Приоритет отечественной науки по влиянию солнечных вспышек в полетах на Луну и Марс

Аппаратура, устанавливаемая на борту спутников, определяет концентрацию заряженных частиц в ионосфере, и дозы облучения от всех видов ионизирующих излучений. С каждым годом масштабы исследований, проводимых с помощью спутников серии «Космос», расширялись. Если в 1962—1963 гг. было запущено 24 «Космоса», то в следующие два года – 79. В одном 1970 г. осуществлено 72 запуска, в 1971 г.-81, в 1973 г.-85, в 1974 г. – 100 запусков. Все более разнообразными становятся трассы полета спутников. Максимальная высота над поверхностью Земли первых «Космосов» не превышала 1600 км.

Сейчас их орбиты достигают высот в несколько десятков тысяч километров, охватывая оба радиационных пояса Ван Аллена. В некоторых запусках сразу несколько спутников «Космос» -до восьми – выводились на орбиту одновременно, одной ракетой-носителем. На спутниках серии «Космос» применили активную систему терморегулирования. Принцип действия ее заключается в изменении соотношения площадей поверхности космического аппарата, имеющих различные значения коэффициентов поглощения солнечной радиации и собственного излучения. Этой цели служат специальные радиаторы и прикрывающие их жалюзи. Движение искусственного спутника относительно Земли происходит со скоростью, равной или несколько большей первой космической. При спуске эта скорость должна быть уменьшена и в момент посадки равняться нулю.

Пояса Ван Аллена – области в магнитосфере Земли, в которых накапливаются и хранятся заряженные частицы (зачастую, частицы солнечного ветра), которые создают зоны повышенной радиации. Области в форме бубликов или овалов, состоят из внутреннего пояса (область с максимально высокой радиацией всего пояса, находится на расстоянии 600 км, заканчивается на 6000 км) и внешнего (в нем интенсивность много ниже, но он более обширный; начинается на высоте 10 000 км, заканчивается 60 000 км). Внутренний пояс очень стабилен по сравнению со внешним – тот изменяет свою концентрацию и размер в зависимости от геомагнитных бурь, вызываемых волной солнечных частиц. Главная опасность пояса в том, что его уменьшение/увеличение концентрации/размеров еще не контролируемо нами. Исследования, начавшиеся в 50-х годах и идущих по сей, день подтвердили наличие поясов, но не двух, а уже трех.

Кроме искусственных спутников серии «Космос» для исследования ионизирующих излучений в космосе использовались советские космические станции серии «Протон», их было четыре. Само название «Протон» говорит об основных измеряемых излучениях. Опыты по измерению глобального потока гамма-лучей с энергией, большей 50 МэВ, на искусственных спутниках Земли были проведены с помощью космических станций «Протон-1» и «Протон-2» [38]. Протон» – серия из четырёх советских тяжёлых научных искусственных спутников Земли, запущенных с 1965 по 1968 годы. Спутники разработаны «НПО Машиностроения». Масса спутников составляла от 12 до 17 тонн. Цель серии – исследование частиц высоких и сверхвысоких энергий. В частности, запущенный в 1968 году космический аппарат «Протон-4» исследовал первичные космические лучи высоких энергий и энергетический спектр электронов высокой энергии. На спутниках «Протон-1» и «Протон-2» (запуск 16 июля 1965 г и 2 ноября 1965 г.) были установлены гамма-телескопы, предназначенные для измерения космического излучения в диапазоне энергий> 50 МэВ. Полученная информация позволила установить верхний предел потока гамма-квантов.

Аналогичные исследования были продолжены затем с помощью более совершенной аппаратуры на спутниках серии «Космос», в частности на «Космосе-208». В результате оценку верхнего предела глобального потока гамма-квантов удалось понизить примерно в 4 раза [35].

Советский Зонд 5 (15—21 сентября 1968), Зонд 6 (10—17 ноября 1968) и Зонд 7 (08—14 августа 1969) провели исследование радиационной обстановки на трассе полёта Земля – Луна – Земля с использованием биологических объектов; у черепах на «Зонде-5» проявилось патологическое воздействие полета; личинки мух не произвели ожидаемого количества взрослых особей, а их потомство было отмечено огромным ростом мутаций.

14 апреля1972 произведен запуск спутника «Прогноз-1» для изучения солнечной радиации.

29 июня 1972 сделан запуск спутника «Прогноз-2» для изучения солнечной радиации.

15 февраля 1973 – запуск спутника «Прогноз-3» для изучения солнечной радиации.

