ОТКРЫТИЯ, РАСШИРЯЮЩИЕ ЗНАНИЯ О ВСЕЛЕННОЙ

Ключ на старт

Эта статья, опубликована в газете «Правда» через год после сообщения ТАСС о запуске первого спутника. До определенной степени статья подводит итоги советских космических достижений за первый год космической эры. Сам третий советский искусственный спутник Земли закончил свое активное функционирование еще 3 июня 1958 года. Научная информация, полученная с борта спутника, к моменту публикации статьи в газете от 5 октября 1958 года, в большей части уже была обработана.

ОТКРЫТИЯ, РАСШИРЯЮЩИЕ ЗНАНИЯ О ВСЕЛЕННОЙ

Некоторые итоги научных исследований на третьем советском искусственном спутнике Земли

В соответствии с программой Международного геофизического года в Советском Союзе проведена большая работа по исследованию верхней атмосферы и космического пространства с помощью искусственных спутников Земля.

На состоявшейся в Москве Всемирной ассамблее Специального комитета Международного геофизического года с большим интересом были заслушаны и обсуждены доклады советских ученых, посвященные изучению движения спутников Земли, измерению параметров атмосферы — давления, плотности и температуры в ее верхних слоях, исследованию космических лучей, магнитного поля Земли, корпускулярного излучения Солнца, микрометеоров, изучению работы солнечных кремниевых батарей, жизнедеятельности живых организмов в условиях космического полета и ряда других проблем.

Обсуждение на ассамблее работ, проведенных на искусственных спутниках Земли, показало, что советская наука вышла в первые ряды мировой науки в области исследований на ракетах и спутниках. Большие веса советских спутников Земли позволили разместить на их борту разнообразную сложную научную аппаратуру. Высокие конструктивные данные советских искусственных спутников обеспечили нормальным режим работы находящейся на их борту научной аппаратуры. Аппаратура функционировала при заданном температурном режиме (от 15 до 22° по Цельсию). Весь комплекс работы аппаратуры был полностью автоматизирован. С помощью специального программного устройства производилось включение и выключение приборов. Анализ радиотелеметрических записей показывает, что вся научная аппаратура на третьем искусственном спутнике работала нормально и намеченная программа научных измерений полностью выполнена.

Изучение движения искусственных спутников Земли также позволило получить весьма ценные и интересные данные о плотности воздуха на высотах полета спутников и целый ряд данных об особенностях их движения.

Динамические эффекты в движении искусственных спутников Земли

Орбита искусственного спутника определяется рядом параметров: расстоянием от центра Земли до наиболее удаленной точки орбиты (апогея), расстоянием до ближайшей к центру Земли точки (перигея), наклонением орбиты i — углом между плоскостью орбиты и плоскостью земного экватора, долготой восходящего узла Ω, величина которого определяет угловое расстояние от неизменно направленной в точку весеннего равноденствия оси ОХ до линии пересечения плоскости орбиты и плоскости экватора, а также угловым расстоянием перигея от восходящего угла орбиты ω.

Если бы Земля была однородным шаром, и отсутствовало бы воздействие атмосферы на движение спутника, то орбита оставалась бы неизменной в пространстве, т. е. значения величии углов i, Ω, ω и расстояний до перигея и апогея орбиты оставались бы неизменными, причем Земля, совершая суточное вращение, прокручивалась бы в такой орбите, как в кольце.

Два рода возмущений в основном оказывают влияние на изменение орбиты спутника. Это отличие гравитационного поля Земли (поля земного тяготения) от поля однородного шара и воздействие атмосферы. Первый из этих факторов приводит к изменению положения орбиты в пространстве. При этом в первом приближении наклонение орбиты остается постоянным, но происходит изменение углов ω и Ω. Так, например, для первого, второго и третьего советских спутников угол Ω изменялся в начале их движения соответственно на 3,157, 2,663 и 2,528 градуса в сутки в направлении с востока на запад. В то же время происходило медленное смещение точки расположения перигея к югу, т. е. изменение угла ω, которое составляло 0,432 и 0,407 градуса для первого и второго советских спутников и 0,326 градуса для третьего спутника. Поскольку скорость изменения этих параметров зависит от характера гравитационного поля Земли, представляется возможным уточнить характеристики гравитационного поля. В настоящее время знание гравитационного поля Земли находится в таком состоянии, что уточнение его параметров по наблюдаемой эволюции орбиты спутников требует очень тщательных наблюдений в течение длительного времени.

При движении в атмосфере Земли искусственные спутники испытывают сопротивление воздуха. В результате этого сопротивления также происходит изменение орбиты. Средний радиус орбиты спутника становится меньше, причем для вытянутой (эллиптической) орбиты ее изменение происходит в основном за счет уменьшения высоты апогея. Уменьшение высоты перигея происходит значительно медленнее. С течением времени орбита спутника постепенно приближается к круговой.

