/
Author: Кинг-Хили Д.
Tags: кораблестроение космос космонавтика издательство иностранной литературы строение космоса спутники земли
Year: 1963
Text
Искусственные
СГ1УТНИКИ
НАУЧНЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ
SATELLITES
AND
SCIENTIFIC RESEARCH
DESMOND KING-HELE
Senior Principal Scientific Officer
Royal Aircraft Establishment, Farnborough
LONDON
ROUTLEDGE & KEGAN PAUL
1962
Д. Кинг-Хили
ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ
и
НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Перевод с английского
И. /7. Словохотовой
Под редакцией
А. Г. Масевич
ИЗДАТЕЛЬСТВО ИНОСТРАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Москва 1963
Запуск искусственных спутников Земли, осуществленный впер-
вые в нашей стране, необычайно повысил интерес широких кругов
читателей к кругу проблем, разрешаемых при помощи спутников,
которые сложно кратко охарактеризовать вопросом: «Зачем запу-
скают искусственные спутники?» Автор книги, английский ученый,
в популярной, доходчивой форме и в то же время на высоком
научном уровне дает ответ на этот вопрос.
Первая половина книги посвящена движению искусственных
спутников (условия выведения на орбиту, характеристики орбит
и т. п.). Во второй половине книги рассказано о научных иссле-
дованиях, проводимых с их помощью (исследование верхних слоев
атмосферы Земли, метеорных частиц, коротковолнового излучения
Солнца и звезд и т. д.).
Книга написана четким, доходчивым языком и рассчитана на
широкие круги читателей. В то же время высокий научный уро-
вень изложения делает эту книгу интересной и для специалистов,
желающих ознакомиться с научными исследованиями при помощи
искусственных спутников Земли.
Редакция астрономии и геофизики
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Предлагаемая читателю книга является очень хоро--
шим доступным изложением теории движения искусст-
венных спутников Земли, способов их наблюдения и
использования результатов наблюдений для научных
целей. Подробно и в то же время в достаточно популяр-
ной форме излагается метод вычисления орбит искусст-
венных небесных тел, анализ эволюции орбит для опре-
деления величины сжатия земного шара, плотности
атмосферы на различных высотах, поля тяготения Земли.
Автор книги с 1957 г. руководит эфемеридной служ-
бой спутников в Англии. Ему принадлежит интересное
видоизменение метода вычисления элементов орбит
спутников; одним из первых он провел подробные рас-
четы плотности атмосферы по всем существующим спут-
никам и исследовал систематические изменения плотно-
сти в зависимости от освещенности атмосферы Солнцем
и от солнечной активности. Эти работы Д. Кинг-Хили
получили широкое признание мировой научной обще-
ственности.
Ко второму изданию автор написал дополнительную
главу, в которой приведены результаты научных экспе-
риментов, полученных с помощью спутников и космиче-
ских ракет до конца 1961 г.
Более подробно научные результаты советских кос-
мических экспериментов изложены в книге С. Г. Алек-
сандрова и Р. Е. Федорова «Советские спутники и
космические корабли», изд. 2, АН СССР, М., 1961 г., и
в периодических изданиях: «Искусственные спутники
6 Предисловие редактора перевода
Земли», изд. АН СССР, и «Бюллетень станций оптиче-
ских наблюдений искусственных спутников», Астрономи-
ческий совет АН СССР, Москва.
Книга «Искусственные спутники и научные исследо-
вания» дает читателю хорошее представление о том гро-
мадном скачке, который совершила современная наука
с помощью новых орудий исследования — искусствен-
ных небесных тел, и о перспективах дальнейшего изуче-
ния космического пространства.
А. Масевич
Февраль
1963 г,
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Второе издание содержит текст первого из-
дания (главы 1—IX), перепечатанный лишь с
незначительными изменениями, новую X главу
«Современные достижения», которая состоит
из разделов, озаглавленных так же, как главы
первого издания; предполагается, что они бу-
дут читаться сразу после соответствующих ос-
новных глав. Новая глава охватывает собы-
тия между серединой 1959 г. и сентябрем
1961 г.
Я очень признателен всем, кто предвари-,
тельно прочел новую главу и высказал крити-
ческие замечания (большинство из них упо-
мянуты в предисловии к первому изданию), а
также Джэнис Хьюгс. Хочу, кроме того, по-
благодарить редакторов журнала «Nature» за
разрешение воспроизвести диаграммы, опу-
бликованные в этом журнале.
Д. Кинг-Хили
Фарнхэм,
октябрь 1961 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ
Многие считают, что деньги, потраченные на запуски
спутников в космос, лучше было бы использовать для
повышения жизненного уровня людей на Земле. «Какая
от спутников польза?» — спрашивают скептики. Именно
на этот вопрос и пытается ответить автор книги, изла-
гая важные научные результаты, которые уже были
получены с помощью спутников. И нужно подчеркнуть,
что многие из этих открытий достались «бесплатно»,
благодаря наблюдениям за спутниками, запущенными
другими государствами.
Книга написана по возможности не специальным тех-
ническим языком, и немногочисленные формулы, кото-
рые в ней приведены (главным образом в главе I), мо-
гут быть опущены при чтении без ущерба для смысла.
Те читатели, которые захотят изучить предмет более ос-
новательно, найдут здесь основные формулы.
Первые две главы книги — вводные: в главе I рас-
сматривается история жизни типичного спутника и за-
кономерности его движения; глава II описывает уже за-
пущенные спутники. В следующих двух главах сказано,
как наблюдаются спутники и как они используются для
научных исследований. В главах V—IX * обсуждаются
сделанные к настоящему времени открытия, касающие-
ся Земли, верхней атмосферы и околоземного космиче-
ского пространства.
Я очень признателен моей жене Мэри, а также До-
рин Уокер и Гарри Хиллеру, которые прочли мою книгу
в рукописи и помогли устранить в ней целый ряд недо-
Предисловие к первому изданию
9
статков. Кроме того, я в долгу перед моими коллегами,
которые читали книгу частично или полностью в руко-
писи и сделали ряд критических замечаний; я особенно
благодарен доктору Дж. А. Вилкинсу и мистеру Дж.
Е. Тейлору из Королевской Гринвичской обсерватории
в Херстмонсо, Р. X. Мерсону, В. Т. Блэкбэнду и Г. Е. Ку-
ку из Королевского военно-воздушного исследователь-
ского центра в Фарнборо. Я хочу поблагодарить за
помощь в получении иллюстраций М. Аллана из Дан-
фермлайна (фото I и III), подполковника военно-воз-
душных сил США Д. Г. Генри (фото II и VI) и док-
тора Г. Ернефельта, директора астрономической обсер-
ватории в Хельсинки (фото V). Благодарю также сэра
А. В. Гарвея за разрешение перепечатать часть статьи,
написанной для «ШВА Journal», редакторов журнала
«Nature» за разрешение воспроизвести диаграммы и вы-
держки из моей статьи, опубликованной в этом журнале,
и, наконец, доктора Л. Г. Яккия, позволившего мне ис-
пользовать рис. 50 до того, как он был опубликован.
Д. Кинг-Хили
Фарнхэм,
апрель 1959 г.
История жизни спутника
Ни ног, ни крыльев, ни плавников
Не надо для странствий по сферам послушным.
Саузи «Проклятие Кехама»
|^огда несущая спутник ракета поднимается над зем-
** лей, как бы балансируя на языке пламени, выры-
вающемся из ее двигателя, — это начало процесса само-
пожертвования родителей, невиданного в царстве жи-
вотных. Запуская спутник, ракета-носитель растрачивает
всю мощь своих двигателей и расходует почти все
свое собственное вещество. Ее опустошенная оболочка
падает обратно на Землю, а спутник начинает новую
жизнь с черной неблагодарности. Процесс запуска яв-
ляется для спутника короткой и стремительной прелю-
дией к продолжительному существованию на орбите.
Но спутник не освободился от власти Земли, и, подобно
всем земным существам, он возвращается на Землю, воз-
можно, даже в виде пыли и пепла из-за «горячего» при-
ема, ожидающего его при вхождении в атмосферу.
Эта глава описывает все три фазы жизни спутника:
запуск, долгое пребывание на орбите и возвращение на
Землю.
ЗАПУСК
Цель запуска заключается в том, чтобы в намечен-
ном месте сообщить спутнику необходимую скорость, и,
прежде чем детально обсуждать этот период в жизни
спутника, нам нужно выяснить, какая для этого тре-
буется скорость и почему. Когда спутник движется по ор-
бите, на него воздействует только одна сила — земное
притяжение (т. е. сила тяжести) при условии, что
12
Глава I
спутник летает достаточно высоко и не испытывает атмо-
сферного торможения. Под действием силы тяжести лю-
бой предмет, освобожденный недалеко от Земли, упадет
за первую секунду примерно на 4,9 м. Представьте себе,
что вы, стоя на вершине отвесной скалы над морем, бьете
по мячу для гольфа в сторону моря и он летит гори-
зонтально со скоростью, скажем, 30 м/сек. За одну се-
кунду он пролетит вперед 30 м под действием вашего
удара и опустится на 4,9 м вниз под влиянием силы тя-
жести, как показано на рис. 1,а. Если бы вы захотели
Рис. 1. Сброшенный со скалы сильным ударом мяч для гольфа
за 1 сек пролетит 30 м вперед и опустится на 4,9 м под действием
силы тяжести (а). Для того чтобы превратиться в спутник, мяч
должен за 1 сек пролететь такое расстояние, чтобы уровень моря
опустился также на 4,9 м из-за кривизны земной поверхности (б).
Расстояние АВ должно быть около 8 км.
превратить этот мяч в спутник, вы должны были бы
найти скалу, возвышающуюся над земной атмосферой,
и ударить по мячу с такой силой, чтобы в конце первой
секунды, когда мяч опустился на 4,9 м ниже своей пер-
воначальной горизонтальной линии, он достиг такой
точки, где уровень моря из-за кривизны земной поверх-
ности также понижается на 4,9 м. Тогда мяч останется
на такой же высоте над поверхностью моря и будет дви-
гаться вокруг Земли как спутник. Высота скалы в этом
случае должна быть больше 80 км для того, чтобы не
было атмосферного торможения (рис. 1,6).
С какой силой нужно ударить мяч, чтобы добиться
такого результата? В первую секунду полета он должен
пройти расстояние, равное АВ на рис. 1,6, т. е. расстоя-
ние до линии горизонта для точки В, которая располо-
История жизни спутника
М3
жена на высоте 4,9 м над уровнем моря. Расстояние до
горизонта определяется по формуле
3,57 Уй км,
где h — высота в метрах. Таким образом, если высота
равна 4,9 м, то горизонт находится на расстоянии 7,85 км
от наблюдателя. Если мяч брошен со скалы со скоро-
стью 7,85 км/сек, он, следовательно, будет двигаться во-
круг Земли на высоте около 80 км по круговой орбите.
На высоте 80 км спутник сильно тормозится атмо-
сферой; чтобы избежать этого, высота спутника должна
быть много больше — скажем, 320 км. Необходимая ско-
рость тогда понижается до 7,7 км/сек, потому что сила
тяжести ослабевает с высотой, и за 1 сек мяч упадет
только на 4,6 м вместо 4,9 м, Рис. 2 показывает, какие
скорости необходимы для запуска на круговые орбиты
любой высоты до 1600 км. Скорость v можно получить,
если приравнять ускорение спутника по направлению к
центру Земли v2/r, где г — его расстояние от центра Зе-
мли, к ускорению силы тяжести на этом расстоянии
9,8 R2/r2 м/сек2, где R— радиус Земли (6378 км). Тогда
получается
= 7,91 ]/"у- км/сек.
Если известна скорость, можно найти период обра-
щения спутника Т, поделив длину окружности 2ur на
скорость v:
Т — 84,4 мин.
Значения Т нанесены на кривой рис. 2. Из графика вид-
но, что чем ближе спутник к Земле, тем скорее он обра-
щается вокруг нее. Это получается отчасти потому, что
в этом случае длина одного витка спутника меньше, а
отчасти потому, что скорость его больше, как это видно
из уравнения для v.
Круговая скорость — основная характеристика любой
орбиты. Если скорость в точке выхода на орбиту значи-
тельно меньше, чем это требуется для круговой орби<
ты, тогда предполагаемый спутник упадет обратно на
14
Глава 1
Землю. При скорости лишь немного меньше требуемой
спутник только приблизится к Земле, двигаясь по эл-
липсу, который ближе всего подходит к Земле в точке,
Рис. 2. Скорость, необходимая спутнику для движения по круговой
орбите на высотах до 1600 км. Числа, нанесенные на кривой, ука-
зывают период обращения в минутах.
противоположной точке выхода на орбиту. Если же ско-
рость больше круговой, спутник под действием добавоч-
ной движущей силы поднимется во время полета на
История жизни спутника
15
большую высоту и орбита его будет эллипсом с мини-
мальной высотой в точке выхода на орбиту (рис. 3).
Скорость на эллиптической орбите наибольшая, ко-
гда спутник ближе всего к Земле. Если а — среднее
Рис. 3. Возможные траектории тела, которому в точке Р придана
горизонтальная скорость. Если достигнута соответствующая кру-
говая скорость, орбита будет окружностью (Л). Если скорость
немного больше, орбита будет эллипсом (В) с минимальной высотой
в точке Р и максимальной высотой над точкой Q, противополож-
ной Р. Если скорость немного меньше круговой, орбита будет
эллипсом (С) с максимальной высотой в точке Р и минимальной
высотой над точкой Q. Если скорость намного меньше круговой,
тело упадет на Землю (£>).
расстояние спутника от центра Земли, скорость о-в лю-
бой точке эллиптической орбиты получается по формуле
-0 = 7,91
R /
— км)сек,
где г—расстояние от центра Земли — меняется по мере
того, как спутник движется по эллипсу. На рис. 4 пока-
зано, как меняется скорость. Если, например, средняя
высота равна 960 км, то скорость спутника меняется при-
мерно от 8,0 км/сек на минимальной высоте 320 км до
16
Глава I
6,7 км[сек на максимальной высоте 1600 км. Из рис. 4
видно, что, если спутник выведен на орбиту на высоте
между 160 и 640 км, его скорость вначале должна быть
Р и с. 4. Скорость спутника, движущегося по эллиптической орбите,
при различных значениях средней высоты. Если, например, высота
меняется от 320 до 960 км (средняя высота 640 км), тогда ско-
рость меняется от 7,9 км/сек на минимальной высоте 320 км до
7,2 км/сек на максимальной высоте 960 км.
близка к 8 км)сек независимо от того, по какой орбите
он будет двигаться — по круговой или эллиптической.
Поэтому цель запуска—доставить спутник на заданную
История жизни спутника
17
высоту и послать его горизонтально со скоростью при-
близительно 8 км/сек. Удар со скалы по мячу для голь-
фа, конечно, не метод для запуска спутника, потому что
не существует таких высоких скал и потому что самый
сильный игрок может придать мячу скорость не более
сотни метров в секунду.
Мы располагаем более совершенными средствами для
запуска спутников, так как человек еще с незапамятных
времен тратил много энергии на изобретение способа
ускорить полет снарядов, чтобы они стали более эффек-
тивным военным оружием. Мирный спутник имеет ужас-
ных предшественников: копье, бросаемое рукой, пущен-
ную из лука стрелу, пушечное ядро, винтовочную пулю,
16-дюймовое морское орудие, ракету Фау-2. Скорость
третьего в этом списке оружия — пушечного ядра — и
близко не подходит к скорости спутника, и Самюэль
Батлер до некоторой степени преждевременно писал в
«Худибрасе» о пушечном ядре, что, когда
Им выстрелили точно вверх,
К большому изумленью всех
Такой достигло высоты,
Что, утверждают мудрецы,
Ему к земле возврата нет —
Осталось там, где Магомет.
Однако нет необходимости исправлять его описание это-
го объекта, который выглядел бы так:
Когда бы в солнечных лучах
Оно купалось в небесах,
А не в тени земной скрывалось —
Ядро бы нам звездой казалось.
В действительности скорость даже последнего в этом
списке оружия — ракеты Фау-2, равная 1,6 км/сек, еще
очень далека от скорости спутника 8 км/сек. На этом
примере хорошо видно, как убыстряется развитие науки:
человеку потребовались тысячи лет для того, чтобы
преодолеть интервал от 30 м/сек (копье) до 1,6 км/сек
(Фау-2), и меньше пятнадцати лет на гораздо больший
интервал — от 1,6 до 8 км/сек.
Такое эффективное продвижение за последние два-
дцать лет оказалось возможным благодаря ракетному
2 Зак. 1274
18
Глава I
двигателю, который гораздо лучше подходит для этой
цели, чем пушка или мотор самолета. Пушка не годится
потому, что, хотя снаряд и имеет очень высокую ско-
рость при выходе из ствола, он быстро тормозится со-
противлением атмосферы, поскольку снаряд движется
на небольшой высоте, в плотном воздухе. С другой сто-
роны, ракета часто стартует очень медленно: если бы
гоночный автомобиль и межконтинентальная ракета
стартовали одновременно, машина, вероятно, обогнала
бы ракету в первые полминуты. Ракета развивает боль-
шую скорость только на большой высоте, где воздух
очень разрежен и оказывает малое сопротивление. От-
сюда ясно, почему потребляющий воздух двигатель —
турбореактивный или обычный поршневой — непригоден
для спутникрв: силовая установка должна развивать
наибольшую мощность на больших высотах, где воз-
душно-реактивный двигатель совершенно не может ра-
ботать из-за малого количества воздуха. Ракете же раз-
долье в безвоздушном пространстве, так как воздух
только мешает ей. Ракета — наиболее автономная из
всех видов машин. Она несет с собой все, что необхо-
димо для ее работы. Ракетным топливом может быть
как твердое вещество, так и жидкость или газ, но, как
правило, большие ракеты используют два вида жидкого
топлива: керосин и жидкий кислород. Они содержатся в
отдельных баках, а затем накачиваются в камеру сгора-
ния, приспособленную для очень высоких температур.
Там они взаимодействуют друг с другом, превращаясь
в раскаленные газы, которые уходят через выходное
сопло. При этом их тепловая энергия, возникшая как ре-
зультат хаотических столкновений молекул, в значитель-
ной степени переходит в более полезную форму — струю
газа, в которой большинство молекул движется прибли-
зительно в одинаковом направлении. Сила отдачи выхо-
дящей струи движет ракету вперед.
Чтобы проиллюстрировать принцип реактивного дви-
жения, мы можем снова привлечь мячи для гольфа.
Представим себе нагруженный мячами грузовик; он не
может двигаться по гладкой ледяной дороге. Но если
все-таки шофер во чтобы бы то ни стало захочет его
сдвинуть, он может это сделать, приводя в движение не
История жизни спутника
19
сам грузовик, а мячи для гольфа. Если шофер преду-
смотрительно захватил с собой биту, он может вы-
брасывать мячи назад один за другим, и тогда воз-
никает небольшая сила, заставляющая грузовик дви-
гаться вперед все время, пока шофер продолжает бро-
сать мячи. К тому времени, когда израсходуется запас
мячей (и силы шофера!), грузовик уже будет двигаться
быстро. Если, например, пустой грузовик весит 2 т, его
груз — 4 т, а мячи выбрасываются со скоростью 30 м/сек,
грузовик приобретает скорость 120 км/час (при условии,
что сопротивлением воздуха можно пренебречь и что
трение на льду отсутствует). «Стрельбу» мячами можно
сравнить со струей вырывающихся из ракеты газов, а
грузовик —с самой ракетой. Такой метод движения, раз-
умеется, шоферам не рекомендуется применять на прак-
тике, но он наиболее удобен за пределами земной атмо:
сферы, где сопротивление воздуха и трение практически
отсутствуют. Выбрасываемая ракетой струя гораздо
сильнее, чем «стрельба» мячами для гольфа; в случае
когда топливом служат керосин и жидкий кислород,
выбрасываемая струя имеет скорость 2,4 км/сек. Ско-
рость vM, развиваемая реактивным снарядом, зависит от
скорости выбрасываемых газов vE и отношения масс сна-
ряда: его начального веса mQ (с топливом) к его конеч-
ному весу mi (когда все топливо сгорело) !)« Формула
для vM имеет вид
На рис. 5 показано, как меняется скорость снаряда в за-
висимости от соотношения масс, когда vE = 2,4 км/сек
(сплошная линия). Эта формула верна только в том
случае, когда сила тяжести и атмосферное торможение
отсутствуют. На рис. 5 указана также скорость, кото-
рая достигается на практике, с учетом потерь из-за силы
тяжести и торможения (пунктирная линия).
Попробуем, однако, на минуту пренебречь этими по7
терями и посмотрим внимательно на сплошную кривую
!) Точнее, /я0 и тх — соответственно начальная и конечная
массы, а не веса.
2*
20
Глава I
на рис. 5. Мы видим, что, если отношение масс равно 3,
т. е. на топливо приходится 2/з общего веса, снаряд до-
стигает скорости 2,65 км/сек. И каждые добавочные
Рис. 5. Скорость, развиваемая реактивным снарядом после выгора-
ния всего топлива (сплошная кривая). Отношение масс — это
начальный вес ракеты, деленный на вес после того, как все
топливо выгорело. Если учесть потери, вызванные силой тяжести
и атмосферным торможением, то значения скорости соответствуют
пунктирной линии.
2,65 км/сек требуют увеличения отношения масс втрое.
Следовательно, для достижения скорости 5,3 км/сек от-
ношение масс должно равняться 9, а для скорости
История жизни спутника
21
7,95 км/сек— уже 27. Нелегко построить ракету с отно-
шением масс 9. Это значит, что 89% начального веса
должно приходиться на топливо и только 11 % остаются
для двигателя, топливных баков, системы управления,
самого корпуса ракеты, полезного веса и некоторого
!\
— 2500кг
~475О0кг
Рис. 6. Сравнение одноступенчатой и
двухступенчатой ракет весом по 50 000 кг.
количества топлива, которое не выгорает до конца и
остается в баках и трубах. Гораздо труднее получить
отношение масс, равное 27, так как в этом случае топливо
должно составлять более 96% общего веса и только ме-
нее 4% остается на все прочее. Поэтому в настоящее
время, когда в качестве топлива применяется керосин и
жидкий кислород, невозможно превратить в спутник всю
ракету, поднимающуюся с Земли. Вместо этого необхо-
димо применять многоступенчатые ракеты или отбрасы-
вать во время полета ненужные части ракеты, такие, как
баки для горючего.
Для того чтобы проиллюстрировать преимущества
многоступенчатой ракеты, давайте сравним две ракеты
одинакового веса, скажем по 50 000 кг, одну двухступен-
чатую, другую одноступенчатую (рис. 6). Далее предпо-
ложим, что спутнику нужно сообщить скорость 8 км/сек
22
Глава 1
и что каким-нибудь остроумным способом удалось в ка-
ждой ступени свести вес конструкции, двигателя и т. д.
до 5% веса всей ступени. Вес конструкции и т. д. одно-
ступенчатой ракеты будет составлять 5% от 50 000 кг,
т. е. 2500 кг; пусть также ее полезный вес составляет
5 кг. Тогда отношение масс будет равно начальному весу
(50000 кг), деленному на вес ракеты, когда все пригод-
ное топливо выгорело (2505 кг), т. е. примерно 20. С по-
мощью рис. 5 мы находим, что конечная скорость соста-
вит только 7 км/сек, так что даже крошечный полезный
вес 5 кг не сможет стать спутником. Теперь обратимся
к двухступенчатой ракете, состоящей из первой сту-
пени весом 45 000 кг и второй ступени весом 5000 кг.
Вес конструкции первой ступени составит 5% от общего
веса, т. е. 2250 кг, и вес всей ракеты после того, как вы-
горит топливо первой ступени, будет, следовательно, ра-
вен весу второй ступени (5000 кг) плюс то, что осталось
от первой ступени (2250 кг), т. е. всего 7250 кг, что дает
отношение масс 50 000:7250 = 6,9. Как следует из гра-
фика, такое отношение масс дает скорость 4,7 км/сек.
Затем, когда первая ступень отбрасывается; вторая сту-
пень уже движется со скоростью 4,7 км/сек, и ей недо-
стает только 3,3 км/сек до орбитальной скорости 8 км/сек.
Как видно из рис. 5, вторая ступень должна обладать
отношением масс, равным 4, для того чтобы ее скорость
возросла на 3,3 км/сек. Так как ее полный вес равен
5000 кг, то нужно, чтобы вес после сгорания топлива со-
ставлял 5000:4 = 1250 кг. Сюда входят конструкция,
полезный вес и т. д. Мы уже определили, что конструк-
ция и т. д. должны составлять 5% от общего веса, рав-
ного 5000 кг, т. е. 250 кг. Таким образом, для полезного
веса, т. е. для спутника, остается 1000 кг. Итак, одно-
ступенчатая ракета не может вывести на орбиту даже
спутник весом 5 кг, в то время как с помощью двухсту-
пенчатой ракеты такого же веса можно запустить спут-
ник весом 1000 кг.
Приводя это сравнение между одно- и двухступенча-
той ракетами, я умышленно допустил некоторое упро-
щение. В частности, я не учитывал потерю скорости в
результате торможения и тяготения, из-за чего запущен-
История жизни спутника
23
ный на орбиту вес был бы гораздо меньше 1000 кг. Но
эти детали не меняют общей картины.
Все сказанное до сих пор относится к типичному со-
временному топливу со скоростью истечения около
2,4 км/сек. Чтобы вывести на орбиту более тяжелый
спутник, требуется более эффективное топливо. Такое
топливо существует, и можно получить скорость истече-
ния до 3,2 км/сек, если кислород в системе керосин —
кислород заменить более активным окислителем. Такие
окислители пока не имеют широкого применения, потому
что ими трудно управлять. Два наиболее сильных из
них — жидкий озон, который обладает прискорбной тен-
денцией самопроизвольно взрываться, и жидкий фтор,
энергично взаимодействующий почти со всеми вещест-
вами, включая стекло и большинство металлов.
Этих проблем, возникающих в связи с управлением
высококачественными жидкими топливами, можно избе-
жать, если использовать твердое топливо, как в обыч-
ном фейерверке. Наилучшее твердое топливо, например
состоящее главным образом из перхлората аммония, мо-
жет дать струю со скоростью истечения почти такой же,
как у современного жидкого топлива — около 2,4 км/сек.
Но такой маленький вес конструкции (5%), ио-види-
мому, неосуществим в случае ракеты, работающей на
твердом топливе, которая, следовательно, будет обла-
дать худшими летными свойствами. Однако относитель-
ная простота ракет на твердом топливе является боль-
шим преимуществом, и последние ступени .ракет четырех
первых американских спутников работали на твердом
топливе. Их использование приводит к более низким по-
казателям, чем те, которые мы принимали в нашем сра-
внении одно- и двухступенчатой ракет. И действительно,,
у первых американских спутников полезный вес, т. е.
сам спутник с приборами, был очень мал и составлял
только около 1/5000 общего веса.
Прежде чем закончить раздел о ракетных двигате-
лях, следует перечислить наиболее перспективные моде-
ли двигателей, которые не зависят от химической энер-
гии топлива. Возможный вариант—применение ядерного
реактора как источника тепла. В реактор можно ввести
рабочую жидкость, например водород, который выбра-
24
Глава I
сывается через выходное сопло в виде горячего газа
обычным способом. Такой двигатель на ядерном горю-
чем был бы вдвое эффективнее обычного, если бы его
можно было построить, но так как реактор очень тяжел,
его можно было бы использовать только на самых боль-
ших ракетах типа космических кораблей. Другой воз-
можный вариант — ионная ракета, в которой заряжен-
ные частицы ускоряются электрическим полем; в этом
случае выходящая струя представляет собой скорее по-
ток частиц, чем газ. Для межпланетных путешествий, где
требуется очень маленькая тяга, потому что ее можно
прилагать в течение длительного времени, ионные раке-
ты представляются многообещающими. Но они не могут
обеспечить большую тягу, необходимую для преодоления
силы тяготения вблизи земной поверхности.
До сих пор мы предполагали, что при данном отно-
шении масс можно достичь определенной скорости; но
это верно только в том случае, если ракета поднимается
по оптимальной траектории.
Если траектория выбрана плохо, потеря в скорости
из-за тяготения и торможения будет гораздо больше/
чем указано на рис. 5. Хотя нелегко решить точно, ка-
кая траектория наилучшая, мы можем провести простое
сравнение и для начала пренебречь атмосферой и вра-
щением Земли.
Предположим, что требуется вывести спутник на кру-
говую орбиту на высоте 320 км, где скорость составляет
7,7 км/сек. Рассмотрим два крайних случая, изображен-
ных на рис. 7. Первый пример: почти горизонтальный
подъем, разгон до скорости немного больше круговой,
скажем до 7,9 км/сек, полет по инерции до орбитальной
высоты, затем снова включается двигатель, чтобы при-
дать ракете необходимую скорость 7,7 км/сек. Во время
полета по инерции теряется очень малая скорость, так
как подъем не крутой, и скорость в конце этого участка
траектории будет около 7,6 км/сек. Следовательно, тре-
буется добавочная скорость только 0,1 км/сек\ таким,
образом, необходима полная скорость 8,0 км/сек
(7,9 км/сек вначале и 0,1 км/сек на орбитальной высоте).
Рассмотрим второй пример: вертикальный подъем, оста-
новка в самой верхней точке, а затем горизонтальное.
История жизни спутника
25
движение. Для достижения высоты 320 км требуется на-
чальная скорость 2,4 км/сек. Затем надо добавить
7,7 км/сек в конце подъема, что в целом составляет
10,1 км/сек, в то время как первый способ требует толь-
ко 8,0 км/сек. Таким образом, следует предпочесть гори-
зонтальный старт; и в действительности он оказывается
наилучшим.
Основное преимущество горизонтального старта за-
ключается в том, что в этом случае потери в скорости
при подъеме гораздо меньше, если начальная скорость
в
Рис. 7. Две возможные траектории выведения спутника на орбиту,
а— горизонтальный старт, ракета разгоняется горизонтально до скорости 7,9 км/сек,
летит по инерции до орбитальной высоты, а затем приобретает орбитальную ско
рость; б —вертикальный старт: ракета поднимается вертикально, разгоняется до
скорости 2,4 км/сек, летит по инерции до остановки на орбитальной высоте,
а затем приобретает орбитальную скорость.
больше, так как подъем на определенную высоту требует
определенного количества кинетической энергии, а кине’
тическая энергия зависит от квадрата скорости. Это не-
трудно проиллюстрировать на более легком примере
(или точнее на более легком подъеме) с автомашиной.
Найдите короткий крутой подъем, на котором скорость
машины замедляется от 24 до 8 км/час, когда вы дви-
жетесь по инерции. Затем нужно разогнать машину до
скорости 48,5 км/час, выключить мотор перед подъемом
и дальше двигаться по инерции. Ваша скорость в конце
подъема будет 42 км/час. При большей начальной ско-
рости потери составляют только 6,5 км/час вместо
26
Глава I
16 км/час. Это же правило применимо к спутникам, и
даже в большей степени, так как спутники не должны
беспокоиться о безопасности в дороге. Спутники теряют
одинаковое количество кинетической энергии во время
замедления от 8,0 до 7,2, или от 4,8 до 3,4, или от 3,5 до
0 км/сек. В первом случае потеря составляет 0,8, во вто-
ром 1,4 и в третьем 3,5 км/сек.
Если же мы примем во внимание атмосферу, которой
так долго пренебрегали, мы найдем, что траектория с
горизонтальным стартом должна быть немного изме-
нена. Скорость ракеты не должна быть высокой во время
прохождения через плотные слои воздуха; поэтому вме-
сто того, чтобы двигаться точно горизонтально, она дол-
жна подниматься под небольшим углом до тех пор, пока
атмосфера не станет более разреженной. Однако для
ракет, не имеющих крыльев, предпочтительней вертикаль-
ный старт, и мы должны иметь в виду этот недоста-
ток. В таком случае наилучшей может оказаться комби-
нированная траектория: вертикальный подъем в тече-
ние непродолжительного времени до высоты, скажем,
1,5 км, затем постепенный поворот, так что траектория
становится более близкой к горизонтальной, до тех пор,
пока не выгорит все топливо; в это время ракета дви-
жется почти горизонтально со скоростью около 8 км/сек
на умеренной высоте, скажем 80 км. Затем она летит по
инерции до орбитальной высоты, проходя за это время
примерно одну треть оборота вокруг Земли, и неболь-
шая потеря в скорости во время движения по инерции
компенсируется кратковременным включением двигате-
лей на орбитальной высоте. Действительная траектория
очень похожа на ту, которая изображена на рис. 7, а,
так как короткий вертикальный подъем не заметен при
таком малом масштабе.
Следует подчеркнуть, что включение двигателей в
конце движения по инерции является не излишеством/
а необходимостью. Ведь если ракета будет двигаться по
инерции до орбитальной высоты, она неизбежно упа-
дет обратно на Землю, если не получит добавочного им-
пульса, потому что ее траектория, подобно траектории
свободно падающего тела, симметрична относительно
точки максимальной высоты. Или, иначе говоря, подбро-
История жизни спутника
27
шенное тело всегда падает обратно на землю, если дей-
ствует только сила тяжести.
Проходя через атмосферу, ракета всегда несколько
теряет скорость из-за атмосферного торможения, но на
оптимальной траектории эта потеря не превышает
0,3 км/сек. К счастью, другое свойство Земли — ее вра-
щение вокруг оси — помогает возместить эту потерю.
Так как Земля вращается с запада на восток со скоро-
стью 465 м/сек на экваторе (или 465 cos <р м/сек на лю-
бой другой широте ф), можно получить добавочную ско-
рость такой же величины, если запустить спутник с за-
пада на восток: все спутники, запущенные в течение
1957—1958 гг., использовали эту добавочную скорость.
Однако первые спутники двигались не по самой оп-
тимальной траектории. Спутник должен выйти на орби-
ту на большом расстоянии от точки запуска, если он
движется по самой оптимальной траектории; а чем боль-
ше расстояние, тем труднее контролировать эту послед-
нюю, жизненно важную фазу запуска. У первых .амери-
канских спутников типа «Эксплорер» первая ступень
двигателя достигала орбитальной высоты. Чтобы до-
стичь такой высоты в конце работы первой ступени при
сравнительно небольшой скорости, нужен очень крутой
подъем, и, следовательно, траектория была больше по-
хожа на вертикальный старт, чем на горизонтальный
(рис. 7). Как мы видели, недостаток такой траектории'
заключается в большой потере скорости во время дви-
жения по инерции. Если бы следующая ступень могла
работать непосредственно после первой ступени, то ско-
рость во время движения по инерции была бы выше и
меньше была бы потеря в скорости. Это условие невоз-
можно было осуществить для первых спутников «Экс-
плорер», потому что было решено использовать порохо-
вые двигатели с несложной системой управления на
последних ступенях: считалось, что лучше успешно за-
пустить маленький спутник, чем потерпеть неудачу при
запуске большого. Однако запуски гораздо более тяже-
лых спутников станут возможными, когда более тонкая
техника управления и контроля получит дальнейшее
развитие и можно будет производить запуск по опти-
мальной траектории.
28
Глава I
Если спутник должен быть точно выведен на задан-
ную орбиту, возникают некоторые трудно разрешимые
задачи управления и контроля. Возможны три ошибки:
в высоте, скорости и направлении. Если целью является
круговая орбита на высоте 320 км, а спутник в действи-
тельности выходит на орбиту на высоте 305 км, он при-
дет снова в ту же точку в конце первого оборота, повто-
ряя таким образом эту ошибку. Если же этого удалось
избежать, можно еще ошибиться в скорости и напра-
влении движения. Если направление точно горизонталь-
но, но скорость оказалась выше на 0,016 км/сек, высота
будет меняться между 320 км в точке выхода на орбиту
и 380 км в диаметрально противоположной точке орби-
ты. С другой стороны, если скорость сообщена спутнику
точно, а направление — с ошибкой 1°, высота его будет
меняться между 207 и 439 км, вместо того чтобы все
время быть равной 320 км.
Если требуется, чтобы высота не менялась более чем
на 32 км во время одного оборота, и все три источника
ошибок одинаково влияют на окончательную величину,
необходима точность 0,0053 км/сек — для скорости (или
19,3 км/час при полной скорости 27 800 км/час), 0°;08 —
для направления и 9,65 км — для высоты. Добиться та-
кой точности очень трудно, особенно в скорости и на-
правлении; в этом и заключается главная причина того,
почему орбиты спутников, запущенных в 1957—1958 гг.,
были очень далеки от круговых.
НА ОРБИТЕ
Большинство трудностей возникает во время самого
запуска спутника. Как только спутник окажется на ор-:
бите, впереди у него много миллионов километров безза-
ботного пути. Запуски спутников стоят очень дорого, но
зато после вывода на орбиту их содержание ничего,
не стоит, и если мы будем измерять их стоимость в ко-
пейках за километр пробега, подобно тому как это де-,
лается для самолетов, спутники окажутся самыми де-
шевыми из всех летательных аппаратов. Есть некоторый'
риск, что большой метеорит может нанести спутник/
История жизни спутника
29
смертельный удар; однако «воздушные линии» в косми-
ческом пространстве расположены гораздо дальше друг
от друга, чем трассы самолетов над Землей, и вероят-
ность подобных столкновений в космосе очень мала.
Движение спутников по орбите определяется почти
исключительно силой тяжести и атмосферой. Если бы
Земля была точно сферической формы и не имела атмо-
сферы, а притяжением Солнца и Луны можно было пре-
небречь, орбита спутника лежала бы все время в одной
Рис. 8. Если бы Земля была сферической, орбита спутника лежала
бы в плоскости, проходящей через центр Земли, причем положение
плоскости оставалось бы неизменным.
плоскости, проходящей через центр Земли, и положение
плоскости было бы неизменным 6 пространстве. Чтобы
представить это себе отчетливо, вообразите круглое
яблоко, разрезанное на две половинки, между которыми
проложен тонкий картон. Картон соответствует плоско-
сти, в которой лежит орбита. Затем вообразите, что в
картоне вырезано круглое отверстие в том месте, где
он соприкасается с яблочной кожурой. Тогда яблоко мо*
жет свободно вращаться, в то время как внешняя часть
картона остается неподвижной (рис. 8).
Если бы Земля была сферической и не имела^ атмо-
сферы, у спутника не было бы причины покинуть эту непо-
движную плоскость, так как единственная действующая
30
Глава I
на него сила — сила тяжести — тянула бы его к цен-
тру Земли, который лежит в той же плоскости. Таким
образом, спутник двигался бы в этой неподвижной пло-
скости, в то время как Земля под ним совершала бы
один оборот в сутки. Если бы период спутника соста-
влял, скажем, 91 мин (на орбите с высотой 320 км), то
за время одного оборота спутника Земля поворачива-
лась бы примерно на ’/16, что составляет около 23°, и
траектория спутника над земной поверхностью переме-
щалась бы примерно на 23° к западу за каждый оборот.
Кроме того, поскольку плоскость орбиты наклонена к
плоскости экватора под некоторым углом, спутник дви-
жется в определенных пределах по широте. Типичная
картина движения спутника над Землей при орбите, на-
клоненной к экватору под углом 60°, показана на рис. 9.
В действительности орбита несколько отличается от
той, которая изображена на рис. 8, так как Земля не
точно сферическая по форме, а слегка выпуклая у эква-
тора, а также из-за атмосферного торможения. К сча-
стью, эти две возмущающие силы по-разному влияют на
движение спутника, и поэтому их можно описать от-
дельно. Я начну с того эффекта, который вызывается
выпуклостью у экватора.
На первый взгляд может показаться, что гравитаци-
онное притяжение экваториального горба должно было
бы тянуть всю орбиту ближе к экватору и изменять угол,
под которым она пересекается с экватором, — наклоне*
ние орбиты, как его называют. Но в действительности
наклонение остается неизменным, в то время как пло-
скость орбиты медленно вращается вокруг земной оси
в направлении, противоположном вращению спутника.
Мы можем проиллюстрировать это явление на при-
мере с детской игрушкой — волчком. Когда такой вол-
чок наклоняется во время вращения, он не падает на
пол, а вместо этого «прецессирует», причем его ось
остается под неизменным углом к полу, но постоянно
вращается вокруг вертикальной линии, проходящей через
точку, где волчок касается пола (рис. 10). Как угол на-
клона оси волчка к полу остается неизменным, так и
наклонение плоскости орбиты спутника к экватору
остается постоянным; в первом случае действие силы
Рис. 9. Проекция траектории спутника на земную поверхность в течение суток. Первый оборот начинается
на широте 0° и долготе 0°. Изображенная орбита наклонена к экватору на угол 605, период обращения ра-
вен 91 мин. Каждый виток расположен на.23° западнее предыдущего, так как за 91 мин Земля поворачи-
вается на 23°.
32
Глава I
тяжести проявляется в прецессии волчка вокруг верти-
кали, во втором — экваториальный горб вызывает пре-
цессию плоскости орбиты вокруг земной оси.
Скорость X, с которой вращается плоскость орбиты,
зависит главным* образом от наклонения i орбиты к эк-
Вертикальная
линия
Пол
Рис. 10. Детский волчок при
вращении наклоняется, но
не опрокидывается, а пре-
цессирует, причем его ось
вращения сохраняет неиз-
менный наклон к полу, по-
ворачиваясь вокруг верти-
кальной линии.
ватору и определяется по сле-
дующей формуле:
Л” =9,97 (4)3,5cosz.
где а — среднее расстояние
спутника от центра Земли,
R — земной радиус, а X изме-
ряется в градусах в сутки1).
Если орбита круговая, среднее
расстояние а равно радиусу
окружности. Если спутник дви-
жется с запада на восток, как
это и бывает в действительно-
сти, плоскость поворачивается
с востока на запад. Рис. 11
показывает, что скорость вра-
щения орбиты может меняться
от 0° (в случае полярного
спутника) до 9° в сутки (в слу-
чае4 почти экваториального
спутника).
Рис. 11 помогает понять,
насколько смещается траекто-
рия спутника изо дня в день. Земля за солнечные
сутки поворачивается относительно звезд на 36Г,0 с за-
пада на восток, и, если бы плоскость орбиты не враща-
лась, спутник, подобно звездам, появлялся бы каждый
день в одно и то же время на Г западнее, чем накануне.
9 Более точная формула имеет вид
X = 9,97
а /
cos I
(I.-*2)2
где Re — экваториальный радиус Земли, равный 6378 км; е —
эксцентриситет орбиты (см. стр. 39); коэффициент 9,97 зависит от
принятого значения сжатия Земли.
История жизни спутника
33
Но в действительности плоскость тоже поворачивается
на X градусов к западу, поэтому спутник оказывается
Рис. 11. Скорость вращения плоскости орбиты спутника вокруг
земной оси X, вызванного экваториальным горбом Земли. Числа на
кривых указывают среднюю высоту спутника над земной поверх-
ностью. На рисунке вверху справа изображена орбита спутника
вокруг сферы, радиус который равен земному, но сфера не вра-
щается. В результате вращения плоскости орбиты точка В, в кото-
рой орбита пересекает плоскость экватора, постоянно движется
к западу со скоростью X градусов в сутки. (Точка В перемещается
к востоку, если спутник движется с востока ва запад.)
на 1 + X градусов дальше к западу (или на 1—X гра-
дусов, если спутник вращается с востока на запад). Од-
нако маловероятно, что спутник пройдет над каким-ни-
будь местом точно в то же самое время в разные дни;
3 Зак. 1274
34
Глава I
если он во второй день пересекает какую-либо широту
на п минут позже, чем в первый, он окажется еще даль-
ше к западу на п/4 градусов, так как Земля поворачи-
вается на V40 в минуту. Следовательно, полный сдвиг
к западу ежедневно составляет (1 + X + л/4) градусов.
Так, например, орбита с наклонением 65° и средней вы-
сотой 640 км, согласно рис. 11, будет перемещаться на
Рис. 12. Диаграмма, иллюстрирующая вращение эллиптической
орбиты в своей плоскости. Первоначально самая близкая к Земле
точка орбиты была над точкой А, потом переместилась к точке В.
X = 3,°0 в сутки. Если во второй день появление спут-
ника предсказано на 6 мин раньше, чем в первый, тогда
п — — 6, »и спутник пройдет в этот день на 1+3,0 —
— 1,5 — 2°,5 западнее.
Второй важный эффект, вызываемый экваториаль-
ным горбом Земли, заключается в том, что эллиптиче-
ская орбита постоянно поворачивается в своей плоско-
сти вперед для спутников с орбитами, близкими к эква-
тору, и назад для спутников, орбиты которых проходят
вблизи полюсов (этот эффект не сказывается на круго-
История жизни спутника
35
вых орбитах). Точка наибольшего приближения к Земле,
перигей, движется, таким образом, вперед или назад по
орбите, и широта перигея постоянно меняется (рис. 12).
Рис. 13. Скорость вращения эллиптической орбиты спутника
в своей плоскости, вызванного экваториальным горбом Земли.
Вращение в направлении движения спутника считается положи-
тельным. Числа у кривых указывают среднюю высоту спутника
над земной поверхностью.
Скорость вращения эллипса (в градусах в сутки) опре-
деляется по формуле
4,98(4)3’5(5c°sz—о.
Вращение происходит в том же направлении, в котором
Движется спутник, если i меньше 63°,4а в обратном
3*
36
Глава I
направлении, если i больше 63°,4, и отсутствует при
i = 63°,4. Для второго и третьего советских спутников,
наклонение которых было около 65°, перигей медленно
двигался назад по орбите со скоростью около 0°,4 в сут-
ки, и потребовалось около пяти месяцев, чтобы перигей
этих спутников переместился от своего первоначального
положения (на широте около +50°) к экватору. С дру-
гой стороны, если орбита наклонена к экватору лишь на
малый угол, перигей может за сутки перемещаться впе-
ред более чем на 15°.
Существуют и другие, не столь сильные возмущения,
вызываемые экваториальным горбом, которые нет необ-
ходимости рассматривать здесь; однако, прежде чем об-
суждать основные атмосферные эффекты, стоит все же
сказать о некоторых возмущениях, которыми можно пре-
небречь. Это, например, эффект замедления, вызывае-
мый заряженными частицами, но его можно включить
в атмосферное торможение. Гравитационное притяжение
Солнца и Луны более чем в 10 000 раз слабее действия
земного горба. Наконец, было бы более точно с фор-
мальной точки зрения пользоваться вместо ньютонов-
ского закона тяготения эйнштейновским, но различия,
которые при этом возникают, пренебрежимо малы.
Важный возмущающий эффект, который мы до сих
пор еще не рассматривали — влияние атмосферного
торможения, — забирает у спутника немного энергии, но
действует все время, пока спутник вращается, и в ре-
зультате этой «войны на истощение» спутник возвра-
щается на Землю, растратив свою энергию. Эффект тор-
можения для круговой орбиты сильно отличается от эф-
фекта для эллиптической орбиты. Рассмотрим сначала
круговую орбиту, потому что она представляет собой
идеальный случай и наиболее удобна с точки зрения
научной, а также потому, что эллиптическая орбита
становится почти круговой на последних оборотах спут-
ника.
Атмосферное торможение, действующее на спутник,
может быть выражено следующим образом:
(плотность) X (скорость)2 X (площадь сечения): 8,5,
История жизни спутника
37
если единицами измерения являются граммы, метры и
секунды. Тогда, если плотность равна 1,5 • 10-8 г/л!31),
скорость составляет 7300 м/сек, а площадь сечения (пер-
пендикулярного к направлению движения) равна 0,9 м\
сила торможения будет 0,09 г. Если спутник сфериче-
ский, тогда площадь сечения определяется легко, но если
он имеет цилиндрическую форму и к тому же все время
кувыркается, тогда нужно брать среднее значение.
Так как плотность атмосферы уменьшается по мере
подъема, любое увеличение высоты спутника ведет к
снижению торможения. Это общее правило и для кру-
говых и для эллиптических орбит: чем выше спутник,
тем дольше он проживет.
Что случается со спутником, двигающимся в пустоте
по круговой орбите, когда на него начинает действовать
атмосферное торможение? Во-первых, конечно, он будет
постепенно замедляться; но когда его скорость упадет
ниже орбитальной для его высоты, он немного опустится
(рис. 2). Как только это произойдет, вступает в действие
сила тяжести и ускоряет движение спутника на его но-
вой траектории, так как сила тяжести легко преодоле-
вает очень малое атмосферное торможение. Таким об-
разом, спутник начинает двигаться быстрее и скорость
возрастает по сравнению с ее первоначальным значением
до тех пор, пока не достигнет орбитальной скорости на
новой, несколько меньшей высоте. При этой скорости
исчезает тенденция опускаться и спутник снова дви-
жется горизонтально. Затем торможение опять начинает
его замедлять, и весь цикл повторяется снова. Общий
результат этого процесса заключается в том, что ско-
рость на любой высоте всегда остается очень близкой
к орбитальной для этой высоты и спутник медленно
опускается по спирали с постоянно увеличивающейся
скоростью. Но эта спираль очень близка к начальной
окружности, так как спутник может опускаться только
на несколько метров за один оборот.
Угол (в радианах) снижения спутника, находящегося
на круговой орбите, всегда равен удвоенному отношению
1) io”8 =_______‘_____
' 100 000 000
38
Глава /
торможения к весу (1 радиан = 57°,3). Так, если спут-
ник, движущийся по круговой орбите и весящий 1360 «г,
испытывает торможение 0,02 кг, мы сразу можем ска-
зать, что его угол снижения будет равен
2 • • 57°,3 « 0°,002.
Этот простой тип движения с углом спуска, опреде-
ляемым указанным выше способом, а также движение
со скоростью и периодом, соответствующими рис. 2, про-
должаются до тех пор, пока спутник не опустится до
высоты около 160 км. Ниже этого уровня начинается
заключительное катастрофическое падение. Из рис. 2
видно, что на этой высоте период обращения составляет
88 мин\ поэтому, когда период какого-либо спутника
уменьшается до 88 мин, мы знаем, что его жизнь подхо-
дит к концу.
Если первоначальная орбита не круговая, а заметно
эллиптическая, то эффект торможения вначале оказы-
вается совсем иным. Так как плотность воздуха быстро
падает с увеличением высоты, движущийся по эллипти-
ческой орбите спутник в самой близкой к Земле точке
(перигее) будет тормозиться гораздо больше, чем в са-
мой далекой точке (апогее). В действительности оказы-
вается, что торможением можно пренебречь везде, кро-
ме участка орбиты близ перигея. В результате торможе-
ния на этом коротком отрезке орбиты спутник несколько
теряет скорость. Это не меняет его минимальной вьь
соты, но уменьшает максимальную высоту по другую
сторону Земли (в апогее). Как мы уже видели, потеря
в скорости, равная 0,016 км/сек, уменьшит высоту в апо-
гее примерно на 60 км. Следовательно, атмосферное
торможение постепенно приближает эллиптическую ор-
биту к круговой, постоянно уменьшая высоту апогея и
чуть-чуть уменьшая высоту перигея.
На рис. 14 изображена форма эллиптической орбиты
на трех стадиях снижения спутника.
Период обращения Т спутника, движущегося по эл-
липтической орбите, определяется по той. же формуле,
что и для круговой орбиты, только изменяющееся рас-
стояние г от центра Земли заменяется средним расстоя-
История жизни спутника
,39
нием а между максимальным расстоянием от центра
Земли Гмакс и минимальным расстоянием гмин. Следова-
тельно, для эллиптической орбиты
~ о. л ( а\3/2
7 = 84,41^-) мин,
к I /*
где а= макС2 мип » a R — по-прежнему радиус Земли.
Мы опять видим, что если спутник снижается,.т. е. а
уменьшается, то период Т также будет уменьшаться.
гея убывает очень медленно. По средней орбите движется
спутник, проживший 50%, а по внутренней — 85% своей
жизни.
Чтобы определить, насколько эллиптическая орбита
отличается от круговой, полезно ввести эксцентриси-
тет е, который можно определить как разность между
40
Глава 1
максимальной и минимальной высотами спутника, делен-
ную на удвоенное среднее расстояние его от центра
Земли:
р '"макс гмин
2а
Если орбита круговая, то гмаКс = ''мин и е = 0. Если ор-
бита — сильно вытянутый эллипс, то гмин очень мало по
сравнению с гмаКс и среднее расстояние а приблизитель-
но равно гмакс/2; тогда е очень близко к единице. Эксцен-
триситет всякого эллипса лежит в этих пределах — от 0
до 1. Большинство первых спутников Земли имело экс-
центриситет меньше 0,2. Максимальное расстояние гмаКс
можно выразить через эксцентриситет е следующим
образом: гмакс = я(1 + е), а минимальное расстояние
МИН = Л ( 1 в) .
