Европейского космического агентства. Свыше двадцати лет он бессменно дежурит на высокой орбите. Размещение его вне Земли позволило беспрепятственно регистрировать электромагнитные излучения в непрозрачном для наблюдений с Земли диапазоне, и прежде всего инфракрасное излучение.

Эта автоматическая внеземная обсерватория внесла массу поправок в анкеты дальних планет. Её замерами уточнён возраст расширяющейся Вселенной – 13,7 миллиарда лет. Выписан процесс формирования планет у звёзд, уточнена теория сверхмассивных чёрных дыр, подтверждена гипотеза изотропности Вселенной.

На «Салюте-6» и «Салюте-7» постоянно работали фотокомплексы МКФ-6М и КАТЭ-140. Разработанная советскими специалистами и их коллегами из ГДР и изготовленная на предприятии «Карл Цейсс Йена» многозональная камера МКФ прошла натурную орбитальную обкатку в сентябре 1976 года в полёте «Союза-22».

Шесть фотокамер МКФ-6М вели синхронную съёмку. Чтобы изображения совпали, оптические оси всех шести объективов фотосистемы должны быть строго параллельными. Для предотвращения смаза изображения из-за движения орбитального комплекса аппарат МКФ-6M был снабжён специальным устройством, сдвигающим камеру в момент фотографирования в сторону, обратную направлению движения «Caлютa». Кроме того, благодаря перекрытию кадров аппарата обеспечивалось получение стереоскопического объёмного эффекта.

Уникальность многозонального фотографического комплекса МКФ-6М заключалась и в том, что, помимо получения контрастного изображения земной поверхности, он был способен регистрировать её точный световой образ. Каждая точка фотоснимка строго фиксирует величину отражённого солнечного светового потока и теплового излучения земной поверхности. Это обеспечивается высокой точностью всего фотокомплекса, а также малым разбросом его характеристик: выдержки, величины диафрагмы, оптических свойств.

Фотокамера КАТЭ-140 обеспечивала получение фотоснимков высокого качества и большой геометрической точности, что достигалось использованием совершенного объектива и оригинальным устройством сaмогo аппарата. В частности, для исключения ошибок, вызываемых неровным положением плёнки в фотоаппарате, в камере КАТЭ-140 создавалось разрежение между плёнкой и прижимным столом кассеты: вакуyм-помпа, входящая в состав фотоаппарата, помогала присасывать плёнку, способствуя её плотному прилеганию. Как и другие космические фотокомплексы, камера КАТЭ-140 имела электроуправление: все операции, начиная с перемотки nлёнки, взведения затвора и кончая командой на фотографирование, регулировались электрическими сигналами, поступающими с командногo пульта.

Исследования в разных диапазонах излучения как бы дополняли друг дpyгa. Если МКФ-6М и КАТЭ-140 создавали портрет земной поверхности, то зондирование в радиодиапазоне позволяло вскрыть её верхнюю оболочку. Радиоволны способны проникать сквозь толщи земных пород и льда, они чувствительны к влагe в почве, к грунтовым водам на небольших глубинах. Инфракрасная съёмка, тоже контрастно отличающая воду, даёт и картину тепловых аномалий, выделяя участки напряжённых aнтpoпогeнных районов или растительность, поражённую заболеванием.

Космические комплексы оснащены множеством приборов, изучающих Землю, её окрестности, объекты Вселенной. Уже в ходе почти пятилетнеrо полёта станции первого поколения «Салют-6» было осуществлено свыше полутора тысяч экспериментов. На борту станции работало 70 научных приборов, среди которых были уникальные: космический радиотелескоп КPT-10, субмиллиметровый телескоп БСТ-1М и другие.

Исследования последних лет изменили наши представления о Вселенной, об околосолнечном пространстве. Одна только радиоастрономия – ровесница космической эры – сделала для познания Вселенной больше, чем предыдущие столетия классической астрономии. И конечно, по-новому предстала перед нами наша планета Земля.

Что представляет собой наша планета, земная твердь, прочная Земля, опора большинства наших искусственных сооружений, гарант неизменности, неколебимости и прочности? Что нам известно о ней на сегодняшний день?

