«Техника-молодежи» 1977 №4, с.16-21

О некоторых из наиболее интересных научных исследований, выполненных за последние годы на спутниках и пилотируемых космических аппаратах, рассказывает в своем «космическом репортаже» с Земли наш специальный корреспондент ВИТАЛИЙ ВАСИЛЬЕВ.

1. Звездные миры «докладывают»...

При проведении астрономических наблюдений с Земли (даже если забраться высоко в горы) существенная часть полезной информации не доходит до наблюдателя, а рентгеновские и гамма-лучи полностью выпадают из поля его зрения. Излучения с длиной волны менее 3 тыс. ангстрем практически целиком поглощаются озоном, молекулами и атомами кислорода, азота. А ведь именно эта часть спектра электромагнитных излучений чрезвычайно информативна при изучении динамических процессов во вселенной; объектов, находящихся в начальной и конечной стадиях эволюции; явлений, протекающих в центрах галактик; нейтронных звезд и «черных дыр». В этом диапазоне наше Солнце передает ценнейшую информацию о событиях, происходящих в хромосфере и короне, о характере и причинах своей активности. А все эти процессы оказывают не вызывающее сомнений первостепенное влияние на нашу земную жизнь.

Регистрация коротковолнового излучения занимает важное место в современных космических экспериментах. 24 июня 1971 года в космос был запущен очередной орбитальный труженик «Космос-428». На его борту находилось оборудование, предназначенное для исследования источников рентгеновского излучения с энергией квантов более 40 кэв.

Ученые, с интересом и нетерпением ожидавшие «доклада» со спутника, не обманулись в своих ожиданиях. Эксперименты, выполненные на ИСЗ «Космос-428», позволили астрофизикам приступить к изучению нового, ранее неизвестного класса переменных источников, излучающих в рентгеновском диапазоне. Рассказывает руководитель работ кандидат физико-математических наук А. Млиоранский:

— Открытые советскими учеными источники характеризуются весьма своеобразным «поведением» излучения. Сначала наблюдается крутой всплеск излучения, а затем — постепенный спад. В ходе эксперимента было зарегистрировано примерно 40 подобных событий. На карте звездного неба такие вспышки, как правило, «привязаны» к спокойным слабосветящимся рентгеновским источникам. В чередовании вспышек какой-либо строгой закономерности подметить не удалось. В отличие от основной массы дискретных рентгеновских источников, тяготеющих к плоскости Галактики, эти более или менее равномерно рассеяны в некотором сфероиде. Ряд таких источников входит в состав шаровых звездных скоплений, и излучение их каким-то образом связано с процессами, происходящими в центральных областях скоплений.

При знакомстве с новым классом источников рентгеновского излучения поражает количество энергии, выделяемой при вспышке. Так, один из источников, характеристика которого представлена на рисунке (стр. 17, справа), выделил при вспышке (только в рентгеновском диапазоне) всего за одну секунду энергии больше, чем полное энерговыделение нашего Солнца за целый год! Теоретическая астрофизика говорит, что подобные явления, вероятнее всего, могут происходить вблизи сверхмассивных «черных дыр» или нейтронных звезд с очень сильными магнитными полями.

Регистрацией рентгеновского излучения активно занимались Петр Климук и Виталий Севастьянов во время их шестидесятитрехсуточного полета на орбитальной станции «Салют-4». В частности, они работали с телескопом «Филин», предназначенным для изучения дискретных рентгеновских источников, излучающих в диапазоне энергий 0,2— 10 кэв. В состав оборудования входили детекторы квантов, солнечный и лунный датчики, звездные фотометры, блок питания, газопроточная система для поддержания постоянного давления в счетчиках частиц. «Филин» работал в трех режимах: ориентации в местный зенит, наведении на наблюдаемый источник и в режиме обзора неба.

Космонавтам удалось зарегистрировать несколько десятков рентгеновских источников, в том числе — весьма любопытный источник «Лебедь-Х-1». На небосводе, рассказывает участник экспериментов Е. Москаленко, он идентифицируется со слабой звездочкой светимостью 13-й звездной величины. Проведенные наблюдения позволили ученым предположить, что они имеют дело с двойной системой, состоящей из звезды и «черной дыры». Звезда постепенно «теряет в весе» за счет того, что ее вещество втягивается в «черную дыру». Закручиваясь в диск, вещество это разогревается до температуры порядка миллиарда градусов. В таком состоянии оно и испускает рентгеновские лучи.