Достаточно точную оценку продолжительности жизни
спутника можно получить в начале его существования,
если известен начальный эксцентриситет его орбиты е0 и
е0 не превышает, скажем, 0,2, а период обращения изме-
рялся в течение нескольких дней. Полная продолжитель-
ность жизни спутника tL определяется по формуле
j ________________________ 3
х ’
где То — первоначальный период обращения, а х— су-
точное уменьшение периода. Если, например, е0 = 0,1,
То = ЮО мин и х = 0,05 мин в сутки, мы получаем tL =
= 150 дней и ошибка этой оценки продолжительности
жизни не превышает 15 дней.
Если tL известно, можно довольно точно предсказать
характер изменения периода Т и эксцентриситета е в
течение времени жизни спутника t. Изменения периода
Т со временем (рис. 15) определяются по формуле
1-4<-0(1-/1-^)
Т=то
а изменения эксцентриситета (рис. 16) —по формуле
е=еоу 1 —
Этими формулами нельзя пользоваться, если эксцентри-
ситет больше 0,2 или меньше 0,02. У всех восьми спут-
История жизни спутника
41
ников, запущенных в 1957—1958 гг., эксцентриситет был
меньше 0,2, а значение 0,02 достигалось обычно лишь в
конце жизни спутника. Поэтому эти ограничения не
очень серьезны. Формулы не будут годиться также в
Рис. 15. Уменьшение периода обращения по орбите в течение
жизни спутника для различных начальных значений эксцентриси-
тета eQ.
том случае, если меняется эффективное торможение
спутника (например, если сначала спутник летел «бо-
ком», а потом—«прямо»), но такое поведение нельзя
описать никакой формулой. Несмотря на эти условия и
42
Глава I
предостережения, по графикам на рис. 15 и 16 удобно
предсказывать судьбу спутника почти до самого конца
его жизни. Оба рисунка показывают, что вначале и пе-
риод обращения и эксцентриситет уменьшаются медлен-
Р и с. 16. Изменение эксцентриситета орбиты е в течение жизни
спутника. Числа у кривых указывают начальный эксцентриситет
но, но этот процесс убыстряется по мере того, как спут-
ник к концу жизни опускается в более плотные слои
воздуха. При этом орбита становится почти круговой,
так что в качестве критического значения периода снова
можно взять 88 мин, после чего спутник может сделать
История жизни спутника
43
всего несколько оборотов до своего окончательного вхо-
ждения в атмосферу.
Воздействие атмосферы и земного экваториального
горба можно охарактеризовать следующим образом. Эф-
фект атмосферного торможения уменьшает среднюю вы-
соту спутника, делает его орбиту более близкой к кру-
говой и уменьшает период обращения — все это происхо-
дит в постоянно нарастающем темпе. Воздействие эква-
ториального горба совсем иное. Оно вызывает вращение
плоскости орбиты, а также вращение орбиты в ее пло-
скости.
ПОСЛЕДНИЙ ПРОЛЕТ ЧЕРЕЗ АТМОСФЕРУ
Пока спутник находится в средней фазе своей жизни,
его орбита медленно сокращается под влиянием очень
слабого атмосферного торможения и он теряет лишь не-
большую часть энергии, затраченной во время запуска.
Во время падения остаток этой энергии переходит в
тепло и рассеивается. Часть этого тепла просто нагре-
вает воздух вдоль пути спутника, часть излучается, а
остаток поглощается самим спутником.
Когда спутник начинает падать, он движется с орби-
тальной скоростью 7,8 км/сек на высоте около 170 км и
угол снижения его очень невелик, может быть 0°,01. По
мере того как спутник все глубже проникает в атмосфе-
ру, плотность воздуха быстро возрастает, а следова-
тельно, торможение возрастает до тех пор, пока оно не
станет в несколько раз больше веса спутника; таким об-
разом, торможение достигает нескольких g1). Однако
это торможение не возрастает неограниченно, поскольку
скорость спутника непрерывно снижается, и, так как
в конце концов уменьшение квадрата скорости стано-
вится больше возрастания плотности, произведение этих
величин, определяющее торможение, уменьшается. Сле-
довательно, если спутник разогревается на орбите, ко-
нец его путешествия окажется сравнительно спокойным:
он «упадет с неба» со сравнительно малой скоростью
Буквой g принято обозначать ускорение свободно падающего
тела; g = 9,8 м/сек2.
44
Глава I
(меньше скорости звука) примерно под углом 60—80°
к горизонту.
Как это ни удивительно, но максимальное торможе-
ние" спутника в конце его жизни не зависит от его фор-
мы, размера и веса и составляет примерно 10 g (в пред-
положении, что эффективная площадь поперечного сече-
ния спутника не меняется во время падения). Макси-
мальное торможение всегда достигается в тот момент,
когда скорость спутника составляет уже около 40% ор-
битальной скорости, т. е. 3,2 км/сек. Высота, на которой
появляется максимальное торможение, зависит от формы
и веса спутника. Чем тяжелее спутник и чем более вы-
тянутую форму он имеет, тем дольше он сохраняет свою
скорость и тем ниже достигается максимальное тормо-
жение. Это показано графически на рис. 17.
Можно ли уменьшить торможение от 10 g до уровня,
более приемлемого для человеческого организма, ска-
жем до 3 g? Да, если мы способны управлять спутником
во время его возвращения на Землю и можем прило-
жить к нему небольшую подъемную силу. Это продлит
спуск и сделает его более плавным, и, так как удлиняет-
ся время, в течение которого его скорость уменьшается,
торможение будет не таким резким. Даже небольшая
подъемная сила, равная 0,1 веса, уменьшает максималь-
ное торможение от 10 g примерно до 6
Наиболее сильный разогрев спутник испытывает при
скорости, равной приблизительно 80% орбитальной, т. е.
6,5 км/сек, но в противоположность торможению степень
разогрева сильно зависит от веса, формы и размера.
Разогрев бывает тем больше, чем тяжелее спутник и чем
брлее вытянутую и заостренную форму он имеет, так
как в этом случае он проникает в бол$е низкие и плот-
ные слои атмосферы прежде, чем его скорость упадет до
6,5 км/сек. Поэтому гораздо больше шансов пройти не-
вредимым через атмосферу имеет либо «тупоносый» и
большой спутник, либо спутник, который может стать
таким, например, с помощью парашюта или тормозных
щитков.* В противном случае спутник, вероятно, сгорит,
как сгорел второй советский спутник над Карибским мо-
рем. Спутник в форме конуса с диаметром основания
1,5 м и весом 900 кг, если он летит носом вперед, разо-
История жизни спутника
45
греется настолько, что стальная оболочка расплавится
снаружи на глубину 2,5 см. При данной форме и раз-
мере максимальная степень разогрева пропорциональна
Рис. 17. Торможение в атмосфере при возвращении спутника на
Землю. Какова бы ни была форма спутника, максимальное тормо-
жение оказывается одинаковым, но появляется на большей высоте,
если спутник имеет тупую, а не острую форму и, следовательно,
тормозится сильнее. Поэтому в более низких слоях атмосферы
скорость такого спутника ниже и он нагревается меньше.
корню квадратному из веса; для данной массы и фор-
мы максимальная степень разогрева обратно пропорцио-
нальна корню квадратному из площади поперечного
сечения.
46
Глава I
Степень разогрева, подобно торможению, может быть
уменьшена, если к спутнику приложить подъемную силу.
При подъемной силе, равной 0,1 веса, максимальный ра-
зогрев понижается примерно на 15%. Однако общее ко-
личество поглощаемого тепла будет в этом случае даже
больше, потому что при более плавной траектории спу-
ска разогрев продолжается дольше.
Уже достаточно было сказано, чтобы показать, что
спутник можно вернуть на Землю невредимым; для этого
надо либо приложить подъемную силу, либо сделать
спутник большим и неуклюжим. Во время спуска спут-
ник должен каким-нибудь способом погасить почти всю
свою энергию движения. Применение подъемной силы
увеличивает время, в течение которого эта энергия рас-
сеивается, и, таким образом, уменьшает степень разо-
грева. Если придать спутнику менее обтекаемую форму,
он будет производить большее возмущение в воздухе
во время движения и поэтому потеряет больше энергии
в атмосфере. Если он достаточно «тупоносый» и объем-
ный, то может оставаться практически холодным, расхо-
дуя большую часть своей энергии на разогрев атмосфе-
ры на своем пути.
II
Спутник, „Эксплорер",
„Авангард" ...
Великий бог, что за виденье
Явилось нам в твоих владеньях?
Комета — где же борода?
Иль это новая звезда?
С. Батлер сХудибрас»
Г* путники перекочевали в нашу жизнь из области
фантазии в удивительно короткое время. Я хорошо
помню тягостное молчание в мрачном лекционном зале
Оксфордского университета в один августовский вечер
1953 г., когда делегат конференции по ракетным иссле-
дованиям верхней атмосферы начал говорить об экспе-
риментах со спутниками. Тогда спутники еще не были
научной реальностью. Теперь наука развивается так бы-
стро, что часто опережает предсказания, и вряд ли кто-
либо из делегатов этой конференции предполагал, что
всего лишь через пять лет жизнь ночного неба, доселе
довольно спокойная, будет разбужена многими яркими
пришельцами.
Когда в июле 1955 г. правительство Соединенных
Штатов объявило, об американском проекте «Авангард»,
спутников еще не существовало. Проект «Авангард»
предусматривал запуск нескольких маленьких спутни-
ков весом около 9 кг еще до конца 1958 г. В течение
двух лет после этого заявления программа «Авангард»
широко популяризировалась: сведения об отдельных
подробностях проекта, успехах и трудностях широко
распространялись из множества официальных и неофи-
циальных источников. В противоположность этому
о планах СССР почти ничего не было известно, кроме
заявления, что спутники будут запущены в течение
1957—1958 гг. и что наклонение их орбит к экватору
48
Глава II
будет больше 35° (такое наклонение предусматривалось
проектом «Авангард» для американских спутников).
Вечером 4 октября 1957 г. почти все за пределами
СССР были застигнуты врасплох сообщением о том,
что первый спутник весом 83,6 кг начал обращаться во-
круг Земли. Это была новая веха на пути прогресса че-
ловечества: оставаясь на Земле, на дне воздушного
океана в течение примерно миллиона лет, человек нако-
нец оправдал эпитет Гомера — «божественный», заслав
нечто, сделанное своими руками, за пределы атмосферы
и создав искусственные звезды, соперничающие с на-
стоящими.
Удивление, порожденное первым советским спутни-
ком в западном мире, сопровождалось смятением. Раз-
давались единичные голоса скептиков, которые утвер-
ждали, что спутника вообще не было, в то время как
громкий хор пытался доказать, что вес спутника был
8,36, а не 83,6 кг. В то же время справедливости ради
следует также вспомнить многочисленные поздравления,
посланные в СССР научными организациями Англии
и Америки. Позднее стало известно, что русские дей-
ствительно сообщили предварительно в письмах руково-
дящим организациям Международного геофизического
года (МГГ), а также в советских периодических изда-
ниях много сведений о первом и втором спутниках, но
эта информация не была опубликована на Западе.
ПЕРВЫЙ СПУТНИК
Первый советский спутник был запущен в северо-
восточном направлении 4 октября 1957 г. около 19 час.
30 мин. по гринвичскому времени1), по-видимому, из
района в нескольких сотнях километров восточнее Кас-
пийского моря* 2). При выходе на орбиту, которая была
наклонена к экватору примерно на 65°, спутник распал-
ся на две основные части: шар с приборами диаметром
9 Гринвичское время на 3 час меньше московского декрет-
ного времени. — Прим, перев.
2) Следует иметь в виду, чю время и место запуска указаны ав-
тором без каких-либо ссылок на источники. — Прим. ред.
Спутник, «Эксплорер», «Авангард»... 49
58 см и весом 83,6 который я буду называть пер-
вым спутником, и пустую оболочку ракеты, доставившей
спутник на орбиту, которую я буду называть ракетой
первого спутника. Была также и третья часть — неболь-
шой конус для защиты спутника от аэродинамического
разогрева во время подъема, о нем я больше говорить
не буду.
Все спутники, запущенные до сих пор, имели по два
названия: популярное, под которым они известны всему
миру, например «первый советский спутник», и более
официальный титул, которым пользуются ученые. По
этой последней системе спутники обозначаются годом,
когда они были запущены, и буквой греческого алфа-
вита в порядке запуска в этом году: а (альфа), р (бэта),
7 (гамма), 8 (дельта), е (эпсилон) и т. д. Так, первый
спутник, запущенный в 1957 г., получил обозначение
1957а. Если спутник распадается на несколько частей,
они обозначаются индексами 1, 2, 3, ... в порядке убыва-
ния яркости. Поэтому ракета первого спутника была
обозначена индексом 1, так как она была ярче самого
спутника. Таким образом, первый спутник был обозна-
чен 1957аг, а ракета первого спутника— 1957аь Научное
обозначение, помимо того что оно менее наглядно, чем
популярное название, может привести к путанице, если
два объекта почти одинаковы по яркости. В этом случае
приходится помнить, какой объект ярче, и это еще боль-
ше загромождает память, особенно если этот объект ви-
ден только в телескоп. Таким образом, имеются серьез-
ные возражения против научного обозначения даже
среди ученых, наиболее тесно связанных с этим вопро-
сом. Но какая-то систематическая классификация необ-
ходима, и, по-видимому, должна получить поддержку
такая система обозначений, которая принята для комет
и которая, подобно математике, преодолевает языковые
барьеры* 2).
!) По советским спутникам приводятся уточненные данные,
соответствующие опубликованным в советской печати. — Прим,,
перев.
2) С 1 января 1963 г. в соответствии с решением Международ-
ного Комитета по освоению космического пространства (КОСПАР)
обозначение спутников изменено следующим образом: после года
4 Зак. 1274
50
Глава II
На первом спутнике были установлены два радиопе-
редатчика, передавшие знаменитые си/налы «бип» на
частоте 20,005 и 40,002 Мгц (что соответствует длинам
Рис. 18. Первый советский спутник.
волн около 15 и 7,5 ж). Радиопередатчики получали пи-
тание от обычных химических батарей, на долю которых,
вероятно, приходилась значительная часть общего веса
83,6 кг\ радиосигналы прекратились спустя 3 недели,
когда истощились батареи. Вся научная аппаратура pac-
запуска вместо греческой буквы пишется порядковый номер за-
пуска. Объекты одного запуска обозначаются буквами латинского
алфавита (4 — спутник, В — ракета, затем остальные объекты в по-
рядке убывания яркости в начальный период существования). За
спутниками, запущенными в 1957—1962 ггм сохраняются прежние
обозначения, — Прим, перев.
Спутник, «Эксплорер*, «Авангард*...
51
полагалась внутри сферы, а снаружи находились четыре
антенны в виде стержней длиной от 2,4 до 2,9 м
(рис. 18). Спутник был сделан из алюминиевых сплавов
и содержал приборы для измерения внутренней темпе-
ратуры; по-видимому, другой аппаратуры (кроме радио-
передатчиков) на нем не было.
Вначале первый спутник совершал полный оборот
вокруг Земли за 96,2 мин, его средняя высота составляла
586 км. Но в конце октября под влиянием атмосферного
торможения орбита значительно снизилась: период об-
ращения уменьшился до 95,2 мин, а средняя высота —
до 530 км. Орбита его была заметно вытянута: первона-
чально минимальная высота составляла 226 км, а мак-
симальная— 947 км, причем наибольшее приближение
к Земле происходило на восходящей половине орбиты,
на широте около +‘50°. Предполагается, что первый
спутник прошел свой последний виток 4 января 1958 г.,
прожив 92 дня, в течение которых совершил 1400 оборо-
тов вокруг Земли.
Первый спутник был не очень яркий, и его нельзя
было наблюдать невооруженным глазом. Яркость звез-
ды, планеты или спутника выражается в так называе-
мых звездных величинах; это до некоторой степени про-
извольная шкала, согласно которой яркой звезде, такой,
например, как Альтаир, присвоена первая величина, а
изменение звездной величины на единицу означает изме-
нение яркости в 2,51 раза, так что звезды первой вели-
чины в 2,51 раза ярче звезд второй величины и т. д. Са-
мые слабые звезды, видимые невооруженным глазом,
имеют величину 5 (иногда в очень темную и ясную ночь
можно увидеть звезды величины 6). Полярная звезда
имеет звездную величину 2, а для наиболее ярких звезд
и планет приходится вводить отрицательные величины;
так, Марс часто имеет звездную величину —1, т. е. он
в 2,51 раза ярче звезд нулевой величины и в 2,512, или
в 6,3 раза, ярче звезд первой величины. Для промежу-
точных яркостей вводятся десятые доли звездной вели-
чины; так, Капелла имеет яркость 0,2. Множитель 2,51
был выбран потому, что 2,515 равно 100, и разница в 5
звездных величин соответствует, следовательно, разнице
в яркости в 100 раз. Яркость спутника падает пропор-
4*
52
Глава II
ционально квадрату его расстояния от наблюдателя и,
следовательно, уменьшается в 100 раз, когда расстояние
увеличивается в 10 раз. Таким образом, если М — звезд-
ная величина спутника, находящегося от наблюдателя
на расстоянии 320 км, тогда его звездная величина на
любом другом расстоянии d равна М + 5 Ig^ • С по-
мощью этой формулы вычислено изменение звездной
величины спутника с изменением расстояния относитель-
но 320 км (табл. 1).
Таблица 1
ПОПРАВКА К ЗВЕЗДНОЛ ВЕЛИЧИНЕ СПУТНИКА
Расстояние от наблю-
дателя, км .... 160 320 480 640 800 1600 3200
Поправка к звездной
величине...........—1,5 0 0,9 1,5 2,0 3,5 5,0
Первый спутник имел величину 6, когда находился
на расстоянии 320 км, а из табл. 1 видно, что его звезд-
ная величина была 7,5 на расстоянии 640 км и 4,5 на
расстоянии 160 км.
Вначале первый спутник и его ракета двигались поч-
ти по одинаковым орбитам, но ракета гораздо сильнее
тормозилась атмосферой, и вскоре их траектории замет-
но разошлись. Ракета, форма и размеры которой небыли
опубликованы1), хорошо наблюдалась на ночном небе
как яркая звезда. При расстоянии 320 км во время бла-
гоприятного прохождения, т. е. когда наблюдатель на-
ходился между Солнцем и ракетой, так что она была
хорошо освещена, яркость ракеты вдвое превосходила
яркость Полярной звезды. Ракета закончила свое суще-
ствование утром 1 декабря 1957 г., т. е. через 57 дней
после запуска; в течение этого времени она совершила
885 оборотов вокруг Земли.
Характеристики орбит первого спутника и его ракеты
даны в табл. 2 и 3. Даты в первой строке каждой таб-
9 В сообщении газеты «Правда» от 21 декабря 1958 г. было
сказано, что она весила более 4 т. Ракеты второго и третьего спут-
ников также весили значительно больше 4 г.
Спутник, «Эксплорер», «Авангард»...
53
лицы написаны в удобном для астрономов виде, и чи-
тать их следует так: «окт. 4,8» означает 0,8 суток после
начала суток 4 октября, т. е. 19 час. среднего гринвич-
Таблица 2
ОРБИТА ПЕРВОГО СПУТНИКА (1957 а2)
Дата, 1957 г............
Наклонение орбиты . . .
Период обращения, мин .
Минимальная высота, км
Максимальная высота, км
Эксцентриситет .........
Аргумент перигея ....
окт. 4,8 окт. 24,8 дек. 25,1
65°,1 65°,1 65°,0
96,2 95,4 91,0
226 216 196
947 865 462
0,052 0,047 0,020
58° 49° 23°
ского времени 4 октября. Во второй строке дается нак-
лонение орбиты к экватору в градусах, в третьей — пе-
риод обращения в ми-
нутах (время между
двумя последователь-
ными пересечениями
экватора при движении
с юга на север). В чет-
вертой и пятой строках
даны минимальная и
максимальная высоты
спутника над Землей,,
в шестой — эксцентри-
ситет. В последней
строке приведен аргу-
мент перигея — угол,
измеряемый вдоль ор-
Рис. 19. Аргумент перигея (w). Дви-
гаясь с юга на север, спутник пере-
секает экватор в точке В и ближе
всего подходит к Земле в перигее
(точка Р). Центр Земли — точка С.
Аргумент перигея w равен углу ВСР.
Угол i— наклонение орбиты к эква-
тору.
биты от точки, в кото-
рой спутник пересекает
экватор, двигаясь к се-
веру, до перигея, т. е.
точки, в которой спут-
ник ближе всего подхо-
дит к Земле (рис. 19).
Таблица 3
ОРБИТА РАКЕТЫ ПЕРВОГО СПУТНИКА (1957 ар
Дата, 1957 г нояб. 4,0 нояб. 19,0
Наклонение орбиты . . 65°,1 65°,1 65°,0
Период обращения, мин . . . . . . 96,2 94,0 92,0
Минимальная высота, км . . . . . 226 212 200
Максимальная высота, км . . . . . 947 740 550
Эксцентриситет 0,052 0,038 0,026
Аргумент перигея . . 58° 45° 38°
Рис. 20. Зависимость северной широты перигея от аргумента
перигея. С помощью этого графика по аргументу перигея спутника
можно найти широту перигея. Если w превышает 180°, нужно вы-
честь из него 180°, и тогда получим значение южной широты;
I — наклонение орбиты к экватору.
Спутник, «Эксплорер», «Авангард»...
55
Когда этот угол известен, широта, на которой спутник
оказывается ближе всего к Земле, может быть найдена
по графику рис. 20.
ВТОРОЙ СПУТНИК
Второй .спутник вызвал такое же изумление и смя-
тение, как и первый, так как он был запущен менее чем
через месяц, оказался в шесть раз тяжелее первого и,
более того, имел на борту собаку. Этот спутник был за-
пущен в том же направлении и, вероятно, из того же
Рис. 21. Второй советский спутник.
/—защитный конус, сброшенный после выведения спутника на орбиту;
2—прибор для исследования ультрафиолетового и рентгеновского излуче-
ния Солнца; 3 —сферический контейнер с аппаратурой и радиопередатчи-
ками; 4 —герметическая кабина с собакой.
района, что и его предшественник, 3 ноября 1957 г. при-
мерно в 2 час. 30 мин. по среднему гринвичскому вре-
мени. Наклонение орбиты к экватору было снова около
65°, но на этот раз последняя ступень ракеты не была
отделена от спутника, в котором размещалась вся аппа-
ратура.
Собака Лайка и научная аппаратура находились в
носовом конусе спутника, который был около 2,1 м дли-
ной и около 1,2 м в диаметре (рис. 21). Научная аппа-
ратура включала различные приборы для регистрации
56
Глава II
состояния и поведения Лайки, которая хорошо перенесла
запуск и не испытывала никаких болезненных ощущений
во время пребывания на орбите. Через несколько дней,
когда запасы кислорода истощились, наступила, вероят-
но, безболезненная смерть. На втором спутнике также
были установлены два радиопередатчика, работавших
на частотах 20,005 и 40,002 Мгц в течение недели, и при-
боры для изучения солнечного излучения, космических
лучей, температуры и давления. Полезный вес второго
спутника (т. е. вес аппаратуры, животного и источников
энергии) составлял 508,3 кг, а его общий вес, включая
неотделившуюся ракету, был гораздо больше. Точные
данные относительно веса, размеров и формы всего
спутника опубликованы не были, но фотографии, полу-
ченные в США, позволяют предположить, что длина
спутника могла достигать 25 м, а форма была примерно
цилиндрическая с диаметром около 3 м. Очень вероятно,
что для запуска обоих спутников (первого и второго)
использовались ракеты одного типа.
Первоначальный период обращения второго спутника
был 103,8 мин, что соответствовало средней высоте
950 км, а наклонение орбиты к экватору составляло
65°,3. Минимальная высота была такая же, как у пер-
вого спутника, т. е. 225 км, но максимальная высота до-
стигала 1671 км\ таким образом, эксцентриситет орбиты
был около 0,1. Вначале спутник ближе всего подходил
к Земле на широте +51°. Точка перигея медленно дви-
галась назад по орбите со скоростью около 0°,4 в сутки
(рис. 13), и в конце жизни спутника перигей находился
на несколько градусов южнее экватора.
Второй спутник был хорошо виден на ночном небе и,
подобно ракете первого спутника, при благоприятных
условиях по яркости примерно вдвое превосходил По-
лярную звезду (при расстоянии спутника 320 км). Ког-
да второй спутник проходил между наблюдателем и
Солнцем, т. е. к западу от наблюдателя вечером или к
востоку утром, его яркость сильно менялась с периодом
около 100 сек, примем между вспышками спутник корот-
кое время был невидим невооруженным глазом. При
благоприятных условиях освещенности колебания ярко-
сти были менее заметны (фото I). Эти колебания, ве-
Спутник, «Эксплорер», «Авангард»...
57
Фото I. Второй советский спутник над Данфермлайнским аббат-
ством 21 января 1958 г. Короткие черточки — следы звезд, полу-
чившиеся за время пятиминутной экспозиции. Хорошо виден длин-
ный след спутника, а также изменение его яркости.
роятно, были вызваны вращением спутника со скоростью
приблизительно один оборот за 200 сек, причем спутник
мог вращаться, как пропеллер аэроплана, или кувыр-
каться «через голову», или двигаться каким-нибудь еще
58
Глава II
более сложным образом, так что это движение даже
трудно описать.
Второй спутник находился на орбите около 162 дней
и 14 апреля 1958 г. примерно в 1 час. 55 мин. по сред-
Рис. 22. Последние минуты второго советского спутника 14 апреля
1958 г. Кружки обозначают пункт, откуда велись наблюдения; тре-
угольники — положение спутника на орбите.
Спутник, «Эксплорер», «Авангард»..,
59
нему гринвичскому времени на 2369 витке вошел в
плотные слои атмосферы и прекратил свое существова-
ние. На рис. 22 изображен последний участок пути
спутника между Нью-Йорком и устьем Амазонки.
К счастью, это случилось в ясную ночь над Карибским
морем, и спутник наблюдался на многих кораблях, на-
ходившихся в этом районе. К тому времени, когда спут-
ник летел над Нью-Йорком, он стал уже самосветящим-
ся телом, и его полет становился все более эффектным
по мере продвижения к югу. На широте +20° у него
появился длинный хвост, расцвеченный искрами, какие
летят от точильного колеса, — по выражению одного
наблюдателя. Раскаленный спутник был значительно
ярче Венеры, когда наблюдался с расстояния 160 км, и
хвост его достигал, вероятно, 80—160 км в длину. Спут-
ник принимал почти все цвета радуги, и наблюдатели
описывали его цвет как оранжевый, белый, желтый, зе-
леный, голубой, красный и даже «зловещий малиновый».
Его высота уменьшалась приблизительно от 130 км над
Нью-Йорком до 65 км над областью, расположенной
восточнее Тринидада. Спутник (или то, что от него оста-
лось), вероятно, упал на землю севернее экватора.
Характеристики орбиты второго спутника даны в
табл. 4 в такой же форме, как для первого спутника.
Таблица 4
ОРБИТА ВТОРОГО СПУТНИКА (1957 (3)
1957 1958 1958 1958 1958
Дата нояб. 3,2 янв. 4,0 февр. 21,0 март 25,0 апр. 9,0
Наклонение ор- биты Период обраще- 65°,33 65°,29 65°,26 65°,23 65°,21
ния, мин . . . Минимальная вы- 103,75 100,50 97,10 93,78 90,78
сота, км ... Максимальная вы- 225 212 204 192 172
сота, км ... 1671 1360 1050 735 460
Эксцентриситет Аргумент пери- 0,0989 0,0802 0,0605 0,0400 0,0215
гея 59° 35° 14° 359° 352°
60
Глава II
«ЭКСПЛОРЕР 1»
К концу 1958 г. военно-морские силы США должны
были запустить около десятка спутников «Авангард», но
предполагалось, что только немногие запуски окажутся
успешными, так как конструкция ракеты-носителя тре-
бовала исключительно строгого выполнения заданных
условий. Под впечатлением успешных запусков советских
спутников запуск спутников «Авангард» хотели уско-
рить, однако первые попытки оказались неудачными, и
тогда военное ведомство США получило разрешение по-
пытаться запустить спутник «Эксплорер».
Первый успешный запуск американского спутника
«Экбплорер 1» был произведен с мыса Канаверал (штат
Флорида) в 3 час. 48 мин. по среднему гринвичскому
времени 1 февраля 1958 г. Спутник был запущен в юго-
восточном направлении, причем его орбита была нак-
лонена к экватору на 33°.
Запуски спутников «Эксплорер» 1—4 были произве-
дены с помощью ракеты «Юпитер С», у которой в каче-
стве первой ступени была использована усовершенство-
ванная ракета «Редстоун», а в качестве второй, третьей
и четвертой ступеней — двигатели на твердом топливе.
«Редстоун» имеет 17 ж в длину, 1,8 ж в диаметре и
весит около 29 т; двигатель этой ракеты работает на
жидком топливе (обычно для него берется кислород и
спирт) и развивает тягу около 36 т. Каждый из двига-
телей, работающих на твердом топливе, имеет 15 см в
диаметре, 107 см в длину и весит 90 кг. Вторая ступень
имеет одиннадцать таких двигателей, третья ступень —
три, а четвертая — только один двигатель, который не
отделяется от спутника. Вторая, третья и четвертая сту-
пени перед запуском приводятся во вращение со ско-
ростью 550 об/мин, а во время работы первой ступени она
возрастает до 750 об/мин. Сразу же после выключения
двигателя первой ступени сам двигатель и топливные
баки отбрасываются, но система управления ракеты
«Редстоун» остается, чтобы обеспечить последующим
ступеням горизонтальное положение в тот момент, когда
они достигнут максимальной высоты, т. е. примерно че-
рез 7 мин после запуска. Затем по команде с Земли в
Спутник, «Эксплорер», «Авангард»...
61
течение 8 сек по очереди включаются последующие сту-
пени; они уже никак не управляются, за исключением
вращения. Такой метод запуска позволил максимально
использовать проверенную систему управления ракеты
типа «Редстоун» и упростить последующие, неопробо-
ванные ступени.
«Эксплорер 1» (вместе с пустой оболочкой неотделив-
шейся четвертой ступени ракеты) представляет собой
цилиндр длиной более 2 м, диаметром 15 см (рис. 23).
Общий вес составляет 14 кг, из них 5 кг приходится на
приборы. На «Эксплорере 1» были установлены радио-
передатчики, работавшие на частоте 108,03 Мгц (с «вы-
сокой» выходной мощностью 0,06 вт) и 108,00 Мгц
(с низкой выходной мощностью 0,01 вт). Установленные
на спутнике приборы предназначались для измерения
интенсивности космических лучей, регистрации ударов
микрометеоритов и измерения внутренних температур.
Записи этих приборов были успешно переданы на Зем-
лю в течение первых восьми недель жизни спутника, до
истощения батарей.
Первоначально период обращения «Эксплорера 1»
составлял 114,8 мин, что соответствовало средней высоте
1460 км. Минимальная высота была 357 км, а макси-
мальная— 2562 км, что дает эксцентриситет 0,14. Нак-
лонение орбиты к экватору было 33°,2; при таком нак-
лонении, как видно из рис. 13, точка перигея движется
по орбите вперед со скоростью 6° в сутки, в то время
как для первого и второго советских спутников эта вели-
чина составляла —0°,4 в сутки.
Поскольку минимальная высота «Эксплорера 1»была
гораздо больше, чем у первого и второго спутников, его
62
Глава II
время жизни должно было быть около 4 лет1). Его
звездная величина равна примерно 6 (т. е. в 40 раз сла-
бее Полярной звезды); с расстояния 480 км он не виден
невооруженным глазом.
Характеристики орбиты «Эксплорера 1» даны в
табл. 5. Наклонение орбиты в таблице не дано, так как
оно очень мало изменилось по сравнению с первона-
чальным значением 33°,2.
Таблица 5
ОРБИТА «ЭКСПЛОРЕРА 1> (1958 а)
1958 1958 1959
Дата февр. 1,2 нояб. 15,1 март 21,1
Период обращения, мин .... 114,8 112,1 111,2
Минимальная высота, км . . . 357 355 354
Максимальная высота, км . . . 2562 2315 2232
Эксцентриситет 0,141 0,127 0,122
Аргумент перигея 121° 167° 296°
«АВАНГАРД 1>
Второй спутник США — «Авангард 1» был запущен
17 марта 1958 г. с мыса Канаверал в 12 час. 16 мин. по
гринвичскому времени (рис. 24). «Авангард 1» предста-
вляет собой сферу диаметром 16 см и весом 1,5 кг, т. е.
является уменьшенным вариантом первоначального про-
екта (планировался запуск сферы диаметром 58 см и
весом 9,5 кг). Вес и размеры «Авангарда 1» очень малы,
поэтому он получил шуточное название «апельсин». Од-
нако общий вес, выведенный на орбиту, был больше, чем
при запуске «Эксплорера 1», так как на орбите оказался
не только сам спутник, отделенный от ракеты-носителя,
но и пустая оболочка ракеты весом 23 кг. Подобно свое-
му предшественнику, «Авангард 1» передавал радиосиг-
налы на частотах 108,00 и 108,03 Мгц. Для передач на
частоте 108,03 Мгц использовались солнечные батареи,
впервые поставленные на спутнике; эти батареи продол-
жали работать в 1959 г.
Этот спутник все еще находится на орбите. — Прим, пер ев.
Спутник, «Эксплорер», «Авангард»..,
63
Хотя я не собираюсь детально описывать аппаратуру
спутников, но на солнечных батареях следует остано-
виться подробнее, так как они, вероятно, будут основ-
ным источником энергии на будущих спутниках. Совре-
менные солнечные батареи представляют собой особым
образом обработанную поверхность чистого кремния,
покрытую другим веществом, например бором. Под
действием солнечного света эти кремниевые батареи вы-
рабатывают достаточное количество электроэнергии и,
вероятно, останутся наиболее практичными еще в те-
чение нескольких лет, хотя в настоящее время разраба-
тываются другие, более усовершенствованные типы ба-
тарей. Эффективность превращения солнечного света в
электричество в кремниевых элементах обычно соста-
вляет 10%, хотя иногда достигает 15%. При коэффици-
64
Глава II
енте 10% элемент, полностью освещенный Солнцем, даст
около 10 вт на 0,1 ти2 поверхности, причем напряжение
Спутник
Третья
ступень
Вторая
ступень
Первая
ступень
Рис. 25. Ракета-носитель
спутника «Авангард».
получается довольно низкое —
около 0,5 в, и поэтому такие эле-
менты обычно соединяют в бата-
реи.
Ракета-носитель «Авангарда»,
изображенная на рис. 25 и на
фото II, состоит -из трех ступеней
с двигателями. Ее длина — 21
диаметр—1,14 ж, вес—10 250 кг.
Первая ступень представляет со-
бой улучшенный вариант высот-
ной ракеты «Викинг». Ее двига-
тель, который может поворачи-
ваться для изменения направле-
ния движения ракеты/ работает
на керосине и жидком кислороде,
развивая тягу 12 250 кг за 140 сек.
Вторая ступень весом 1950 кг
также имеет жидкостный ракет-
ный двигатель, работающий на
диметилгидразине и азотной кис-
лоте и развивающий тягу 3400 кг.
Вторая ступень этой ракеты не
похожа на вторую ступень раке-
ты-носителя «Эксплорера»; она
имеет тщательно выполненную
систему управления, включаю-
щую три гироскопа; управление
осуществляется поворотом дви-
гателя, как и в первой ступени.
Третья ' ступень весом 230 кг,
работающая на твердом топливе
и развивающая тягу 1050 кг,
выводит спутник на орбиту и
отделяется от него. На рис. 26
дана схема запусков спутников
«Авангард».
«Авангард 1» был запущен в юго-восточном напра-
влении, его орбита была наклонена к экватору на угол
Фото И. Запуск спутника «Авангард 1» на мысе Канаверал
(штат Флорида) 17 мая 1958 г. Спутник, представляющий собой
сферу, помещается внутри носового конуса ракеты.
5 Зак. 1274
66
Глава II
34®,3. Начальный период обращения составлял
134,2 мин, что соответствовало средней высоте 2315 км.
Высота менялась от 660 до 3970 км, что дает эксцентри-
ситет 0,19. Так как минимальная высота была почти
вдвое больше, чем у «Эксплорера 1», и почти в три раза
превышала высоту первого и второго спутников, «Аван-
гард 1» испытывал очень малое атмосферное торможе-
ние. Поэтому предполагаемый срок его существования
гораздо больше, чем у его предшественников, а именно
Конец работы 2-й ступени Конец работы 3-й ступени
Скорость 4J км/сек Скорость 8 км/сек
Высота 21/км Высота 480км
Рис. 26. Схема траектории запуска спутников «Авангард».
около 100 лет. Возможно, конечно, что еще до этого кто-
нибудь пожелает поймать его и вернуть на Землю как
музейный экспонат.
«Авангард 1» и его ракета — не яркие объекты; их
можно наблюдать на ночном небе как звезды 8 и 5 ве-
личины соответственно (в 250 и 16 раз слабее Полярной
звезды) с расстояния 320 км. Поскольку их действитель-
ное расстояние, по крайней мере в XX веке, всегда будет
больше 500 км, нет надежды увидеть их невооружен-
ным глазом.
Характеристики орбиты «Авангарда 1» даны в
табл. 6.
Ракета «Авангарда 1» (1958 |3i), предполагаемый срок
существования которой тоже около 100 лет, была «поте-
ряна» на много месяцев в течение 1958 г. и начала
1959 г. На 23 мая 1959 г. ее орбитальный период соста-
влял 138,3 мин, а высота менялась от 655 км до 4320 км,
что дает эксцентриситет 0,207.
Спутник, «Эксплорер», «Авангард»...
67
Таблица 6
ОРБИТА «АВАНГАРДА 1» (1958 р2)
1958 1959
Дата март 17,5 март 12,5
Период обращения, мин . . 134,18 133,94
Минимальная высота, км . . 660 660
Максимальная высота, км . . 3970 3950
Эксцентриситет 0,191 0,190
Аргумент перигея 129° 274°
«ЭКСПЛОРЕР 3»
Вторая попытка запустить «Эксплорер» была не-
удачной, третья прошла успешно, и запущенный спутник
был назван «Эксплорер 3». Такой способ обозначения
спутников может вызвать недоразумения, но он сразу
показывает количество неудачных запусков.
«Эксплорер 3» был запущен 26 марта 1958 г. в
17 час. 38 мин. по гринвичскому времени и был почти
точной копией «Эксплорера 1». Основное различие зак-
лючалось в том, что на «Эксплорере 3» был установлен
магнитофон, который записывал и хранил показания
приборов, а затем посылал собранные данные на Землю
по команде одной из принимающих станций, располо-
женных в различных частях земного шара. Большая
часть переданной «Эксплорером 1» информации была
утеряна, так как поблизости не оказалось ни одной стан-
ции, чтобы ее принять, и магнитофон на «Эксплорере 3»
был установлен именно для того, чтобы избежать таких
потерь. «Эксплорер 3» предназначался главным образом
для исследований пояса повышенной радиации, обнару-
женного «Эксплорером 1». Эту задачу он успешно вы-
полнял до тех пор, пока его радиопередатчик не прекра-
тил работу в середине мая.
Орбита «Эксплорера 3» была наклонена к экватору
на угол 33°,3, первоначальный период обращения соста-
влял 115,7 мин в соответствии со средней высотой
1496 км. Высота менялась от 193 до 2800 /слс, но так
6*
68
Глава II
как перигей находился так низко, продолжительность
жизни спутника была довольно короткой — 93 дня.
Характеристики орбиты «Эксплорера 3» даны в
табл. 7.
Таблица 7
ОРБИТА «ЭКСПЛОРЕРА 3» (1958 7)
Дата, 1958 г март 26,7 март 15,0 июнь 14,4
Период обращения, мин .... 115,7 104,8 96,8
Минимальная высота, км . . . 193 183 179
Максимальная высота, км . . . 2800 1800 1050
Эксцентриситет 0,166 0,110 0,063
ТРЕТИЙ СПУТНИК
Третий советский спутник был запущен утром 15 мая
1958 г. В сообщение о его запуске, по-видимому, вкра-
лась какая-то неточность, так как его период обращения
Рис. 27. Третий советский спутник.
был известен как в Москве, так и в Англии еще до объ-
явленного позднее момента запуска. По-видимому, тре-
тий ступник был запущен из того же района, что и его
предшественники, около 7 час. по гринвичскому време-
ни1). Его орбита была наклонена к экватору примерно
на 65° (как и у первого и второго спутников).
*) См. вторую сноску на стр, 48, — Прим., ред.
Спутник, «Эксплорер», «Авангард»...
69
При выходе на орбиту третий спутник распался на
пять частей (рис. 27). Наиболее важная часть — конус
с приборами, который я буду называть третьим спутни-
ком, весил 1327 кг и содержал научную аппаратуру ве-
сом 968 кг. Диаметр его составлял 1,73 м, длина 3,57 м,
без учета антенн. Вторая и самая большая часть — ра-
кета— вывела спутник на орбиту. Я буду называть ее
ракетой третьего спутника. Хотя ее вес и размеры не
были опубликованы, она, по-видимому, походила на ра-
кету первого спутника и на второй спутник. Остальные
Рис. 28. Размещение приборов на третьем советском спутнике.
1 — магнитометр для измерения интенсивности и направления земного магнитного
поля; 2—фотоумножители для регистрации корпускулярного излучения Солнца;
3 —солнечные батареи; / — прибор для регистрации фотонов в космических лучах;
5 — магнитный и ионизационный манометры; 6 — ионные ловушки; 7 — электроста-
тические флюксметры; 8— масс-спектрометрическая трубка; 9 — прибор для реги-
страции тяжелых ядер в космических лучах; 10 — прибор для измерения интенсив
ности первичного космического излучения; // — датчики для регистрации микро-
метеоритов.
три части, о которых я не буду больше упоминать здесь,
были остатки защитного конуса, который предохранял
спутник с приборами во время подъема.
Третий спутник, так же как первые два советских
спутника, был сделан из алюминиевых сплавов и на-
полнен азотом. Он нес самую разнообразную аппара-
туру, включая приборы для измерения давления и со-
става атмосферы, солнечного излучения, магнитного
поля Земли, для регистрации ударов микрометеоритов,
а также для измерения температуры спутника. Разме-
70
Глава II
щение приборов показано на рис. 28. Третий спутник
имел радиопередатчик, работавший на частоте
20,005 Мгц (что соответствует длине волны 15 м). Пи-
тание радиопередатчика осуществлялось главным обра-
зом от солнечных батарей, и сигналы, продолжавшиеся
более года, лишь немного ослабели в конце.
Первоначально период обращения третьего спутника
составлял 105,95 мин в соответствии со средней высо-
той 1053 км. Минимальная высота была 226 км\ при-
мерно такую же высоту перигея имели первый и второй
спутники, и перигей был первоначально в той же точке
орбиты — на широте +50°, когда спутник двигался к се-
веру. Максимальная высота достигала 1881 км — не-
сколько больше, чем у второго спутника; эксцентриси-
тет составлял 0,11. Третий спутник и его ракета вначале
двигались почти по одинаковым орбитам, но вскоре они
разошлись, так как на ракету благодаря ее значительно
большей площади сечения атмосферное торможение
действовало гораздо сильнее. Ракета прожила только
202 дня, а спутнику предсказывалась долгая жизнь —
21 месяц1). Ракета прекратила свое существование3де-
кабря 1958 г. между 15 и 17 час. по гринвичскому вре-
мени, совершив 2907 оборотов. Но ее последние минуты
не наблюдались, и точных данных о том, где она упала,
не имеется.
Ракета третьего спутника была гораздо ярче, чем
второй спутник или ракета первого спутника; с расстоя-
ния 320 км она была в пять раз ярче Полярной звезды,
а иногда при близких прохождениях достигала второй
звездной величины, т. е. была в сорок раз ярче Поляр-
ной. Однако яркость ракеты сильно менялась, и между
вспышками ракета часто не была видна невооруженным
глазом. Интервал между максимумами блеска медленно
возрастал от 8,5 сек в июле до 9,5 сек в ноябре 1958 г.
Фото III дает наглядное представление об изменениях
блеска ракеты.
Третий спутник был гораздо слабее, чем его ракета,
и наблюдатели находили, что его «поведение» менялось.
При некоторых благоприятных прохождениях он упорно
’) Спутник упал 6 апреля 1960 г. на 10 037 обороте, просуще*
ствовав более 22,5 месяца. — Прим, пере в.
Фото lit Ракета третьего
советского спутника над мо-
стом Форс 15 июля 1958 г.
Ракета все время сильно
меняла яркость. В моменты
максимумов, повторяющи-
еся с интервалом около 8 сек,
она часто превосходила по
блеску Сириус, а в проме-
жутках между вспышками
становилась невидимой. По-
этому в противоположность
второму спутнику на фото I
след ракеты представляет
собой ряд коротких штри-
хов.
Глава 11
оставался невидимым для невооруженного глаза, и ча-
сто его нельзя было видеть даже в бинокль; в других
случаях он неожиданно заявлял о себе яркими вспыш-
ками. Такое непостоянство в поведении, подобно изме-
нениям блеска ракеты, можно объяснить вращением
объекта, а вспышки могли наблюдаться в тот момент,
когда солнечные лучи отражались от спутника точно по
Таблица 8
ОРБИТА ТРЕТЬЕГО СПУТНИКА (1958 8^)
Дата...................
Наклонение орбиты . . .
Период обращения, мин .
Минимальная высота, км
Максимальная высота, км
Эксцентриситет .....
Аргумент перигея ....
1958 1958 1959
май 15,3 окт. 1,0 март 2,9
65°,19 65°,17 65°,13
105,95 104,0 100,75
226 217 211
1881 1690 1390
0,111 0,101 0,082
58° 9° 310°
направлению к наблюдателю, подобно тому как солнеч-
ный свет ярко отражается от далекого окна.
Характеристики орбит третьего спутника и его ра-
кеты даны соответственно в табл. 8 и 9.
Таблица 9
ОРБИТА РАКЕТЫ ТРЕТЬЕГО СПУТНИКА (1958 8^
Дата, 1958 г . . . май 15,3 авг. 15,1 окт. 11,2 нояб. 13,7 нояб. 30,6
Наклонение ор-
биты 65°,19 65°,14 65°,09 65°,04 65°,00
Период обраще-
ния, мин . . . 105,90 102,00 98,00 94,00 90,00
Минимальная вы-
сота, км ... 226 212 206 193 169
Максимальная вы-
сота, км ... 1865 1505 1131 757 394
Эксцентриситет . 0,111 0,089 0,066 0,041 0,017
Аргумент перигея 58° 26° 5° 347° 339°
Спутник, «Эксплорер», «Авангард»...
73
«ЭКСПЛОРЕР 4>
Четвертым спутником США был «Эксплорер 4». Он
был запущен с мыса Канаверал в северо-восточном на-
правлении 26 июля 1958 г. в 15 час. по гринвичскому
времени. Спутник имел такие же размеры, форму и
яркость, как и предыдущие «Эксплореры», но весил
примерно на 3 кг больше, так что его полезный вес со-
ставлял 8 кг, а общий—17,5 кг. Его орбита была на-
клонена к экватору на больший угол, чем у его предше-
ственников,— 50°,3. «Эксплорер 4» был предназначен для
измерения корпускулярного излучения, обнаруженного
предыдущими спутниками; для этой цели на нем были
установлены два счетчика Гейгера и два сцинтилляци-
онных счетчика. Спутник был снабжен также двумя ра-
диопередатчиками, работавшими на частотах 108,00 и
108,03 Мгц, которые в течение почти двух месяцев
передавали на Землю показания приборов, а затем
замолкли.
Таблица 10
ОРБИТА «ЭКСПЛОРЕРА 4» (1958 е)
Дата............................
Наклонение орбиты ..............
Период обращения, мин...........
Минимальная высота, км..........
Максимальная высота, км.........
Эксцентриситет .................
Аргумент перигея ...............
1958 1958 1959
июль 26,6 нояб. 15,0 март 21,0
50°,3 50°,3 50°,2
110,18 107,06 102,37
268 265 260
2215 1932 1496
0,128 0,112 0,085
50° 23° 60°
Начальный период «Эксплорера 4» составлял
110,2 мин, а его высота над Землей менялась от 270 до
2200 км, что дает среднюю высоту 1235 км и эксцентри-
ситет 0,128. Первоначально спутник проходил через пе-
ригей, двигаясь к северу, на широте +36°, и перигей
быстро перемещался вперед по орбите со скоростью 3°
в сутки в соответствии с рис. 13. Ожидалось, что спут-
ник проживет около 15 месяцев1). Характеристики его
орбиты даны в табл. 10.
9 «Эксплорер 4> упал 23 октября 1959 v. — Прим. перев,
74
Глава II
«АТЛАС» (ИЛИ «СКОР»)
После запуска «Эксплорера 4» в июле 1958 г. насту-
пил почти пятимесячный перерыв, прежде чем следую-
щий спутник появился на орбите. Но за это время были
запущены три лунные ракеты «Пионер»; третья позво-
лила провести измерения радиационных поясов вокруг
Земли. Но все эти ракеты упали на Землю, не совершив
полного оборота вокруг нее. Следующим спутником стал
«Атлас» (или «Скор»), запущенный 18 декабря с мыса
Канаверал в 23 час. 02 мин. по гринвичскому времени.
«Атлас» был гораздо больше и тяжелее, чем все преды-
дущие американские спутники. Он весил 3900 кг, из ко-
торых только небольшая часть, около 70 кг, приходилась
на научную аппаратуру. Основная часть спутника дли-
ной 24 м и диаметром 2,9 м представляла собой пустую
оболочку ракеты «Атлас» без двух главных двигателей,
которые были сброшены на Землю во время подъема.
Этот спутник предназначался для того, чтобы дока-
зать возможность осуществления радиорелейных косми-
ческих станций, получающих радиосигналы с Земли и
затем ретранслирующих их обратно на Землю после
соответствующей команды. На частотах 132,45 и
139,905 Мгц «Атлас» передавал рождественскую речь
президента Эйзенхауэра. Кроме того, на «Атласе» было
еще два радиопередатчика, посылавших другую инфор-
мацию на Землю на частотах 107,94 и 107,97 Мгц.
Характеристики орбиты Атласа даны в табл. 11.
Таблица II
ОРБИТА «АТЛАСА» (1958 Q
Дата............................
Период обращения, мин...........
Минимальная высота, км..........
Максимальная высота, км.........
Эксцентриситет .................
Аргумент перигея ...............
1959 1959 1959
дек. 19,0 янв. 1,8 янв. 17,0
101,47 98,12 92,67
191 182 169
1488 1165 662
0,090 0,070 0,037
130° 250° 37°
Спутник, «Эксплорер», «Авангард»...
Орбита «Атласа» была наклонена к экватору на
угол 32°,4, начальный период обращения составлял
почти 101,5 мин, что соответствовало средней высоте
840 км. Первоначально высота менялась от 191 км
(почти минимально возможная высота) до 1488 км,
что дает эксцентриситет 0,090. Из-за такого низкого пе-
ригея «Атлас» жил очень недолго, всего 33 дня. Он был
виден на ночном небе как яркий объект, и с расстояния
в 320 км был примерно в десять раз ярче Полярной
звезды.
ПЕРВАЯ СОВЕТСКАЯ КОСМИЧЕСКАЯ РАКЕТА
(«ЛУННИК 1>)
Первая советская космическая ракета была запущена
2 января 1959 г. около 17 час. по гринвичскому времени;
пролетев мимо Луны, эта ракета стала первой искус-
ственной планетой, движущейся вокруг Солнца. Вес на-
учной аппаратуры, источников питания и отделяемого
космического аппарата составлял 36’1,3 кг, а вес послед-
ней ступени ракеты, отделившейся от него и, по-види-
мому, также движущейся вокруг Солнца, составлял
1111 кг. Ракета передавала радиосигналы на частотах
183,6, 19,997, 19,995 и 19,993 Мгц и несла приборы для
измерения интенсивности и состава космических лучей,
регистрации ударов микрометеоритов, изучения соста-
ва межпланетного газа и магнитного поля космического
пространства. Все измерения были успешно выполнены
еще до того, как прекратился прием радиосигналов
(т. е. до 5 января).
Ракета начала свое путешествие со скоростью
11 км!сек, и 3 января почти ровно в 1 час по гринвич-
скому времени, когда расстояние до нее составляло
113 тыс. км, выбросила облако натриевых паров, кото-
рое с земли наблюдалось как светлое пятно в созвездии
Девы. 4 января в 2 час. 59 мин. по гринвичскому време-
ни ракета прошла мимо Луны на расстоянии около 5—
6 тыс. км. Ракета совершает один оборот вокруг Солнца
примерно за 450 суток; ее минимальное расстояние от
Солнца составляет 146 млн. км — почти такое же, как у
Земли, а максимальное— 197 млн. км. По-видимому, мы
76
Тлае а П
никогда ее больше не увидим, а она будет обращаться
вокруг Солнца миллионы лет — вечная, невидимая и бог
знает где затерявшаяся среди множества малых планет,
иногда неблагосклонно называемых астрономами «не-
бесным сором».
