Наукові дослідження космосу. Частина перша.

Наукові дослідження, що проводяться в космосі, охоплюють різні розділи чотирьох наук: астрономії, фізики, геофізики та біології. Правда, таке розмежування носить нерідко умовний характер. Вивчення, наприклад, космічних променів далеко від Землі є скоріше астрономічним, ніж фізичним завданням. Але і за традицією і в силу застосовуваної методики дослідження космічних променів відносять звичайно до фізики. Те ж, втім, можна сказати про дослідження радіаційних поясів Землі, яке ми порахували геофізичною проблемою. До речі, більшість завдань, що вивчаються на супутниках і ракетах, відносять іноді до нової науки – експериментальної астрономії.

Ця назва, однак, не є загальноприйнятою і, може бути, не прийметься. У майбутньому термінологія, ймовірно, якось буде уточнена, але можна думати, що і прийнята тут класифікація не призведе до непорозумінь.

ЧОМУ ПОТРІБНІ САМЕ СУПУТНИКИ АБО КОСМІЧНІ РАКЕТИ!

Відповідь на це питання очевидна, коли йдеться про вивчення Місяця і планет, міжзоряного середовища, земної іоносфери і екзосфери. В інших випадках супутники потрібні для того, щоб вийти за межі атмосфери, іоносфери або дії земного магнітного поля.

Справді, наша Земля оточена як би трьома поясами броні. Перший пояс – атмосфера – являє собою шар повітря вагою в 1000 г на кожний квадратний сантиметр земної поверхні. Маса повітря зосереджена в основному в шарі товщиною в 10-20 км. За вагою цей шар дорівнює вазі шару води товщиною в 10 м. Інакше кажучи, з точки зору поглинання різних позаземних випромінювань ми як би перебуваємо під 10-метровим шаром води. Навіть поганий нирець уявляє собі, що такий шар аж ніяк не є тонким. Атмосфера сильно поглинає ультрафіолетові промені (довжина хвилі коротше 3 500 – 4 000 ангстрем) і інфрачервоне випромінювання (довжина хвилі більше 10 000 ангстрем).

Цей шар не пропускає також рентгенівські промені, гамма-промені космічного походження, а також первинні космічні промені (швидкі заряджені частинки – протони, ядра і електрони), що приходять з космосу.

Для видимих променів атмосфера в безхмарний час прозора, але і в цьому випадку вона заважає спостереженням, викликаючи мерехтіння зірок та інші явища, обумовлені рухом повітря, пилом і т. п. Саме тому великі телескопи встановлюють на горах в особливо сприятливих районах, але й у цих умовах вони працюють на повну силу лише невелику частину часу.

Щоб позбутися від поглинання в атмосфері, зазвичай досить підняти апаратуру на 20-40 км, що можна здійснити ще за допомогою куль (балонів). Не завжди, однак, досить піднятися до такої висоти. До того ж кулі здатні протриматися в атмосфері лише кілька годин і збирають інформацію лише в районі запуску. Супутник ж може літати практично необмежений час і (в разі близьких супутників) за 1,5 години облітає всю земну кулю.

Другий пояс броні – земна іоносфера – починається з висоти в кілька десятків і тягнеться до сотень кілометрів над поверхнею Землі. У цій області газ сильно іонізований і концентрація електронів – їх число в кубічному сантиметрі – досить значна. Вище 1000 км газу вельми мало, але все ж приблизно до 20 000 км концентрація газу становить кілька сотень частинок на кубічний сантиметр.

Ця область іноді називається екзосферою, або геокороною. Від іоносфери вона відрізняється тільки тим, що тут частинки практично не стикаються між собою; концентрація газу в цій області приблизно постійна. Ще далі від Землі (як в її околиці, так і при переході до міжпланетного простору) відомостей про щільність газу майже немає. В даний час вважається, що тут концентрація газу менше 100 частинок на кубічний сантиметр.

Іоносфера зазвичай не пропускає радіохвиль довше 30 м (більш довгі хвилі – до 200-300 м – можуть проходити через іоносферу вночі; в деяких випадках проходять також дуже довгі хвилі). Крім того, навіть якщо радіохвиля космічного походження досягає Землі, іоносфера в тій чи іншій мірі спотворює її, причому ці спотворення помітні навіть для метрових хвиль. Іоносфера не пропускає також м’яких (довгохвильових) рентгенівських і далеких ультрафіолетових променів (хвилі з довжиною від десятків приблизно до 1000 ангстрем).

Третій броньовий пояс Землі – це її магнітне поле. Воно простягається на 20-25 земних радіусів, тобто приблизно на 100 000 км (всю цю область іноді називають магнітосферою Землі). На великих відстанях земне поле того ж порядку (або менше), що й магнітне поле в міжпланетному просторі і тому не грає особливої ролі. Земне магнітне поле не підпускає до Землі, якщо не говорити про полярні райони, заряджених частинок з не надто високою енергією. Наприклад, на екваторі у вертикальному напрямку Землі можуть досягти протони (ядра атомів водню), що йдуть з космосу тільки з енергією, більшою 15 мільярдів електроновольт. Такою енергією володіє протон, прискорений в електричному полі з різницею потенціалів, рівною 15 мільярдам вольт.