Размещен на борту советской автоматической станции «Зонд-7» фантом человека, который облетел Луну; определены дозы облучений при облете Луны в разных участках человека.

Следующим важнейшим этапом исследования ионизирующих излучений в космосе производилось при помощи советского лунохода. В ночь на 17 января 1971 года был проведен 42-й сеанс связи с советским «Луноходом-1». В сеансе пройдено 553 метра. Бортовые системы и научная аппаратура работали нормально. Общее расстояние, пройденное аппаратом с момента начала его работы на лунной поверхности, составляло 2930 метров. В течение третьего лунного дня самоходный аппарат преодолел 1936 метров. Общее расстояние, пройденное луноходом за время его активного функционирования в районе моря Дождей, составило 3655 метров. По трассе движения проводились измерения физико-механических свойств лунного грунта с помощью пенетрометра и определение химического состава рентгеновским спектрометром. Кроме того, специальный счетчик спектрометра проводил измерения интенсивности солнечного и галактического космического излучения. Детекторы радиометра лунохода продолжали регистрировать потоки корпускулярного космического излучения. В отличие от второго лунного дня третий день характеризовался спокойной радиационной обстановкой, за исключением 19 и 20 января, когда было зафиксировано возрастание интенсивности потока протонов малых энергий в несколько десятков раз. В ходе третьего лунного дня с помощью рентгеновского телескопа продолжались измерения рентгеновского космического излучения. При этом были исследованы тридцать участков небесной сферы, лежащих как в плоскости Галактики, так и под большими углами к ней. В трех участках было отмечено увеличение потоков излучения в несколько раз [31]. «Луноход-1», доставленный 17 ноября автоматической станцией «Луна-17» на поверхность естественного спутника Земли (рис. 1), является первой в космонавтике передвижной автоматической лабораторией, предназначенной для комплексного изучения особенностей строения лунной поверхности, окололунной среды и далеких космических объектов.

Доставка рентгеновского телескопа на Луну по праву может расцениваться как новый этап в развитии внеатмосферной астрономии. Один из счетчиков регистрирует космическое рентгеновское излучение вместе с фоном космических частиц, а второй счетчик – только фон частиц и является контрольным. На «Луноходе-1» была установлена также радиометрическая аппаратура, предназначенная для измерения различных характеристик потоков солнечных и галактических космических лучей (состава заряженных частиц, их энергетического спектра, углового распределения и др.) и для контроля радиационной обстановки во время перелета станции «Луна-17» к Луне и во время работы самоходного аппарата. С самого начала полета станции «Луна-17» и в течение прошедшего периода активного функционирования лунохода радиометр неоднократно регистрировал значительное возрастание потоков протонов, электронов и альфа-частиц по сравнению с величинами фоновых потоков этих частиц в межпланетном пространстве. Эти данные хорошо согласуются с результатами одновременных измерений, выполнявшихся аналогичной аппаратурой автоматической межпланетной станции «Венера-7» и наземных наблюдений солнечной активности. В частности, начиная с 12 декабря 1970 года было зарегистрировано значительное (превышающее фон примерно в 100 тысяч раз) и продолжительное возрастание интенсивности солнечных корпускулярных потоков, а также понижение интенсивности галактических космических лучей, начавшееся 14 декабря. На Земле в тот же период наблюдалась большая магнитная буря. Эти явления были вызваны серией мощных солнечных вспышек, происшедших 10 и 11 декабря. Интересным фактом является то, что после посадки станции «Луна-17» на поверхность Луны интенсивность галактических космических лучей уменьшилась примерно в два раза по сравнению с уровнем, регистрировавшимся во время полета.

Автоматический самоходный аппарат «Луноход-1» состоит из двух основных частей: приборного отсека и колесного шасси (рис. 1). Вес лунохода составляет 756 килограммов.

Рис. 1

С запуском автоматических межпланетных станций эксперименты распространились на дальние окрестности Земли, Луну, межпланетное пространство, планеты Солнечной системы. Кроме того, исследования на первых спутниках проводились в период максимума активности Солнца. Для изучения зависимости параметров верхней атмосферы и межпланетной среды от солнечной активности необходимо было накопить достаточно большой экспериментальный материал в период ее спада и минимума. Возникала также необходимость в специализированных и комплексных экспериментах, направленных на решение усложняющихся с каждым годом проблем проникновения человека в космос. Эти задачи и были возложены на многочисленные спутники серии «Космос».