Так, например, для второго спутника высота перигея над поверхностью Земли за 1500 оборотов изменилась примерно на 25 километров, а высота апогея — более чем на 500 километров.

Более короткий путь, который необходимо пройти спутнику за один оборот, и некоторое увеличение скорости его движения при приближении к поверхности Земли приводит к тому, что время, за которое спутник совершает один оборот — период обращения, — постепенно уменьшается. Скорость изменения периода зависит от величины силы сопротивления. Сила сопротивления будет тем больше, чем больше плотность воздуха на высотах орбиты спутника. Наличие прямой связи между изменением орбиты спутника и, в частности, изменением периода его обращения и плотностью атмосферы позволяет из анализа изменения периода определить плотность атмосферы.

Плотность воздуха на высотах свыше 200 километров в миллиарды раз меньше, чем у поверхности Земли. Сила сопротивления поэтому там очень мала. Изменение периода обращения за один оборот измеряется десятыми долями секунды. Так, например, изменение периода за одни сутки в начале движения для первого спутника составляло 1,8 секунды, для второго спутника — 3,08 секунды, для третьего — 0,75 секунды. Чтобы уменьшить возможную ошибку в определении изменения периода обращения, применяют методы математической обработки очень большого числа измерений. Большое число наблюдений позволяет выделить случайные ошибочные измерения и с большой точностью определить эволюцию орбиты спутника. Так, по первому спутнику было обработано 60 000 радиотехнических и 400 оптических измерений, по второму спутнику — 12 800 радиотехнических и 2000 оптических. По третьему искусственному спутнику Земли уже обработаны десятки тысяч измерений.

Для определения плотности атмосферы по наблюдаемому торможению спутников необходимо знать их аэродинамические коэффициенты. Величина аэродинамического коэффициента сопротивления зависит от формы спутника, характера отражения молекул воздуха, а также от ориентации спутника относительно набегающего потока. Для расчета аэродинамических коэффициентов использовались результаты аэродинамики разреженных газов. Проводилось изучение движения спутника относительно его центра тяжести. Если бы не было воздействия атмосферы и других возмущающих факторов, то движение спутника, обладающего осью симметрии, являлось бы регулярной прецессией, т. е. спутник равномерно вращался бы вокруг своей продольной оси, которая в свою очередь совершала бы вращение вокруг другой оси (оси прецессии), неподвижно расположенной в пространстве.

Под воздействием атмосферы и гравитационного поля Земли движение спутника около центра тяжести становится более сложным: продольная ось спутника вращается около оси прецессии, положение которой в пространстве медленно меняется со временем по определенным законам, различным для различных спутников. Кроме того, под воздействием электромагнитных сил уменьшается скорость вращения спутника. Анализ результатов опыта по исследованию солнечной радиации позволил сделать некоторые выводы о движении около центра тяжести второго спутника в начале его существования. Второй спутник совершал прецессию около оси, которая составляла с продольной осью спутника угол 86 градусов. Период прецессии составлял примерно 206 секунд. Ряд выводов о вращении спутников можно было сделать из наблюдавшегося периода изменения их блеска.

Установленный на третьем спутнике магнитометр фиксирует положение некоторых осей спутника относительно магнитного поля Земли. Обработка этих показаний магнитометра позволяет достаточно точно рассчитать ориентацию спутника в пространстве и характеристики его вращения.

Знание ориентации необходимо для правильного анализа результатов измерений приборов, установленных на третьем спутнике. Кроме того, расчет ориентации спутника позволяет проверить ряд теоретических выводов, сделанных ранее, о его движении около центра тяжести. Полученные предварительные результаты показывают, что режим движения третьего спутника также оказался близким к режиму регулярной прецессии, причем продольная ось спутника расположена под углом 84 градуса к оси прецессии. Период прецессии равняется примерно 140 секундам, а период вращения спутника около его продольной оси — около 18 минут. Выявлено также изменение в пространстве направления оси прецессии.

Атмосферу на данной высоте от поверхности Земли можно характеризовать двумя параметрами — ее плотностью и высотой однородной атмосферы. Высота однородной атмосферы прямо пропорциональна температуре воздуха и обратно пропорциональна его молекулярному весу. Так, у поверхности Земли, где средняя масса молекул составляет 4,8 · 10ˉ²³ грамма, а температура — 273 градуса по Кельвину, высота однородной атмосферы равна 7,9 километра. От этого параметра зависит скорость уменьшения величины плотности с высотой. Чем меньше значение высоты однородной атмосферы, т. е. чем меньше температура воздуха и чем больше его молекулярный вес, тем быстрее происходит уменьшение плотности атмосферы с высотой. Спутник при движении по орбите проходит на различных высотах от поверхности Земли, и сила сопротивления воздуха там различна. Теоретический анализ показывает, что скорость изменения периода обращения спутника в основном определяется значением произведения плотности атмосферы на корень квадратный из высоты однородной атмосферы на высоте ближайшей к Земле точки орбиты.

