Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук
Первые национальные спутники разных стран, а также космические аппараты, которые делали студенты и школьники, изучали и изучают ионосферу в связи с достаточной простотой метода.
Второе исследование, которое проводил «Простейший спутник – 1», – изучение температуры, правда не самой атмосферы, а аппарата. Специальное реле фиксировало, как нагрелся спутник от солнечных лучей и как менял на эту величину время между сигналами.
По изменению скорости спутника на орбите ученые могли оценить количество частиц атмосферы, которые вызывали сопротивление и тормозили его движение.
Тем же способом, но по увеличению скорости аппарата, определялись гравитационные аномалии планеты. Пока это были неточные данные и практической пользы не приносили, но они дали понять, в какую сторону нужно двигаться.
Второй спутник прославился тем, что внутри была собака Лайка, но, помимо биологических изысканий, аппарат проводил исследование ультрафиолетового излучения Солнца. Оно полностью поглощается атмосферой и ответственно за эффекты в ионосфере. При этом в отличие от видимого света и радиоволн нашего светила ультрафиолетовое излучение невозможно зарегистрировать на Земле. Нужно быть в высоких слоях атмосферы либо за ее пределами.
На втором спутнике был счетчик заряженных частиц, который регистрировал уровень радиации. Аппарат зарегистрировал резкое повышение количества заряженных частиц, когда пролетал над определенным местом. Тогда ученые не смогли понять, в чем дело. Третий искусственный спутник Земли – «Эксплорер‐1» – был американским. Он подтвердил данные советских аппаратов, а в определенный момент показывал нулевую радиацию, что невозможно. Тогда ученые поняли, что, наоборот, излучения так много, что прибор не выдерживает. Так были открыты радиационные пояса. Они образуются благодаря магнитному полю Земли. Заряженные частицы притягиваются к полюсам планеты и начинают двигаться к ним. Кстати, отчасти по этой причине появляются полярные сияния. Солнечная радиация сталкивается с атомами атмосферы, ионизирует их и заставляет светиться. Это явление не только интересно само по себе, оно оказывает влияние на многие приборы, которые работают недалеко от полюсов, например магнитные компасы у ледоколов и авиалайнеров. С радиационными поясами тоже не все так просто. Заряженные частицы при движении сами создают магнитное поле и искажают его. Часто радиация попадает в своего рода ловушку. У магнитного поля есть силовые линии – это условное название области равного магнитного потенциала. По ним двигаются частицы с определенной энергией. Если энергия у них выше, то они могут пролетать сквозь силовые линии. Ближе к полюсу силовые линии магнитного поля Земли сходятся и даже могут замкнуться. Тогда заряды внутри начинают двигаться по кругу, не имея возможности выбраться. Третий советский спутник изучил радиационный пояс подробнее. Удалось установить, что их два: внутренний и внешний. Также стало ясно, что как магнитное поле, так и радиационные пояса – динамичные.
Солнечный ветер – поток заряженных частиц, которые сами создают магнитное поле. Он, как и ионосфера, деформирует силовые линии магнитосферы Земли. Она сжимается в направлении Солнца и вытягивается в направлении от него. Этот момент определили первые автоматические лунные станции «Луна‐1» и «Луна‐2», которые стали не только первыми аппаратами, вылетевшими за границы магнитного поля планеты, но и первыми аппаратами, полетевшими к Луне. Силовые линии даже удалось увидеть. В 1974 году ракета-носитель Black Brant распылила на высоте 645 километров около килограмма порошка бария. Атомы этого элемента мгновенно распались на ион и электрон и разлетелись на тысячи километров. Они двигались вдоль силовых линий и светились зеленоватым цветом. Это явление фотографировали с Земли.
Дальнейшие исследования показали наличие разных геомагнитных процессов: бурь, суббурь, электроджетов. Иногда при сильных вспышках на Солнце заряженные частицы так быстро двигаются, что пролетают сквозь все силовые линии и значительно искажают магнитное поле. Создается своеобразная воронка, в которую утягивается радиация. В таком случае многие электрические приборы могут выйти из строя. Задолго до начала космических полетов, в 1859 году, произошло событие Кэррингтона. Тогда в Европе и Северной Америке наблюдались массовые перебои с освещением и были серьезные проблемы со связью. Для прогноза подобных геомагнитных бурь запускаются спутники серии «Прогноз», «Интеркосмос», NOAA, GEOS.
Зачастую спутники с другими целевыми задачами как дополнительную полезную нагрузку имеют приборы регистрации частиц солнечного ветра или регистрации изменения магнитного поля.
В 1989 году случилась еще одна мощная геомагнитная буря, которая была зафиксирована шаттлом Columbia и оборудованием станции «Мир» до того, как пришла непосредственно к Земле. Однако из-за недостаточной информированности многие регионы Земли, особенно Канада, пострадали от сбоев в работе электрических систем. После этого не только увеличилась спутниковая группировка, но также была введена в строй эффективная система предупреждения. Она хорошо себя проявила в 2003 и 2024 годах. Многие электрокомпании, особенно в Новой Зеландии, США, Канаде (усвоившей урок), заранее перенастраивали или даже отключали свои сети во избежание перегрузок и короткого замыкания. Серьезных аварий не было, только незначительные сбои. Зато многие наслаждались эффектным полярным сиянием, которое наблюдалось даже на широтах 40°.
Если для земных устройств страшны только очень сильные бури, то на космонавтах и спутниках, которые не защищены атмосферой, даже среднее возбуждение геомагнитной обстановки может сказаться катастрофически. Для многих современных направлений народно-хозяйственной деятельности работа спутников связи или навигации крайне необходима, как и знания о том, что временно они не будут работать из-за геомагнитных бурь.
Современные системы выдают предупреждение за 18–48 часов, а за 90 минут составляется прогноз с точностью 95 %.
В начале 1960‐х годов США и СССР провели несколько экспериментов с ядерными взрывами в космосе. Они показали всю значимость ионосферы и радиационных поясов Земли. Военные планировали испытать технологию полного подавления связи и отключения электронных устройств, например систем наведения боевых ракет. При этом в разряженной атмосфере будет образовываться ударная волна, которая обычно является главным поражающим фактором, приводящим к разрушениям и жертвам. В США проектов было два: «Аргус» и «Доминик», в СССР эксперимент шел под названием «Операция К». И действительно, электромагнитная волна сделала свое дело, но при этом вся стабильная структура магнитного поля и радиационных поясов изменилась. В