В эксперименте с использованием телескопа «Филин» на фоне уже известной картины, характерной для излучения источника, наблюдались короткие, повторяющиеся всплески, когда поток увеличивался иногда в 20 раз. Характер импульсов показывает, что излучающая плазма в сотни раз холоднее обычного, а кванты на пути к телескопу проходят через значительно большую толщу вещества. Можно предположить, что в глубине диска возле «черной дыры» образуются и распадаются какие-то «холодные» сгустки плазмы. Верна ли эта гипотеза, или в основе явления лежит иная физическая реальность, покажет будущее. Несомненно одно: накапливаемый материал представляет для астрофизиков огромный интерес.

2. Венера: знакомая незнакомка

В октябре 1975 года советские автоматические станции «Венера-9» и «Венера-10» впервые в истории космических исследований вышли на орбиты искусственных спутников Венеры. Спускаемые аппараты станций совершили мягкую посадку на поверхность планеты и передали ее первые изображения. В результате проведения комплексной программы разнообразных экспериментов ученые смогли поближе познакомиться с нашей соседкой по солнечной системе. В числе наиболее важных данных, переданных советскими аппаратами, следует назвать информацию о свойствах ее облачного покрова, о тепловом излучении планеты, строении ее атмосферы и поверхности, о характеристиках плазмы в окружающем пространстве.

Облачный покров, плотным одеялом укутавший Венеру, не позволяет рассмотреть с Земли ее поверхность даже в самые мощные телескопы. Но на поверку оказалось, что плотность покрова не столь уж велика — не больше, чем у обычного земного тумана. Видимость в нем достигает нескольких километров. А непроницаемость для земных телескопов объясняется большой (возможно, в несколько десятков километров) толщиной покрова.

Ранее считалось, что на поверхности этой планеты вечно царят мрачные сумерки. И хотя «Венера-8» зарегистрировала довольно высокую освещенность на утренней стороне, все же спускаемые аппараты «Венеры-9» и «Венеры-10» были оснащены прожекторами, чтобы съемка велась по всем правилам кинематографического искусства. Но и без подсветки прожекторами на поверхности Венеры в принципе можно получать вполне приличные телевизионные изображения. Освещенность в районе посадок оказалась примерно такой же, как на Земле в пасмурный день. Исследователей удивили очень четкие тени от каменных глыб, чего при рассеянном свете ожидать трудно. Может быть, сыграл роль случайный просвет в облаках?

Над основным облачным покровом был обнаружен еще один тонкий слой пока неизвестной природы, простирающийся вверх примерно на десять километров. Он активно рассеивает ультрафиолетовые лучи и легко пропускает все остальные, а потому и наблюдать его можно только в ультрафиолетовом диапазоне. Присутствие этого слоя и объясняет казавшееся ранее загадочным чередование светлых и темных полос и пятен на изображениях Венеры, сделанных в ультрафиолетовых лучах.

О химическом составе облачного покрова Венеры высказывались самые разные предположения: вода (по аналогии с Землей), силикатные частицы, формальдегид, плавиковая, серная и соляная кислоты и т. д. При полете станций «Венера-9» и «Венера-10» была замерена температура верхней кромки облаков. Оказалось, что условия здесь соответствуют точке замерзания... серной кислоты 75-процентной концентрации.

 

	Слева — схема рентгеновского телескопа-спектрометра «Филин»; внизу — характеристика излучения рентгеновского источника в созвездии «Лебедь»; справа — характеристика рентгеновской вспышки, зарегистрированной ИСЗ «Космос-428» 24 июня 1971 года. Цикл вспышки — около 6 с. Красная вертикальная линия подчеркивает резкий скачок интенсивности излучения источника.

Картина обтекания небесных тел «солнечным ветром».

Радиационные измерения показали, что поток теплового излучения у Венеры меньше, чем у Земли, а ведь поверхность нашей «соседки» разогрета почти до 500°С. Еще парадокс: температура ночной стороны этой загадочной планеты на 10— 12° выше, чем дневной. Разгадка, видимо, в том, что тепло излучает лишь один сравнительно тонкий верхний слой облачного покрова.

Днем вследствие разогрева облака «вспухают», и этот верхний излучающий слой оказывается в более холодной среде.

Поведение плазмы в межпланетном пространстве, ее взаимодействие с небесными телами представляют серьезный интерес с точки зрения как фундаментальных, так и прикладных исследований. Ведь «солнечный ветер» (поток плазмы, идущий от Солнца) — одно из важных передаточных звеньев в цепочке солнечно-земных связей. При изучении взаимодействия «солнечного ветра» с планетами, говорит руководитель одного из экспериментов кандидат физико-математических наук О. Вайсберг, прежде всего интересуют такие вопросы, как природа «препятствия», встающего на пути плазменного потока; характер взаимодействия потока и «препятствия», энерго- и массообмен между ними; условия образования ударной волны и т. д.

Наиболее простой случай — это взаимодействие «солнечного ветра» с Луной, которая не имеет ни собственного магнитного поля, ни сколь-нибудь ощутимой атмосферы. Тут плазма, попадающая непосредственно на лунную поверхность, просто нейтрализуется и поглощается. Ударной волны не возникает, а за Луной образуется корпускулярная конусообразная тень.

Взаимодействие потока с телом, имеющим, подобно Земле, сильное магнитное поле, изучено достаточно хорошо, и мы не будем на нем останавливаться. А вот если собственное магнитное поле планеты не столь велико, чтобы воспрепятствовать плазме вступить в прямой контакт с атмосферой, — что тогда? Роль «препятствия» в этом случае будет играть ионосфера и нейтральная атмосфера. Поток плазмы, не поглощаясь целиком, вынужден совершать «огибающий маневр». Такую любопытную картину и удалось наблюдать на Венере. По-видимому, здесь может возникать индуцированное магнитное поле как следствие воздействия «солнечного ветра» на ионосферу планеты. Одно из свидетельств тому — обнаружение специфического пограничного слоя в тени Венеры. Слой этот представляет собой четко выраженный поток плазмы с весьма малыми скоростями и температурами частиц. Есть предположение, что пограничный слой заполнен плазмой ионосферы, которая увлекается набегающим «солнечным ветром».

Все рассказанное — лишь малая часть любопытнейшей информации, переданной на землю станциями «Венера-9» и «Венера-10» и их спускаемыми аппаратами.

3. Получите посылку!

18 августа 1976 года автоматическая станция «Луна-24» совершила посадку в юго-восточной части Моря Кризисов. После прохождения обязательных «таможенных процедур» с Земли поступила команда: «Начать бурение!» Буровое устройство на новой станции обеспечивало проникновение на глубину двух метров с отбором образцов породы по всей длине скважины. Напомним, что ранее с Луны доставлялись образцы грунта длиной до 350 мм. Теперь же в возвращаемом аппарате тех же габаритов предстояло разместить двухметровый образец, да при этом сохранить естественный характер залегания пород. Задача не из простых! Всю работу бурильной установка пришлось строить на абсолютно новых принципах.

На станции установили направляющие, по которым перемещалась буровая головка, приводящая в движение буровую штангу. Внутри штанги располагалась гибкая трубка грунтоноса, в которую и «упаковывался» грунт. Процессу «упаковки» помогали эластичные ленты, двигавшиеся внутри грунтоноса снизу вверх. По окончании бурения грунтонос с образцом намотали на барабан и поместили в капсулу возвращаемого аппарата.

И вот ценнейшая посылка уже доставлена на Землю. Но прежде чем вскрыть ее, поясним, почему местом для забора грунта было выбрано именно Море Кризисов. Если посмотреть на карту Луны, то окажется, что точки бурения образуют цепочку, протянувшуюся юга на север: от Моря Изобилия («Луна-16») через материковый район («Луна-20») к Морю Кризисов («Луна-24»). Комплексная программ работ советских автоматов позволяет накапливать экспериментальный материал по различным характерным районам лунной поверхности, дающий возможность выявлять общие закономерности строения Луны как небесного тела, а в дальнейшем приложить эти закономерности к решению многих проблем «земных» наук — геофизики, геохимии, геологии и др.

Море Кризисов, как рассказал кандидат химических наук Ю. Стахеев, — это глубокая впадина (ее дно расположено на 5 км ниже среднего уровня), около трех миллиардов лет тому назад заполнившаяся изливавшимися базальтами. На образцах, взятых в этом районе, должны остаться «следы» тех процессов, что происходили на поздних этапах магматической стадии эволюции Луны. Кроме того, с Морем Кризисов связана одна из наиболее волнующих загадок Селены. В его центре располагается маскон — гравитационная аномалия, вызванная локальной концентрацией массы. Физическая природа масконов пока не выяснена. По одной из версий это гигантские метеориты, погрузившиеся в недра. По другой (сегодня наиболее , популярной) — концентрация тяжелого вещества, возникшая в результате каких-то специфических процессов собственной эволюции Луны.

Рентгенограмма грунтоноса с лунным грунтом (слева); участок колонки лунного грунта на лотке (справа вверху); намотанный на барабан грунтонос, извлеченный из капсулы возвращаемого аппарата (справа).

Что нового скажет нам по этому поводу посылка, доставленная возвращаемым аппаратом «Луны-24»?

Все манипуляции с образцом производились в камере, заполненной гелием. Извлеченный из капсулы грунтонос уложили на тарелку со спиральным желобом и провели рентгеновское просвечивание. Грунт серо-коричневый с небольшими вариациями в оттенках. Он светлее образца, доставленного «Луной-16», но темнее того, что получен «Луной-20». Слоистость образца (по цветовым оттенкам), вероятно, объясняется различным временем нахождения пород у поверхности. По составу вещества грунт нельзя отнести в чистом виде ни к морскому, ни к материковому: несколько процентов типичных базальтов, малое содержание анортозитовых пород, а больше всего в процентном отношении пород магматических типа Габро. Присутствует металлическое железо, распределенное слоями (всего по длине образца насчитали 15 слоев)... Дальнейшие исследования доставленного на Землю лунного грунта дадут новую пищу для размышлений. Можно предположить, что в руки ученых попал образец породы глубинного, подбазальтового слоя, которая была выброшена на поверхность при образовании окрестных кратеров (таких, как Фаренгейт или Пикар-Х). А возможен и вовсе экзотический вариант: вдруг это вещество маскона? Вот было бы любопытно!

4. Рукотворные полярные сияния

Управляемые эксперименты в космосе, связанные с активным воздействием на среду, — это новое и весьма перспективное направление в исследованиях физических условий и процессов в космическом пространстве. А околоземная среда может служить отличной естественной лабораторией, работа в которой позволит решить многие фундаментальные проблемы науки и принесет ощутимейшую практическую пользу. Таково мнение директора Института космических исследований АН СССР академика Р. Сагдеева.

Магнитосфера Земли захватывает солнечную плазму и удерживает ее. Физическая картина в известном смысле сходна с поведением плазмы в магнитных ловушках. Научившись удерживать плазму, ученые сделают крупнейший шаг к овладению управляемым термоядерным синтезом, то есть к созданию фундамента энергетики будущего.

Слева — блок приборов и оборудования на французской ракете «Эридан». Цифрами обозначены: 1, 2, 11 — спектрометры электронов высокой энергии, 3 — электронная пушка инжектора, 4 — магнитная система отклонения пучка, 5 — высоковольтный трансформатор, 6, 8 — датчики потенциала тела ракеты, 7 — аккумуляторная батарея, 9 — источник цезиевой плазмы, 10 — спектрометр электронов низкой энергии, 12 — антенна телеметрии. Справа — схема проведения эксперимента «Аракс».

Обдувающий Землю «солнечный ветер», взаимодействуя с магнитосферой и атмосферой, оказывает первостепенное влияние на ход многих процессов на нашей планете, в частности на формирование и развитие глобальных метеорологических явлений.

Возможно, активные космические эксперименты помогут в будущем решить задачу создания систем по управлению погодой и земным климатом.

Каковы же пути и способы воздействия на космическую среду? Их несколько. В первую очередь следует назвать создание искусственных потоков электронов и ионов, использование ускорителей высокотемпературной плазмы, формирование плазменных облаков, генерацию радиоизлучений на частотах, характерных для плазменных процессов, протекающих в космосе, и т. д. Уже сегодня активные методы позволяют изучать движение плазмы в магнитосфере и динамику ее входа в плотные слои атмосферы, исследовать полярные сияния, магнитные бури и другие интереснейшие явления.

В 1975 году советскими учеными совместно со специалистами Франции был проведен эксперимент «Аракс», суть которого заключалась в инжекции электронной струи и изучении динамики движения заряженных частиц в магнитном поле Земли. Для отработки методики эксперимента, выбора типа ускорителя электронов, отлаживания наземного измерительного комплекса ранее были проведены эксперименты «Зарница-1» и «Фейерверк», во время которых электронные пучки выстреливались на высотах 110 и 160 км.

Программа «Аракс» связала воедино два района земного шара, удаленные друг от друга на тысячи километров: Архангельскую область в СССР и французский остров Кергелен, расположенный в Индийском океане (примерно 50° южной широты и 70° восточной долготы). Два эти района магнитно-сопряженные, то есть расположены на одной и той же магнитной силовой линии. Расчет был такой, что плазма, выброшенная ускорителем в районе острова Кергелен, распространится вдоль силовой линии на север и в районе Архангельской области, входя в плотные слои атмосферы, проявит себя как «возмутитель спокойствия» среды. Частично же плазма, отразившись в северном полушарии, должна вернуться к месту старта.

Эксперимент проводили в два этапа. Дважды взмывали в небо французские ракеты «Эридан» с научной аппаратурой на борту. На ракетах устанавливали электронные пушки — ускорители электронной плазмы. Расположенные в Архангельской области пункты наблюдения были оснащены телевизионной, фотометрической и радиоаппаратурой. В работе принял участие и самолет-лаборатория с оптическими приборами на борту. Связь между пунктами проведения эксперимента велась через Москву и Париж.

Собрано огромное количество весьма ценной и интересной информации, обработку которой кропотливо ведут специалисты обеих стран. Еще один, и, пожалуй, не менее важный итог — это наглядная демонстрация высокой эффективности содружества ученых разных стран в решении сложных научных задач.

5. Земля! Улыбнитесь, пожалуйста!

Космонавт-2 Герман Титов работал в космосе с репортерской камерой «Конвас», делая первые снимки Земли из космического пространства. Думал ли он, что с его легкой руки начнет свое развитие очень важное направление научной и практической деятельности — космическое землеведение?

Сегодня мы расскажем об одном из последних экспериментов в этой области. Специалисты СССР и ГДР совместно спроектировали и изготовили фотосистему для исследования Земли из космоса, всесторонние испытания которой и были основой эксперимента «Радуга» на корабле «Союз-22».

Многоспектралыная фотокамера МКФ-6 снабжена шестью объективами, расположенными по три в ряд. Таким образом, съемка может осуществляться в шести зонах спектра: четырех видимых и двух инфракрасных. Это обеспечивает добротную работу при совместном разностороннем анализе полученных изображений. Размер каждого кадра 55X80 мм (при съемке с высоты 250-260 км охватывается площадь около 19 тыс. км²).

Корабль мчится по орбите с огромной скоростью, поэтому изображение может оказаться размытым — это знакомо любому фотолюбителю, снимающему движущиеся объекты. Так вот, для получения резких изображений в космической фотосистеме предусмотрена система для компенсации сдвига: во время экспозиции «глаза» камеры нацелены в одну и ту же точку земной поверхности. При съемке с высоты от 200 до 400 км разрешение ,на местности достигает 10-20 м.

За один оборот корабля вокруг Земли проекция орбиты на земную поверхность смещается на 4° к западу. Это позволяет снимать один и тот же участок под разными углами и получать в конечном счете объемные изображения.

Съемки, сделанные при полете корабля «Союз-22», имеют огромное практическое значение. Специалисты получили богатейшую информацию.

Фотография Памира, синтезированная из изображений в зонах спектра 480, 680, 820 нм. Вверху — многоспектральная фотокамера МКФ-6. Цифрами обозначены: 1 — контакт для подвода электроэнергии, 2 — несущая рама, 3 — установка диафрагмы, 4 — впечатывание в кадр дополнительной информации, 5 — затвор камеры, 6 — светофильтр, 7 — объектив, 8 — система компенсации сдвига изображения, 9 — кассета, 10 — ось вращения камеры.