«Земля и Вселенная» 2003 №6, сс. 21-25

Компьютерная модель структуры гелиоцентрического кольца частиц космической пыли, синхронно вращающегося с Землей (внизу — в более крупном масштабе). Яркими цветами показана наиболее высокая плотность пылевых частиц.

В нашей стране исследования метеороидов с геофизических ракет и ИСЗ начаты в 1954 г. Первый эксперимент по изучению метеорного вещества проведен 28 ноября 1970 г. на ракете "Вертикаль". В космосе экспонировался образец из полированной меди, вернувшийся на Землю со следами ударов метеорных тел. После этого метеорное вещество регулярно исследуется с помощью космических средств.

Частицы космической пыли характеризуются физическими и динамическими параметрами (масса, плотность, скорость, направление полета) и химическим составом. Первым и наиболее простым методом исследования частиц с помощью КА было использование микрофонных и пенетрационных детекторов космической пыли. Микрофонные детекторы регистрировали удары частиц об экспонируемые пластины или солнечные панели. Так определялась интенсивность потока частиц по трассе полета спутника. В пенетрационных детекторах частица, попадая на мишень, пробивает фольгу, закрывающую ячейку с газом. Давление газа уменьшается, что позволяет регистрировать событие. По скорости истечения газа можно судить о величине отверстия и о кинетической энергии частицы. Пенетрационные детекторы использовались на АМС "Пионер-10 и -11", спутниках "Pegasus" (запущены в 1965 г.) и других КА. Позднее физико-динамические параметры частицы определялись пенетрационными детекторами конденсаторного типа, в которых частица ионизует газовую среду конденсатора. Такие детекторы устанавливались на некоторых ИСЗ серии "Космос" и пилотируемых орбитальных станциях "Салют" и "Мир" для контроля метеорной обстановки на трассах их полетов.

Следующий шаг в исследовании космической пыли — сбор частиц в коллекторы, покрытые силиконовой смазкой. Такой способ, возможный только для частиц со скоростью менее 7 км/с, успешно применялся на высотных самолетах, аэростатах и спутниках. При более высокой скорости происходит полное разрушение частицы. Коллекторы различались в основном собирающей поверхностью. Среди других современных разработок для сбора космической пыли — ячейки захвата. Например, на ОС "Салют-7" использовалась сложная структура ячеек захвата, разработанная авторами статьи совместно с французскими специалистами (Земля и Вселенная, 1984, № 3). Прибор КМП (коллектор метеорной пыли) состоял из четырех кассет, заполненных ячейками, которые укреплялись на корпусе станции снаружи. Команды на открытие и закрытие кассет подавались космонавтами во время полета. Ячейки монтировались в кассету в стерильных условиях, чтобы избежать загрязнения земной пылью. Перед установкой покрытие ячеек тщательно изучалось под микроскопом. Каждая кассета состояла из 144 маленьких ячеек площадью ~ 2 см², сделанных из чистейшего материала — 99.99% золота или никеля и закрытых с двух сторон тончайшей майларовой пленкой с золотым покрытием. Прибор содержал 576 ячеек захвата. Три кассеты были открыты в космосе в течение 6 суток, чтобы уловить частицы из потока, связанного только с кометой Джакобини-Циннера. Четвертая кассета улавливала частицы более 20 суток, пока в нее не попали частицы из кометы Галлея. По величине и количеству образовавшихся пробоев в покрытиях определяли скорость потока и оценивали массу частиц, а по элементам, оставшимся на стенках ячеек, устанавливали химический состав частиц.

Динамика состояния околоземного пространства на высотах 400 км и 800 км, где присутствует "космический мусор". Данные рассчитаны до 2300 г.

Другой метод захвата космической пыли используется на американской АМС "Стардаст" (запущена 7 февраля 1999 г.). При пролете около кометы Вильда-2 в 2004 г. запланирован сбор частиц комы (Земля и Вселенная, 1999, № 3). В качестве ловушки для сбора пылевых частиц на трассе полета используется аэрогель (инертная микропористая субстанция на кремниевой основе с низкой плотностью -0.02 г/с³), которая позволяет захватывать высокоскоростные частицы с минимальными физическими и химическими изменениями. Аэрогель экспонируется в космосе и укладывается в кассету для образцов после пролета кометы. Капсула с образцами вернется на Землю в 2006 г.