«АВАНГАРД 2»
Первым спутником Земли, запущенным в 1959 г., был
«Авангард 2». Наконец-то проект «Авангард» принес
полноценный плод, так как «Авангард 2» представлял
собой сферу диаметром 50 см и весом 9,5 кг — по разме-
рам скорее арбуз, а не апельсин, как прозвали спутник
«Авангард 1». Запуск был совершен с мыса Канаверал
17 февраля в 15 час. 54 мин. по гринвичскому времени
с помощью ракеты, которая изображена на рис. 25. Он
вышел на орбиту с наклонением около 33°. Последняя
ступень ракеты весом 22,5 кг (без топлива) отделилась
от спутника и движется по близкой орбите.
«Авангард 2» был первым метеорологическим спут-
ником: он нес фотоэлементы, обращенные к Земле и ис-
следующие облачный покров. Облака нетрудно разли-
чить, так как они отражают гораздо больше света, чем
любая другая поверхность, кроме свежего снега, кото-
рый редко встречается вблизи экватора. Суша и море
поглощают большую часть падающего на них солнечно-
го света и отражают только от 5 до 20%, в то время как
облака отражают около 70% солнечного света. На спут-
нике были два радиопередатчика. Один работал на ча-
стоте 108,03 Мгц и имел выходную мощность 1 вт; он
получал питание от батарей в течение двух недель. Из-
мерения, проделанные с помощью фотоэлементов, запи-
сывались на магнитофон и по команде с Земли переда-
вались этим мощным передатчиком. Второй передатчик
посылал непрерывный сигнал на частоте 108,00 Мгц и
имел выходную мощность 0,01 вт; он питался от батарей,
работавших в течение четырех недель.
Начальный период обращения «Авангарда 2» был
125,7 мин. Его высота менялась между 560 и 3320 км,
что дает эксцентриситет 0,16.6 и среднюю высоту 1940 км.
Благодаря такому высокому перигею спутник и его ра-
кета будут двигаться по орбите очень долго, предполо-
Спутник, «Эксплорер», «Авангард»...
77
жительно около 50 лет. «Авангард 2», будучи первым
спутником, запущенным в 1959 г., получил обозначение
1959а, причем спутник был обозначен 1959ai, а ракета—
1959 аг. Так как оба они имели почти одинаковую яр-
кость— примерно 6 с расстояния 480 км, трудно было
решить, какой объект следует считать первым, а какой—
вторым, и окончательный выбор был до некоторой сте-
пени произвольным.
В табл. 12 приводятся характеристики орбит, кото-
рые, по-видимому, не должны были заметно измениться
за несколько месяцев. Орбита ракеты несколько длин-
нее, так как ее двигатель продолжал работу после от-
деления спутника.
Таблица 12
ОРБИТА «АВАНГАРДА 2» (1959 а,) И ЕГО РАКЕТЫ (1959 «j)
«Авангард 2» Ракета
Дата, 1959 г...................... февр. 17,7 февр. 17,7
Наклонение орбиты............... 32°,9 32°,9
Период обращения, мин........... 125,7 130,0
Минимальная высота, км.......... 562 565
Максимальная высота, км......... 3320 3690
Эксцентриситет....................... 0,166 0,184
Аргумент перигея................ 135° 135°
«ДИСКАВЕРЕР 1» И «ПИОНЕР 4>
На 1959 г. была намечена серия запусков спутников
«Дискаверер», предназначенных для подготовки запуска
спутника с человеком. Запуски предполагалось провести
с базы Ванденберг в Калифорнии. Первый из них —
28 февраля — был загадочным, потому что радиопере-
датчик спутника отказал и немногие принятые сигналы
оказались противоречивыми. «Дискаверер» (что значит
«открыватель») не обнаружился, и спустя две недели
в краткой телеграмме наблюдательного центра был со-
общен его некролог: «Если «Дискаверер» вышел на ор-
биту, то он утерян»,
78
Глава 11
Космическая ракета «Пионер 4»э запущенная с мыса
Канаверал 3 марта в 5 час. И мин. по гринвичскому
времени, стала второй искусственной планетой; она про-
летела мимо Луны на расстоянии около 6 тыс. км и вы-
шла на орбиту вокруг Солнца. Она затрачивает на пол-
ный оборот 407 дней, и ее расстояние от Солнца меняется
от 147 до 174 млн. км. Она гораздо меньше первой ис-
кусственной планеты, весит всего около 6 кг и вряд ли
будет наблюдаться когда-либо снова. «Пионер 4» про-
водил измерения поясов радиации вокруг Земли и пе-
редавал радиосигналы на частоте 960 Мгц. За ним сле-
дили в течение четырех дней с помощью радиотелескопа
Джодрелл Бэнк (Англия) и наблюдательной станции
Голдстоун в Калифорнии (США), пока работали его ба-
тареи; за это время он удалился примерно на 65 тыс. км.
«ДИСКАВЕРЕР 2»
Второй спутник серии «Дискаверер» был запущен
в южном направлении с базы Ванденберг 13 апреля
1959 г. в 21 час. 19 мин. по гринвичскому времени. Спут-
ник вышел на почти круговую орбиту, проходящую
вблизи полюсов. Запуск был произведен с помощью ра-
кеты «Тор»; на орбиту вышла вся вторая ступень, около
6 м длиной и 1,5 м в диаметре, весом 720 кг. Полезный
вес составлял 200 кг. Предполагалось отделить капсулу
весом 88 кг и затем поймать ее в воздухе высоко над
землей или после того, как она достигнет земли. Однако
часовой механизм сработал неточно, и предполагается,
что капсулу упала вблизи архипелага Шпицберген
в ночь с 14 на 15 апреля около полуночи по гринвичско-
му времени.
«Дискаверер 2» имел орбиту, более близкую к кру-
говой и с большим наклонением (около 90°), чем все
предыдущие спутники; первоначально его высота меня-
лась между 240 и 350 км, что дает эксцентриситет 0,008,
а период обращения составлял 90,4 мин. Он существо-
вал 13 дней. «Дискаверер 2» получил обозначение 19597»
поскольку «Дискаверер 1» был назван 19596, несмотря
на постигшую его неудачу.
Спутник, «Эксплорер», «Авангард»...
79
Продолжительность жизни «Дискаверера 2» и всех
предыдущих спутников показана на рис. 29.
1957
Окт
1958
1959 1960
Янв \Апр }Июль ^Окт. Янв. }Апр. ^Июль
4 Спутник 1 1957 а2 [ ! |
Г 1 1 1 ! I !
Спутник /, ракета 1957 осг i ।
Окт.
Янв.
янв.
1962 ?
*2060?
*2060?
X/ [ Эксплорер 31958 у
*2010?
*2010?
IИ Дискаверер 2 1959 у
. ! ! !
। । • i 1 ’
। _______j_____________[______।
Окт. Янв. А пр. Июль Окт. Янв. А пр. 1 Июль1 Окт. Янв.
1957 1958
1959
Рис. 29. Диаграмма продолжительности жизни спутников.
«ЭКСПЛОРЕР 6> (1959 д^исДИСКАВЕРЕР» 5 и в
(1959 е и 1959 £)
«Эксплорер 6» (195981), известный как «гребное ко-
лесо» и первоначально предназначавшийся для состав-
ления карты поясов радиации вокруг Земли, был запу-
80
Глава II
щен с мыса Канаверал 7 августа 1959 г. в 14 час. 24 мин.
по гринвичскому времени. Он весил 64 кг и имел цент-
ральное тело в форме лимона диаметром 66 см и дли-
ной 75 см с четырьмя лопастями, каждая площадью око-
ло 2500 см2, несущими солнечные батареи. Начальная
Фото IV. Спутник «Эксплорер 6» («гребное колесо»), запущен-
ный 7 августа 1959 г. на очень вытянутую орбиту. «Эксплорер 6» (как
и похожий на него по виду «Пионер 5») имел четыре «лопасти»,
каждая площадью около 50 X 50 см, покрытые с обеих сторон сол-
нечными батареями, питавшими радиопередатчики. «Эксплорер 6»,
весивший 64 кг, ежедневно в течение двух месяцев проводил цен-
ные измерения во внешнем радиационном поясе Земли.
его орбита, наклоненная к экватору на 47°, была гораздо
более вытянутой, чем орбиты всех предшествующих
спутников: высота «Эксплорера 6» над землей менялась
от 260 до 39500 км, а орбитальный период составлял
12 час 45 мин. Ракета «Эксплорера 6» (1959 8г) двига-
лась почти по такой же орбите.
Спутники «Дискаверер» 5 и 6 так похожи друг на
друга, что их можно назвать небесными близнецами. Они
Спутник, «Эксплорер», «Авангард»...
81
были запущены в южном направлении с базы Ванден-
берг соответственно 13 августа в 19 час. 00 мин. и 19 ав-
густа в 19 час. 25 мин. по гринвичскому времени.
Каждый весил 770 кг и имел 5,8 м в длину и 1,5 м в диа-
метре. Оба спутника выбросили над Тихим океаном кап-
сулы весом по 136 кг; однако в обоих случаях капсулы
найти не удалось. Орбиты этих спутников были накло-
нены к экватору на 80 и 84°, их начальные периоды со-
ставляли 94,2 и 95,3 мин. Минимальные высоты равня-
лись 222 и 215 км, а максимальные — 745 и 857 км со-
ответственно. Ожидалось, что продолжительность жиз-
ни обоих спутников составит примерно 6 недель1).
’) «Дискаверер 5» упал 28 сентября, а «Дискаверер 6» —
20 октября 1959 г. — Прим, перев.
6 Зак. 1274
HI
Наблюдения спутников
А что если направить телескоп в небеса
И постараться понять то, что увидим?
Кристофер Фрай «Наблюдение Венеры»
Обидно было бы успешно запустить спутник, а затем
его потерять; «лучше запустить спутник и потом по-
терять, чем совсем не запускать» — это опасный афоризм.
Многие первые американские спутники, если бы их ра-
диопередатчики прекратили работу, были бы потеряны
навсегда, как это случилось с некоторыми отделившими-
ся деталями первых спутников: защитными носовыми ко-
нусами, а также, возможно, со спутником «Дискаверер 1».
Потеря спутника, каким бы маленьким он ни был,—
непростительное расточительство, потому что его орбита
может рассказать нам кое-что новое о форме Земли и
плотности верхних слоев атмосферы. В самом деле,
большинство первых открытий, сделанных благодаря
спутникам, явилось скорее результатом анализа их
орбит, чем измерений с помощью бортовой аппаратуры.
Точные наблюдения орбиты, следовательно, играют боль-
шую роль в процессе исследований околоземного про-
странства.
В этой главе я кратко опишу основные методы на-
блюдений спутников. Они могут быть разделены на опти-
ческие, радио и радиолокационные. Наилучшими яв-
ляются оптические методы, но они имеют три недостатка.
Во-первых, спутник может быть маленьким, и тогда его
трудно наблюдать. Во-вторых, он обычно виден только во
время одного прохождения в сутки; при других прохожде-
ниях, как показанонарис. 30, либо небо слишком светлое,
либо спутник находится в тени Земли. И, в-третьих,
Оптические наблюдения зависят от милостей погоды,
Наблюдения спутников
83
которая в Англии, например, не слишком щедра. При
слежении за спутником радиометодами время суток и
капризы погоды не имеют значения, хотя снег и дождь
могут причинить вред как прибору, так и оператору, ра-
ботающему на нем.]Радиометоды имеют два недостатка:
Рис. 30. Спутник виден только в том случае, если он освещен
Солнцем и небо с Земли кажется достаточно темным. Следова-
тельно, при каждом прохождении оптические наблюдения спутника
возможны только на небольшой территории Земли. Число ежеднев-
ных прохождений, во время которых спутник можно наблюдать,
зависит от его высоты, широты места и времени года. Если высота
спутника не превышает 800 км, то, как правило, он будет хорошо
виден только во время одного прохождения в сутки.
при прочих равных обстоятельствах радионаблюдения
менее точны, чем оптические; кроме того, не каждый
спутник посылает радиосигналы. Для третьего метода,
радиолокационного, не требуются радиосигналы спутни-
ков, и он тоже почти не зависит от погоды. Однако
спутник — трудная мишень для локатора, так как он
мал и далек.
ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Самая простая «оптика» — невооруженный человече-
ский глаз, и им не следует пренебрегать при наблюде-
ниях спутников. Глаз имеет очень большое поле зрения
6*
84
Глава lit
и может оценить разницу в направлении до 0°,1 —такой
выгодной совокупностью свойств не обладают многие
другие методы наблюдений, например радиолокацион-
ный метод. Будучи довольно точными, визуальные на-
блюдения имеют то преимущество, что результат вы-
дается сразу и без материальных затрат. Их главный не-
достаток состоит в том, что они применимы лишь к
большим спутникам. Некоторые спутники были видны
невооруженным глазом, и астрономы-любители полу-
чили возможность заниматься новым видом спорта —
«ловлей» спутников. Многие новички в астрономии по-
знали на опыте то, что Китс мог только вообразить:
Себе казался сторожем небес,
Планеты новой увидавшим появленье ’)•
Каждый, кто знаком со звездным небом и имеет точ-
ные часы с секундной стрелкой или, еще лучше, хроно-
метр, может проводить полезные визуальные наблюде-
ния. Если есть обычные часы, лучше всего установить
минутную и секундную стрелки тар, чтобы секундная
проходила через нуль тогда, когда минутная точно ука-
зывает какую-либо минуту. Затем проверьте (до и после
наблюдения), на сколько секунд часы спешат (или от-
стают) относительно последнего сигнала точного вре-
мени, чтобы решить, сколько вы должны вычесть из
(или прибавить к) времени, которое было зарегистри-
ровано, когда вы провели наблюдение. При наблюде-
ниях с секундомером вы просто запускаете его во время
наблюдения и останавливаете при следующих сигналах
точного времени (тем не менее точность секундомера
должна часто проверяться).
Положение спутника отмечается в момент, когда он
проходит между двумя известными звездами, не слиш-
ком далеко расположенными друг от друга. Предполо-
жим, например, как на рис. 31, что вы выбрали две
крайние звезды ковша Большой Медведицы — Мерак и
Дубхе, которые расположены на расстоянии 5° друг от
) Сонет Китса «Первое впечатление о переводе Гомера Чап-
меном».
Наблюдения спутников
85
друга. Тогда ваше наблюдение следовало бы записать,
например, так: «Спутник прошел между звездами Ме-
рак и Дубхе на расстоянии 3/10 от первой в 6 час.
13 мин. 14 сек.». Если известны широта и долгота на-
блюдателя, наблюдение такого рода можно легко пере-
вести в высоту (угол над горизонтом) и азимут (угол от
направления стрелки компаса). Не нужно говорить, что
прохождения спутника между этими звездами Большой
Медведицы случаются не часто, поэтому необходимо хо-
рошо знать звездное небо.
Путь
спутника
х х
X
X
к Me рак
Рис. 31. Визуальное наблюдение спутника, проходящего между
двумя крайними звездами ковша Большой Медведицы. Когда спут-
ник пересекает линию, на которой расположены две звезды, от-
мечается время и определяется расстояние спутника от ближайшей
звезды в этот момент.
Если небо ясное, спутник яркий и наблюдатель опыт-
ный, тогда точность такого типа наблюдений будет до
0°,5 по положению и 1 сек по времени, хотя наблюда-
тели, которые хорошо знают звездное небо, могут до-
биться более высокой точности. Наблюдения с точно-
стью до 0°,5 по положению и 1 сек по времени нужны
главным образом для предсказания следующих прохо-
ждений и для определения периода обращения спутника.
Если расстояние до спутника 400 км, то наблюдение с
точностью до 0°,5 фиксирует его положение с точностью
до 3 км, а так как он движется со скоростью 8 км/сек,
то 3 км эквивалентны ошибке по времени около 0,4 сек.
Таким образом, полная ошибка по времени меньше
1,5 сек, и если удалось определить время прохождения
спутника через какую-либо определенную широту в те-
чение двух дней подряд, то можно найти средний период
86
Г лава III
обращения с ошибкой около 0,15 сек. Так как период
обращения близок к 100 мин, ошибка в 0,15 сек состав-
ляет 1/40000 измеряемой величины. Таким образом, лю-
бительские наблюдения имеют такую же точность, как
профессиональные.
Наблюдения невооруженным глазом, хотя они и ока-
зываются сверх ожиданий полезными, недостаточно точ-
ны для многих целей, поэтому различные оптические
инструменты также играют важную роль в наблюдениях
спутников. Большой астрономический телескоп не очень
подходит для этой цели, так как у него малое поле зре-
ния и его нельзя быстро вести за спутником. Поэтому
обычно его необходимо установить заранее, а если по-
ложение предсказано недостаточно точно, есть опас-
ность пропустить спутник. Если же спутник действитель-
но пересечет поле зрения, можно сделать одно точное
наблюдение. Даже одно-единственное наблюдение та-
кого рода может быть чрезвычайно ценным, если спут-
ник трудно наблюдать; но было бы слишком расточи-
тельно часто пользоваться астрономическим телескопом
таким образом.
Более подходящими оптическими инструментами для
наблюдения спутников служат теодолит и кинотеодолит,
с помощью которых за одно прохождение можно сде-
лать большое количество наблюдений. Теодолит — это
маленький телескоп на азимутальной установке с двумя
проградуированными кругами, дающими угловую вы-
соту над горизонтом и азимут, например 50° к востоку
от точки севера. Когда спутник проходит через центр
поля зрения, отмечается время и снимаются показания
кругов. Затем труба теодолита сдвигается для другого
наблюдения и т. д. Интервал между наблюдениями мож-
но уменьшить при повышении мастерства и увеличении
числа наблюдателей или с помощью автоматической ре-
гистрации времени и отсчетов кругов. Теодолитные на-
блюдения открывают большие возможности перед изо-
бретателем. Приведем один пример: отсчеты кругов
можно произносить вслух и записывать на магнитофон,
а затем расшифровывать эту запись. Главный недоста-
ток теодолитных наблюдений — ошибка по времени.
Наблюдения спутников
87
Точность момента времени, отмеченного одним челове-
ком, воскликнувшим «есть», в то время как другой
нажимает кнопку, не соответствует точности по поло-
жению, которую дает инструмент. Наиболее много-
Фото V. Наблюдения с теодолитом в Йокиойнене, Финляндия.
Отсчеты высоты и азимута регистрируются автоматически.
Т. Рави (слева) с помощью К. Линдберга управляет теодо-
литом, П. Ярви (справа) записывает время.
численные и успешные теодолитные наблюдения спутни*
ков, по-видимому, были проделаны в Йокиойнене (Фин-
ляндия) под руководством доктора Г. Ернефельта, ди-
ректора Хельсинкской обсерватории. На фото V пока-
заны сотрудники этой станции за работой.
88
Глава III
Кинотеодолит дает серии наблюдений, подобные тем,
которые получают с помощью теодолитов, но более
точные. Кинотеодолиты предназначаются для наблюде-
ний при испытаниях военных ракет при определении
их траекторий; точность отметки времени, а также
Фото VI. Наблюдения с кинотеодолитом на наблюдательном
пункте Исследовательского центра Королевских военно-воздушных
сил. Один наблюдатель следит за движением по высоте, другой —
по азимуту. Наблюдатели смотрят в маленькие телескопы-искатели,
оси которых параллельны оси главного телескопа. При наблюде-
ниях спутников кинотеодолит делает 5 снимков примерно за секунду,
направление измеряется с точностью до 0°,01, а время с точно-
стью 0,01 до сек.
положения, очевидно, очень важна для этой цели.
С кинотеодолитом работают два оператора, один
ведет инструмент по высоте, другой — по азимуту
(фото VI). Каждый из операторов смотрит в маленький
вспомогательный телескоп, который направлен парал-
лельно главному телескопу, установленному в центре«
Задача каждого оператора — удерживать объект воз-
Наблюдения спутников
89
можно ближе к центру поля зрения. Тем временем глав-
ной трубой инструмента автоматически делается серия
фотографий с короткой экспозицией. Пленка фикси-
рует: 1) отсчеты кругов высоты и азимута, 2) отметки
времени с большой точностью и 3) изображение объекта
относительно сетки нитей главного телескопа. Если сле-
жение велось точно и объект всегда находился в центре
сетки нитей, тогда нет необходимости выполнять послед-
ний пункт. Однако практика показывает, что трудно сле-
дить за объектом так тщательно. Когда кинотеодолит
используется для наблюдения спутников, время экспо-
зиции увеличивают примерно до Vs сек, чтобы изобра-
жение было ярче. С проявленной пленки считываются
точное время каждой экспозиции, а также азимут и вы-
сота, исправленные за смещение изображения от центра
нитей. Одними из лучших кинотеодолитных наблюдений
спутников оказались наблюдения, выполненные Королев-
скими военно-воздушными силами в Орфорднессе (Саф-
фолк) .
Точность визуальных, теодолитных и кинотеодолит-
ных наблюдений в значительной степени зависит от ма-
стерства наблюдателей, поэтому можно привести только
приближенные данные. Хорошие визуальные наблюде-
ния имеют точность 1° по положению и 1 сек по вре-
мени. Теодолитные наблюдения могут достигать точно-
сти около 0°,1 по положению и 0,2 сек по времени. При
наблюдениях с кинотеодолитами ошибки составляют
0°,01 по положению и 0,01 сек по времени.
Серия из 30 кинотеодолитных наблюдений, получен-
ных за одно прохождение, позволяет надежно опреде-
лить орбиту спутника, например период обращения
и т. д. При определении орбиты пользуются методом
проб. Если сделать некоторое предположение относи-
тельно величины эксцентриситета орбиты, можно под-
считать высоту и скорость спутника для любого момен-
та времени на этой предположительной орбите и затем
вычисленную траекторию сравнить с наблюдениями.
После этого делается второе, более точное предположе-
ние, и т. д. до тех пор, пока не будет окончательно полу-
чена орбита, которая наиболее точно соответствует на-
блюдениям. Если два кинотеодолита, расположенных на
90
Глава III
расстоянии нескольких сотен километров друг от друга,
наблюдают один и тот же участок орбиты спутника, то
можно очень точно (до нескольких сотен метров) найти
высоту спутника на этом участке.
Однако кинотеодолиты могут быть использованы
только в том случае, если спутник достаточно ярок, что-
бы его сразу можно было поймать и чтобы он оставил
изображение на пленке. Второй советский спутник и
ракета третьего спутника полностью удовлетворяли этим
условиям, а первые американские спутники нет, и по-
этому на американской сети станций («Мунвотч») были
приняты совершенно другие методы.
Назначение сети «Мунвотч», организованной Смитсо-
нианской астрофизической обсерваторией (Кембридж,
Массачусетс), заключается в том, чтобы выставлять
«оптический барьер», который спутник должен пересечь.
Обычно штат станции «Мунвотч» состоит из десяти на-
блюдателей-добровольцев, вооруженных маленькими те-
лескопами с полем зрения около 10°. Дуга меридиана
протяженностью примерно по 20° по обе стороны от
точки, где спутник должен пересечь меридиан, делится
на участки, и за каждым наблюдателем закрепляется
один из них. Если спутник пересекает меридиан в пре-
делах этих 40° дуги, его увидит один или несколько на-
блюдателей при условии, что спутник достаточно ярок
для наблюдений в небольшие телескопы, позволяющие
наблюдать звезды до 9 звездной величины. Аналогич-
ная сеть станций была создана в Советском Союзе.
Результаты наблюдений сети «Мунвотч» наиболее
ценны для слабых американских спутников, для ярких
же спутников это довольно дорогой метод. В данном
случае требуется десять человек для того, чтобы полу-
чить одно наблюдение, а с теодолитом один человек мо-
жет сделать десять наблюдений.
Наибольшей точности можно достичь при фотографи-
ровании спутника на фоне звезд; его положение тогда
можно определить в лучшем случае с точностью окдло
0°,001, т. е. в десять раз точнее, чем с кинотеодолитом.
Но наблюдение будет гораздо более ценным, если до-
стичь такой же точности по времени, т. е. примерно
0,001 сек; ведь для многих наблюдателей определение
Наблюдения спутников
91
времени оказывается гораздо более сложной задачей,
чем фотографирование. У фотографического метода есть
определенные недостатки. Во-первых, это чрезвычайно
трудоемкая работа — отождествить все звезды и изме-
рить фотографические пластинки с нужной точностью.
Во-вторых, камера, которая при большой экспозиции
фотографирует совсем слабые звезды, может дать очень
слабый след спутника, так как движущийся спутник по-
зволяет делать только очень короткие экспозиции в ка-
ждой точке. Для борьбы с этими недостатками идут на
разные ухищрения — часто довольно хитроумные. Для
точного фотографирования спутников требуется дорогое
оборудование и тонкая методика.
Камера «Бейкер-Нан», специально построенная в
США для фотографирования спутников, представляет
собой массивный инструмент высотой более 3 м и весом
около 3 т. Эта камера имеет зеркало диаметром 80 см,
поле зрения 5X30° и может фотографировать спутники
до звездной величины 12 с точностью до 0°,001 по поло-
жению и 0,002 сек по времени, причем эталоном вре-
мени служат кварцевые часы. Пленка изгибается в со-
ответствии с кривизной фокальной плоскости зеркала, и
на каждом кадре получаются два снимка. Сначала ка-
мера «следит» за спутником, так что спутник дает то-
чечное изображение, а звезды — длинные следы; затем
камера фотографирует звезды, чтобы получить относи-
тельное положение спутника.
Чтобы закончить общее описание оптических мето-
дов, нужно отметить два фактора, которые мешают этим
наблюдениям в таких странах, как Англия: погода и
огни самолетов. Наша погода может быть удручаю-
щей: я пытался наблюдать все 40 прохождений ра-
кеты третьего советского спутника в ноябре 1958 г., а
видел ее только однажды в течение нескольких секунд
в разрывах между облаками. И если погода просто при-
водит в ярость, то огни самолетов могут вводить в за-
блуждение. Самолет часто летит с такой же видимой
скоростью, как и спутник, и по похожей траектории, а
звука его двигателя бывает не слышно. Хуже всего,
когда только небольшой участок неба свободен от
Э2
Глава III
облаков и по нему движется светлая точка. Спутник
ли это? Вопрос может остаться без ответа, если наблю-
датель недостаточно хорошо знает, как выглядит и ве-
дет себя спутник.
РАДИОМЕТОДЫ
Если спутник передает радиосигналы на известной
длине волны, то возможны два общедоступных метода
наблюдений. Первый — с помощью радиоинтерферо-
метра, принцип действия которого иллюстрируется на
рис. 32. Две антенны А и В установлены на одинаковой
высоте над поверхностью Земли и на точно известном
Рис. 32. Принцип действия радиоинтерферометра. Слева изображен
случай, когда путь радиосигналов до антенны Л на 2 длины волны
больше, чем до антенны В; тогда высота спутника равна 60°.
Справа — различие составляет 1 длину волны, высота равна 75°.
расстоянии друг от друга (четыре длины волны на ри-
сунке). Сигналы, получаемые на двух антеннах, срав-
ниваются, и всякий раз, когда сигналы по фазе точно
совпадают, расстояние от спутника до антенн Л и В
должно быть либо точно одинаковым, либо, что более
вероятно, различается на целое число длин волн. На
рис. 32 изображены два случая, когда это различие со-
ставляет либо две длины волны (слева), либо одну
длину волны (справа). Если разница равна двум дли-
нам волн, сторона АС треугольника АВС точно равна
половине стороны АВ. Угол АСВ прямой, и тогда угол
ВАС составляет 60°. Таким образом, спутник, который
находится в направлении А С, имеет высоту 60° как для
точки А, так и для точки В, так как расстояние АВ —
около 60 .м при длине волны 15 м — очень мало по срав-
Наблюдения спутников
93
нению с расстоянием до спутника —160 км или более.
Таким же образом, если расстояние АС равно одной
длине волны вместо двух, спутник находится на высоте
около 75° (точнее 75°,52). И если спутник находится на
одинаковом расстоянии от обеих антенн, его высота, ко-
нечно, 90°.
В то время как спутник проходит над прибором и
удаляется, интерферометр регистрирует моменты вре-
мени, в которые разница в расстоянии АС составляет
0, 1, 2, ... длины волны, а это и есть моменты, когда вы-
сота спутника равна 90°, 75°,52, 60°, .... Следовательно,
интерферометр дает серию «наблюдений» на этих из-
вестных высотах в такой же форме, как серии наблюде-
ний с кинотеодолитом. Одна пара антенн регистрирует
положение спутника только в одной плоскости; но на-
правление на спутник определяется точно, если вторая
пара антенн устанавливается под прямым углом к пер-
вой; одна пара может быть, например, расположена по
линии север — юг, а другая — по линии восток — запад.
Интерферометр, как следует из его названия, отме-
чает также, когда волны, достигающие двух антенн, пол-
ностью гасятся и не дают сигнала, и этот момент может
быть определен более точно, чем момент максимума
сигнала. Когда волны гасятся, расстояния спутника от
двух антенн должны отличаться на Vz, 1V2. 21 /2, ... длины
волны, что соответствует высотам 82°,8, 68°,0, 51°,3,...,
если расстояние между антеннами равно четырем дли-
нам волн, как на рис. 32. Если увеличивать расстояние
между антеннами, можно получить большее число от-
дельных точек: если, например, расстояние равно де-
сяти длинам волн, нулевой сигнал будет при высотах
87°, 1, 81 °,4, 75°,5.
Основные ошибки интерферометра, вероятно, вызы-
ваются искажением радиоволн в ионосфере и электри-
ческой активностью слоев верхней атмосферы. Чем
больше длина волны, тем сильнее сказывается влияние
ионосферы. Если длина волны равна 15 л, как у пер-
вого, второго и третьего советских спутников, то ионо-
сферный эффект, вероятно, значителен; но он гораздо сла-
бее для первых американских спутников, передававших
радиосигналы на волне 3 м. Если исключить ошибки,
94
Глава III
вызванные ионосферой, то направления, даваемые интер-
ферометром, должны иметь точность около 0°,01, т. е.
такого же порядка, как кинотеодолитные наблюдения,
а время может быть точно отмечено электрическими
методами.
Интерферометр особенно полезен в первые дни жиз-
ни спутника, так как он дает высоту как на восходящем,
так и на нисходящем витке независимо от погоды и вре-
мени суток, и эти засечки в двух точках позволяют бы-
стро рассчитать всю орбиту. В США станции специаль-
ной сети «Минитрек» с интерферометрами играют важ-
ную роль в определении орбит небольших спутников, ко-
торые трудно наблюдать оптическими методами. В Анг-
лии наиболее эффективным для определения первона-
чальных орбит спутников оказался интерферометр Коро-
левских военно-воздушных сил на аэродроме в Ласхэме.
Второй важный радиометод использует эффект Доп-
плера: он хорошо иллюстрируется следующей анало-
гией. Представьте себе, что в туманный день вы стоите
в долине, в то время как мимо вас по высокому мосту
быстро идет поезд и свистит. Вы слышите свист на вы-
сокой ноте, когда поезд приближается, затем высота
тона быстро меняется, когда поезд проходит мимо, и
наконец на низкой ноте, когда он удаляется. Представь-
те также, что еще кто-нибудь стоит дальше от полотна
железной дороги, чем вы. Он слышит ту же высокую
ноту вначале и ту же низкую в конце, но для него изме-
нение высоты звука происходит гораздо более медленно,
чем для вас, потому что он находится дальше. Если у
вас обоих есть магнитофоны, то при сравнении записей
станет очевидно, что вы находились ближе к поезду, чем
он, потому что высота звука менялась для вас быстрее.
И если у вас есть собственные измерительные инстру-
менты, вы оба независимо друг от друга можете точно
сказать, как далеко от поезда находился каждый из вас.
Маленький спутник, подобно скрытому в тумане поезду,
не может быть видим, но его радиосигналы, как свисток
поезда, можно услышать и записать, и таким образом
можно найти расстояние, на котором он прошел.
Изменение частоты, вызванное эффектом Допплера,
равно v • у/с, где v — частота, у — скорость спутника, а
Наблюдения спутников
95
с — скорость света (300 000 км/сек). Таким образом, если
частота сигналов 40 Мгц (как у первого и второго со-
ветских спутников) и скорость спутников 8 км]сек, то
максимальное изменение частоты, когда спутник при-
Время, сек
Рис. 33. Изменение частоты радиосигналов во время движения
спутника (эффект Допплера). Числа у кривых указывают кратчай-
шее расстояние между спутником и наблюдателем. Чем ближе
проходит спутник, тем быстрее меняется частота; таким образом,
по наблюденным значениям (крестики) можно определить расстоя-
ние, на котором проходит спутник (здесь 260 км).
8-40/300000 Мгц, или около 1100 гц. Изменения в ча-
стоте, когда спутник проходит мимо, можно легко вы-
числить, как это показано на рис. 33, для прохождения
на расстояниях в 160 и 320 км. Линия из крестиков на
рисунке представляет измеренные значения при прохо-
ждении на расстоянии около 260 км.
Если два наблюдателя X и Y находятся на станциях,
удаленных друг от друга на 160 км, причем соединяющая
Й6
Глава 111
их линия перпендикулярна траектории спутника, спро-
ектированной на земную поверхность, и оба измеряют
расстояние описанным выше способом, то можно найти
высоту и траекторию спутника над Землей. Предполо-
Р и с. 34. Определение высоты
спутника над точкой Т по измере-
ниям эффекта Допплера двумя
наблюдателями X и К, располо-
женными на растоянии 160 км
друг от друга.
жим, что спутник прохо-
дит на расстоянии 240 км
от X и 320 км от У, как
показано на рис. 34. Все
три стороны треугольни-
ка ХУ5 известны, и вы-
сота спутника над зем-
ной поверхностью оказы-
вается равной 230 км в
точке Т, отстоящей от X
на 60 км.
На практике метод
Допплера имеет некото-
рые недостатки по срав-
нению с интерферометром.
Главный недостаток за-
ключается в том, что
ионосфера значительно
искажает радиоволны,
если их частоты равны
20 и 40 Мгц. В резуль-
тате допплеровские измерения сигналов спутников, про-
деланные таким методом, вместо сглаженной кривой,
как линия крестиков на рис. 33, обычно дают иска-
женную или прерывистую кривую, и тогда трудно опре-
делить расстояние до спутника.
РАДИОЛОКАЦИЯ
Радиолокация — наиболее самостоятельный из всех
методов слежения за спутниками. Он не связан ни с от-
раженным солнечным светом, как оптические методы, ни
с радиосигналами, излучаемыми самим спутником. Ра-
диолокационная установка посылает серии кратковре-
менных и мощных импульсов излучения длиной волны
от 1 мм до 10 м, и затем делается попытка обнаружить
очень малую долю излученной радиации, которая отра-
НаблюденаЛ спутников $
зилась от спутника обратно по направлению к приемной
антенне. Импульсы излучения движутся со скоростью
света, т. е. 300 000 км)сек. и расстояние до спутника на-
ходится путем измерения времени, за которое импульс
проходит двойной путь. Это время очень мало — всего
лишь порядка тысячной доли секунды для спутника на
расстоянии 160 км, и все-таки длительность самого им-
пульса излучения гораздо меньше — только несколько
миллионных долей секунды.
Отраженный сигнал, принятый радиолокатором, за-
висит как от размеров спутника, так и от расстояния до
него. Последнее обстоятельство особенно важно, потому
что, если расстояние удваивается, излученный сигнал
покрывает это расстояние за время, вдвое большее; от-
раженное излучение, которое уже в 4 раза слабее, чем
вначале, ведет себя таким же образом, и принятый
сигнал, следовательно, будет в 16 раз слабее. Обычно
спутники проходят на расстоянии более 320 км от ра-
диолокатора, иногда на расстоянии свыше 1600 км.
Из-за того, что они так малы и далеки, эхо очень сла-
бое и может быть принято только с помощью самых
больших инструментов.
Один способ усиления отраженного сигнала * заклю-
чается в том, чтобы сконцентрировать всю возможную
мощность в более узком пучке лучей, используя либо
более короткие длины волн, либо большую передаю-
щую антенну. Это разрешает одну проблему, но создает
другую: если пучок лучей слишком узок, есть опасность,
что спутник вовсе не пройдет через него. Если траекто-
рия спутника точно известна, вряд ли необходимо про-
водить наблюдения с помощью дорогого радиолокацион-
ного оборудования; достаточно будет оптических наблю-
дений. Радиолокатор особенно полезен в последние не-
сколько дней жизни спутника, так как земная тень,
дневной свет или плохая погода могут помешать опти-
ческим наблюдениям во время очень важных последних
прохождений. Но в последние дни траектория спутника
известна менее точно, так как его орбита меняется очень
быстро; отсюда опасность, что узкий луч не попадет
в него.
7 Зак. 1274
98
Глава HI
Таким образом, чтобы удовлетворить этим противо-
речивым требованиям, для радиолокационного метода
необходимо компромиссное решение. Даже в случае
большой приемной антенны, подобной радиотелескопу в
Джодрелл Бэнк, и при условии большого спутника, по-
добного второму советскому спутнику, никак нельзя быть
уверенным в успехе. А при очень маленьком спутнике, та-
ком, как «Авангард 1» (диаметр 15 см), вероятность
обнаружить эхо еще меньше. Из-за компромиссов, на
которые приходится идти, точность радиолокатора по
направлению обычно ненамного лучше, чем при визу-
альных наблюдениях, но зато определяется одна из са-
мых важных характеристик — расстояние до спутника.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итак, мы обсудили почти все методы наблюдения
спутников, применявшиеся до сих пор, но есть и неко-
торые другие способы, о которых следует упомянуть.
К оптическим относятся различные фотоэлектрические
методы наблюдений, которые не были еще полностью
опробованы, но представляются многообещающими.
Подобные приборы могут исключать постоянное свече-
ние фона звездного неба и отмечать только кратковре-
менные явления, подобные прохождениям спутников.
Они могут также избегать помех, создаваемых яркостью
неба, последовательно сканируя очень маленькие
области с большой скоростью. Другой радиометод, еще
не упоминавшийся ранее, состоит в использовании на-
правленных антенн, но подобно другим радиометодам,
он тоже неточен, так как радиоволны искажаются ионо-
сферой. Наконец, промежуточным между оптическим и
радиометодами является метод инфракрасного слеже-
ния, который использует длины волн, примерно в 10 раз
большие, чем видимые, но в 100 раз меньшие, чем уль-
тракороткие радиоволны. Некоторые соединения свинца,
например сернистый свинец, чувствительны к инфра-
красному излучению и используются в приемниках из-
лучения этих приборов.
Приходящее инфракрасное излучение состоит частич-
но из солнечного излучения, отраженного спутником, ча-
Наблюдения спутников
99
стично из излучения самого спутника. Можно различить
эти два типа излучения, и, поскольку собственное излу-
чение спутника зависит от его температуры, наблюде-
ния в инфракрасном участке спектра могут дать при-
близительное представление об этой температуре, так
же как и измерение вариаций интенсивности отражен-
ного излучения.
Все методы наблюдений, описанные в этой главе,
имеют некоторые недостатки, но они хорошо дополняют
друг друга, и большинство из них, вероятно, будет при-
меняться одновременно. Это разнообразие методик,
хотя и может иногда показаться расточительством, име-
ет свои преимущества, так как взаимодействие несколь-
ких различных областей науки обычно обогащает каж-
дую из них.
7*
IV
Характер научных исследований
Ступай туда, где власть всему Наука,
Измерь всю землю, воздух взвесь, уйми приливы.
А. Поуп «Трактат о Человеке»
I/ак используются спутники в научных целях? Для
** каких исследований они подходят больше всего?
Прежде чем перейти к обсуждению открытий, сделанных
с помощью спутников, я попытаюсь ответить на эти
важные вопросы. Упомяну также некоторые направле-
ния, по которым, вероятно, будут развиваться исследо-
вания с помощью спутников.
В настоящее время от запуска спутников больше
всего выиграла геофизика, однако точно объяснить зна-
чение этого слова не так просто. Геофизика занимается
главным образом изучением тех сил, которые опреде-
ляют состояние окружающей нас среды, и охватывает
такие разные области, как океанография, космические
лучи, гляциология и полярные сияния. С недавних пор
слово «геофизический» стало широко известным благо-
даря Международному геофизическому году (1957/58 г.)
и его преемнику — Международному году геофизиче-
ского сотрудничества (МГГС). Эти мероприятия, не-
смотря на несколько напыщенные названия, оказались
очень благотворными, особенно для неспециалиста, ко-
торый жалуется, что наука становится все более непо-
стижимой. Геофизика возвращает нас на Землю: факти-
чески, это возвращение к «началу вещей», к четырем
элементам древних греков — земле, воздуху, огню и
воде, или на современном языке — к земной суше, атмо-
сфере, Солнцу и океанам.
Характер научных исследований
Ю1
Было бы лучше не сме-
шивать здесь четыре эле-
мента, как их смешал
Тернер ’) в своих более
поздних картинах, а об-
судить их по порядку:
Солнце, суша, море, воз-
дух. На первом месте сто-
ит Солнце, так как все
наше существование зави-
сит от него. Во-первых, от
его роли правителя, «чей
неодолимый свет удержи-
вает буйный бег планет,
стремящихся уйти в
глухую глубь вселен-
ной»2). Солнце не дает
нам улететь в межзвезд-
ное пространство. Во-вто-
рых, свет, который оно
излучает, имеет огромное
значение для жизни на
Земле. Сила солнечного
притяжения в настоящее
время считается само со-
бой разумеющейся, и по-
этому особое внимание
уделяется щедрому сол-
нечному излучению и тем
возмущениям, которые
временами превращают
его в яростный поток.
Солнце является свое-
образным генератором из-
лучения почти во всех дли-
нах волн спектра (рис. 35).
!) Дж. М. Тернер (1775—
1851)— выдающийся англий-
ский художник-пейзажист. —
Прим,, ред.
2) Шелли «Освобожденный
Прометей»*
Частота, Мои,
Ри с. 35. Спектр электромагнитных волн. Через земную атмосферу проникает излучение только в тех
участках спектра, которые на рисунке заштрихованы.
102
Глава IV
Различные участки спектра имеют разные названия, но
это в значительной степени условно, так как в свойствах
электромагнитных волн не наступает внезапных измене-
ний при перемене, названия. Самые короткие волны,
длина которых меньше 10~6 см, называются гамма- и
рентгеновскими лучами, причем самые короткие волны,
обладающие самой высокой энергией, — это гамма-лучи
космического происхождения.
На интервал длин волн между 10-6 и 10-1 см при-
ходится ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное из-
лучение. Видимый свет занимает только крошечную
долю этой области от 4* 10-5 до 7,5* 10-5 см, В процессе
эволюции наши глаза стали восприимчивы именно к
этой области отчасти потому, что солнечное излучение
здесь наиболее сильное, отчасти потому, что другие дли-
ны волн почти полностью поглощаются атмосферой. За
инфракрасным излучением идут радиоволны, сначала
очень короткие, используемые для радиолокации (от
1 мм до 10 м), затем короткие (10—100 м), средние
(100—1000 м) и наконец длинные.
Все электромагнитные волны распространяются в пу-
стоте с одинаковой скоростью — со скоростью света, и
частота излучения (т. е. число колебаний в секунду) тем
больше, чем короче длина волны. Чтобы определить ча-
стоту, скорость света в пустоте —300 млн. м!сек — делят
на длину волны. Так, например, если длина волны рав-
на 15 м (на этой волне работал передатчик первого со-
ветского спутника), то частота равна 20 Мгц (1 Мгц —
«= 1 млн. гц). На рис. 35 показана также частота излу-
чения в мегагерцах.
Так как яркость видимого солнечного света остается
практически постоянной, можно подумать, что Солнце
обладает спокойным постоянным характером звезды
среднего возраста. Но в других длинах волн Солнце ча-
сто напоминает действующий вулкан. Наиболее актив-
ными являются солнечные пятна — темные участки на
поверхности Солнца, которые представляют собой внеш-
нее проявление внутренних возмущений. Группа солнеч-
ных пятен может существовать месяц .или больше, и
еще до того, как исчезнет одна группа, обычно где-
нибудь уже появляется другая. Общее количество сол-
Характер научных исследований
103
нечных пятен меняется, достигая максимума каждые
11 лет. Природа внутренних возмущений пока не ясна,
не найдено удовлетворительного объяснения и природе
11-летнего цикла. Солнечные пятна причиняют много не-
приятностей радистам, так как при появлении большого
числа солнечных пятен отмечается нарушение обычного
состояния ионизованных слоев воздуха в верхней атмо-
сфере, отражающих длинные радиоволны. Однако еще
более эффектны солнечные вспышки, которые сопрово-
ждаются излучением самых разнообразных длин волн,
включая рентгеновские лучи и радиоволны. Кроме этого
излучения, которое всего через 8 мин достигает Земли,
солнечные вспышки посылают потоки заряженных ча-
стиц, прибывающих на день-два позже и вызывающих
магнитные бури и полярные сияния.
Поток солнечного излучения, достигающий Земли,
большей частью поглощается в атмосфере, как это по-
казано на рис. 35, и мы, находясь на Земле, не можем
его непосредственно наблюдать. А спутники могут либо
исследовать излучение в его «первозданном» виде, либо
анализировать изменения свойств верхней атмосферы,
вызванные изменениями потока радиации. Полученная
с помощью спутников информация многократно подтвер-
ждала представление о том, что верхняя атмосфера по-
добна музыкальному инструменту, на котором Солнце
исполняет любые мелодии, какие только ему заблаго-
рассудится, обычно довольно сбивчивые.
От Солнца мы перейдем к кажущейся твердой Земле.
По этому поводу скептик мог бы сказать: «Мы, конечно,
знаем об этом уже достаточно». Но оказывается, что
это не так. Выражение «я не знаю, где нахожусь» часто
используется в переносном смысле или дискутируется
философами, но эта истина справедлива также и в бук-
вальном смысле. Если бы добрый волшебник из другого
далекого мира предложил выполнить ваши самые со-
кровенные желания при условии, что вы скажете ему
точно, где вас найти по отношению к центру Земли, вам
пришлось бы отклонить его предложение, потому чго
никто не мог бы сказать вам точно, где вы находитесь
Принятое значение экваториального диаметра Земли
может быть ошибочным на 0,2 км. и, хотя большинство
104
Глава IV
атласов скрывают этот факт, расстояние между Амери-
кой и Европой известно неточно. Если бы Земля была
шаром, все было бы сравнительно просто. Но Земля —
не шар, она, как обычно говорят, сплющена у полю-
сов. Но как именно она сплющена и где больше сжа-
тие— у Северного полюса, или у Южного, или одина-
ково с обеих сторон? Обращающийся вокруг Земли
спутник беспристрастно обследует все части Земли и мо-
жет охватить эту проблему гораздо шире, чем топограф,
измеряющий дуги на земной поверхности. Как мы уви-
дим в следующей главе, за немногие месяцы после за-
пуска спутников на старый вопрос о форме Земли уда-
лось получить новый ответ.
То, что Макбет называл «надежной и устойчивой
землей», в действительности представляет собой тонкий
слой, довольно неудобно расположенный между обла-
стью высокой температуры внутри и пустотой снаружи.
Внутреннее строение Земли, по-видимому, еще надолго
останется загадкой. Самые глубокие скважины прони-
кают в глубь Земли всего на несколько километров, —
это просто царапины на ее поверхности. Много сведений
было получено косвенно из поведения сейсмических
волн, проникающих глубоко в толщу Земли; было уста-
новлено, что внутри Земли существует центральное ядро
высокой плотности радиусом более 3000 км, окруженное
«мантией» толщиной примерно 3000 км, над которой ле-
жит тонкий поверхностный слой —кора. Есть некоторая
надежда, что спутники смогут пролить свет на измене-
ния Плотности вещества внутри Земли, так как эти не-
однородности сказываются на поле тяготения, которое1
можно детально изучать с помощью спутников. Более
точные сведения о внутреннем строении Земли должнь!
также помочь выяснить природу земного магнетизма.
Хотя компас очень долго был человеку верным другом^
источник земного магнетизма по-прежнему окутан тай-
ной. Никто не может сказать, почему стрелка компаса
указывала в Англии на 11° западнее точки севера в
1938 г. и на 7° западнее — в 1958 г. Кроме того, можно
с помощью спутников непосредственно изучать геомаг-
нетизм: они позволяют совершенно новым способом со-
ставить карту магнитного поля вне Земли,
Характер научных исследований
105
Мы склонны предполагать, что наличие суши на
Земле естественно и нормально, но, если бы земная по-
верхность была более гладкой, суши вообще бы не
было. Даже если рельеф Земли останется неизменным,
будущее суши не совсем гарантировано: ведь, если бы
растаяли полярные ледяные шапки, уровень моря под-
нялся бы примерно на 75 м и вскоре в большинстве до-
мов в низко расположенных странах жили бы только
чешуйчатые обитатели моря; подъем среднего уровня
моря всего на десяток сантиметров может вызвать
сильное наводнение. Таким образом, изменение уровня
моря представляет не только академический интерес.
Спутники могут помочь в определении точной формы
водной поверхности. Это можно сделать при помощи
спутников, высоту которых над уровнем моря можно
точно определить посредством радиолокатора: если фор-
ма орбиты точно известна, можно найти и форму мор-
ской поверхности. Этот эксперимент, хотя и был бы
очень ценным, вряд ли будет осуществлен в ближайшие
годы, потому что он очень труден; в настоящее время
спутники мало чем могут непосредственно помочь такой
науке, как океанография. Но они смогут, вероятно, слу-
жить этой науке косвенно, потому что в научных иссле-
дованиях часто бывает, что новые данные в одной об-
ласти приводят к неожиданным открытиям в другой.
Именно поэтому «прямое» исследование часто оказы-
вается безрезультатным. Несмотря на миллионные за-
траты, направленные на исследования той или иной про-
блемы, она может остаться нерешенной, тогда как го-
раздо меньшие усилия в какой-нибудь смежной области
неожиданно могут дать искомое решение. С другой сто-
роны, наиболее ценными являются те эксперименты, ре*
зультаты которых нельзя предвидеть, и потому невоз*
можно заранее определить, сколько на них будет пот
трачено средств.
Последний и наиболее сложный из четырех элемен-
тов— воздух. Нижние слои земной атмосферы —это не-
покорная трехмерная тепловая машина, управляемая
солнечным теплом и вращением Земли; ее наиболее
сильные проявления — ветры и бури. Верхнюю атмо-
сферу можно рассматривать как такой обширный химц-
106
Глава IV
ческий эксперимент, при котором излучение Солнца и
внешнего космического пространства бомбардирует мо-
лекулы воздуха и вызывает цепь реакций. Если рас-
сматривать атмосферу с обычной человеческой точки
зрения, а не с научной, мы увидим, что она представ-
ляет собой необходимый нам защитный слой от опас-
ностей космического пространства: в ней испаряются
миллионы метеоров (кроме самых крупных), ежедневно
сталкивающихся с Землей. Атмосфера в значительной
мере отклоняет и поглощает космические лучи, хотя
они все-таки остаются главным источником радиоактив-
ности на поверхности земли. Слой озона на высоте
около 30 км защищает нас от вредного ультрафиолето-
вого излучения Солнца. Последним, но далеко не самым
маловажным является то, что атмосфера предотвращает
резкие колебания температуры и великодушно постав-
ляет нам воздух для дыхания.
Нижняя атмосфера — это область метеорологии, и
надзор «сверху» за погодой во всем мире будет ценной
помощью метеорологам. Например, спутники могли бы
непосредственно измерять альбедо облаков во всем
мире (альбедо облаков — это доля упавшего на них сол-
нечного излучения, которая отразилась от них). Точное
знание альбедо подсказало бы нам, какая часть солнеч-
ной радиации достигает нижних слоев атмосферы. Это
одна из существенных величин при подсчете радиацион-
ного баланса, который регулирует погоду. Спутники
смогут также гораздо яснее, чем прежде, выявить круп-
номасштабные циркуляции в атмосфере, которые яв-
ляются жизненно важным фактором при долгосрочном
прогнозировании погоды. Метеорологи заинтересованы
также в изучении микрометеоритов для проверки спор-
ной теории о том, что количество осадков зависит от
метеорных потоков. Поэтому метеорологи горячо при-
ветствуют запуск «смотрящих вниз» спутников, снаб-
женных телевизионными камерами. «Авангард 2» — пер-
вый шаг на пути к осуществлению такого проекта (см.
главу X, стр. 215).
До появления спутников наши сведения об атмо-
сфере выше 150 км были совершенно недостаточными.