В результате анализа торможения спутников было определено среднее значение плотности на высоте перигея орбиты (226—228 километров), которое оказалось равным трем десятимиллионным грамма в одном кубическом метре. Это значение примерно в 5—10 раз превосходит величины, которые ранее принимались в ряде моделей атмосферы, составленных на основании теоретической обработки ракетных исследований.

За время жизни спутника ближайшая к Земле точка орбиты перемещается в пространстве: происходит ее приближение к Земле под влиянием сопротивления атмосферы движению спутника и изменение ее широты и долготы. Сопоставление положения ближайшей к Земле точки орбиты и наблюдаемого в то же время торможения спутника позволяет определить характеристики атмосферы над различными по освещенности Солнцем и широте точками земной поверхности. В результате анализа торможения первых двух советских спутников было выявлено, что при переходе перигея орбиты с ночной стороны на дневную торможение изменяется таким образом, что определяемое произведение плотности атмосферы на корень квадратный из высоты однородной атмосферы возрастает на 20—30 процентов.

Проведенный предварительный анализ торможения третьего спутника позволил выявить суточные колебания еще более резко: при переходе перигея от полуденной атмосферы к ночной имеет место уменьшение произведения плотности атмосферы на корень квадратный из высоты однородной атмосферы более чем в полтора раза. Анализ торможения второго спутника выявил также уменьшение плотности атмосферы при переходе от северных широт к южным. Дальнейшее изучение торможения третьего спутника позволит уточнить количественные закономерности суточных и широтных изменений параметров атмосферы. Используя данные об атмосфере, полученные с помощью искусственных спутников, можно будет построить модель распределения плотности атмосферы на большом интервале высот.

Результаты измерения плотности атмосферы

Измерение давления на третьем советском искусственном спутнике Земли на участках орбиты с меньшими высотами проводилось специальными магнитными электроразрядными манометрами в пределах 10-5—10-7 миллиметра ртутного столба, а на участках орбиты с большими высотами — термоионизационными манометрами в интервале 10-5—10-9 миллиметра ртутного столба.

Установленные на третьем спутнике манометры были расположены на его корпусе и имели контакт с окружающим пространством. Через определенное время после выхода спутника на орбиту специальным разбивающим механизмом манометры вскрывались, и их полость заполнялась молекулами окружающей среды. В термоионизационном манометре молекулы, попавшие в его полость, сталкиваются с электронами, испускаемыми катодом (раскаленный вольфрамовый волосок) манометра. В результате столкновений молекулы ионизируются и образующиеся положительные ионы собираются на сетке электрода (коллекторе), которая заряжена отрицательно. Число положительных ионов пропорционально числу электронов, пролетающих в единицу времени от катода к аноду. Мерой давления газа будет служить величина ионного тока, снимаемого с коллектора.

В магнитном электроразрядном манометре свободные электроны, попавшие вместе с молекулами газа в его полость, закручиваются вокруг силовых магнитных линий постоянного магнитного поля, которое создается между анодом и катодом от постоянного магнита. Сталкиваясь с молекулами, электроны вызывают их ионизацию, в результате чего в схеме манометра возникает разрядный ток, величина которого пропорциональна количеству образовавшихся ионов.

Ионизационный манометр и усилитель постоянного тока

Использование обычных ионизационных манометров для измерения давления в указанных пределах в ионизированной среде невозможно, так как токи, образуемые в манометре присутствующими в свободной атмосфере ионами и электронами, сравнимы с токами манометров, которые являются мерой давления атмосферы.

Поэтому в применяемых для измерения давления в ионизированной среде ионизационных манометрах с помощью специальных экранов и ловушек осуществляется разделение этих токов и измеряются лишь токи, являющиеся мерой давления. Ток манометра усиливается усилителем постоянного тока и подается на вход телеметрии. На протяжении всего полета спутника непрерывно регистрируется ионный ток в манометре, производится периодически калибровка усилителей, регистрация тока эмиссии манометров, измеряется температура стенки манометра.

Измерение давления и плотности атмосферы на больших высотах является чрезвычайно сложной задачей. До осуществления эксперимента даже оспаривалась возможность измерения давления на спутниках с помощью манометров.

При подготовке эксперимента были проведены теоретические и лабораторные исследования, на основании которых были оценены вероятные значения ошибок в определении плотности и давления атмосферы с помощью манометров.

Особое внимание было уделено определению газовыделения спутника. Процесс газовыделения обусловлен тем, что на поверхности спутника могут находиться газы, захваченные из нижних слоев атмосферы. Этот процесс может быть достаточно активен из-за малой плотности окружающей среды. Кроме того, если сам спутник недостаточно герметизирован, то газовыделение возможно изнутри спутника. Все это может внести существенные искажения в показания манометров. С целью устранения влияния газовыделения на показания манометров проведена большая работа по определению времени обезгаживания различных конструкционных материалов и созданию хорошей герметизации спутника. На основании этих исследований и проведенных расчетов были выбраны материалы, из которых создавался спутник, и определены требования к его герметичности.

Давление и плотность атмосферы являются сложными функциями показаний манометров, скорости спутника, его ориентации в пространстве, состава и температуры газа в атмосфере и в манометре.

С целью обеспечения надежности и контроля работы манометров на третьем советском спутнике установлены два термоионизационных и один магнитный манометры. В соответствии с программой, измерения проводились в течение недели. За это время были измерены давление и плотность атмосферы на различных географических широтах, долготах и высотах.

Анализ обработанных материалов показывает, что плотность на высоте 266 километров в десять миллиардов раз меньше, чем у поверхности Земли, а при увеличении высоты еще на 100 километров она уменьшается еще в 10—12 раз. Эти результаты согласуются с определением плотности по торможению спутников.

Определение ионного состава ионосферы

На третьем советском искусственном спутнике Земли был установлен прибор для исследования ионного состава ионосферы — радиочастотный масс-спектрометр, предназначенный для определения спектра масс положительных ионов, имеющихся в ионосфере Земли.

Важнейшей характеристикой газов, входящих в состав атмосферы (как и вообще всех существующих химических элементов), является их атомный и молекулярный вес, которые принято выражать в условных единицах, так называемых атомных единицах массы. За атомную единицу массы принимают величину, равную 1/16 веса атома кислорода.

Анализируя молекулярные и атомные веса различных соединений и смесей, можно сделать заключение об их химическом составе.

В радиочастотном масс-спектрометре используется принцип разделения ионов по скоростям. Основным элементом прибора является масс-спектрометрическая трубка, представляющая собой электровакуумную лампу особой конструкции с большим числом плоскопараллельных сеток. За сетками имеется коллектор, представляющий собой металлическую пластинку, собирающую ионы, вошедшие в масс-спектрометрическую трубку и прошедшие все сетки.

На электроды трубки подаются различные постоянные и переменные напряжения. Они выбраны таким образом, что достичь коллектора могут лишь те ионы, которые прошли трубку с некоторой оптимальной скоростью.

Когда ионы достигают коллектора, в его цепи возникает импульс. Массовое число ионов, соответствующее каждому импульсу, может быть определено путем сравнения записи спектра масс с записями ускоряющего напряжения масс-спектрометра. Получен новый материал по определению ионного состава ионосферы в широком интервале высот от 230 до 950 километров.

Проведенный эксперимент показал, что преобладающими в этой области ионосферы являются ионы атомарного кислорода. Зарегистрированы также ионы атомарного азота, но в значительно меньшем количестве (3— 7 процентов от количества ионов кислорода). Не обнаружены ионы молекулярного кислорода и азота. Кроме указанных ионов, масс-спектрометр в начале полета регистрировал ионы водяных паров. Тщательный анализ полученных данных указывает на то, что эта вода обязана своим присутствием самому спутнику, который занес некоторое количество ее на своей поверхности в верхние слои атмосферы. Однако факт ионизации испаряющихся паров воды в верхней атмосфере остается загадочным.

Аппаратура для измерения ионного состава
(масс-спектрометрическая трубка и электронный блок

Весьма интересны с биофизической точки зрения результаты обнаружения заметного количества ионов на высотах порядка 1000 километров, где по старым представлениям земная атмосфера переходит в межпланетный газ.

Измерения на спутнике показывают, что атмосфера с заметно ощутимой плотностью простирается на значительно большие высоты, чем это предполагалось ранее.

Определение степени ионизации верхней атмосферы

Электроны, образующиеся в верхней атмосфере при ионизации, играют большую роль в процессе распространения радиоволн на большие расстояния. Слои верхней атмосферы с большим содержанием электронов являются как бы зеркалами, которые отражают радиоволны и тем самым обеспечивают распространение их за пределы прямой видимости. Траектории радиоволн, проходящих через эти слои, искривляются. До сих пор ионизация верхней атмосферы исследовалась по отражению от ионизированных слоев радиоволн, посылаемых специальными радиозондирующими станциями. Однако таким способом удавалось исследовать только области, расположенные ниже области с максимальным содержанием электронов, т. е. до высоты 300 километров. Более высокие слои оказывались недоступными для такого метода исследования.

С помощью геофизической ракеты Академии наук СССР, запущенной 28 февраля 1958 года, удалось поднять радиопередатчики выше области с максимальной ионизацией. Исследование радиосигналов от них, принятых наземными станциями, позволило определить концентрацию электронов вплоть до высоты 473 километра. Оказалось, что выше максимума ионизации электронная концентрация падает очень медленно. Она уменьшается с высоты 290 километров, где она максимальна, до высоты 473 километра не более чем в два раза.

