Открытие радиационных поясов было довольно неожиданным. Однако сразу же стала ясной их тесная связь с магнитными бурями, полярными сияниями, поглощением космического радиоизлучения в полярных областях и другими геофизическими явлениями, а также солнечной активностью. Поэтому использовалась любая возможность пополнить наши весьма скудные вначале знания об этом интереснейшем образовании в околоземном космосе.

Первые искусственные спутники, позволившие от-крыть радиационные пояса, не могли дать определенных сведений о планетарном распределении интенсивности на заданной высоте. Это объяснялось как эллиптичностью их орбит, так и отрывочностью экспериментальных данных. Данные о распределении радиации над всей поверхностью земного шара, исключая области полярных шапок, впервые были получены в результате полетов кораблей-спутников. Задача систематических исследований радиации на малых высотах была затем возложена на спутники «Космос».

Прежде всего необходимо было изучить радиационную обстановку в околоземном космическом пространстве на высотах до нескольких тысяч километров. Сведения о радиации на этих высотах представляют значительный интерес с практической точки зрения, так как человек начинает осваивать космос именно с этих высот.

Изучение процессов на нижней границе радиационных поясов (на высотах 200-400 км) важно и потому, что именно здесь становится существенным взаимодействие частиц поясов с атмосферой Земли, в частности, происходит их проникновение в ионосферу. Изучение механизма этого взаимодействия, определение времени жизни частиц в плотных слоях атмосферы, выяснение зависимости их поведения от геомагнитных возмущений, связанных с различными процессами, происходящими на Солнце, необходимо для понимания структуры и динамики радиационных поясов.

Возьмем, например, проблему, связанную с ускорением частиц в космическом пространстве. Эти процессы происходят и около Земли, и на Солнце, и в глубинах Галактики, и, очевидно, за ее пределами. Но когда такие ускорители находятся далеко от нашей планеты, мы видим только конечный результат - наблюдаем, например, космические лучи, в том числе и очень высоких энергий, а среду, в которой происходит ускорение частиц, знаем плохо. Поэтому и не можем, в частности, однозначно объяснить распределение частиц космических лучей по энергиям.

В радиационных поясах картина иная. Благодаря большому числу сделанных в них измерений мы располагаем достаточной информацией, чтобы ответить на вопрос о том, как ускоряются частицы, как меняется их траектория, какими явлениями это сопровождается. Более того, ученые могут теперь прогнозировать процессы, происходящие в радиационных поясах. Сейчас ставится вопрос даже о том, чтобы применить идеи и теории, разработанные для радиационных поясов, к другим областям космоса - Солнцу, Галактике.

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.

Счетчик Гейгера позволяет регистрировать интенсивность частиц, не отличая их друг от друга по величине заряда. Такой счетчик представляет собой металлическую трубку, по оси которой натянута нить. Трубка и нить изолированы друг от друга. Трубка заполнена смесью газов из галлоидной группы элементов. Между нитью и корпусом трубки приложена разность потенциалов в несколько сот вольт. При прохождении заряженной частицы через счетчик вдоль ее пути возникают ионы, которые под действием электрического поля приходят в движение и, сталкиваясь с атомами газа в счетчике, образуют новые ионы. Таким образом создается лавина, которая приводит к возникновению электрического импульса, соответствующего прохождению каждой частицы космических лучей. Зарегистрированные счетчиком импульсы обычно считываются так называемой пересчетной схемой. Схема состоит из нескольких пересчетных ячеек, совершенно одинаково работающих и включенных последовательно. Работает такая схема по двоичной системе, поскольку каждая ячейка может иметь два устойчивых состояния.

Сцинтилляционный счетчик состоит из цилиндрического кристалла йодистого натрия (или других веществ) и фотоумножителя. При прохождении частиц через сцинтиллятор в нем происходит вспышка света. Импульсы, возникающие на входе фотоумножителя, усиливаются полупроводниковым усилителем и подаются на двоичную систему, собранную также на полупроводниках. Порог счетной схемы соответствует энерговыделению в кристалле, равному нескольким десяткам килоэлектронвольт.

Основная часть электростатического анализатора - сферический или цилиндрический отклоняющий конденсатор, на обкладки которого подаются постоянные потенциалы. Через зазор такого конденсатора могут пройти частицы, энергия которых лежит в заданном интервале. Таким образом, возможность измерения дифференциального спектра заложена в самой конструкции электростатического анализатора. Потенциалы на отклоняющих пластинах анализатора значительно меньше, чем соответствующая энергия анализируемых частиц. Регистрирующее устройство электростатического анализатора защищено от попадания прямого солнечного света. Для предотвращения попадания тепловых ионов в рабочий зазор вход анализатора закрывается сеткой, на которую подается положительный относительно корпуса спутника потенциал.

Благодаря длительным измерениям с помощью спут ников «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.

Опыты, проведенные на втором и третьем космических кораблях, выявили яркие особенности: в распределении интенсивности радиации по земному шару в виде участков с аномально высокой интенсивностью. Так, в результате исследований на втором корабле-спутнике обнаружена Южноатлантическая аномалия и аномалия с центром в районе Берингова моря. Последующий анализ, выполненный, в частности, с помощью спутников серии «Космос», показал, что существование участков с повышенной интенсивностью радиации объясняется особенностями магнитного поля Земли и проявлением внешней и внутренней зон радиационного пояса Земли. Географическое распределение этих участков, так же как и интенсивность в них, целиком определяется особенностями реального геомагнитного поля.

Важнейшим открытием явилось установление факта, что в районе Южной Атлантики наблюдается опускание не только внешней, но и внутренней зоны магнитного поля Земли. Большое значение имело также экспериментальное определение экватора космических лучей.

В результате высотного термоядерного взрыва «Старфиш», проведенного США 9 июля 1962 г., образовался искусственный радиационный пояс. Вспышка γ- излучения от этого взрыва была зафиксирована на спутнике «Космос-5» с расстояния более 9 тыс. км. Пояс наблюдался даже на малых высотах, главным образом в районе Бразильской магнитной аномалии. Его центр находился на расстоянии нескольких тысяч километров над экватором. С помощью спутников серии «Космос» было измерено среднее время жизни электронов в искусственном радиационном поясе для различных магнитных оболочек, которое, как оказалось, в основном зависит от высоты. Получены значения абсолютных потоков этих электронов, а также энергетический спектр захваченных протонов и их потоков. Интенсивность в искусственном поясе радиации спадала в течение нескольких лет и исчезла полностью лишь в 1968-1969 гг.

В течение 1965-1967 гг. с помощью спутников «Космос» проводились измерения потоков и энергетических спектров тяжелых заряженных частиц и нейтронов с применением ядерных эмульсий. Слои эмульсий собирались стопками по 15-20 шт. диаметром 50 мм и помещались внутри круглых герметических алюминиевых контейнеров, которые закреплялись в герметичных отсеках спутников, а также вкладывались внутрь размещенных здесь же полиэтиленовых сфер радиусом 5, 10 и 15 см. Последние предназначались для исследования ослабления и накопления излучения в тканеэквивалентном веществе. Полученные результаты использовались для вычисления доз космических излучений. На основании измеренных спектров были рассчитаны, в частности, дозы нейтронов внутри отсеков спутника. По этим расчетам выход нейтронов в суммарную дозу в единицах бэр составляет 10-15%.

Спутники типа «Космос-41» позволили исследовать радиацию, захваченную в магнитном поле Земли, до 40 тыс. км над ее поверхностью.

ИЗУЧЕНИЕ КОРПУСКУЛЯРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Проблема взаимодействия частиц радиационных поясов с атмосферой Земли привлекает пристальное внимание ученых многих специальностей. С этой проблемой связано, например, изучение частиц корпускулярных потоков.

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. Задачей дальнейших исследований, которые возлагались на спутники «Космос», было детальное изучение энергетического спектра электронов, получение сведений о потоках ионов, распределении геоактивной корпускулярной радиации в пространстве и ее связи с различными геофизическими процессами: полярными сияниями, геомагнитными возмущениями, более жесткой радиацией, вариациями плотности верхней атмосферы и солнечной активностью.

Первым советским спутником, целиком посвященным исследованию этой проблемы, стал «Космос-3», а затем аналогичный ему «Космос-5». По существу эти спутники явились прообразом геофизической станции с длительным сроком службы и большой информативностью.

Спутник «Космос-5»

Спутники запускались под углом наклона к плоскости экватора 49°. Такая орбита не позволила вести измерения непосредственно в зоне полярных сияний. Исследования геоактивных корпускул в этих экспериментах проводились в основном над экваториальными и средними широтами, где роль их была наименее изучена.

Датчики спутников могли эффективно регистрировать потоки с энергией от 100 эВ до 10 кэВ и электроны с энергиями от 40 эВ до 50 кэВ. Протоны регистрировались с помощью специальных ловушек с магнитными фильтрами, а электроны - с помощью флуоресцирующих экранов, закрытых светонепроницаемыми алюминиевыми фольгами. Излучение флуоресцирующих экранов преобразовывалось в электрический ток посредством фотоэлектронных умножителей. Нижний порог энергии регистрируемых протонов изменялся электрическим фильтром, питаемым скачкообразно меняющимся «тормозящим» высоким напряжением. Нижний порог энергии регистрируемых электронов также изменялся дополнительным скачкообразным напряжением, ускоряющим электроны. Это позволяло оценивать среднюю энергию корпускул.

Электронные датчики практически не реагируют на рентгеновское излучение, которое возникает в окружающей атмосфере или в корпусе спутника под действием жестких электронов с энергией, превышающей десятки кило-электронвольт. Это обеспечило более однозначную расшифровку регистрируемых сигналов.

Для надежности и для полноты данных об энергиях и угловых распределениях корпускулы регистрировались не-сколькими расположенными снаружи датчиками: протоны - двумя, электроны - пятью. Для дополнительного контроля энергии на датчиках электронов применялись алюминиевые фольги различной толщины, а также радиоактивные стандарты на основе трития - для контроля чувствительности в полете.

Главное внимание в этих экспериментах было сосредоточено на определении анизотропии корпускулярных потоков с различными зарядами. Входные отверстия индикаторов имели небольшой телесный угол, и их оси располагались в противоположных направлениях и перпендикулярно друг другу.

Вращение спутника вокруг центра масс меняет направления входных окон индикаторов, обеспечивая зондирование потоков корпускул из любых направлений пространства.

Для определения ориентации датчиков относительно силовых линий геомагнитного поля на спутниках уста-навливались специальные индикаторы направления на Солнце. Эти же солнечные индикаторы служили для контроля микрометеорной эрозии светонепроницаемых пленок на флуоресцирующих экранах электронных индикаторов. Удары микрометеоров о флуоресцирующий экран вызывают регистрируемые всплески излучения. Но после них в фольге остаются микроотверстия, через которые солнечный свет может попасть на фотокатод умножителя. Увеличение тока такого электронного индикатора при направлении его на Солнце служит мерой возрастания метеорной эрозии. Когда же электронный индикатор не направлен на Солнце, даже при наличии в фольге отверстий от микрометеоров, свет к фотокатоду не проникает и регистрируются только корпускулы.

Работа велась как в режиме непосредственной передачи, так и в режиме запоминания. В первом случае датчики корпускул находились в высокочастотном поле антенн передатчиков. Это обстоятельство позволило выяснить, что влияние высокочастотного поля радиопередатчиков на регистрацию геоактивных корпускул даже самых малых энергий отсутствовало.

Кроме корпускулярных датчиков на спутниках были установлены счетчики Гейгера, экранированные свинцом. Счетчики регистрировали протоны с энергией, превышающей 50 МэВ, рентгеновское и гамма-излучение с энергией, превышающей 100 кэВ.

Анализ измерений вдоль орбит спутников позволил выявить несколько не связанных между собой групп наиболее интенсивных потоков корпускул на высотах около 500 км в области географических широт ±49°.

К первой группе относятся протоны внутренней зоны радиации с энергией около 50 МэВ, регистрируемые потоки которых составляли примерно 10⁴ частиц · см^-2 · с^-1. Вторая группа - электроны с энергией около 100 кэВ, составляющие основную компоненту внутренней и внешней зоны радиационного пояса. Их суммарные потоки достигали значений 20 · 10⁷ частиц на см^-2 · с^-1. Наконец, третья группа - электроны средних энергий (около 15 кэВ), заметные интенсивности которых наблюдались лишь выше 500 км и на высоких широтах.

Были также обнаружены наиболее мягкие частицы - электроны с энергиями всего в несколько десятков электронвольт, образующиеся при ионизации верхней атмосферы солнечным ультрафиолетовым излучением. Эти частицы наблюдались лишь на дневной стороне орбиты. Они называются «свежими» фотоэлектронами и отражают скорость ионизации верхней атмосферы.

Следует заметить, что в то время, кегда проводился этот эксперимент, довольно бурно обсуждалась гипотеза о существовании некоего гипотетического полярного сияния, которое происходит на всех широтах, включая низкие и средние, и поддерживает ночную ионизацию атмосферы, восполняя отсутствие прямых солнечных лучей. Измерения, выполненные на «Космосе-3 и -5», позволили с высокой точностью установить скорость ионизации в зависимости от интенсивности энергичных частиц. Было показано, что тот поток частиц, который в действительности наблюдается, совершенно недостаточен для создания ночной ионосферы и, следовательно, гипотеза о повсеместном полярном сиянии неверна.