Принятые значения температуры и цлотцостц былц §есь-
Характер научных исследований
107
ма приблизительными. Уже через несколько дней после
запуска первого спутника стало ясно, что на высоте
225 км атмосфера примерно в восемь раз плотнее и
температура значительно выше, чем предполагалось
раньше. Спутники показывают также, как сильно ме-
няются плотность и температура в верхней атмосфере
изо дня в день и из месяца в месяц; они позволяют со-
ставить карту ветров и течений в верхней атмосфере;
они дали новое объяснение явлению полярных сияний;
благодаря им электрически заряженные слои ионосферы
были впервые исследованы с помощью искусственных
радиосигналов, которые проходят через ионосферу. Нет
необходимости продолжать дальше этот список иссле-
дований, поскольку они более полно будут обсуждаться
в следующих главах.
Геофизика — не единственная наука, которой запуск
спутников пошел на пользу; астрономия также впослед-
ствии получит от них большую выгоду, в целом, по-
жалуй, самую большую по сравнению с другими нау-
ками. На большом спутнике, стабилизированном так,
чтобы его ориентация в пространстве оставалась по-
стоянной, можно было бы установить астрономический
телескоп, и его наблюдения могли бы передаваться на
Землю, правда, с некоторыми трудностями. Когда это
будет сделано, мы получим новое представление о все-
ленной, не завуалированное атмосферными возмуще-
ниями и фоном земной и атмосферной радиации и осно-
ванное на исследовании излучения, простирающегося
далеко в ультрафиолетовую и инфракрасную области
спектра, ныне сильно ослабленного атмосферным по-
глощением. Это увеличение диапазона длин волн будет
большим достижением, потому что некоторые звезды,
такие, как белые карлики, обладают наиболее сильным
излучением на таких длинах волн, которые не могут
проникнуть через атмосферу. Далекие галактики также
обнаруживают гораздо больше деталей, если их сфото-
графировать в голубых лучах, чем на фотографиях в
красных лучах. По-видимому, дальнейшее продвижение
к ультрафиолетовому концу спектра даст нам совсем
новую картину этих галактик и позволит глубже про-
никнуть в тайну развития вселенной. Инфракрасные
108
Глава IV
лучи, хотя они и поглощаются атмосферой, несколько
отличаются от более коротких длин волн своей спо-
собностью проникать через межзвездную пыль; по-
этому точная регистрация инфракрасного излучения, вы-
полненная с помощью спутников, должна также выявить
ряд новых сенсационных фактов, например дать гораздо
лучшее представление о зарождении звезд. Радиоастро-
номия также получит выгоду от такого спутника, так
как он позволит изучать радиоизлучение космического
пространства без искажений, вызываемых ионосферой
и различными радиошумами искусственного происхо-
ждения. Здесь также изучаемая область спектра может
быть расширена в направлении миллиметровых волн,
которые поглощаются атмосферой (рис. 35).
Есть еще одна область, в которой спутники должны
помочь: радиосвязь на большие расстояния. Подобные
опыты уже были проделаны: сообщения успешно пере-
давались на спутник, когда он находился над одной
частью мира, а затем ретранслировались над другой.
Однако время, необходимое для такого путешествия
спутника, — может быть даже целый час — является
серьезным препятствием: телефонный разговор с по-
мощью спутника был бы невыносимо медленным. Более
удобным устройством является спутник на экваториаль-
ной орбите, который затрачивает на один оборот вокруг
Земли около 24 час. Такой спутник казался бы почти
неподвижным над какой-то точкой экватора, и, так как
он будет двигаться на очень большой высоте (около
36000 км), его можно будет видеть над горизонтом из
многих мест земного шара. Такой спутник мог бы слу-
жить ретрансляционной станцией. Сигналы с одной сто-
роны Земли передавались бы на этот спутник и немед-
ленно посылались бы на другую ее сторону. Три таких
спутника, расположенных в вершинах равностороннего
треугольника, могли бы обслуживать весь мир, за ис-
ключением полярных областей. Этот метод, непохожий
на существующие в настоящее время способы радио-
связи на дальние расстояния, не зависил бы от капризов
ионосферы; он позволил бы также осуществить всемир-
ное телевидение — до некоторой степени устрашающая
перспектива.
Характер научных исследований
109
После этого краткого обзора мы можем представить
такой идеальный спутник: его приборы сообщают ча-
стоту ударов метеоритов и массу этих метеоритов, изме-
ряют температуры, давление и состав окружающей ат-
мосферы; они исследуют солнечное излучение до того,
как оно пройдет через атмосферу; изучают интенсив-
ность и характер космических лучей и всякого другого
излучения, которое попало на спутник, и создают карту
магнитного поля Земли. Такой спутник определяет свою
высоту над уровнем моря для геодезических целей и
дает световые вспышки точно по заранее составленному
расписанию, чтобы можно было точно определить его
положение относительно звезд. Он передает радиосиг-
налы на многих длинах волн для тщательного исследо-
вания ионосферы. Спутник не вращается, а стабилизи-
рован относительно звезд. Он несет астрономический
телескоп, а также радиотелескоп для изучения вселен-
ной. В то же время он смотрит вниз на Землю и пере-
дает с помощью телевидения картину того, что он ви-
дит,— это главным образом для метеорологов. Он вы-
полняет различные эксперименты, которые необходимы
физикам, но которые нельзя поставить на Земле, где
невозможно создать достаточно высокий вакуум. На
нем также установлены точные часы, и с их помощью
можно решить спор, который ведут ученые об одном из
выводов теории относительности, действительно ли кос-
мический путешественник, возвратившись домой, ока-
жется моложе своего брата-близнеца, остававшегося на
Земле.
Этот идеальный спутник, вероятно, не появится в те-
чение многих лет, если вообще он когда-нибудь появит-
ся, и в настоящее время мы должны довольствоваться
несколькими неуверенными шагами на пути к обшир-
ным исследованиям, перечисленным выше. Однако даже
эти первые шаги были волнующими и послужили силь-
ным толчком целому ряду наук. В оставшихся главах
этой книги я попытаюсь описать те открытия, которые
сделаны к настоящему времени, начиная с Земли и ее
атмосферы и до самых внешних пределов области зем-
ного влияния»
V
Фигура Земли
На худший образ твой не переменишь.
ВЛ Шекспир «Генрих IV»
Сели бы вас попросили измерить длину окружности
“земного экватора, как бы вы это сделали? Древние
греки имели готовый ответ на этот вопрос, так же как
и на многие другие, еще начиная с Эратосфена, который
был хранителем библиотеки Александрийского музея
в III в. до н. э. Эратосфен заметил, что в Сиене (или
Асуане, как теперь называют) в середине лета в пол-
день Солнце находится прямо над головой, а в Алек-
сандрии, расположенной на 5000 стадий севернее,
оно в это же время находится на расстоянии 1/50
окружности (7°,2) от зенита. Отсюда он сделал вывод,
что расстояние между Сиеной и Александрией со-
ставляет 1/50 земной окружности. Значит, чтобы обой-
ти Землю кругом, нужно пройти расстояние, в 50 раз
большее расстояния между Сиеной и Александрией, т. е.
250 000 стадий, или 39 700 км (если мы оставляем на со-
вести Эратосфена точное определение стадии). Это была
замечательно точная оценка, так как в действительности
это расстояние составляет 40 075 км. Эратосфен предпо-
ложил без доказательства, что лучи Солнца, достигаю-
щие Александрии, параллельны лучам Солнца, осве-
щающим Сиену. Действительно, это предположение
справедливо: Солнце достаточно далеко от Земли и лу-
чи его практически параллельны (рис. 36).
В те времена, когда Эратосфен проводил эти измере-
ния, идея шарообразности Земли была хорошо известна
и широко распространена уже в течение более двух сто-
Фигура Земли
111
летай. В то же время представления о плоской Земле
жили еще очень долго, вероятно, потому, что человек
инстинктивно чувствовал неуверенность от сознания, что
Земля под ним выпуклая. Греки были очень инициа-
тивны, если отбросили представление о плоской Зем-
ле уже в те давние времена. По-видимому, предположен
ние о том, что Земля круглая, высказал впервые Пифа-
гор в VI в. до н. э., и большинство известных греческих
Солнце
Рис. 36. Как Эратосфен измерил длину земной окружности. По-
скольку Солнце в Александрии находится на расстоянии 1/50
окружности от зенита в тот момент, когда оно стоит прямо над
головой в Сиене, расстояние от Сиены до Александрии — 5000 ста-
дий— равно 1/50 земной окружности (масштаб не выдержан).
философов и ученых, среди которых были Платон и Ев-
докс, приняли эту идею. Некоторые приветствовали ее
потому, что им нравилась пифагорова мистика форм, а
сфера считалась наиболее совершенной формой. Но боль-
шинство, вероятно, приняло эту идею благодаря двум
практическим доказательствам: земная тень, падающая
на Луну во время затмения, всегда бывает круглой, и
корабли скрываются за горизонтом, чего не могли не
заметить греки-мореплаватели. Так как Аристотель, к
счастью, был среди тех, кто принял идею о шарообраз-
ности Земли, она не умерла в мрачные для науки вре-
мена; это был один из немногих проблесков истины, осве-
щавших мрачный свод физических законов Аристотеля,
которые господствовали и вводили в заблуждение в сред-
ние века. Идея шарообразности Земли встречается также
112
Глава V
в поэме Данте «Божественная комедия», что приближает
взгляды автора этой поэмы к современным взглядам.
Но вплоть до эпохи Возрождения никто не уточнял
измерений Эратосфена; прошло более 2000 лет, прежде
чем было отклонено представление о Земле как о точной
сфере.
СЖАТИЕ ЗЕМЛИ И ЕГО ИЗМЕРЕНИЕ
Земля не совсем сферической формы; она почти чтс
сфероид, т. е. сфера, сжатая у полюсов. Или, другими
словами, это сфера, выпуклая у экватора. Какое из этих
двух определений следует предпочесть — дело вкуса,
иногда больше подходит одно, иногда — другое. Эквато-
риальный горб не ограничивается областью, близкой к
экватору: он простирается до высоких широт, хотя и не
так далеко, как это изображено на рис. 37, где этот эф-
фект сильно преувеличен.
Удобно определить сжатие Земли f как разницу меж-
ду экваториальным радиусом RE и полярным радиусом
Rp'), деленную на экваториальный радиус, т. е.
#Е
re
Пожалуй, f скорее следовало бы назвать выпуклостью,
чем сжатием, но это не очень благозвучный термин и
его лучше не употреблять.
Сжатие Земли было открыто в XVII в. В 1672 г. в
Кайенне, немного севернее экватора, находилась фран-
цузская экспедиция, проводившая наблюдения Марса.
Руководитель группы Жан Рише заметил, что маятни-
ковые часы, которые хорошо шли в Париже, в Кайенне
начали отставать на 2,5 мин в сутки, т. е. шли медлен-
нее на 0,175%. Период колебаний маятника зависит от
силы тяжести и тем длительнее, .чем меньше сила тяже-
сти: время одного полного колебания равно 2к Уl/g сек,
где I — длина маятника в метрах, a g— ускорение си-
!) Точнее Rp следует определять как половину полярного диа-
метра, так как северный и южный полярные радиусы немного раз*
ричаются (см. стр. 124).
Фигура Земли
113
лы тяжести, около 9,8 м)сек2. Таким образом, наблюде-
ние Рише показало, что сила тяжести на экваторе на
0,35% меньше, чем в Париже.
Рис. 37. Сжатие Земли определяется по формуле /= —,
где Re — экваториальный, a Rp — полярный радиусы Земли. Наблю-
дения спутников дают f=29&2 * 9Т0М РисУнке сжатие сильно
преувеличено.
Сам по себе этот факт не доказывает, что Земля
сжата у полюсов. Даже если бы Земля была точной
сферой, сила тяжести на экваторе была бы меньше из-
за суточного вращения Земли: как предмет, вращаю-
щийся на конце веревки, стремится улететь по касатель-
ной и улетит, если разорвать удерживающую его ве-
ревку, так и все предметы на Земле имеют некоторую
тенденцию улететь прочь из-за вращения Земли вокруг
своей оси; и эта тенденция больше всего заметна на эк-
ваторе, где скорость вращения наибольшая. Нетрудно
подсчитать величину этого эффекта: он изменяет силу
тяжести на 0,34% в Кайенне (т. е. на широте +5°) и на
0,15% в Париже (на широте +49°). Различие между си-
лой тяжести в Париже и на экваторе равно, таким об-
разом, 0,19%, что составляет больше половцнь} реличц-
114
Глава V
Как Ньютон оценил
Рис. 38.
сжатие Земли: он „уравновесил",
два канала с водой CN и СЕ. Так
как вращение Земли уменьшает
силу тяжести на экваторе, то рас-
стояние СЕ должно быть больше,
чем CN.
ны 0,35%. Но еще остается 0,16%, которые надо объяс-
нить как-то иначе. Если бы Земля была точно сфериче-
ской, значение силы тяжести, исправленное за земное
вращение, было бы одинаковым в Париже и Кайенне.
Наблюдаемое различие наводит на мысль, что Земля —
не сфера, а немного сжата у полюсов. Однако Рише не
—........................... потому что не существо-
вало теории, способной
объяснить, насколько
должна уменьшиться си-
ла тяжести между Пари-
жем и Кайенной для лю-
бого данного значения f.
Первая хорошая оцен-
ка сжатия была сделана
Ньютоном в его «Нача-
лах» 15 лет спустя на ос-
новании чисто теоретиче-
ских предпосылок. В ос-
нову его метода положе-
на очевидная истина, что,
если бы Земля была точ-
но сферической, центро-
бежная сила заставила
бы всю воду в океанах
двигаться к экватору. Но,
если у экватора имеется
горб, вода должна, так
сказать, «течь в гору»,
чтобы добраться до экватора, и в этом случае сущест-
вующее в действительности состояние равновесия может
сохраняться. Ньютон подсчитал сжатие остроумным спо-
собом. Он вообразил трубу с водой, или канал, как он
его назвал, идущий от Северного полюса к центру Зем-
ли, и другой, соединенный с первым и идущий от цент-
ра Земли к какой-нибудь точке экватора (рис. 38). Дав-
ление в каждом из этих каналов в центре Земли должно
быть одинаковым, так как вода не может двигаться по
поверхности Земли от экватора к полюсу или наоборот.
Благодаря суточному вращению Земли сила тяжести
несколько меньше в экваториальном канале, который,
Фигура Земли
115
следовательно, будет длиннее. Уравновесив таким об-
разом каналы с водой, Ньютон определил сжатие как
1/230. Так как Ньютон не принял никакого увеличения
плотности по направлению к центру Земли, полученное
им значение сжатия оказалось больше действительного,
но в течение многих лет его оценка оставалась лучшей
и наиболее обоснованной,
В XVIII в. было найдено совершенно иное и убеди-
тельное доказательство сплюснутости Земли, являющее-
ся продолжением метода Эратосфена. Расстояние ме-
жду двумя пунктами на одной и той же долготе может
быть измерено при помощи обычной триангуляции; в то
же время их широта может быть определена по Поляр-
ной звезде. Разделив расстояние на разницу в широте,
получим «длину» одного градуса по широте, которая в
случае сферической Земли была бы одинаковой по всей
Земле. Любые изменения этой величины с широтой гово-
рят о существовании сжатия. Эти изменения очень ма-
лы: один градус по широте равен ПО км на экваторе и
111,7 км у полюсов. Но такая разница измерима, если
триангуляция и астрономические измерения точны и
дают независимое контрольное значение для сжатия, по-
лученного из гравитационных измерений. Многие ранние
попытки определить сжатие таким способом потерпели
неудачу из-за неточности измерений. В 1750 г. Ла Кон-
дамен после многих усилий добился успеха, но только
для того, чтобы Вольтер сказал, что он лишь подтвер-
дил расчеты Ньютона:
Вы добились ценою огромных усилий
Того, что Ньютон нашел без труда.
Теоретический метод Ньютона не мог быть развит
дальше, и поэтому в минувшие 200 лет для расчетов
формы Земли использовались описанные выше два прак-
тических метода. Была проведена мировая гравиметри-
ческая съемка с помощью гравиметров и продолжалось
усовершенствование карт, что позволяло получать все
более точные оценки длины дуги на земной поверхности.
Область применения этих двух методов сильно ограни-
чена, потому что до недавнего времени не было такого
способа, который позволил бы измерить силу тяжести
8*
Ив Г лав a V
или провести точную триангуляцию на морях и океанах,
й свыше 80% земной поверхности оставалось йеисследо-
ванным. Однако даже без этих ограничений Измерения
силы тяжести и длины дуги были бы все же несколько
неудовлетворительными, потому что на них влияют мест-
ные факторы, например такие, как горы. Реальные из-
мерения проводятся на действительной, неровной поверх-
ности Земли. Правда, можно ввести поправки за рельеф
местности, но каждая поправка требует какого-то (воз-
можно, неточного) предположения. Это пример того, как
можно не увидеть леса за деревьями, а Землю за хол-
мами. Поэтому не нужно удивляться, что спутники за
несколько месяцев рассказали нам больше, чем усерд-
ные измерения на самой поверхности — за столетия.
Если спутники так полезны, то почему бы не исполь-
зовать самый старый спутник — Луну? Ответ заклю-
чается в том, что влияние земного экваториального
горба на движение спутника быстро падает по мере
увеличения расстояния, как это видно из рис. 11. Воз-
действие на близкий спутник более чем в миллион раз
превосходит влияние этого же эффекта на Луну, сред-
нее расстояние которой от центра Земли составляет
384 400 км. В результате земной горб вызывает только
одно из многих небольших возмущений лунной орбиты,
и, поскольку возмущений много, его трудно отличить от
других. Трудно, но не невозможно, и по движению Луны
можно получить некоторую оценку размеров горба.
Существует и второй астрономический метод опреде-
ления земного сжатия. Как видно из рис. 39f гравита-
ционное взаимодействие Земли и Солнца стремится по-
вернуть земную ось из положения SN в положение CL,
перпендикулярно к плоскости земной орбиты. Так как
Земля вращается, ось SN, подобно оси вертящегося
волчка, не приближается к положению CL; вместо этого
она прецессирует, описывая круговой конус вокруг CL. Та-
ким же образом действует на земную ось и Луна. Объеди-
ненное воздействие Солнца и Луны должно заставить
земную ось SN обойти вокруг CL за 26 000 лет. При-
мерно за 12000 лет до нашей эры северный полюс мира
находился вблизи яркой звезды Вега, а в настоящее
время земная ось всего на 1° отклоняется от Полярной
Фигура Земли
звезды. В 2100 г. полюс приблизится к ней еще на 0°,5,
но затем будет удаляться, продолжая свое враще-
ние с периодом 26 000 лет. Сжатие Земли можно полу-
чить из скорости, с которой полюс совершает это путе-
шествие по небу; однако эти расчеты не идеально точны,
потому что приходится принимать некоторые предполо-
жения относительно изменения плотности внутри Земли.
Таким образом, до запуска спутников было четыре
Рис. 39. Влияние солнечного притяжения на экваториальный горб
Земли. Солнце притягивает более близкую часть горба с большей
силой (Pj), чем более далекую (Р2). Равнодействующая сила, полу-
чающаяся при сложении сил Рх и Р2, стремится повернуть земную
ось по часовой стрелке в положение CL.
Солнце
основных метода определения земного сжатия f с по-
мощью измерений 1) силы тяжести, 2) дуг на земной
поверхности, 3) движения Луны и 4) прецессии земной
оси. Ни один из этих методов не был полностью удовле-
творительным: один исследователь получал один резуль-
тат, другой исследователь — столь же опытный — полу-
чал другое значение, потому что он работал с другими
рядами измерений и делал другие предположения. Не-
возможно привести здесь подробности этих исследова-
ний, но стоит сослаться на некоторые наилучшие резуль-
таты, полученные различными методами, чтобы показать,
каков разброс значений. За последние 50 лет были полу-,
чены следующие значения величины 1/f: 1) по силе
на
Глава V
тяжести — 296,9; 297,3; 2) по дугам — 297,0; 297,8; 298,2;
3) по движению Луны — 297,1; 4) по прецессии — 296,8;
297,3. До запуска спутников было принято значение
f= 1/297,1, приведенное в третьем издании знаменитой
книги сэра Гарольда Джеффриса «Земля»1).
ЗЕМНОЕ СЖАТИЕ, ОПРЕДЕЛЕННОЕ С ПОМОЩЬЮ
СПУТНИКОВ
Положение плоскости орбиты спутника не остается
постоянным в пространстве, как объяснялось на стр. 32;
она медленно поворачивается вокруг земной оси благо-
даря сжатию Земли. Скорость вращения показывает
степень сжатия: чем больше сжатие, тем быстрее враще-
ние. Для вычисления сжатия требуется два вида сведе-
ний: наблюденные значения скорости вращения плоско-
сти орбиты и теоретическая формула, выражающая
скорость вращения через сжатие.
Скорость вращения плоскости орбиты можно легко и
точно найти из наблюдений. Предположим, что спутник
пересекает данную широту, двигаясь к северу, на 2° зап.
долготы в 21 час 3 ноября по среднему гринвичскому
времени. Так как Земля поворачивается относительно
Солнца на 15° в час, то в 21 час гринвичский меридиан,
на котором Солнце* 2) бывает в полдень, образует угол
(21—12) X 15°= 135° с линией АС (рис. 40). Следова-
тельно, плоскость орбиты спутника в это время соста-
вляет с АС угол 133°. Предположим, что спутник опять
пересек ту же самую широту, двигаясь к северу на
7° зап. долготы 24 ноября в 17 час. по гринвичскому
времени. В 17 час. гринвичский меридиан составляет
с линией Солнце — Земля (теперь АС') угол 75?; следо-
вательно, плоскость орбиты спутника составляет с АС'
угол 68°. В течение 20,833 суток между наблюдениями,
линия Солнце — Земля, которая поворачивается за год
на 360°, повернулась на 20°,53. Поэтому плоскость
’) Г. Джеффрис, «Земля, ее происхождение, история и
строение», гл. 4, перевод 4-го издания, ИЛ, М., 1960. — Прим, ред*
2) Точнее, среднее Солнце,
Фигура Земли
119
орбиты спутника повернулась на 133° — 68° — 20°,53 =
= 44°,47 за 20,833 дня, и скорость вращения составляет
2°, 136 в сутки. (На практике наблюдения, как правило,
не производятся точно в какой-то час, а долготы не
представляют собой целого числа градусов — здесь
арифметика уже более скучная, но принцип тот же.)
Точка, в которой спутник пересекает какую-либо ши-
роту, может быть найдена из визуальных наблюдений
с точностью около 3 км, или 0°,05 по долготе (на широте
+ 50°). Если бы в приведенном выше примере точность
Солнце
Рис. 40. Оценка скорости вращения плоскости орбиты спут-
ника. Справа: спутник S пересекает определенную широту на
2° зап. долготы в 21 час по гринвичскому времени. Слева:
21 день спустя спутник S' пересекает ту же самую широту
на 7° зап. долготы в 17 час. по гринвичскому времени.
была такой же, вычисленная скорость вращения плоско-
сти орбиты была бы ошибочна на 0°,003 в сутки, или
на 1/700. Если качество наблюдений лучше, например
при кинотеодолитных наблюдениях, точность может быть
улучшена примерно до 1/5000, и при сравнении наблюде-
ния с теорией должно быть получено более точное зна-
чение сжатия Д
120
Глава V
Если обратиться к ньютоновским законам движения
и тяготения, можно подсчитать для любого значения f
скорость вращения орбитальной плоскости. Если бы
Земля не вращалась вокруг своей оси, скорость враще-
ния плоскости орбиты X была бы пропорциональна
сжатию f. Но в действительности скорость X пропорцио-
нальна (f — т/2), где т — центробежная сила (т. е.
стремление улететь прочь) на экваторе, рассматривае-
мая как часть силы тяжести. Эта часть, как мы уже ви-
дели на примере с Кайенной, близка к 0,34% (обычно
для т берется точное значение 0,003450). Таким образом,
скорость X пропорциональна (/— 0,001725). В главе I
были приведены две формулы для Х\ нам нужна сейчас
более точная из них (см. сноску на стр. 32) с числовым
коэффициентом 9,97, выраженным в более общей форме
через f. Формула имеет вид
cos i
-f) (T^F’
где X выражено в градусах в сутки, RE — земной эквато-
риальный радиус (6378 км), а — среднее расстояние
спутника от центра Земли, е — эксцентриситет орбиты,
а I — наклонение орбиты к экватору.
Если орбита спутника точно известна, тогда в эту
формулу можно подставить точные значения а, е и i и
по описанному способу нетрудно найти скорость враще-
ния X плоскости орбиты. Отсюда можно определить [.
Например, наблюденная скорость вращения плоскости
орбиты второго советского спутника в ночь с 3 на 4 ян-
варя 1958 г. составляла 2°,815 в сутки; его среднее рас-
стояние от центра Земли было тогда 7150 км, эксцентри-
ситет — 0,080 и наклонение i = 65°,29. Подставив эти
значения в формулу для X, получаем f — 0,00335.
Следует подчеркнуть, что для f было дано только три
значащих цифры. Для того чтобы подсчитать f с боль-
шей точностью, допускаемой точностью наблюдений,
в приведенную выше формулу для X надо добавить не-
сколько членов высшего порядка. Более полная формула
дана в математическом приложении в конце книги. При
Фигура Земли
121
этой более тщательной обработке появляется добавоч-
ная неизвестная величина, и для того чтобы точно опре-
делить f, необходимо иметь не один, а два спутника с раз-
ным наклонением орбит.
Для этой цели оказались наибол.ее удобными два
спутника: второй советский и «Авангард 1». Точные
характеристики орбиты второго спутника были получены
из большого числа кинотеодолитных наблюдений, прове-
денных на испытательных полигонах Королевских воен-
но-воздушных сил. Наиболее неуверенной величиной
было наклонение орбиты, ошибка которого могла соста-
влять 0°,02. Орбита «Авангарда» почти не подвергалась
воздействию атмосферы, и, следовательно, его плоскость
орбиты вращалась практически с постоянной скоростью,
а наклонение орбиты вряд ли менялось. В США были
получены точные значения из радионаблюдений путем
осреднения на большом интервале времени.
С помощью этих двух спутников для сжатия полу-
чено следующее значение:
/=0,003353 =0^9-,
причем ошибка 1//, по-видимому, не превышает 0,1.
При выводе этого значения сжатия атмосфера не
учитывалась; допустимо ли это, особенно для второго
спутника? Как уже говорилось в главе I, основное дей-
ствие атмосферного торможения на орбиту заключается
в том, что орбита снижается, причем плоскость ее со-
вершенно не изменяется. Это утверждение было бы пра-
вильным без какой-либо оговорки, если бы атмосфера
всегда оставалась неподвижной и торможение всегда
было бы направлено противоположно движению спут-
ника. Но, поскольку атмосфера вращается вместе с
Землей с запада на восток, на спутник действует боко-
вой ветер, который очень слабо поворачивает плоскость
его орбиты. Этот эффект можно подсчитать количест-
венно; для второго спутника он оказался меньше 1/5000
эффекта вращения, вызванного сжатием Земли. Это
гораздо меньше, чем ошибка при расчетах сжатия, и
поэтому можно было не учитывать атмосферный эффект/
хотя в будущем при более тщательном анализе его еле-
Глава V
дует принять во внимание. Для «Авангарда 1» этим эф-
фектом можно полностью пренебречь.
Есть и другое доказательство того, что атмосфера
не оказывает заметного влияния на вращение пло-
скости орбиты. Значения f, полученные в разное время
в течение жизни второго спутника, практически были
одинаковыми. Если бы атмосферные эффекты были
значительны, величина f менялась бы все сильнее по
мере того, как время жизни спутника приближалось к
концу и атмосфера все сильнее воздействовала на него.
Постоянство вычисленного значения f показало так-
же, что возможная асимметрия Земли относительно
плоскости экватора не оказала заметного влияния на
скорость вращения плоскости орбиты. Если бы форма
северного и южного полушарий сильно различалась,
скорость вращения медленно изменялась бы. Величина
изменения зависит от положения перигея: она бывает
наибольшей в том случае, когда перигей находится на
максимальной широте, и равна нулю, когда перигей —
на экваторе. Таким образом, если бы асимметрия была
значительной, существовала бы зависимость между по-
лученной величиной f и положением перигея. Такие из-
менения не были замечены, значит, асимметрия слишком
мала, чтобы ощутимо изменить скорость вращения орби-
тальной плоскости, хотя она и проявляется в других слу-
чаях, как мы увидим дальше.
Слабые изменения вызываются также гравитацион-
ным притяжением Солнца и Луны, но этот эффект
меньше 1/10000. Не исключена возможность, что неко-
торое влияние оказывает магнитное поле Земли, так как
на электрически заряженное тело, движущееся в магнит-
ном поле, действует сила, перпендикулярная к направле-
нию движения и к направлению поля. Но этот эффект
оказался незначительным.
Итак, изучение орбит спутников определенно указы-
вает на то, что принятое прежде значение f = 1/297,1
должно быть пересмотрено и что, по-видимому, более
точно значение f = 1/298,2. Это означает, что сфероид,
наилучшим образом удовлетворяющий уровенной по-
верхности океанов, сжат у полюсов примерно на 75 м
Фигура Земли
123
меньше, чем считалось раньше, так что разница между
экваториальным и полярным радиусами составляет
21,38 км вместо 21,46 км. С учетом новой величины сжа-
тия получаем следующие наилучшие значения для раз-
меров Земли:
экваториальный радиус » . . . 6376,75 км,
полярный радиус . . . . . . 6355,37 км.
ОДИНАКОВА ЛИ ФОРМА СЕВЕРНОГО И ЮЖНОГО
ПОЛУШАРИЙ?
До сих пор мы предполагали, что уровенная поверх-
ность океанов симметрична относительно экватора, так
что если бы Земля перевернулась «вверх дном», ее фор-
ма не изменилась бы. Правда ли, что Земля имеет
слабо выраженную грушевидную форму, как показано
на рис. 41 справа? Геодезисты, измеряющие Землю, не
Экватор
Экватор
Рис. 41. Симметрична ли Земля относительно экватора, как на
рисунке слева, или не симметрична, как справа? Орбита спутника
«Авангард 1» наводи! на мысль, что Земля, по-видимому, по форме
скорее напоминает правый рисунок: Северный полюс находится на
15 м выше, чем у симметричной фигуры (на рисунке этот эффект
сильно преувеличен).
могут ответить на этот вопрос, потому что их измерения
недостаточно точны и недостаточно полны. Приблизи-
тельный ответ был подсказан спутниками, вернее одним
спутником «Авангард 1». Хотя он весит только 1,5 кг,
этот спутник больше любого другого послужил геодезии
потому, что его орбита расположена почти за пределами
действия атмосферного торможения и солнечные батареи
работали в течение многих месяцев. Радиоизмерения,
124
Глава V
проведенные в США, показали, что, хотя среднее рас-
стояние «Авангарда 1» от центра Земли уменьшалось
очень медленно — примерно на 8 км в год, его минималь-
ное расстояние колебалось между 7027 и 7036 км. Эти
колебания повторялись каждые 82 дня — промежуток
времени, в течение которого точка перигея совершает
полный оборот вокруг Земли. Можно подсчитать, что
такие колебания следовало бы ожидать в том случае,
если бы Земля имела форму, несколько напоминающую
правое изображение на рис. 41. Чем больше форма
Земли приближается к грушевидной, тем больше будет
амплитуда колебаний высоты перигея: при амплитуде
5 км предполагается, что один полюс (Северный) на
15 м выше, чем у сферической Земли, а другой — на 15 м
ниже. Таким образом, расстояние от центра Земли до
Северного полюса на 30 м больше, чем расстояние до
Южного полюса. Следовательно, размеры Земли можно
уточнить:
экваториальный радиус................. 6376,75 км
радиус от центра до Северного полюса . . 6355,39 км
радиус от центра до Южного полюса . . . 6355,36 км.
(Абсолютная точность этих значений, по-видимому,
около 0,08 км, а относительная точность около 0,016 км.)
Спутники «намекнули» на то, что Земля имеет гру-
шевидную форму, но не дали убедительного доказатель-
ства; не исключена возможность, что наблюденные коле-
бания высоты перигея в дальнейшем получат другое
объяснение.
БУДУЩИЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Спутники только начинают свою долгую и полезную
для геодезии службу. Основная цель геодезии — изме-
рения силы тяжести по всей Земле для определения точ-
ной формы Земли. Полная сила тяжести в любой точке
может рассматриваться как сумма целого ряда слагае-
мых. Первое и самое большое слагаемое — сила, кото-
рая имела бы место в случае сферической Земли;
различные меньшие компоненты возникают из-за откло-
Фигура Земли
125
нения формы Земли от сферической. Вторая составляю?
щая, равная примерно 1/500 первой, зависит от сжатия;
третья — около 1/100 000 первой — возникает из-за раз-
личия в формах северного и южного полушарий; затем
идет теоретически бесконечный ряд меньших слагаемых,
соответствующих малым неправильностям Земли до по-
чти нереального предела — отдельных гор. В «доспутни-
ковые времена» были известны только первые два члена
этого ряда, причем второй — не очень точно. За первые
18 месяцев эпохи спутников был гораздо точнее вычи-
слен второй член и найдены приближенные значения
третьего, четвертого и шестого. Поскольку теперь появи-
лось большое количество спутников с разным наклоне-
нием орбит и регулярно проводятся точные наблюдения,
можно оценить большое число членов этого ряда и удо-
влетворить самые смелые мечты геодезистов.
Однако есть такая особенность формы земной по-
верхности, которую не в состоянии выявить даже спут-
ники — эллиптичность экватора, в результате которой
расстояние от центра Земли до экватора меняется с
долготой 9- По измерениям силы тяжести не удалось по-
лучить надежных результатов; можно только сказать,
что любое изменение экваториального радиуса, если оно
существует, должно быть очень мало, меньше 0,15 км.
Вероятно, спутники не смогут в этом помочь потому, что
они из-за вращения Земли обязательно пересекают все
долготы, и поэтому все долготные вариации осредняют-
ся. Единственное исключение из этого правила — «не-
подвижный» спутник на экваториальной орбите на вы-
соте около 36 000 км, который мог бы, вероятно, выя-
вить долготные вариации, если бы их воздействие мож-
но было отделить от влияния Солнца и Луны.
Все описанные до . сих пор открытия были сделаны
благодаря изучению изменений орбит спутников, вы-
званных гравитационным полем Земли. Но есть совсем
иная (и к тому же более непосредственная) возмож-
ность использовать спутники для геодезии — проводить
с их помощью триангуляцию. Если одновременно и точ-
но определять положение спутника относительно звезд
*) См. стр. 220. — Прим. ред.
126
Глава V
с нескольких различных станций, то можно будет опре-
делить положение этих станций относительно друг дру-
га. Эти измерения должны быть особенно полезны для
привязки континентов или для определения расстояния
изолированных островов до ближайшего континента.
-Достаточно высокий спутник может послужить для при-
вязки Африки к Южной Америке. Для синхронных на-
блюдений полезно иметь спутник со вспышками света,
но это не обязательно. До сих пор техника синхронных
наблюдений использовалась главным образом для точ-
ного определения орбит. Например, синхронные кино-
теодолитные наблюдения с трех станций позволяют оп-
ределять высоту спутника с точностью до 150 м Но это
обратимый процесс: он позволяет определять положение
наблюдательных станций. Так благодаря радионаблю-
дениям «Авангарда 1» было уточнено положение ряда
островов в Тихом океане. Таким образом, спутники при-
нимают активное участие в геодезических «полевых ра-
ботах».
Вообще же геодезисты более заинтересованы в мест-
ных измерениях, подобных указанным выше, чем в круп-
номасштабных, как сжатие. Одна из их главных за-
бот— определение формы геоида — поверхности, совпа-
дающей со средним уровнем океанов, и мысленно про-
долженной также на материки, причем высоты над
геоидом определяются с помощью нивелирования. Геоид
не имеет точной сферической формы, местами отступая
от сфероида (т. е. сплюснутой сферы) на несколько сот
метров. До сих пор спутники не помогали еще геодези-
стам в определении этих местных «холмов» и «долин» на
геоиде, но спутник, высота которого над уровнем моря
определяется с помощью радиолокации, смог бы вое*
полнить этот пробел (см. предыдущую главу).
VI
Атмосфера Земли
Следят, как кислород с азотом*
Вступают, воздух образуя, в связь»
Эразм Дарвин «Дворец природы»
До запуска спутников только несколько десятков ис-
следовательских ракет залетало выше 160 км, где
они проводили научные измерения на высотах от 160 до
400 км в общей сложности в течение нескольких часов.
К концу 1958 г. спутники налетали до 46 000 летных ча*
сов на высотах более 160 км, и собранная ими инфор-
мация была соответственно богаче. Высота в 160 км
служит как бы линией раздела между сферами Дей-
ствия исследовательских ракет и спутников. Ниже этого
уровня — царство исследовательских ракет, так как спут-
ники быстро опускаются по спирали на Землю. Выше
160 км преобладающим орудием исследования обычно
являются спутники, хотя для решения некоторых задач
по-прежнему применяются простые ракеты, запускаемые
вертикально.
Настоящая глава, а также следующая за ней посвя-
щены атмосфере, простирающейся до высоты 800 км, и
исследованиям в этой области с помощью спутников.
Распределение материала между главами отчасти про-
извольно. Настоящая глава начинается кратким общим
обзором атмосферы, а затем показано, как благодаря
спутникам нам пришлось изменить наши взгляды на ее
основные свойства: среднюю плотность, температуру и
состав. Следующая глава касается неоднородностей в
атмосфере — суточных изменений плотности, ветров и
капризов ионосферы.
128
Г Ла da VI
СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
Атмосферу часто определяют как воздушную оболоч-
ку, окружающую Землю. Это определение, хотя оно и
звучит правдоподобно, до некоторой степени вводит в
заблуждение, так как оно подразумевает, что атмосфе-
ра простирается до определенной высоты, на которой
резко обрывается, а дальше — только пустота. В дей-
ствительности такой резкой границы не существует. Око-
ло земной поверхности атмосфера относительно плотна,
причем ее молекулы так близки друг к другу, что лю-
бые неоднородности как бы сглаживаются и все множе-
ство молекул ведет себя как некое целое. На больших
высотах действуют совместно два фактора, меняющие
эту картину. Во-первых, сказывается расширение диа-
пазона солнечного излучения на такие длины волн, кото-
рые обладают большей мощностью, чем безвредный ви-’
димый свет, достигающий Земли, и могут разрушить мо-
лекулы воздуха. Во-вторых, атмосфера становится менее
плотной, так что молекулы распределены более редко.
Среднее расстояние, которое каждая молекула проходит
до столкновения с другой, составляет 1/16(Ю00 см на уро-
вне моря и около 30 м на высоте 160 км. На больших
высотах каждая молекула стремится существовать сама
по себе, и маловероятно, чтобы такой капризной моле-
куле удалось вернуться к прежнему состоянию вслед-
ствие столкновения с одним из ее нормальных, безыни-
циативных собратьев. Вместе с высотой возрастает и
расстояние между молекулами, однако никогда нельзя
сказать, что атмосфера кончилась. Она переходит в ин-
тенсивные потоки заряженных частиц и излучение, кото-
рые заполняют пространство за ее пределами. Вместо
того, чтобы давать этой области неудачное название «меж-
планетное пространство», которое, казалось бы, должно
относиться только к пустоте, было бы, вероятно, более
справедливо и более полезно назвать эту область сол-
нечной атмосферой, чтобы подчеркнуть влияние солнеч-
ной активности. Это название обусловлено тем, что
Солнце — основная управляющая сила, и по мере уве-
личения расстояния от Солнца свойства среды изме-
няются скорее количественно, чем качественно. При. изу-
Атмосфера Земли
129
чении верхней атмосферы часто бывает полезно считать
Землю погруженной в солнечную атмосферу — идея, ко-
торую усиленно пропагандирует в последние годы про-
фессор Сидней Чепмен. Хотя Солнце не является моно-
полистом в управлении верхней атмосферой, однако
спутники показали, что его влияние гораздо сильнее,
чем предполагалось раньше.
Солнце посылает электромагнитное излучение в очень
широком диапазоне длин волн, но большая часть этого
излучения поглощается разными слоями атмосферы и
приводит их в состояние необычной активности. Часть
излучения, которая достигает поверхности Земли, огра-
ничена теми длинами волн, которые показаны двумя за-
штрихованными областями на рис. 35; эти области на-
зывают «атмосферными окнами». (Границы этих окон в
действительности не такие четкие, как на рисунке, и не-
много меняются изо дня в день.) Большая часть наших
знаний о вселенной была получена через оптическое ок-
но. Окно в радиодиапазоне стало использоваться лишь
с появлением радиоастрономии, т. е. в последние 20 лет.
Первое окно будет всегда более важным для нас по-
тому, что через него проходит большая часть солнечной
энергии, падающей на Землю, и исчезновение этого окна
обрекло бы громадное большинство людей на медлен-
ную смерть. Если мы допустим появление в верхней ат-
мосфере слишком большого количества посторонних ве-
ществ, то цепь непредвиденных реакций может несколь-
ко экранировать жизненно важное окно или, наоборот,
открыть его шире и пропустить смертельное ультрафио-
летовое излучение. К счастью, эта возможность не озна-
чает немедленного появления какой-либо опасности, так
как до сих пор наблюдалось спектроскопически только
одно «загрязнение» — необычная концентрация лития,
обнаруженная в конце 1958 г. в атмосфере над Антарк-
тикой и обычно приписываемая испытаниям термоядер-
ного оружия; но это не вызвало каких-либо неприятных
побочных эффектов.
Погода в нижних слоях атмосферы в значительной
степени зависит от видимого солнечного света. Проходя
через воздух, этот свет нагревает непосредственно не
его, а сушу и моря (в различной степени); они же в
9 Зак. 1274
130
Глава VI
свою очередь нагревают находящийся над ними воздух,
излучая свое тепло в инфракрасных лучах, которые по-
глощаются находящимися в атмосфере углекислым га-
зом и водяными парами. Нижняя атмосфера напоми-
нает помещение теплицы или закрытый вагон в холод-
ный летний день: их окна пропускают солнечный свет,
но не позволяют инфракрасным лучам выходить наружу
и уносить тепло. Этот косвенный разогрев, производи-
мый Солнцем, предотвращает слишком резкие колеба-
ния температуры между днем и ночью. С другой сторо- -
ны, верхняя атмосфера непосредственно поглощает сол-
нечное излучение и ведет себя более неуравновешенно.
Сухой воздух вблизи уровня моря состоит (по весу)
из 21% кислорода, 78% азота, 0,9% аргона, а также (в
очень малых количествах) из других газов, например
углекислого газа. Однако «сухой воздух» — это .только
удобное условное понятие: вблизи земной поверхности в
атмосфере всегда содержится меняющееся количество
водяного пара. Хотя изменчивость атмосферы хорошо
известна, ее состав от уровня моря до высоты примерно
130 км остается постоянным. В этом слое кислород и
азот находятся в своем обычном состоянии — в виде
двухатомных молекул. Но на больших высотах под дей-
ствием ультрафиолетового излучения Солнца положение
меняется.
Электромагнитное излучение обнаруживает как вол-
новые свойства, так и свойства потока частиц, или фо-
тонов; количество энергии, которой обладает каждый
фотон, пропорционально частоте излучения. Поэтому
чем короче длина волны, тем более мощные порции
энергии бомбардируют молекулы воздуха. Так, напри-
мер, ультрафиолетовые солнечные лучи, у которых дли-
на волны короче, чем у видимого света, могут нарушить
связь между двумя атомами кислорода в молекуле, так
что в атмосфере на определенных уровнях кислород при-
сутствует в виде отдельных атомов, которые более ак-
тивны, чем молекулы. Излучение в еще более коротких
длинах волн — в далеком ультрафиолете — обладает
еще большей мощностью и может оторвать электрон от
атома кислорода, состоящего из положительно заря-
женного ядра и восьми окружающих его отрицательно
Атмосфера Земли
131
заряженных электронов. Когда отрывается один из элек-
тронов, кислородный атом приобретает положительный
электрический заряд; таким образом, две заряженные
частицы (электрон и ионизованный атом), способные
взаимодействовать с радиоволнами, приходят на смену
одному нейтральному атому. Электрон и положитель-
ный ион могут столкнуться и снова соединиться в ней-
тральный атом; но на больших высотах такие случаи
редки, и заряженные частицы начинают превалировать.
До высоты около 30 км преобладают молекулы; между
30 и 80 км небольшая, но все возрастающая часть моле-
кул расщепляется на атомы; выше 80 км в атмосфере
уже достаточно много заряженных частиц, чтобы значи-
тельно изменить ее свойства.
Поглощение отдельных составляющих солнечного из-
лучения различными слоями атмосферы в значительной
степени определяет ее температуру. Средняя температу-
ра падает от +15° С на уровне моря примерно до
—60° С на высоте 13 км, остается почти постоянной в
стратосфере — между 13 и 24 км, а затем начинает бы-
стро возрастать. Этот рост вызван слоем озона, который
сильно поглощает ультрафиолетовые солнечные лучи с
длинами волн 2 • 10-5—3 • 10~s см и в результате этого
нагревается. Озон (трехатомная молекула кислорода)
образуется, когда атомарный кислород встречается с
двухатомной молекулой. На высоте ниже 24 км атомар-
ного кислорода недостаточно, чтобы образовать озон;
но если атомарного кислорода слишком много, он всту-
пает в реакцию с озоном и образует две молекулы кисло-,
рода. Следовательно, озон главным образом преобладает
в таком поясе, где условия особенно благоприятны —•
между 24 и 32 км, хотя даже здесь его в атмосфере
не больше одной миллионной доли воздуха. Эта тонкая
преграда поглощает более 5% солнечной энергии
и защищает нас от ультрафиолетовых лучей. Рост тем-
пературы, вызванный слоем озона, продолжается до вы-
соты 50 км, где она становится такой же, как на уровне
моря. В слое между 50 и 80 км солнечное излучение по-
глощается слабо, и температура снова падает, достигая
—80° С на высоте 80 км. Выше начинается постоянный
рост температуры, который, вероятно, продолжается
9*
132
Глава VI
безостановочно до высоты многих сотен километров, где
температура превосходит 1000° С.
На рис. 42 ход температуры в градусах Кельвина (°К)
изображен справа. Один градус по Кельвину равняется
одному градусу по Цельсию, но начало отсчета шкалы
Кельвина, т. е. абсолютный нуль, соответствует —273°
по шкале Цельсия. Таким образом,
°К = 273°+°C = 273°+4 (°F — 32°),
где °F — температура по шкале Фаренгейта. В большин-
стве научных работ обычно используется шкала Кель-
вина — это упрощает формулы.
Когда солнечное коротковолновое излучение и кос-
мические лучи проникают в верхнюю атмосферу, в ней
благодаря уже описанному процессу образуется множе-
ство заряженных частиц — ионов и электронов. По мере
того как высота возрастает, концентрация электронов
(и ионов) также растет, потому что мощность излучения
увеличивается с увеличением высоты. Но в конце кон-
цов при приближении к внешним пределам атмосферы
концентрация падает, потому что истощается «сырье»
для электронов и ионов — молекулы воздуха.
Кривая концентраций электронов имеет несколько
пиков (рис. 42). Удобно считать, что заряженные части-
цы располагаются слоями, самый нижний из которых,
так называемый слой D, находится на высоте около
.65 км. Этот слой неустойчив, его поведение нельзя пред-
сказать, и он вызывает ряд помех. Высота самого низ-
кого устойчивого слоя Е, или слоя Хевисайда, около
ПО км', концентрация электронов в нем достаточно вы-
сока, чтобы этот слой мог отражать радиоволны длиной
более 100 м. Электроны отражают лучше, чем ионы: бу-
дучи очень легкими, они начинают колебаться одновре-
менно с приходящими волнами; таким образом, они
поглощают энергию волн и переизлучают ее на той же
частоте.
Над слоем Е ионизация снова возрастает, но макси-
мум занимает большой диапазон высот — это слой F.
Обычно различают слой Fi (он располагается на вы-
соте приблизительно 160 км и обладает несколько
J20
288 ~~
256—
224—
192 --
160--
^128—
<§ 96--
64--
32—
О
Ю4 10s Ю6 200 400 600
Число электронов в 1см3 Температура К
2,510
Плотность
Число молекул относительно
в 1см3 уровня моря
Рис. 42. Строение атмосферы до высоты 320 км. Показаны плотность атмосферы, температура,
а также концентрация молекул и свободных электронов.
134
Глава VI
большей концентрацией электронов, чем Е) и слой Г2;
последний располагается на высоте более 240 км и имеет
еще большую концентрацию электронов. Радиосигналы
с длиной волны меньше 30 м отражаются от слоя F. Ио-
носфера— так называется область между слоями D и
F2 — значительно изменяется в зависимости от числа
солнечных пятен, времени года, широты и больше всего
от времени суток: ночью слои Fi и F2 сливаются,
слой Е слабеет, а слой D исчезает. Поскольку слои так
сильно меняются, на рис. 42 даны лишь значения элек-
тронной концентрации в дневное время. Слой Е создает-
ся, по-видимому, мягким рентгеновским излучением, а
ионизация кислорода ультрафиолетовыми лучами может
быть основной причиной возникновения слоя F.
Последняя тема в этом кратком обзоре атмосферы —
плотность воздуха. На уровне моря литр воздуха весит
в среднем 1,3 г и содержит около 2,6-1022 молекул.
С увеличением высоты плотность и концентрация моле-
кул падают с такой же скоростью1). На высоте 15 км
они составляют примерно 1/10 своего значения на уров-
не моря, на высоте 30 км — 1/100, и на высоте 100 км —
1/100 000. Грубо говоря, до высоты 130 км атмосферная
плотность падает в 10 раз при увеличении высоты на
15 км. Плотность на высотах, превышающих 130 км, где
скорость убывания начинает падать, рассматривается
более подробно дальше в этой же главе. Плотность и
число молекул в кубическом сантиметре (с учетом ре-
зультатов, о которых говорится ниже в этой главе) при-
ведены слева на рис. 42.
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АТМОСФЕРНОЙ ПЛОТНОСТИ
С ПОМОЩЬЮ СПУТНИКОВ
Спутники принесли с собой новую мощную технику
для измерения плотности и температуры верхней атмо-
сферы. Можно было бы проводить непосредственные
измерения плотности и температуры воздуха с помощью
приборов, установленных на высотных ракетах, но при
*) Скорости начинают заметно различаться на высотах более
130 км, где многие молекулы расщепляется на ртрмы.
Атмосфера Земли
135
этом возникает много разных помех, которые трудно
учесть. Газы, задержавшиеся на поверхности ракеты
или приборов, на больших высотах в условиях высо-
кого вакуума могут исказить измерения; и даже сама
ракета может изменить свойства окружающей ее атмо-
сферы. Хотя техника эксперимента непрерывно улуч-
шается, непосредственные измерения с помощью ракет
на высотах, превышающих 130 км, были в прошлом
явно ненадежными. Этому едва ли следует удивляться,
если принять во внимание опыт с третьим советским
спутником: прошло целых два дня, прежде чем газы,
выделявшиеся с поверхности спутника, перестали влиять
на показания его манометров, в то время как лишь не-
многие ракеты остаются на высоте больше 80 км доль-
ше 10 мин.
Однако большинство результатов было получено
с помощью спутников косвенно, так как только третий
советский спутник (среди первых спутников) имел на
борту приборы для прямых измерений свойств атмо-
сферы. Косвенный метод определения плотности очень
прост, и его можно применить к любому спутнику, чей
вес и размеры известны. Единственное, что нужно из-
мерять, это слабо меняющийся период обращения. Он
указывает, насколько быстро уменьшается орбита и,
следовательно, какое торможение испытывает спутник.
Плотность нетрудно получить из торможения, если из-
вестны размеры спутника.
Как уже говорилось в главе I, почти все торможе-
ние, которое испытывает движущийся по эллиптической
орбите спутник, действует вблизи точки перигея. Рис. 43
иллюстрирует уменьшение торможения при удалении от
перигея для типичной орбиты с эксцентриситетом 0,1
(например,, для орбиты второго советского спутника).
Примерно 99% торможения приходится на те 20 мин,
когда спутник находится не выше 145 км над перигеем
и не дальше 41° от него. Поэтому измеряемая плотность
воздуха будет неизбежно плотностью в перигее или
вблизи него.
Полное торможение, действующее на спутник около
перигея, может быть найдено из уменьшения периода об-
ращения Т спутника. Измерить величину Т очень легко:
136
Глава VI
если спутник пересекает вашу широту, скажем, ровно в
20 час. в один вечер и в 19 час. 48 мин, в следующий,
через 14 оборотов, то на 14 оборотов потребовалось
Время от прохождения через перигей, мин
Рис. 43. Изменение торможения, действующего на спутник вблизи
перигея (точки наибольшего приближения к Земле). Среднее тормо-
жение в течение 20 мин, когда торможение существенно, составляет
почти 50% максимального, причем площадь прямоугольника равна
площади, ограниченной кривой. График применим к спутникам
с эксцентриситетом орбиты около 0,1.