Прежде всего, Земля – не центр Вселенной, а рядовая планета, обращающаяся вокруг заурядной звезды в одном из спиральных рукавов самой обычной галактики, не выделяющейся из миллиардов других галактик.

Cолнцe – источник жизни дпя нас, близкая к нам звезда. В этом дпя нас её исключительность. Но в иерархии звёзд она занимает скромное промежуточное положение – между голубыми (самыми горячими) и красными (холодными) звёздами – и относится к так называемым жёлтым карликам.

Солнце – наиболее изученная звезда, и всё равно многие наши представления о нём существуют пока лишь на уровне гипотез. Так, считается, что в центре Солнца – газ, но необычный, а очень сжатый, во много раз превышающий плотность свинца. Атомы его лишены покрова электронных оболочек. Столкновения атомов рождают мощный рентгеновский поток. Но ему не просто пробиться из солнечных недр.

Путь до поверхности им преодолевается в среднем за 20 тысяч лет. Прорыв газа через наружный светящийся слой – фотосферу – сопровождается превращением жёсткого излучения в ультрафиолетовый и видимый свет, который через восемь минут достигает Земли. Излучение Солнца непосредственно влияет на земную жизнь. И не только оно.

Каждый миг наша, казалось бы, стабильная планета изменяет своё состояние. Земля вращается вокруг собственной оси, причём неравномерно. За последние триста лет Земля быстрее всего вращалась в 1870 году, а медленнее всего в 1903 году. Пять последних десятилетий скорость вращения регистрируется с чрезвычайной точностью, с фиксацией одиннадцати знаков после запятой. Такая точность позволяет искать причину непостоянства вращения. Например, накопление льда на полюсах смещает земную ось и полюсы Земли. Астрономические наблюдения определяют скорость смещения полюсов в теле Земли, равную десяти сантиметрам в год. Ряд наземных явлений, например ход колебания уровня воды в Мировом океане и нарастание приполярного льда, соответствуют отклонениям вращения Земли.

В своём годовом движении Земля обходит Солнце. Под действием притяжения других планет Солнечной системы плоскость земной орбиты медленно меняется. Вместе с Солнцем Земля движется вокруг галактического ядра, вместе с Галактикой проходит разные сферы межгалактического пространства. Сo всем звёздным веществом участвует в расширении Вселенной. И все эти движения не могут не влиять на состояние Земли и на земную жизнь.

Размеры звёздного мира столь велики, что невозможно в едином чертеже отобразить земной шар и межзвёздные расстояния. Изображая систему окружающих звёзд, мы можем представить Землю только лишь абстрактной точкой, обращающейся вокруг безразмерного центра – Солнца. Так ничтожно малы её собственные габариты в сравнении с удалением звёзд.

Наша Галактика – гигантский сгусток звёзд среди мириад себе подобных, погружённых в плазму межзвёздных пространств. Плоскость Галактики перечёркивает наше ночное небо полосой Млечного Пути. Особенно ярко, «огненной рекой» он смотрится в инфракрасных лучах.

Сбоку Галактика выглядит чечевицей, в плане – сегнеровым колесом. Её ядро расположено от нас в направлении созвездия Стрельца. В течение галактического года Солнечная система совершает оборот вокруг центра Галактики. 230 миллионов лет занимает это движение относительно других звёздных миров. В окрестностях радиуса в 300 тысяч световых лет (в пределах, если можно так выразиться, «малой галактической кольцевой») расположены две ближайшие к нам галактики – Магеллановы Облака. Затем довольно-таки пустынное пространство и ряд галактик, из которых наибольшая – туманность Андромеды на расстоянии 2700 тысяч световых лет.

Но как ни велик и ни далёк звёздный мир, он всё же влияет на Землю самым непосредственным образом. Создаваемые теперь наземные телескопы-гиганты способны заглянуть в пограничные области нашей Вселенной, от которых свет к нам идёт примерно 10 миллиардов лет. Если считать, что гипотеза о непрерывном расширении Вселенной верна, то вещество её как раз и должно разлететься на такое расстояние. Орбитальные телескопы не только позволили расширить спектр изучения звёздного мира, но обещают значительно большую точность. Космический телескоп КРТ-10, доставленный на станцию «Салют-6» в разобранном виде грузовым кораблём «Прогресс-7», был собран экипажем и раскрыт в космосe.