Звідси ясно, що залежно від характеру завдання потрібно піднімати апаратуру вище декількох десятків кілометрів (атмосфера), вище сотень кілометрів (іоносфера) або навіть віддалятися від Землі на багато десятків тисяч кілометрів (магнітне поле).

ІОНОСФЕРА ТА МАГНІТНЕ ПОЛЕ ЗЕМЛІ

Тільки ракети і супутники дозволяють безпосередньо вивчати іоносферу і земне магнітне поле на великих висотах.

Один із застосовуваних методів спостереження полягає в наступному. На борту супутника є передавач, який випромінює хвилі з частотою 20 і 90 мегагерц (довжина хвилі у вакуумі відповідно 15 м 333 см). При цьому істотно, що різниця фаз обох цих коливань (хвиль) в самому передавачі строго фіксована. Коли обидві хвилі проходять через іоносферу, їх фази змінюються, причому різним чином. На високочастотне коливання (90 мегагерц) іоносфера майже не впливає, і хвиля поширюється майже так само, як у вакуумі. На низкочастотне коливання (20 мегагерц), навпаки, проходження крізь іоносферу накладає свій відбиток. Тому в приймальному пристрої різниця фаз між коливаннями в обох хвилях вже відмінна від різниці фаз в передавачі. Зміна різниці фаз прямо пов’язана з повним числом електронів, що знаходяться на промені зору між супутником і приймачем. За допомогою цього та інших методів вдається отримати «розрізи» іоносфери у всіх тих напрямках, об які її просвічує радіопромінь, що йде від супутника.

Що стосується земного магнітного поля, то його напрямок і величина визначаються за допомогою спеціальних приладів – магнітометрів. Існують різні типи таких приладів, деякі з них з успіхом застосовані на космічних ракетах.

МІСЯЦЬ

Місяць зі зрозумілих причин став першим позаземним небесним тілом, до якого кинулися космічні ракети. Дослідження встановили, що магнітне поле Місяця принаймні в 500 разів слабкіше земного, а можливо, і ще менше. Місяць не має також і яскраво вираженої іоносфери, тобто навколишнього шару іонізованого газу. Були отримані фотографії зворотної сторони Місяця. Можна не сумніватися, що в недалекому майбутньому будуть отримані більш детальні фотографії Місяця, а Селенографія («місячна географія») збагатиться багатьма новими відкриттями.

Крім того, виникло й чимало нових проблем, що стосуються досліджень Місяця, Так, наприклад, необхідно вивчення сейсмічної діяльності на Місяці. Досі не ясно, чи є Місяць абсолютно холодним тілом або на ньому час від часу відбувається виверження вулканів і виникають землетруси (мабуть, їх правильніше називати місяцетрусами). Як вирішити це питання! Очевидно, потрібно висадити на Місяць сейсмограф і фіксувати коливання місячної поверхні, якщо вони є. Можна також визначити радіоактивність місячних порід і деякі інші їхні властивості. Все це зроблять прилади-автомати, а отримані ними результати будуть передаватися по радіо на Землю. Можна не сумніватися також у тому, що в майбутньому Місяць буде використаний як космічна станція для цілого комплексу досліджень. Там для цього ідеальні умови: у Місяця немає ні атмосфери, ні іоносфери, ні, нарешті, магнітної броні. Іншими словами, Місяць має ті ж переваги, що і далекі штучні супутники; в той же час використовувати його у багатьох відношеннях зручніше і простіше.

НА ЧЕРЗІ – МАРС І ВЕНЕРА

Про планети сонячної системи ми знаємо досить мало. Точніше, наші відомості про них дуже однобічні, про деякі питання знаємо багато, а про інші дуже мало. Досі, наприклад, ведеться суперечка, чи є рослинність на Марсі, які кліматичні умови на цій планеті, який хімічний склад атмосфери. Про Венеру багато пишуть, і завдання, що стоять перед її дослідниками, добре відомі. Досить сказати, що поверхню Венери дуже погано видно, тому ми знаємо про неї ще менше, ніж про поверхню Марса. До речі, щодо Венери з достовірністю невідомий навіть період її обертання, невідомо, чи є у неї магнітне поле. Існування поля не встановлено і для Марса. Ці невирішені питання повинні бути з’ясовані за допомогою космічних ракет.

Наступним після Марса і Венери цікавим об’єктом дослідження буде Юпітер – найбільша планета сонячної системи, планета з цілим рядом особливостей. Про одну з них хотілося б згадати. Юпітер є джерелом дуже потужних радіохвиль, випромінюваних, наприклад, в п’ятнадцятиметровому діапазоні. Це – своєрідне явище, яке досліджується зараз радіоастрономічними методами. Юпітер буде і повинен вивчатися також і за допомогою супутників.

Далі буде.

Автор: В. Л. Гінзбург.