Исследовался энергетический состав радиационных поясов Земли с оценкой радиационной опасности при длительных космических полетах; магнитного поля Земли; коротковолнового излучения Солнца и других космических тел; метеорного вещества в окрестностях Земли и его воздействия на элементы конструкции космических объектов.

Для получения экспериментальных данных об отраженной солнечной радиации на спутнике были установлены узкоугольные трехканальные телефотометры. Измерялся баланс потоков прямой и отраженной солнечной радиации в широких спектральных интервалах (0,3—3 нм и 0,9- 3 нм) и потоков собственного излучения Земли в интервале 3—40 нм. Такие измерения позволяют сделать заключение о величине лучистой энергии, оставшейся на Земле и определяющей все основные земные процессы.

В эпоху «Аполлонов» американские астронавты якобы провели в космосе в общей сложности почти 90 дней. Поскольку радиация от непредсказуемых солнечных вспышек долетает до Земли или Луны менее чем за 15 минут, защититься от нее можно было бы только с помощью свинцовых контейнеров. Но если мощности ракеты хватило, чтобы поднять такой лишний вес, то почему надо было выходить в космос в тонюсеньких капсулах (буквально в 0,1 мм алюминия) при давлении в 0,34 атмосфер? Это притом, что даже тонкий слой защитного покрытия, именуемого «майларом», по утверждениям экипажа «Аполлон-11», оказался столь тяжел, что его пришлось срочно стирать с лунного модуля!

Американский исследователь проблемы Ральф Рене не поленился рассчитать, как часто каждая из якобы состоявшихся лунных экспедиций должна была попасть под солнечную активность.

«Общепринятый теоретический максимум 20-го солнечного цикла длился с декабря 1968 по декабрь 1969 гг. В этот период миссии „Аполлон-8“, „Аполлон-10“, „Аполлон-11“ и „Аполлон-12“ предположительно вышли за пределы зоны защиты поясов Ван Аллена и вошли в окололунное пространство» [5].

В связи с большим количеством вспышек на Солнце в СССР облёт Луны с людьми в корабле 7К-Л1 с 08.12.1968 и последующие отменены. Запускать корабль 7К-Л1 на ракете Протон к Луне продолжили в беспилотном режиме с биообъектами на борту

Оказалось также, что существенное влияние на вариации плотности атмосферы оказывают магнитные бури. Очевидно, это связано с воздействием на магнитосферу Земли потоков солнечной плазмы. Даже относительно слабые геомагнитные возмущения оказывают глобальное воздействие на температуру и плотность верхней атмосферы. Причем относительный эффект этих возмущений особенно велик в минимуме цикла солнечной активности. Во время сильных магнитных бурь температура в зонах полярных сияний может возрастать до 1500° К и даже иногда превышать 3000° К. По результатам анализа торможения спутников в областях полярных сияний на высотах около 300 км отмечено возрастание плотности в несколько раз большее, чем в низких широтах.

Наиболее значительными являются вариации температуры и плотности в течение одиннадцатилетнего солнечного цикла.Температура на экваторе в минимуме и максимуме солнечной активности изменяется в среднем от 600—700 до 1200—1400° К ночью и от 1200- 1400 до 2200—2500° К днем. Таким образом, максимальный перепад температур на верхней границе термосферы от ночных условий в минимуме до дневных в максимуме солнечной активности может достигать почти 2000°К. При этом изменения средней плотности на высотах 500—600 км могут составлять нескольких сотен раз. На ряде спутников серии «Космос» («Космос-108, -196» и др.) были установлены блоки ионизационных манометров для получения данных о плотности атмосферы методом прямых измерений.

На высотах 400—1200 км было получено большое количество масс-спектров ионов водорода, гелия, азота и кислорода и обнаружены весьма значительные вариации ионного состава с местным временем, а также некоторые другие вариации. Оказалось, что ионы гелия в умеренных широтах Северного полушария в период низкой солнечной активности в любое время суток и года и на всех высотах являются лишь малой ионной компонентой. Этот результат изменил сложившиеся к 1964 г. взгляды на строение внешней ионосферы Земли, согласно которым ионы гелия должны были на высотах 1000—2000 км образовывать гипотетическую гелиосферу.

Таким образом, теперь можно уже достаточно определенно говорить о нейтральном составе верхней атмосферы. Начиная с 250—300 км основным компонентом атмосферы становится атомарный кислород. Еще выше, начиная с высот 500—600 км в годы минимума солнечной активности, а с высот 1000—1500 км в годы максимума, атмосфера становится гелиево-водородной. Слой с гелием в виде основной составляющей наблюдается, видимо, лишь в годы максимума солнечной деятельности.

Уже на начальных этапах прямых экспериментальных исследований в околоземном космосе было сделано крупное открытие – обнаружены интенсивные потоки частиц, захваченные геомагнитным полем. Они получили название радиационных поясов Земли. Наблюдения за уровнем ионизирующей радиации велись уже на самых первых спутниках серии «Космос», в частности на «Космосе-2, -7, -9, -10» и др. На борту спутников устанавливались радиометры, в состав которых входили гейгеровские и сцинтилляционные счетчики. Начиная с «Космоса-12 и -15» для анализа энергетического спектра частиц стали применять электростатические анализаторы. Благодаря длительным измерениям с помощью спутников «Космос» определены возможные дозы радиации на высотах около 300 км в зависимости от условий геомагнитной и солнечной активности. На основании этих данных была доказана безопасность в радиационном отношении полетов космических кораблей «Восток» и «Восход». Результаты измерений позволили получить детальную картину планетарного распределения радиации и создать первые дозиметрические карты для малых высот внутренней и внешней зон радиационного пояса.

Эксперименты, начатые на третьем советском спутнике по изучению электронов с энергиями около 10 кэВ, позволили впервые обнаружить на высотах 1—1,8 тыс. км в ночное время мощные потоки мягких электронов и подтвердить важную роль корпускулярной радиации для основных процессов в верхней атмосфере.

В просторах Мирового океана с борта научного судна ведутся исследования верхних слоев атмосферы, изучаться условия прохождения радиоволн, поддерживаться связь с космическими аппаратами, находящимися на околоземных орбитах. Плавучий научный комплекс следит за «Космосами», «Молниями», «Метеорами», привязывать собранную информацию к единому времени, обрабатывать ее и передавать в наземный Центр управления. Плавучий НИИ оборудован столь совершенной радионавигационной и радиотехнической аппаратурой, что может самостоятельно решать сложнейшие проблемы управления искусственными спутниками Земли, пилотируемыми космическими кораблями или автоматическими межпланетными станциями, летящими, скажем, к Луне, Венере, Марсу. Ветеран советского научного флота «Витязь», начавший свой первый рейс в 1948 году, имеет водоизмещение 5550 тонн, автономность плавания 17 500 миль. Водоизмещение же «Космонавта Юрия Гагарина» более 45 000 тонн, а автономность его практически неограниченна. На плавучем научно-исследовательском институте 1250 помещений, несколько сот специально оборудованных лабораторий, свой вычислительный центр. 16 марта 1962 года Советский Союз объявил о своей программе исследования звездного океана. В тот день стартовал первый искусственный спутник серии «Космос». Он и все последующие за ним (на сегодня порядковый номер этих аппаратов возрос до 468) предназначаются для изучения и исследования околоземного космического пространства, верхних слоев атмосферы, магнитных полей планеты, корпускулярного излучения Солнца [49].

Для наблюдения за полетом автоматических и пилотируемых исследователей, измерения характеристик их орбит, сбора накапливаемой информации созданы стационарные наземные станции. Наша страна обладает огромными возможностями для разнесения командно-измерительных пунктов на сотни и тысячи километров. Однако совокупность движения космического летательного аппарата, округлости и вращения Земли создает ситуации, когда «радиовидимость», с территории страны невозможна. Как быть? Ждать, когда тот или иной исследователь космоса вновь появится «над нами»? Ученых такой вариант не устраивает. Многие космические объекты требуют постоянного наблюдения за ними, иначе теряется уникальная информация. Вот тогда-то наблюдения и берут на себя научно-исследовательские суда – эти космические острова в океане. Они «просматривают» и «прослушивают» районы, которые находятся за пределами радиовидимости с территории Советского Союза.

Вот почему моряки и научные сотрудники, уходящие в рейсы на «Космонавте Юрии Гагарине», «Академике Сергее Королеве», «Космонавте Владимире Комарове» и других экспедиционных судах, являются вместе с космонавтами и учеными полноправными участниками штурма Вселенной.

Когда в 1957 году над планетой появился первый рукотворный спутник, за его полетом следили ветераны космического флота «Ильичевск» и «Краснодар», в составе научной экспедиции которых насчитывалось всего лишь 11 человек. Теперь же в плавучих НИИ трудятся сотни ученых. Да и объем телеметрической информации, принимаемой из космоса, возрос за эти годы в миллион раз.