1428 мин. Следовательно, Т = 102 мин. Примерно через
неделю, скажем, после 100 оборотов Т могло умень-
шиться, например, до 101,9 мин. Уменьшение периода
Атмосфера Земли
Л 37
за один оборот8Т составило бы в этом случае 0,001 мин.
Если торможение действует только вблизи перигея,
можно легко показать с помощью уравнений для v и Т
(см. стр. 15 и 39), что потери в скорости v спутника,
когда он проходит перигей, связаны с ЪТ уравнением
s 20,81 Т , 20 8ЮЯВГ .
= avT КМ>СеК = avT............ М>сек-
Таким образом, если уменьшение периода ЪТ = 0,001 мин,
Т = 102 мин, среднее расстояние а = 7240 км и скорость
v = 8 км/сек, мы находим
s 20 810.6378-0,001 п ,
— 7240 -8-102 — 0’02 м!сек •
Если, как видно из рис. 43, эта потеря накапливается
на интервале времени 20 мин, т. е. 1200 сек, то среднее
замедление равно 0,02/1200 м/сек2, т. е. 2* 10-5 м/сек2.
Как видно из рис. 43, это среднее замедление соста-
вляет 50% от максимального (в перигее); поэтому за-
медление в перигее равно 4* 10-5 м/сек2. Так как уско-
рение спутника, падающего под действием своего веса,
будет около 10 м/сек2, торможение в перигее равно
4-10"6Х (вес спутника). Если спутник весит 450 кг,
торможение будет 0,002 кг.
Если определено торможение в перигее, то как най-
ти плотность воздуха? В главе I (стр. 36) была дана
формула для торможения1):
(плотность d) X (скорость и)2 X (площадь сечения S) : 8,5.
Отсюда
, 8,5 X (торможение) . ч
(плотность d) = ——кг/м3,
где S выражено в м2, a v — в м/сек. Если спутник в на-
шем примере имеет площадь сечения 9 м2, плотность на
высоте перигея будет
о ftnnn2 =3-10 кгм3 = 3-10 гем3.
’) То есть торможение выражено в килограммах, если d из-
меряется в килограммах на кубический метр, v — в метрах в се-
кунду, S — в квадратных метрах,
138
Глава VI
Для спутника, который легко наблюдается, этот ме-
тод прост и легко применим. Если вы можете узнать
из газет вес, размеры и минимальную высоту спутника,
все, что вам остается сделать — это пронаблюдать его
визуально четыре раза, заметив время, когда он дви-
жется точно на запад или на восток. Затем немного
простой арифметики, и вы узнаете плотность атмосферы
на высоте более 160 км.
Этот метод вполне удовлетворителен, если можно
построить диаграмму, подобную рис. 43, т. е. если из-
вестна скорость убывания плотности с высотой. В про-
тивном случае нам придется использовать другой ме-
тод, который будет описан ниже.
Но в любом методе есть свой камень преткнове-
ния — вычисление площади поперечного сечения 3. Если
спутник сфера, то 3 = it X (радиус)2; но при любой
другой форме возникают трудности, если, как это обыч-
но бывает, спутник вращается, вместо того чтобы со-
хранять определенную ориентацию. К счастью, его вра-
щение не совсем беспорядочно. В результате явления,
которое можно назвать законом «космической лени»,
вращающееся тело, на которое не действуют какие-либо
значительные силы, стремится вращаться как можно
медленнее. Цилиндрический спутник вращается более
медленно, если он вращается как пропеллер, а не как
отвертка; точно так же фигурист на коньках вращается
медленней, если вытянет руки в стороны, чем если опу-
стит их по швам. Большинство запущенных до сих пор
спутников имело приблизительно цилиндрическую фор-
му, и они отчетливо проявили свою «лень». Их движе1-
ние можно продемонстрировать, если воткнуть булавку
в середину карандаша по длине и затем вращать бу-
лавку. Карандаш, т. е. спутник, сможет вращаться точно
как пропеллер, если булавка располагается по напра-
влению движения; он будет кувыркаться «через голову»,
когда булавка.перпендикулярна к направлению движе-
ния; если булавка занимает какое-то промежуточное по-
ложение, его движение будет более сложным. Когда ци-
линдрический спутник движется точно, как пропеллер,
его площадь сечения равна LD, где L — длина, a D —
Атмосфера Земли
139
диаметр спутника; если же он кувыркается, то
S = Z£>(o,64 + O,5 .
Если движение спутника промежуточное, S принимает
промежуточное значение. Если DIL^0,l, как у «Экс-
плореров» 1—4, «Атласа» и, возможно, у ракет первого
и третьего советских спутников, то значение 3 лежит ме-
жду 0.69LD (кувыркание) и LD (пропеллер). Таким об-
разом, предполагая, что спутник вращается «лениво»,
мы не ошибемся более чем на 20%, если примем S =
= 0.85LD.
Следует упомянуть еще одну трудность, касающуюся
формулы торможения на стр. 137. Формулы торможе-
ния при сверхзвуковом полете на небольших высотах
выводятся теоретически и затем исследуются в аэро-
динамических трубах и во время свободных полетов; но
еще не построено такой аэродинамической трубы, кото-
рая могла бы воспроизвести окружающую спутников
среду. На таки* высотах, где летают спутники, моле-
кулы воздуха следует рассматривать как изолирован-
ные, и мы не можем узнать абсолютно точно, что с ними
случается после того, как они ударятся о спутник. Воз-
можно, что молекулы отражаются как от зеркала, если
считать поверхность спутника гладкой и твердой. Но
этот механизм — так называемое зеркальное отраже-
ние— сейчас не рассматривается, так как поверхность
настоящих спутников в масштабе молекул, вероятно,
должна быть очень неровной и зазубренной. Второй воз-
можный механизм, который кажется наиболее вероят-
ным, заключается в беспорядочном переизлучении моле-
кул после столкновения с поверхностью спутника, при-
чем идея заключается в том, что молекулы проникают
под поверхность и «забывают» свое первоначальное на-
правление после освобождения. Я предположил, что
правилен второй механизм — так называемое диффуз-
ное отражение. (Торможение при зеркальном отраже-
нии может отличаться до 20% от торможения при диф-
фузном отражении.)
В настоящее время из-за некоторой неопределенно-
сти, касающейся площади сечения и механизма отра-
140
Глава VI
жения, значения атмосферной плотности, полученные
по орбитам спутников, не совсем точны, особенно если
они получены по цилиндрическим спутникам, чья пло-
щадь сечения определяется, как мы видели, с ошибкой
до 20%. Однако предшествующие значения плотности
были определены с ошибкой от 300 до 1000%; так что
ошибка в 20% не так уж страшна, особенно если учесть,
что плотность сильно меняется ото дня ко дню.
Теперь мы можем перейти ко второму, более общему
методу определения плотности, который используется
в случае, когда не известна скорость убывания плот-
ности с высотой. Обычно предполагается, что плотность
d меняется экспоненциально с высотой у, т. е.
d = const • exp (—,
где exp(—y/ff) = 2,718^/н. Величина H — это интервал
высот, на котором плотность меняется в 2,718 раза, или
лучше я назову величину Н градиентом плотности, так
как она определяет скорость изменения плотности с вы-
сотой. На уровне моря Н равно примерно 6,5 км, в верх-
ней атмосфере эта величина значительно возрастает, ве-
роятно до 40 км на высоте 190 км, хотя точно она не
известна.
Если эксцентриситет е орбиты мал (меньше 0,2),
а — среднее расстояние спутника от центра Земли, то-
гда плотность воздуха в перигее dp может быть выра-
жена через скорость убывания периода обращения х
следующим образом:
, Л , - с тх Г е
dp — 0,116 s у afI •
где т — масса спутника и $ — его площадь сечения. По-
скольку Н точно не известно, мы не можем найти dp из
этого уравнения. Но можно точно определить плотность
на немного большей высоте. Для этого мы можем сде-
лать довольно близкое к истине предположение относи-
тельно Н. Пусть это предположительное значение будет
Н'. Тогда оказывается, что плотность на высоте 0,5 Н'
Атмосфера Земли
141
над перигеем может быть выражена .следующим обра-
зом:
dp+о.ьн1 ~ 0>069 у/~-tfji •
Ошибка в этом случае пренебрежимо мала по сравне-
нию с вероятной ошибкой S при условии, что предпо-
ложительное значение Н' ошибочно не более чем в пол-
тора раза ’)•
ЗНАЧЕНИЯ АТМОСФЕРНОЙ ПЛОТНОСТИ, ПОЛУЧЕННЫЕ
ПО ОРБИТАМ СПУТНИКОВ
Чтобы найти плотность на высоте 0,5Я' над пери-
геем с помощью приведенного выше уравнения, нам
нужно знать величины а, е и х, которые даются для
ряда спутников в таблицах главы II. Мы должны также
задать значение Н', которое, учитывая последующие ре-
зультаты, можем выбрать равным 40 км на высоте
190 км и 65 км на высоте 400 км. Наконец, нам нужно
знать отношение m/S. Для сферических спутников —
первого советского, «Авангард» 1 и 2 — площадь оче-:
видна, если пренебречь площадью антенн. Для почти ци-
линдрических спутников «Эксплорер» и «Атлас» была
принята площадь 0.85LD, как уже говорилось выше.
Для конического третьего спутника была взята сред-
няя площадь сечения между случаями кувыркания «че-
рез голову» и вращения типа пропеллера. Веса и раз-
меры второго советского спутника и ракет первого и
третьего спутников не известны, но значение m/S мо-
жет быть найдено косвенно. Поскольку все они имели
одинаковую высоту в перигее, уравнение для dp jna
стр. 140 показывает, что m/S пропорционально -у j/~-у •
Так как m/S для первого спутника известно, а вели-
чины х, а и е имеются, можно найти m/S для второго
спутника и ракет первого и третьего.
77 - ъГТ? ( Н'\
Это удачное приближение, потому что V яехР(- ~2Я/
= 0,593 с ошибкой меньше 2,5%, если Н' отличается от Н меньше
чем в полтора раза8
142
Глава VI
Полученные таким образом значения плотности на-
несены на рис. 44 вместе с непосредственными измере-
ниями плотности при помощи третьего советского спут-
ника; через точки проведена кривая, показывающая
средние значения плотности. Кроме того, проведена
пунктирная кривая, показывающая значения плотно-
сти, которые широко использовались до запуска спут-
ников и основаны на так называемой модели атмосферы
ARDC (U. S. Air Research Development Command).
Из сравнения сплошной и пунктирной кривых вид-
но, что на высотах между 190 и 400 км атмосфера в
3—11 раз плотнее, чем раньше предполагалось. Но тем
не менее атмосфера очень разрежена. На высоте 240 км
плотность в 1010 меньше, чем на уровне моря; воздух из
спичечного коробка, наполненного на уровне моря, на
высоте 240 км заполнил бы объем площадью 2,5 км2 и
глубиной 10 см.
Насколько надежны значения атмосферной плотно-
сти, полученные по спутникам? На высотах ниже 400 км
неизвестно никаких явных источников ошибок, кроме
некоторой неуверенности в площади сечения и расчетов
торможения, которые, как мы уже видели, могут уве-
личить ошибку до 10—20%. Выше 400 км значения ме-
нее надежны отчасти потому, что они основываются
пока только на одной точке (как для «Авангарда 1»),
отчасти из-за заряженных частиц в атмосфере, которые
могут увеличить торможение. Последний эффект вряд
ли значителен ниже 400 км, потому что количество
ионизованных молекул в воздухе очень мало, меньше
1/100. Поэтому значения плотности можно считать на-
дежными до высоты 400 км, но на больших высотах
ошибка может возрастать.
Кривая, изображенная на рис. 44, не проходит через
все наблюденные значения. Это не совсем неожиданно,
так как плотность на высоте 240 км (это мы увидим
в следующей главе) меняется на 30% ото дня ко дню и
из месяца в месяц, а также меняется ото дня к ночи и
в зависимости от широты. Точки, нанесенные на рис. 44,
охватывают все сезоны и все широты между +50 и
—35°; поэтому следует ожидать, что они будут разбро-
саны вокруг кривой, которая представляет среднюю
Р и с. 44. Изменение атмосферной плотности с высотой. Нанесенные значения — атмосферная плотность, оп-
ределенная по орбитам соответствующих спутников; проведенная через них сплошная кривая дает сред-
нюю плотность. Пунктирная линия дает значение плотности в соответствии с доспутниковой моделью
атмосферы ARDC; эти величины оказываются в 3-г11 раз ниже на высотах 190—400 км. Плотность на уровне
моря равна 0,0013 г[см\
144
Глава VI
плотность. Величина разброса дает представление об
отклонении от средних значений: ни одна из наблюден-
ных величин не отличается от среднего значения больше
чем в 1,4 раза. Таким образом, если нет какой-нибудь
скрытой ошибки, кривая должна давать среднюю плот-
ность до высоты 400 км за 1957—1958 гг. с точностью
примерно 20%.
Примечательно, что ни одно значение на рис. 44 не
противоречит остальным. Спутники дают удивительно
схожие значения атмосферной плотности в течение
1957—1958 гг. Однако плотность может меняться в со-
ответствии с 11-летним циклом солнечных пятен.
Значения плотности, даваемые кривой на рис. 44,
приведены в табл. 13 для высот от 160 до 420 кш, где
имеются наиболее уверенные результаты.
Таблица 13
СРЕДНЯЯ ПЛОТНОСТЬ АТМОСФЕРЫ НА ВЫСОТЕ 160-420 км
Высота, км Плотность атмосферы Плотность, г)см*
Плотность на уровне моря
161 8,9-10"10 1,1 -10"13
193 3,9-10"10 4,8-10"13
225 1,7.10"'° 2,1 -10"'3
257 7,6-10"" 9,3-10"14
290 3,5-10"" 4,3-10"“
322 1,9-10"" 2,2-10"“
354 1,1-10"" 1,3-10"“
386 6,5-10"12 8,0-10"15
418 4,1 • 10"12 5,0-10"'5
Мы хотим также найти значения градиента плотно-
сти Я, так как он является показателем температуры
воздуха. Если бы плотность была точно известна, мож-
но было бы найти Я, измеряя наклон кривой на рис. 44:
тогда Я представляло бы собой интервал высот, на ко-
тором плотность меняется в 2,718 раза. Значения Я,
найденные таким способом из рис. 44, возрастают от
40 км на высоте 19(5 км до 72 км на высоте 420 км. Од-
Атмосфера Земли
145
нако эти значения не слишком точны, потому что через
точки на рис. 44 можно провести и другие кривые с раз-
ными наклонами. Например, прямая линия с наклоном,
соответствующим Н = 50 км, почти так же хорошо со-
гласуется с этими точками, как и кривая, проведенная
на рис. 44.
Учитывая эти неточности, следует рассмотреть дру-
гой способ вычисления Н. Мы не должны ожидать ни-
чего особенного, потому что уменьшение расстояния пе-
ригея от центра Земли между началом жизни спутника
и каким-нибудь более поздним моментом приближенно
равно -^-1пу (гДе In — натуральный логарифм, е0—на-
чальное значение эксцентриситета и е — его значение в
более поздний момент). Расстояние перигея изменяется
только на несколько километров, но, несмотря на это,
мы не можем чувствовать себя уверенно в отношении
точности, с которой оно измеряется. По второму со-
ветскому спутнику таким способом получено значение
Н = 53 км на высоте 190 км.
Таким образом, мы оказались перед большим выбо-
ром значений Н: на высоте 190 км оно может равняться
40, 48 или 53 км. Однако наш выбор не может быть
совсем произвольным, потому что рис. 44 показывает,
что среднее значение Н на высотах от 190 до 400 км
должно быть около 48 км (вероятно, немного больше).
И мы знаем также, что Н имеет тенденцию возрастать
с высотой. Я предположу, что Н возрастает от 40 до
64 км на высоте 190—400 км. Эти значения Н могут
иметь ошибку примерно до 40%; но они, вероятно,
должны быть все-таки лучше доспутниковых значений.
Выше 400 км кривая на рис. 44 гораздо менее надежна,
и значения Н, полученные с ее помощью, — 88 км на
высоте 480 км и 105 км на высоте 650 км — содержат
большую ошибку.
СОСТАВ И ТЕМПЕРАТУРА ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ
Состав воздуха на уровне моря — 78% азота, 21%
кислорода и 1% аргона--сохраняется без больших из-
менений до высоты около 130 км. Предполагается, что
J0 1274
146
Глава VI
на высотах, превосходящих 100 км, большая часть кис-
лородных молекул расщеплена на атомы и, вероятно,
возрастает относительное количество аргона. Результа-
ты ракетных исследований наводят на мысль, что на
высотах между 100 и 160 км преобладают ионы окиси
азота. Выше 160 км положение неопределенно, и пока
еще нельзя сказать, что спутники сильно способствовали
выяснению этого вопроса.
Из первых спутников только один третий советский
спутник должен был исследовать состав атмосферы. Он
нес масс-спектрометр для измерения относительного
содержания положительно заряженных ионов с масса-
ми от 6 до 50 единиц (за единицу взята масса атома
водорода). Было установлено, что на высотах между
240 и 960 км преобладают ионы атомарного кислорода
(16 единиц). Присутствуют также ионы атомарного азо-
та (14 единиц), но в гораздо меньшем количестве: на
высоте 240 км ионов кислорода примерно в 30 раз боль-
ше, чем азота, а между 400 и 800 км примерно в 15 раз
больше. К сожалению, эти цифры ничего не говорят нам
о реальном количестве нейтральных атомов кислорода
и азота; ионы кислорода могут быть гораздо более
обильными, так как он ионизуется гораздо легче, чем
азот. Но эксперимент показал, что некоторые другие
ионы, присутствие которых подозревалось, в действи-
тельности отсутствуют или по крайней мере очень ред-
ки. Можно сделать предварительный вывод, что выше
240 км атмосфера состоит главным образом из смеси
атомарного кислорода и атомарного азота в неизвест-
ной пропорции. Возможно также присутствие атомар-
ного водорода, но вероятно, в незначительном количе-
стве вплоть до высоты в несколько сот километров.
Очень желательно иметь лучшую картину, чем та, ко-
торая дана выше, и, по всей вероятности, она скоро бу-
дет получена.
На уровне моря воздух состоит главным образом из
молекул азота и кислорода с молекулярным весом 28 и
32 соответственно (единицей, как прежде, является атом
водорода). Таким образом, средний молекулярный вес
воздуха на уровне моря равен примерно 29. Если, как
мы предполагаем, на высотах между 240 и 800 км пре-
Атмосфера Земли
,147
обладают атомарный кислород (16 единиц) и атомар-
ный азот (14 единиц), то средний вес частиц близок к
15, причем переход от 29 к 15 осуществляется постепен-
но на высотах между 100 и 240 км.
Очень важен средний молекулярный вес М, так как
он вместе с градиентом плотности Н определяет темпе-
ратуру. Если Н выражено в километрах, температура
на высотах 160—480 км может быть выражена следую-
щим образом:
2.9Л4Я 0IZ
1—Я' К’
где Н' — скорость возрастания Н с высотой. Если Н
возрастает на 10 км за 100 км, тогда Н' = 0,1.
Рис. 45. Изменение атмосферной температуры с высотой: сравне-
ние доспутниковой модели атмосферы ARDC с результатами, полу-
ченными по спутникам. Точные определения температуры с помощью
спутников не проводились, и показанные здесь значения могут быть
в значительной степени ошибочными.
На рис. 45 показана температура, полученная по
этой формуле с помощью значений Н, рассмотренных
10*
148
Глава VI
на стр. 145. Эти значения температуры, подобно значе-
ниям Я, могут содержать ошибку до 40%. Приведена
также температура по доспутниковой модели атмосфе-
ры ARDC. Поскольку плотность падает с высотой
более медленно, чем это следует из модели ARDC, зна-
чения Я, а следовательно, и температуры должны быть
на данной высоте много выше, чем по модели ARDC.
Но температуры, полученные с помощью спутников,
в отличие от значений плотности еще недостаточно
точны, чтобы можно было уверенно определить, где* и
насколько температура выше. Самое большее, что мож-
но сказать: температура по модели ARDC гораздо
ниже на высоте около 160 км\ на больших высотах она,
возможно, совершенно точна, хотя данные, на кото-
рых она основана, были отчасти лишь предположи-
тельными.
Слово «температура» в применении к верхней атмо-
сфере может до некоторой степени ввести в заблужде-
ние. На уровне земной поверхности мы ожидаем, что
температура ненагретого тела должна быть почти та-
кой же, как температура окружающего воздуха: между
молекулами воздуха и телом существует постоянный
обмен энергией, что приводит к выравниванию их тем-
ператур. На больших высотах, где очень мало молекул
воздуха, этот процесс выравнивания протекает крайне
медленно, и в верхней атмосфере температура такого
тела, как движущийся спутник, определяется главным
образом теплом, полученным от Солнца, как мы увидим
в главе IX; температура же окружающего воздуха не
имеет к этому никакого отношения.
Температура в верхней атмосфере определяется ско-
ростью движения молекул воздуха. Молекулы любого
газа находятся в быстром движении: они ударяются
друг о друга и о твердые объекты, как абсолютно упру-
гие биллиардные шары, непрерывно подпрыгивающие
внутри закрытого ящика с твердыми стенками. Поня-,
тие скорости молекул на уровне моря не имеет практи-
ческого значения, хотя эта скорость определяет скорость
звука, потому что звук передается молекулами воздуха.
При микроскопическом рассмотрении движение звука
сквозь воздух будет скорее, так сказать, зигзагсобраз-
Атмосфера Земли
149
ным из-за частых столкновений между молекулами. Та-
ким образом, скорость звука должна быть меньше, чем
скорость передающих его молекул, и в действительности
она на 32% меньше.
В то время как температура поднимается, молекулы
движутся быстрее. Их средняя скорость равна
0,158 j/SseEW кх1сек.
При комнатной температуре (300° К и М = 29) ско-
рость равна 0,5 км!сек\ на высоте 320 км, где, согласно
рис. 45, Т = 1000° К и М = 15, скорость составляет
1,3 км!сек.
Из рис. 45 видно, что температура с высотой возра-
стает и не обнаруживает признаков изменения этой тен-
денции. Будет ли это возрастание продолжаться вечно
или оно где-то приостановится? Это не праздный во-
прос, потому что температура солнечной короны, или
атмосферы в окрестностях Солнца, вероятно, достигает
1 000 000° К, и разреженные внешние слои солнечной
атмосферы на расстоянии Земли, по-видимому, имеют
температуру около 200 000° К. Таким образом, вероятно,
что температура во внешних слоях земной атмосферы
возрастает до этого значения, причем высокие темпе-
ратуры поддерживаются благодаря постоянному при-
току солнечной энергии. С другой стороны, возможно
также, что на больших высотах температура становится
постоянной где-нибудь вблизи значения 2 000° К. Дело
в том, что есть и другие объяснения высоких темпера-
тур, такие, как электрические токи в верхней атмо-
сфере, как предположил Красовский, или поглощение
некоторых составляющих солнечного излучения. В на-
стоящее время идет ожесточенный спор относительно
источников энергии в верхней атмосфере, и, по-види-
мому, он не утихнет до тех пор, пока не будет по-
лучено еще большее количество дополнительных дан-
ных.
150
Глава VI
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Запущенные до сих пор спутники ясно показали, как
меняется с высотой плотность воздуха между 160 и
400 км, где, как было доказано, плотность от 3 до 11 раз
выше, чем предполагалось до сих пор, и дали приблизи-
тельные сведения относительно плотности на высоте до
640 км. Спутники также рассказали нам многое о со-
ставе и температуре воздуха; но новые сведения о со-
ставе пока неполны, а точность новых значений тем-
пературы еще не удовлетворительна.
VII
Неоднородности атмосферы
Взвесь высокую колонну воздуха над нами
И с быстротечным временем падай и вставай.
Эразм Дарвин «Economy of Vegetation»
Р* илы, управляющие верхней атмосферой, более за-
^метно сказываются на ее неоднородностях, чем на
среднем состоянии. Поэтому, наблюдая такие изменения,
мы скорее сумеем выяснить природу этих сил. Если,
например, мы замечаем, что ионосфера всегда ведет
себя необычно сразу после солнечной вспышки, то мы
можем сделать логичный вывод, что солнечные возму-
щения оказывают, вероятно, большое влияние на ионо-
сферу, даже если мы не знаем точно, каким образом
осуществляется это влияние. С помощью спутников
даже легче изучать неоднородности атмосферы, чем
средние значения: если, например, период обращения
сферического спутника уменьшается на 2,0 сек в один
день и на 2,6 сек в следующий, мы можем сказать, что
эффективная плотность воздуха во второй день была
на 30% выше, чем в первый, хотя мы можем и не знать
ее среднего значения. Факт заметного изменения плот-
ности, температуры и скорости ветра в верхней атмо-
сфере не должен нас удивлять, потому что даже возле
земной поверхности, где тяжелая воздушная подушка
стремится свести к минимуму всякие изменения, откло-
нения плотности от ее среднего значения могут дости-
гать 4%, температуры — 40° С и скорости ветра —
160 км/час. Очень возможно, что наверху, где такой
воздушной подушки нет, изменения могут быть гораздо
больше.
В первой половине этой главы рассматриваются из-
менения плотности и ветры, вторая посвящается ионо-
152
Глава VII
сфере, потому что многие области ионосферы крайне
непостоянны, и вряд ли можно сказать, каковы их сред-
ние характеристики. Главным виновником изменений
является, по-видимому, Солнце: постоянно изменяю-
щийся поток солнечного излучения и частиц держит
верхние слои атмосферы в состоянии такой неустойчи-
вости, что в настоящее время мы можем лишь выявить
характер некоторых изменений без должного понимания
их природы.
ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОТНОСТИ АТМОСФЕРЫ
Если плотность воздуха на какой-либо высоте над
Землей остается постоянной, тогда действующее на спут-
ник торможение будет меняться не хаотически, а мед-
ленно и плавно возрастать, по мере того как спутник
опускается все глубже в атмосферу при условии, что
его эффективная площадь сечения остается той же са-
мой. Тогда суточное изменение периода обращения так-
же должно медленно увеличиваться. В действительности
же суточные изменения периодов обращения всех спут-
ников, запущенных до сих пор, были неправильными, что
означает неправильные колебания торможения, испы-
тываемого спутником.
На рис. 46 показана типичная картина скорости
изменения периода для ракеты третьего советского спут-
ника. Крестики, соединенные сплошной линией, соответ-
ствуют наблюденным значениям; предполагается, что
большинство из них имеет точность ± 0,1 сек в сутки.
Пунктирная линия дает «теоретические значения», вы-
веденные в предположении, что плотность на данной
высоте постоянна. Теоретическое значение, полученное
по формуле для Т на стр. 40, равно
_____3gp То__
4^1/" 1-4-
где ео и То — начальные значения эксцентриситета и пе-
риода; t — время, прошедшее с момента запуска, и tL —
полная продолжительность жизни спутника. Из рис. 46
Скорость уменьшения периода, сек/сутки
Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
Р и с.' 46. Суточное изменение периода обращения ракеты третьего советского спутника в
июне и декабре 1958 г. Крестики, соединенные сплошной линией, показывают наблюденные
значения, осредненные за интервал времени в 3—4 дня. Пунктирная линия изображает тео-
ретические значения, полученные в предположении, что плотность на данной высоте не
меняется изо дня в день. Из графика видно, что в действительности плотность значительно
меняется.
154
Глава Vll
видно, что наблюденные значения изменяются нерегу-
лярно, и их отклонения от теоретических могут дости-
гать 35%.
Можно ли считать, что нерегулярности изменения
торможения вызваны изменениями плотности? А не вы-
зываются ли они изменениями эффективной площади
сечения спутника? Эффективная площадь сечения ци-
линдрического спутника должна сильно измениться,
если он, например, перестанет вращаться1) и полетит
как стрела; и каждое такое значительное изменение
должно вызвать большое расхождение между наблю-
денными значениями и теоретической кривой. Однако,
чтобы заставить наблюденные значения колебаться
около теоретической кривой так, как это изображено
на рис. 46, спутнику пришлось бы то вращаться, то
лететь как стрела, то опять вращаться и т. д. Такая не-
решительность, подобная гамлетовской, для спутника
невозможна, потому что силы, вызывающие первона-
чальный переход от вращения к полету типа стрелы,
вероятно, будут продолжать действовать и будут про-
тивостоять всякому возврату к вращению. Но этот аргу-
мент, хотя и кажется правдоподобным, сам по себе не
совсем убедителен. К счастью, он подкрепляется дру-
гими доказательствами. Если цилиндрический спутник
вращается, его яркость будет заметно меняться, тогда
как, если он летит как стрела, его яркость будет, ве-
роятно, постоянной. Действительно, ракета третьего со-
ветского спутника сильно меняла яркость вплоть до
последнего дня своей жизни — следовательно, она, по-
видимому, вращалась. Больше того, колебания яркости
были неожиданно постоянными: интервал между макси-
мумами блеска менялся очень медленно, от 8,0 сек в
июне до 9,5 сек в ноябре 1958 г. Этот факт убедительно
свидетельствует о том, что в характере ее вращения не
было каких-либо внезапных изменений. Вероятно, ра-
кета вращалась самым «ленивым» образом, как уже
говорилось в главе VI. Если это так, то ее средняя пло-
9 То есть кувыркаться, вращаться подобно пропеллеру или
двигаться каким-нибудь сложным образом, как описывалось на
стр. 138,
Неоднородности атмосферы
155
щадь сечения не должна была значительно меняться, и
неправильные изменения торможения могут быть при-
писаны только изменениям атмосферной плотности. Те же
выводы следует сделать относительно второго советского
спутника по тем же причинам; и то же самое, очевидно,
относится к сферическим спутникам, таким, как «Аван-
гард 1», которые не могут менять свою площадь сечения.
Следовательно, мы можем заключить, что нерегуляр-
ные изменения на рис. 46 вызваны изменениями атмо-
сферной плотности; поделив наблюденные значения
(рис. 46) на теоретические (как это сделано на рис. 47),
мы должны получить данные об отклонениях атмосфер-
ной плотности от средних значений на высотах вблизи
перигея от 160 до 240 км. На рис. 47 бросаются в глаза
две особенности. Во-первых, создается впечатление нере-
гулярности характера изменений. Точки располагаются
с интервалом в 3—4 дня, и нетрудно заметить, что зна-
чение плотности в какой-нибудь один день может сильно
отличаться от ее значения через 3 дня: например, 17 ок-
тября плотность была примерно на 25% выше, чем
14 октября. Более тщательный анализ показывает, что
такие скачки могут происходить даже на более корот-
ком интервале времени: в следующие один за другим
дни ноября 1958 г. плотность отличалась от среднего
значения на +2, +11, —1 и +18%. Даже если мы не
можем объяснить эти ежесуточные колебания, то само
по себе их существование и величина имеют очень боль-
шое значение при интерпретации других явлений.
На рис. 47 заметна еще одна интересная подроб-
ность: максимальные значения плотности, так же как и
минимальные, обнаруживают явную тенденцию повто-
ряться с интервалом в 28 дней (это удобно проследить
по 28-дневной шкале, помещенной вверху рисунка). Рас-
смотрим четыре возможные причины этой 28-дневной
периодичности. Первая: не вызвана ли она движением
точки перигея из освещенной области в тень Земли?
Ответ, по-видимому, должен быть отрицательным, по-
тому что перигей затрачивает около трех месяцев на
перемещение из освещенной области в темноту и об-
ратно. Тем не менее предполагается, что атмосферная
плотность заметно меняется ото дня к ночи; таким
156
Глава VII
образом, следует ожидать какого-то эффекта, но, несо-
мненно, более слабого.
Вторая возможная причина 28-дневных колебаний —
Рис. 47. Изменения атмосферной плотности в течение 1958 г.
на высотах между 160 и 240 км (по наблюдениям ракеты третьего
советского спутника). Этот график построен по данным рис. 46
в результате деления наблюденных значений на теоретические. Из
графика видно, что плотность может отличаться от своего среднего
значения на 35% и что максимальные значения плотности повто-
ряются примерно каждые 28 дней.
июня и серединой ноября 1958 г. перигей ракеты треть-
его спутника перемещался от широты +40° к широте
—10°. Следовательно, высокие и низкие значения плот-
ности сменяют друг друга по мере того, как перигей
пересекает различные широты. Может ли быть, чтобы
плотность действительно зависела от широты и ее май;-
Неоднородности атмосферы
157
симальные значения повторялись с интервалом 10° по
широте? Ответ должен быть отрицательным по двум
причинам. Во-первых, эффект торможения распростра-
няется только на область широт вблизи перигея
(рис. 43): высокая плотность в перигее и низкие плот-
ности через 5° по обе стороны дают тот же самый эф-
фект, что и низкая плотность в перигее и высокие плот-
ности через 5° по обе стороны. Во-вторых, как мы уви-
дим дальше, другие спутники при совершенно других
широтах перигея также показали 28-дневные колебания.
Третья возможная причина колебаний — лунные при-
ливы в атмосфере. Притяжение Луны приводит к обра-
зованию «приливного горба» в атмосфере, который со-
вершает обход вокруг Земли каждые 27 дней одновре-
менно с Луной. Но за 27 дней перигей ракеты третьего
спутника перемещался к западу на угол около 90° отно-
сительно звезд — главным образом из-за вращения
плоскости орбиты. Следовательно, период обращения
Луны относительно перигея ракеты третьего спутника
составляет только около 22 дней. Значит, в этом случае
максимальные значения должны были бы повторяться
через каждые 11 дней, а не через 22 дня, так как такой
же атмосферный горб должен быть на стороне Земли,
противоположной Луне. Таким образом, лунные при-
ливы, хотя они и существуют в действительности, по-ви-
димому, не оказывают большого воздействия на плот-
ность, и мы можем перейти к четвертой, наиболее
вероятной причине — влиянию Солнца.
Давно известно, что из некоторых возмущенных об-
ластей на Солнце выбрасываются потоки заряженных
частиц. Эти потоки летят от Солнца радиально (рис. 48),
напоминая струю воды из вращающегося водяного ко-
леса (такого типа, который часто используется для
поливки газонов). Если Земля попадает в такой поток,
то заряженные частицы вызывают магнитные бури и
другие возмущения. Так как Солнце вращается вокруг
своей оси, совершая один оборот по отношению к Земле
за 27—28 дней1), поток частиц будет задевать Землю
через каждые 27—28 дней, если только он не «исто-
1) 27 дней —на солнечном экваторе, 28 —на широте 25°,
158
Глава Vll
щился» с тех пор, как Земля получила предыдущую
порцию. Хорошо заметная 27—28-дневная периодич-
ность в записях магнитных возмущений, космиче-
ских лучей и в появлениях полярных сияний является
результатом этой солнечной активности. Эта периодич-
ность не всегда строго соблюдается: иногда Земля в те-
чение нескольких месяцев не встречает достаточно мощ-
ных потоков. Когда же один поток ослабевает, его
Земля
Рис. 48. Солнце выбрасывает потоки заряженных частиц; поскольку
оно вращается, эти потоки тоже вращаются и настигают Землю через
27—28 дней, что ведет к такой же периодичности в изменениях
магнитного поля Земли, космических лучей и полярных сияний.
заменяет новый мощный поток из другой области Солн-
ца, совершенно не совпадающий с предшествовавшим
27-дневным циклом. А когда источник корпускулярного
излучения медленно движется по солнечному диску или
же поток меняет направление, то вместо 27 или 28 по-
лучается интервал в 26 или 29 дней.
Изменения плотности, обнаруженные с помощью
ракеты третьего спутника, вероятно, могут служить дру-
гим примером 27—28-дневной солнечной периодичности,
и если это так, то это означает, что на атмосферную
плотность на высотах 160—240 км оказывают сильное
влияние солнечные возмущения, хотя механизм этого
воздействия пока неизвестен.
Подтверждают ли результаты, полученные по другим
рпутнирам, предположение о том, что нерегулярные
Неоднородности атмосферы
159
изменения в атмосфере вызываются солнечными возму-
щениями? Пока еще не получено сравнимых результатов
ни для первого советского спутника и его ракеты, ни
для «Эксплорера 4» или «Авангарда 2» — вероятно, по-
тому, что невозможны были очень частые наблюдения,
необходимые для построения графика, подобного
рис. 46. «Атлас» тут не мог помочь, потому что просу-
ществовал только один месяц, а наблюдения третьего
спутника были слишком редки, чтобы по ним можно
было получить удовлетворительную картину. «Экспло-
реры» 1 и 3 также не подходят из-за неблагоприятного
стечения обстоятельств: точки перигея обоих этих спут-
ников пересекали экватор с интервалом от 24 до 30 дней,
и поэтому земной экваториальный горб вызывал коле-
бания с периодом 24—30 дней, которые затемняли сол-
нечный эффект. Тогда остаются второй советский спут-
ник и «Авангард!». Изменения плотности, полученные по
второму спутнику в январе — апреле 1958 г., показаны
на рис. 49. И снова мы видим хорошо заметные пики
с интервалом около 28 дней, которые вместе с пиками
на рис. 47 показывают, что плотность на высотах 160—
240 км имела максимальные значения примерно в сле-
дующие даты 1958 г.: 15 января, 12 февраля, 12 марта,
9 апреля, 7 мая, 4 июня, 1 июля, 29 июля, 26 августа,
23 сентября, 21 октября, 18 ноября, 16 декабря. Интер-
валы в 28 дней встречаются 11 раз, и один раз интервал
составлял 27 дней. Следовательно, изменения торможе-
ния второго спутника коррелируют с солнечной актив-
ностью, и эти две кривые несколько напоминают друг
друга. Таким образом, второй спутник подтверждает,
что изменения плотности вызываются солнечными воз-
мущениями.
«Авангард 1» дал еще более веское подтверждение.
На рис. 50 приведена скорость изменения периода этого'
спутника, которая является показателем действующего
на него торможения, вместе с интенсивностью солнеч-
ного излучения на волне 10,7 см. Величина торможения
меняется, причем пики имеют тенденцию располагаться
с 28-дневными интервалами и — что еще более важно —
приходятся примерно на те же даты, что у ракеты треть-
его спутника (рис. 47). Наконец, между торможе-
160
Глава VII
нием спутника и излучением Солнца на волне 10,7 см
обнаруживается поразительное сходство. Хотя само это
излучение вряд ли непосредственно действует на спут-
Р и с. 49. Изменения атмосферной плотности на высотах
между 160 и 240 км (по второму советскому спутнику).
Этот график подтверждает рис. 47, так как показывает,
что в начале 1958 г. имела место 28-дневная периодич-
ность.
ник, подобие кривых — достаточно поразительный факт,
чтобы рассеять самые упорные сомнения.
Поскольку высота перигея «Авангарда 1» менялась
очень мало, рис. 50 иллюстрирует изменения атмосфер-
Неоднородности атмосферы
161
ной плотности на высотах 640—720 км. Как видно из
рис. 47, на высотах 160—240 км плотность отклоняется
от своего среднего значения самое большее на 35%;
с другой стороны, рис. 50 показывает, что на высотах
640—720 км плотность временами достигает значений,
втрое превосходящих среднюю величину. На больших
высотах следует ожидать еще больших изменений плот-
ности, потому что изменить плотность вблизи вакуума
Рис. 50. Уменьшение периода обращения «Авангарда 1» в зависи-
мости от солнечного излучения на волне 10,7 см. Торможение обна-
руживает колебания с периодом 28 дней, причем максимумы при-
ходятся примерно на те же даты, что и у ракеты третьего спутника
(рис. 47). Более того, максимумы и минимумы солнечного излучения
почти точно повторяют поведение кривой торможения спутника. .
не так уж трудно. Но некоторые изменения хорошо объ-
ясняются увеличением числа заряженных частиц, кото-
рые скорее могут значительно увеличить торможение на
высотах более 320 км, чем действительное возрастание
атмосферной плотности.
Итак, оказывается, что на атмосферную плотность
на высотах между 160 и 800 км сильно влияет солнечная
активность, причем в колебаниях плотности явно видна:
‘27—28-дневная периодичность, присущая солнечным'
эффектам. Кроме того, замечены значительные, но не-
11 Зак. 1274
162
Глава VI!
регулярные изменения плотности ото дня ко дню, кото-
рые, может быть, вызваны Солнцем, а может быть, и
чем-либо другим.
Однако такой вывод не объясняет всех деталей. Как
это обычно бывает со всеми неясными вопросами, когда
они находятся в процессе решения, оказывается, что не-
которые факты противоречат друг другу. Во-первых,
имеются некоторые сомнения относительно колебаний
плотности ото дня к ночи, которые должны быть замет-
ными, но, по-видимому, затушевываются периодич-
ностью, вызванной солнечными возмущениями. Во-вто-
рых, возможно, что плотность сильно зависит от широты
и времени года. Опыты с ракетами показали, что между
широтами +60 и +30° плотность на некоторых высотах
может возрастать в 5 или даже 10 раз. Результаты, по-
лученные до сих пор по спутникам, пока противоречат
этим выводам: они свидетельствуют, что между широ-
тами + 50 и —35° плотность изменяется не более чем
в полтора раза (рис. 44). Однако еще возможно, что
большие колебания плотности будут обнаружены между
широтами +50 и +60°.
Не следует обращать особого внимания на то, что
на рис. 50 торможение «Авангарда 1» на высоте около
640 км после сентября 1958 г. было значительно больше,
чем раньше. В связи с этим было высказано предполо-
жение о влиянии эксперимента «Аргус», согласно ко-
торому между 27 августа и 6 сентября 1958 г. были
взорваны три небольшие атомные бомбы на высоте око-
ло 480 км на юге Атлантического океана, в квадрате
между —35 и —50° широты и 0 и 15° зап. долготы. Даже
если действительная плотность воздуха не меняется,
присутствие заряженных частиц может сильно увеличить
торможение; не исключена возможность, что заряженные
частицы, образовавшиеся в результате взрывов, вызвали
именно такой эффект.
ВЕТРЫ
Если бы атмосфера не вращалась вместе с Землей,
атмосферное торможение всегда действовало бы на спут-
ник в направлении, противоположном его полету. Но *
атмосфера вращается, и спутник воспринимает это вра-
Неоднородности атмосф еры
163
щение как ветер, который дует с запада на восток и тол-
кает спутник по направлению к востоку. Главный эф-
фект от этой боковой силы — слабое уменьшение накло-
нения орбиты к экватору для спутника, движущегося
в направлении, совпадающем с суточным вращением
Земли, т. е. к востоку (или увеличение наклонения, если
спутник движется в противоположном направлении).
Боковая сила, действующая на спутник, зависит от
скорости вращения атмосферы, которая определяется
скоростью вращения Земли и скоростью ветра в данном
месте. Если скорость вращения Земли составляет
960 км/час (на широте 54°), а ветер дует с востока на
запад со скоростью 240 км/час, боковая сила, действую-
щая на спутник, уменьшится на 25%, потому что чистая
скорость атмосферного вращения будет 720 км/час вме-
сто 960 км/час. Таким образом, изменение наклонения
орбиты зависит от средней скорости ветра на широтах
вблизи перигея спутника.
Если эксцентриситет орбиты очень мал, скажем мень-
ше 0,2, изменение i выражается приблизительно следую-
щей формулой:
изменение наклонения I /, . \ sin i о
-----------------— =14-------cos2 W,
изменение периода Т \ 1 vD / 3 9
где Т выражено в долях суток, w — аргумент перигея
(рис. 19), vw и vR — средняя скорость ветра в направле-
нии с запада на восток и скорость вращения Земли на
широте перигея. Полученные из наблюдений значения
наклонения для второго советского спутника показаны
на рис. 51 вместе со значениями, полученными по фор-
муле, подобной приведенной выше, но более полной,
при скоростях ветра 0 и 320 км/час (ветер дует с запада
на восток). При скорости ветра 320 км/час получается
хорошее согласие между теорией и наблюдениями, и
если бы и теоретические и наблюденные значения были
совершенно достоверны, это означало бы, что в области
перигея, т. е. между экватором и широтой +50°, на вы-
сотах 160—240 км в зимние месяцы дует сильный восточ-
ный ветер. Пока еще было бы заблуждением делать
такие выводы, так как нет уверенности в том, что теория
!!♦
164
Глава VII
учитывает все наличные эффекты, а также потому, что
полученные из наблюдений значения не обладают доста-
точно высокой точностью, о чем говорит разброс точек
на рис. 51. Однако не будет большой неожиданностью,
если в верхней атмосфере обнаружатся сильные ветры:
Рис. 51. Изменение наклонения орбиты второго советского спут-
ника, вызванное вращением атмосферы. Кружками обозначены наблю-
денные значения; кроме того, приведены две теоретические кривые.
Сплошная кривая, учитывающая ветер, дующий с запада на восток
со скоростью 320 км!час, несколько лучше согласуется с наблюде-
ниями, но разброс точек слишком велик, и поэтому нельзя сделать
определенного заключения.
даже на такой небольшой высоте, как 11 км, в так на-
зываемых струйных течениях дуют западные ветры со
скоростью 320 км)час, которые помогают летящим на
восток воздушным лайнерам пересекать Атлантический
океан.
Есть и другие, более прямые методы измерения ско-
рости ветров в верхней атмосфере. С помощью радиоме-
тодов можно, например, измерить скорость перемещения
заряженных частиц в ионосфере, но неясно, соответ-
Неоднородности атмосферы
,165
ствует ли это перемещение истинной скорости ветра, по-
тому что нейтральные частицы могут не участвовать
в движении заряженных частиц: на таких больших высо-
тах те и другие могут беспрепятственно двигаться соб-
ственными путями, поскольку столкновения между ними
очень редки. Другой метод—наблюдения серебристых
облаков или вещества, выброшенного ракетами, напри-
мер светящихся паров натрия или облаков алюминиевой
фольги (так называемое «окно»). Таким способом мож-
но определить с большой точностью скорость ветра в
данной области, но не среднюю скорость. Способность
спутников измерять среднюю скорость ветра должна
стать особенно полезной, когда будет достигнута более
высокая точность наблюдений и создана более совершен-
ная теория.
ИОНОСФЕРА
Много сведений об ионосфере можно получить с по-
мощью радиосигналов, посланных с земли. Когда серия
радиоволн достигает ионизованного слоя, она уже не
движется со скоростью света: ее скорость уменьшается в
/* /2^2
г 1 /итс/2' Раз’ где п — число электрических зарядов е,
каждый с массой т, выраженной в единицах массы,
a f — частота волны. Когда п возрастает до критического
mnf2
значения пс = скорость серии волн падает до нуля,
и сигнал отражается обратной Так как m и е известны,
можно найти значение мс, соответствующее любой дан-
ной частоте f. Высоту, на которой происходит отраже-
ние, можно найти по времени, затраченному сигналами
на путешествие туда и обратно. Отражение вертикаль-
ных радиосигналов дает также высоту, на которой число
электронов достигает критического значения пс, соответ-
ствующего частоте сигнала.
Повторяя этот опыт много раз с сигналами разной ча-
стоты, можно получить высоту и электронную концентра^
цию отражающих слоев. Но тут, однако, имеется некото-
рый пробел в данных. Уменьшается ли заметно элек-
тронная концентрация между слоями Е и F? Насколько
166
Глава VII
быстро она уменьшается над слоем F2? Радиосигналами
с земли можно измерить электронную концентрацию
только тогда, когда ионизация возрастает с высотой.
Это все равно, что смотреть с некоторого расстояния
на три ряда холмов возрастающей высоты, перемежаю-
щихся долинами. Хотя видимые склоны и можно на-
нести на карту, глубина долин и то, что находится за
третьим рядом холмов, остаются неизвестными. Область
между слоями Е и F была исследована с помощью
высотных ракет, которые посылают на землю два одно-
временных радиосигнала: один — на очень высокой ча-
стоте, на которую ионосфера не влияет, другой — на бо-
лее низкой. Замедление второго сигнала позволяет
измерить электронную концентрацию. Однако лишь не-
многие ракеты достигли верхней части слоя Л
Другое ограничение радиометода заключается в том,
что он измеряет только концентрацию электронов,
которая не обязательно характеризует полную иониза-
цию. Ионы, которые по крайней мере в 1800 раз тяжелее
электронов, не приводятся заметно в движение при про-
хождении радиоволн.
Спутники позволяют значительно расширить возмож-
ности радиометодов для изучения ионосферы, потому что
сам передатчик оказывается обычно в верхней части
слоя F. Радиоволнам, идущим от спутника, приходится
по дороге к земле пройти через всю толщу ионосферы.
Тщательные измерения сигналов, когда они достигают
наших приемных антенн, должны рассказать нам кое-что
о тех ионизованных слоях, через которые они прошли.
Однако это «кое-что» оказывается довольно обманчи-
вым, потому что ионизованные слои очень сложны, и
наблюдавшиеся отклонения могут интерпретироваться
по-разному.
Концентрация ионов также может быть измерена
прямым способом — с помощью приборов, установленных,
на борту спутника. На третьем советском спутнике были
установлены для этой цели «ионные ловушки», и резуль-
таты измерений показывают, что с возрастанием высоты
концентрация ионов падает более медленно, чем ожида-
лось. Например, одно из значений, полученных третьим
спутником,— 1,8* 105 ионием3 на высоте 790 км— соста*
Неоднородности атмосферы
167
вляет около одной десятой максимального значения на
высоте 320 км. В противоположность этому рис. 44 пока-
зывает, что атмосферная плотность падает примерно в
200 раз между высотами 320 и 790 км. Таким образом,
на высоте 800 км относительное количество ионизован-
ных атомов должно быть гораздо больше, чем на вы-
соте 320 км.
Эти измерения, проделанные на третьем спутнике,
вместе с другими результатами, полученными также
с помощью спутников (которые излагаются дальше),
были объединены с хорошо известными значениями для
меньших высот и дали диаграмму «средней ионосферы»,
изображенную на рис. 52. Эту диаграмму не следует по-
нимать слишком буквально, и даже само название
«средняя ионосфера» Hg совсем верно, так как ее свой-
ства меняются очень сильно. Рис. 52 характерен для
летнего дня в такой год, когда число солнечных пятен
близко к максимуму. Тем не менее иметь такую картину
всей ионосферы очень полезно. Слои £>, Е и F, исследо-
вания которых до сих пор преобладали над другими
ионосферными исследованиями, представляют собой
лишь небольшую часть всей ионосферы, которую нам
удалось рассмотреть лучше всего, подобно небольшой
части айсберга, которая видна над водой.
Сигналы первого советского спутника были волную-
щим событием для всего мира. Для физиков, изучающих
ионосферу, это было нечто большее: для них эти сигналы
были чем-то вроде откровения. Первая неожиданность
заключалась в большом расстоянии, на котором можно
было принимать сигналы этого спутника на частотах 20
и 40 Мгц. Часть их удавалось принимать, когда спутник
находился за тысячи километров, значительно ниже го-
ризонта, а иногда сигналы огибали весь земной шар.
Я помню, как в первые волнующие дни полета этого
спутника один специалист в области радио позвонил
мне, чтобы узнать, где находился спутник в то время,
когда принимались его сигналы. Он не поверил мне,
когда я сказал: «вблизи Цейлона». Капризы радиосвязи
на больших расстояниях хорошо известны, но результа-
ты, полученные с помощью первого спутника, были слиш-
ком регулярными, чтобы их можно было расценивать
Q60
Рис. 52 Концентрация электронов в ионосфере: „средние* значения для летнего дня, полученные по спутни-
ковым данным, и известные значения на меньших высотах.
Неоднородности атмосферы
169
как случайность. Предлагались разные объяснения. По-
жалуй, наиболее популярной является идея о том, что
сигналы попадают между двумя слоями ионосферы как
в ловушку и идут между ними горизонтально как по
трубе, пока не освобождаются вблизи приемной станции
(рис. 53). Другая возможность заключается в том, что
сигналы дважды отражаются: один раз от земли вверх,
другой — от ионосферы вниз, что также изображено на
рис. 53. Эффекты могут меняться самым запутанным
образом, так как возможны всякие варианты взаимного
расположения траектории спутника, ионизованных слоев
и приемной станции. Нет такого единого объяснения,
которое могло бы охватить все случаи.
Сигналы, проходящие большие расстояния между
спутником и приемной станцией, идут окольными пу-
тями. Но часто оказывается возможным определить по-
следний момент, когда был получен последний прямой
Рис. 53. Возможный путь радиоволн от спутника до приемной стан-
ции при больших расстояниях. Сигналы могут либо проходить по
волноводу, образованному слоями ионосферы (/), либо прийти
к приемнику, дважды отразившись: сначала от земной поверхности,
потом от ионосферы (2).
