EN

Как открыли радиационные пояса Земли

Прошло 60 лет с момента запуска первого спутника Земли (4 октября 1957 г.). Следующие 4 спутника принесли важное открытие — радиационные пояса Земли. К настоящему времени пояса хорошо изучены, понята физика явления, определена важность и опасности для человечества. За 60 лет в поясах радиации побывали сотни различных аппаратов, многие их которых предназначались уже для прикладных целей, без которых человек уже не может обойтись, например, телеретрансляторы на геостационарной орбите, навигационные системы (GPS и Глонасс) и аппараты для поисков полезных ископаемых из космоса. Важной задачей является также обеспечение радиационной безопасности космических полетов, учитывая предстоящие полеты человека на Марс.

Введение

105 лет назад, в 1912 году люди узнали, что Земля постоянно облучается заряженными частицами высокой энергии, частицами космических лучах, пронизывающих всю Вселенную. Для изучения космических лучей исследователи всё время стремились забраться повыше, поближе к возможному их источнику. В 30-е годы для изучения космических лучей в стратосферу запускались аэростаты, шары-зонды, сразу после окончания войны запускались ракеты, сначала немецкие ФАУ, затем США и СССР стали делать свои ракеты. Идея создания искусственных спутников обсуждалась научным сообществом уже в 50-е годы, особенно горячо в связи с намечавшимися исследованиями в Международном Геофизическом году — 1975-1958 гг. (МГГ — 1957-58 гг.). Первые же спутники привели к важному открытию — радиационных поясов Земли.

Было известно, что СССР и США активно готовятся к запуску спутника и, в ситуации жесткой конкуренции, возникло естественное желание быть первыми. Успешный запуск баллистической ракеты в СССР в августе 1957 года подтолкнул руководителей спутниковой программы не дожидаться готовности основного научного аппарата, а запустить Простейший Спутник, лишь бы обогнать США. Цель была достигнута, первым спутником в космосе стал спутник СССР.

На следующем Спутнике-2, запущенном 3 ноября 1957 года, через месяц после Спутника-1, кроме научной аппаратуры на борту находилась собака по имени Лайка. Собака в космосе была «гвоздем» программы второго спутника, ради нее был задуман весь полет: смогут ли люди летать в космос? Научная программа включала изучение ультрафиолетового излучения Солнца (научный руководитель эксперимента С.Л. Мандельштам) и космических лучей (научный руководитель эксперимента С.Н. Вернов). Эти эксперименты освещалась менее шумно, их результаты были опубликованы только в научных журналах значительно позднее. А именно они на одном из витков 7 ноября 1957 года впервые зарегистрировали частицы радиационных поясов Земли (рис. 1).

Рис. 1. Интенсивность космической радиации на одном из витков 2-ого ИСЗ при пролете над северными районами СССР 7 ноября 1957 года. Как теперь ясно, это был сброс частиц из внешнего радиационного пояса в время слабого магнитного возмущения. О — показания прибора 1, х — показания прибора 2.

Следующими спутниками Земли были аппараты США Explorer-1 и Explorer-3, запущенных 1 февраля и 26 марта 1958 года с приборами для космических лучей (научный руководитель эксперимента Дж. Ван Аллен — Van Allen J.A.).

Результаты полетов спутников Explorer-1,-3, были представлены общественности 1 мая 1958 года на заседании Академии наук США, результаты нашего эксперимента появились в печати только в июне 1958 г. 15 мая 1958 года СССР запустил Спутник-3 с большим набором исследовательской аппаратуры. Спутник-3 зарегистрировал радиацию в полярных районах, куда спутники Explorer-1,-3 не залетали. Спутник-3 определил природу частиц в полярных областях (электроны 100 кэВ), обнаружил, что повышенная радиация четко разделяется на две области: экваториальную и приполярную, названные впоследствии внутренним и внешним радиационными поясами. Определил внутреннюю и внешнюю границы внешнего радиационного пояса. Для внутреннего пояса Спутник-3 также определил состав частиц, его границы на всех долготах в северном и южном полушариях по всему земному шару. Обнаружено, что внешний пояс радиации, в отличие от внутреннего, подвержен значительным вариациям, связанными с геомагнитной активностью.

Период с мая по август 1958 года был периодом бурных обсуждений нового явления, чему способствовала проводившаяся в Москве 29 июля-9 августа 1958 г V Генеральная ассамблея Международного геофизического союза, посвященная итогам Международного геофизического года 1957-1958 гг. Доклады и обсуждения результатов полетов первых спутников стали широко известны. особо следует отметить результаты Спутника-3. Радиация в экваториальной области, по данным Спутника-3, состоит главным образом из протонов высокой энергии, до 100 МэВ и более. Приборы американских спутников Explorer-1,-3 не могли идентифицировать природу частиц, приполярные районы, где летал только Спутник-3, заполнена, в основном, электронами 100 кэВ. Спутники Explorer-1,-3 на эти широты не залетали, наклон их орбит был не очень большим.

В период заседания Ассамблеи МГГ 1957-58 научный лексикон обогатился новыми понятиями: захваченные магнитным полем заряженные частицы (рис.2), нейтроны альбедо космических лучей (рис.5), проникновение солнечных частиц в магнитное поле Земли и их захват, и был введен общепринятый ныне термин «Радиационные пояса Земли».

Рис. 2а. Траектория заряженной Рис. 2б. Процесс отражения частицы

частицы в геомагнитной ловушке в усиленном магнитном поле (магнитная пробка)

Первые полеты, результаты и комментарии

На первых спутниках СССР и США были практически одинаковые приборы — счетчики Гейгера, их особенность состоит в том, что они не различают вид частиц (их заряд или массу), вызвавших разряд в счетчике, а регистрируют только факт попадания частицы в счетчик, делая это непрерывно, сообщая число разрядов в единицу времени.

Значительная разница в экспериментах Вернова и Ван Аллена состояла в обследованных областях пространства. Спутник-2, имел наклон орбиты к земному экватору около 65°, американские Explorer-1,-3 — около 33°. Информация с советского спутника передавалась каждый день с трех витков, проходящих над территорией СССР и принималась станциями, расположенными на территории СССР, а информация с остальной, большей части витков, была нам недоступна. Как потом стало ясно, это несовершенство эксперимента лишило нас очень важной информации в районе апогея орбиты (1760 км), где потоки частиц были значительно больше, т.е. фактически приоритета обнаружения повышенной радиации на больших высотах над поверхностью Земли. С американских спутников информация поступала практически со всех континентов, они на первых же витках получили данные о потоках частиц на всех высотах полета.

На Спутнике-2 получены результаты, согласующиеся с имеющимися представлениями о потоках космических лучей на различных высотах и широтах до высот 300-600 км, а 7 ноября 1957 года на одном из витков полета Спутник-2 зарегистрировал флуктуационные возрастания скоростей счета приборов. Период повышенного счета продолжался 13 минут и приходился на высокие геомагнитные широты в районах перигея орбиты спутника, на небольших высотах (до 300-400 км). Природу этого возрастания установить не удалось, и для его исследования на следующем спутнике был установлен сцинтилляционный счетчик, способный определять природу частиц

Приборы Ван Аллена сразу после запуска попадали в экваториальные области повышенной радиации, скорость счета частиц быстро нарастала, и не оставалось сомнений, что на высотах, больших 500 км присутствуют большие потоки радиации.

Ван Аллен свои результаты доложил 1 мая 1958 года. В этом сообщении, также как и в советских, нет никакого упоминания о частицах, захваченных магнитным полем.

Такая интерпретация авторами первых измерений энергичных заряженных частиц на спутниках говорит о том, что обе группы, советская и американская, были не готовы к восприятию обнаруженного нового явления. Однако, результаты, доложенные Ван Алленом 1 мая 1958 года всколыхнули научную общественность, начались бурные обсуждения в различных научных группах, в основном на Западе. В Советский Союз в те времена информация, даже чисто научная, просачивалась с трудом. Результаты же полета Спутника-2 стали известны научной общественности только в июне 1958 года (дата выхода в свет журнала), да и то, в основном, русскоязычным читателям. Такое катастрофическое различие в популяризации своих достижений было характерно для советского периода, оно объясняется рядом причин, среди которых секретность стояла не на последнем месте.

Важный этап понимания нового явления приходится на май 1958 года, когда был запущен Спутник-3 (15 мая 1958 г).

Сцинтилляционный счетчик регистрировал скорости счета частиц, выделявших энергию > 35 кэВ и полную ионизацию в кристалле счетчика. Одновременное измерение полного энерговыделения и числа частиц в кристалле позволяло оценить, из каких порций ионизации кристалла складываются токи фотоумножителя. Это позволяло судить о средней ионизация частиц в кристалле, т.е. в какой-то степени о природе регистрируемых частиц. Отметим, что на первых американских спутниках (Explorer-1,-3) определение природы частиц не проводилось.

