К истории открытия радиационных поясов земли

      Комментарии к записи К истории открытия радиационных поясов земли отключены

Оригинал записи: Шубин Павел @Shubinpavel сейчас в 08:24 https://geektimes.ru/post/283142/ Как мы знаем, уже первые запуски в космос дали нам открытие, поменявшее отечественное представление об окружающем мире. Обращение про радиационные пояса Почвы. В соответствии с распространенной теории, только благодаря первому американскому спутнику Explorer-I было сделано это открытие. Часть правды в этом имеется, но сама история, как это довольно часто и не редкость, намного сложнее.

В данной статье я попытаюсь ее раскрыть мало более детально. Это переработанный фрагмент мой книги о «Луне», которая, надеюсь, будет издана.

Значит, Explorer-I. Запуск 1 февраля 1958 года. Неспециализированная масса (вместе с последней ступенью) 14 кг. Они не разделялись.

Орбита 358 на 2550 км.

К истории открытия радиационных поясов земли

Считается, что именно при изучении его сигналов в первый раз обнаружился очень интересный факт: на определенной высоте регистрация заряженных частиц всецело прекращалась, прибор «не видел» кроме того космических лучей, присутствующих неизменно. Это было так необычно, что первоначально Джеймсу Ван Аллену (постановщику опыта) заявили, что его аппаратура очевидно отказала. Но он не сдался и выдвинул собственную догадку: уровень радиации на тех высотках, куда забирается спутник, так высок, что это ведет к перенасыщению датчика.

Explorer-I перед сборкой

Потом эта догадка подтвердилось. Именно это и было открытием радиационных поясов Почвы.

Фактически, в таковой формулировке все верно. Но имеется маленький нюанс. Если вы откроете какие конкретно или статьи, то, наверняка, не отыщете в том месте научных данных, переданных как раз этим спутником.

Ссылка будет на более поздние аппараты.

В чем же дело? Дабы оценить, как сложно было сделать это предположение, появлявшееся научным открытием, нужно осознавать, какие конкретно эти имелись в распоряжении группы исследователей, занимавшихся расчетами.

Explorer-I был мал. Само собой разумеется, это было тогда все, что имели возможность вывести США в космос, вместе с тем это означало, что на нем был весьма и весьма слабенький передатчик. В случае если сигналы с первого советского спутника легко принимали радиолюбители, то в Соединенных Штатах для примема сигналов было нужно строить стационарные посты совокупности Minitrack.

Внешний вид станций. Видно пара полей антенн

Помещение управления

Фрагмент антенны крупным планом

Размещение станций Minitrack. Не считая них, была еще одна станция в Австралии

Minitrack разрабатывалась для Авангарда, но употреблялась для приема данных как с Эксплорера, так и советских неестественных спутников Почвы.

Не обращая внимания на довольно высокий коэффициент усиления, взять сигнал со спутника было сложно. Магнитофона на первом Эксплорере не было, и это означало, что прием имел возможность осуществляться лишь на маленьком участке витков.

Для получения качественного сигнала нужно, дабы в момент прохождения таких участков наземная приемная станция пребывала довольно неподалеку, а сам спутник наряду с этим был удачно ориентирован. Само по себе такое совпадение всех условий в необходимый момент – уникальность, а к тому же, большинство сигналов тонула в посторонних шумах. В статье 1960 года прямо говорится, что большинство сигналов с «Эксплорера-1» не обработана и неясно, в то время, когда будет, да и будет ли обработана.

Добрая половина всех записей телеметрии имела рейтинг F. Всецело нечитабельные эти. Остальные были немногим лучше.

Но что прекрасно при наличии отработанной конструкции — возможно запустить еще.

На 5 марта 1958 года прописали запуск «Эксплорера-2», но он не удался: спутник на орбиту не вышел. 26 марта в космос послали «Эскплорер-3», и это был серьёзный ход вперед, кроме того не обращая внимания на то, что вышел он на не расчетную орбиту. Аппаратуру для изучения микрометеоров ученые сняли, а вместо нее установили миниатюрное запоминающее устройство для записи данных на протяжении всего витка.