На третьем искусственном спутнике была установлена специальная аппаратура с ловушками положительных ионов. Она позволяет определить пространственные и временные изменения ионизации. Над поверхностью спутника были установлены две сетчатые сферические ионные ловушки, внутри каждой из которых был помещен сферический коллектор, находящийся под отрицательным потенциалом относительно оболочки спутника. На сетчатые оболочки ловушек периодически подавались короткие импульсы напряжения относительно корпуса спутника. При этом снимались вольт-амперные характеристики — зависимости тока, проходящего через коллектор ловушки, от потенциала ее сетчатой оболочки. Обработка этих вольт-амперных характеристик позволяет определять, кроме концентрации положительных ионов, потенциал спутника относительно окружающей среды, который в свою очередь позволяет оценить температуру электронов в верхней атмосфере.

С помощью третьего спутника получен богатый материал. Установлено, что распределение ионизации аналогично тем данным, которые получены с помощью ракет. Однако, поскольку регистрация с помощью спутника велась в течение длительного времени и над различными районами Земли, полученные материалы более обширны, чем немногочисленные ракетные данные. Эти результаты представляют значительный интерес. Так, оказалось, что температура ионосферных электронов намного выше, чем температура нейтральных частиц и ионов на этих высотах. Это неожиданный результат, который требует дальнейшего изучения и объяснения. Сейчас можно лишь выдвигать различные гипотезы для объяснения этого ранее неизвестного явления в верхней атмосфере. Вполне возможно, что высокая электронная температура обязана существованию переменных геомагнитных полей. Дальнейшее изучение этого явления позволит лучше распознать законы, управляющие ионосферными процессами.

Измеренный отрицательный потенциал спутника на высоте в 795 километров в дневное время оказался примерно равным 6 вольтам, а концентрация положительных ионов на этой же высоте — порядка 160 тысяч ионов в одном кубическом сантиметре. На высоте 242 километров потенциал спутника был примерно равен 7 вольтам, а концентрация — полмиллиона ионов в кубическом сантиметре.

Измерения электростатических полей

Измерения собственного электрического заряда спутника и напряженности электростатических полей в верхних слоях атмосферы производились с помощью двух электростатических флюксметров (весьма чувствительных электрометрических приборов), датчики которых были установлены в симметричных точках на поверхности спутника. Каждый из датчиков состоит из изолированной измерительной пластины, которая 1500 раз в секунду открывается и закрывается с помощью специального экрана, соединенного с корпусом спутника.

При наличии, как внешнего электростатического поля, так и собственного заряда, с пластины течет ток, который на сопротивлении, соединяющем измерительную пластину с корпусом спутника, создает переменное напряжение, пропорциональное измеряемым величинам. Это напряжение после усиления и выпрямления, которые производятся с помощью двухканального электронного блока, подается на вход телеметрического устройства. С помощью подачи контрольных сигналов от программного механизма во время полета спутника можно было проводить проверку функционирования прибора.

Так как внешнее электростатическое поле и поле собственного заряда спутника в точке расположения одного из датчиков складываются, а в точке расположения другого датчика вычитаются, то из данных измерений, проведенных обоими датчиками, можно вычислить как напряженность поля атмосферы, так и величину собственного заряда случника.

Контрольные измерения, проводившиеся во время полета спутника, позволяют установить, что применявшаяся аппаратура работала нормально.

Измерения электростатического заряда спутника показали, что спутник приобретает отрицательный заряд. Напряженность электростатического поля у стенок спутника оказалась значительно больше ожидаемой. Если считать, что заряжение спутника связано с тепловыми скоростями электронов и учесть концентрацию заряженных частиц, полученную из результатов измерений, проведенных на спутнике, то температура электронного газа на этих высотах должна значительно превышать температуру нейтрального газа, что подтверждает данные, полученные с помощью прибора, для измерения концентрации ионов.

Неожиданно большой оказалась измеренная напряженность поля в верхних слоях атмосферы. Величина её по меньшей мере в 10—100 раз превышает ожидавшиеся значения. Этот факт, который может оказаться ключом к пониманию многих процессов в ионосфере, как, например, причин ее ионизации в ночное время, нуждается в дальнейшей экспериментальной проверке и детальном изучении.

Магнитные измерения

На третьем советском искусственном спутнике Земли были впервые осуществлены геомагнитные измерения, основной задачей которых является исследование пространственного распределения постоянного магнитного поля Земли на больших высотах и сравнение пространственного распределения линий одинаковой интенсивности магнитного поля и линий одинаковой интенсивности космических лучей. Проведение геомагнитных измерений на спутнике — задача чрезвычайно сложная, так как большое количество приборов, установленных на нем, создавало значительные трудности для точных измерений напряженности магнитного поля, связанные с магнитной девиацией, вносимой бортовой аппаратурой. Поэтому необходимо было принимать специальные меры для устранения и учета магнитной девиации. Это же обстоятельство наложило известные ограничения и на выбор магнитометра, с помощью которого проводились геомагнитные измерения на третьем искусственном спутнике Земли.