луч; советские спутники показали, что электронную кон-
центрацию можно приблизительно определить по тому
времени, за которое прямой луч «восходит» и «заходит»
при условии, что спутник находится над слоем F2,
т. е. выше 320 км. После того как спутник зашел за
оптический горизонт, радиосигналы, вероятно, проходят
через ионосферу так, как это показано на рис. 54. По-
следний сигнал может быть получен из точки С; в этом
случае его путь в середине ионизованной области ста-
новится параллельным земной поверхности.
Если спутник переместился дальше, скажем в точ-
ку £>, сигнал уйдет прочь от Земли в пространство при
170
Глава VII
условии, что он не попал в ионосферные волноводы
(рис. 53). Если орбита спутника известна, можно опре-
делить его положение во время «радиовосхода» и «ра-
диозахода» и, взяв какое-нибудь значение электрон-
ной концентрации, можно подсчитать вероятный путь
сигнала. Если этот путь не приведет к приемной стан-
ции, нужно взять другую величину электронной кон-
центрации и т. д., пока не будет найдено такое значение,
Рис. 54. Метод определения электронной концентрации в ионо-
сфере по „радиовосходу* и „радиозаходу* спутников. Последний
принятый прямой сигнал исходит из точки Ct так как луч из
этой точки становится параллельным земле. Луч, вышедший из
любой следующей по времени точки, например из точки £>, уйдет
в пространство. Можно подсчитать электронную концентрацию, не-
обходимую для того, чтобы сигнал из точки С был зарегистрирован
приемной станцией.
которое удовлетворяет наблюдениям. В этом методе
предполагается, что ионосфера состоит из горизонталь-
ных слоев; но мы увидим дальше, что это предположение
часто оказывается неверным. Тем не менее полученные
результаты неплохо согласуются, и они приняты в рас-
чет при построении диаграммы на рис. 52.
Существует ряд других методов исследования ионо-
сферы с помощью радиосигналов спутников. Частота,
зарегистрированная при измерении эффекта Допплера
(рис. 33), или направление, полученное с помощью ин-
терферометра или антенн, определяющих направление
(рис. 32), также позволяют изучать нерегулярности ионо-
сферы. Возьмем самый простой пример: предположим,
Неоднородности атмосферы
171
что над приемной станцией находится небольшое, сильно
ионизованное облако, вокруг него ионизация незначи-
тельна. При появлении спутника не искаженные ионо-
сферой радиоволны идут прямо к приемнику. Затем,
когда спутник заходит за сильно ионизованное облако,
лучи изгибаются и их частота меняется. В результате
два сигнала разной частоты и разного направления мо-
гут быть приняты почти одновременно. В итоге зареги-
стрированный эффект Допплера не будет плавной кри-
вой, как на рис. 33; результаты измерений будут меняться
скачками, и так же будут вести себя измеренные напра-
вления.
Ионы в атмосфере не образуют строго горизонталь-
ных слоев, как можно было бы предполагать по назва-
ниям: слой £ и т. д.; кое-где можно встретить небольшие
области сверхвысокой ионизации. Ионосферу можно
сравнить со студнем, жидким снизу и сверху, но где-то
в середине совершенно застывшим, хотя и довольно не-
однородным. Этот относительно твердый средний слой,
представляющий собой область максимальной иониза-
ции, может быть наклонным, или волнистым, или со-
стоять из неправильных по форме «комков».
Реальные записи допплеровской частоты и направле-
ния, после того как волны прошли эту сложную область,
объяснить исчерпывающе очень трудно; они просто ука-
зывают на многочисленные неправильности в структуре
ионосферы и говорят о том, что простая картина слоев D,
Е и F, пригодная для многих целей, является упроще-
нием действительности.
Другое важное свойство получаемых радиосигна-
лов — их затухание. Записываемый сигнал обычно ме-
няет интенсивность, потому что спутник вращается во-
круг оси и его передающая антенна тоже поворачи-
вается, посылая свой максимальный сигнал иногда на
Землю, а иногда в космическое пространство. В резуль-
тате принимаемый сигнал то усиливается, то ослабевает
и, таким образом, дает один из лучших способов оценки
скорости вращения спутников. Например, таким спосо-
бом было установлено, что первый советский спутник
совершал один оборот за 9 сек. Но на затухание, вызван-
172
Глава V//
ное вращением, накладывается другой тип затухания,
возникающий из-за эффекта Фарадея. Радиоволны, про-
ходя через заряженную среду, подобную ионосфере, при
наличии магнитного поля Земли испытывают вращение
плоскости поляризации (это плоскость, в которой волны
движутся вверх и вниз; у морских волн, например, пло-
скость поляризации вертикальная). Направленная ан-
тенна отмечает это вращение плоскости поляризации
принимаемой волны как затухание. Суммарное враще-
ние пропорционально произведению магнитной силы (ко-
торая почти постоянна) на косинус угла А между на-
правлением движения сигнала и направлением магнит-
ной силы и на общее число электронов на пути луча ме-
жду спутником и приемной станцией. Так как напряжен-
ность магнитного поля и угол А могут быть найдены,
можно теоретически подсчитать число электронов. На
практике трудно измерить вращение однозначно, потому
что если найденный угол, скажем, равен 120°, то в дей-
ствительности это 120° плюс неизвестное число полных
оборотов. Этой трудности можно избежать, если усло-
виться начинать измерения в тот момент, когда луч дви-
жется под прямым углом к магнитному полю Земли.
При этом А = 90°, cos Л = 0 и вращение отсутствует.
Тогда есть нулевая начальная точка для измерения вра-
щения и электронную концентрацию можно успешно
подсчитать, что и сделано в действительности.
Электронная концентрация между спутником и при-
емной станцией может быть также найдена по изме-
рениям изменения в направлении волн, когда они про-
ходят через ионосферу. Этот метод и метод «радио-
восхода» и «радиозахода» требуют знания истинного
положения спутника, предпочтительно из оптических
наблюдений. Большим разочарованием в первые пол-
тора года наблюдений спутников было то, что самые
яркие из них, видимые в Англии, не передавали ра-
диосигналов (за исключением второго советского спут-
ника в первые несколько дней), и одновременные радио-
и оптические наблюдения были редкостью.
Спутники оказали большое влияние на ионосферные
исследования, внесли в них ясность и подняли их на но-
Неоднородности атмосферы
173
вую ступень. Благодаря определению электронной плотно-
сти они внесли порядок вместо хаоса в областях, располо-
женных над максимумом слоя F2. С другой стороны, они
обнаружили такое большое количество неоднородностей
в ионосфере, что отчасти опровергли старое представле-
ние о горизонтально расположенных слоях Z), Е и F, хотя
в настоящее время нет ничего лучшего для замены этого
представления. Таким образом, вместо того чтобы при-
нести нам ответ на многие нерешенные вопросы, спут-
ники заставили нас отказаться от упрощенных предста-
влений и искать лучшие — результат, который не пред-
ставляется очень эффективным, но в конце концов ока-
зывается более плодотворным, чем непосредственное по-
лучение численных значений.
VIII
Зоны радиации
...Огонь из урны золотой
Тебе даст Солнце...
П. Шелли «Эпипсихидион»
I/ ак мы уже видели в предыдущих главах, много но-
** вого о Земле и ее атмосфере удалось узнать из на-
блюдений за изменениями орбит спутников со временем.
Сами спутники при этом играют только пассивную роль,
а источником информации являются результаты точных
наблюдений и их быстрый анализ. Таким образом, хотя
это и может показаться несправедливым, открытия не
всегда принадлежат стране, запустившей спутник. Ре-
зультаты, полученные этими косвенными методами глав-
ным образом для высот ниже 800 км, привели к важ-
ным изменениям существующих представлений. В этой
и следующей главах внимание концентрируется на из-
мерениях, выполненных с помощью установленных на
спутниках инструментов, на высотах, превышающих
800 км\ открытия, сделанные в этой области, заставили
нас не только изменить существовавшие предста-
вления, но даже полностью отказаться от некоторых
из них.
В этой главе рассматриваются пояса радиации, об-
наруженные спутниками высоко над Землей, а также три
близкие темы: земной магнетизм, определяющий поло-
жение поясов; космические лучи, которые являются от-
даленными и более энергичными родичами излучения, и
полярные сияния, которые, вероятно, «питаются» радиа-
ционными поясами.
Зоны радиации
175
ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ
Магнитное поле Земли очень похоже на поле гигант-
ского стержневого магнита, помещенного в центре Зем-
ли и наклоненного под небольшим углом к ее географи-
ческой оси. Магнитные силовые линии тянутся от одного
полюса этого магнита к другому аналогично тому, как
располагаются железные опилки вокруг обычного маг-
нита; направление силовых линий за пределами Земли
показано на рис. 55. Силовые линии показывают напра-
вление, по которому устанавливается незакрепленная
стрелка компаса. Магнитные свойства Земли, подобно
притяжению обычного магнита, слабеют с увеличением
расстояния от источника магнетизма, и падение напря-
женности можно представить более широкими проме-
жутками между силовыми линиями (рис. 55). Однако
нельзя так просто изобразить форму земного магнитного
поля, так как в нем имеются местные неоднородности и
заметные нарушения симметрии. Например, магнитные
полюса — точки на земной поверхности, где магнитная
сила направлена вертикально, — не точно противопо-
ложны друг другу: северный магнитный полюс находит-
ся в Канаде на +71° широты и 96° зап. долготы, а юж-
ный— в Антарктике на —73° широты и 156° вост, дол-
готы.
Магнитное поле Земли лучше всего может быть пред-
ставлено полем стержневого магнита или «диполя», ось
которого наклонена к земной географической оси на
угол 11°,5 на 69° зап. долготы. Ось этого воображаемого
магнита называется магнитной осью Земли, а магнитный
экватор — это плоскость, проходящая через центр Земли
перпендикулярно к магнитной оси. Тогда геомагнитная
широта и долгота определяются таким же способом, как
географическая широта и долгота, — по отношению к
геомагнитному экватору и полюсам. На рис. 56 изобра-
жены линии магнитных широт и долгот, наложенные на
географические широты и долготы. Хотя магнитные ко-
ординаты на рис. 56 могут дать общее представление,
они, очевидно, не точно описывают поле Земли: напри-
мер, их «северный полюс» отстоит от истинного магнит-
ного полюса на 800
176
Глава VIII
Самый простой способ отобразить асимметрию маг-
нитного поля Земли — подвинуть стержневой магнит в
сторону примерно на 320 км так, чтобы он по-прежнему
был наклонен к полярной оси Земли на угол 11°,5, но не
пересекался с ней.
Г^графический
полюс
Магнитный
экватор
Рис. 55. Силовые линии магнитного поля Земли, указывающие на-
правление, по которому устанавливается свободно подвешенная
стрелка компаса. Поле Земли приблизительно такое же, как поле
громадного стержневого магнита, помещенного на месте Земли и
наклоненного к земной оси на угол 11°,5. Этот рисунок пред-
ставляет собой сечение Земли по 69° зап. долготы.
Большая часть земного магнитного поля берет свое
начало внутри Земли и слабо меняется ото дня ко дню,
но постепенно через несколько лет изменения становят-
ся заметными. Однако имеется вторая, гораздо меньшая
составляющая, значения которой часто сильно колеб-
лются ото дня ко дню. Эта составляющая, вызванная
12 Зак. 1274
Рис. 56. Сетка геомагнитных широт и долгот (объяснения даны на стр. 175).
178
Глава VIII
главным образом электрическими токами в верхней ат-
мосфере, особенно чувствительна к солнечному влиянию,
которое может вызвать сильные возмущения электриче-
ских свойств верхней атмосферы и магнитные бури.
Среди первых спутников был только один, который
нес приборы для измерения магнитного поля — третий
советский спутник; он намного обогнал все предыдущие
по количеству приборов. Результаты большей частью
не были неожиданными: простая модель, изображенная
на рис. 55, дает вполне удовлетворительную картину
убывания магнитной силы вне Земли. Но третий спутник
выявил некоторые нарушения непрерывности поля, ве-
роятно вызванные местными электрическими токами.
Также оказалось, что аномалия магнитного поля над
Восточной Сибирью исчезает лишь постепенно по мере
увеличения высоты, следовательно, причину этой анома-
лии нужно искать глубоко в Земле, а не вблйзи ее по-
верхности, как это иногда предполагалось. Магнитное
поле Земли позволило определить ориентацию спутни-
ка: магнитометр на третьем спутнике ясно показал, как
спутник вращался.
КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ
Действие космических лучей впервые заметили в на-
чале этого столетия. Была обнаружена постоянная утеч-
ка зарядов в электроскопе с золотыми лепестками; это
навело на мысль, что время от времени воздух проводит
электричество, вероятно потому, что некоторые атомы
ионизуются. Считалось, что наиболее вероятной причи-
ной ионизации служат быстродвижущиеся заряженные
частицы, и, так как утечка заряда возрастала на боль-
ших высотах, был сделан вывод, что из космического
пространства приходит неизвестное излучение, отсюда и
название космические лучи. Вблизи магнитных полюсов
интенсивность космического излучения больше, чем
у магнитного экватора; поэтому показалось вероятным,
что излучение состоит из заряженных частиц, которые
должны отклоняться магнитным полем Земли.
Теперь известно, что космические лучи состоят глав-
ным образом из ядер атомовл т4 е. из таких атомов^ у ко-
Зоны радиации
179
торых оторваны их электронные оболочки. Около 90 %
частиц в космических лучах составляют протоны — ядра
атомов водорода, около 10% —ядра гелия (два протона
плюс два нейтрона), остальное — более тяжелые элемен-
ты. Все они имеют положительные заряды и движутся
со скоростями, близкими к скорости света. Эти первич-
ные частицы, обладающие высокой энергией, сталки-
ваясь с молекулами земной атмосферы, образуют части-
цы с меньшими энергиями. Эти вторичные частицы в
свою очередь сталкиваются с другими молекулами воз-
духа, и поэтому до земли доходит смешанная радиация,
состоящая главным образом из мезонов, электронов и
гамма-лучей. Происхождение первичных космических
лучей неизвестно; предполагается, что большинство из
них приходит в солнечную систему извне, но Солнце, ве-
роятно, тоже принимает в этом какое-то участие. Дей-
ствительно, интенсивность космических лучей обнару-
живает 27-дневную периодичность, которая характерна
для солнечного влияния.
Для измерения космических лучей на спутниках чаще
всего используются счетчики Гейгера, состоящие из
наполненного газом металлического цилиндра с про-
волочкой посередине, которая находится под высоким
напряжением по отношению к оболочке цилиндра и
изолирована от нее. Напряжение подобрано так, чтобы
в нормальных условиях ток между центральной нитью
и внешней оболочкой отсутствовал. Но если через труб-
ку проходит заряженная частица, она оставляет за со-
бой ионизованный след; на мгновение газ в трубке ста-
новится проводником и возникает ток. Каждое прохо-
ждение заряженной частицы вызывает такой единичный
импульс тока, что позволяет вести регистрацию и под-
счет частиц.
Счетчики Гейгера для регистрации космических лучей
были установлены на некоторых первых спутниках, и
примерно до высоты 1000 км полученные данные за не-
большим исключением соответствовали ожидаемым ре-
зультатам. Например, «Эксплорер 1» показал, что ско-
рость счета непрерывно возрастала примерно от 20 им-
пульсов в секунду на высоте 160 км ж 60 на высоте
1000 км. Второй советский спутник, несший два одина-
12*
180
Глава VIII
ковых, но не связанных между собой счетчика для про-
верки правильности их отсчетов, также показал, что ско-
рость счета между высотами 240 и 640 км постепенно
возрастает. Не удивительно, что космическое излучение
более интенсивно на больших высотах, потому что у зем-
ной поверхности сама Земля экранирует половину об-
щего потока радиации, а атмосфера в какой-то мере
защищает нас от остального. Кроме того, поскольку
магнитное поле Земли на большой высоте слабее, там все
меньше космических лучей отклоняется в сторону и не
достигает наблюдателя. Около земной поверхности кос-
мические лучи более интенсивны вблизи полюсов, чем у
экватора: второй советский спутник показал, что эта
тенденция сохраняется на высотах между 240 и 640 км,
причем отмечено устойчивое возрастание интенсивности
между магнитными широтами +30 и +60°.
Третий спутник нес прибор для изучения состава пер-
вичного космического излучения, использующий счетчик
Черенкова. Было обнаружено сравнительно немного
ядер тяжелее ядер серы, и очень редко встречались ядра
более тяжелые, чем ядра цинка. Таким образом, суще-
ствовавшее прежде предположение о том, что первичные
космические лучи состоят главным образом из ядер лег-
ких элементов, подтвердилось.
РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ
Самое поразительное открытие, сделанное спутни-
ками в течение первого года их «службы», касалось об-
ласти сильного излучения на высотах свыше 800 км над
Землей. Обнаружено два обширных пояса радиации, об-
разованных заряженными частицами, захваченными
магнитным полем Земли. Эти частицы обладают гораз-
до меньшей энергией, чем космические лучи, и не исклю-
чена возможность, что пояса радиации поддерживаются
главным образом потоками частиц, выброшенных Солн-
цем. Это. совершенно неожиданное открытие еще раз
показало, что наиболее ценными являются такие экспе-
рименты, результаты которых нельзя предсказать. По-
добно многим знаменитым открытиям, это был опыт,
который не дал ожидаемого результата, но правильное
Зоны радиации
161
его истолкование открыло новые перспективы развития
науки.
Аппаратура для спутника «Эксплорер 1» создавалась
учеными университета штата Айова во главе с профес-
сором Джеймсом Ван Алленом, который является ста-
рейшим исследователем верхней атмосферы, хотя ему
нет еще 50 лет. Он был в числе организаторов Между-
народного геофизического года 1957/58 г., а также явился
инициатором так называемого проекта «Рокун», соглас-
но которому небольшие ракеты поднимаются с помощью
аэростатов на большую высоту, где включаются их дви-
гатели, и ракеты, минуя стадию сильного сопротивления
атмосферы, поднимаются на такие большие высоты, ко-
торые доступны только гораздо большим по размерам и
гораздо более дорогим ракетам, самостоятельно взле-
тающим с земли.
Пояса радиации были обнаружены, когда счетчики
Гейгера на «Эксплорере 1», показав ожидавшиеся ре-
зультаты до высоты 1000 км, словно «взбесились» на
больших высотах. Скорость счета была так велика, что
счетчики просто не успевали регистрировать результат и
«зашкаливались». Оказалось, что эта неистовая реакция
была вызвана излучением с более низкой энергией, чем
космические лучи: ведь если бы на таких высотах суще-
ствовало столь интенсивное космическое излучение, что
помешало бы ему проникнуть в более низкие слои ат-
мосферы?
Опыт был повторен на «Эксплорере 3» с таким же
результатом. Но благодаря магнитофонной записи боль-
шинство измерений было успешно передано на Землю,
и стало ясно, что новый вид излучения сильнее всего
около магнитного экватора (рис. 57) и заметно умень-
шается на высоких магнитных широтах. Раз незначи-
тельное магнитное поле Земли так сильно влияет на
радиацию, образующие ее частицы должны обладать
небольшой энергией. Возможно, что источником этих час-
тиц является Солнце, но они могут также появиться в
результате распада космических лучей. Высказывались
аргументы как за, так и против этих предположений, но
они оказались неубедительными — нужны были более
веские доказательства. Однако уже можно было
182
Глава VIII
сказать, что, вероятнее всего, частицы являются элек-
тронами или протонами, захваченными магнитным по-
лем Земли.
Этот опыт был повторен снова на «Эксплорере 4», и,
так как уже имелись некоторые сведения относительно
условий, в которые должен был попасть спутник, можно
было сконструировать более совершенные приборы.
Кроме того, «Эксплорер 4» охватывал большую часть
земного шара, так как его орбита была наклонена к эква-
тору на 50°, в то время как наклонение орбит «Экспло-
реров» 1 и 3 равнялось 33°. С помощью счетчиков, реги-
стрирующих только 1/64 и 1/2048 полного количества
импульсов, были проведены более точные измерения. Это
усовершенствованное оборудование позволило получить
количественные данные для разных широт и показало,
что' радиация обладает большей проникающей силой
вблизи магнитного экватора. «Эксплорер 4» отметил так-
же, что радиация меняется с долготой: между 80° зап. и
140° вост, долготы наблюдалась существенная разница,
которая приписывается нарушению симметрии магнит-
ного поля Земли, о чем уже упоминалось в этой главе.
Ракета «Пионер 3», запущенная в декабре 1958 г.,
дополнила эту картину вторым радиационным поясом,
расположенным над первым. В начале 1959 г. предста-
вление о радиационных поясах соответствовало схеме,
приведенной на рис. 57. Немало вдохновенных идей вло-
жено в эту диаграмму, которая вскоре без сомнения бу-
дет усовершенствована благодаря более тщательным
исследованиям с помощью спутников. Рис. 57 предста-
вляет собой плоскость сечения Земли по геомагнитному
меридиану. Чтобы получить пространственную картину
радиационных поясов, нужно вращать диаграмму вокруг
линии, изображающей магнитную ось Земли. Положение
поясов в значительной’ степени определяется магнитным
полем Земли, и потому рис. 55 и 57 обнаруживают явное
сходство.
Если считать интенсивной радиацию, соответствую-
щую 10 000 импульсам в секунду1), то первый пояс, в
9 У счетчиков Гейгера, использованных Ван Алленом, ско-
рость счета импульсов R соответствовала потоку 1,62? частиц, ле-
тящих со всех направлений через сферу поперечным сечением 1 см2.
Зоны радиации
183
сечении имеющий форму боба, начинается на высоте
около 2400 км, достигает максимальной интенсивности
около 25000 импульсов в секунду на высоте примерно
4000 км и кончается на высоте приблизительно 5600 км.
Рис. 57. Зоны корпускулярной радиации вокруг Земли, обнаружен-
ные с помощью спутников. Числа у контуров указывают количество
импульсов в секунду, зарегистрированных счетчиками Гейгера на
спутнике «Эксплорер 4» и ракете «Пионер 3». Числа по краю
рисунка указывают геомагнитную широту.
Он тянется между магнитными широтами +30 и —30°.
Второй пояс, имеющий в сечении форму банана, начи-
нается на высоте около 13 000 км, достигает максималь-
ной интенсивности (примерно такой же, как у первого
пояса) на высоте приблизительно 16000 км и кончается
184
Глава VIII
на высоте около 19 000 км. Он охватывает больший диа-
пазон магнитных широт — от +50 до —50°. На рис. 57
оба пояса зачернены.
Так как космические лучи на высоте 1000 км дают
только около 60 импульсов в секунду, было бы справед-
ливо назвать радиацию интенсивной, когда она дости-
гает 1000 импульсов в секунду, не дожидаясь, когда она
возрастет до 10 000. Тогда оба пояса сливаются в одну
обширную область, простирающуюся от 1600 до 24 000 км
между широтами +60 и —60°, а в этом промежутке ши-
рот расположена большая часть обитаемых районов
Земли (рис. 56). Эта область на рис. 57 показана двой-
ной штриховкой.
Максимальная интенсивность радиации — 25 000 им-
пульсов в секунду — соответствует дозе излучения при-
мерно 10 рентген в час, если частицами являются элек-
троны, или примерно 100 рентген в час, если частицами
являются протоны. Максимальная доза, которая еще без-
опасна для организма человека, составляет приблизи-
тельно 0,3 рентгена в неделю; таким образом, космонав-
там следует посоветовать либо очень быстро пересечь
эти пояса, либо совсем их миновать.
Приведенная выше картина поясов радиации опи-
рается на результаты исследований, выполненных в
США на первых американских спутниках. Однако ни
один из них не достигал высоких широт, а аналогичные
измерения, проведенные вторым и третьим советскими
спутниками, проходившими совсем близко от магнитных
полюсов, показывают, что это еще далеко не полная кар-
тина. Второй спутник не залетал достаточно высоко,
в область наиболее интенсивного излучения, но он дей-
ствительно столкнулся с мощным излучением на геомаг-
нитных широтах, превышающих +60°, и на высотах
меньше 800 км. Скорость счета, зарегистрированная
счетчиками Гейгера в этих областях, сильно колеба-
лась. Например, число импульсов возросло на 50% ме-
жду 1 час. 36 мин. и 1 час. 49 мин. по гринвичскому
времени 7 ноября 1957 г., когда спутник находился се-
вернее широты +58°. Третий спутник был вооружен
двумя счетчиками с флуоресцирующими экранами, по-
крытыми алюминиевой фольгой различной толщины.
Зоны радиации
185
Фотоумножители регистрировали вспышки на флуорес-
цирующих экранах. Интенсивность сигналов очень силь-
но менялась, достигая максимума, когда спутник нахо-
дился на самой большой высоте, как и следовало ожи-
дать согласно рис. 57. Но в отличие от результатов
американских исследований наиболее интенсивное излу-
чение было обнаружено вблизи полюсов. Зарегистриро-
ванные частицы оказались электронами с энергиями
Рис. 58. Картина радиационных поясов Земли,
полученная советскими учеными. Диаграмма по-
хожа на рис. 57, но „рога* внешней зоны, имею-
щей форму банана, подходят гораздо ближе к по-
верхности Земли.
10 000 эв (1 электронвольт — это энергия, которую при-
обретает электрон под действием разности потенциалов
в 1 вольт.)
Результаты, полученные советскими учеными, не про-
тиворечат описанной выше картине, если предположить,
что «рога» радиации, отходящие вниз от концов внеш-
него пояса, имеющего форму банана (рис. 57), образо-
ваны частицами, вылетающими из радиационных поясов
и проникающими до меньших высот в более высоких
широтах. Как мы скоро увидим, есть и другие причины
думать, что это истечение действительно происходит.
Картина поясов радиации, полученная советскими
учеными, приведена на рис. 58, но уровни радиации на
границах одинаково заштрихованных областей на этих
186
Глава VIII
рисунках не точно совпадают. Пояса в форме боба и
банана также видны и на рис. 58, но заметно, что оба
рога «банана» простираются до очень малых высот, что
следует из результатов измерений на втором и третьем
советских спутниках.
Внешний пояс радиации впервые был зафиксирован
«Пионером 3» в декабре 1958 г. и «Лунником 1» в янва-'
ре 1959 г. Обе эти ракеты были запущены в период, ког-
да Солнце было совершенно спокойным, но «Пионер 4»
прошел сквозь этот пояс 3 марта 1959 г. после целой
недели повышенной активности Солнца. Хотя трудно
было точно интерпретировать результаты измерений, по-
лученные «Пионером 4», они показали интенсивность ра-
диации в 10—100 раз большую, чем «Пионер 3», и мак-
симум интенсивности был отмечен на большей высоте —
около 29 000 км. Это свидетельствует о том, что размеры
внешнего пояса и его «население» в сильной степени за-
висят от Солнца и могут значительно меняться. Рис. 57
представляет собой лишь «фотографию» поясов в де-
кабре 1958 г. В 1963 г., когда число солнечных пятен
будет близко к минимуму, картина может стать совсем
иной.
Что представляют собой частицы, образующие радиа-
ционные пояса, откуда они берутся и почему пояса не
распадаются? Хотя картина еще не совсем ясна, некото-
рые детали ее кажутся вполне определенными. Описание,
которое я даю ниже, воспроизводит главным образом
идеи профессора Томаса Голда. В объяснении процесса,
благодаря которому пояса поддерживают свое суще-
ствование, трудностей не встречается. Хорошо известно,
что заряженные частицы в магнитном поле, подобном
земному, будут двигаться по спирали вокруг силовых
линий, как показано на рис. 59. Радиус таких спиралей
невелик и заключается, вероятно, между 0,2 и 3 км в за-
висимости от энергии и природы частиц. В то время как
частица приближается к Земле, радиус витка и шаг спи-
рали уменьшаются, т. е. витки сжимаются, все больше
приближаясь к плоскости, перпендикулярной к силовой,
линии. В том месте, где витки спирали становятся точно
перпендикулярными к силовой линии, частицы поворачи-
вают назад. Таким образом, в каждой магнитной трубке
Зоны радиации
187
Частицы меняют
направление движения л
Магнитный
полюс
Магнитный
полюс -J
Рис. 59. Спиральное движение заря-
женных частиц, захваченных магнит-
ным полем Земли. Частицы переме-
щаются из северного полушария в
южное и наоборот, накручиваясь на
магнитные силовые линии (см. рис. 55).
Витки спирали становятся перпенди-
кулярными к магнитным силовым
линиям в точках, где частицы «отра-
жаются", хотя на таком маленьком
рисунке это невозможно ясно пока-
зать.
частицы непрерывно движутся по спирали туда и обрат-
но, из северного полушария в южное и наоборот. Точка,
в которой частицы поворачивают обратно, зависит от
шага спирали на максимальном расстоянии от Земли
и от интенсивности земного магнитного поля. В общем
частицы вблизи эква-
тора проникают до бо-
лее низкого уровня,
чем на высоких широ-
тах (рис. 59).
Кроме спирального
и колебательного дви-
жения частиц с севера
на юг и обратно, труб-
ки очень быстро вра-
щаются по долготе,
оборачиваясь вокруг
Земли за промежуток
времени от нескольких
минут до нескольких
часов в зависимости от
энергии и высоты ча-
стиц. Электроны обыч-
но движутся к восто-
ку, а положительные
ионы — к западу. Ино-
гда (хотя и редко) ча-
стицы сталкиваются
друг с другом и сим-
метрия движения нару-
шается. Кроме того,
некоторые спирали имеют такой шаг, что частицы еще
до отражения проникают глубоко в атмосферу; такие
частицы, вероятно, погибнут в результате столкнове-
ний с молекулами воздуха. Наконец, влияние асим-
метрии и неоднородностей в поле Земли еще больше
усложняет движение частиц. Вместо того чтобы непре-
рывно двигаться взад и вперед вдоль силовых линий,
частицы стремятся вверх или вниз, чтобы исчезнуть в
межпланетном пространстве или рассеяться в атмо-
сфере.
188
Глава VIII
Поскольку пояса радиации постоянно теряют ча-
стицы описанным выше способом, должен существовать
какой-то механизм постоянного притока частиц, чтобы
восполнять эти потери. Вероятно, основным источником
пополнения радиационных поясов является Солнце, ко-
торое, как известно, выбрасывает облака заряженных
Рис. 60. Схематическое изображение потока летящих от Солнца
заряженных частиц вблизи Земли. Магнитное поле Земли действует
как барьер.
а — его присутствие только начинает ощущаться; б — поток „обтекает" его; в — языки
потока заряженных частиц „лижут" магнитное поле Земли, разыскивая „слабое
место", чтобы проникнуть в него, и пополняют зоны радиации. (Масштаб не вы-
держан: такие процессы происходят на высотах 5—10 земных радиусов.)
частиц; некоторый вклад вносят также потоки нейтро-
нов и осколки космических лучей, отразившиеся от зем-
ной атмосферы, Магнитное поле Земли действует на та-
кие частицы, как гигантское зеркало, удерживая их
в окрестностях Земли, когда они «отскакивают» от ат-
мосферы.
Если пояса радиации дополняются главным образом
от Солнца, то как частицы попадают в магнитную ло-
вушку? Обычно, когда поток заряженных частиц, летя-
щих от Солнца (рис. 48), приближается к Земле, магнит-
ное поле преграждает ему путь, и поток «обволакивает»
Землю, как это изображено на рис. 60. Но внешние
области магнитного поля Земли крайне переменчивы,
так как влияние центрального поля, заключенного внутри
Земли, на больших высотах проявляется гораздо мень-
ше. Можно, следовательно, представить себе «языки»
Зоны радиации
18$
заряженных частиц, которые пытаются проникнуть в маг-
нитное поле Земли (рис. 60, в) и достигают этого в тех
местах, где поле оказывается слабее. Эти потоки частиц
покрывают расстояние от Солнца до Земли—150 млн. км
за 1—2 дня, т. е. распространяются со скоростью в сот-
ни километров в секунду; не удивительно, что, обладая
такой энергией, они проникают в магнитное поле
Земли, когда оно проявляет «минутную слабость». Если
пояса радиации пополняются таким образом, их интен-
сивность должна сильно меняться в зависимости от
того, сколько заряженных частиц выбрасывает Солнце.
Можно ожидать тесной связи между магнитными буря-
ми, возмущениями в ионосфере, явлениями полярных
сияний и изменениями, происходящими в поясах ра-
диации.
Приведенная выше картина ничего не говорит о при-
роде заряженных частиц. Пока еще не ясно, протоны
это или электроны, хотя полагают, что небольшой вну-
тренний пояс пополняется главным образом осколками
космических лучей, а громадный внешний пояс сохра-
няется благодаря Солнцу. Если дело обстоит именно так,
то более вероятно, что внутренний пояс состоит из про-
тонов, а внешний — из электронов. Энергия типичной
частицы в радиационных поясах заключена между
30 тыс. и 100 тыс. эв, в то время как энергия космиче-
ских лучей составляет миллионы или тысячи миллионов
электронвольт. Однако во внутреннем поясе встречаются
некоторые частицы, обладающие высокой энергией —
между 6 млн. и 100 млн. эв.
Не приходится сомневаться, что в результате даль*
нейших исследований мы узнаем, что радиационные
пояса гораздо сложнее, чем считается сейчас. Первые
модели, предлагаемые для объяснения любого нового
значительного явления, неизбежно оказываются упро-
щенными и только намечают пути окончательного реше-
ния. Современная модель значительно улучшится после
того, как будут выполнены измерения с помощью спут-
ников, летающих по полярным орбитам с большим экс-
центриситетом.
190
Глава VIII
ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ
Полярные сияния (или северные сияния, как их
иногда неправильно называют) принимают разнообраз-
ные причудливые формы и появляются в виде дуг,
драпри, венцов или прямых лучей. Яркость полярных
сияний сильно колеблется: иногда они соперничают с
Луной, а иногда едва различимы. Чаще всего они по-
являются в областях близ магнитных полюсов, в осо-
бенности на расстоянии около 25° от полюсов, т. е. около
магнитной широты 65°, где они освещают больше 200
ночей в году. Полярные сияния могут появляться на лю-
бой высоте от 80 до 800 км, а в некоторых случаях даже
выше, но их «излюбленная» высота — около 100 км. Еще
задолго до запуска спутников было известно, что поляр-
ные сияния вызываются, по всей вероятности, летящими
от Солнца заряженными частицами, которые сталки-
ваются с атомами в атмосфере, и возбужденные атомы
излучают свет. Дело в том, что яркие сияния часто сле-
дуют за увеличением солнечной активности, а самые яр-
кие обнаруживают тенденцию повторяться каждые 27
дней. Кроме того, измерения с помощью исследователь-
ских ракет показали, что частицы, вызывающие поляр-
ные сияния, обладают энергией до 100 000 эв. Но под-
робности происхождения сияний оставались неясными.
Когда поток заряженных частиц, летящих от Солнца,
проникает во внешние области магнитного поля Земли,
частицы начинают обычное спиральное движение, и для
некоторых из трубок частиц точки отражения могут
оказаться на высоких широтах и глубоко в атмосфере.
Эти частицы тут же покинут пояса радиации, проник-
нут глубже в атмосферу и могут вызвать полярные сия-
ния. Вращение трубок частиц по долготе должно при-
вести к появлению полярных сияний в областях вокруг
магнитных полюсов. Однако из-за неоднородности маг-
нитного поля Земли полярные сияния на одних долготах
могут появляться чаще, а на других — реже.
Возможно, что полярные сияния образуются более
косвенным путем. Из рис. 57 видно, что границы радиа-
ционных поясов проходят примерно в 25° от магнит-
ных полюсов, т. е. именно в том районе, где полярные
Зоны радиации
191
сияния особенно сильны. Таким образом, возможно, что
частицы просачиваются из радиационных поясов на
расстоянии около 25° от магнитного полюса и прони-
кают в более низкие слои, как это показано на рис. 58.
Это просачивание частиц в большей или меньшей сте-
пени продолжается непрерывно; то же относится и к по-
лярным сияниям. Когда потоки от Солнца «перепол-
няют» пояса, просачивание должно возрастать. Таким
образом, обнаруженные спутниками радиационные поя-
са дают новое и более удовлетворительное объяснение
явлению полярных сияний, которые в течение тысяч лет
привлекали внимание и озадачивали людей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Питаемый Солнцем ореол заряженных частиц вокруг
Земли, о котором прежде и не подозревали, по-видимому,
является важным звеном в механизме, с помощью кото-
рого Солнце распространяет свое влияние на земную
атмосферу. Это открытие, подобно большинству других
открытий, сделанных с помощью спутников, подтвер-
ждает, что Солнце оказывает даже более сильное влия-
ние на окружающую нас среду, чем полагали ранее, и
по-новому освещает теорию, согласно которой Землю
можно рассматривать как холодное пятно в солнечной
атмосфере. Однако многое еще предстоит выяснить,
прежде чем удастся полностью объяснить процессы, с
помощью которых Солнце осуществляет свое воздей-
ствие.
IX
За пределами Земли
Вне суеты и чада места,
Что называется Землей.
Дж. Мильтон «Комус»
Предыдущие главы были почти целиком посвящены
Земле: с ней связаны все рассмотренные темы за ис-
ключением космических лучей. Эта глава ведет нас даль-
ше, к явлениям, которые очень мало зависят от нашей
планеты, хотя и будут иметь жизненно важное значение
для всякого ее обитателя, отправившегося в космиче-
ское путешествие. Основные темы — солнечная радиация
и ее роль в определении температуры спутников, поток
метеоров, бомбардирующих Землю, и опасности, подсте-
регающие космонавта. Пока что наши представления
о перечисленных выше явлениях не изменились даже в
результате исследований, проведенных с помощью спут-
ников: эти исследования в большинстве случаев либо
подтвердили доспутниковую картину, либо были недо-
статочно убедительными. Поэтому настоящая глава
должна быть — и действительно является — короткой и
не полной.
СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ И ТЕМПЕРАТУРА СПУТНИКОВ
В главе VII мы видели, что плотность верхней атмо-
сферы в сильной степени зависит от солнечного влияния,
но пока еще невозможно объяснить, как именно осуще-
ствляет Солнце этот контроль. Было бы гораздо легче
найти какое-нибудь объяснение, если бы мы знали ин-
тенсивность солнечного излучения по всему спектру
(рис. 35). Если бы, например, было обнаружено, что
Солнце особенно активно на таких длинах волн, которые
За пределами Земли
193
поглощаются высоко в атмосфере, тогда радиация в этом
участке спектра могла бы быть важным источником ра-
зогрева атмосферы и, таким образом, воздействовала бы
на плотность. Мы не можем оценить, сколько'энергии
излучает Солнце на любой отдельной длине волны: она
очень сильно меняется, и предсказания тут невозмож-
ны — нужны измерения. За последние десять лет наши
знания о солнечной радиации на тех длинах волн, кото-
рые поглощаются в атмосфере, постепенно пополнялись
благодаря исследовательским ракетам. Пока еще нельзя
сказать, что большая заслуга тут принадлежит спутни-
кам. Однако второй и третий советские спутники имели
приборы для изучения солнечной радиации; поэтому в
предвкушении результатов, которые, без сомнения, скоро
будут опубликованы, стоит кратко набросать в общих
чертах картину солнечного излучения по современным
представлениям.
Если тело нагревается от комнатной температуры до
«белого каления», общее количество излучения, которое
оно испускает, быстро возрастает, и для абсолютно
черного тела эта величина пропорциональна четвертой
степени температуры (Т4) по шкале Кельвина. Кроме
того, по мере возрастания температуры максимум излу-
чения постепенно сдвигается в сторону более коротких
длин волн, причем максимум приходится на длину йолны
0,29/Т см. Когда тело начинает разогреваться, оно испус-
кает инфракрасные лучи, и максимум излучения остает-
ся в инфракрасной области до тех пор, пока температура
не достигнет значения 3800° К. При 5000° К максимум
перемещается к середине видимой области спектра, а
при температуре от 5000 до 6000° К мощная радиация
охватывает всю видимую область длин волн (рис. 61).
При температурах около 7500° К максимум перемещает-
ся в ультрафиолетовую область. Излучение Солнца в
видимой части спектра очень напоминает излучение тела
при температуре 6000° К; этот факт свидетельствует
о том, что температура солнечной поверхности близка
к 6000° К. Внутри Солнца господствуют еще более вы-
сокие температуры — порядка до 20 млн. градусов, но
они не связаны непосредственно с солнечным излучением.
13 Зак. 1274
194
Глава IX
Однако узкая область видимого спектра далеко не
полностью характеризует весь спектр солнечного излу-
Р и с. 61. Лучистая энергия, испускаемая телом,
нагретым до температуры Т. В видимой области
излучение Солнца приближается к излучению тела
при температуре 6000° К.
чения. Если бы случилось так, что «атмосферное окно»
пропускало только рентгеновские лучи от наиболее го-
рячих слоев короны, имеющих температуру около 1 млн.
За пределами Земли
195
градусов, и наши глаза приобрели бы чувствительность
к этому излучению, мы бы рассматривали эти корональ-
ные слои как внешнюю часть солнечной поверхности и
видели бы Солнце несколько большего диаметра с по-
верхностной температурой около 1 млн. градусов. Та-
ким образом, наблюдаемая температура Солнца будет
зависеть от выбранной длины волны, и мы можем ожи-
дать сюрпризов при исследовании длин волн, поглощае-
мых атмосферой. До сих пор исследовательские ракеты
производили измерения главным образом в ультрафио-
летовой области, и, хотя в области, близкой к видимой
(до длин волн 2-Ю-5 см), а также в отдельных более
коротких волнах (например, в линии Лайман-альфа с
длиной волны 1,216 • 10-5 см) были получены уверенные
результаты, общую картину нельзя считать законченной.
При смещении длин волн в направлении ультрафиоле-
тового конца спектра за границей видимой области
вблизи 4’10-5 см излучение быстро убывает и на волне
2,4 • 10-5 см составляет 7в излучения тела при темпера-
туре 6000° К, а на волне 1,5-10-5 см оно падает прибли-
зительно до 7юо. Еще дальше, в области коротких длин
волн мы встречаемся со значительной переменностью
излучения; затем, в далеком ультрафиолете и в области
рентгеновских лучей выход энергии чудовищно возра-
стает по сравнению с излучением тела при температуре
6000° К, вероятно благодаря излучению короны. На
многих длинах волн, где излучение Солнца переменно
из-за солнечных возмущений, проводить измерения осо-
бенно трудно. Приборы на исследовательских ракетах
ведут наблюдения самое большее в течение нескольких
минут, и, когда в разные дни они дают сильно разли-
чающиеся результаты, мы не можем знать наверняка,
реальные ли это значения, связанные с солнечной дея-
тельностью, или экспериментальные ошибки. Вот почему
непрерывные ежедневные наблюдения с помощью спут-
ников были бы крайне желательны.
Солнечное излучение определяет одно важное свой-
ство движущегося по орбите спутника — его темпера-
туру. Выше 240 км температура немногочисленных
молекул (или атомов) воздуха, сталкивающихся со спут-
ником, оказывает на него лишь незначительное влияние.
196
Глава IX
Спутник получает тепло в основном от Солнца и теряет
его через излучение. Таким образом устанавливается
равновесие, нарушаемое при вхождении спутника в зем-
ную тень. Приобретаемая спутником температура в не-
большой степени зависит от формы орбиты, т. е. от того,
сколько времени он освещается Солнцем, и в гораздо
большей степени — от свойств его поверхности: спутник,
окрашенный в черный цвет, будет поглощать гораздо
больше тепла, чем белый. При обычной орбите темпера-
тура черного спутника должна подниматься примерно
до 80° С в солнечных лучах и падать приблизительно до
—70° С в тени Земли. Для белого спутника температур-
ные колебания гораздо меньше: примерно от —60
до —90° С. Каковы бы ни были свойства поверхности,
температура поверхностного слоя вряд ли выходит
за пределы —100 и +100°С. Эти границы температуры
не имеют никакого отношения к температуре окружаю-
щего воздуха, заключающейся между 600 и 2000° С
(рис. 45).
Многие удивляются тому, что у спутников такая
«нормальная» температура. На самом же деле в этом
нет ничего поразительного: поверхность Земли находит-
ся в таком же окружении, как и спутник, — на таком же
расстоянии от Солнца и также около половины времени
в тени. Поэтому можно ожидать, что средняя темпера-
тура спутника будет близка к средней температуре зем-
ной поверхности, хотя и будет сильнее отклоняться
от этого среднего значения и несколько ниже, так
как у него нет атмосферы — покрывала, сохраняющего
тепло.
Очень важно регулировать температуру внутри спут-
ника, потому что необходимым условием безотказной
работы радиооборудования обычно является постоянная
(в узких пределах) температура. Поскольку отклонение
температуры оболочки спутника от земной не так уж
велико, температуру внутри контейнера с приборами
можно без особых усилий поддерживать почти комнатной
(20°С). Измерения температуры, являясь одновременно
и важными и легко осуществимыми, были одним из наи-
более распространенных экспериментов, поставленных
на борту первых спутников. В целом результаты изме-
За пределами Земли
197
рений подтвердили предсказанные расчеты, хотя и были
небольшие различия, потому что орбиты и характер вра-
щения спутников не совсем соответствовали ожидаемым.
Наиболее полная серия измерений была проведена на
«Эксплорере 1». В феврале и марте 1958 г. было проде-
лано несколько сот измерений температуры поверхности
и внутренних частей спутника. Обычно измеренные зна-
чения не отклонялись от предсказанных более чем на 30°.
Рис. 62. Внутренняя температура „Эксплорера 1*. Кружки
означают измеренные значения; линия соответствует предска-
занным значениям.
Типичная картина полученных результатов представле-
на на рис. 62: предсказанная температура была около
30° С, а измеренные значения заключались между —5 и
+ 35° С.
Вероятно, эти измерения не повлекут за собой ника-
ких научных открытий; самое большее, на что можно
рассчитывать, — это определение с помощью спутников
эффективной температуры Земли. Но такие измерения
показали, что температуру внутри спутников и космиче-
ских кораблей в окрестностях Земли действительно мо-
жно поддерживать в нормальных пределах с помощью
пассивных методов, таких, как изоляция и окраска по-
верхности в подходящий цвет. Они показали также, что
предварительные оценки полного потока солнечной ра-
диации на границе атмосферы были хорошо обоснованы,
198
Глава IX
МЕТЕОРЫ
Если вы посмотрите на небо в ясную ночь, очень воз-
можно, что приблизительно за десять минут вы уви-
дите одну из так называемых падающих звезд, или ме-
теор. Свет излучается осколком диаметром 1—2 мм, ко-
торый во время своего путешествия вокруг Солнца
случайно попал в нижние слои атмосферы и раскалился
добела. Скорость метеорной частицы относительно атмо-
сферы может достигать 80 км/сек, что в десять раз пре-
вышает скорость спутников. Даже спутнику, возвращаю-
щемуся в атмосферу, трудно потерять свою энергию, не
слишком разогреваясь, но трудности были бы значитель-
но больше, если бы он входил в атмосферу под большим
углом. Метеорная частица такой же массы и со скоро-
стью 80 км/сек обладает энергией в сто раз большей, чем
спутник, и почти всегда сгорает. Избежать такого конца
могут только самые большие и самые маленькие метео-
риты: если частица достаточно велика, то кое-какие ее
остатки долетают до земли в виде твердых кусочков;
в то же время бесчисленное множество крошечных ме-
теорных пылевых частиц медленно просачивается вниз
через атмосферу, не разогреваясь, разбавляя пыль зем-
ную пылью космической.
Численность метеорных частиц является жизненно
важной проблемой для космонавтов, так как летящая
со скоростью 80 км/сек частица может пробить сталь-
ную обшивку ракеты, толщина которой втрое больше
диаметра самой метеорной частицы. Метеорит, яркость
которого сравнима с яркостью Капеллы или Веги, а ско-
рость равна 80 км/сек, может пробить стальную пла-
стинку толщиной около 1 см. Однако приведенные циф-
ры очень приблизительны отчасти потому, что резуль-
тат таких столкновений при больших скоростях неизве-
стен, отчасти же потому, что метеорные частицы могут
быть как твердыми осколками, так и комочками пыли.
Старый метод оценки числа метеоров — с помощью ви-
зуальных наблюдений — за последние десять лет был
дополнен и почти вытеснен радиолокационными наблю-
дениями ионизованных следов, оставляемых метеорами
в атмосфере. Радиолокация дозволяет наблюдать эти
За пределами Земли
199
следы в облачную погоду и в дневное время; более того,
такой метод позволяет обнаруживать слабые метеоры,
которые не видны невооруженным глазом. Оценки числа
метеоров, полученные с помощью этих двух методов, за-
ставляют предполагать, что с Землей ежесуточно стал-
кивается, вероятно, 200 млн. метеорных частиц диамет-
ром больше 2 мм, если предположить, что они в боль-
шинстве случаев представляют собой пылевые комки, а
не твердые каменные обломки.
Спутник гораздо меньше, чем Земля, и поэтому, разу-
меется, он испытывает гораздо меньше столкновений,
Можно предполагать, что сфера диаметром около 60 см,
подобная первому советскому спутнику, просущество-
вала бы много лет, прежде чем столкнулась бы с мете-
орной частицей диаметром 0,25 мм. Однако вполне воз-
можно, что косвенные оценки размеров и числа метео-
ров в значительной степени ошибочны, и для контроля
совершенно необходимы непосредственные измерения
столкновений с метеорными частицами. Поскольку изме-
рения должны проводиться в течение длительного вре-
мени, гораздо удобнее использовать в этом случае спут-
ники, чем высотные ракеты. Однако полученные до сих
пор с помощью спутников результаты довольно немного-
численны и противоречивы.
Для регистрации столкновений небольших метеорных
частиц со спутниками существует несколько методов,
причем все эти методы в принципе очень просты. На
спутниках «Эксплорер» 1 и 3 были установлены 12 ра-
мок с сеткой из тонких, изолированных друг от друга
проводов. Все сетки соединялись параллельно, и через
них пропускался слабый электрический ток. Если ме-
теорит разрывал какой-либо провод, ток в этой сетке
прекращался, и можно было измерить возникшее в ре-
зультате этого увеличение электрического сопротивле-
ния сеток. Сетки были сделаны из проводов толщиной
около 0,017 мм\ считалось, что такие провода могут быть
разорваны метеоритами, диаметр которых больше
0,012 мм. Чтобы пробить оболочку спутника, нужен ме-
теорит гораздо большего размера — диаметром около
0,25 мм. На «Эксплорере 1» были также чувствительные
микрофоны, соединенные с корпусом спутника. Удар
200
Глава IX
небольшого метеорита сопровождается коротким «щелч-
ком», напоминающим удар камешком по быстро движу-
щейся машине, и микрофон их регистрирует. Но этими
двумя методами трудно определить минимальные раз-
меры метеорита, который может быть зарегистрирован,
и эта неуверенность значительно уменьшает ценность
результата.
В течение двух месяцев, т. е. пока были возможны
измерения на «Эксплорере 1», была повреждена только
одна из сеток. На «Эксплорере 3» не было зарегистри-
ровано ни одного удара в течение 6 недель, а 7 мая
1958 г. было сообщено о том, что две сетки повреждены.
После этого в течение четырех дней радиооборудование
совершенно не работало. Возможны два объяснения та-
кой последовательности событий. Первое и наиболее ве-
роятное: 7 мая спутник столкнулся с потоком небольшие
метеорных частиц, которые слегка повредили радиообо
рудование; второе и менее вероятное — неисправност?
радио совершенно не связана с метеоритами, но прояви-
лась она прежде всего в приборах, регистрирующих уда
ры метеоритов. Очевидно, что оценивать число метеори-
тов по единственному столкновению нельзя, но из-за от-
сутствия какой-либо другой информации мы не можем
не сделать таких оценок. Если считать, что на спутниках
«Эксплорер» 1 и 3 метеориты разорвали провода в од-
ной сетке, и если полагать, что этот результат типичен,
то можно ожидать, что за сутки на площади 0,1 л2 бу-
дет зарегистрировано два удара метеоритов с диаметром
больше 0,012 мм. Эксперимент с микрофоном на «Экс-
плорере 1» тоже нелегко было объяснить, поскольку сиг-
налы спутника принимались на Земле не так отчетливо,
как ожидалось. Результаты, если их объяснение пра
вильно, говорят о том, что на площади 0,1 м2 за сутки
может быть зарегистрировано около 300 ударов частиц,
диаметр которых превышает 0,0025 мм.
На третьем советском спутнике были установлен?
пьезоэлектрические датчики из фосфата аммония, при
меняемые в баллистике, которые должны были регистр!