Раз нет ночного источника ионизации, а ионосфера сохраняется, значит скорость рекомбинации (возникновения и исчезновения ионосферы) совсем не так велика, как это предполагалось. Соответственно и интенсивность солнечного излучения, ответственного за ионизацию, определяется сейчас в 2-3 эрг см² · с, что примерно в 10 раз меньше ранее принимавшихся оценок. Были получены данные по интенсивности фотоэлектронов, а также доказано, что они способны проникать из одного полушария в другое по магнитным силовым линиям. Интенсивность и распределение этих частиц по энергиям зависит как от характеристик ионизирующего излучения, так и от характеристик верхней атмосферы.

Как уже отмечалось, наибольший интерес представляет изучение геоактивных корпускул малых энергий в приполярных широтах. Электроны с энергиями в несколько килоэлектронвольт являются основным агентом, вызывающим полярные сияния, причем наиболее подвижные и красивые их формы. Спектры этих электронов часто имеют четко выраженный максимум на энергии около 5 кэВ, но бывают и более сложные спектры. Низкоэнергичные протоны ответственны за образование слабосветящихся протяженных форм полярных сияний. Направляемые силовыми линиями геомагнитного поля, эти частицы гигантскими тысячекилометровыми струями вторгаются в атмосферу. При этом происходит ее разогрев и вздутие, особенно в приполярных широтах, возникают электрические поля и токи в магнитосфере и ионосфере. И даже в океанах и в слабопроводящей почве образуются низкочастотные электромагнитные и инфразвуковые волны.

Изучение этих эффектов имеет огромное значение для прогноза радиосвязи, расчета времени существования спутников, их радиационной безопасности и для множества других практических приложений.

Следует заметить, что проблема происхождения полярных сияний и магнитных бурь еще далеко не решена. Основная причина - недостаточность экспериментальных данных. В первую очередь это относится к характеристикам геоактивных корпускул, вызывающих сияния, их интенсивности, распределению по энергиям, характеру движения в геомагнитном поле. Эти данные могут быть получены только на основе спутниковых измерений.

Отличительной чертой процессов, протекающих в околоземном пространстве, является их тесная взаимообусловленность. Поэтому, например, для истолкования результатов измерений неоднородной ионизации на высотах около 100 км необходимо знание картины ветров в верхней атмосфере, особенностей и интенсивности свечения полярного сияния, характеристик вторгающихся энергетических частиц и связанных с ними токовых систем в ионосфере.

Большие трудности вызывает то обстоятельство, что, изучая эти явления, ученые не могут повторить эксперимент, изменив условия его протекания, как это обычно делается при исследованиях в лаборатории, и вынуждены ограничиться собиранием и анализом случаев, когда сама природа показывает различные варианты. Поэтому очень важно не пропустить интересное событие и получить как можно более полную информацию о характеристиках верхней атмосферы и магнитосферы и о происходящих в них изменениях во время бури. И здесь без помощи спутников не обойтись.

Однако при всех своих преимуществах данные измерений со спутника неполны: из-за большой скорости движения он пересекает интересующую область пространства за очень короткое время. Так, дугу полярного сияния средней толщины (около 10 км) спутник пересекает за 1-2 сек. Из-за суточного вращения Земли проекция траектории спутника с каждым витком смещается к западу, т. е. последующие измерения производятся уже не там, где предыдущие. Кроме того, наиболее мощное корпускулярное вторжение может оказаться вдали от орбиты или между двумя прохождениями спутника.

Для правильной интерпретации полученных результатов нужно знать ход развития полярного сияния, его основные эффекты, проявляющиеся до и после пролета спутника. Некоторые же виды измерений очень трудно, а порой вообще невозможно осуществить со спутника, в то время как с Земли это достигается сравнительно просто. Речь идет, например, о фотографировании картины полярных сияний и их спектров, измерениях вариаций магнитного поля, земных токов и пр. Поэтому очевидную ценность представляет целенаправленная координация и синхронизация различных и дополняющих друг друга измерений со спутника и с наземных станций. Именно такой комплексный многоцелевой эксперимент проводился с помощью спутника «Космос-261» и ряда наземных геофизических обсерваторий.

Орбита спутника была специально выбрана так, чтобы его траектория регулярно проходила почти по касательной вдоль зоны полярных сияний. Это значительно увеличивало время пребывания регистрирующей аппаратуры в авроральной атмосфере (авроральными - по имени богини утренней зари - принято называть все явления, связанные с полярными сияниями). Одновременно на более низких широтах находились спутники «Космос-259 и -262», измерявшие интенсивность жесткой радиации.

Запуск спутника «Космос-261» явился первым совместным космическим экспериментом, проводившимся в соответствии с программой сотрудничества социалистических стран в области исследования и использования космического пространства в мирных целях. На борту спутника находилась аппаратура для изучения геоактивных корпускул, вызывающих полярные сияния, электронов сверхтепловой энергии, а также вариаций плотности верхней атмосферы во время сияний. Одновременно сетью геофизических станций кинематографировалась картина полярных сияний на небосводе, определялась их яркость и высота, путем анализа спектров свечения устанавливались некоторые характеристики вторгающихся в атмосферу энергичных частиц, температура верхней атмосферы.

Различными методами исследовались неравномерности ионизации верхней атмосферы и возникающие при этом нарушения в распространении радиоволн в различных диапазонах, а также электромагнитные излучения самой плазмы верхней атмосферы и магнитосферы.

Одна из основных проблем физики верхней атмосферы - выяснение источников энергии магнитосферных бурь и оценка их мощности. Значительная энергия выделяется возникающими в ионосфере во время бурь системами электрических токов. Можно предположить, что наблюдающееся при этом вздутие верхней атмосферы связано не только с той энергией, которая поглощается в полярных широтах при ионизации и возбуждении свечения геоактивными корпускулами, но также и с тепловым эффектом электрических токов, затрагивающих также средние и низкие широты, либо даже с мощными инфразвуковыми волнами, расходящимися от областей сильных вторжений. Сведения о токовых системах в ионосфере получались в процессе эксперимента путем анализа записей вариаций магнитного поля на наземных станциях, а сведения о разогреве атмосферы - с помощью спутника.

Небольшая часть электронов во время магнитосферных бурь ускоряется до очень больших энергий (до нескольких миллионов электронвольт). Их вторжение в атмосферу приводит к резкому росту поглощения радиоволн в нижней ионосфере, а в приполярных районах порой и к исчезновению радиосвязи. С этими эффектами связаны определенные характеристики ионосферы, измерению которых уделялось большое внимание. Так, когда измерение интенсивности вторгающихся в атмосферу энергичных частиц велось со спутника «Космос-261», изучение геофизического распространения явлений поглощения радиоволн стояло в программе наземных измерений геофизических обсерваторий и станций социалистических стран, участвующих в этом эксперименте.

В моменты особенно интенсивных полярных сияний при соударениях энергичных электронов с атомами атмосферы возникает тормозное рентгеновское излучение. Оно регистрировалось в период работы спутника специальной аппаратурой, которая поднималась в стратосферу на шарах-зондах на высоты более 20 км.

Крайне важным стало измерение сверхтепловых электронов, поскольку представилась возможность сравнить данные прямых регистрации на борту спутника с другими наблюдениями ионосферы в этот период. Причем если на «Космосах-3 и -5» измерения фотоэлектронов велись на низких и средних широтах, то измерения на «Космосе-261» распространялись на широты, где можно было ожидать новых эффектов, связанных с движением фотоэлектронов в возбужденной полярной ионосфере и выходом их в магнитосферу.

Особенно интересным оказалось сопоставление результатов прямых измерений фотоэлектронов на спутнике «Космос-261» с данными о вариациях в ионосфере во время большой хромосферной вспышки 27 декабря 1968 г. Эта вспышка произошла в момент, когда Европа находилась вблизи полуденного меридиана (11 час. утра). Таким образом, наземные станции социалистических стран оказались в очень удачном положении для наблюдения вспышки. Спутник в это время был в Южном полушарии вблизи области, сопряженной с районом станций. В результате удалось проследить изменения и в нижней ионосфере, связанные с жестким рентгеновским излучением вспышки, и в средней - вызванные более мягкой частью излучения. Сопоставление полученных данных помогло уяснить, как реально происходит процесс поглощения излучения рентгеновской вспышки.

Оказалось, что эти излучения против ожиданий могут быть разновременными. Жесткое рентгеновское излучение, связанное с наиболее острой фазой вспышки, проявилось почти на 10 мин. позже, чем более мягкое, создающее фотоэлектроны в ионосфере. Аналогичные явления отмечались и ранее по наземным наблюдениям поглощения радиоволн во время некоторых вспышек. В частности, эти данные были получены чехословацкими учеными. Накопление подобных данных позволит продвинуться в понимании природы хромосферных вспышек, их классификации.

Ученые разных направлений занимаются сейчас исследованиями вспышек. Они интересуют специалистов по физике Солнца и физике плазмы, поскольку хромосферная вспышка - это по существу гигантский плазменный взрыв, где энергия магнитного поля переходит в энергию заряженных частиц. Геофизикам важно знать, как электромагнитное жесткое и рентгеновское излучение вспышки ионизирует земную атмосферу. Наконец, корпускулярное излучение вспышки, представляющее большую опасность для космонавтов, интересует конструкторов пилотируемых космических кораблей.

Важным результатом этого комплексного эксперимента стало изучение данных о движении плазмы в ионосфере. Было известно, что в послеполуночное время на северных широтах вблизи зоны полярных сияний ионосфера очень сильно «опустошается». Уменьшение концентрации частиц в ионосфере при этом может достигать сотен раз по сравнению с нормальными условиями. При этом даже в нескольких сотнях километров к югу от зоны полярных сияний заметно нарушается радиосвязь. Это явление получило название ионосферного провала. По-видимому, здесь прекращают работу процессы, сохраняющие ночную ионосферу, и, в частности, не происходит спасительного подъема ионизации вверх.

Измерения в Якутии во время комплексного эксперимента показали, что в это время ионосфера не только опустошается. То немногое, что все-таки остается, очень сильно перемешивается, появляются клочковатые облака ионизации, волнообразные движения и др. Возникают совершенно специфические вариации магнитного поля, свидетельствующие о появлении электрического тока и дрейфе ионизованной компоненты атмосферы. Происходит как бы «испарение» и «вытекание» ионосферы. Физические причины этих процессов еще, однако, полностью не выяснены.

Продолжением комплексного эксперимента, проведенного на «Космосе-261», стал полет спутника «Космос-348». Он был запущен в летний период, что позволило сравнить между собой геофизические условия в различных сезонах. Изменение времени полета спутника существенно расширяло рамки исследований и давало возможность добыть новые данные, уточняющие и конкретизирующие смысл предварительных результатов, полученных на «Космосе-261».

Аппаратура «Космоса-348» была усовершенствована. В частности, удалось значительно повысить чувствительность прибора, регистрирующего спектр фотоэлектронов, т. е. распределение их по энергиям в диапазоне от 30 до 150 эВ. Оказалось, что полученный спектр весьма близок к теоретически рассчитанному, но обладает некоторым специфическим изломом, который, очевидно, связан с характером ионизации в этом диапазоне энергий. Измерение положения излома на многих спектрах позволило получить другой очень любопытный результат.

Как уже говорилось, происходит постоянный обмен фотоэлектронами между ионосферами Северного и Южного полушарий вдоль магнитных силовых линий. Регистрируя фотоэлектроны, идущие снизу вверх и, следовательно, родившиеся в той ионосфере, над которой в данный момент находится спутник, и фотоэлектроны, идущие сверху вниз, т. е. пришедшие вдоль магнитной силовой линии из другой ионосферы, сравнивали затем их спектры. Выяснилось, что эти спектры очень похожи, и излом, о котором упоминалось, находится на одной и той же энергии в пределах погрешности измерений. Но этого не могло бы быть, если бы между ионосферами существовала даже незначительная разность электрических потенциалов. Предположим, фотоэлектроны Юж-ного полушария имеют энергию 50 эВ, а разность потенциалов между ионосферами - 30 эВ. В этом случае фотоэлектроны, придя в Северное полушарие, будут иметь уже энергию в 20 эВ, либо 80 эВ при другом знаке разности потенциалов. Таким образом, спектр фотоэлектронов резко сместился бы по энергии и как раз на величину разности потенциалов.

Вопрос о величине разности потенциалов между магнитосопряженными ионосферами очень важен для геофизики. Он исследовался разными методами и тем не менее не имел однозначного решения. Измерения на спутнике «Космос-348» показали, что если разность потенциалов и существует, то только в пределах погрешности аппаратуры - не более 10 эВ. Это очень мало, если учесть огромное расстояние - порядка 80 тыс. км, которое должны пройти фотоэлектроны.

Можно полагать, что разность потенциалов обычно еще меньше и не превышает нескольких десятых долей вольта. Однако эти результаты справедливы только для дневной освещенной ионосферы и только для спокойного Солнца. В период различных возмущений - полярных сияний, магнитных бурь, хромосферных вспышек - разность потенциалов, очевидно, может становиться значительно большей.

Нельзя не упомянуть о спутнике «Ореол», запущенном по программе советско-французского сотрудничества в области исследования космического пространства в декабре 1971 г. В какой-то степени он является продолжением экспериментов, выполненных на «Космосе-261 и -348». Он также был нацелен на изучение эффектов полярных сияний. На борту спутника «Ореол» была установлена более совершенная аппаратура. Кроме измерения характеристик полярных сияний им велись исследования ионного состава верхней атмосферы в полярных районах.

С анализом ионного состава связано, в частности, раскрытие природы «провалов» в. ионосфере. Ряд дополнительных возможностей в этом отношении давала более вытянутая орбита «Ореола». Ее апогей находился на высоте 2,5 тыс. км, т. е. за пределами нормальной ионосферы. На этих высотах можно измерять характеристики авроральных частиц до их взаимодействия с земной ионосферой. Получены также новые данные об особом, плохо видимом глазом, но очень важном для исследователей явлении - «водородном полярном сиянии», вызываемом вторжением в атмосферу энергичных протонов. Выяснены некоторые характеристики вторжений в атмосферу этих протонов, в особенности на дневной стороне овала полярных сияний.

В заключение следует отметить, что в результате широких геофизических исследований, проведенных в последние десять лет, становится все более обоснованным вывод, что полярные сияния и магнитные бури являются проявлениями мощнейших процессов, которые время от времени возникают в околоземном пространстве и приводят в некоторых областях магнитосферы к разогреву плазмы до десятков миллионов градусов. Экспериментальное изучение сложных бурных процессов в магнитосфере представляет интерес для многих областей науки и особенно для физики горячей плазмы. Очень важно при этом получить как можно более полную информацию и о характеристиках верхней атмосферы и магнитосферы и о происходящих в них изменениях во время плазменной бури. Спутники серии «Космос» предоставили в этом отношении совершенно уникальные возможности. Добытые с их помощью в комплексе с наземными наблюдениями данные вплотную приблизили ученых к пониманию природы полярных сияний.

ИССЛЕДОВАНИЯ КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЦА

Причина непреходящего интереса к Солнцу заключается в том, что проявления его жизнедеятельности самым существенным образом влияют на все процессы на Земле. Кроме того, Солнце - основной источник энергии, поставляемой в атмосферу, и его изучение, естественно, имеет большое значение для геофизики. Вместе с тем Солнце - ближайшая к нам звезда, мы имеем возможность детально изучать ее и тем самым получать сведения о звездах вообще.

Внеатмосферные исследования Солнца с помощью средств ракетно-космической техники принадлежат сегодня к числу основных направлений космической физики. Объясняется это тем, что на земле из-за поглощающего действия земной атмосферы доступны для непосредственного исследования лишь небольшие диапазоны солнечного электромагнитного излучения, так называемое видимое и близкое ультрафиолетовое и инфракрасное световое излучение от 1,2 тыс. до 0,3 нк и радиоизлучение от сантиметровых до декаметровых волн. В последние годы становится, однако, все более очевидным, что чрезвычайно большое значение имеет также и коротковолновое излучение Солнца, которое простирается вплоть до рентгеновской области длин волн. Это излучение несет информацию о еще очень мало исследованных внешних оболочках Солнца - хромосфере и в особенности короне, давая важнейшие сведения о их составе, физических свойствах и разыгрывающихся в них процессах.

Однако этим дело далеко не исчерпывается. Хотя поток коротковолнового излучения Солнца составляет малую часть общего потока солнечного излучения (весь поток короче 0,3 нм составляет около 1,5% полного потока, а поток излучения, скажем, короче 10 нм - еще в 10⁴-10⁵ раз меньше), оно оказывает существенное влияние на земную атмосферу, вызывает распадение молекул на атомы, фотохимические реакции, ведущие к образованию новых молекул, ионизирует молекулы и атомы. Коротковолновое излучение Солнца по существу контролирует состав и плотность верхней атмосферы Земли, ее температурный режим и протяженность, что в свою очередь влияет на приток тепла к нижним слоям атмосферы и уход тепла от Земли, т. е. на климат Земли. Кроме того, как уже говорилось, коротковолновое излучение Солнца ответственно за образование земной ионосферы, влияющей на коротковолновую радиосвязь и на ряд геофизических эффектов.

Не менее важно исследование коротковолнового излучения Солнца и для многих проблем физики Солнца. В области спектра короче 0,3 нм расположены характерные спектральные линии ряда элементов, входящих в состав фотосферы Солнца, и их изучение весьма существенно для понимания строения фотосферы. Примерно в области короче 160-180 нм излучение фотосферы резко падает. Более коротковолновое ультрафиолетовое и рентгеновское излучения исходят из хромосферы и короны Солнца.

В то время как суммарное излучение Солнца, определяемое излучением его фотосферы, в основном постоянно во времени, коротковолновая радиация светила (излучение хромосферы и в особенности короны) подвержена сильным вариациям. Имеют место медленные вариации, связанные с 11-летним циклом солнечной активности, более быстрые вариации в масштабе солнечных суток, земных суток и часов и совсем быстрые в масштабе минут и секунд. Есть многочисленные данные, указывающие на связь многих процессов на Земле с периодическими изменениями солнечной активности. Возможно, что они частично связаны с коротковолновой компонентой солнечной радиации, хотя механизм такой связи пока неясен.

Таким образом, исследования коротковолнового излучения Солнца, давая сведения о хромосфере и короне, представляют собой одну из важнейших задач физики Солнца и в то же время являются важным направлением в проблеме солнечно-земных связей.

Коротковолновое излучение Солнца стало одним из основных объектов экспериментов, выполняемых на спутниках «Космос». Исследования проводились на специальных «солнечных» спутниках. Они представляют собой модификацию унифицированного спутника с ориентацией на Солнце одной его оси. В состав бортовой аппаратуры входили рентгеновский гелиограф со щелевым коллиматором и рентгеновский фотометр.

Рентгеногелиограф состоял из двух идентичных блоков датчиков, расположенных на наружной поверхности спутника, и блока электроники, установленного в гермо-отсеке. Приемниками излучения служили гейгеровские счетчики рентгеновских фотонов. Импульсы от счетчиков регистрировались электронной схемой логарифмического интенсиметра. Напряжение с выхода интенсиметра подавалось на вход телеметрической системы.

Рентгеновский фотометр состоял из блока датчиков, расположенных на наружной поверхности спутника, и блока электроники, установленного в гермоотсеке. В качестве приемников излучения использовались гейгеровские счетчики фотонов с дополнительными фильтрами. Три счетчика чувствительны к мягкой рентгеновской области спектра и один счетчик, практически не чувствительный к рентгеновскому излучению Солнца, служил для контроля уровня помех от частиц радиационного пояса. Оптические оси всех счетчиков параллельны оси спутника, ориентированной на Солнце. Показания каждого счетчика - скорость счета импульсов - регистрировались с помощью логарифмического интенсиметра. Выходные напряжения интенсиметров регистрировались бортовым запоминающим устройством через коммутатор с опросностью 10-20 сек. Для привязки результатов измерений к освещенным участкам орбиты в состав прибора был включен также оптический датчик Солнца.

Рентгеногелиограф, предназначенный для исследования Солнца с борта спутника. Устанавливался на «Космосе-166», «Космос-230» и др.

Спутник ориентировался на Солнце, с точностью 1-2° на каждом витке после выхода из земной тени, и эта ориентация сохранялась в течение всего времени нахождения спутника на освещенной части орбиты. Три раза в течение каждого витка ось спутника однократно пересекала диск Солнца со средней скоростью 0,04° в 1 сек. Когда ось спутника пересекает диск Солнца, получается его изображение по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Для привязки полученных записей к определенным участкам Солнца использовались оптические датчики, точно фиксирующие моменты прохождения краев солнечного диска через поле зрения счетчиков.

Одно из самых замечательных проявлений солнечной активности - катастрофические процессы на Солнце, получившие название солнечных вспышек. Около ста лет назад было обнаружено, что иногда в активных областях Солнца, связанных с магнитными пятнами, внезапно, обычно в течение нескольких секунд, сильно возрастает яркость участка поверхности Солнца, достигающего в сильных вспышках размера до 3 · 10⁹ км². С развитием радиоастрономии было установлено, что эти оптические вспышки, как правило, сопровождаются мощными всплесками радиоизлучения в диапазоне от сантиметровых до декаметровых волн.

Когда начались исследования с помощью ракет и спутников, выяснилось, что оптические и радиовспышки сопровождаются огромным (до нескольких тысяч раз) усилением рентгеновского излучения Солнца, а также появлением очень жесткого излучения вплоть до нескольких сотен килоэлектронвольт. Во время вспышек возникают потоки ускоренных частиц - электронов и тяжелых ядер с энергиями от десятков килоэлектронвольт до релятивистских - и выбросы сгустков плазмы.

Таким образом, оказалось, что вспышки очень слож-ное, комплексное явление. Они оказывают весьма сильное воздействие на Землю. Когда до Земли доходит рентгеновское излучение, нарушается состояние ионосферы, возникают провалы радиосвязи и ряд геофизических эффектов. За время от одного часа до нескольких десятков часов частицы и плазменные сгустки достигают Земли. Частицы несут с собой радиационную опасность для космонавтов. Плазменные сгустки нарушают магнитное поле планеты, вызывая магнитные бури. Имеются сведения о связи со вспышками некоторых медико-биологических эффектов.

Продолжительность солнечной вспышки колеблется от нескольких до десятков минут, а иногда и часов. За время сильной вспышки класса 3 выделяется энергия до 10³¹-10³² эрг, что эквивалентно энергии 10⁹-10¹⁰ атомных бомб; половина этой энергии выделяется в виде электромагнитной энергии - от жесткого рентгена до дека-метрового радиодиапазона, половина - в виде энергии ускоренных частиц. Объем солнечной радиации, захватываемый сильной вспышкой, составляет до 10²⁹ см³. Отсюда следует, что плотность энергии в области вспышки достигает 10³ эрг/см³. Однако плотность энергии в хромосфере около 3 эрг/см³. Следовательно, вспышки возникают за счет дополнительного источника энергии. Этим источником служит энергия магнитного поля в солнечной атмосфере.

Как показали исследования академика А. Б. Северного, во время вспышки происходит перестройка локального магнитного поля, которая сопровождается высвобождением некоторого количества магнитной энергии; для покрытия энерговыделения вспышки достаточно уменьшения магнитного поля на несколько десятков гаусс. Механизм перехода магнитной энергии в энергию вспышки еще не ясен.

С помощью аппаратуры, устанавливаемой на борту спутников «Космос», было проведено исследование областей генерации и спектрального состава рентгеновских вспышек на Солнце и изучены динамика развития, электронная температура и электронная плотность активных областей в отсутствие вспышки.

Исследования, в частности, показали, что при спокойном Солнце интенсивность излучения в самом коротковолновом диапазоне 0,15-0,4 нм практически равна нулю и резко возрастает в момент микровсплеска рентгеновского излучения. Излучение в диапазоне 0,44-0,65 нм меняется в меньших пределах, излучение же в мягком диапазоне (0,8-1,4 нм) в этих условиях меняется несущественно. Возрастание интенсивности происходило почти одновременно в областях 0,15-0,4 и 0,44-0,65 нм.

Электронная температура излучающей области определялась из предположения термического механизма генерации излучения микровспышек по отношению показаний счетчиков с различной спектральной чувствительностью. Для небольших всплесков она составила около 10 млн. градусов.

Измерения по рентгеновскому заходу за лимб высота рентгеновской активной области оказалась равной 20-80 тыс. км и высота рентгеновской вспышки 20-25 тыс. км. Область рентгеновской вспышки обычно имела волокнистую структуру с угловым диаметром волокон около 10 угловых секунд, сходную со структурой областей оптических вспышек.

Как правило, оптические вспышки располагались как раз над так называемыми активными областями нашего светила с характерными группами пятен, наблюдаемыми с помощью наземных оптических средств. Интересно, что в ряде случаев выявлено наличие у одной вспышки двух центров, примерно одинаковых по яркости. Расстояние между ними составляло около 6 угловых минут.

Как же происходит нагрев области вспышек до температур в несколько десятков миллионов градусов? Можно полагать, что он осуществляется быстрыми электронами. Электроны, ускоряясь в короне до энергий 10⁵ эВ и двигаясь вдоль магнитных линий, вторгаются в низкие, более плотные слои короны или хромосферу, отдавая путем соударений свою энергию более холодным электронам, которые затем нагревают ионы.

Чтобы проверить эту картину, были проведены измерения поляризации рентгеновского излучения в начальной стадии вспышек. Дело в том, что при направленном движении электронов электрический вектор тормозного рентгеновского излучения должен лежать преимущественно в плоскости, проходящей через линию движения электрона и линию наблюдения или перпендикулярно ей. В измерениях, выполненных рядом спутников серии «Интеркосмос», па 9 вспышках наблюдалась поляризация, имеющая величину в согласии с теорией от 40 до 3%. Зная позиционный угол плоскости поляризации и место вспышки на диске, можно определить направление движения электронов - оно оказалось радиальным по направлению к поверхности Солнца.

Таким образом, наличие в начальной стадии направленных потоков ускоренных электронов в области вспышки нашло непосредственное экспериментальное подтверждение; при этом поступление ускоренных электронов длится в больших вспышках в течение нескольких минут. Следует заметить, что поляризационные измерения рентгеновских лучей принадлежат к числу очень тонких и трудных экспериментов. Они стали возможными благодаря развитию точных методов рентгеновской спектроскопии.