Магнитометр представляет собой прибор, измерительный датчик которого автоматически ориентируется по направлению полного вектора земного магнитного поля при любой ориентации спутника. Мерой магнитного поля и его изменений служит ток компенсации, пропускаемый: по катушке, установленной на измерительном датчике, в таком направлении, чтобы он полностью компенсировал земное поле в объеме, занимаемом датчиком.

Два потенциометрических датчика, установленных на узле ориентации магнитометра, позволяли определять положение корпуса спутника относительно земного поля и скорость его вращения вокруг собственной оси.

Магнитометры этого типа менее чувствительны к неоднородностям магнитного поля и электромагнитным помехам. Неоднородность поля и переменные помехи влияют на устойчивость и точность работы магнитометра, но не препятствуют формированию сигнала.

Рисунок.  Аппаратура для измерения магнитного поля Земли

(узел ориентации и электронный блок)

В результате обработки полученных материалов представляется возможность сделать ряд заключений.

По данным потенциометрических датчиков узла ориентации магнитометра можно получить точную картину характера движения спутника около своего центра тяжести. Спутник, вращаясь вокруг собственной оси со скоростью порядка 0,36 градуса в секунду, в то же время совершает прецессионное движение вокруг неподвижной в пространстве оси с периодом 140 секунд. По имеющимся данным можно определить абсолютную ориентацию спутника в пространстве относительно определенной системы координат.

Благодаря прецессионному характеру движения спутника представляется возможным исключить основную часть девиационной погрешности, связанной с окружающей магнитометр аппаратурой. Это влияние бортовой аппаратуры было определено экспериментально в лабораторных условиях. Зная максимальное значение магнитной девиации, можно считать, что магнитометр спутника реально измеряет напряженность магнитного поля Земли и проекцию вектора магнитной помехи на направление земного магнитного поля.

Анализ магнитограмм, относящихся к территории Восточно-Сибирской магнитной аномалии, показывает, что эта аномалия затухает с высотой очень медленно. Этот экспериментальный факт свидетельствует не в пользу геофизических гипотез, основанных на предположении, что источники этой материковой аномалии лежат в верхних слоях земной коры.

Просмотр материалов позволяет обнаружить также особые точки, которые характеризуются сравнительно кратковременными, но быстрыми изменениями магнитного поля. По времени они совпадают с прохождением спутника через область ионосферы слоя F2.

Есть основания считать, что обнаруженные быстрые изменения магнитного поля можно связывать с предполагаемыми токовыми системами в верхних слоях атмосферы. Достоверность подобного предположения должна быть проверена анализом и статистикой всего экспериментального материала. Вопрос о реальности существования токовых систем имеет исключительное значение для многих проблем геофизики и астрофизики.

Исследование метеорных частиц

Для исследования метеорных частиц на третьем советском искусственном спутнике Земли применялась аппаратура, позволяющая регистрировать как число ударов частиц о поверхность измерительного устройства, так и их энергию.

Метеорная частица, летящая со скоростью от 11 до 70 километров в секунду, при попадании в преграду — измерительное устройство — взрывается. Поэтому импульс ее измерить нельзя, и регистрируется импульс материала датчика, выбрасываемого при взрыве.

Теоретический расчет показал, что для больших скоростей импульс, получаемый измерительным устройством при взрыве, пропорционален энергии метеорной частицы и зависит от материала поверхности датчика.

Измерение импульсов осуществлялось при помощи баллистического пьезодатчика, представляющего собой массивную плату, подвешенную на плоской пружине, с которой связаны четыре пьезоэлемента из фосфата аммония.

Смещение платы под действием удара метеорной частицы вызывает деформацию пьезоэлементов с выдачей электрического напряжения в виде кратковременных затухающих колебаний, которые регистрируются усилителем-преобразователем, подсчитывающим количество импульсов в отдельных амплитудных диапазонах.

Пьезодатчики измеряют импульс, действующий на их поверхность в диапазоне от 0,1 до 1000 граммов на сантиметр в секунду. Предельная чувствительность измерительной аппаратуры позволяет регистрировать удары метеорных частиц с массами в одну миллиардную долю грамма при средней скорости 40 километров в секунду.

Пьезодатчиками общей площадью в 840 квадратных сантиметров зарегистрирован в среднем один удар больше чем за 100 секунд. Это соответствует плотности метеорного вещества менее десятимиллиардной доли грамма в секунду на квадратный метр поверхности. Наряду с такой плотностью метеорного вещества было зарегистрировано кратковременное сильное увеличение числа ударов, достигающее нескольких десятков на квадратный метр в секунду. Зарегистрированные метеорные частицы обладали энергиями порядка десяти тысяч эрг.

Изучение космических лучей

Исследование космического излучения дает возможность получать все новые и новые сведения о процессах зарождения частиц, обладающих очень большими энергиями. Уже первые опыты на втором искусственном спутнике Земли по изучению космических лучей дали интересные результаты. На третьем спутнике были поставлены более сложные приборы для изучения космических лучей, которые позволяли регистрировать, помимо заряженных частиц, фотоны и тяжелые атомные ядра в космическом излучении.