Сигналы из полярных и экваториальных районов позволили установить, что наблюдаемая повышенная радиация состоит их двух различных областей: экваториальной и высокоширотной зон. Кроме того, оказалось, что выделенные зоны сильно различаются не только по расположению в пространстве, но и по составу частиц. Экваториальная зона занимает интервал меньше 45° северной и южной широты и заполнена, в основном, протонами 100 МэВ, тогда как приполярная зона занимает > 45° северной и южной геомагнитной широты и заполнена электронами 100 кэВ. Позднее эти зоны получили названия внутреннего и внешнего радиационных поясов Земли.

Результаты спутника Explorer-4, траектория которого уже частично захватывала внешний радиационный пояс (наклон плоскости орбиты у экватору составлял 51°) подтвердили существование двух зон повышенной радиации и небольшого разрыва между ними.

Следующий важный этап в понимании природы обнаруженной радиации — эксперимент «Argus». Для заполнения ловушки частицами использовался ядерный взрыв в верхних слоях атмосферы Земли. Возникший тонкий пояс захваченных частиц существовал несколько недель. Спутник Explorer-4 регистрировал этот пояс. Операцию «Argus» можно рассматривать как заключительный эксперимент, прояснивший в общих чертах явление существования захваченной радиации в магнитосфере Земли.

Процесс понимания нового явления

Процесс понимания новых результатов, полученных на первых спутниках, любопытен сам по себе и важен для осмысленных суждений о разных моментах в приоритетах открытия радиационных поясов.

В годы, предшествующие открытию радиационных поясов, ученые уже понимали, что полярное, а иногда и более южное, свечение ночного неба вызвано заряженными частицами, возбуждающими атомы атмосферы Земли. Естественно, подозрение пало на Солнце, т.к. приход частиц от Солнца к этому времени был уже установлен. Чтобы проследить траекторию движения солнечных частиц в магнитном поле Земли проводились многочисленные расчеты.

К. Штермер (C. Stormer) проводил вычисление траекторий входящих в магнитное поле Земли солнечных и космических лучей. В его расчетах обнаружилось, что в магнитном поле Земли возможны замкнутые траектории движения частиц, которые были оставлены без внимания, ибо расчеты запрещали заряженным частицам попадать в область этих траекторий извне. Движение частиц внутри каверны Штермера с отражением их на севере и юге широко обсуждались на V Ассамблее МГГ и его числовые расчеты были упомянуты много раз. Концепция устойчивого захвата заряженных частиц безусловно сыграла свою роль в понимании нового явления. Сегодняшний просмотр работ Штермера показывает, что им многое уже было подготовлено к правильному пониманию процессов в геомагнитном поле. На рис 2а показаны реальные траектории движения частиц в магнитных ловушках Земли и их отражение при подходе к усиленному магнитному полю — «магнитными пробками» (рис. 2b)

Предположения о стабильном захвате частиц в магнитном поле Земли было также сделано Н. Кристофилосом (N. Christofolis) еще в 1957 году, но соответствующие работы не были опубликованы до 1959 года, по-видимому, из-за секретности в связи с подготовкой ядерных операций «Аргус», проведенных в августе 1958 года. Кристофилос до проекта «Argus» работал с установками для получения управляемых термоядерных реакций и распространил идею удержания частиц в магнитных ловушках лабораторных размеров на масштабы Земли. Он предположил, что магнитное поле Земли способно захватывать и удерживать энергичные частицы и что ядерный взрыв на больших высотах в атмосфере Земли является приемлемым источником для заполнения геомагнитной ловушки частицами (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Начальный период долготного дрейфа Рис. 4. Положение магнитной

частиц после ядерной инжекции. Электроны оболочки после

дрейфуют в одну сторону, протоны (и другие операции «Аргус»

положительно заряженные частицы) — в другую

В 1957 году С.Ф. Сингер (S.F. Singer) для объяснения магнитных бурь предположил, что главная фаза бури обусловлена долготным дрейфом частиц, захваченных магнитным полем Земли. Эта идея уже содержала некоторые представления, которыми сейчас описываются основные явления в радиационных поясах Земли.

Приведенные примеры говорят о том, что к 1957 году были группы исследователей, в основном геофизиков, которые серьезно обсуждали природу частиц в магнитосфере Земли для объяснения полярных сияний, выясняли траектории солнечных и космических частиц в магнитном поле Земли и были готовы к восприятию новых открытий. Исследователи космических лучей (Вернов и Ван Аллен) этими вопросами не занимались, и успехи геофизиков были им неизвестны. Разобщенность геофизиков и физиков-космиков — одна из причин непонимания полученных физиками-космиками результатов.

Первые же тесные встречи-обсуждения произошли в июле 1958 года в Москве во время V CSAGI (Ассамблеи МГГ-1958) на специально организованных лекциях сотрудники Ван Аллена и Вернов с Чудаковым сделали доклады о результатах полетов всех спутников Земли (Спутник-2, Explorer-1, Explorer-3 и Спутник-3). Результаты этих экспериментов были не только поняты и приняты научной общественностью, но и сразу подтверждены искусственно созданными поясами при взрыве «Argus».

