"Техника-молодежи" 1978 г №5 с.21-23

Ни в одном астрономическом ежегоднике мира вы не найдете упоминаний о солнечных затмениях 1975 года. В этом году их просто не было. И тем не менее современная космонавтика внесла свои коррективы. Во время совместного полета космических кораблей «Союз» и «Аполлон» в июле 1975 года космонавты Алексей Леонов и Валерий Кубасов вместе с астронавтами Томасом Стаффордом, Вэнсом Брандом и Дональдом Слейтоном провели один из основных советско-американских экспериментов «Искусственное солнечное затмение». Это первое солнечное затмение, сотворенное человеком.

Эксперимент и методика его проведения были предложены советскими учеными Геннадием Никольским и Анатолием Симоновым. О том, как готовился и проводился эксперимент и какие результаты были получены, рассказывает один из его авторов — А. Симонов.

Советско-американская программа ЭПАС вызвала огромный интерес в научном мире: представлялась возможность провести научные исследования во время совместного полета двух космических кораблей. Организаторы программы получили много интересных предложений от ученых разных стран мира. Советско-американской комиссией было отобрано пять совместных экспериментов, один из которых назывался «Искусственное солнечное затмение».

Эксперимент заключался в следующем: корабль «Аполлон» создавал искусственное солнечное затмение, а с борта корабля «Союз» производилась фотосъемка внешней короны и «атмосферы» вокруг «Аполлона» во время затмения. Но этим не исчерпывались задачи эксперимента. Он был прежде всего проверкой новых методов исследования: возможности моделирования солнечных затмений в условиях орбитального полета и взаимного влияния двух объектов исследования — солнечной короны и собственной атмосферы затеняющего космического аппарата.

Для чего нужно изучать солнечное затмение?

Корона представляет собой самые внешние, чрезвычайно разреженные слои солнечной атмосферы и практически состоит из полностью ионизованной водородной плазмы — протонов и электронов с температурой 1-2 млн. градусов. Содержание других элементов

не превосходит 10%. По сути дела, солнечная корона — это непрерывный поток вещества, исходящий от Солнца, или, как его называют, солнечный ветер, простирающийся далеко за пределы орбиты Земли.

В короне формируются частицы высокой энергии и электромагнитное излучение. В видимой области спектра она обнаруживает себя в виде слабого свечения, которое представляет собой солнечный свет, рассеянный на электронах коро-нальной плазмы (протоны рассеивают свет слабее).

Собственное излучение короны из-за высокой температуры приходится на невидимую область спектра, в основном на коротковолновую.

Яркость ее в миллион раз слабее солнечного диска, и увидеть ее с Земли можно лишь во время полного солнечного затмения, когда яркость неба уменьшается в десятки тысяч раз. Именно это счастливое обстоятельство позволило обнаружить солнечную корону еще в глубокой древности. Однако ее физическая природа начала выясняться только в последние десятилетия.

Для чего же еще искусственные?

Полное солнечное затмение исключительно редкое явление. В одном и том же географическом пункте оно наблюдается в среднем один раз в 200-300 лет и чаще всего в течение одной-двух минут. За всю историю инструментальных наблюдений полных солнечных затмений суммарное время этих наблюдений не превосходит и двух часов. Однако даже за столь малое время были сделаны важнейшие открытия и в астрофизике, и в геофизике. Правда, теперь корону можно изучать и вне затмения, например, в коротковолновом диапазоне с борта ракет и спутников. И тем не менее по целому ряду причин получить полную и надежную информацию только такими методами нельзя. Единственный способ внезатменных наблюдений солнечной короны в видимой области спектра — создание искусственного солнечного затмения. Этот принцип положен в основу так называемых внезатменных коронографов, где искусственное затмение реализуется в самом приборе: изображение солнечного диска закрывается непрозрачным экраном. На Земле из-за высокой яркости атмосферного фона наблюдать корону с помощью коронографов удается только у самого края солнечного диска.

Сравнительно недавно (в 1964 году) появились более совершенные внезатменные коронографы, но и эти приборы ненамного расширяют возможности исследований. Даже на космической станции «Скайлэб» при помощи такого коронографа можно было наблюдать корону только в пределах 1° от края солнечного диска. Недостаток всех коронографов — наличие хроматической аберрации объектива, так как для уменьшения светорассеяния они делаются однолинзовыми. Поэтому затмение получается только в узком спектральном диапазоне.