Установленный на борту спутника люминесцентный счетчик позволял с большей эффективностью регистрировать фотоны. Основной частью прибора являлся фотоумножитель, соединенный с кристаллом йодистого натрия. Этот прибор был присоединен к радиопередатчику «Маяк», который передавал в эфир данные о суммарной ионизации в кристалле и считал число импульсов, соответствующих выделенной в кристалле энергии больше тридцати пяти тысяч электронвольт. Эти величины передавались путем изменения длительности сигналов, посылаемых «Маяком».

Люминесцентным счетчиком было зарегистрировано резкое изменение числа фотонов при достижении примерно 60 градусов северной широты. Сначала при движении с юга на север интенсивность составляла 300—500 фотонов в секунду, а затем она резко возрастала. При движении с севера на юг, наоборот, наблюдалась сначала очень большая интенсивность, а затем при достижении указанной широты она быстро снижалась. Такое изменение указывает на то, что выше 60 градусов северной широты включается новый интенсивный источник фотонов. Эта широта близка к зоне полярных сияний, и естественно объяснить это явление связью с полярными сияниями.

Если в составе частиц, вызывающих полярные сияния, имеются электроны с энергией в несколько сотен тысяч электронвольт, то попадание этих электронов на обшивку спутника приводит к образованию жесткого рентгеновского излучения, регистрируемого люминесцентным счетчиком.

Как показали измерения, еще более интенсивные потоки, заряженных частиц наблюдаются в районе экватора. Интенсивность этих потоков резко растет с высотой и при приближении к экватору. Число частиц в этих потоках очень велико. Оно в тысячи раз превышает число частиц в потоке космических лучей.

Таким образом, оказывается, что Земля окружена как бы ореолом из быстро движущихся частиц, удерживаемых магнитным полем Земли.

Аналогичные явления могут наблюдаться и у других небесных тел, обладающих магнитным полем.

Прибор для измерения количества тяжелых атомных ядер в первичном космическом излучении, установленный на третьем советском искусственном спутнике Земли, имел возможность регистрировать ядра, начиная со значения заряда более 16, и для другой группы ядер — со значения заряда более 30. Использованный в приборе счетчик состоял из фотоэлектронного умножителя и плексигласового детектора. Такой счетчик регистрировал только атомные ядра с очень большой энергией, превышающей 300 миллионов электронвольт, приходящихся на каждую составную часть ядра (протон или нейтрон).

На основании обработки показаний прибора число атомных ядер с зарядом более 16 оценивалось по отдельным интервалам времени. Среднее число таких атомных ядер составляло 1,2 ядра в минуту. Был отмечен один лишь случай регистрации ядра с зарядом более 30. Эти данные весьма существенны для развития теории происхождения космических лучей.

По данным, полученным при работе счетчика, число атомных ядер более тяжелых, чем железо, в космическом излучении оказалось примерно в десять тысяч раз меньше по сравнению с числом ядер железа, никеля и кобальта.

Состав и соотношение различных атомных ядер в космическом излучении, вообще говоря, связаны с обилием химических элементов во Вселенной. Предварительные результаты, полученные на третьем спутнике, подтверждают ту точку зрения, что соотношение потоков очень тяжелых ядер с зарядом более 30 и ядер с зарядом больше 16 примерно соответствует соотношению для этих ядер, взятых из данных, полученных из анализа состава планет, звезд и метеоритов.

Исследование корпускулярного излучения

Обычно ионизация верхней атмосферы создается жестким электромагнитным излучением Солнца. Однако установлено, что дополнительная ионизация возникает от корпускул — быстрых протонов, альфа-частиц, электронов и т. д. Воздействие корпускул наиболее интенсивно на высоких геомагнитных широтах. Если их проникновение совершается ночью, то одновременно с повышением ионизации развивается так называемое явление полярного сияния. По спектрам полярных сияний было установлено, что среди корпускул имеются такие частицы, как ионы и атомы водорода, атомы гелия. Ряд спектров полярных сияний мог бы быть объяснен не особенно быстрыми электронами. Изучение явления полярных сияний позволяло делать предположение, что во внешней земной атмосфере за счет переменных магнитных полей, создаваемых межпланетной средой и корпускулярными потоками Солнца, могут ускоряться собственные атмосферные электроны. При облучении такими ускоренными электронами корпуса спутника должны были возникать рентгеновские лучи, которые и были зарегистрированы люминесцентным счетчиком.