Суда уже не новички в космических исследованиях. «Космонавт Владимир Комаров» был построен на Балтийском заводе в 1967 году. Он принимал участие в управлении полетом «Зонда-5», кораблей «Союз-4» и «Союз-5», проводил сеансы связи с экипажами «Союза-6», «Союза-7» и «Союза-8» [49].

Введение 3. Крупномасштабный эксперимент по исследованию солнечной вспышки

В Советском Союзе в октябре 1971 года успешно проведен крупномасштабный научный эксперимент по исследованию влияния мощной солнечной вспышки, вызвавшей магнитную бурю, на атмосферу Земли [50]. В этом эксперименте использованы советские спутники «Молния» и «Метеор».

В ходе работ со станции ракетного зондирования атмосферы «Волгоград» Гидрометеорологической службы СССР осуществлено 35 запусков метеорологических ракет двух типов. Одновременно в обсерватории «Дружная» на о. Хейса (Земля Франца-Иосифа) также осуществлен ряд стартов метеоракет.

В эксперименте были заняты и другие обсерватории Гидрометслужбы СССР на территории Советского Союза и в Антарктиде.

Крупномасштабный эксперимент «Солнце – атмосфера» проходил в три этапа. Первая серия стартов метеорологических ракет и приуроченная к ним часть наземных исследований была проведена тотчас за регистрацией вспышки на Солнце, когда земная атмосфера еще находилась в спокойном состоянии. Вторая серия запусков осуществлялась в момент возмущения магнитного поля Земли. И, наконец, третья – в период магнитной бури, связанной с вторжением в атмосферу корпускулярного потока, рожденного солнечной вспышкой.

Эксперимент проходил в течение пяти суток, причем ракеты стартовали с заданными интервалами с таким расчетом, чтобы получить одновременно данные о состоянии воздушной оболочки планеты от приземного слоя до высоты 180 километров. Радиолокационные наблюдения охватывали зону ионосферы на высотах порядка 80 – 120 километров, метеорологические шары-зонды давали информацию до высоты порядка 30 километров.

Получен обширный научный материал, содержащий уникальные сведения об ионизации атмосферы под воздействием мощной солнечной вспышки. Регистрировались потоки солнечных частиц-корпускул, электронная концентрация и ионный состав атмосферы, ее плотность, вариации давления, ветровой режим, скорость фотохимических реакций во всей вертикальной толще.

В новом крупномасштабном эксперименте «Солнце – атмосфера» принимали участие организации и исследовательские центры Главного управления Гидрометслужбы СССР и коллективы ряда институтов Академии наук СССР.

Таблица 1. Запуски спутников серии «Молния»

в 1971 г.

Таблица 2. Запуски спутников серии «Метеор»

в 1971 г.

Введение 4. Результаты исследований излучений советскими спутниками и КА

В результате исследований советскими искусственными спутниками серии «Космос», автоматическими станциями серии «Зонд», космическими станциями серии «Протон», искусственными спутников земли серии «Прогресс», «Метеор», «Молния», АМС серии «Марс» и «Венера», а также советским «Луноходом-1» на поверхности Луны – в период с 1961 по 1972 годы, получены следующие впечатляющие результаты:

– зарегистрировано значительное (превышающее фон примерно в 100 тысяч раз) и продолжительное возрастание интенсивности солнечных корпускулярных потоков в областях полетов к Луне, Марсу и Венере, где отсутствует или минимально магнитное поле, и отсутствует атмосфера; в пересчете на эквивалентную дозу – это облучение порядка 10 – 100 Зв, что абсолютно смертельно; именно поэтому советские ученые выступили с заявлением о невозможности полетов к Луне в тех условиях 60-х и 70-х годов; когда еще не была создана необходимая защита;

– благодаря длительным измерениям с помощью спутников «Космос» определены возможные дозы радиации на высотах около 300 км в зависимости от условий геомагнитной и солнечной активности; на основании этих данных была доказана безопасность в радиационном отношении полетов для МКС и для космических кораблей «Восток» и «Восход»;

– результаты измерений позволили получить детальную картину планетарного распределения радиации и создать первые дозиметрические карты для малых высот внутренней и внешней зон радиационного пояса;

– первым советским спутником, целиком посвященным исследованию этой проблемы, стал «Космос-3», а затем аналогичный ему «Космос-5», датчики спутников могли эффективно регистрировать потоки с энергией от 100 эВ до 10 кэВ и электроны с энергиями от 40 эВ до 50 кэВ;