ровать частицы диаметром не менее 0,005 мм. Первы
результаты свидетельствуют о том, что на площади
0,1 м2 можно ожидать около 500 000 столкновений в сут-
За пределами Земли
201
ки — это более чем в 1000 раз превышает данные амери-
канских экспериментов. Однако более поздние резуль-
таты, полученные с помощью третьего советского спут-
ника, показали гораздо меньшее число столкновений,
так что расхождение сильно уменьшилось. Но все же ре-
зультаты подобных экспериментов не будут достаточно
убедительными до тех пор, пока не появится возмож-
ность точно установить минимальный диаметр метеори-
тов, регистрируемых измерительными приборами. В на-
стоящее время результаты, полученные с помощью спут-
ников, по-видимому, не более надежны, чем косвенные
оценки, и пока было бы неблагоразумно делать какие
бы то ни было выводы.
ЖИВОТНЫЕ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Большинство полагает, что спутники являются пред-
шественниками обитаемых космических кораблей. По-
этому стоит подытожить все, что спутники рассказали
нам о возможностях существования земных обитателей
во внешних слоях атмосферы и за ее пределами.
Энтузиасты космических полетов не были обрадова-
ны открытием радиационных поясов, пребывание в кото-
рых не сулит астронавтам ничего приятного. Положение
не такое уж страшное, как казалось вначале, потому что
пояса будут хорошо изучены, прежде чем кто-либо по-
пытается полететь в космос, и в настоящее время пред-
ставляется, что наиболее опасных областей легко можно
избежать. Однако другие планеты могут обладать более
интенсивными зонами радиации, и космический корабль
без запаса топлива окажется в затруднительном поло-
жении, попав в такую область.
Большая часть наших непосредственных сведений о
животных в космическом пространстве получена благо-
даря собаке Лайке, которая была пассажиром второго
советского спутника и первой жертвой космической
эпохи. Хотя опыт с Лайкой может показаться жестоким,
нет сомнения, что успешный запуск этого спутника и на-
блюдения за поведением Лайки всего через месяц после
запуска первого спутника были блестящим достижением
техники. Во время полета регистрировались частота
202
Глава IX
пульса, кровяное давление, частота дыхания и движения
собаки. Эти сигналы преобразовывались в электрические
импульсы и по радио передавались на Землю вместе с
информацией о температуре воздуха и давлении в каби-
не Лайки.
Благодаря долгой тренировке собака вела себя спо-
койно до момента запуска. Во время подъема под влия-
нием большого ускорения пульс и дыхание участились
в три раза по сравнению с нормальными и были отме-
чены движения мускулов. Такая реакция не была неожи-
данной, потому что во время лабораторных исследова-
ний, когда собаку крутили на центрифуге, точно воспро-
изводилось влияние ускорения. После выхода спутника
на орбиту частота пульса, дыхания и кровяное давление
уменьшились примерно втрое, т. е. вернулись к нормаль-
ному состоянию, как и при лабораторных испытаниях.
Вероятно, восстановление проходило медленней, потому
что на орбите собака была в состоянии невесомости, т. е.
в таких условиях, которые в обычных случаях могут со-
храняться только очень короткое время, например при
очень быстром спуске машины с крутой горки. Сообща-
лось, что после выхода на орбиту условия, в которых
находилась Лайка, оставались удовлетворительными в
течение примерно 7 дней, пока не прекратилось снабже-
ние пищей и кислородом.
Из опыта с Лайкой можно сделать два научных вы-
вода: первый — многие животные, в том числе и чело-
век, могут перенести ускорение и вибрацию во время
запуска спутника или космического снаряда; второй —
состояние невесомости, которое прежде исследовалось
на человеке меньше чем в течение минуты (в авиации),
а на других живых существах только в течение несколь-
ких минут (в ракетах), по-видимому, не оказывает не-
медленного физического болезненного воздействия, хотя
его физиологическое действие остается неизвестным. Оба
эти вывода только подтверждают существовавшую ра-
нее точку зрения, но ее необходимо было проверить, так
как она служит основой для всех проектов космических
путешествий..
X
Современные достижения
А Королева все кричала: «Быстрей, быстрей!>
Льюис Кэрролл «Сквозь зеркало»
1. ИСТОРИЯ ЖИЗНИ СПУТНИКА
На орбите
Е> главе I речь в основном шла о спутниках, макси-
мальная высота которых над Землей не превышала
5000 км, а минимальная высота была меньше 800 км.
Орбиты более далеких спутников, уже запущенных к на-
стоящему времени, часто'значительно меняются под дей-
ствием двух сил, которые не обсуждались в главе I,
а именно: давления солнечного света и притяжения
Луны и Солнца.
Как уже объяснялось на стр. 130, свет можно рассма-
тривать как поток фотонов, обладающих определенным
импульсом; при столкновении фотонов с любой непро-
ницаемой поверхностью они давят на эту поверхность,
но по земным масштабам такое давление ничтожно мало.
Вблизи Земли давление солнечных лучей, падающих
перпендикулярно на черную поверхность, составляет
примерно 5*10~4 г/м2 или вдвое большую величину в
случае идеально отражающей поверхности. Таким обра-
зом, не удивительно, что давление солнечного света
оказывает небольшое влияние на обычные металличе-
ские спутники; для спутников же, которые никогда не
приближаются к Земле более чем на 960 км, оно даже
более существенно, чем атмосферное торможение. Да-
вление солнечного света действительно заслуживает вни-
мания и является обычно преобладающей силой, изме-
няющей орбиту спутников-баллонов, как «Эхо 1» и «Экс-
плорер 9», имеющих большую площадь поверхности и
малый вес. Наиболее важный эффект, вызываемый этой
204
Глава X
силой, заключается в колебании высоты перигея. Напри-
мер, первоначальная высота перигея «Эхо 1» 12 августа
1960 г. составляла 1530 юи, в декабре того же года она
уменьшилась до 950 км, а в июне 1961 г. снова увеличи-
лась до 1510 км. Продолжительность цикла—10 меся-
цев для «Эхо 1» — определяется временем, в течение
которого перигей совершает один оборот по отношению
к Солнцу. В отсутствие атмосферы этот цикл должен
был бы постоянно повторяться, причем средняя высота
оставалась бы почти неизменной; но всякий раз, когда
перигей совершает одно из своих десятимесячных погру-
жений в более плотную атмосферу, спутник заметно за-
медляется, и в конце концов в результате таких замед-
лений жизнь «Эхо 1» должна будет окончиться через
несколько лет, если он раньше не распадется на части.
Таким образом, давление солнечного света заставляет
«Эхо 1» погружаться в атмосферу; в отличие от спут-
ника его ракета, на которую это давление влияет мало,
вероятно, пробудет на орбите несколько тысяч лет.
Гравитационное притяжение Солнца или Луны очень
незначительно влияет на орбиту спутника, близкого к
Земле: на высотах меньше 1600 км эффект, вызванный
земным экваториальным горбом, в 10 000 раз больше.
Но если высота составляет значительную долю расстоя-
ния до Луны (384 000 км) и, особенно, если орбита
очень вытянута, тогда влияние лунного притяжения ста-
новится значительным. Влияние солнечного притяжения
сказывается в меньшей степени: вызываемые им возму-
щения в движении спутников более чем вдвое слабее
лунных. Наиболее важное воздействие лунного и сол-
нечного притяжений, подобно эффекту давления солнеч-
ного света, приводит к колебаниям высоты перигея без
изменения средней высоты. Лучший пример подобного
явления продемонстрировал «Эксплорер 6», у которого
первоначально высота перигея составляла 252 км, а вы-
сота апогея — около 40000 км. Под воздействием Луны
высота перигея колебалась между 265 и 160 км с перио-
дом в три месяца. Было подсчитано, что в результате
Этих частях погружений в атмосферу продолжитель-
ность жизни спутника должна уменьшиться примерно
от 20 до 2 лет.
Современные достижения
205
В главе I ничего не говорилось об орбитах ракет, ко-
торые покинули Землю и стали искусственными плане-
тами. Из уравнения на стр. 15 мы видим, что скорость,
необходимая спутнику для удаления в бесконечность
(т. е. для того, чтобы величина а стала бесконечной, а
R/a обратилась в нуль), равна 7,91 V2R/r км/сек, или
круговой скорости спутника (рис. 2), умноженной на
]/2. Таким образом, скорость освобождения составляет
11,04 км/сек на высоте 160 км (г = 6530 км) или
9,99 км/сек на высоте 1600 км. Ракета, движущаяся со
скоростью, большей скорости освобождения на данной
высоте, уйдет из сферы земного влияния (радиус кото-
рой составляет около 1 млн. км). Она окажется во вла-
сти солнечного притяжения и, подобно планетам, будет
двигаться по орбите вокруг Солнца. Если ракета, поки-
дая окрестности Земли, движется быстрее нее, т. е. если
она находится впереди Земли на ее орбите, тогда орбита
ракеты будет больше, чем земная (как, например, у
«Лунника Ь); если ракета движется медленней Земли,
ее орбита будет меньше, чем орбита Земли (как, напри-
мер, у «Пионера 5»).
Последний пролет через атмосферу
Как и предполагалось в конце главы I, многим спут-
никам удалось благополучно перенести «горячую встре-
чу» при возвращении в атмосферу; они были тупой фор-
мы и надежно защищены жаропрочными материалами.
2. СПУТНИК, «ЭКСПЛОРЕР», «АВАНГАРД»...
В технике невозможное быстро становится обычным,
что ярко иллюстируется ростом числа спутников.
В 1957 г. было 2 успешных запуска спутников, в 1958 г.
было запущено уже 8 спутников и космических ракет,
в 1959 г.—14, в 1960 г.—19, а до конца сентября
1961 г. — 261)- Общее число известных объектов, вышед-
ших на орбиту в результате всех перечисленных запусков
’) Всего в 1961 г. было 35 удачных запусков, а в 1962 г.—
72. — Прим, перев.
206
Глава X
(спутников, ракет и различных частей), составляло 188;
к концу сентября 1961 г. 104 из них, по-видимому, еще
находились на орбитах.
Спутники, запущенные до августа 1959 г., были опи-
саны в главе II. В настоящей главе я делю все спутники
на восемь групп в соответствии с их назначением и опи-
сываю их основные особенности (но не научные резуль-
таты, полученные с их помощью; они обсуждаются в
разд. 5—10 этой главы).
Советские космические ракеты «Лунник» 2 и 3;
зондирование Венеры
После трех искусственных спутников Земли, запу-
щенных в 1957—1958 гг. советские ученые перенесли
свои исследования дальше в космическое пространство.
В 1959 г. они запустили три «Лунника»; первый из них—
«Лунник I» — уже был описан на стр. 75.
«Лунник 2» — первый земной объект, который совер-
шил путешествие на другое небесное тело, — был выве-
ден 12 сентября 1959 г. на траекторию, направленную
прямо к Луне. Ракета достигла Луны в 21 час. 2 мин.
по гринвичскому времени 13 сентября, имея скорость
3,3 км/сек. Вероятнее всего, она опустилась на Луну на
линии, образованной кратерами Аристилл и Автолик, в
точке, расположенной примерно на одинаковом расстоя-
нии между Автоликом и лунными Апеннинами. Хотя это
весьма печально, что наша первая встреча с Луной ока-
залась столь бурной, непосредственное столкновение
было единственным осуществимым способом провести
научные измерения вплоть до самой лунной поверхно-
сти. «Лунник 2» измерял магнитное поле, космическое
излучение и межпланетное вещество.
«Лунник 3» (рис. 63), запущенный 4 октября 1959 г.,
позволил нам впервые заглянуть на обратную сторону
Луны, которая до сих пор всегда была скрыта от нас.
«Лунник 3» обычно называют космической ракетой, по-
скольку он улетел за пределы Луны; в действительности
же он остался спутником Земли, так как не достиг ско-
рости освобождения от земного притяжения. «Лунник 3»
Современные достижения
207
был выведен на орбиту, которая в самой близкой к Луне
точке — «периселении» — проходила на расстоянии около
7 100 км от лунной поверхности. При таком тесном сбли-
жении с Луной орбита «Лунника 3» подверглась таким
сильным возмущениям, что он вернулся не к южному
7
Рис. 63. Автоматическая межпланет-
ная станция .Лунник 3“.
/—антенны; 2 —приборы для научных исследований; <3 —солнечный датчик,-
4—двигатель системы ориентации; 5— жалюзи системы терморегулирования;
6—секции солнечной батареи; 7 —иллюминатор для фотографических аппаратов:
8— тепловые экраны.
полушарию Земли, что было бы естественно, а к север-
ному, откуда легче осуществить передачу изображения
в СССР. Фотографирование (фото VIII) началось 7 ок-
тября после прохождения точки периселения в 3 час.
30 мин. по гринвичскому времени, когда «Лунник» был
на расстоянии 65 000 км от центра Луны, и продолжа-
лось в течение 40 мин. Камера имела два объектива —
широкоугольный и телеобъектив — и была точно ориен-
тирована относительно Солнца и Луны при помощи
фотоэлементов. Специальная 35-мидлиметровая пленка
208
Глава X
обрабатывалась на борту спутника, а когда «Лунник»
вернулся к Земле, полученное изображение было пере-
дано посредством телевизионной техники, причем мак-
симальное число строк достигало 1000 на один кадр.
До запуска следующей советской космической ракеты
12 февраля 1961 г. прошло 16 месяцев. Ракета предна-
значалась для научных исследований в окрестностях Ве-
неры. Этот космический корабль с замечательной точ-
ностью был запущен с тяжелого советского спутника
(спутник, запущенный перед этим, послужил как бы
репетицией этого эксперимента) и 20 мая прошел мимо
Венеры на расстоянии менее 100000 км от нее. Однако
27 февраля радиосвязь с ракетой, к сожалению, пре-
рвалась, и проведенные ею измерения, которые имели
бы огромную ценность, остались неизвестными.
Советские космические корабли-спутники
«Восток» 1 и 2
После трех спутников в 1957—1958 гг. и трех «Лун-
ников» в 1959 г. в СССР были запущены три космиче-
ских корабля в 1960 г. и еще четыре весной и летом
1961 г. Они весили немного больше 4500 кг и двигались
по низким орбитам — на высотах между 160 и 320 км —
с наклонением около 65° к экватору.
Кабина первого космического корабля-спутника, за-
пущенного 15 мая 1960 г., имела оборудование для под-
держания нормальных условий, необходимых для суще-
ствования человека. 19 мая был включен двигатель,
который, очевидно, должен был замедлить движение
спутника, но вместо этого ускорил его; в результате
кабина и приборный отсек были выведены на более уда-
ленную орбиту вместе с шестью другими объектами,
появившимися, вероятно, в результате взрыва.
Первыми живыми существами, благополучно вернув-
шимися из орбитального полета, были собаки Стрелка
и Белка — обитательницы второго космического корабля-
спутника, запущенного 19 августа 1960 г. Спутник, в ко-
тором находились также 2 крысы, 40 мышей, насекомые
И различные другие организмы, совершил 17 оборотов
Современные достижения
209
вокруг Земли и благополучно опустился на Землю. На
фото VII изображен отделяемый контейнер этого кораб-
ля-спутника.
Третий советский космический корабль, запущенный
в декабре 1960 г., предназначался для повторения иссле-
дований, поставленных на его предшественнике; но этот
спутник снижался по нерасчетной траектории и сгорел
в атмосфере.
Фото VII. Контейнер второго советского космического корабля-
спутника на тележке; видна кабина, отделяющаяся от внешней
оболочки перед входом в атмосферу. Спутник был запущен 19 ав-
густа 1960 г., в кабине вместе с другими животными находились
собаки Белка и Стрелка — первые живые существа, возвратившиеся
на Землю после полета по орбите. Спутник весил 4600 кг\ данные
о его размерах не были опубликованы, но длина его, по-видимому,
была около 6 м.
На четвертом и пятом космических кораблях находи-
лись собаки Чернушка и Звездочка; кабины этих кораб-
лей были посажены в заданном районе, а их пассажиры
вернулись в целости и сохранности.
После этих успешных полетов многие полагали, что
на борту следующего советского спутника будет человек
14 Зак.
210
Глава X
Так и оказалось. Честь первого полета по орбите 12 ап-
реля 1961 г. выпала на долю майора военно-воздушных
сил Юрия Гагарина. Космический корабль-спутник «Во-
сток 1», в котором он летел, был запущен в северо-во-
сточном направлении в 6 час. 7 мин. по гринвичскому
времени с космодрома Байконур, расположенного при-
близительно на +47° широты и 65° вост, долготы, и про-
шел над Сибирью, Тихим океаном и мысом Горн; затем
в 7 час. 25 мин., когда спутник приближался к Цен-
тральной Африке, был включен тормозной двигатель.
После спуска длиной 8000 км майор Гагарин завершил
свой исторический полет, благополучно приземлившись
вблизи Саратова, примерно на 800 км к юго-востоку от
Москвы, в 7 час. 55 мин. по гринвичскому времени (точ-
ные координаты: широта +51О16/, вост, долгота 45°59').
Второй полет спутника с человеком на. борту был го-
раздо более длительным и продолжался 25 час 19 мин.
Его совершил 6—7 августа 1961 г. майор советских во-
енно-воздушных сил Герман Титов на корабле «Вос-
ток 2», который был запущен 6 августа в 6 час. по грин-
вичскому времени из того же района, что и «Восток 1»,
и на такую же орбиту. Через 23 час 38 мин, совершив
16 оборотов, «Восток 2» вышел на 17-й виток, который
совпадал с первым, и в конце 17 оборота вошел в атмо-
сферу. Майор Титов завершил свой замечательный по-
лет 7 августа в 7 час. 18 мин. по гринвичскому времени,
благополучно приземлившись в том же районе, что
и его предшественник (точные координаты: широта
+ 50°51', вост, долгота 47°01',5).
Исследовательские спутники
и космические ракеты США: «Авангард 3»,
«Эксплорер» 6—12, «Греб» 1 и 3, «Лофти 1»,
«Инджун» и «Пионер 5»
Многочисленные американские спутники, значитель-
но уступая советским по весу и размерам, успешно вы-
полняют разнообразную программу научных исследо-
ваний.
Последний из «невезучей» серии «Авангард» — спут-
ник «Авангард 3», запущенный в сентябре 1959 г., пер-
Современные достижения
211
воначально предназначался для составления подробной
карты магнитного поля Земли. Он успешно выполнял
эту работу в течение 85 дней, пока действовали его ра-
диопередатчики.
Спутники серии «Эксплорер» замечательны огромным
разнообразием своих научных экспериментов. «Экспло-
рер 6» (стр. 80) в те два месяца, когда работали его
Рис. 64. Спутник «Эксплорер 7». Диаметр и длина 75 см.
Вес 41,5 кг,
7 —датчик рентгеновского излучения; 2 — счетчик микрометеоритов; 3 — антенны;
4 — прибор для измерения теплового баланса; 5 —солнечные батареи; 6 —послед-
няя ступень ракеты; / — камера для регистрации ядер тяжелых элементов; при-
бор для регистрации излучения в линии Лайман-альфа; 9—прибор для регистрации
космических лучей.
радиопередатчики, ежедневно передавал ценные сведе-
ния о внешнем радиационном поясе.
«Эксплорер 7», запущенный в октябре 1959 г.
(рис. 64), измерял тепло, получаемое и излучаемое Зем-
лей, анализировал солнечное ультрафиолетовое и рент-
геновское излучение, зондировал «рога» внешнего пояса
радиации. Спутник был оборудован солнечными бата-
реями, и его радиосигналы на частоте 19,99 Мгц
продолжались даже сверх предполагаемого срока, кото-
рый оканчивался в октябре 1960 г.
14*
212
Глава X
«Эксплорер 8» выполнил десять экспериментов: пять
относились к ионосфере, два — к межпланетным пылевым
частицам, остальные три — к небольшому облаку ионов,
которое ореолом окружает спутники. Эти эксперименты
были успешно завершены в период действия радиопере-
датчика спутника с 3 ноября по 27 декабря 1960 г.
«Эксплорер 9» (февраль 1961 г.)—первый спутник,
запущенный с помощью ракеты «Скаут» на твердом топ-
ливе,—представлял собой надувную сферу, наполняв-
шуюся уже на орбите, и первоначально предназначался
для определения атмосферной плотности.
«Эксплорер 10», запущенный в марте 1961 г. на орби-
ту, удаленную на 180 000 км от Земли, измерял магнит-
ные поля и концентрацию заряженных частиц на боль-
ших расстояниях от Земли (см. рис. 65).
«Эксплорер 11» (апрель 1961 г.) предназначался
главным образом для обнаружения гамма-лучей, иду-
щих из космического пространства, и для составления
карты распределения их источников на небе.
«Эксплорер 12», запущенный в августе 1961 г. на вы-
тянутую орбиту, достигающую высоты примерно
77 000 км, предназначался для изучения заряженных
частиц на больших высотах и взаимодействия магнит-
ного поля Земли с «солнечным ветром» (стр. 233). Он
представлял собой тонкую восьмиугольную призму с че-
тырьмя радиально расходящимися стержнями, на кото-
рых были укреплены лопасти с солнечными батареями.
Из-за характера научных задач и своего внешнего вида
он был прозван ветряной мельницей.
Среди других небольших научных спутников этих лет
были «Греб 1» (или «Луч Солнца»), «Лофти 1», «ГребЗ»
и «Инджун»; все они были дополнительными пассажи-
рами, находившимися на борту ракет-носителей, выво-
дивших на орбиту спутник серии «Транзит». «Греб» 1 и
3 измеряли солнечную радиацию в рентгеновской и уль-
трафиолетовой областях спектра; «Лофти 1» исследовал
передачу сигналов низкой частоты через ионосферу, а
«Инджун», который не отделился от спутника «Греб 3»,
должен был исследовать связь между полярными сия-
ниями и внешним радиационным поясом Земли.
Современные достижения
213
Эти научные исследования вблизи Земли были про-
должены дальше в глубь солнечной атмосферы с помо-
щью искусственной планеты «Пионер 5», запущенной
11 марта 1960 г. Ее орбита проходила на расстоянии
Рис. 65. Спутник «Эксплорер 10» (в поперечном сечении круглый),
/—стержень из стекловолокна, удерживающий магнитометр на некотором рас-
стоянии от корпуса спутника; 2—оптический ориентатор; 3 —антенны; 4 — маг-
нитометрический флюксметр; 5 —рубидиевый магнитометр, вибратор; 6 —рубидие-
вый магнитометр, газовый фотоэлемент и лампа; 7 —последняя ступень ракеты,
которая не отделилась от спутника.
в несколько миллионов километров от Венеры. У «Пио-
нера 5», подобно «Эксплореру 6» (фото IV) было че-
тыре наружные лопасти, покрытые солнечными батарея-
ми, которые снабжали энергией радиопередатчик
мощностью 150 вт. Сигналы «Пионера 5» принимались
с помощью радиотелескопа станции Джодрелл Бэнк
вплоть до 26 июня 1960 г. с рекордного расстояния, пре-
вышающего 35 млн. км. «Пионер 5» исследовал косми-
ческие лучи, магнитные поля и потоки заряженных ча-
214
Глава X
стиц, летящих от Солнца, которые, вероятно, окажутся
небезопасными для будущих космических путешествий.
Спутники серии «Дискаверер»
Военно-воздушные силы США запускают спутники
«Дискаверер» с базы Ванденберг; с февраля 1959 г. по
сентябрь 1961 г. была сделана 31 попытка, из них успеш-
ными оказались 21 (если считать сомнительный случай
запуска «Дискаверера 1», описанный на стр. 77). Спут-
ники «Дискаверер» 1 —15 (рис. 66) состояли из второй
Р и с. 66. Спутники «Дискаверер» 1—15. Длина 5,8 м, диаметр 1,5 м.
/—возвращаемая на Землю капсула; 2—тормозной двигатель капсулы; 5—бак для
окислителя; 4 — бак для топлива; 5 —главный двигатель второй ступени ракеты.
ступени ракеты «Аджена», которая доставляла их на
орбиту, и возвращающейся капсулы, которая должна
была отделиться от спутника после почти суточного пре-
бывания на орбите и опуститься в центральной части
Тихого океана. Эти спутники весили от 610 до 860 кг,
а вес капсулы составлял примерно 130 кг. У «Дискаве-
рера 17» и следующих была более мощная ракета —
«Аджена В»; поэтому вес спутников возрос на несколько
сот килограммов, а капсула до отделения проводила на
орбите больше суток.
Возвращение капсулы «Дискаверера» зависело от ус-
пешного выполнения ряда сложных операций, и лишь на
тринадцатой попытке вся последовательность этих опе-
раций была точно выполнена: капсула «Дискаверера 13»
Современные достижения 215
была выловлена в Тихом океане в 480 км к северо-за-
паду от о. Оаху (Гавайские острова) в 2 час. 15 мин.
12 августа 1960 г. — это был первый объект, вернувший-
ся с орбиты. После этого успешные возвращения капсул
стали частым явлением: так было со спутниками «Диска-
верер» 14, 17, 18 и др. Обычно еще во время спуска кап-
сулы на парашюте самолеты, снабженные специальными
сетями и другими приспособлениями, подхватывали кап-
сулу— приятное спортивное развлечение, завершающее
научное исследование.
Хотя «Дискаверер» и не был первым научным спут-
ником, есть некоторые эксперименты, которые можно
осуществить только в случае возвращения капсулы;
такие эксперименты были проделаны на последующих
спутниках этого типа. Например, на «Дискаверер» 17 и
18 были фотоэмульсионные блоки для регистрации кос-
мических лучей, а после сильных солнечных возмущений
во время полета «Дискаверера 17» (12 ноября 1960 г.)
содержимое его капсулы CTajjp радиоактивным.
Другие эксперименты по возвращению капсул (про-
ект «Меркурий») описываются в разд. 9 этой главы.
Метеорологические спутники «Тирос» 1—3
На каждом из трех спутников «Тирос» было по две
телевизионные камеры. Одна из них давала изображе-
ние большой площади (примерно 1300 X 1300 км) с раз-
решением около 3 км\ другая давала малое поле (при-
близительно 130 X 130 км) вблизи центра большего
изображения с разрешением около 0,3 км. На магнит-
ной ленте записывалось до 32 изображений, снятых с ин-
тервалом 30 секунд, и, когда спутник проходил над
своей станцией слежения, эти изображения передава-
лись на Землю на частоте около 108 Мгц. Источником
энергии на «Тиросе 1» были 9200 солнечных элементов.
Спутник вращался вокруг своей оси симметрии, чтобы
сохранялась его ориентация в пространстве, и когда
через 8 недель после запуска скорость вращения упала
до минимума, при котором возможна стабилизация
(9 об!мин), были включены специальные ракеты, и ско-
рость вращения снова увеличилась. «Тирос 1» за
216
Глава X
78 дней — с 1 апреля (день запуска) по 17 июня 1960 г.
(когда отказал один из его передатчиков и истощились
батареи) — сделал 22 952 фотографии, 60% которых
представляли интерес для метеорологов. Спутники «Ти-
рос» 2 и 3 провели аналогичные наблюдения (фото IX);
теперь эти спутники стали признанными помощниками
метеорологов.
Навигационные спутники «Транзит» 1—4
В плохую погоду, когда корабль долгое время нахо-
дится в открытом море, его положение обычно бывает
известно не очень хорошо — с точностью, не превышаю-
щей нескольких километров. С целью уменьшить эти
ошибки Военно-морские силы США субсидировали ра-
боты по созданию навигационного спутника «Транзит».
Идея состоит в том, что корабль должен определять свое
положение по радиосигналам спутника, движущегося по
известной орбите: расстояние от спутника вычисляется
по допплеровскому смещению частоты аналогично тому,
как это описано на стр. 94, хотя и более сложно. Систе-
ма «Транзит» будет состоять из четырех спутников на
круговых полярных орбитах на высоте 800 км, причем
их орбитальные плоскости должны отстоять друг от
друга на 45° по долготе. Каждый спутник будет переда-
вать радиосигналы на двух строго определенных часто-
тах (до сих пор обычно использовались частоты 54, 162,
216 и 324 Мгц). Если выбрать две столь высокие часто-
ты, тогда можно исключить ионосферные помехи. Счи-
тается, что в данном случае положение корабля можно
будет определить с точностью до 1 км при обычных рас-
четах и 0,2 км при более тщательных вычислениях.
До сих пор выполнение программы «Транзит» натал-
кивалось на целый ряд неудач. Спутники «Транзит» 1В
и ЗВ не вышли на расчетные круговые орбиты и были
повреждены воздействием атмосферы. «Транзит ЗА» не
вышел на орбиту и в довершение всего ракета «Транзита
4А» разорвалась на орбите на множество частей, кото-
рые будут, вероятно, бороздить небо в течение столетий
или больше. К счастью, «Транзит 4А» — первый спутник,
который нес атомный заряд «Снэп», — отделился от ра-
Современные достижения
217
кеты до взрыва и хорошо функционирует. Несмотря на
неудачи, программа «Транзит» обещает дать интерес-
ные результаты, и скоро мы сможем перефразировать
стихотворение Мейсфилда (принеся свои извинения, ко-
нечно) таким образом:
Мне нужен только высокий корабль и в небе один «Транзит» ’).
Военные спутники «Мидас» 2 и 3, «Самос 2»
Хотя космические исследования не могли бы на-
чаться так скоро, если бы не усовершенствовались воен-'
ные ракеты, первые спутники использовались для реше-
ния мирных задач. Ни один из советских спутников в
отличие от некоторых американских не преследовал ни-
каких военных целей.
Первым американским военным спутником был «Ми-
дас» (Missile Defence Alarm System — защитная противо-
ракетная сигнализирующая система). Предполагается,
что с его помощью можно обнаруживать инфракрасное
излучение ракет, когда они поднимаются в верхнюю
атмосферу. Из двух запущенных спутников этой серии
«Мидас 3» (июль 1961 г.) замечателен тем, что вышел
на почти круговую орбиту на большой высоте — 3400 юи;
для этого потребовалось снова включить двигатели в
апогее.
Спутники серии «Самос» (Satellite and Missile Ob-
servation System — спутниково-ракетная наблюдатель-
ная система) служат для разведки. «Самос 2» (январь
1961 г.) был первым спутником, запущенным в западном
направлении, его наклонение к экватору i составляло
97°. Таким образом точка В, в которой спутник пересе-
кает экватор (рис. 11), движется к востоку по отношению
к звездам со скоростью около 1° в сутки; так как Солн-
це относительно звезд имеет приблизительно такую же
скорость, орбита «Самоса 2» остается почти неподвиж-
ной относительно Солнца.
!) В стихотворении Дж. Мейсфилда «Морская лихорадка> эта
строка читается так:
Мне нужен только высокий корабль и в небе одна звезда.
218
Глава X
Спутники связи «Эхо 1», «Курьер 1В»
Самое естественное практическое применение спутни-
ков заключается в улучшении существующей в настоя-
щее время и очень перегруженной сети радио- и теле-
графной связи, обслуживающей очень далекие друг от
друга пункты. Для этого есть два способа: активный
спутник, немедленно ретранслирующий посланные ему
сообщения, и пассивный отражатель, от которого послан-
ное сообщение как бы «отскакивает». Активный метод,
опробованный впервые на спутнике «Атлас» (стр. 74),
позднее был испытан с помощью «Курьера 1В» (октябрь
1960 г.), который в течение первых трех суток движения
по орбите получил и передал сообщения, эквивалентные
10 миллионам слов. Пассивные спутники связи должны
иметь большую площадь поверхности; первый надувной
спутник «Эхо 1» (август 1960 г.) имел диаметр 30 м и,
следовательно, прекрасно удовлетворял этому требова-
нию. «Эхо 1» был сделан из майларовой пленки толщи-
ной 0,012 мм, покрытой осажденными парами алюминия
толщиной 0,001 мм. Оболочка первоначально весила
60 кг и была заполнена парами легко испаряющегося
порошка (главным образом антрахинона) весом 13 кг.
Спустя несколько месяцев эта тонкая сфера была изре-
шечена метеоритной бомбардировкой, в результате чего
газ внутри стал таким же разреженным, как снаружи.
Можно сказать, что этот спутник более любого другого
объекта, сделанного руками человека,
...воздушному «ничто»
Дает и обиталище и имя... ’)
Но даже’спустя год после запуска, спутник «Эхо 1»
оставался одним из самых ярких объектов ночного неба,
достигая временами звездной величины— 1, и мог быть
использован для передачи сообщений.
3. НАБЛЮДЕНИЯ СПУТНИКОВ
Методы наблюдений, описанные в главе III, исполь-
зуются и в настоящее время, до сих пор удовлетворяя
предъявляемым к ним требованиям. Были утеряны толь-
*) В, Шекспир «Сон в летнюю ночь»,
Современные достижения
219
ко два крупных спутника: «Эксплорер» 6 и 10, так как
их было трудно наблюдать из-за очень вытянутых орбит.
Однако, поскольку число спутников растет, слежение за
ними становится дорогим и обременительным предприя-
тием; «космический сор» — это уже настоящая пробле-
ма. Перспектива санитарных отрядов, совершающих кос-
мические полеты в погоне за этим мусором, кажется
смешной; однако «выметание» инородных тел из меж-
планетного пространства может стать одной из основ-
ных функций космонавтов.
Задача слежения за всеми известными спутниками
успешно выполняется американской службой обнаруже-
ния спутников, которая представляет собой «барьер»,
протянувшийся с востока на запад через все Южные
штаты, и использует два метода, изложенных в гла-
ве III, — радиолокационный и интерференционный. Пе-
редатчики очень высокой мощности посылают на спут-
ник радиоволны, а отраженные сигналы принимаются
интерферометрами, работающими по такому же прин-
ципу, который проиллюстрирован на рис. 32. В 1960 г.
эта служба обнаружения ловила спутники площадью
менее 1 Л!2 на высоте 800 км. Это не такое уж большое
достижение — я легко могу сделать то же самое, наблю-
дая в бинокль во дворе дома, но эта система обладает
тем огромным преимуществом, что она работает день и
ночь, причем не требуется ни большого штата обслужи-
вающего персонала, ни предсказаний прохождений спут-
ников.
4. ХАРАКТЕР НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Большой успех Международного геофизического го-
да (МГГ), проходившего во время максимума солнеч-
ных пятен в 1957—1958 гг., нашел свое завершение в
проекте Международного года спокойного Солнца
(МГСС) в 1964—1965 гг., в период минимума солнечных
пятен. Многие измерения, проводившиеся во время МГГ,
будут повторены, чтобы выяснить влияние на них сол-
нечной активности; кроме того, по всему миру будет
проведен ряд новых геофизических исследований.
220
Глава X
Некоторые опыты, обсуждавшиеся в главе IV в каче-
стве планов на будущее, теперь уже осуществлены: на-
пример, спутники для связи, метеорологии и астрономи-
ческих наблюдений гамма-излучения небесных тел. Ре-
зультаты этих исследований обсуждаются в разд. 10.
6. ФИГУРА ЗЕМЛИ
Методы, в общих чертах изложенные в главе V и в
«Приложении», после 1959 г. применялись в усовершен-
ствованной форме к большому числу спутников; но ос-
новные результаты, приведенные в главе V, не нуждают-
ся в исправлении. Величина сжатия, равная 1/298,2,
теперь точно определена, и доказано, что Земля действи-
тельно имеет «грушевидную» форму. Кроме того, были
получены оценки еще нескольких малых составляющих
силы тяжести, о которых говорилось на стр. 124. Со-
гласно обозначениям, принятым в «Приложении», коэф-
фициенты второй — седьмой гармоник /г, • •., Л имеют
значения
J2 = (1082,79 ±0,15)-10'6,
J4 = (—1,4 ±0,2)- 10"6,
Je = (0,9 ±0,8) • 10-6,
J3 = (— 2,36 ±0,14)- 10""
J5 = (— 0,2 ±0,1)- 10“6,
J7 = (—0,3±0,1)< 10"6.
Были независимо найдены и менее полные системы
значений, которые аналогичны приведенным выше, хотя
и не всегда с ними совпадают.
На стр. 125 я высказал предположение, что спутники,
вероятно, не смогут выявить эллиптичность экватора,
поскольку при их движении эффект от всех долгот осред-
няется. Отрицательные пророчества бывают обычно не-
разумными, и то, о котором я говорил выше, уже под-
вергается сомнению: на основании некоторых малых воз-
мущений орбит спутников колебательного характера
были сделаны оценки величины отклонения экватора от
окружности. Некоторые считают, что максимальный эк-
ваториальный диаметр Земли на 400 м больше мини-
мального, причем долгота максимального диаметра рав-
на 33° зап. и 147° вост., а минимального—123° ?ап. И
Современные достижения 221
57° вост. Если это так, то пловец, находящийся на эква-
торе к северу от Сейшельских островов в Индийском
океане, должен быть на 200 м ближе к центру Земли,
чем пловец вблизи острова св. Павла в Атлантическом
океане. Хотя некоторые исследователи получили мень-
шую эллиптичность и другие значения долгот, наиболее
поздние результаты, полученные по «Транзиту 4А», очень
близки к приведеным выше значениям.
6. АТМОСФЕРА
Значения атмосферной плотности, полученные
по орбитам спутников
В главе VI я рассказал о методе определения атмо-
сферной плотности по скорости уменьшения периода об-
ращения спутника. Этот метод теперь усовершенство-
ван и применен к значительно большему числу спутни-
ков; он помог выявить новые удивительные свойства
атмосферы на высотах между 190 и 700 км.
Во-первых, оказалось, что на высотах свыше 320 км
атмосферная плотность гораздо больше днем, чем ночью:
на высоте 650 км она может быть в 12 раз больше. Если
построить график зависимости периода обращения спут-
ников от времени, как. это сделано на рис. 67, тогда эти
изменения плотности ясно обнаруживаются в изменении
наклона кривой, потому что, как видно из уравнения
на стр. 140, атмосферная плотность в перигее или вблизи
него пропорциональна скорости уменьшения периода
обращения, т. е. наклону кривой (при условии, что рас-
сматриваются только высокие спутники, так что а и е
меняются медленно). Перигей спутника тоже медленно
движется по отношению к Солнцу, затрачивая на пол-
ный цикл «день — ночь» от двух месяцев до нескольких
лет. Поэтому есть возможность обнаружить любые из-
менения между дневной и ночной частями атмосферы.
График на рис. 67, построенный по данным «Экспло-
рера 1» (высота перигея 350 км), ясно показывает, что
наклон кривой становится наиболее крутым, когда
перигей орбиты освещается Солнцем («день»), и наибо-
222
Глава X
лее пологим, когда эта точка находится в тени Земли
(«ночь»). Таким образом, атмосферная плотность ночью
достигает своего минимального, а днем — максималь-
ного значения, которое на такой высоте примерно на
Рис. 67. Изменение периода обращения «Эксплорера 1». Наклон
кривой (и, следовательно, атмосферная плотность вблизи перигея,
т. е. на высоте 350 км) имеет максимальное значение днем, а мини-
мальное ночью. Если сгладить суточные колебания, кривая обна-
руживает также тенденцию к уменьшению наклона, отражая
общее уменьшение атмосферной плотности между 1958 и 1961 гг.
50% выше. Утром плотность возрастает и достигает мак-
симума примерно через 2 час после местного полудня,
затем до полуночи она падает, опускаясь До минимума
между полуночью и рассветом, и затем снова возрастает,
когда наступает утро.
На больших высотах этот эффект проявляется го-
раздо сильнее: рис. 68 показывает изменения периодов
пяти спутников, у которых перигей находится на высоте
48Q—650 кл!. У всех кривых наиболее крутой наклон по-
Современные достижения
223
является днем, и характер изменения этих кривых со-
вершенно такой же, как у «Эксплорера 1». Однако мак-
симальный наклон (в дневное время) в десять раз пре-
вышает минимальное значение (в ночное время).
Рис. 68. Уменьшение периода обращения пяти спутников с высо-
тами перигея от 480 до 640 км\ хорошо заметно сильное изменение
наклона кривых (и, следовательно, атмосферной плотности на этих
высотах) между максимальным дневным и минимальным ночным
значениями.
Другая важная особенность ночной атмосферы, как
это и предсказывалось на стр. 144, заключается в изме-
нениях плотности в течение 11-летнего цикла солнечной
активности. Это также можно заметить на рис. 67: если
сгладить суточные колебания, становится заметна сла-
бая тенденция к уменьшению наклона в 1958—1961 гг.,
тогда как нормально наклон должен немного возрастать
(рис. 15). Следовательно, плотность на высотах около
350 км заметно уменьшалась по мере ослабления сол-
нечной активности в 1958—1961 гг.
224
Глава X
Обе эти особенности верхней атмосферы видны на
рис. 69, который показывает, как менялась плотность
с высотой в 1958—1960 гг. (Этот график значительно
точнее графика на рис. 44, который дает только днев-
ные значения в 1957—1958 гг.) Кривые, приведенные на
рис. 69, построены по 67 точкам, вычисленным по 29 раз-
личным спутникам, которые дали хорошо согласующиеся
результаты. На высотах ниже 320 км на рис. 69 прове-
дена только одна кривая, так как максимальное (днев-
ное) значение плотности лишь примерно на 10% больше
минимального (ночного) значения; и так как плотность
в 1958—1960 гг. упала меньше чем на 20%, в 1959 г.
значение плотности отличается от обоих из них меньше
чем на 10%.
На высотах больше 320 км на рис. 69 приводятся уже
четыре кривые: две сплошные кривые дают максимальг
ные значения дневной плотности в конце 1958 и 1960 гг.,
а две пунктирные—минимальные значения плотности
в ночное время в конце 1959 и 1960 гг. (для 1958 г. нет
ночных значений). Кривые показывают, что на высоте
650 км максимальное (дневное) значение плотности па-
дает в 3 раза между декабрем 1958 г. и декабрем 1960 г.,
в то время как ночное значение плотности между дека-
брем 1959 г. и декабрем 1960 г. уменьшается лишь не-
многим более чем в 2 раза. По мере дальнейшего ослаб-
ления солнечной активности в 1961—1964 гг. следует
ожидать дальнейшего понижения атмосферной плотно*
сти. Рис. 69 показывает также, что в 1960 г. дневное;
значение плотности превосходит ночное в 4 раза на вы-
соте 480 км и в 12 раз на высоте 650 км.
Эти результаты, полученные по изменению орбит
спутников, хорошо согласуются с двумя непосредствен-
ными измерениями плотности с помощью манометров,
установленных на третьем советском спутнике, и по рас-
сеянию облака натриевых паров, выброшенного совет*
ской геофизической ракетой в сентябре 1958 г.
На высотах более 700 км значения атмосферной
плотности менее точны. Имеются только единственные
данные, полученные по спутнику «Эхо 1», вес, форма И
размеры которого точно неизвестны. Дневное значение
Фото VIII. Распределение объектов на невидимой стороне Луны,
выявленных при обработке фотографий, полученных с борта авто-
матической межпланетной станции. 1 — Море Москвы диаметром
300 км\ 2 — залив Астронавтов; 3—продолжение Южного Моря;
4 — кратер с центральной горкой — Циолковский; 5 — кратер с цен-
тральной горкой — Ломоносов; 6 — кратер — Жолио-Кюри; 7 — гор-
ный хребет — Советский; 8—Море Мечты. Объекты видимой части
Луны: / — Море Гумбольдта; II — Море Кризисов; /// — Краевое
Море; IV — Море Волн; V — Море Смита; VI— Море Плодородия;
VII — Южное Море.
Фото IX. Одна из многих фотографий, полученных с метеороло-
гического спутника «Тирос 3», запущенного 12 июля 1961 г. Снимок
сделан на высоте около 740 км над восточной частью Морокко.
Камера была направлена на север-северо-запад. Серая область
в нижнем правом квадранте — Испания и Португалия. Ясно видна
береговая линия Марокко (слева внизу), Гибралтара, мыса Сан-
Висенти и северной части Португалии (в центре). В этой области
облаков почти нет, но в верхней правой части снимка видна про-
тяженная облачная система, которую связывает с циклоном над
Англией, а к западу от Португалии над Атлантическим океаном
видна область переменной облачности.
15 Зак 1274
Рис. 69. Зависимость атмосферной плотности от высоты, вытекающая из уменьшения периода об-
ращения спутников. На высотах более 320 км колебания атмосферной плотности между максималь-
ным дневным и минимальным ночным значениями очень велики; кроме того, плотность в конце
1960 г. уменьшилась по сравнению с 1958 г. благодаря спаду солнечной активности.
226
Глава X
плотности на высоте около 1300. км в 1960 г., вероятно,
упало до 10"14 своего значения на уровне моря, а на вы-
соте 1800 км — до 10"15. Колебания плотности ото дня
к ночи, а также зависимость от солнечной активности
могут продолжаться до таких высот, где земная атмо-
сфера сливается с солнечной.
В настоящее время нет необходимости пересматри-
вать значения градиента плотности Я, данные в гла-
ве VI, хотя они относятся только к дневным условиям.
Среднее значение Н между высотами 190 и 320 км со-
ставляет примерно 30 км\ с высотой значение Я возра-
стает, но на высотах между 400 и 700 км становится по-
чти постоянным; в этой области его среднее значение в
дневное время составляет примерно 95 км, а в ночное —
56 км.
Состав и температура верхней атмосферы
Точный состав атмосферы на высотах более 190 км
по-прежнему не известен. На высоте 190 км атомарный
кислород (с молекулярным весом 16) и молекулярный
азот (28), по-видимому, являются основными состав-
ляющими, при этом средний молекулярный вес М равен
примерно 25. Поднявшись выше, мы найдем, что ато-
марный кислород становится преобладающим, причем
значение М падает примерно до 16 на высоте 480 км и
дальше остается почти постоянным вплоть до 800 км.
Еще выше, вероятно, главной компонентой становится
гелий (молекулярный вес 4), а выше 1600 км, по-види-
мому, преобладает водород. Измерения заряженных ча-
стиц, проведенные на «Эксплорере 8», показали, что на
высотах между 400 и 1050 км преобладают ионы ато-
марного кислорода, а выше — ионы водорода, хотя эта
картина не обязательно отражает истинное распределе-
ние нейтральных молекул.
Эта неопределенность влияет и на наши знания ат-
мосферной температуры. По-видимому, средняя темпе-
ратура между 190 и 320 км составляет примерно 1100° К,
а между 400 и 650 км — примерно 1600° К днем и 1000° К
ночью. Если это действительно так, тогда ошибки
рис. 45, на котором приведены дневные значения, мень-
Современные достижения
227
ше, чем предполагалось на стр. 148. Среднесуточная
температура на высотах 190—320 км, по-видимому, не-
много выше, а на высотах 480—650 км несколько ниже,
чем это следует из рис. 45.
Относительно температуры на больших высотах все
еще идет спор, так же как и относительно поддержи-
вающих ее источников энергии и происхождения водо-
рода во внешних слоях атмосферы. Согласно взглядам
одних ученых, водород появился благодаря ионизации
водяных паров, испаряющихся в океанах; тогда это лег-
ко объясняет понижение уровня моря в течение геоло-
гической истории Земли. По мнению других, водород
непрерывно поступает из солнечной атмосферы; частич-
но он остается в атмосфере Земли, частично соединяется
с кислородом, образуя воду на Земле. Эти точки зрения,
хотя они и кажутся противоречивыми, могут быть отча-
сти обе правильными.
7. НЕОДНОРОДНОСТИ АТМОСФЕРЫ
Изменения плотности атмосферы
В главе VII было высказано предположение, что из-
менения плотности в верхней атмосфере, выявленные с
помощью спутников, тесно связаны с солнечной актив-
ностью. Дальнейшие исследования полностью подтвер-
дили эту идею как в отношении 27—28-дневных, так и
в отношении неправильных суточных колебаний. Зна-
чения плотности изо дня в день сравнивались с различ-
ными показателями солнечной активности, и между
ними была обнаружена тесная корреляция, причем ат-
мосфера становится особенно плотной в период наи-
большей солнечной активности. Наиболее часто в по-
добных сравнениях используется такой показатель сол-
нечной активности, как энергия солнечного излучения
на длинах волн между 3 и 20 см, которая регулярно из-
меряется на радиообсерваториях. Излучение в этих дли-
нах волн не может оказывать влияния на верхнюю ат-
мосферу, потому что на своем пути оно не претерпевает
никаких изменений; более вероятным источником флук-
туаций является ультрафиолетовое и рентгеновское
15*
228
Глава X
излучение Солнца (рис. 35). Часть излучения в этих
участках спектра поглощается на высоте более 160 км
и таким способом передает свою энергию в виде тепла
этим слоям атмосферы. Вытекающие отсюда темпера-
турные изменения вызовут изменения «градиента плот-
ности» (см. стр. 147), а следовательно, и самой плот-
ности.
Возможно, что поглощение солнечного излучения
является главной, но не единственной причиной колеба-
ний атмосферной плотности: атмосфера разогревается
также потоками заряженных частиц, идущими от Солн-
ца, так что любой, и в особенности сильный, выброс
солнечных частиц может повлиять на атмосферную
плотность. Этот эффект прекрасно проявился во время
очень сильных солнечных извержений в середине ноября
1960 г.; в тот период после недели высокой активности
Солнца 12 ноября наступила кульминация в виде гро-
мадной вспышки, а за ней последовала одна из наибо-
лее сильных магнитных бурь, которые когда-либо были
зарегистрированы; через три дня то же явление повто-
рилось, хотя и не столь бурно. На рис. 70 показаны от-
клонения атмосферной плотности от ее среднего значе-
ния в период между 4 и 24 ноября на высотах 210—
1100 км по результатам исследований орбит семи спут-
ников. На всех высотах 13 ноября было отмечено быст-
рое и значительное увеличение плотности, а 16 нояб-
ря— еще одно, меньшего масштаба. В первом случае
плотность увеличилась в несколько раз (от 1,8 до 8),
так что даже это единичное солнечное извержение ока-
зало колоссальное влияние на верхнюю атмосферу. Из-
менения плотности хорошо коррелировали с изменения-
ми индекса магнитной активности, который отмечает
отклонения в состоянии магнитного поля Земли, но не
обнаружили зависимости от колебаний энергии излуче-
ния на волне 10,7 см (нижняя кривая на рис. 70). Таким
образом, в ноябре 1960 г. атмосферная плотность коле-
балась в унисон с магнитными возмущениями, которые,
как известно, вызываются потоками частиц, летящих от
Солнца, а не солнечным излучением.
Поскольку атмосферная плотность зависит от сол-
нечной активности, средняя плотность на любой данной
Ноябрь 1960
Ноябрь 1960
Рис. 70. Отклонения атмосферной плотности от ее среднего зна-
чения на высотах 210—1100 км, полученные по наблюдениям орбит
семи спутников в ноябре 1960 г. Колебания плотности очень хорошо
согласуются с изменениями магнитного индекса ар, но не согласуются
с энергией солнечного излучения на волне 10,7 см.
16 Зак. 1274
230
Глава X
высоте должна уменьшаться по мере ослабления сол-
нечной активности между максимумом солнечных пятен
1957—1958 гг. и минимумом 1964—1965 гг.; из рис. 69
видно, что так и было на самом деле. Следует ожидать
также, что 27—28-дневные вариации и неправильные
колебания, происходящие изо дня в день, тоже должны
ослабевать, потому что, когда Солнце спокойно, суточ-
ные вариации солнечной активности уменьшаются. Это
предсказание также оправдалось полностью, и, если бы
первые спутники были запущены в период минимума
солнечной активности, связь между атмосферной плот-
ностью и солнечной активностью могла бы оставаться
скрытой от нас еще в течение нескольких лет.
В главе VII были упомянуты еще две другие воз-
можные неоднородности в атмосфере, которые оказа-
лись несущественными. Во-первых, заряженные частицы
в ионосфере, по-видимому, не оказывают значительного
влияния на торможение спутников на высотах ниже
800 км. Во-вторых, атмосферная плотность не зависит
существенно от широты и времени года, а кажущуюся
зависимость такого рода, по-видимому, можно объяс-
нить проявлением суточных колебаний. Например, плот-
ность, вероятно, должна быть ниже во время полярной
зимы, потому что это соответствует ночным условиям.
Атмосферная плотность обнаруживает также годичные
колебания, причем минимум плотности наступает в
июле, а максимум — в октябре.
ИОНОСФЕРА
На рис. 52 была приведена общая картина распре-
деления концентрации электронов до высоты 950 км в
дневное время в летний период близ максимума солнеч-
ной активности. Позднее были проведены измерения
электронной плотности на еще больших высотах с по-
мощью самой разнообразной методики, но результаты
оказались очень разноречивыми — возможно, из-за
реальных изменений, связанных с солнечной активно-
стью, суточных колебаний и т. д. Измерения с помощью
третьего советского спутника и «Лунников» 1—3 наво-
дят на мысль, что выше 320 км концентрация электро-
Современные достижения
231
нов уменьшается немного скорее, чем это следует из
рис. 52, а на высоте 1600 км падает примерно до 1000,
затем убывает еще медленней — приблизительно до 800
на высоте 13000 км, а потом уменьшается гораздо быст-
рее примерно до 100 в 1 см3 на высоте 24 000 км. В раз-
личных теоретических моделях ионосферы нет и намека
на это «плато» электронной концентрации между 1600
и 13000 км, но, с другой стороны, они не слишком уж
сильно расходятся с этими результатами. Согласно тео-
рии, должно наблюдаться плавное уменьшение элек-
тронной концентрации примерно от 5000 (на высоте
1600 км) до 800 (13000 км) и затем до 400 в 1 см3 на
высоте 24 000 км. Различие между этими двумя рядами
цифр нигде не бывает больше, чем в 5 раз, а это, ве-
роятно, меньше величины суточных и других колебаний.