А счетчики Гейгера закрыли железным страницей для понижения их чувствительности.

Explorer-III. В случае если сравнить с первым аппаратом возможно легко подметить лист для экранирования

Миниатюрный магнитофон Explorer-III

Сейчас возможно было получить данные о всей орбите при прохождении спутником перигея, в оптимальных условиях. Именно это стало причиной качественному прорыву, и по окончании изучения этих данных было сделано знаковое открытие.

Это случилось 2 апреля 1958 года. В данный сутки Ван Аллен выяснил, что первые эти с «Эксплорера-3» поступили в центр обработки NRL. Забрав такси до центра, он забрал в том месте распечатки данных, позже посмотрел в аптеку, дабы приобрести линейку и миллиметровую бумагу.

По окончании чего он заперся в гостинице.

«В 3 часа утра я упаковал графики и расчёты и отправился к себе с убеждением, что отечественные инструменты на обоих Explorers I и III трудились подобающим образом, но что мы встретили новый загадочный физический эффект», — по окончании вспоминал Ван Аллен.

Он еще не знал, что в тот же сутки в его лабораторию пришла аудиозапись данных, за которыми он ездил. Его сотрудники МакИлвейн, Рей и аспирант Джо Каспер сходу приступили к их анализу. И в то время, когда он возвратился, то заметил на своем стуле записку: «Космос радиоактивен!»

Та самая записка

Само собой разумеется, на эти как раз с Explorer-III Аллен позднее ссылался в собственных научных работах. И организовал первое описание радиационных поясов. В те времена в научной литературе «Эксплорер-1» и «Эксплорер-3» упоминались рядом, на данный момент же довольно часто говорят лишь о первом аппарате, не смотря на то, что главную работу в этом тандеме выполнил второй. Быть может, так поступают для простоты, а вероятно – для пущего результата: первый американский спутник сделал первое открытие, перевернувшее отечественное представление о космосе.

Звучит!

Первая запись показаний счетчика Гейгера на протяжении орбиты спутника «Эксплорер-3». Спад скорости счета заряженных частиц с нулевой по десятую 60 секунд обусловлен трансформацией интенсивности космических лучей с широтой, а ее постоянство с 15-й и по 20-ю и с 37-й по 80-ю 60 секунд — насыщением схемы регистрации его сигналов. Спад показаний до нуля с 20-й по 37-ю 60 секунд говорят о перегрузке счетчика интенсивными потоками заряженных частиц

1 мая 1958 года Ван Аллен выступил на совместном совещании Национальной Академии Физического общества и наук США, где озвучил собственную теорию. И не так долго осталось ждать она взяла веское подтверждение.

15 мая 1958 года ТАСС сказал, что на орбиту Почвы вышел «Спутник-3» массой 1327 кг. Но он впечатлял и без того. Громадная масса — более идеальные устройства. Эти «Спутника-3» с уверенностью подтвердили правоту Ван Алена и дали большое количество новой информации о радиационных поясах.

Но уже тогда началось формирование мифа об успехе американского «Эксплорера» и неудаче советских «Спутников». Вот что писал редактор издания «Таймс»:

«ни один из трех тяжелых русских спутников не передал сообщений об излучении Ван Аллена. Одно из объяснений пребывает в том, что русские перехитрили сами себя, отказавшись сказать внешнему миру, как необходимо трактовать сигналы с их спутников. Потому, что лишь нижние части орбит спутников проходили над советской территорией, русские ученые ни при каких обстоятельствах не получали данных с громадных высот. В случае если какой-то из советских спутников и имел запоминающее устройство, то оно не трудилось.

Второе предположение пребывает в том, что гейгеровские счетчики перегружались вблизи апогея излучением Ван Аллена и русские ученые не знали, как растолковать это необыкновенное поведение. Собака, запущенная на втором спутнике, погибла приблизительно спустя семь дней, но русские не сказали, было ли это позвано действием излучения. В полной мере быть может, что они этого не знали».