Полученные данные находятся в согласии с развитой С. И. Сыроватским теоретической моделью солнечных вспышек. При перестройке магнитного поля во времени в короне появляется электрическое поле, вызывающее дрейф плазмы,- возникает цилиндрическая ударная волна, сходящаяся к нейтральной линии магнитного поля. Начинает течь сильный электрический ток, нагревающий плазму до температуры, близкой к 10 млн. градусов, и возникает интенсивное мягкое рентгеновское излучение. Дрейф плазмы влечет за собой появление турбулентности, что сопровождается уменьшением проводимости плазмы - происходит разрыв токового слоя и возникает сильный градиент электрического поля. В результате появляются ускоренные потоки частиц - электронов и протонов. Часть электронов устремляется в более высокие области короны, давая всплески радиоизлучения III типа, часть же электронов устремляется в более плотные слои короны и хромосферу, вызывая жесткое рентгеновское излучение и свечение Н_α.

ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТЕОРНОГО ВЕЩЕСТВА

Аппаратура для регистрации метеорных частиц с пьезодатчиками из титана, бария или фосфата аммония устанавливалась еще на геофизических ракетах и на третьем советском искусственном спутнике Земли.

Баллистический пьезодатчик представляет собой массивную плиту, подвешенную на плоской пружине, на которой закрепляется несколько пьезоэлементов. Датчики такого типа способны регистрировать удары метеорных частиц, имеющих массу до одной миллиардной доли грамма при скорости около 40 км/с. При смещении плиты под действием удара метеорной частицы пьезоэлементы преобразуют механическую энергию частицы в электрический сигнал в виде кратковременных затухающих колебаний напряжения. Сигналы с пьезодатчиков поступают в специальный преобразователь, который разделяет их по амплитуде на несколько диапазонов и подсчитывает число сигналов в каждом диапазоне. Разделение по амплитуде осуществляется путем вывода сигнала с различных каскадов усилителя на счетное устройство каждого диапазона.

Аналогичная аппаратура для проведения микрометеорных исследований в дальнейшем применялась при полетах к Луне, на автоматических межпланетных станциях, системах «Электрон». Выполненные измерения привели к представлениям о высокой концентрации пыли в околоземном космическом пространстве и к основанной на них гипотезе о существовании пылевого облака Земли, плотность частиц в котором неизмеримо выше, чем в межпланетном пространстве. В связи с этим следовало ожидать, что и метеорная опасность на околоземных орбитах больше, чем на межпланетных трассах.

Вскоре были получены и прямые подтверждения метеорной опасности. В 1958 г. американский спутник «Эксплорер-3» был поврежден при прохождении метеорного потока Аквариды. Аппаратура советской автоматической станции «Луна-3» зарегистрировала попадание крупной частицы, и сразу же после этого прекратилась передача информации. Однако в последующие годы случаев повреждения космических аппаратов в результате столкновения с метеорными частицами не наблюдалось.

Эксперименты, в которых наблюдения микрометеоров были связаны с регистрацией разрушений материала детектора при сверхскоростном ударе частицы, дали величину потоков пылевых частиц в околоземном космическом пространстве на три порядка меньшую, чем в опытах с пьезоэлектрическими детекторами.

В 1966 г. на спутнике «Космос-135» измерения частиц космической пыли проводились также при помощи пьезоэлектрических детекторов. Однако были приняты специальные меры для повышения помехоустойчивости аппаратуры. На спутнике стояли два идентичных прибора для регистрации соударений с микрометеорами. Датчики одного из них размещались непосредственно на внутренней поверхности оболочки спутника, датчики другого на специальной выносной панели, тщательно акустически изолированной от корпуса спутника.

Для регистрации соударений использовалась высокочастотная составляющая электрического сигнала, который возникал в датчике под действием ускорений при распространении волны упругой деформации по поверхности, прослушиваемой датчиком. Усиление сигнала велось на высокой частоте, поскольку время соударения мало, а спектр механических шумов аппаратуры спутника обычно максимальный в области низких частот. Акустический изолятор, который защищал выносную панель, ослаблял идущие от спутника шумы в области рабочих частот на 60 дБ. В каждом приборе использовались два идентичных датчика с независимыми трактами усиления, включенными в схему совпадений. Учитывая высокую чувствительность аппаратуры, применение совпадений позволяло значительно снизить опасность регистрации шумов и наводок. Подавление внешних электромагнитных помех достигалось, помимо тщательной экранировки, введением селекции сигнала по длительности. Для проверки исправности прибора во время его ра-боты в полете была предусмотрена строго периодическая подача калиброванного акустического импульса, имитирующего соударения.

Прибор с датчиками на изолированной выносной панели зарегистрировал первое соударение только на 87-м витке орбиты. Всего же за 630 час. измерений было зарегистрировано 141 событие. Из них только 4 могли с некоторой вероятностью рассматриваться как результат действительных соударений с микрометеорами. Остальные же являются следствием возникших в системе помех и по времени относятся к моментам выхода спутника из области тени Земли.

Показания прибора, датчики которого располагались па внутренней поверхности корпуса спутника, т. е. не были изолированы, носили иной характер. За 150 час. работы прибор дал 205 сигналов. При этом максимумы событий наблюдались в периоды резкого изменения тепловых режимов - при выходе спутника на освещенный Солнцем участок орбиты и при заходе в тень Земли. Совершенно очевидно, что датчиками второго прибора регистрировались в основном шумы термического происхождения. Выделить из них очень редкие сигналы, соответствующие соударениям, практически невозможно.

Летом 1967 г. измерения потока микрометеоров в околоземном космическом пространстве при помощи помехозащищенных акустических детекторов были проведены на спутнике «Космос-163». За 1370 час. наблюдений было зарегистрировано 3 соударения на уровне массы в две миллиардные доли грамма. Величина потока микрометеоров соответствует, таким образом, 2,5·10^-6 частиц · с · м². Эти данные полностью подтверждают результаты измерений на «Космосе-135», опровергающие гипотезу о существовании пылевого облака вокруг Земли.

ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Постоянным объектом, пользовавшимся вниманием спутников «Космос», было магнитное поле Земли. Силовые линии геомагнитного поля, простирающиеся на десятки тысяч километров в космическое пространство, определяют физические свойства околоземного космоса, характер протекания многих процессов в высоких слоях атмосферы и играют решающую роль в механизме воздействия корпускулярной радиации на Землю. Данные о магнитном склонении широко используются для разведки полезных ископаемых, в судовождении, в авиации.

Однако измерение магнитного поля - задача исключительно трудоемкая, требующая много времени. Она выполняется разными способами: наземными приборами, аэромагнитометрами, измерениями на немагнитном корабле, буксируемыми за кораблями магнитометрами, помещенными в немагнитные гондолы. Искусственные спутники позволяют производить магнитную съемку гораздо быстрее.

Особенно велика роль искусственных спутников в изучении векового хода магнитного поля Земли. Вековой ход - это медленные вековые изменения магнитного поля Земли, уменьшение общего ее магнитного момента и систематический дрейф поля к западу. Так, за последние 100 лет магнитный момент Земли уменьшился на 5%, а магнитный полюс дипольной части поля сместился вдоль параллели на 5° к западу.

Вековой ход различен в разных областях земного шара, изменчив во времени в одном и том же месте и зависит от уровня магнитной и солнечной активности. Изучение векового хода имеет громадное значение для познания внутреннего строения Земли, природы и происхождения геомагнитного поля. Карты, составленные даже по подробным и надежным измерениям, через некоторое время уже не отражают истинного распределения поля. Познав закономерности изменения векового хода, ученые смогли бы предсказывать и изменения геомагнитного поля по поверхности Земли, оперативно уточнять магнитные карты. С другой стороны, эти сведения полезны для археологов, которые датируют свои находки по направлению остаточной намагниченности от геомагнитного поля.

Магнитометрический спутник серии «Космос»

Как известно, измерения магнитного поля Земли в ближайшей ее окрестности на высотах от 230 до 800 км впервые были выполнены в 1959 г. на третьем советском искусственном спутнике Земли. Затем магнитные измерения в диапазоне высот 500-3500 км выполнялись американскими учеными с помощью спутника «Авангард-3». Однако и те и другие измерения проводились над сравнительно изученными пространствами земного шара: третий спутник - над территорией Советского Союза, «Авангард-3» - над отдельными районами США, Латинской Америки и Австралии. Большая же часть земного шара осталась не обследована, особенно Мировой океан. Это объясняется, в частности, тем, что у протонного магнитометра, который был установлен на спутнике «Авангард-3», измерение частоты свободной прецессии протонов осуществлялось наземным частотомером. Следовательно, измерения могли проводиться только в зоне прямой видимости спутника, в районах ограниченного числа наземных станций.

Спутники серии «Космос» позволили выполнить несколько экспериментов по изучению магнитного поля в ближайших окрестностях нашей планеты. Ставилось две основные задачи. Первая - исследование распределений главного геомагнитного поля, имеющего источник внутри Земли. Вторая - изучение переменных эффектов в магнитном поле, которые связаны с магнитной активностью, действием солнечной корпускулярной радиации.

На спутниках «Космос» использовались протонные магнитометры. Измерение магнитного поля с их помощью сводится к изучению частоты свободной прецессии протонов в измеряемом земном поле. На каждом спутнике устанавливалось по два магнитометра, датчики которых были ориентированы под углом 90°. Приборы включались поочередно от точного программно-временного устройства с интервалом в 32 сек. Метки времени позволяли привязывать бортовые отсчеты каждого из приборов к абсолютному времени. Датчики магнитометров на специальной выносной штанге были удалены от корпуса спутника, содержавшего магнитные детали. В местах расположения датчиков создавалось достаточно однородное магнитное поле с помощью системы постоянных магнитов, которые компенсировали магнитное влияние спутника.

Измерение частоты свободной прецессии протонов проводилось непосредственно на борту спутников. Это позволило применить запоминающее устройство (ЗУ), в котором результаты записывались в виде кодированного числа, и вести измерения по всей орбите. Только в результате запуска «Космоса-26 и -49» впервые магнитной съемкой было охвачено 75% земной поверхности, причем практически одновременно. Равномерная съемка, выполненная в короткий срок, позволила получить представление о магнитном поле, свободном от вековых вариаций, и узнать его распределение на эпоху конкретного эксперимента. Эти данные были использованы для получения международной аналитической модели магнитного поля Земли.

Запуск спутника «Космос-321» в 1970 г. дал возможность получить распределение магнитного поля уже на 94% поверхности земного шара. Сравнение данных измерений этого спутника с двумя предыдущими позволило с высокой точностью определить вековые изменения магнитного поля.

Блок-схема протонного магнитометра, установленного на борту спутников «Космос-26» и «Космос-49» Типичная магнитограмма, полученная со спутника «Космос-49» Крестики и точки на оси времени обозначают «запрещенные» отсчеты, когда из-за невыгодной ориентации датчика отношение сигнал - шум было мало и частотометр не производил измерений. Видны также ложные отсчеты, которые легко отличить от достоверных

Карта магнитной съемки, выполненной спутником «Космос-49»

Спутник «Космос-321» был оснащен квантовым цезие-, вым магнитометром, позволившим выполнять измерениякаждые 2 сек. Это дало возможность получить интересные данные по ряду вопросов переменного магнитного поля. В частности, впервые со спутника измерен эффект экваториальной токовой струи, существующей в плоскости магнитного экватора на дневной стороне.

Экваториальная токовая струя впервые была обнаружена в 1922 г. Однако и сейчас, через 50 лет, на протяжении которых велись разнообразные и всесторонние исследования, это явление остается в некоторой степени загадочным. Исследования со спутников в совокупности с наземными измерениями и недавно созданная советскими учеными точная теория этого явления дают возможность получить однозначные данные для построения модели электроструи.

В результате полета «Космоса-321» были получены очень интересные и важные сведения о механизмах магнитных бурь в полярных областях. В частности, удалось уточнить топологию магнитоактивных зон в этих районах. Во время особенно интенсивной бури 8-10 марта 1970 г. были измерены эффекты полярных электроструй. Эти данные были затем использованы для изучения проводимости земного шара.

Практически давно уже не вызывала сомнений связь постоянного (главного) магнитного поля Земли, определяемого источниками, находящимися внутри земного шара, и переменного магнитного поля, зависящего от действия внешних источников. Взаимная связь этих полей стала особенно очевидной после исследований, выполненных спутниками «Космос». С их помощью были получены данные об особенностях глобального распределения величины и направления главного геомагнитного поля, а также новые сведения о структуре и возможных механизмах сравнительно быстрых изменений как постоянного, так и переменного полей Земли. Эксперименты, выполненные в космическом пространстве, позволили установить степень соответствия реальной картины теоретическим моделям, созданным на основе наблюдений с по-верхности Земли в течение столетий. Один из важных научных результатов этих исследований состоит в установлении того факта, что в окрестностях Земли постоянно существуют условия, которые, как предполагалось, бывают лишь во время магнитных бурь.

ТЕЛЕСКОПЫ В КОСМОСЕ

Между тем ультрафиолетовый и рентгеновский диапазоны чрезвычайно интересуют астрономов, изучающих горячие, как правило, молодые звезды, межпланетную, межзвездную и межгалактическую среду. Наблюдая, например, излучение звезд в ультрафиолете, мы можем с достаточной степенью точности судить об их светимости и стало быть о составе их атмосферы, температуре и некоторых других ее физических свойствах.