Монтаж первого радиотелескопа на орбите открыл эру прецизионных радиоисследований. Неограниченные возможности наращивания антенных площадей в условиях невесомости и способность увеличения базы радиоинтерферометрической системы при совместной работе с наземными радиотелескопами существенно расширяют возможности радионаблюдений. Бортовой радиотелескоп КPT-10 на «Салюте-6» работал в паре с наземным крымским радиотелескопом, образуя радиоинтерферометрическую систему, база которой плавно изменялась за виток от расстояния, близкого к высоте полёта, до величины, превышающей диаметр Земли.

Что позволяет увидеть увеличение зоркости телескопа? Наблюдение сверхдальних объектов даёт возможность познакомиться с самой ранней стадией мироздания; разглядеть планетные системы у далеких звёзд; paссмотреть портреты звёзд, что пока удaвалось только с Солнцем (пятна, вспышки); разгадать химический состав и секреты термоядерной звёздной энергетики.

Самым ярким объектом Вселенной считается квазар, удалённый от нас на 10 миллиардов световых лет. Окажись он в пределах нашей Галактики на расстоянии в 650 световых лет, он сравнялся бы яркостью с Солнцем. Самая дальняя звезда нашей Галактики расположена в 400 тысячах световых лет от Земли, в созвездии Весов. Но даже более близкие отдельные районы нашей Галактики скрыты от нас ширмой пылевых облаков. Оптические телескопы здесь бесполезны, однако облака прозрачны для радиоволн. Наземные радиотелескопы-гиганты способны представить лишь размытую картину. И только разнесение радиотелескопов, создание космической интерферометрической базы даёт возможность обрисовать звёздную структуру этих мест.

По современным понятиям жизнь звезды проходит ряд последовательных стадий. Звёзды-гиганты, исчерпав своё термоядерное горючее, высвечиваются, начинают сжиматься, создавая объекты громадной плотности. Гравитационное воздействие такого вещества не позволяет покинуть его даже квантам излучения. В результате образуется ненаблюдаемая чёрная дыра, обнаружить которую всё-таки удаётся в том исключительном случае, когда рядом с ней cоседствует обычная звезда. Звёздный газ (тот, что у Солнца мы называем «солнечным ветром») перехватывается чёрной дырой. По дороге к ней он трансформируется, превращаясь в рентгеновское излучение. Такой феномен наблюдается в разных местах Вселенной. Чёрные дыры обнаружены в центрах многих галактик. И в нашей Галактике, в направлении Стрельца есть сверхмассивная чёрная дыра.

Чёрные дыры называют порой «мусоропроводами» Вселенной, в которых как бы исчезает вещество. По старой гипотезе, получившей в наши дни вторую жизнь, в центрах галактик существует и другой источник – «белая дыра», через которую вещество попадает в нашу Вселенную. Белая дыра как бы является противоположностью чёрной дыры. Это область, куда ничто не может войти. Согласно теории квантовой гравитации, чёрные дыры в конце концов превращаются в белые. Верна ли эта гипотеза? Во всяком случае из центров галактик (в том числе и из нашей Галактики) время от времени выбрасываются огромные массы газообразного вещества. Периодическая «вулканическая» деятельность Вселенной замыкает процесс её кругооборота.

Выбросы вещества происходят и при явлениях меньшего масштаба – при звёздных взрывах. Взрывы, оказывается, вполне обычны для звёздных ассоциаций. Временами как бы возникает звёздная детонация, и звёзды взрываются по цепочке. О взрывах отдельных звёзд астрономы говорят: «Появилась новая звезда». Их вспышки и выглядят новыми звёздами на фоне обычных.

При взрыве звезды с её поверхности срывается оболочка – наружный слой. Светящийся звёздный плафон удаляется от звезды со скоростью тысячи километров в секунду. Затем из звёзд вырываются струи газа (они выглядят гигантскими газовыми языками). Выбросы настигают оболочку и рвут её