Кометы, содержащие много летучих материалов, формируются в условиях низких температур на окраинах Солнечной системы. Их изучение представляет особый интерес для понимания ранней истории планет. Поэтому запуски к кометам планируют осуществить и другие страны. Например, целью миссии "Розетта" (ESA) определены встреча с кометой и пролет вблизи двух астероидов (Земля и Вселенная, 2002, № 4). Программа изменилась, поскольку запуск АМС перенесен. В этом проекте впервые запланирована посадка аппарата на поверхность кометы для исследования процессов дегазации пыли и газа. На орбитальный и посадочный аппараты АМС "Розетта" установлены приборы для определения скорости и других характеристик пылевых частиц.

Вид из дальнего космоса на Землю, окруженную облаком "космического мусора" и функционирующими спутниками. Изображение построено с помощью компьютерного моделирования (декабрь 1990 г.). На верхнем рисунке показаны геосинхронные орбиты, на которых техногенные осколки и спутники могут существовать в течение тысяч лет; на нижнем — орбиты высотой до 2000 км.

а) Прибор КМП для сбора космической пыли в собранном виде,
б) одна из кассет прибора. Фото ГЕОХИ им. В.И. Вернадского.

В настоящее время планы исследования космической пыли связаны не только с окрестностью Земли, но и других планет. Например, японский проект "Planet-B" (запуск запланирован на 2008 г.) по изучению Марса рассчитан на обнаружение в околомарсианском пространстве пылевого кольца вокруг Фобоса и Деймоса. На АМС будет установлен пылеударный счетчик.

Сегодня на КА наиболее часто используются ударные ионизационные детекторы, предназначенные для исследования физико-динамических параметров метеороидов. Принцип действия этих приборов основан на регистрации электронов и ионов, образовавшихся в результате соударения пылевых частиц с поверхностью мишени. Собранный заряд зависит от кинетической энергии частицы. На величину заряда также влияет геометрия удара — под каким углом к поверхности мишени движется частица. Скорость частицы определяется по времени нарастания зарядового импульса. По величине энергии и скорости можно оценить массу частицы. Один из приборов такого типа — АФДП (анализатор физико-динамических параметров) — был создан в ГЕОХИ им. В.И. Вернадского и установлен на АМС, запущенной 16 ноября 1996 г. по проекту "Марс-96' (Земля и Вселенная, 1996, № 4).

Комета Веста на расстоянии примерно 1 а.е. от Земли. Видны голова кометы и несколько ее хвостов. В начале марта 1976 г. она пролетела на расстоянии всего 0.8а.е. от Земли. Находясь на наименьшем расстоянии от Солнца, комета раскололась на четыре фрагмента.

В последние годы созданы приборы, определяющие физико-динамические характеристики и химический состав космических пылевых частиц. Это достигается комбинацией детекторов ударно-ионизационного типа с времяпролетными масс-спектрометрами, в которых анализируется ионный состав газоплазменного облака, образовавшегося при ударе пылевой частицы о мишень. Приборы такого типа необходимы при изучении характеристик и динамики движения частиц космогенного и техногенного происхождения в околоземном космическом пространстве.

Заметим, что изучение потоков космических пылевых частиц имеет научное и прикладное значение, так как частицы воздействуют не только на поверхность нашей планеты, но и на космические аппараты. Поэтому изучение космической пыли очень важно для обеспечения безопасности полетов ИСЗ, особенно пилотируемых кораблей и станций.

Прибор АФДП для определения физико-динамических характеристик пылевых частиц, состоящий из двух ионизационных детекторов и электронного блока. Проект "Марс-96". Фото ГЕОХИ им. В.И. Вернадского.		Недавно созданный масс-спектрометр. Он предназначен для определения физико-динамических характеристик и химического состава пылевых частиц. Площадь мишени — около 250 см2. Эффективность сбора ионов (~ 80%) не зависит от места удара частицы о мишень. Это позволяет изучать метеорное вещество вблизи Земли, несмотря на малую пространственную плотность пылевых частиц. Фото ГЕОХИ им. В.И. Вернадского.