Известно, что каждому атому элемента, каждой молекуле соответствует строго определенная, так называемая резонансная линия электромагнитного спектра. Поэтому, наблюдая за далекой звездой, можно было бы разложить ее излучение как бы по полочкам и таким образом установить «личности» ряда входящих в состав небесного светила химических элементов. Однако у большинства элементов их позывные, т. е. длина волн, на которой они дают максимальное излучение, приходятся именно на ультрафиолетовый диапазон спектра, которому не под силу пробить земную атмосферу. В результате пришедшая от далеких светил ценнейшая информация теряется на последних 100 км - почти у самой поверхности нашей планеты.

Устранить эту помеху помогает вынос измерительной аппаратуры на орбиты спутников Земли. Этим современная астрономия коренным образом отличается от астрономии первой половины XX в. Выход в космос неизмеримо расширил диапазон наблюдений, сделав доступными области гамма-излучений, рентгена, ультрафиолета, инфракрасной, субмиллиметровой и радиочастотной частей спектра. Различные методы современной астрономии, дополняя друг друга, дают возможность изучать Вселенную во всем ее многообразии: исследовать грандиозные взрывные процессы в ядрах галактик и в звездах, свойства межгалактического газа, межзвездную среду, химический состав и распределение вещества в нашей галактике, физические параметры и процессы образования звезд, изучать сложные молекулярные вещества в различных космических объектах.

Эти исследования помогут установить возраст Вселенной, расширят наши познания о космологической картине мира, о состоянии вещества в молодой Вселенной, предположительно представлявшей собой однородный сгусток сверхгорячей плазмы.

Чрезвычайно интересует астрономов разреженный газ, расположенный между галактиками. Горячий ионизованный газ должен сам излучать энергию. В общем энергетическом балансе эта энергия невелика; значительно меньше не только энергии всеобщего космического радиошума (реликтового излучения, оставшегося от древних эпох эволюции Вселенной), но и излучения звезд. Однако в отдельных спектральных интервалах излучение газа пересиливает другие источники, и его можно обнаружить. Это так называемая линия Лайман-альфа, расположенная в ультрафиолетовой области (λ -1216 Å).

Возможно, в этом газе сосредоточена основная масса вещества Вселенной. Соответственно и дальнейший ход эволюции Вселенной, ее будущее зависит от реальной плотности межгалактического газа. Если плотность газа достаточно велика (больше 10 протонов в 1 м³), то силы тяготения смогут остановить наблюдаемое в настоящее время расширение, и еще через несколько десятков миллиардов лет начнется сжатие. При меньшей плотности вещества расширение Вселенной будет продолжаться неограниченно долго.

Одна из самых интересных проблем, которую помогут решить телескопы, установленные на искусственных спутниках Земли или космических станциях, заключается в расшифровке природы рентгеновских источников космического излучения, открытых американскими учеными около 12 лет назад. Только немногим более 50 из них отождествлено с уже известными оптическими объектами. Сюда относятся остатки вспышек новых звезд, диффузные туманности, остатки сверхновых звезд, Маггелановы облака и сейфертовские галактики.

Среди галактических источников рентгеновского излучения наибольший интерес представляют пульсирующие источники. Часть из них - нейтронные звезды, из которых одна, по-видимому, является так называемой черной дырой - объектом весьма необычной физики. Согласно современным представлениям, в ходе эволюции нейтронные звезды не могут избежать коллапса (сжатия), если их масса превосходит 3-4 солнечных. В конце концов остаток звезды будет иметь столь высокую плотность и столь малый радиус, что станет невидимым: свет и любая другая форма излучения не смогут вырваться из его гравитационных объятий. Более того, он даже будет захватывать излучение, проходящее в непосредственной близости, и, таким образом, будет казаться в небе черной дырой - бездонным гравитационным стоком.

С помощью спутников «Космос» советские ученые впервые получили возможность вынести свои телескопы за пределы поглощающей атмосферы и вести наблюдения в диапазоне волн от видимой до ультрафиолетовой части спектра. Одним из первых астрономических спутников этой серии стал «Космос-215». Он был выведен на сравнительно низкую орбиту с начальными параметрами: период обращения 91,1 минуты, высота апогея 426 км, высота перигея 261 км и наклонение плоскости орбиты к плоскости экватора 48°,5. Такая орбита выбиралась для того, чтобы спутник совершал полет ниже поясов заряженных частиц, окружающих Землю. В противном случае они создавали бы сильный фон, который вносил бы по-мехи в регистрирующие приборы и затруднял астрономические наблюдения.

Спутник был оснащен восемью небольшими телескопами с диаметром зеркал 70 мм. Они предназначались для наблюдений излучения горячих звезд в различных диапазонах - от видимой части спектра до ультрафиолетовой с длиной волны 1225 Å. Имелся и рентгеновский телескоп, который регистрировал излучение в спектральной области от 0,5 до 5 Å. Два фотометра регистрировали солнечное излучение, рассеянное в верхней атмосфере планеты.

С целью замедления беспорядочного вращения спутника после отделения его от ракеты-носителя была применена магнитная система успокоения. На штанге длиной в несколько метров был установлен мощный магнит, который в полете взаимодействовал с магнитным полем Земли. Магнит закреплялся в специальных подшипниках, создающих трение. Благодаря такому устройству энергия вращения спутника быстро преобразуется в тепло, нагревающее подшипники. В течение всего времени активного существования спутника его вращение поддерживалось на достаточно постоянном уровне - один оборот за время от 40 мин. до 1 часа.

Химические источники тока обеспечивали работу спутника более месяца. Было проведено около 150 сеансов связи. На записях, полученных со спутника, хорошо прослеживалось прохождение поля зрения всех телескопов через звезды, не раз наблюдалось пересечение полосы Млечного Пути, где особенно много горячих звезд. На дневной стороне Земли иногда наблюдалась ее яркая поверхность, а в районе терминатора (границы между светлой и ночной стороной) отмечалась узкая светящаяся полоса атмосферы. Фотометры, имеющие сравнительно большой угол обзора, регистрировали свечение протяженной водородной оболочки планеты, простирающейся на десятки тысяч километров от поверхности Земли.

Получен также ряд результатов, относящихся к верхней атмосфере Земли. В данном случае использовалось то обстоятельство, что именно в ультрафиолетовой коротко-волновой области спектра происходит рассеяние солнечного излучения атомами и молекулами, составляющими верхнюю атмосферу. Таким образом, изучая ультрафиолетовое рассеянное излучение, можно определить состав верхней атмосферы и вычислить распределение тех или иных атомов или ионов с высотой. Исследования проводились как на дневной, так и на ночной стороне Земли, в зависимости от активности Солнца, температуры верхней атмосферы, ее плотности и т. д. Получен ряд существенных научных результатов, среди которых особо следует отметить обнаружение нового геофизического эффекта - тропического свечения.

Эффект этот состоит в том, что ночью на высотах 200-300 км вблизи магнитного экватора наблюдается интенсивное свечение в линиях кислорода. Оно объясняется тем, что вблизи геомагнитного экватора в ночных условиях имеется избыточная концентрация электронов и ионов. На этих же высотах основной ионный состав должны представлять ионы атомарного кислорода. Свечение, которое наблюдалось на «Космосе-215», является, очевидно, результатом рекомбинации, т. е. объединения электронов с ионами атомарного кислорода. Кванты в этой линии (λ - 1,3 тыс. Å) локализованы в пространстве, вблизи места рождения, поэтому этот эффект не мог быть обнаружен с поверхности. Земли.

Одновременно с советскими учеными такой же эффект зарегистрировали на одном из своих геофизических спутников американские ученые. Советские и американские данные находятся в очень хорошем согласии и взаимно дополняют друг друга.

Эксперимент на спутнике «Космос-215» носил поисковый характер. По сути дела это был первый шаг к выносу за пределы земной атмосферы телескопов, оснащенных современной измерительной аппаратурой. Поэтому главная цель состояла в проверке возможности проведения подобных исследований на борту космического аппарата. В результате ученые надеялись получить результаты, необходимые для организации будущих экспериментов. Надо сказать, что эти надежды вполне оправдались.

Комплексный эксперимент по исследованию всего спектра электромагнитных волн короче 3000 Å был проведен также на спутнике «Космос-262». По существу этот спутник стал малой оптической обсерваторией, оснащенной приборами для регистрации вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского (ВУФ и MP) излучений одновременно Солнца, звезд, межзвездной среды и верхней атмосферы Земли.

На спутнике имелось три 16-канальных фотометра. Эти приборы предназначались для исследования ВУФ- и MP-излучений Солнца, космического фона и верхней атмосферы Земли в 16 отдельных спектральных интервалах. Интервалы выбирались таким образом, чтобы изучать излучения от так называемых спокойных областей внешних оболочек Солнца, от возмущенных вспышками районов и промежуточных областей. Кроме того, те же приборы регистрировали излучение от основного элемента солнечной атмосферы - водорода и общее интегральное излучение. Спектральные интервалы выделялись с помощью автоматически переставляемых фильтров. Регистрировались они одним приемником, что повышало точность измерений по сравнению с методом, при котором для каждого интервала имеется свой приемник.

Другая группа приборов включала два 10-канальных фотометра с различными полями зрения. Располагались они параллельно друг другу. Эта аппаратура предназначалась главным образом для исследования ВУФ- и МР-излучений звезд, межзвездной среды и верхней атмосферы Земли. Для исследования звезд и межзвездной среды приборы должны обладать очень малыми полями зрения и высокой чувствительностью. Эти требования обеспечивались специальными параболическими зеркальными объективами, концентрирующими излучение от звезд на специальную диафрагму. Изменяемый диаметр отверстия в диафрагме определяет желаемую величину поля зрения. Поскольку спутник «Космос-262» был неориентированным, т. е. непрерывно вращался, эти приборы измеряли излучения от различных областей космического пространства и верхней атмосферы Земли. Была предусмотрена также проверка уровня помех от жесткой радиации космоса.

Представителем третьей группы приборов был спектрометр для исследования спектра излучения Солнца. Его требовалось точно наводить на Солнце, поэтому для прибора была разработана специальная следящая система автоматического наведения. Устройство ее предусматривало определенную логику работы: поиск начинался только в том случае, если Солнце попадало в поле зрения следящей системы. Таким образом, исключался бесполезный расход электроэнергии, когда спутник находился на ночной стороне орбиты или когда спектрометр оказывался в тени корпуса спутника.

Для успешной расшифровки и обработки информации чрезвычайно важно правильно и точно определить ориентацию обсерватории в пространстве. Эта задача решалась комплексом приборов, в состав которого входили чувствительные к солнечному свету элементы научной аппаратуры, датчики углов наведения спектрометра на Солнце и магнитометр. Полученная информация позволяла надежно установить направления, откуда регистрировались излучения в тот или иной момент времени.

В результате эксперимента был получен обширный материал: показания приборов за несколько месяцев работы обсерватории в космосе примерно по 6 час. в сутки. Обработка данных по ориентации спутника в пространстве в моменты регистрации излучений показала, что вращение обсерватории происходило с угловой скоростью от 3° в секунду вначале до 1° в секунду через 4 месяца после запуска и что ось вращения хотя медленно и перемещалась, но все время находилась в плоскости установки приборов.

Записи показаний приборов дали возможность проследить всплески и спады излучений, связанные с активными процессами во внешних оболочках Солнца (солнечными вспышками). Обращает на себя внимание очень низкий уровень излучения хромосферной линии водорода. Только в отдельных всплесках он достигал величины 3-5 эргов на 1 см² в секунду. В то же время было зарегистрировано значительное присутствие в солнечном излучении так называемой жесткой составляющей спектра с длинами волн короче 8 и часто 5 Å.

Неожиданно много оказалось излучений не солнечного происхождения. В частности, они регистрировались 10-канальными фотометрами в диапазоне длин волн 50-100 Å. Неожиданными также оказались периоды, когда приборы регистрировали очень жесткое излучение большой интенсивности. Сопоставление этих данных с параметрами орбиты станции показало, однако, что они связаны с пребыванием обсерватории во внутренних областях радиационного пояса Земли. Жесткость этого излучения различна: в ряде случаев оно свободно проникает через алюминий толщиной в 1 мм, в других случаях заметно и не всегда одинаково поглощается металлическими фольгами микронной толщины.

Одна из задач, которая решалась с помощью аппаратуры, устанавливаемой на спутниках «Космос», связана с наблюдением общего фона неба в ультрафиолетовой части спектра. Цель этих исследований - определение предельной звездной величины, наблюдаемой из космоса, как иногда говорят,- «горизонта Вселенной». Важно знать, насколько же расширятся возможности оптических наблюдений при вынесении больших телескопов за пределы атмосферы. Кроме того, если измерять фон неба в различных спектральных диапазонах, можно в известной степени судить о составляющих его звездах.

Существует три основных типа звездного населения: холодные карликовые красные звезды, звезды типа нашего Солнца и голубые гигантские звезды. Скопление тех или иных звезд в разных местах Галактики делают различным его фон, т. е. более красным или голубым. Помимо этого существует всеобщее покраснение, которое вызывается пылью, расположенной в межзвездной среде. Она в основном концентрируется в плоскости нашей Галактики. Таким образом, изучая яркость фона на разных длинах волн и в зависимости от координат на небе, мы можем судить о распределении звезд разного типа и межзвездной пыли в нашей Галактике.

Наконец, еще один очень интересный аспект этой проблемы - выделение не связанного со звездами так называемого внегалактического фона, что может иметь существенное значение для космологических исследований.

Как уже упоминалось, предполагается, что этот фон вызван излучением расположенного между галактиками разреженного газа.

Исследования велись в течение длительного времени на нескольких спутниках «Космос». При этом удалось получить ряд интересных результатов. Выяснилось, например, что фон неба ярче, чем ожидалось учеными. Возможно, это связано с тем, что атмосфера Земли простирается дальше, чем предполагалось, или же в окрестностях нашей планеты существует какое-то небольшое пылевое облако, которое приводит к дополнительному рассеянию солнечного света. Не исключено также, что функция светимости, т. е. доля, звезд различной абсолютной яркости, несколько отличается от общепринятой. В частности, американские исследования со спутника ОАО показали, что те галактики, которые они наблюдали, имеют ядро с увеличенной яркостью в ультрафиолетовой области спектра,- следовательно, ядра галактик голубые.

В полосе Млечного Пути были обнаружены участки излучения, не соответствующие теоретическим моделям. Так, для области вблизи Сириуса установлен явный дефицит в ультрафиолетовой части спектра.

ИЗУЧЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Искусственный спутник Земли обладает определенным в какой-то степени ограниченным временем активного существования. Статистические наблюдения требуют, как правило, непрерывных или квазинепрерывных измерений. Для этого использовались однотипные по конструкции и научной аппаратуре спутники, выведенные на близкие орбиты последовательно с интервалом примерно в полгода. Запуск очередного спутника осуществлялся до окончания расчетного срока пребывания в космосе предыдущего В результате в течение некоторого периода они находились на одинаковых высотах в районе одних и тех же широт. В это время проводилась калибровка их аппаратуры и результаты измерений «сшивались» между собой. Таким образом, была получена возможность вести опыт без перерывов в течение длительного срока, организовать своего рода патруль космической погоды.

На борту спутников устанавливался измерительный комплекс, который состоял из круговой счетчиковой установки и ионизационной камеры. Первый прибор представляет собой систему газоразрядных счетчиков. Центральный счетчик располагается по оси вольфрамового цилиндрического фильтра толщиной 8 мм. Вокруг него, плотно прикасаясь друг к другу и к внешней поверхности цилиндра, размещаются 12 внешних счетчиков, окруженных дюралюминиевым 2-миллиметровым экраном. Каждый внешний счетчик образует с центральным телескопом 12 двойных совпадений, регистрирующих частицы, прошедшие 8 мм вольфрама.

Центральный и каждая пара внешних счетчиков, нити которых расположены в одной диаметральной плоскости, образуют шесть телескопов тройных совпадений, регистрирующих частицы, прошедшие 16 мм вольфрама.

При взаимодействии первичных частиц с веществом вольфрамового фильтра в последнем могут возникать ливни. Генерированные при этом вторичные частицы будут регистрироваться всеми датчиками прибора. Для учета ливневых случаев в круговой установке выделяются пять внешних и центральный счетчик, образующие вместе систему шестерных совпадений.

Ионизационная камера является всенаправленным детектором. Ее важное свойство как датчика - стабильность параметров в течение нескольких лет непрерывной эксплуатации. Газоразрядные и сцинтилляционные счетчики не обладают такими свойствами. Камера изготовлялась из стали толщиной 0,04 см. Объем ее 3 тыс. см³ заполнен аргоном высокой очистки под давлением 8 ат. Собирающий электрод в виде стержня со стальным шариком, расположенным в центре камеры, укреплялся в ее горловине на изоляторе.

Прибор 1К60 для исследования космических лучей, установленный на «Космосе-19» и «Космосе-25»

Прием телеметрических сигналов с борта спутников производился в полосе геомагнитных широт 39°-26° и в интервале высот 250-520 км.

В данном эксперименте земное магнитное поле использовалось в качестве спектроанализатора магнитной жесткости с тем, чтобы получить данные о временном распределении интенсивности и ионизирующей способности космических лучей в некоторых интервалах энергетического спектра и их связи с различными гео- и гелиофизическими явлениями.

Смысл такого патрульного поиска заключается в ожидании благоприятного стечения обстоятельств, когда природная лаборатория сама предоставит какое-то интересное явление, которое трудно смоделировать на Земле.

Интересовал, например вопрос, от чего зависят изменения среднего ядерного состава космического излучения. Предполагалось, что могут быть такие моменты, когда Солнце выбрасывает преимущественно тяжелые ядра. Естественно, это должно было создавать своеобразную электромагнитную обстановку в околоземном и межпланетном пространстве. Подтвердить правильность теоретического предположения удалось, когда патрульный поиск обогатился таким случайным событием. Причем одновременно эти же явления наблюдались на одном из спутников «Космос», оснащенном черенковскими счетчиками.

Схема расположения счетчиков CTC-5 в приборе 1К60

Исследования, выполненные на спутниках «Космос», позволили обнаружить 11-летние изменения ядерного состава космического излучения. Результат оказался неожиданным. Анализ большого количества измерений показал увеличение среднего ядерного состава в годы минимума солнечной активности. По-видимому, это объясняется существованием на границе Солнечной системы и межзвездной среды переходной области, плотность которой меняется в зависимости от солнечной деятельности. В годы максимума плотность возрастает. Ядра космического излучения галактического происхождения трансформируются в плотной среде и в Солнечную систему приходят уже в значительно меньшем количестве, чем в годы минимума солнечной активности.

Сферическая ионизационная камера, установленная на «Космосе-19» и «Космосе-25» для исследования вариаций зарядового состава космических лучей в зависимости от состояния солнечной активности

Измерения, выполненные на спутниках «Космос», стали существенным дополнением к тем исследованиям космических лучей, которые осуществляются наземными методами. В Якутии находится, например, самая мощная в Советском Союзе установка регистрации наиболее энергичных частиц космических лучей. Ее эффективная площадь свыше 20 км2. Однако наземные приборы регистрируют частицы в основном сравнительно высоких энергий. С выведением приборов в космос и организацией патрульной службы представилась возможность исследовать частицы вплоть до самых малых энергий. Осуществляя непрерывное слежение за космическими лучами во всем диапазоне энергий, ученые решают проблему комплексным методом.

На ряде «Космосов» устанавливалась аппаратура для измерения потоков электронов различных энергий. Такой эксперимент проводился, в частности, на спутнике «Космос-225». С его помощью исследовался поток электронов в составе космического излучения на высотах больше 200 км. Данные измерений показали существование избыточного фона электронов, подтверждая тем самым результаты, полученные в более ранних опытах, в частности, на спутниках «Протон». В полете исследовались также потоки различных ядер в период, близкий к максимуму солнечной активности. Были получены данные об относительных потоках различных групп ядер и вариациях этих потоков.

Одним из средств анализа космических лучей может служить определение заряда и энергии частиц по их отклонению в магнитном поле. Но для этого необходимы достаточно сильные и протяженные магнитные поля. На борту искусственных спутников Земли и автоматических межпланетных станций они могут быть получены с помощью сверхпроводящих соленоидов.

Явление сверхпроводимости заключается, как известно, в том, что электрическое сопротивление некоторых материалов при охлаждении их ниже определенной, так называемой критической температуры практически исчезает. Сверхпроводящие свойства проявляются только при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. Применяемые сейчас в практике сверхпроводящие устройства охлаждаются в специальных сосудах - криостатах - жидким гелием. Криостаты действуют по тому же принципу, что и обычные термосы, только требования к термоизоляции в них гораздо выше. Наружная стенка сосуда дополнительно охлаждается жидким азотом.

Создание таких устройств сопряжено с некоторыми техническими трудностями, особенно если помещенные в них сверхпроводники обладают большими размерами. В наземных условиях такие трудности вполне преодолимы, в космическом полете они возрастают.

Впервые два небольших сверхпроводящих устройства с полем около 15 тыс. Э, охлаждаемые гелием в закритическом состоянии, т. е. при температуре выше точки его кипения и повышенном давлении, были установлены на искусственном спутнике «Космос-140». Ток в оболочку соленоидов включался на Земле до запуска спутника. Оба устройства успешно выдержали активный участок траектории. Магнитное поле в них существовало около 10 час. Причиной «срыва» поля послужил быстрый нагрев системы при создании искусственной силы тяжести в результате вращения спутника. Эксперимент дал возможность получить интересную информацию и позволил сделать важные выводы для дальнейшего использования в космических полетах сверхпроводящих устройств.

На спутнике «Космос-213» исследования проводились уже со значительно более сложным устройством. Оно состояло из двух соленоидов, расположенных соосно, между ними имелся зазор с магнитным полем объемом около 1,5 л. Напряженность поля достигала примерно 20 тыс. Э. Такое поле уже можно использовать для анализа состава первичных космических лучей, в частности для разделения электронов и позитронов по их отклонению в магнитном поле. Криостат особого устройства позволил в начале полета применить двухфазовую систему, содержащую как жидкий, так и газообразный гелий.

Опыт подтвердил возможность сохранения низких, гелиевых температур в условиях космического полета, а следовательно, и применение различных сверхпроводящих систем на борту космических аппаратов.

Дальнейшее совершенствование криогенной техники, и в частности разработка экранно-вакуумных криостатов, а также новых сверхпроводящих материалов позволит уже в ближайшее время построить магнитные системы больших объемов с напряженностью до 100 тыс. Э. Предназначенные для работы в условиях космического полета, они, несомненно, станут мощным инструментом научных исследований.

Новые перспективы в изучении космических лучей из удаленных областей Вселенной открывает зародившаяся сравнительно недавно гамма-астрономия. Если говорить о гамма-лучах с энергиями, большими 50 МэВ, то они могут генерироваться только космическими лучами. Поэтому измерение интенсивности, спектрального и пространственного распределения таких гамма-лучей может дать незаменимую информацию о космических лучах, осо-бенно если учесть, что гамма-излучение распространяется прямолинейно и практически без потерь на огромные расстояния вплоть до фотометрического радиуса Вселенной.

Первые 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». Полученная информация позволила установить верхний предел потока гамма-квантов. Такие 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.

На искусственном спутнике Земли «Космос-264», запущенном в 1969 г., впервые работал гамма-телескоп с трековой искровой камерой, регистрировавшей кванты с энергией больше 100 МэВ. Орбита спутника была почти круговой, с высотой 270 км, наклоном 70° и периодом обращения 89,7 минут. Угол между осью телескопа и направлением в зенит равнялся 57", так что в аппаратуру прибора не попадали гамма-кванты вторичного атмосферного происхождения. За двое суток работы было получено около 9 тыс. стереофотографий событий.

По измеренным углам треков частиц в искровой камере были вычислены небесные координаты областей, из которых исходили зарегистрированные частицы. Были построены две карты просмотренного участка неба: гамма-карта и фоновая карта. Выявлены четыре участка, в которых наблюдалось превышение гамма-квантов над фоновыми событиями. Вероятность случайного появления всех четырех событий меньше одной тысячной, так что по крайней мере некоторые из избытков, обусловлены дискретными источниками. Два из этих четырех участков перекрываются участками избытков, обнаруженными на высотных аэростатах позднее Дж. Фраем (1972).

Независимое наблюдение избытков в двух разных работах дает основание считать, что здесь обнаружены источники космических гамма-квантов. В 1972 г. Фрай обнаружил источник в созвездии Весов. На спутнике «Космос-264» в 1969 г., а также в наблюдениях Фрая, выполненных тогда же, этот источник зарегистрирован не был. Это дает основание сделать предварительное заключение, что интенсивность источников гамма-излучения меняется со временем.

Исследованная область неба интересна тем, что расположена в районе полюса Галактики, где источниками гамма-квантов могут быть скорее всего внегалактические объекты. Однако квадраты избыточного гамма-излучения слишком велики для надежного отождествления гамма-источника с уже известными астрофизическими объектами.

ИССЛЕДОВАНИЯ АННИГИЛЯЦИОННОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

В 1932 г. гипотеза Дирака получила подтверждение. В космических лучах был обнаружен позитрон, т. е. антиэлектрон - первичная античастица. А спустя 20 лет на ускорителях были открыты антипротоны и антинейтроны. Затем на ускорителях удалось наблюдать большую группу нестабильных частиц - антигиперонов. В частности, одца из таких частиц - так называемая антисигма-минус-гиперон - была открыта на синхрофазотроне в Дубне.

Все эти частицы относятся к классу элементарных. Между тем из теоретических представлений следует, что наряду с элементарными античастицами должны существовать составные системы - антиядра, состоящие из антипротонов и антинейтронов. Более того, атому каждого химического элемента таблицы Менделеева могут соответствовать атомы антиэлементов, состоящие из антиядер и позитронов (вместо электронов). Таким образом, наряду с любым химическим соединением, состоящим из атомов обычного вещества, может существовать аналогичное химическое соединение, построенное из атомов антивещества.

Такая высокая степень симметрии по отношению к частицам и античастицам позволяет предполагать, что она распространяется на всю Вселенную. Иными словами, во Вселенной могут существовать участки, состоящие из антивещества. Они отличаются от обычного вещества только тем, что вместо электронной оболочки обычных атомов в антиатомах имеется позитронная оболочка, а вместо атомных ядер - соответствующие антиядра. Проблема симметрии Вселённой по отношению к веществу и антивеществу обсуждается в научной литературе в той или иной форме на протяжении ряда лет. Однако до сих пор не существует экспериментальных и наблюдательных данных, которые сколько-нибудь определенно подтверждали бы или опровергали наличие этой симметрии.

При рассмотрении симметричной Вселенной возникает вопрос о масштабе разделения вещества и антивещества. Представлены ли поровну звезды и антизвезды в галактиках, или антивещественной является каждая вторая галактика, или масштаб разделения еще какой-то иной.

В 1960 г. академик Б. П. Константинов выдвинул гипотезу о возможном обмене между звездными системами макроскопическими телами типа астероидов или метеоров из вещества и антивещества. Антиастероид, попавший в Солнечную систему, должен вести себя существенно отличным образом по сравнению с обычными астероидами. Возможно, именно такими телами из антивещества являются кометы, поведение которых резко отличается от поведения других небесных тел. Непосредственным следствием такого предположения может служить то, что метеорные потоки, образующиеся в результате распада комет, должны состоять из мелких метеорных антител.

Существует несколько возможных экспериментальных путей проверки гипотезы об антивещественной природе комет и метеорных потоков. Большинство из них связано с обеспечением определенных условий для наблюдений при пересечении Землей метеорного потока. В 1961- 1964 гг. были проведены поиски и изучение корреляции между интенсивностью жестких гамма-квантов и нейтронов на высотах 12-18 км и моментом вхождения в атмосферу отдельных метеоров. Обнаруженный в этих экспериментах положительный эффект мог рассматриваться как факт, свидетельствующий в пользу гипотезы симметричной Вселенной.

Характерная особенность взаимодействия частицы с античастицей заключается в том, что при столкновении их друг с другом они могут «исчезнуть», т. е. аннигилировать с выделением большого количества энергии, превратиться в частицы меньшей массы. Так, позитрон и электрон, столкнувшись, могут превратиться в два или три гамма-кванта, а антипротон и протон - в несколько мезонов, которые затем либо поглощаются веществом, либо распадаются. Взаимное уничтожение частиц и античастиц происходит до тех пор, пока один из ее компонентов или оба при равной массе полиостью не «выгорят».

Одним из возможных путей проверки гипотезы об антивещественной природе метеорных потоков могут быть наблюдения интегральных потоков аннигиляционных излучений, которые должны возникать в верхних слоях атмосферы Земли при «сгорании» антиметеоров. При этом на аннигиляцию одного антинуклона будет приходиться 1,5-2 гамма-кванта с энергией 0,511 МэВ, которые будут выходить из атмосферы и могут наблюдаться на орбите искусственного спутника Земли.

Поскольку выход энергии па единицу массы антиметеора значительно выше, чем для обычного метеора, то следует полагать, что масса антиметеора должна быть очень мала. Экспериментальные оценки определяют ее величиной порядка 10^-9-10^-10 г. Общая же масса вещества, вносимого потоком антиметеоров в атмосферу Земли за сутки, составляет 0,01 - 1 г. Аннигиляция такого количества антивещества должна создавать на орбите спутника Земли средний поток гамма-квантов с энергией 0,511 МэВ, равный 0,03-3 см^-2 с^-1.

Наблюдения за интенсивностью аннигиляционного гамма-излучения с энергией 0,511 МэВ проводились на спутнике «Космос-135» в периоды ежегодных метеорных потоков Геминиды, Урсиды и Квадрантиды в зиму 1966/67 г. Измерялись интенсивность линии 0,511 МэВ, интенсивность электронов с энергией, большей 1,5 МэВ, и протонов с энергией, большей 27 МэВ.

При исследовании излучений в космическом пространстве получение спектральных характеристик является одной из наиболее важных задач. Во многих случаях она решается разделением энергетического диапазона детектора на несколько каналов при помощи пороговых дискриминаторов. Таким методом был получен ряд важных результатов, однако для детального исследования спектрального состава излучения он непригоден. Применяется также кодирование тем или иным способом амплитуды каждого сигнала и передача этого кода на Землю для последующего анализа непосредственно или с промежуточной записью в бортовых запоминающих устройствах. Этот метод, однако, не является универсальным и зачастую не может быть использован из-за очень высоких требований к быстродействию запоминающих устройств и телеметрии. Наиболее рациональным является применение на борту космического аппарата многоканального анализатора, имеющего собственный «быстрый» блок памяти. Обработанная информация из него наиболее приемлемым способом может быть передана в запоминающее устройство или непосредственно в телеметрический канал. Этот метод и был применен на спутнике «Космос-135».

Измерения проводились при помощи сцинтилляционного гамма-спектрометра с 64-канальным амплитудным анализатором. Выносной детектор гамма-лучей обладал практически изотропной чувствительностью. Измерения гамма-спектров велись периодически раз в 10 мин. Время набора информации равнялось 2 мин. По данным каждого отдельного измерения гамма-спектра определялась интенсивность гамма-излучения.. Счет гамма-квантов и счет заряженных частиц проводился каждые 2 мин. При больших загрузках вместо счета импульсов измерялось время заполнения емкости накопителей регистрирующих устройств.

Измерения спектров и интенсивности излучения равномерно охватывали поверхность Земли от 49° с. ш. до 49° ю. ш., но для анализа использовались измерения только в тех областях пространства, где отсутствовала захваченная радиация, и подавляющая часть гамма-активности, наведенной в радиационных зонах, уже успевала распасться. При этом терялась некоторая доля информации, но ошибки, связанные с введением поправок на переменный во времени фон наведенной активности, сводились к минимуму.

При обработке полученной информации в первую очередь рассматривалась относительная интенсивность аннигиляционной линии в спектре гамма-лучей. Поскольку ее доля слабо зависит от геомагнитной широты, то было допущено суммирование результатов отдельных измерений, выполненных на разных широтах. Определение средней относительной интенсивности линии 0,511 МэВ в спектре гамма-лучей проводилось, таким образом, с более высокой точностью, чем в случае одиночного измерения.

В зависимости от результатов все наблюдения были разбиты по времени на три периода: 13-18 декабря и 19-25 декабря 1966 г., 2-12 января и несколько дней февраля 1967 г. Интенсивность потоков аннигиляционного излучения по наблюдениям на первый период оказалась примерно в 1,5 раза выше, чем во второй, и цочти в 2 раза выше, чем в третий периоды. При этом более высокое значение аннигиляционного излучения для измерений 19-25 декабря по сравнению с данными для января в основном определялись высокой интенсивностью линии 0,511 МэВ, наблюдаемой 22 декабря.

В противоположность временному ходу интенсивности гамма-излучение в линии 0,511 МэВ, потоки гамма-лучей в сплошном спектре и интенсивность заряженных частиц не претерпевали существенных временных вариаций.

Таким образом, в эксперименте на «Космосе-135» наблюдался временной ход интенсивности электрон-позитронного аниигиляционного излучения. Эффект составлял примерно 50%.

Сравнение результатов измерений с данными по солнечной и геомагнитной активности и космическим лучам в период наблюдений показало, что периоды с 10 по 20 декабря 1966 г. и с 1 по 15 января 1967 г., которые резко отличаются друг от друга по наблюдаемой интенсивности гамма-квантов с энергией 0,511 МэВ, по солнечной и геомагнитной активности очень сходны. Поэтому нельзя говорить о какой-либо прямой взаимосвязи наблюдаемого эффекта и солнечной активности. В пользу этого свидетельствует также тот факт, что повышенная интенсивность аннигиляционной линии в спектре гамма-лучей в равной мере наблюдалась как днем, так и ночью на всех геомагнитных широтах.

Если же обратиться к распределению метеорной активности в эти периоды, то оказывается, что повышение интенсивности аннигияяционного излучения наблюдается именно во время действия метеорных потоков Геминиды и Урсиды. Причем максимум для потока Урсиды приходится как раз на 22 декабря, когда наблюдалась наибольшая интенсивность линии 0,511 МэВ для второго периода.

Таким образом, если исходить из предположений об антивещественной природе метеорных потоков, то наблюдавшийся эффект может быть объяснен потоком антивещества, вносимого в атмосферу Земли. Величина наблюдаемого эффекта оценивается примерно в 20 мг в сутки.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Дальнейшее развитие космических исследований, особенно исследований с помощью аппаратов дальнего действия, требует создания радиосистем, способных обеспечить надежную связь на любых расстояниях от Земли до межпланетной станции. Эта задача может быть решена двумя способами: либо созданием мощных антенных систем на наземных пунктах, либо существенным повышением стабильности частоты, а следовательно, и сужением полосы излучения задающих генераторов бортовых передатчиков

Применяемые до настоящего времени кварцевые генераторы имеют сравнительно невысокую стабильность. Кроме того, они подвержены старению, вызывающему дрейф и значительное смещение частоты. По сравнению с ними молекулярные генераторы не отличаются большой мощностью, но их стабильность намного превышает стабильность лучших кварцевых генераторов, благодаря чему во много раз повышается чувствительность приемной аппаратуры.

Использование молекулярных генераторов в бортовой аппаратуре космических станций позволит не только осуществлять управление спутниками и передачу телеметрической информации на очень больших расстояниях от Земли, но и значительно повысит точность работы программно-временных устройств и систем определения траектории движения космического аппарата.

Для использования в качестве высокостабильного бортового генератора частоты более всего подходят квантовые генераторы на аммиаке. Они устойчивы к вибрациям, компактны и долговечны. Именно такие генераторы, работающие на двух встречных пучках молекул, устанавливались на ряде спутников «Космос».

Для проведения экспериментов использовалась модификация унифицированного спутника с солнечными батареями. Молекулярный генератор устанавливался на внешней поверхности корпуса спутника. Он закрывался кожухом с двойными стенками, имеющими отверстия, площадь которых обеспечивала необходимую скорость удаления аммиака в космическое пространство. Отверстия на двух стенках были смещены так, чтобы предотвратить попадание в молекулярный генератор космических частиц и излучений Солнца. Кожух служил также основанием для приемной и передающей антенн.

«Космос-97» с молекулярным генератором на борту

Электрическая связь молекулярного генератора с источниками питания, обслуживающей аппаратурой, а также приборами научной аппаратуры, размещенными внутри корпуса, осуществлялась через герметичные штепсельные разъемы, установленные на специальные фланцы.

Эксперимент на спутнике требует прежде всего возможности измерения номинального значения стабильности частоты в полете. Для этого необходимо осуществлять ее сравнение с наземным эталоном частоты. В опытах на «Космосах» в качестве наземного эталона использовались три одинаковых, независимо работающих молекулярных генератора, имеющих ту же конструкцию и тот же режим работы, что и бортовой генератор. Изменение частоты любого из наземных генераторов могло быть точно определено относительно двух других.

При передаче на наземную станцию частота бортового генератора будет значительно смещена вследствие эффекта Доплера. Для устранения этого недостатка был разработан и успешно применен метод автоматической компенсации эффекта Доплера при двусторонней радиосвязи между наземной станцией и спутником.

Молекулярный генератор, установленный на спутнике «Космос-97» Баллон с жидким аммиаком, термостатом, натекателем и дистанционно управляемым краном выпуска аммиака. Запас аммиака обеспечивал непрерывную работу молекулярного генератора в течение четырех месяцев

Генератор стабильно работал на разных высотах над Землей, внутри и вне радиационного пояса, при освещении спутника Солнцем и в тени Земли. Таким образом, была экспериментально подтверждена возможность работы квантовых стандартов частоты в условиях естественного вакуума, невесомости и других факторов космического полета. Полученные данные позволили сделать выводы, необходимые для дальнейшей конструктивной разработки бортовых молекулярных генераторов с целью создания промышленных образцов широкого применения.

С помощью спутников «Космос» впервые была осуществлена и автоматическая стыковка двух космических аппаратов на орбите. Сначала она была выполнена спутниками «Космос-186» и «Космос-188», а затем успешно повторена спутниками «Космос-212» и «Космос-213». Основной целью этих экспериментов была проверка научных идей и конструкторских решений автоматической стыковки двух космических аппаратов.

Решение проблемы стыковки кораблей на орбите - одно из важнейших достижений космической техники последних, лет. Известно, что выведение только 1 кг груза на орбиту искусственного спутника требует около 50 кг начального веса ракеты-носителя. Отсюда можно представить, какой вес должна иметь на старте ракета для осуществления полета человека к планетам Солнечной системы. Он будет исчисляться сотнями тысяч тонн. Такие ракеты-носители являются уникальными конструкциями, требующими сложной поэтапной отработки в наземных и летных условиях. Для их запуска необходимы колоссальные стартовые сооружения.

Значительно экономичнее монтировать межпланетные корабли, необходимые для полета человека к планетам Солнечной системы, из отдельных составных частей, доставляемых на орбиту сравнительно маломощными ракетами-носителями .

Трудно представить экспедиции к планетам Солнечной системы без стыковки не только около Земли, но и около самой планеты. Программы таких экспедиций будут, по-видимому, предусматривать создание базы-станции на орбите вокруг планеты. С этой базы будут совершать полеты на поверхность планеты как автоматические зонды, так и космические корабли с экипажами, которые после выполнения программы исследований станут возвращаться на орбитальную базу. С этой же базы корабли с космонавтами будут стартовать к Земле. Все эти операции связаны с выполнением сближения и стыковки космических аппаратов.

Завтрашний день космонавтики - создание больших орбитальных научных станций с длительным временем существования. Такие станции также будут создаваться из отдельных блоков путем их сборки на орбите. Необходимо будет обеспечить бесперебойное снабжение станций, пополнение запасов топлива, смену агрегатов и аппаратуры с помощью транспортных кораблей. И эти операции, конечно, потребуют многократного выполнения сближения и стыковки в космосе.

Стыковка может осуществляться с участием человека или полностью автоматически. Конечно, участие человека значительно облегчает решение поставленной задачи, но оно требует обеспечения условий для нормальной жизнедеятельности людей, их безопасности и возвращения на Землю. А это в свою очередь вызывает либо увеличение веса космического аппарата, либо уменьшение его полезной нагрузки.

Спутники «Космос-186» и «Космос-188» осуществили первую в истории космонавтики автоматическую стыковку на орбите

Для обеспечения автоматического поиска, сближения и стыковки на каждом из «Космосов», участвовавшем в эксперименте, устанавливалось специальное оборудование: аппаратура системы ориентации и автоматического управления движением; двигательная установка многократного действия для коррекции орбиты и сближения; двигатели малой тяги для ориентации и причаливания; аппаратура управления стыковкой и стыковочные узлы. На одном из спутников был стыковочный узел активного - типа - штанга, а на другом - узел пассивного типа - приемный конус.

Автоматическая стыковка проводилась следующим образом. После выведения обоих спутников на орбиту выполнялся взаимный поиск с помощью радиосистемы наведения, которая обеспечивала измерение параметров относительного движения спутников - расстояния между ними, скорости изменения расстояния, угловой скорости, линии визирования, т. е. прямой, соединяющей центры масс спутников, углов между линией визирования и конструктивными осями спутников. При сближении спутников до расстояния около 300 м включалась сближающе-корректирующая двигательная установка. Далее сближение осуществлялось с помощью системы двигателей малой тяги. При этом достигалась небольшая относительная скорость движения спутников при встрече (0,5- 1 м/с) и тем самым обеспечивалась безопасность стыковки.

«Космос-186» и «Космос-188» совершали полет в состыкованном состоянии 3 часа 30 мин., а «Космос-212» и «Космос-213» - 3 часа 50 мин. При этом проводился контроль бортовых систем и электрических цепей спутников. Затем по команде с Земли была проведена расстыковка. После расстыковки спутники продолжали полет по заданной программе.

Эксперименты по автоматической стыковке, успешно выполненные на спутниках серии «Космос», открыли широкие перспективы создания сложных космических систем и в первую очередь многоцелевых орбитальных станций.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

В 1957 г. в Советском Союзе был запущен искусственный спутник Земли, на борту которого находился специальный контейнер с подопытным животным - собакой Лайкой. Так началось всестороннее изучение биологического воздействия космической радиации и других экстремальных условий космоса на живой организм.

С 1960 г. проводилась серия экспериментов с животными на кораблях-спутниках, оборудованных всем необходимым для полетов человека.

С началом полетов космонавтов и с повышением сложности задач, поставленных при полетах в космическое пространство, потребовались предварительные глубокие физиологические исследования в условиях реального космического полета, направленные прежде всего на изучение функционального состояния живого организма. Такие исследования призваны были способствовать созданию систем и средств, повышающих устойчивость организма, находящегося в условиях космического полета.

Решение этой проблемы связано с проникновением в наиболее тонкие механизмы работы различных физиологических систем и потребовало применения сложных методов исследований, которые могут быть выполнены только на высокоорганизованных животных. Наибольший интерес при этом представляет работа сердца и всего аппарата кровообращения в космическом полете.

Изучению некоторых из этих вопросов был посвящен, в частности, медико-биологический эксперимент, проведенный на спутнике «Космос-110». На борту спутника находились собаки Ветерок и Уголек и различные биологические объекты: личинки дрозофил, размещенные в специальной популяционной камере, растение традесканция с бутонами в контейнере, лизогенные бактерии, сухие семена ряда культур, хлорелла на различных питательных средах, образцы сывороток крови животных и др.

В отличие от ранее проводимых исследований спутник с животными на протяжении 22 суток находился в зонах с повышенной радиацией. При этом большая часть поглощенной дозы была обусловлена излучением радиационного пояса Земли.

Другая отличительная особенность эксперимента - применение сложных физиологических методик, связанных с вживлением зондов и электродов, искусственным питанием животных, а также применением различных фармакохимических противолучевых средств.

Исследованиям подвергся Уголек, а Ветерок был контрольным объектом. На каждой собаке укреплялся набор индивидуальных дозиметров. Наблюдение за их состоянием проводилось путем передачи информации по высокоопросной радиотелеметрической и телевизионной системам. Собаки получали пастообразную пищу, размещенную в специальных контейнерах. В состав'пищи входили мясо, мука, картофель, витамины и другие компоненты, а также вода. Команды на подачу пищи поступали из командного устройства по программе, установленной на Земле и при необходимости корректируемой в полете.

Наряду с биологическими объектами на спутнике был размещен комплекс аппаратуры для физических исследований: контейнеры с интегрирующими дозиметрами (термолюминесцентными стеклами, фотодозиметры) и ядерными эмульсиями и блоки для определения мер защиты биологических объектов от космических излучений.

В результате эксперимента был получен ценный материал о влиянии на организм животных длительного пребывания в невесомости в условиях повышенного радиационного излучения.

Еще более сложный медико-биологический эксперимент был поставлен на спутнике «Космос-605». Основная его цель - получение сведений о механизме действия длительной невесомости на процессы развития организмов на тканевом и клеточном уровне. Это в свою очередь должно помочь ближе подойти к пониманию механизмов функциональных сдвигов, наблюдаемых при космических полетах человека. В качестве подопытных животных использовались крысы и черепахи. На борту находились также насекомые, микроорганизмы, грибы. Все они помещались в отдельных небольших камерах и контейнерах, обеспечивающих необходимые условия обитания.

Одновременно с полетом спутника проводился синхронный контрольный эксперимент на Земле. Для этого использовали макет спускаемого аппарата с действующей аппаратурой, полностью соответствующей полетным образцам. В нем были размещены контрольные партии биообъектов. Данные телеметрической информации, получаемой со спутника, вводились в специальные системы, которые воспроизводили режимы работы соответствующих систем в полете.

Все это позволило смоделировать для контрольных животных условия, аналогичные полетным, кроме невесомости. В результате получены материалы для сравнительного анализа и дифференцированного изучения влияния невесомости.

Физиологические эксперименты дали возможность сравнить реакцию животных различного уровня организации на действие невесомости. Использование большого количества особей позволило получить статистически достоверный материал.

Исследования проводились по таким основным направлениям, как поведение и высшая нервная деятельность, структурные и биохимические характеристики различных отделов головного и спинного мозга, обменные процессы на всех уровнях, брались под наблюдение эндокринные железы, лимфоидные органы, кровь и процессы кроветворения, сердечно-сосудистая система, опорно-двигательный аппарат.

Регистрация динамики уровня двигательной активности животных в полете показала, что их поведение в условиях длительной невесомости было достаточно активным. Выяснилось, однако, что длительная невесомость заметно влияет на ход обменных процессов. Так, при послеполетном обследовании животных обнаружились: уменьшение потребления кислорода на 10-20%; снижение температуры тела, угнетение процессов окислительного фосфорилирования в скелетных мышцах; изменение активности некоторых ферментов в тканях сердца, скелетных мышцах, печени, почках и железах внутренней секреции; некоторые признаки нарушения жирового обмена.

В результате химического анализа установлено, что общее содержание в теле животных солей существенно не изменилось. Вместе с тем в условиях невесомости, по-видимому, произошло перераспределение солей. На это, в частности, указывает снижение механической прочности костей в среднем на 25%.

Впервые в космической биологии на спутнике «Космос-605» проведен эксперимент с несовершенными грибами, которые не нуждаются для своего развития в фотосинтезе, и в то же время у них отчетливо выражен геотропизм, т. е. влияние силы земного тяготения на процессы развития. Результаты четко показали, насколько сильно невесомость может влиять на развитие растений. Так, у грибов, выросших в условиях невесомости, гораздо хуже развиты опорные ткани, зато грибница по площади превышает «земную».

Наряду с экспериментами на биологических объектах проводились исследования, направленные на решение задач обеспечения радиационной безопасности экипажей и оборудования при длительных полетах. Главным здесь было экспериментальное изучение нового перспективного вида радиационной защиты от воздействия заряженных частиц - электростатической. Она основана на создании и поддержании около защищаемых отсеков электростатического поля, которое отклоняет потоки заряженных частиц и снижает уровень радиации внутри защищаемого объема до допустимых пределов.

Измерения свидетельствуют о высоком качестве космического вакуума как изолятора в электростатической защите даже на высотах 200-400 км, несмотря на большое количество здесь нейтральных и заряженных частиц. Кроме того, впервые экспериментально подтверждена возможность автономного функционирования электростатической защиты в радиационных поясах Земли.

Можно с уверенностью сказать, что проведенные на спутниках «Космос» эксперименты внесли значительный вклад в космическую биологию.

Спутники «Космос» завоевали прочное место в арсенале средств исследований космического пространства, последовательно проводимых в Советском Союзе. Благодаря систематическим запускам аппаратов этой серии эксперименты в космическом пространстве, еще несколько лет назад потрясавшие наше воображение, сегодня представля-ются обычными научными исследованиями, приближающимися к лабораторным. Взаимно дополняя друг друга, они обогащают наши знания об окружающем мире.

Несомненно, что в самое ближайшее время мы станем свидетелями новых успехов в изучении и освоении космоса, которые будут служить науке и человеку.

ЛИТЕРАТУРА

Альперт Я. Л. Исследование ионосферы. - «Вестник АН СССР», 1968, № 4, с. 55-60.

Афонин В. В., Вреус Т. К., Гдалевич Г. Л. и др. Краткий обзор результатов, проведенных в ионосфере на спутнике «Космос-2».- В кн.: Исследования космического пространства. М., «Наука», 1965, с. 151.

Басов Н. Г., Борисенко М. И., Власов В. П. и др. Опыт работы молекулярного генератора на искусственном спутнике Земли.- «Космические исследования», 1967, т. V, вып. 4, с. 608.

Вернов С. Н., Нестеров В. Е. и др. Исследования внешнего радиационного пояса Земли на малых высотах при полете кораблей-спутников и ИСЗ «Космос» с 1960 по 1963 г.- В кн.: Исследования космического пространства. М., «Наука», 1965, с. 151.

Городецкий А. К., Касаткин А. М., Розенберг Г. В. и др. Научная программа и комплекс научной аппаратуры ИСЗ «Космос-149». - «Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана», 1969, т. V, № 3.

Грингауз К. И. Температура нейтральных и заряженных частиц в ионосфере и магнитосфере (результаты измерений на ракетах и спутниках). - «Успехи физических наук», 1967, № 2, с. 92, 107.

Долгинов Ш. Ш., Пушков Н. В. Исследования магнитных полей Земли и планет.- В кн.: Успехи СССР в исследовании космического пространства. М., «Наука», 1968, с. 173-249.

Дуднин В. Е., Ковалев Е. Е., Новикова Н. Р. и др. Измерение спектров протонов и нейтронов на спутниках серии «Космос». - «Космические исследования», 1968, т. VI, вып. 6, с. 887.

Злотин Г. Н., Лютенко В. Ф., Скрябин Н. Г. и др. Опыт измерения космических лучей на патрульных искусственных спутниках Земли. - «Космические исследования», 1968, т. VI, вып. 1, с. 88-99.

Маров М. Я. О динамическом характере плотности атмосферы на высотах 200-300 км. - В кн.: Исследования космического пространства. М., «Наука», 1965, с. 41-47.

Маров М. Я. Изучение плотности верхней атмосферы по торможению ИСЗ. - «Вестник АН СССР», 1967, № 1.

Розенберг Г. В., Малкевич М. С, Касаткин А. М., Зайцев Ю. И. Космическая стрела исследует атмосферу. - «Природа», 1967, № 9, с. 69.

Тихонравов М. К., Раушенбах В. В., Скуридин Г. А., Вайсберг О. Л. Основные итоги космического десятилетия. - В кн.: Успехи СССР в исследовании космического пространства. М., «Наука», 1968.

Шафер Ю. Г., Ярыгин А. В. Патрульный регистратор космического излучения. - «Геомагнетизм и аэрономия», 1968, № 1, с. 163- 166.

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие 3
Устройство спутников «Космос» 5
Бортовая служебная аппаратура 26
Особенности метеорологического спутника 34
Испытания спутника 37
Программа спутников «Космос» 45
Исследования нижней атмосферы 47
Исследования структуры и вариаций верхней атмосферы 55
Исследования ионосферы 63
Исследования радиации на малых высотах 74
Изучение корпускулярного излучения 78
Исследования коротковолнового излучения Солнца 80
Исследования метеорного вещества 97
Измерение магнитного поля Земли 100
Телескопы в космосе 105
Изучение космических лучей 113
Исследования аннигиляциониого гамма-излуче ния 121
Технические эксперименты 126
Биологические эксперименты 131
Литература 136