Но прочтя это замечание, Ван Аллен настойчиво попросил добавить следующие строчки:

«Я высказываю значительное несогласие с разделом статьи относительно неудач советских исследователей по обнаружению захваченного излучения. По моему представлению, отечественная работа со спутником «Эксплорер-1» вправду обеспечила главное открытие, и я сделал первое публичное сообщение на объединенной сессии Американского Национальной Академии и Физического Общества наук США 1 мая 1958 г. Двумя семь дней позднее был удачно запущен коммунистический «Спутник-3», и он обеспечил значительное подтверждение отечественных ранних результатов».

Казалось бы, на этом возможно ставить точку. Но не все так легко. Для этого достаточно отыскать в памяти, что за несколько месяцев до первого «Эксплорера» был запущен «Спутник-2», и он уже владел всей нужной аппаратурой для фиксации излучения.

Отчего же его эти не стали причиной этому эпохальному открытию? Он что, ничего не зафиксировал? Как на данный момент известно, фиксировал.

Так в чем же дело?

Прибор СП-65 на «Спутнике-2» имел очень сложную конструкцию и изначально предназначался для изучения солнечной активности. У него имелось три входных устройства, расположенных под углом 120 градусов относительно друг друга. Это было сделано чтобы при вращении аппарата Солнце имело возможность попадать хотя бы в один приемник.

Причем информация со всех приемников в телеметрии суммировалась. А из-за чего нет? В то время, когда Солнце попадает в один из приемников, в другие оно попасть никак не имеет возможности, соответственно, их эти близки к нулю и не воздействуют на неспециализированную картину.

Причем из-за вращения станции (спутник так как был неориентированным) эти ожидали взять в виде маленьких всплесков в те моменты, в то время, когда Солнце попадало в поле действия одного из приемников.

Прибор включался машинально при прохождении советских телеметрических станций. Всего взяли девять фрагментов телеметрии. Их расшифровка поставила ученых в тупик. Да, время от времени со спутника шел сигнал, близкий к ожидаемому. Но большинство информации сигнализировала о неком равномерном (и очень сильном) фоне, окружающем аппарат. Данный фон весьма медлено возрастал либо убывал, причем не было никаких корреляций с вращением станции, как словно бы Солнце светило со всех сторон. Отказ прибора?

Контрольные эти свидетельствовали о его исправности. Вот тут бы кому-нибудь вскрикнуть: «Космос – радиоактивен!», как это произвели в команде Ван Алена через пара месяцев. Увы, для того чтобы смельчака не нашлось.

Но, тут необходимо также подчернуть, что и это были лишь первые шаги. Открытие поясов радиации означало появление перед учеными нового, воистину огромного поля деятельности, его особенности ученые еще не хорошо себе воображали.

Дополнение. Черток Борис. Ракеты и люди. Книга 2. Фили-Подлипки-Тюратам

Одним из сенсационных результатов, взятых посредством научных устройств третьего спутника, было открытие высокой концентрации электронов на громадных высотах, за пределами уже известной ионосферы. Сергей Николаевич Вернов, доктор наук МГУ, создатель этих изучений, растолковывал это явление вторичной электронной эмиссией – выбиванием электронов из металла спутника при столкновении с частицами высоких энергий – электронами и протонами. не забываю его восторженное сообщение по этому поводу на совещании у Келдыша, где отчитывались ученые по итогам научных изучений на третьем спутнике.

Но американский физик Дж. Ван Аллен два года спустя доказал, что в действительности то, что замерили устройства третьего спутника, имеется не итог вторичной эмиссии, а регистрация первичных частиц ранее малоизвестных радиационных поясов Почвы. Исходя из этого американцы эти радиационные пояса назвали «поясами Ван Аллена».

В оправдание Вернова нужно заявить, что он совершил ошибку по обстоятельству отказа на спутнике запоминающего устройства телеметрии. Вернов не мог взять измерения радиационной активности по всему витку. Он приобретал измерения лишь в режиме яркого приема при пролете спутника над территорией СССР. Ван Аллен сделал собственный открытие, пользуясь результатами измерений с американского спутника.