Как же заполнялась магнитная ловушка до ядерных взрывов? Источником протонов внутреннего пояса мог быть распад нейтронов, созданных космическими частицами в атмосфере Земли при взаимодействии с ядрами атомов атмосферы, внутри геомагнитных ловушек (эффект распада альбедо космических лучей), представленный на рис. 5.

Рис. 5. Иллюстрация идей заполнения внутреннего пояса протонами от распада нейтронов, вылетевших из атмосферы Земли после взаимодействия частицы космических лучей (чаще всего протона) с ядром атома атмосферы (термин: распад нейтронов альбедо космических лучей)

В СССР первые обсуждения эффекта проводились на семинаре в ФИАН уже 6 июня 1958 года. О расчетах по нейтронному источнику протонов С.Н. Вернов докладывал и на V ассамблее МГГ на одной секции с Сингером (S.F. Singer), который рассмотрел эту идею чуть позже, независимо от Вернова. Первая публикация с расчетами по протонам от распада нейтронов альбедо появилась уже в 1958 г. [3].

Таким образом, можно констатировать, что к концу лета 1958 года научное сообщество узнало о существовании вокруг Земли областей повышенной радиации, о том, что эта радиация разделена на две зоны, внутреннюю -экваториальную и внешнюю — приполярную. Внутренняя зона заполнена, в основном, протонами 100 МэВ, внешняя — электронами 100 кэВ. Было установлено, что эти частицы захвачены магнитным полем Земли, и найден возможный источник наполнения поясов частицами, а именно, распад нейтронов альбедо космических лучей. Существенно, что захват и длительное удержание частиц были сразу подтверждены искусственными радиационными поясами в операции «Argus».

Во время V ассамблеи МГГ возникло и очень удачное название открытого явления: «Радиационные пояса Земли», которое в печати, вероятно впервые, появилось в работах Ф. Сингера [3], опубликованных почти сразу после окончания V МГГ-58.

Заключение

В открытии РПЗ сложилась парадоксальная ситуация: обнаружили новое явление одни исследователи, а его природу поняли другие. Как это могло случиться? Главная причина, на мой взгляд, кроется в разобщенности разных ветвей исследований. основное внимание Вернов и его группа уделяли космическим лучам. В 1958 году они вели работы по широким атмосферным ливням (ШАЛ-установка) в МГУ. Создавалась большая ШАЛ-установка в Якутске, проводились эксперименты на Памире, велись наблюдения на шарах-зондах и многие другие исследовательские работы. Такое обилие экспериментов и привело к потере ориентации, не было осознано смежное направление исследований.

Поневоле вспоминается Э. Резерфорд: «Всё время работаете, а когда же вы думаете?». Аналогичная картина и у Ван Аллена. Он плотно занимался полярными сияниями и его первая реакция на обнаруженные новые потоки частиц звучала как проникновение частиц южного полярного сияния в экваториальные области. Если бы он ближе знал результаты Штермера и Сингера, может быть и реакция на новое явление была бы другой. Об идеях Кристофилоса и говорить не приходится, секретность — суровый бичь науки…

Рис. 6. Представление об околоземном пространстве до открытия РПЗ (а) и после подробного из изучения (b).

На рис. 6 красивая картинка: наше представление о магнитном поле Земли и окружающем Землю пространстве до открытия РПЗ (рис. 6а) и реальная картина в настоящее время (рис. 6b).

Но самое главное — полет первых спутников указал путь к дальнейшему прогрессу науки. Был сделан первый шаг к полному освоению Солнечной системы и, помечтаем, Вселенной.

Список цитированных работ

1. Вернов С.Н., Григоров Н.Л., Логачев Ю.И., Чудаков А.Е. Измерения космического излучения на искусственном спутнике Земли. Доклады АН СССР, т.120, №6, 231-1233 (1958).

2. Van Allen J.A. Transcript of 1958 lecture, I.G.Y. Satellite Rep., №13, Nat. Akad. Sci. Washington,D.C. (1961).

3. Singer S.F. Trapped albedo neutron theory of the radiation belt. Phys. Rev. Lett., v.1, pp.181-183, (1958).

4. Первая космическая… Изд. ИКИ РАН, М. 2007.Фред Сингер, стр. 222.

Юрий Иванович Логачев, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Участник исследований радиации в космосе начиная с первых полетов искусственных спутников Земли, соавтор открытия внешнего радиационного пояса Земли.

Назад