Для регистрации корпускул на третьем искусственном спутнике Земли были применены флуоресцирующие экраны, аналогичные тем, которые имеются в кинескопах телевизоров. Эти экраны были закрыты алюминиевыми фольгами различной толщины. Излучение экранов регистрировалось фотоэлектронными умножителями. Их сигнал передавался на запоминающее телеметрическое устройство. С помощью данной аппаратуры были зарегистрированы интенсивные электронные потоки. Иногда они были столь интенсивными, что превосходили верхний предел измерений аппаратуры. В этих условиях показания прибора выходили за пределы шкалы измерений (аппаратура «зашкаливалась»). Редко отсутствовали сигналы на пороге чувствительности аппаратуры. Когда аппаратура не была «зашкалена», по характеру соотношения сигналов от индикаторов с фольгами различной толщины можно было предполагать, что энергия электронов достигала 10 тысяч электронвольт. В момент «зашкаливания» приборов их энергия могла быть и больше. Если приписать электронам указанную выше энергию, то поток энергии на пороге чувствительности составлял около одной миллионной доли полной солнечной энергии, падающей на один квадратный сантиметр земной поверхности. В момент «зашкаливания» приборов эта доля возрастала до одной тысячной. Интенсивность электронных потоков непрерывно изменялась: она увеличивалась с высотой и над высокими геомагнитными широтами. Указанные электроны не могут быть непосредственно солнечными корпускулами, так как их скорость много выше той, которая установлена для солнечных корпускул по наблюдению полярных сияний. Они, скорее всего, могут быть объяснены указанным выше процессом ускорения электронов во внешней атмосфере за счет переменных геомагнитных полей.

Небезынтересно отметить, что прибор для регистрации космических фотонов не смог зарегистрировать таких частиц из-за сильных помех от рентгеновского излучения, возникающего при облучении корпуса спутника жесткими электронами. Этот прибор вместо информации о космических фотонах дал ценную дополнительную информацию о не особенно жестких электронах внешней атмосферы, существование которых ранее подвергалось серьезному сомнению.

Обнаруженное явление представляет большой интерес для физики верхней атмосферы. Оно может объяснить ряд аномалий в ионосфере и быть дополнительным источником разогревания верхней атмосферы над полярными районами Земли.

Результаты работы солнечных батарей

Длительное проведение многих научных экспериментов на искусственном спутнике Земли ограничивается электрической емкостью источников тока. Поэтому особое значение приобретает опыт использования солнечных батарей в качестве новых источников питания.

На третьем искусственном спутнике Земли, помимо солнечных батарей, предназначенных для питания радиопередатчика «Маяк», были установлены экспериментальные солнечные батареи, позволившие выяснить условия работы солнечных батарей в космосе.

Такие батареи, состоящие из большого числа кремниевых фотоэлементов, преобразуют солнечную радиацию непосредственно в электрическую энергию. Кремниевый фотоэлемент — это тонкая пластинка (толщиной менее одного миллиметра) сверхчистого монокристаллического кремния. Она состоит из двух областей, обладающих противоположными механизмами проводимости. Коэффициент преобразования солнечной энергии фотоэлемента составляет 9—11 процентов, а напряжение одного элемента — около 0,5 вольта.

Экспериментальные солнечные батареи расположены на двух противоположных сторонах корпуса спутника. По их показаниям выяснились скорость метеорной эрозии и изменение температуры солнечной батареи при нахождении ее на Солнце или в тени. Наблюдения показали, что в соответствии с расчетами средняя температура кремниевых преобразователей колебалась между 16 и 30 градусами Цельсия. Таким образом, при рационально выполненной конструкции не приходится опасаться выхода из строя фотоэлементов в результате перегрева. Обработка данных, связанных с метеорной эрозией, говорит о том, что стирание покрытий, защищающих поверхность солнечных батарей, происходит медленно и также не может служить причиной быстрого выхода батареи из строя.

Работа радиопередатчика «Маяк», питающегося от солнечных батарей по настоящее время, подтверждает, что космические излучения, по-видимому, также не представляют большой опасности для солнечной батареи. Солнечная батарея для питания «Маяка» размещалась в виде отдельных секций на поверхности спутника. Четыре малые секции установлены на переднем днище, четыре — на боковой поверхности и одна — на заднем днище. Все секции были включены параллельно друг другу через диоды.

При прохождении спутника в лучах солнца питание радиопередатчика осуществляется от солнечных батарей. При движении спутника в земной тени передатчик питается от электрохимических источников тока. Переключение с одного вида питания на другое осуществляется автоматически.

Положительные результаты эксперимента по прямому преобразованию солнечной энергии в электрическую вне земной атмосферы, проведенного в большом масштабе на третьем спутнике Земли, имеют важное значение для обеспечения режима работы научной аппаратуры в течение длительного времени.

Результаты исследований, полученные с помощью третьего советского искусственного спутника Земли, намного расширили наши знания о верхних слоях атмосферы и прилегающем космическом пространстве. Впервые человек с помощью тончайших приборов произвел исследования в недоступных ранее областях Вселенной.

Эти исследования уже сейчас коренным образом меняют наши представления о верхних слоях атмосферы.

Величайшая заслуга советских ученых состоит в том, что они сумели создать мощные спутники, оснащенные совершенной научной аппаратурой, надежно работающей в условиях космического полета.

«Правда», 5 октября 1958 г.