Он продемонстрировал, что существует область в околоземном пространстве, в которой магнитное поле Почвы удерживает заряженные частицы (протоны, электроны и?-частицы), владеющие громадной кинетической энергией. Эти частицы не покидают околоземное пространство, пребывав в так называемой магнитной ловушке.

Это открытие стало громадной научной сенсацией. Для космонавтики оно имело серьёзное практическое значение. Космические аппараты, орбиты которых проходили через радиационные пояса, приобретали большое облучение, в частности разрушение структуры фотоэлектронных преобразователей солнечных батарей.

Для пилотируемых космических аппаратов долгое нахождение в этих поясах по большому счету считается недопустимым.

По окончании опубликования открытий Ван Аллена решили, пускай с опозданием, исправить неточность, допущенную по вине отказа запоминающего устройства на третьем спутнике. В отечественной литературе радиационные пояса нарекли поясами Ван Аллена – Вернова.

Эта история была хорошим уроком для ученых, продемонстрировавшим, как нужна надежная работа устройств яркого измерения и бортовых служебных совокупностей для передачи и хранения на Землю взятых ими данных. К сожалению, надежность устройств для научных изучений и в последующие годы оставалась не сильный местом отечественной космонавтики.

1 мая 1958 г. на совместном совещании Национальной Академии Физического общества и наук США выступил Ван Аллен. Он связал большие уровни скоростей счета гейгеровских счетчиков на спутниках «Эксплорер-1 и -3» с наблюдавшимися прежде потоками электронов в зоне полярных сияний. Он объявил, что «не может быть, дабы частицы имели энергии порядка миллиардов электронвольт».

Иными словами, Ван Аллен думал, что экранированные счетчики регистрировали лишь тормозное излучение электронов малых энергий, отвергая тем самым возможность того, что наблюдавшиеся частицы могли быть протонами. Не смотря на то, что очевидно, что одиночный гейгеровский счетчик не разрешает выяснить, что стало причиной его срабатывание — протон, электрон либо тормозное излучение последнего. Помимо этого, из его выводов оставалось неясным, как попадают эти электроны из территории полярных сияний к экваториальной плоскости на высоту 2 тыс. км.

15 мая 1958 г. был запущен III коммунистический ИСЗ (i=65,2°, высота апогея 1880 км в южном полушарии). Сцинтиляционные детекторы научных групп С. Н. Вернова и В. И. Красовского зафиксировали значительно более интенсивные потоки заряженных частиц, чем гейгеровские счетчики спутников «Эксплорер-1 и -3». Детекторы группы Вернова в первый раз разрешили установить, что замечаемые потоки заряженных частиц состоят как раз из протонов с энергиями порядка 100 МэВ.

На протяжении ночных участков орбиты 15 мая между широтой детекторами и 56° экватором группы Красовского были зарегистрированы потоки энергии электронов с энергиями Ее=10-20 кэВ достигающие 100 эрг·см-2 с-1. Их поглощение в верхней воздухе Почвы должно было привести к образованию полярного сияния III балла яркости и к сильным ионосферным возмущениям.

Потому, что 15 мая такие явления не наблюдались, то В. И. Красовский заключил , что регистрировавшиеся на III спутнике электроны не достигали плотной атмосферы вследствие того что были захвачены магнитным полем Почвы. Сотрудник С. Н. Вернова А. Е. Чудаков из показаний детектора над территорией СССР в приполярной территории на широтах около 60° выделил неизменно находившееся тормозное излучение от потоков электронов с Ее= 100 кэВ и интенсивностью около 103 см-2·с-1 ср-1 (ср — телесный угол в 1 стерадиан).

Он установил, что с ростом высоты территория регистрации этих потоков смещается к низким широтам на протяжении геомагнитных силовых линий. Результат и нужно считать первой точной регистрацией электронов внешнего радиационного пояса.

31 июля — 9 августа 1958 г. в Москве состоялась Пятая ассамблея Особого комитета Международного Геофизического года (МГГ). На ней были представлены первые результаты наблюдений на спутниках, выполненные советскими и американской научными группами. Выводы каждого докладчика отражали его опытный интерес. Показания счетчика III ИСЗ, запущенного в СССР 15 мая 1958 г., на протяжении двух участков его орбиты.