На двух кадрах — два лица ауры. При солнечном затмении создаются исключительно благоприятные условия для наблюдений: невидимое становится видимым. Фантастическая картина вверху — вид «Аполлона» при срабатывании реактивных двигателей системы управления. Выхлопные струи двигателей становятся видимыми из-за рассеяния солнечного света на продуктах сгорания топлива. Внизу — относительно спокойная «атмосфера», окружающая «Аполлон». На снимке видны треки, образованные движением крупных «кометных» частиц. По длине треков можно судить о скорости движения частиц, а по яркости — об их размерах. Яркая точка в середине левой части кадра — планета Меркурий. Четкая узкая полоска, окаймляющая искусственную Луну, — дифрагированный на краях «Аполлона» свет. Внешняя солнечная корона на обоих кадрах имеет вид слабого диффузного свечения. Между кадрами — автографы участников эксперимента «Искусственное солнечное затмение». Фотография публикуется впервые.

Таким образом, коронограф может применяться лишь для исследований самых внутренних частей короны.

В эксперименте же «Искусственное солнечное затмение» можно создать условия для исследования внешней короны (на больших угловых расстояниях от солнечного диска). Во-первых, здесь нет мешающих наблюдениям подсветок от Земли и дифракции на краях искусственной Луны. А во-вторых, поскольку «Союз» находится в тени «Аполлона», то собственная атмосфера нашего корабля никак не влияет на наблюдения. В этих условиях ученые пользуются более простой и компактной аппаратурой, которая позволяет вести наблюдения во всем спектральном диапазоне, как будто это естественное солнечное затмение.

Собственная атмосфера космического аппарата

Другой объект исследования в эксперименте «Искусственное солнечное затмение» — собственная атмосфера космического аппарата, или, если хотите, аура. Что же представляет собой эта аура и почему она привлекает к себе внимание ученых?

С поверхности космического корабля, находящегося в условиях космического вакуума, происходит непрерывное испарение различных материалов. В первую очередь ее покидают адсорбированные на ней газы, вода и другие летучие вещества. Затем отрываются макроскопические образования — «пылинки» — как старожилы с Земли, так и вновь рождающиеся в результате разрушения покрытий. Процессу разрушения подвержены все материалы. Микрометеоритные частицы, космическая и солнечная радиация усугубляют этот процесс.

Продукты «износа» не сразу покидают окрестности корабля — сначала, они образуют вокруг него своеобразную атмосферу. Атмосфера непрерывно пополняется за счет неизбежных утечек кабинного газа через стенки и уплотнения, но особенно большой вклад в нее вносят выхлопные продукты реактивных двигателей.

При орбитальном полете на газопылевую атмосферу, создаваемую самим космическим аппаратом, воздействуют набегающий поток остаточной атмосферы Земли, давление солнечного света и солнечный ветер. В результате космический корабль становится похож на комету. И это не образное сравнение! Хотя космический аппарат окружен чрезвычайно разреженной атмосферой, все же она отличается от невозмущенной космической среды. А, как известно, плотность атмосферы кометы также ничтожно мала. Таким образом, наблюдения ведутся как бы «изнутри» кометы.

Материалы «атмосферы» изменяют физические характеристики окружающей среды и, следовательно, могут оказывать обратное воздействие на жизненно важные системы космического аппарата и даже искажать научную информацию. Поскольку ее основной объем получают с помощью оптических средств, очень важно исследовать именно оптические характеристики окружающей среды, изменяющиеся под влиянием собственной атмосферы космического аппарата (искажение светового сигнала, погрешности в показаниях приборов из-за осевшей на них «пыли»).

До сих пор речь шла лишь о вещественных возмущениях характеристик окружающей среды. Именно в этом смысле и употреблялось понятие «собственная атмосфера». В действительности же космический аппарат, как и любое космическое тело, изменяет всю совокупность физических параметров окружающей среды: и плазмы, и гравитационного, и электромагнитного, и радиационного полей. В результате возникает локальное нарушение «экологии», и появляются физические процессы, не свойственные невозмущенной космической среде. Поэтому переходную область между космическим аппаратом и невозмущенной средой можно рассматривать как некую физическую ауру, частным случаем которой и является собственная атмосфера корабля.

В эксперименте «Искусственное солнечное затмение» впервые представилась возможность увидеть лицо ауры — световой ореол вокруг одного из космических аппаратов.

Что может быть проще, чем делать затмения?

Идея эксперимента предельно проста. Но для его выполнения в условиях орбитального полета требовалась высокая точность техники пилотирования и согласованность действия экипажей обоих кораблей, а также четкая работа специалистов двух континентов.

Перед расстыковкой связку кораблей «Союз» — «Аполлон» ориентировали продольной осью на Солнце и в этом положении застабилизировали. В полдень по Всемирному времени разделили корабли, сохранив положения их осей в пространстве. Относительная скорость составляла примерно 1 м/с вдоль линии Солнце — корабли. Совершая поступательное перемещение по орбите, аппараты постепенно расходились вдоль этой линии. При этом «Аполлон» закрывал собой Солнце, создавая для наблюдателей на борту «Союза» условия искусственного солнечного затмения. Расхождение продолжалось до 220 м. На таком расстоянии для наблюдателей на корабле «Союз» угловые размеры искусственной Луны («Аполлон») лишь вдвое превосходили размеры солнечного диска. Затем перемещение кораблей вдоль линии Солнце — «Аполлон» — «Союз» было изменено на обратное для повторной стыковки.

Чтобы исключить засветку Землей рабочего иллюминатора «Союза» и видимой с него части «Аполлона» (искусственная Луна должна быть темной), эксперимент выполнялся на участке орбиты от восхода Солнца до пересечения кораблями плоскости терминатора (плоскости, проходящей через границу дня и ночи на Земле). На Земле в это время еще ночь, а для кораблей Солнце уже взошло. Схема и временная последовательность событий эксперимента показаны на рисунке.

За время искусственного солнечного затмения через иллюминатор корабля «Союз» автоматической фотокамерой проводилась фотосъемка солнечной короны и «атмосферы» вокруг корабля «Аполлон». Одновременно экипаж «Аполлона» делал киносъемку «Союза».

В то время, когда космонавты и астронавты, пролетая над Огненной Землей и Магеллановым проливом, создавали солнечное затмение, на Земле за их работой следили тысячи специалистов: из двух центров управления полетом, с командно-измерительных комплексов, с нескольких кораблей и самолетов, рассредоточенных по всему земному шару. В это же время на Эльбрусе группа астрофизиков проводила синхронные наблюдения Солнца.

Основные результаты

Условия солнечного затмения сохранялись не менее семи минут. В процессе эксперимента экспонировано более сотни кадров. Получено изображение внешней солнечной короны в виде слабого диффузного свечения. Практически на всех кадрах видны три астрономических объекта: планета Меркурий и звезды γ Близнецов и α Малого Пса. Хорошо заметно яркое узкое кольцо, окаймляющее «Аполлон», — это дифракция солнечного света на его крае. На всех кадрах видна собственная атмосфера корабля «Аполлон». Выхлопные струи прослеживаются до 50 м.

Под воздействием набегающего потока остаточной атмосферы Земли, давления солнечного света и «солнечного ветра» космический аппарат вместе со своей «атмосферой» приобретает вид кометы. Схема иллюстрирует условия наблюдения собственной атмосферы корабля «Аполлон» в эксперименте «Искусственное солнечное затмение». Корабль «Союз» находится в хвосте «кометы». Положение кораблей «Союз» и «Аполлон» на орбите при выполнении эксперимента «Искусственное солнечное затмение».

Таким образом, всего за несколько минут полетного времени получены уникальные данные по внешней солнечной короне и «атмосфере» вокруг космического аппарата. Фотометрически калиброванные фотоснимки — это не просто картинки. Они — отображение, своего рода фотодисплей огромного объема количественных данных и функциональных зависимостей.

Принципиально важным результатом эксперимента «Искусственное солнечное затмение» можно считать подтверждение эффективности нового метода исследования солнечной короны и атмосферы вокруг космического аппарата.