Таким , образом, вырисовывается вероятная, хотя и не-
точная картина. Несмотря на то что теоретические мо-
дели верхней атмосферы раньше были в значительной
степени ошибочными, важное предположение ионосфер-
ной теории о том, что электроны имеют такую же темпе-
ратуру, как и нейтральный газ, было подтверждено из-
мерениями на «Эксплорере 8».
Различные методы исследований, описанные в гла-
ве VII, продолжают применяться и в настоящее время;
с их помощью были выяснены многие вопросы, касаю-
щиеся ионосферы. Однако непосредственные измерения
с «Эксплорера 8» показали, что на высотах между 480
и 1600 км ионосфера совершенно однородна по своим
характеристикам в отличие от высот ниже 480 км, где
расположены слои D, Е и F.
Спутник «Лофти» (Low-Frequency Trans-Ionosphe-
ric — низкочастотный трансионосферный) оправдал свое
назначение, доказав, что волнами низкой частоты не сле-
дует пренебрегать: сигналы на частоте 3—30 кгц, по-
сланные на спутник, частично отразились от ионосферы,
частично прошли через нее и были успешно ретрансли-
рованы спутником на землю. Ученые были заинтересо-
ваны в подобном эксперименте, так как уже давно из-
вестно, что радиоволны такой частоты, порожденные
вспышками молний, перемещаются из одного полушария
232
Глава X
Земли в другое вдоль магнитных линий и принима-
ются в любых местах земного шара как «свисты» в
радиоприемниках. Успех «Лофти» показал, что можно
использовать искусственные свисты для связи или для
возбуждения внешних радиационных поясов. . «Лофти»
имел также и практический интерес, так как он пока-
зал, что сигналы низкой частоты, которые проходят че-
рез воду и лед, являются, вероятно, лучшим средством
связи с подводными лодками.
При движении сквозь ионосферу спутники приобре-
тают электрический заряд и поэтому создают вокруг себя
небольшое облако ионов и электронов. Было обнаруже-
но, что «Эксплорер 8» — первый спутник, предназначен-
ный для исследований своего наэлектризованного орео-
ла, — окружен положительными ионами, но за ним
тянется также след из электронов длиной примерно в
радиус спутника. Этот ореол вокруг спутника влияет на
сигналы, посылаемые его радиопередатчиком, а также
на его способность отражать радиоволны. Но на высо-
тах ниже 800 км этот ореол обычно мало влияет на тор-
можение.
«Эксплорер 8» дал неожиданный дополнительный
результат: он обнаружил, что ионные ловушки на спут-
нике можно использовать для определения его ориента-
ции. Электрические токи, возникающие в разных ловуш-
ках, оказались чувствительными к положению спутника
и определяли его ориентацию с точностью до 5°, причем
эту величину, вероятно, можно уменьшить до 1°.
8. ЗОНЫ РАДИАЦИИ
В предыдущем разделе подразумевалось, что термин
«ионосфера» относится к ионам (включая электроны)
низких энергий с температурами, близкими к температу-
рам нейтральных молекул. В данном разделе речь пой-
дет о заряженных частицах высоких энергий, из кото-
рых состоят пояса радиации, и об окружающем их маг-
нитном поле. Эти темы уведут нас далеко от Земли —
в бушующую атмосферу Солнца.
Современные достижения
233
Земной магнетизм
В 1959—1961 гг. продолжалось запланированное ра-
нее изучение магнитного поля Земли. «Авангард 3» по-
ставил массу материала, который охватывал высоты до
3200 км. Как и следовало ожидать, было получено очень
много измерений, подобных тем, которые проводились
на третьем советском спутнике. На высотах до 16000 км
во время спокойной магнитной «погоды» земное магнит-
ное поле оказалось устойчивым и регулярным, так что
магнитометром можно было пользоваться почти как вы-
сотомером.
Однако выше появляются некоторые нарушения в
характере поля. Результаты, полученные «Эксплоре-
ром 6» и «Пионером 5», показывают отклонения, кото-
рые могут быть вызваны кольцевым током, циркулирую-
щим вокруг Земли вблизи геомагнитного экватора на
высоте около 48000 км. На освещенной Солнцем сторо-
не Земли этот ток может течь в поясе высот 40000 —
56 000 км; предполагается, что он имеет западное на-
правление и силу около 5 млн. ампер.
Еще дальше магнитное поле Земли ведет бесконеч-
ное сражение с летящими от Солнца потоками заряжен-
ных частиц; хотя детали строения этой области «хаоса»
остаются пока неизвестными, по-видимому, предвари-
тельная общая картина уже сложилась. Солнце, нахо-
дясь в спокойном «настроении», изливает в простран-
ство совершенно устойчивый поток заряженных частиц,
известный под названием «солнечный ветер»; эти части-
цы обладают сравнительно умеренными скоростями, за-
ключенными, вероятно, между 32 и 160 км/сек. Этот по-
стоянный поток содержит, по-видимому, от 5 до 50 ча-
стиц в 1 сж3, главным образом протонов и электронов, и
оказывает давление на магнитное поле Земли со сто-
роны Солнца, вытягивая его ночную сторону аналогич-
но тому, как обычный ветер изменяет форму мыльного
пузыря. Область, внутри которой господствуют магнит-
ные силы Земли и которую часто называют магнитосфе-
рой, в действительности является в сечении не сферой,
а овалом, как это показано (отчасти предположительно)
на рис, 71. Из измерений, проделанных на «Пионере 5»,
234
Глава X
по-видимому, следует, что магнитное поле Земли обычно
простирается до высоты около 80 000 км на освещенной
стороне Земли, когда Солнце спокойно, хотя на высотах
между 56000 и 80000 км в ответ на «сильные порывы»
солнечного ветра происходят значительные флуктуации.
Рис. 71. Магнитное поле Земли в период, когда Солнце спокойно
и расположено близ плоскости геомагнитного экватора. Схема по-
казывает, как магнитное поле с той стороны Земли, которая обра-
щена к Солнцу, может сжиматься под действием .солнечного ветра*
и как оно вытягивается с противоположной, ночной стороны.
На ночной стороне Земли граница магнитного поля, ве-
роятно, располагается дальше, и, может быть, его
«хвост» вызывает слабое свечение, называемое проти-
восиянием, которое, как давно уже известно, появляется
на ночном небе примерно в стороне, противоположной
Солнцу.
Когда же солнечная активность велика, «солнечный
ветер» превращается в «ураган», и скорость его дости-
гает 1600 км/сек и более; он яростно атакует магнитное
поле Земли, деформирует его внешние области и вызы-
вает эффекты, ощутимые даже на уровне моря.
Современные достижения
235
Межпланетное магнитное поле
«Эксплорер 10» показал, что магнитные силовые
линии в межпланетном пространстве расходятся радиаль-
но от Солнца, когда поле сильное и устойчивое; солнеч-
ное магнитное поле, вероятно, «выметено» гидромагнит-
ным давлением, которое производится летящими части-
цами «солнечного ветра». По-видимому, межпланетное
поле имеет напряженность около 50-10*6 гс, в то время
как напряженность магнитного поля Земли на уровне
моря составляет 0,3—0,6 гс. Но во время магнитных
бурь и «Пионер 5» и «Эксплорер 10» зарегистрировали
гораздо более сильные поля — до 500 • 10-6 гс. Такие
сильные изменения были вызваны потоками частиц, летя-
щих от Солнца со скоростями около 1600 км/сек-, об-
лако, с которым столкнулся «Пионер 5», сопровожда-
лось даже еще более мощным выбросом протонов, об-
ладавших скоростями, вероятно, до 160 000 км/сек или
энергиями до 300 млн. эв. Советские космические ра-
кеты тоже встречались с такими потоками, причем
была зарегистрирована максимальная интенсивность
109 частиц/см? • сек.
Как показал «Пионер 5» (рис. 72), межпланетное
магнитное поле меняется одновременно с изменениями,
происходящими в магнитном поле вблизи земной по-
верхности. Отсюда мы можем заключить, что как на
Земле, так и в космическом пространстве ощущается
влияние одних и тех же солнечных возмущений.
В одном случае «Эксплорер 10» также измерил пол-
ное обращение направления вектора напряженности
магнитного поля менее чем за 2 сек, что наводит на
мысль о прохождении гидромагнитной ударной волны,
образованной облаком частиц, выброшенных Солнцем,
так же как на Земле облако горячих газов при взрыве
создает взрывную волну.
Магнитное поле Луны исследовалось с помощью
«Лунника 2»; на нем был установлен магнитометр, ко-
торый мог зарегистрировать поле напряженностью до
0,001 гс. Измерения были сделаны на расстоянии около
50 км от лунной поверхности, но результаты оказа-
лись отрицательными: следовательно, напряженность
236
Глава X
магнитного поля Луны, по крайней мере на стороне, об-
ращенной к Солнцу, должна быть меньше 1/500 напря-
женности магнитного поля Земли. Этот результат сви-
детельствует в пользу теории, согласно которой причи-
ной земного магнетизма являются электрические токи в
240^
200-
160 -
Март Апрель
Рис. 72. Напряженность межпланетного магнитного поля у по из-
мерениям на ракете „ Пионер 5е в марте и апреле 1960 г. в срав-
нении с магнитным индексом ар} который отмечает отклонения
магнитного поля Земли от нормального состояния. Эти две кривые
обнаруживают поразительное сходство.
жидком ядре Земли, потому что Луна, по-видимому, не
имеет такого ядра. «Лунник 2» не обнаружил вокруг
Луны радиационных поясов — этот результат согласует-
ся с отсутствием магнитного поля.
Космические лучи
За пределами магнитного поля Земли по мере уве-
личения расстояния интенсивность и состав космических
лучей не меняются заметным образом. Химический со-
став измерялся на «Луннике 2». Получены следующие
Современные достижения
237
результаты: на 1000 ядер гелия (альфа-частиц) прихо-
дится около 75 ядер с атомным весом от 6 до 15 (пре-
имущественно углерод, азот, кислород и неон) и 3 бо-
лее тяжелых атома (главным образом кальций, хром,
железо и никель); при этом должно быть еще около
10 000 ядер водорода (протонов), но «Лунник 2» их
не регистрировал. Общая интенсивность была около
2 частиц!см2 • сек.
Внезапное понижение интенсивности космических
лучей на уровне моря, известное под названием эффекта
Форбуша, — совершенно обычное явление, связанное,
как правило, с магнитными бурями. Но до недавнего
времени было неясно, вызывалось ли это понижение из-
менениями магнитного поля Земли или каким-нибудь
внешним влиянием. Эти сомнения были разрешены с
помощью «Пионера 5», который отметил внезапное по-
нижение интенсивности космических лучей, находясь на
расстоянии 4 800000 км от Земли; это означало, что по-
добные явления вызываются выбросами частиц из Солн-
ца, которые, вероятно, искажают магнитное поле Солнца
и заставляют космические лучи отклоняться в сторону
от Земли. Возможно также, что 11-летние изменения
потока космических лучей на уровне земной поверхно-
сти, который наименее интенсивен во время максиму-
ма солнечных пятен, таким же образом контролируются
Солнцем.
Космические лучи, о которых говорилось до сих пор,
приходят к нам из космического пространства; это кос-
мические лучи галактического происхождения, которые
проникают в солнечную систему с примерно одинаковой
скоростью. Однако, кроме этого на Солнце бывают еще
выоросы частиц исключительно высоких энергий; так,
например, «Пионер 5» и «Эксплорер 10» зарегистриро-
вали протоны с энергиями от 20 до 300 млн. эв, которые
с полным основанием можно назвать солнечными кос-
мическими лучами. Поскольку мы так близки к их
источнику, эти редкие солнечные выбросы гораздо более
интенсивны, чем галактические космические лучи, и
представляют собой серьезную опасность для космсн
навтов.
238
Глава X
Радиационные пояса Земли
Картина, описанная в главе VII, в дальнейшем полу-
чила подтверждение благодаря более детальным иссле-
дованиям. Положение и интенсивность внутреннего ра-
диационного пояса изменяются лишь в небольшой сте-
пени. Его наиболее существенными компонентами
являются протоны с энергиями около 100 млн. эв, и в
центре пояса их интенсивность во всех направлениях
составляет примерно 20 000 частиц!см2 • сек. Обнаруже-
ны также электроны более низких энергий (20000—
500000 эв)-, их гораздо больше: в центре пояса их мак-
симальная интенсивность составляет примерно 2 • 1010ча-
стиц/см? ’ сек. Предполагают, что протоны внутреннего
пояса, а также некоторые электроны образуются из
осколков, выброшенных из атмосферы в результате бом-
бардировки космическими лучами. Важной составной
частью этих осколков являются нейтроны; большинство
из них в течение 10 мин распадается на протоны и элек-.
троны, которые пополняют население радиационного
пояса.
Между внутренним и внешним поясами интенсив-
ность протонов и электронов падает до минимума, кото-
рый составляет меньше 1/1000 их интенсивности во вну-
треннем и внешнем поясах.
Как и предполагалось в главе VIII, внешний пояс
оказался очень чувствительным к солнечным возмуще-
ниям и потому крайне непостоянным по положению и
интенсивности. Согласно недавно полученным «Экспло-
рером 12» результатам, его основной составляющей
являются протоны с энергиями меньше 1 млн. эв, хотя
прежде предполагалось, что пояс состоит главным обра-
зом из электронов с энергиями от 20000 до 100000 эв
и что максимальная интенсивность в центре пояса равна
10й частиц! см? • сек. Вероятно, частицы приходят от
Солнца, но они попадают внутрь пояса не таким пря-
мым способом, как это предполагалось в главе VIII.
По-видимому, солнечный взрыв прежде всего заставляет
внешний пояс «сбрасывать» в атмосферу значительную
часть своих ионов, причем в этом случае часто возни-
кают полярные сияния; но через несколько дней после
Современные достижения
239
этого интенсивность достигает гораздо более высокого
значения, чем до взрыва (иногда в 1000 раз больше), а
затем медленно возвращается к нормальному уровню.
Пока не будет точно известно, каким образом частицы
проникают внутрь радиационного пояса, в этой неустой-
чивой области необходимо продолжать измерения.
Советские космические ракеты обнаружили третий
пояс радиации, расположенный на высоте 45000—
65000 км, в котором поток электронов равен примерно
2-108 частиц/см2 • сек, а энергии превышают 200 эв. Так
как потоки электронов создают электрический ток, этот
внешний радиационный пояс, по-видимому, представ-
ляет не что иное, как новую интерпретацию кольцевого
тока, о котором уже говорилось выше. По общему при-
знанию, терминологию необходимо пересмотреть, осо-
бенно это относится к неясному слову «радиация». Поя-
са радиации в действительности представляют собой
скопление заряженных частиц высоких энергий, но эту
двусмысленность трудно устранить из-за двойственной
природы излучения: волновой и корпускулярной.
Ежедневные измерения, проведенные с помощью
«Эксплорера 6» в августе и сентябре 1959 г., показали,
что в это время внешний радиационный пояс в общем
был меньше по размерам и интенсивности, чем когда
его пересекли «Пионер 3» (декабрь 1958 г.), «Лун-
ник 1» (январь 1959 г.) и «Пионер 4» (март 1959 г.),
причем число импульсов в секунду в данной точке со-
ставляет примерно половину тех значений, которые ука-
заны на рис. 57. Максимальная скорость счета по изме-
рениям «Эксплорера 6» во внешнем поясе была 8000 им-
пульс/сек, хотя спутник мог и не пройти через самую
интенсивную область.
Во время сильной магнитной бури 16—18 августа
1959 г. средняя скорость счета, зарегистрированная
«Эксплорером 6» на высотах между 4800 и 24 000 км,
упаЛа от 4000 утром 16 августа до 2000 импульс/сек
утром 17 августа: за одни сутки половина заряженных
частиц исчезла из внешнего пояса. Куда же они делись?
Был сделан очевидный вывод, что они были сброшены
в атмосферу через «рога» внешнего пояса на геомагнит-
ной широте 55—60° (рис. 71 и 58), где они могли
240
Глава X
вызвать полярные сияния. По счастливой случайности
Дж. Р. Винклер, один из руководителей научного экспе-
римента, поставленного на «Эксплорере 6», в ночь с 16
на 17 августа действительно видел сильное полярное
сияние над штатом Миннесота (США) на северной маг-
нитной широте около 57°. На следующий день — 18 ав-
густа — скорость счета по измерениям «Эксплорера 6»
была выше, чем до бури — 5000 импульс/сек, — возмож-
но, в результате притока от Солнца некоторого количе-
ства заряженных частиц, вызвавших магнитную бурю.
«Эксплорер» 4 и 7 показали также, что интенсивность
внешнего пояса во время магнитных возмущений резко
падает, но что внутренний пояс подвергается таким воз-
действиям в гораздо меньшей степени.
Полярные сияния
Предположение о связи между полярными сияниями
и внешним радиационным поясом, которое высказыва-
лось в главе VIII, уверенно подтвердилось теперь по
результатам, описанным выше, и по другим исследова-
ниям, особенно с помощью «Эксплорера 7». Спутник
«Эксплорер 6» показал, что в период, когда наблюда-
лось полярное сияние, у верхних границ внешнего пояса
не было частиц. «Эксплорер 7» дополнил эту картину,
показав, что поток электронов на конце «рога» внеш-
него пояса на высоте 1050 км 28 ноября 1959 г. был
примерно в 4 раза больше нормального, когда полярное
сияние наблюдалось непосредственно под ним на высоте
примерно 320 км над штатом Монтана. Таким образом,
«рог» внешнего пояса нависает над нижними слоями ат-
мосферы, куда стекают-с него ионы в периоды магнит-
ных возмущений. Небольшая часть энергии этих ионов
освобождается в виде светового излучения и наблюдает-
ся как полярное сияние.
Заключение
Бурлящие ионные потоки в солнечной атмосфере об-
разуют сложную картину; они взаимодействуют с атмо-
сферой Земли и ее магнитным полем, Таково современ-
Современные достижения
241
ное представление, вытеснившее сохранявшееся до по-
следних лет «абсолютно белое пятно», вроде океанской
карты у Льюиса Кэррола. При столь кратком описании
существующей ситуации остается множество «если» и
«но», и я должен подчеркнуть, что многие упомянутые
механизмы и приведенные числовые значения остаются
предположительными. Однако вскоре мы узнаем об
ионной атмосфере Солнца гораздо больше: в самом
деле, мы наблюдаем появление новой ветви науки, ко-
торую, может быть, можно назвать Ъелионикой; эта
новая наука изучает извержения ионов из Солнца в са-
мых разнообразных и бурных формах и их последующее
рассеяние. В строках, которые я выбрал эпиграфом к
главе VIII, Шелли обращался только к кометам, но
мы теперь можем уверенно отнести его слова ко всей
солнечной системе.
9. ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЗЕМЛИ
Поскольку разд. 8 уже увел нас очень далеко от
Земли, название данного раздела не слишком удачно,
но мы все же сохраним его и снова рассмотрим темы,
обсуждавшиеся в главе IX.
Солнечная радиация
«Греб 1» («Луч Солнца») был первым спутником,
предназначенным для непрерывных наблюдений рентге-
новского и ультрафиолетового излучения Солнца. В те-
чение нескольких месяцев он регистрировал излучение
в линии Лайман-альфа на волне 1216 А (1 ангстрем =
= 10~8 см), где имеет место самая сильная ультрафиоле-
товая эмиссия Солнца, и рентгеновские лучи на волнах
от 2 до 8 А. Между июнем и сентябрем 1960 г. излуче-
ние в линии Лайман-альфа оставалось почти постоян-
ным, а рентгеновское излучение сильно возрастало во
время солнечных вспышек. Поскольку к 1960 г. солнеч-
ная активность понизилась, рентгеновское излучение
очень ослабло и его можно было измерять только во
время вспышек на Солнце.
242
Глава X
В течение 1959—1960 гг. солнечный спектр в длинах
волн от 8 до 2000 А был исследован очень тщательно,
главным образом благодаря многим опытам, поставлен-
ным на исследовательских ракетах Гербертом Фрид-
маном и его помощниками в Морской исследователь-
ской лаборатории США. Однако эти новые данные не
объясняют, каким образом осуществляется влияние
Солнца на верхнюю атмосферу, потому что нет таких
волн, которые несли бы достаточное для этого количе-
ство энергии.
Метеоры
«Авангард 3» и «Эксплорер 8» доставили нам наибо-
лее обширные сведения по микрометеоритам (или кос-
мической пыли, если пользоваться другим названием,
возможно, более удачным), зарегистрировав несколько
тысяч ударов. Результаты показывают, что в течение
одного-двух дней частота соударений может возрасти до
значений, далеко превосходящих нормальные, если спут-
ник попадает в большой поток микрометеоритов (т. е. в
местную концентрацию пыли). «Авангард 3» во время
метеорного потока Леонид (15—17 ноября) зарегистри-
ровал столько же ударов, сколько за остальные 3 меся-
ца своей жизни. Исключительно высокое число столкно-
вений, отмеченное 15 мая 1958 г. третьим советским
спутником (стр. 200), также, вероятно, было вызвано
мощным потоком микрометеоритов, так как в последую-
щие дни было зарегистрировано гораздо меньше ударов,
что лучше согласуется с другими измерениями.
Эти результаты изображены на рис. 73, где показано
среднее число столкновений на 0,1 м.2 за сутки с части-
цами, массы которых больше, чем значения, указанные
на шкале (массы заключены между 10-10 и 10-8 г, а диа-
метры— между 0,0012 и 0,005 мм). Эти четыре измере-
ния хорошо согласуются, хотя позднее «Эксплорер 8»
дал несколько более высокое значение. Если на рис. 73
линия проведена правильно, тогда общее количество
метеорных пылевых частиц, попадающих на Землю и
имеющих массы от 10-10 до 10-8 г, составляет более
2000 т в сутки. Эту неожиданно высокую величину мож-
Современные достижения
243
но уменьшить, если доказать, что некоторые частицы
движутся по орбитам вокруг Земли; с другой стороны,
это значение прекрасно согласуется с оценками, полу-
ченными по пробам осадков морского дна и по яркости
Рис. 73. Столкновения с микрометеоритами по измерениям на
спутниках. Необычно высокие значения, зарегистрированные
третьим советским спутником 15 мая 1958 г. и .Авангардом 3*
15—17 ноября 1959 г., исключены.
зодиакального света на ночном небе, который предста-
вляет собой солнечный свет, рассеянный космической
пылью.
Животные и люди в космическом
пространстве
Между сентябрем 1959 г. и сентябрем 1961 г. в Со-
ветском Союзе было запущено в общей сложности
40000 кг спутников (не считая последних ступеней ра-
кет), из которых 32000 кг приходилось на программу
244
Глава X
полета человека по орбите. В США запустили около
5000 кг спутников (не считая ракет и военных спутни-
ков серий «Самос» и «Мидас»), из которых около
3200 кг приходилось на капсулы спутников систем
«Дискаверер» и «Меркурий», первоначально предназна-
чавшиеся для выполнения одинаковых программ. Сле-
довательно, для осуществления проектов, предусматри-
вавших запуски космических кораблей с человеком на
борту, потребовалось примерно 80% общего веса и, ве-
роятно, 80% общей стоимости спутников. В будущем
они потребуют даже еще большей доли, потому что до-
ставка на орбиту человека и всего оборудования, необ-
ходимого для удовлетворения всех его потребностей, его
возвращение и защита от вредных излучений стоят го-
раздо больше, чем вывод на орбиту научных приборов,
габариты которых становятся все меньше, а действие —
все эффективнее, причем приборы, как правило, не нуж-
но возвращать на Землю и защищать от излучений.
Иногда говорят, что все эти 35 200 кг спутников, от-
рабатывавших программу запуска человека в космиче-
ское пространство, принесли меньше научных результа-
тов, чем «Авангард 1», весивший 1,5 кг. Но такое утвер-
ждение все-таки несправедливо, потому что космические
полеты с человеком на борту — это прежде всего вопрос
развития техники, а научные результаты должны прийти
позже. Запуск человека в космос, осуществленный в
СССР, был триумфом техники. Об этом достижении уже
говорилось в разд. 2, а здесь речь пойдет только о науч-
ных результатах.
Физиологические процессы у собак, летавших на со-
ветских космических кораблях 2, 3, 4 и 5, были тщатель-
но и полностью зарегистрированы. Например, частота
дыхания Стрелки до запуска менялась от 14 до 55 в
минуту. На активном участке траектории (т. е. когда
ракета набирала скорость) она возросла до 170, после
первого оборота упала до 25 и после завершения полета
была между 12 и 30. Частота пульса у Стрелки в нор-
мальном состоянии была между 70 и ПО ударами в ми-
нуту; во время взлета она возросла до 165 и после пер-
вого оборота упала до 68; на пятом обороте было заре-
гистрировано значение 76, а на пятнадцатом—110.
Современные достижения
245
После полета пульс вернулся к норме. После несколь-
ких часов пребывания на орбите кровообращение слегка
изменилось, но еще до возвращения на Землю вошло в
норму. Состояние других собак менялось аналогичным
образом. По-видимому, у всех этих собак после полетов
не осталось никаких болезненных эффектов, а Стрелка
после этого принесла уже щенят.
Кроме этих основных экспериментальных животных,
на советских космических кораблях-спутниках находи-
лись также десятки биологических организмов, которые
дали обширный материал для исследования. Сухие се-
мена лука, побывавшие на космическом корабле, про-
росли затем вдвое быстрее своих контрольных собратьев,
не покидавших земли; другие семена и грибки вели
себя таким же образом. В потомстве дрозофил, совер-
шивших космический полет, возникло ненормально боль-
шое число летальных мутаций, как доминантных, так и
рецессивных; изменения хромосом в клетках растений и
в клетках костного мозга мышей также были очень зна-
чительны. Эти результаты представляют большой инте-
рес, так как они выявили характер воздействия косми-
ческих лучей, которые невозможно воспроизвести в ла-
боратории.
Накопив богатый опыт с собаками и завершив на-
земные испытания, к апрелю 1961 г. русские уже были
готовы к первому космическому полету человека.
Первый космонавт майор Юрий Гагарин выдержал свое
108-минутное путешествие с завидной легкостью после
гораздо более суровых тренировок, во время которых
он и его братья-космонавты подвергались высоким да-
влениям, невесомости, очень большим ускорениям, про-
водили многие дни в полной тишине, темноте и одиноче-
стве, переносили высокую температуру, вибрацию, ли-
шались кислорода и выдержали испытание шумом.
Майор Гагарин не только перенес этот обряд посвяще-
ния, но оказался также обаятельным посланником своей
страны.
Второй орбитальный полет, осуществленный майо-
ром Германом Титовым, был более сложным, чем пер-
вый, так как он продолжался 25 час. Майор Титов пи-
тался специальной пищей, приготовленной в виде пасты
17 Зак. 1274
J46
Глава X
и хранившейся в специальных тубах, пил воду через
гибкий шланг. Он не испытывал никаких болезненных
ощущений, кроме небольшой тошноты и легкого нару-
шения со стороны вестибулярного аппарата, которое
проявилось в том, что космонавт иногда не мог сообра-
зить, где находится «верх». Он хорошо спал и даже ухи-
трился проспать.
Американская программа запуска человека в косми-
ческое пространство началась позднее и осуществлялась
в двух направлениях: во-первых, возвращение пустой
капсулы спутников серии «Дискаверер» (стр. 214) и,
во-вторых, полеты животных, а затем и человека в бал-
листических ракетах. Первые два полета таких ракет с
людьми (каждый примерно по 500 км) были успешно
проведены капитаном Аланом Шепардом 5 мая 1961 г.
и капитаном Вирджилом Гриссомом 21 июля 1961 г., а
первый орбитальный полет капсулы «Меркурий» с ма-
некеном на борту был выполнен 13 сентября 1961 г.
Следующий шаг был сделан 29 ноября, когда шимпанзе
Инос совершил два оборота и был благополучно воз-
вращен на Землю.
Первые шаги на пути осуществления космического
полета человеком были преодолены с неожиданной лег-
костью, но все эти первые полеты проходили на высотах
менее 320 км, где атмосфера все еще защищает спутники
от неистовой ярости заряженных частиц космического
пространства. Если избежать поясов радиации, то пер-
вой опасностью, с которой встретится на своем пути кос-
монавт, будет обычный поток космических лучей галак-
тического происхождения. Вероятно, человек сможет
переносить это излучение даже в течение многомесяч-
ного полета. Тем не менее космические лучи оказывают
страшное действие, как это было выяснено с помощью
дрозофил, летавших на втором советском космическом
корабле, и возможно, что один-единственный тяжелый
атом в космических лучах (например, атом железа) мог
бы разрушить нервную клетку мозга и повредить со-
седние клетки.
Однако гораздо большую опасность представляют
собой выбросы протонов с высокими энергиями, случаю-
щиеся на Солнце, интенсивность которых в 20—300 раз
Современные достижения
247
превышает интенсивность космических лучей. Между
1956 и 1959 гг. было 30 таких выбросов, 6 из них были
бы смертельны для человека с очень слабой защитой
5 г/см2, и гораздо большее число вспышек подвергло бы
его громадной дозе облучения.
Космонавт имеет один шанс из 70 встретиться с
таким выбросом даже при двухдневном путешествии, а
при длительном путешествии нужна весьма существен-
ная защита, несмотря на то что ее вес может намного
уменьшить полезный вес космического корабля. Реаль-
ность этой опасности была широко продемонстрирована
после возвращения капсулы «Дискаверера 17», во время
полета которой 12 ноября 1960 г. произошло сильное
извержение на Солнце: эта капсула оказалась в не-
сколько тысяч раз более радиоактивной, чем обычный
метеорит.
Некоторые из таких вспышек на Солнце еще более
опасны; например, 23 февраля 1956 г. Солнце выбросило
протоны с энергиями до 20 000 млн. эв или еще выше.
По-видимому, от выбросов, подобных этим, полная
защита практически невозможна, а какая-либо другая
хуже, чем никакая, потому что она будет действовать
как источник вторичной радиации. У этой картины есть,
однако, и более светлая сторона: вспышки на Солнце
должны стать гораздо более редкими по мере прибли-
жения минимума солнечных пятен в 1964—1965 гг. Сле-
дующий максимум солнечной активности, ожидающийся
около 1968 г., может быть даже более сильным, чем в
1957—1958 гг. (а этот последний был самым высоким из
всех зарегистрированных когда-либо), потому что ка-
ждый из четырех предыдущих максимумов значительно
превосходил предшествующий: максимальное число сол-
нечных пятен за месяц было в среднем в 1927, 1937,
1948 и 1958 гг. соответственно 80, 120, 150 и 200. С дру-
гой стороны, более вероятно, что максимум 1968 г.
будет ниже, чем в 1957—1958 гг., так как есть предполо-
жение, что максимум числа солнечных пятен меняется
с периодом в 180 лет; за самым высоким предыдущим
значением—160 в 1777 г. — последовало падение до
130 в 1788 г. После 1980 г. Солнце уже наверняка ста-
нет менее активным.
17*
248
Глава X
10. НОВЫЕ ПРОБЛЕМЫ
В разд. 1—9 этой главы подробно рассказывалось об
успехах, достигнутых в каждой области из рассмотрен-
ных в главах I—IX. В последнем разделе мы остановимся
на проблемах, не упоминавшихся в первом издании
(разве что очень кратко в главе IV), потому что в сере-
дине 1959 г. они еще только вырисовывались. Первые
три темы этого раздела касаются использования спутни-
ков в повседневной жизни; четвертая, и последняя,
указывает направление для будущих открытий вдали
от Земли.
Спутники связи
Поведение надувного спутника «Эхо 1» было чрезвы-
чайно поучительным. В течение первых нескольких дней
его жизни специальные радиопередачи, происходившие
главным образом на частоте 960 и 2390 Мгц, принима-
лись очень ясно, причем характер отражения был почти
таким же, как от идеальной сферы. Однако из-за дыр
и складок, образовавшихся на спутнике, отраженные
сигналы становились более слабыми и искаженными: в
марте 1961 г. мощность отраженных сигналов соста-
вляла в среднем лишь половину первоначальной их мощ-
ности и, кроме того, колебалась в 10—30 раз, а иногда
даже в 100 раз. Если надувные спутники в дальнейшем
будут использоваться для связи, они должны сохранять
заданные свойства в течение 10 или более лет и, следо-
вательно, должны быть гораздо прочнее и массивнее,
чем «Эхо 1». Однако эксперимент с «Эхо 1» был весьма
успешным, так как он показал, что даже непрочный на-
дувной спутник не разрушается немедленно после того,
как его пробьет метеорит, а остается ярким объектом,
оправдывающим надежды наблюдателей и, как ни
странно, надежды Мильтона, который писал:
Легкое Эхо, самая ласковая нимфа,
Что живет невидимкой в воздушных одеяньях,
Ты легко переносишься на небеса
И* стройность придаешь всем райским звукам.
Поскольку свойства надувного спутника как отража-
теля радиоволн все же ограничены, внимание привлекли
Современные достижения
249
две другие системы связи. Первая — «спутники-игол-
ки» — представляет собой миллионы тонких, как волос,
медных проволочек длиной около 2 см, образующих пояс
вокруг Земли. Они должны действовать как искусствен-
ная ионосфера, отражающая радиоволны определенных
частот. Однако иголки могли бы помешать астрономам
как при оптических, так и при радионаблюдениях, по-
скольку они отражают свет и рассеивают проходящие
радиоволны, и поэтому академии наук многих стран осу-
дили этот проект1) - Вторая идея, гораздо более обещаю-
щая, это активный спутник, аналогичный «Курьеру»,
на котором установлен радиопередатчик, ретрансли-
рующий посланные на него сообщения. Три таких спут-
ника можно вывести на стационарную экваториальную
орбиту (высота около 36 000 км) или — в большем ко-
личестве— на высоту, скажем, 13 000 км на экваториаль-
ную или на полярные орбиты. Такая система, несмотря
на свою высокую стоимость, может принести большую
пользу, потому что она способна передавать гораздо
больше сообщений и обходится дешевле, чем телеграф.
При такой системе спутников работало бы 1000 транс-
атлантических телефонных каналов, причем стоимость
посылки сигналов от передатчика до приемника была
бы, вероятно, 1 шиллинг1 2) в минуту плюс стоимость
связи между заказчиком и приемной или передающей
станцией. Проекты такого рода разрабатываются в
США и Великобритании3).
Метеорологические спутники
Хотя «Авангард 2» потерпел неудачу, спутники серии
«Тирос» дали несколько тысяч хороших фотографий
облаков (например, фото IX), буквально «завалив»
1) Тем не менее были сделаны уже две попытки осуществить
этот проект, получивший название «Вест-Форд». — Прим, перев.
2) 1 шиллинг ~ 13 коп. — Прим. ред.
3) Уже запущены два спутника такого типа: «Телстар 1»
(10 июля 1962 г.) и «Телстар 2» (7 мая 1963 г.). 14 февраля 1963г.
была также сделана попытка вывести спутник связи «Синком» на
стационарную орбиту с периодом около 24 час. Однако после выве-
дения на орбиту связь со спутником была потеряна. — Прим, перев.
250
Глава X
работой ученых, которые его проектировали: помимо всех
ожидавшихся данных вроде струйных течений, фронтов,
грозовых областей и т. п., фотографии выявили много
непредвиденного. Была обнаружена ячеистая структура
облаков, которая прежде не была известна, но, по-ви-
димому, очень распространена в природе. Столь же
любопытны и длинные облачные образования протяжен-
ностью в сотни километров, которые, вероятно, вызы-
ваются конденсацией паров вокруг следов реактивных
самолетов. Если это так и если количество полетов
будет возрастать, то можно ожидать, что облачный
покров Земли вскоре несколько увеличится.
В настоящее время наибольшая ценность метеороло-
гических спутников состоит в том, что они легко обна-
руживают развивающиеся ураганы, которые заро-
ждаются в малонаселенных районах и при своем
движении представляют угрозу для людей. Метеорологи-
ческие спутники могли бы предупредить о приближении
циклонов в Пакистане в октябре 1960 г., при которых
погибло 18 тысяч человек, и многих жертв удалось бы
избежать. «Тирос 3» обнаружил много ураганов, хотя
один спутник может обследовать только треть земной
поверхности; для остальной части Солнце находится
недостаточно высоко над горизонтом.
Однако наиболее важный результат, полученный за
длительное время с помощью спутников системы «Ти-
рос», — это, пожалуй, открытие, что облака часто при-
нимают правильную спиральную форму над областями
размером 3200 км. Помимо того что этот факт пред-
ставляет чисто научный интерес, значение его состоит
еще и в том, что самый надежный способ улучшить
прогнозы погоды, в особенности долгосрочные, заклю-
чается в умении распознавать явления глобального мас-
штаба. В этом отношении большие надежды возлагают-
ся на метеорологические спутники.
Навигационные спутники
В ближайшие несколько лет станет возможным оп-
ределять положение кораблей с точностью до 1 км или
точнее по приему сигналов от спутников системы «Тран-
Современные достижения
251
зит»; причем для этого потребуется самое простое ра-
диооборудование и небольшое количество вычислений.
Вытеснят ли эти спутники повсеместно на торговых ко-
раблях астронавигацию, станет ясно в дальнейшем;
впрочем, это больше вопрос экономический, чем науч-
ный. Для средств сообщения, которые движутся с боль-
шими скоростями (например, самолеты), система «Тран-
зит» не так удобна, поскольку в этом случае матема-
тические расчеты сильно усложняются и для их прове-
дения необходима большая вычислительная машина.
Программа «Транзит» может дать некоторые побоч-
ные научные результаты: например, в помощь геодезии
можно с большей точностью определять положение изо-
лированных островов; кроме того, поскольку на спутни-
ках установлены точные механизмы времени, их
можно рассматривать как странствующие часы, при по-
мощи которых можно синхронизировать стандарты вре-
мени в США и Англии с точностью до 10-4 сек, т. е.
примерно в 10 раз точнее, чем сейчас.
Обратная сторона Луны
Последние сто лет астрономы-профессионалы пре-
небрегали Луной, поскольку она не обещала новых от-
крытий, и уделяли внимание более далеким областям
вселенной. Перспектива ступить на Луну возродила ин-
терес к ней и показала нам ограниченность наших све-
дений о ней — мы не знаем даже, что представляет со-
бой лунная поверхность: твердую скальную породу или
толстый слой пыли. Интерес к Луне возник не столько
среди астрономов, хотя они очень хотят водрузить на
Луне телескопы и наслаждаться наконец ясным изобра-
жением небесных светил, сколько среди геофизиков,
считающих Луну очень старым миром, который в отли-
чие от Земли не разрушается ветром и дождем, но зато
подвержен необычному выветриванию под действием
солнечного ветра и дождя метеоритов. Следовательно,
благодаря исследованиям Луны можно будет узнать кое-
что об истории Земли и солнечной системы.
Такие исследования были успешно начаты в 1959 г.,
когда третий советский «Лунник» сфотографировал
252
Глава X
обратную сторону Луны. Это событие имело громадное
значение для программы космических исследований.
Луна не всегда обращена к Земле точно одной сто-
роной: кажется, что она покачивается, и поэтому мы
видим в целом около 59% ее поверхности. На фотогра-
фиях, сделанных «Лунником 3», видны примерно 3/4
остальных 41%, а также часть видимой с Земли лунной
поверхности. Это частичное перекрывание уже извест-
ной области было особенно ценным как для сравнения,
так и потому, что районы у края диска сильно иска-
жаются в перспективе при рассматривании с Земли.
Изображения, полученные широкоугольной камерой
(фото VIII), позволяют разглядеть не так уж много
деталей, но на снимках, сделанных камерой с теле-
объективом, видно гораздо больше подробностей. Наи-
более важная особенность, которую удалось обнару-
жить на фотографиях обратной стороны Луны, заклю-
чается в том, что на ней мало обширных равнинных
областей, известных под названием морей, которые по-
крывают почти. половину видимой стороны Луны. В це-
лом ее обратная сторона представляется более «шеро-
ховатой» и более равномерно осыпанной кратерами,
чем видимая. Обнаружено одно большое море, назван-
ное Морем Москвы, диаметром около 300 км, горный
хребет, получивший название Советский, протянувший-
ся на тысячи километров, и много кратеров. Самый
большой из них был назван именем Циолковского, зна-
менитого исследователя в области астронавтики, а дру-
гим были присвоены имена .ученого и поэта Ломоно-
сова и физиков Максвелла и Жолио-Кюри. Все детали
были нанесены на карту советскими астрономами и опу-
бликованы в «Атласе обратной стороны Луны».
«Лунник 3» и сейчас еще представляет собой вели-
чайшее техническое достижение, так как он потребовал
точного выполнения длинной цепи точных операций
большей частью на расстоянии Луны или за нею: высо-
коточного выведения на орбиту, точной ориентации
корабля, фотографирования, проявления пленки в ва-
кууме под непрерывной бомбардировкой космических
лучей, строгого регулирования температуры и передачи
изображения на Землю.
П риложение
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ
ПО ОРБИТАМ СПУТНИКОВ
В главе V излагается простейший метод определения
сжатия Земли; но результаты, приведенные дальше в
той же главе, получены с помощью более полной тео-
рии, так как простой метод недостаточно точен по срав-
нению с высокоточными наблюдениями спутников. Ниже
в общих чертах излагается более полная теория.
Гравитационный потенциал Земли U в точке, уда-
ленной от центра Земли на расстояние г, может быть
выражен с помощью сферических гармоник Sn (6, <р)
следующим образом:
со
Z7=2Ar-n"15„(0,<P), (1)
л = 0
где 9 — угол между радиусом-вектором спутника и осью
Земли (дополнение широты до 90°), <р — долгота не-
постоянная величина. Если предположить, что потенциал
не зависит от долготы, и выбрать надлежащим образом
экваториальную плоскость, уравнение (1) можно запи-
сать так:
л=2
(2)
где G — гравитационная постоянная, М — масса Земли,
R — экваториальный радиус Земли, Рп — полином Ле-
жандра порядка п и Jn — постоянная величина. До за-
пуска спутников значение /2 было найдено с достаточ-
ной точностью и оказалось равным примерно 1/300, но
все другие значения Jn не были определены, хотя было
известно, что они должны быть гораздо меньше, чем /2.
Скорость вращения X плоскости орбиты спутника,
движущегося в гравитационном поле, описанном урав-
254
Приложение
нением (1), можно получить из теории движения спут-
ников и следующим образом выразить через постоян-
ные In-
2 JnFn (а, е.®) + 2 2 JnJmFnm (а> е, Л w) 4~ • • •,
/1=2 п=2/п=2
(3)
где Fn и Fnm — функции элементов орбиты: большой
полуоси а, эксцентриситета е, наклонения i и аргумента
перигея w.
Практически необходимо учитывать только члены
первого порядка и член с /2. До членов с Л включи-
тельно X дается следующей формулой:
Г_,/"ОЛГ/Яу;.г3 , • 9 л/Л\2 /19 . 2. Л,
X— V a3 G) cos4[2 -44- (12 sin z 1J4-
4- (у) sin w cosec I (15 sin2 i — 4)4-
+ -IF'/47-)2(7sin2/-4) + 0<-/5’ •*•)]’ (4)
где p = a (1 — e2).
Так как p в течение жизни обычного спутника ме-
няется не более чем на 10%, a i вообще едва ли ме-
няется, члены, содержащие множители /2, А и /4 в урав-
нении (4), можно считать постоянными; то же самое
относится к членам с множителями /в, /в...Однако
член с /з содержит множитель е sin w, который, во-пер-
вых, мал и, во-вторых, меняется очень сильно, так как
е в конце жизни спутника уменьшается до нуля, a w
изменяется со скоростью около 0°,5 в сутки, если / =
= 65°, или около 8° в сутки, если i = 35°. Таким обра-
зом, членами с /3, /5, Л, ..., по-видимому, можно пре-
небречь или они могут быть сведены к нулю выбором
достаточно большого промежутка времени.
Тогда уравнение (3) по существу дает возмож-
ность определить значения /2, /4, /в, ..., а /3, Д, ... сле-
дует определять другими методами. Поскольку множи-
тели /2, h мало меняются в течение жизни спутника,
П риложение
255
один спутник обычно дает только одно уравнение, свя-
зывающее /2, Д, Д, • • • • Попытки составить два урав-
нения обычно ведут к плохо согласующимся результа-
там.
Измеряя X для одного спутника, можно, следова-
тельно, надеяться получить одно соотношение между
Д, Д, /б. • • •; оно может быть решено относительно /2
только в предположении подходящих (т. е. нулевых)
значений для Д, Je, ... . Измерения X для двух спутни-
ков с различным наклонением дают два различных со-
отношения между Д, Д, Je, ., которые могут быть ре-
шены относительно Д и Д в предположении, что Д =
= «О, н т. д. Поскольку Jn быстро уменьшается
с увеличением п, процесс быстро сходится, и оказы-
вается, что /2 можно найти с достаточной точностью
всего лишь по двум спутникам. Удалось получить сле-
дующие результаты. До запуска спутников принима-
лось Д = 1091 • 10*в. По измерениям орбиты второго со-
ветского спутника было найдено, что Д = 1082-10~®,
если предположить, что Д — 0, или Д = 1084* 10-6, если
Д имеет условное значение —2,4 • 10-6; такой выбор Д
означает, что за уровенную поверхность Земли взят
сфероид1)- Когда объединили результаты, полученные
с помощью второго советского спутника (z = 65°) и
«Авангарда 1» (i = 34°), нашли, что Д = (1083,1 ± 0,2) X
ХЮ-6, Д= (—1,4 ±0,2) • ЮЛ если Д = Д = ... = 0.
Приведенные ошибки являются стандартными отклоне-
ниями, обусловленными ошибками наблюдений, и воз-
можно, что значения ошибок могут быть больше из-за
пренебрежения значениями Д, Д......Вероятнее, что
ошибка вызвана коэффициентом Je, но в марте 1959 г.,
когда для отыскания значений Д, Д и Д были объеди-
нены результаты, полученные по второму советскому
спутнику, «Авангарду 1» и «Эксплореру 4» (z' = 50°),
было найдено, что Д = (0,1 ± 1,5) • 10-6, а значения Д
и Д не изменились. Таким образом, в настоящее время
До запуска спутников гравитационный потенциал обычно
выражали через J = Д Л = 1637 • 10-6 и D = —J4 = 10,6 • 10~6«
Z о
а все остальные значения /п принимались равными нулю.
256
Приложение
кажется невероятным, чтобы значения Л и /4 были в
дальнейшем радикально пересмотрены.
Величина /3 в уравнении (4) представляет собой
просто небольшой «остаточный член». Если мы хотим
оценить значения /3, А, ..мы должны найти какое-ни-
будь свойство орбиты спутников, которое зависит в ос-
новном от величин J с нечетными индексами. Суще-
ствует два таких свойства: 1) изменение расстояния пе-
ригея от центра Земли, которое должно колебаться с та-
ким же периодом, как до, и с амплитудой J3R sin 4/2/2 +
+ 0(J5), и 2) изменение наклонения орбиты, которое
должно колебаться с таким же периодом, как и w,
и с амплитудой е J3 cos i/2 J2. Коэффициенты /3, /5, ...
выражают любую асимметрию Земли относительно эк-
ватора, и, как мы видели в главе V, свойство (1) ис-
пользовалось в случае «Авангарда 1» для количествен-
ного определения этой асимметрии. Для /3 было полу-
чено значение —2,2-10"6. Свойство (2) пока еще нигде
не применялось, поскольку для большинства спутников
изменения в наклонении орбит, вызванные гравита-
ционными эффектами, терялись на фоне гораздо более
значительных изменений, вызванных атмосферой.
Если бы уровенная поверхность Земли была точным
сфероидом, сжатие f можно было бы выразить через /2
следующим образом:
/=|(3J2+m)(i+p2+^m) + o(/i)( (5)
где т = 7?3(о2(1 —f)/GM — 0,0034498 есть отношение
центробежного ускорения к гравитационному на эква-
торе, умноженное на (1—f), а <в — угловая скорость
Земли. Но мы знаем, что уровенная поверхность Зем-
ли — не точный сфероид, и поэтому возможно, что вы-
ражение (5) — не лучшее для f. Однако в настоящее
время пока еще приводят значение f, получаемое из вы-
ражения (5) в предположении, что /8 = (1083,1 ± 0,2) X
X Ю~6, а именно 1// = 298,20 ± 0,03.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА..........5
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ..........7
ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ ........ 8
I. ИСТОРИЯ ЖИЗНИ СПУТНИКА............11
II. СПУТНИК, „ЭКСПЛОРЕР-, „АВАНГАРД-.47
III. НАБЛЮДЕНИЯ СПУТНИКОВ.............82
IV. ХАРАКТЕР НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ....100
V. ФИГУРА ЗЕМЛИ.....................110
VI. АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ..................127
VII. НЕОДНОРОДНОСТИ АТМОСФЕРЫ.......151
VIII. ЗОНЫ РАДИАЦИИ...................174
IX. ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЗЕМЛИ...............192
X. СОВРЕМЕННЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ...........203
ПРИЛОЖЕНИЕ............................253
ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ
И НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Редактор Р. Г. Шнейдер
Художник А. Г. Антонова
Художественный редактор
Е. А. Подмаръкова
Технический редактор Ф. X, Джатиева
Сдано в производство 25ДП 1963 г.
Подписано к печати 5/VIII 1963 г.
Бумага 84хЮ81/32=4,1 бум. л. 13,4 печ. л.
в т/ч 1 вкл. Уч.-изд. л. 12,6.
Изд. № 27/1667 Цена 62-коп. Зак. № 1274.
ИЗДАТЕЛЬСТВО
ИНОСТРАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
Москва, 1-й Рижский пер., 2.
Типография № 2 им. Евг. Соколовой
УЦБ и ПП Ленсовнархоза
Ленинград, Измайловский пр., 29.
ИЗДАТЕЛЬСТВО ИНОСТРАННОЙ
ЛИТЕРАТУРЫ
ВЫПУСКАЕТ
СЕРИЮ «ПРОБЛЕМЫ АСТРОНОМИИ И ГЕОФИЗИКИ*
В 1962 г. вышли следующие книги этой серии
Астрономические наблюдения за пределами ат-
мосферы. Сборник. Перевод с английского, 1962,
146 стр., цена 50 к.
К ел ло г У., С а г а н К.., Атмосферы Марса и Ве-
неры. Перевод с английского, 1962, 268 стр.,
цена 92 к.
Радиационные пояса Земли. Сборник. Пере-
вод с английского, 1962, 206 стр., цена 71 к.
Солнечная активность и космические лучи.
Сборник. Перевод с английского, 1962, 102 стр.,
цена 34 к.
Эти книги Вы можете купить в магазинах Кни-
готорга.
При отсутствии необходимых Вам книг напра-
вляйте заказы по адресу: Москва К-50, ул. Медве-
дева, 1, отдел «Книга — почтой» магазина № 8
«Техническая книга». Заказ будет выполнен нало-
женным платежом.
ИЗДАТЕЛЬСТВО ИНОСТРАННОЙ
ЛИТЕРАТУРЫ
ВЫПУСТИЛО
КНИГИ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ КОСМОСА И ВЕРХНЕЙ
АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
В оку лер Ж-, Физика планеты Марс. Пере-
вод с французского, 1956, 350 стр., цена 1 р. 49 к.
Исследования верхней атмосферы с помощью
ракет и спутников. Сборник. Перевод с англий-
ского, 1961, 471 стр., цена 2 р. 17 к.
Космическая астрофизика. Под ред. У. Лиллера.
Перевод с английского, 1962, 332 стр., цена 1 р. 48 к.
Метеоры. Под ред. Т. Кайзера. Перевод с англий-
ского, 1959, 440 стр., цена 1 р. 65 к.
Митра С., Верхняя атмосфера. Перевод с анг-
лийского, 1955, 640 стр., цена 4 р. 16 к.
Ракетные исследования верхней атмосферы. Под
ред. Р. Бойда и Ситона. Перевод с английского, 1957,
416 стр., цена 2 р. 44 к.
Эти книги Вы можете купить в магазинах
Книготорга.
При отсутствии необходимых Вам книг напра-
вляйте заказы по адресу: Москва К-50, ул. Мед-
ведева, 1, отдел «Книга — почтой» магазина № 8
«Техническая книга». Заказ будет выполнен нало-
женным платежом.