По горизонтали отложены значения географической долготы (φ), широты (λ) III ИСЗ и геомагнитной широты (Λ). Приведены кроме этого значения высоты спутника над поверхностью Почвы В. И. Красовский растолковал возможность захвата геомагнитным полем наблюдавшихся интенсивных потоков электронов с энергиями в 10-20 кэВ. А. Е. Чудаков сказал, что в узкой приполярной территории всегда присутствуют потоки электронов с Ее=около 100 кэВ.

С. Н. Вернов и А. И. Лебединский ввели понятие «земное корпускулярное излучение», относящееся к протонам от β-распада нейтронов альбедо, создаваемых космическими лучами в воздухе Почвы. Они в первый раз разглядели накопление этих протонов в магнитосфере Почвы как следствие их колебаний и вращения на протяжении силовых линий геомагнитного поля.

В докладе Ван Аллена, зачитанном его сотрудником Э. Реем, природа излучения в низкоширотной территории связывалась с электронами, ранее наблюдавшимися над территорией полярных сияний. Ван Аллен отправил на Ассамблею весточку со свежими результатами наблюдений со спутника «Эксплорер-4», запущенного 26 июля на орбиту с i = 51°. Эти сведенья дополнили содержание его доклада, не поменяв выводов о природе регистрировавшихся частиц: «…неспециализированная обстановка подобна ранее наблюдавшейся.

Интенсивность излучения возрастает в пара тысяч раз между 300 и 1600 км с стремительным началом роста около 400 км высоты… Сцинтиллятор полной энергии [под таким же поглотителем, как и в детекторе группы В. И. Красовского. — В. Т.] показывает 10 эрг. см-2 с-1 ср-1 на высоте 1600 км. На основании этого факта и отечественных прошлых данных имеется основания считать, что большинство потока энергии создается электронами с энергией порядка 50 кэВ.

Полный поток таких низкоэнергичных электронов Je=108 см-2 с-1 ср-1. Не найдено больших временных флуктуации за период в три дня. С ростом широты громадные интенсивности простираются к малым высотам.

Уровень облучения на 1600 км около двух рентген в день».

Итак, в первых числах Августа 1958 г. было обнаружено, что около Почвы постоянно присутствуют интенсивные потоки протонов с энергией порядка 100 МэВ (С. Н. Вернов) и электронов с энергиями в десятки кэВ (В. И. Красовский, Дж. Ван Аллен), захваченные геомагнитным полем.

Эти выводы в полной мере укладывались в рамки теорий того времени. До открытия явления, позднее названного «радиационным поясом Почвы», оставалось сделать еще один ход — доказать, что заряженные частицы, «накопленные» в геомагнитном поле, смогут дрейфовать в азимутальном направлении.

Эта возможность обсуждалась еще в 1946 г. при разработке зеркальной магнитной ловушки и считалась проблематичной из-за предполагаемого образования пространственного заряда от разделяющихся при дрейфе электронов и ионов. Доказать существование дрейфа заряженных частиц имели возможность лишь опыты с инжекцией заряженных частиц в геомагнитную ловушку. Ими стали высотные ядерные взрывы, совершённые США в августе — сентябре 1958 г.

ru.wikipedia.org/wiki/Эксплорер-1

ru.wikipedia.org/wiki/Эксплорер-3

ru.wikipedia.org/wiki/Спутник-2

ru.wikipedia.org/wiki/Спутник-3

ru.wikipedia.org/wiki/Радиационный_пояс

ru.wikipedia.org/wiki/Ван_Аллен,_Джеймс

ru.wikipedia.org/wiki/Вернов,_Сергей_Николаевич

История открытия радиационных поясов Почвы: кто же, в то время, когда и как?

Изучения по истории физики и механики 1998-1999, М.: Наука, с. 272-283.

Неизвестный щит Земли от солнечной радиации

Увлекательные записи:

Похожие статьи, которые вам, наверника будут интересны: