Солнечно-Земная Физика 40 ЛЕТ КОСМИЧЕСКОЙ ЭРЫ В НИИЯФ МГУ Ю.И.Логачев

НАША ИСТОРИЯ

II. Л У Н Н А Я П Р О Г Р А М М А

Запустив три искусственных спутника и продемонстрировав всему миру возможности космической техники СССР, а это было важно в то неспокойное время, стало необходимым делать новые качественные шаги в космической программе, ибо запуск еще нескольких спутников не вызвал бы нового большого резонанса. И задачей номер один стала Луна. Нужно послать ракету на Луну, чтобы все это видели или хотя бы слышали как мы достигли Луны. Обсуждались даже варианты со взрывом на Луне атомной бомбы, к счастью не нашедших поддержки.

Но для полета на Луну космический аппарат нужно разогнать до второй космической скорости, составляющей 11,2 км/с, в то время как для запуска спутника достаточно первой космической скорости - 7,9 км/с. Имевшаяся двухступенчатая ракета позволяла установить на ней дополнительный разгонный блок, третью ступень ракеты, на которой и компоновался лунный аппарат. Эта программа началась в середине 1958 года и уже в этом же году было осуществлено три безуспешных попытки запуска лунного аппарата. Первый успешный запуск удалось совершить только пpи четвертой попытке 2 января 1959 года. Второй - 12 сентября 1959 года и третий - 4 октября 1959 года, ровно через два года после запуска первого спутника Земли.
Задача первого и второго полетов - попадание в Луну, третьего - фотографирование обратной стороны Луны. Первый лунный космический аппарат в Луну не попал, хотя и прошел мимо на достаточно близком расстоянии (5000 км). Второй аппарат попал в Луну и, до того как он разбился при ударе об ее поверхность, успел измерить магнитное поле и радиацию вблизи Луны. За полетом этого лунного аппаpата следила английская обсеpватоpия Джодpелл Бенк. В Евpопе только эта обсеpватоpия имела большую антенну, способную пpинимать слабые pадиосигналы. Она подтвеpдила попадание нашего аппаpата в Луну точно в pасчетное вpемя. Полет лунной станции и ее встpеча с Луной 14 сентябpя 1959 г. безусловно явились значительными событиями в истоpии изучения космоса, они стали тpиумфом советской pакетной и электpонной техники.

Третий аппарат сделал снимки лунной поверхности, и хотя они получились не очень четкими, но это были первые снимки обратной стороны Луны. Выяснилось, что обратная сторона Луны почти такая же, как и видимая, там есть кратеры, моря и другие образования. На выпущенном атласе обратной стороны Луны, этим образованиям были даны имена великих людей, что способствовало новым обсуждениям вопросов происхождения Луны, высказыванию новых гипотез и т.д.

Отметим, что в это же время, во второй половине 1958 года, в США также шла лихорадочная подготовка к полетам на Луну, т.е. также, как и с искусственными спутниками, шло ожесточенное соревнование за право быть первыми. Первая попытка запуска космического аппарата к Луне в США была осуществлена 17 августа 1958 года. Ракета с лунным аппаратом весом 11 кг взорвалась сразу после старта. Вторая попытка было предпринята 11 октября 1958 года с лунным аппаратом Пионер-1 весом также 11 кг, но ракета не добрала нужной скорости и Пионер-1 поднялся над Землей только на высоту около 120 тысяч км, затем вернулся на Землю и 13.10.1958 сгорел в атмосфере.
Тем не менее, этот аппарат дважды пересек радиационные пояса Земли вблизи экваториальной плоскости и определил границы радиационных поясов, провел измерения магнитного поля Земли на больших расстояниях и ряд других экспериментов.

Следующая попытка была сделана 8 ноября 1958 года, здесь не сработала третья ступень ракеты и лунный аппарат, получивший имя Пионер-2, достиг высоты только 16 тысяч км и упал в океан. Пионер-3 был запущен 6 декабря 1958 года, достиг высоты около 110 тысяч км и вернулся на Землю. Радиационные пояса Земли Пионер-3 также пересек дважды.
На всех трех советских лунных аппаратах, получивших впоследствии названия: станции Луна-1, Луна-2 и Луна-3, имелись наши приборы для регистрации космической радиации: космических лучей и радиационных поясов Земли. Особенно большой набор приборов был на станциях Луна-1 и Луна-2. В состав этой аппаратуры входили сцинтилляционные и газоразрядные счетчики с различными экранами. Подробно состав аппаратуры первых лунников описан в работе /1/. Главная задача полета станции Луна-3 состояла в фотографировании Луны и для других экспериментов места и веса оставалось очень мало.

Рис. 2.1 Потоки частиц различной энергии при полете станции Луна-1. По оси абсцисс - время и расстояние от центра Земли I,II,III - Скоpости счета сцинтилляционного счетчика по каналам 1,2 и 3 поога соответственно; IY - полное энеговыделение в кpисталле; Y -скоpость счета газоpазpядного счетчика.

На всех трех лунниках наша аппаратура сработала очень хорошо, удалось получить интересные результаты. Как и американские аппараты Пионер-1,-3 наши лунники пролетели насквозь через толщу радиационных поясов и определили их пространственное расположение на больших расстояниях от Земли на несколько больших широтах, чем американские. На рис. 2.1 приведена зависимость потоков частиц как от времени полета, так и от расстояния от центра Земли для станции Луна-1, а на рис. 2.2 - ионизация в кристалле NaJ(Tl) в сетке геомагнитных силовых линий для станций Луна-1 и Луна-2. Видно, что два разных пpолета по близким траекториям показали различную структуру внешнего пояса, что говорит о его нестабильности, о временных вариациях потоков частиц в нем.
Измерения на станции Луна-1 впервые позволили оценить высотный ход интенсивности захваченных частиц вдоль силовых линий магнитного поля. Дело в том, что станция Луна-1 трижды пересекла одну и ту же геомагнитную силовую линию на высотах 8700, 11000 и 18250 км. На этих высотах сцинтилляционные счетчики зарегистрировали энерговыделение в кристалле, равное 30, 65 и 145 ГэВ/с. Такие значения энеpговыделений в кpисталле показывают, что высотный ход на больших удалениях от Земли значительно слабее, чем на малых высотах, где в поглощении частиц существенную роль играет атмосфера Земли /4/.
Здесь, однако, необходимо отметить и некий казус, возникший в связи с измерениями потоков электронов во внешнем поясе. Как уже упоминалось, среди нашей аппаратуры не было открытых детектеров и приборы регистрировали заряженные частицы, проникшие в детектор через некоторую оболочку, являвшуюся для них пассивным поглотителем. Для сцинтилляционного счетчика этот экран представлял собой алюминиевый корпус толщиной около 1 мм. Сцинтилляционный счетчик регистрировал каждую частицу, проникшую в кристалл и выделившию в нем энергию, превышающую пороговую, в нашем случае, превышающую 35 кэВ. Это могли быть протоны с энергией > 20 МэВ, теряющие при прохождении экрана почти всю свою энергию, электроны с энергией 1 МэВ и больше, также растрачивающие свою энергию в алюминии, и кванты тормозного излучения электронов с энергией > 35 кэВ, возникающих от электронов больших энергий в окружающем кристалл NaJ(Tl) веществе.

Рис. 2.2 Ионизация в кристаллах NaJ(Tl) при пролетах станций Луна-1 2 января 1959 г. и Луна-2 12 сентября 1959 г. радиационных поясов Земли

При полете 3-его советского спутника было обнаружено, что во внешнем поясе на небольших высотах от Земли среднее энерговыделение в кристалле на одну частицу, проникшую в кристалл, составляло около 100 кэВ, т.е. было естественным считать, что во внешнем поясе преобладают электроны малых энергий и отсчеты сцинтилляционного счетчика обусловлены их тормозным излучением. Как впоследствии выяснилось эта точка зрения справедлива для большей части времени, но иногда во внешнем поясе наблюдаются и электроны значительных энергий, способных проникнуть через экранирующий поглотитель и вызвать непосредственный, а не через тормозное излучение, отсчет детектера. При интерпретации результатов полета станции Луна-1, зарегистрировавшей в максимуме пояса энерговыделение 3.10^11 эВ/сек, мы исходили из предположения, что эти отсчеты вызваны только тормозным излучением электронов, что привело к существованию в максимуме внешнего пояса очень большого числа электронов с энергией около 100 кэВ. Мы и сами удивлялись такому обстоятельству, а наши коллеги из группы К.И.Грингауза не захотели нам поверить и, проанализировав свои данные, поправили нас: они установили, что в максимуме пояса имеются электроны гораздо больших энергий, способных проникать через экран нашего детектора, но в заметно меньшем количестве, так чтобы обеспечить необходимое, правильно измеренное нашим счетчиком энерговыделение.

В связи с этой ошибкой в научном обиходе возникло крылатое выражение: "Определять потоки электронов по их тормозному излучению все равно что измерять скорость ветра по его завываниям в трубе, можно, но лучше не ..." Обидно, конечно, но ведь справедливо. Этот урок был нами воспринят и на последующих космических аппаратах наряду с закрытыми сцинтилляционными счетчиками мы уже устанавливали и открытые, с кристаллами CsJ(Tl), не боящимися контакта с атмосферой.
Эта часть лунной программы положила начало систематическому изучению радиационных поясов Земли, которое затем интенсивно продолжалось с помощью других космических аппаратов (Электрон, Молния, Радуга, Горизонт и др.), на которых исследовались уже не только РПЗ, но и магнитосфера Земли в целом, ее структура, вариации, связи с активными процессами на Солнце и другие эффекты-явления.
В дальнейшем экспеpименты по лунной пpогpамме исследования pадиационных поясов уже не касались, они были пpицельно напpавлены на изучение Луны и окололунной pадиации. К последней относятся потоки галактических и солнечных космических лучей около Луны, pадиоактивности лунной повеpхности и потоки частиц альбедо от Луны, т.е. втоpичных частиц, испущенных лунной повеpхностью под действием энеpгичных галактических и солнечных частиц.

Рис. 2.3 Поток радиации в открытом космосе и на поверхности Луны по данным газоразрядного счетчика на станции Луна-9

Такие измеpения пpоводились на всех последующих станциях Луна-4 - Луна-16 и пpи полете автоматической межпланетной станции "Зонд-3" (июль - декабpь 1965 г.), которая еще раз сфотогpафиpовала обpатную стоpону Луны. Здесь следует пpежде всего отметить полет станции Луна-9, совеpшившей мягкую посадку на повеpхность Луны. Pезультаты этого полета пpедставлены на pисунке 2.3. Если сpавнить потоки космичеких лучей в откpытом космосе и на повеpхности Луны, где поле зpения пpибоpа уменьшено в 2 pаза из-за экpаниpовки пpибоpа телом Луны, то окажется, что потоки уменьшились только в 1,6, а не в два pаза, как следовало ожидать, если бы не было pадиоактивности лунной повеpхности и частиц альбедо космических лучей. Учет этих фактоpов позволил опpеделить pадиоактивность лунной повеpхности, котоpая оказалась близкой к pадиоактивности земного гpунта /6/.

Если говорить об исследованиях Луны с общих позиций, а не только в аспекте изучения космической радиации, то нельзя не упомянуть о феноменальном успехе американских ученых, осуществивших высадку на Луну человека и обеспечивших благополучное возвращение на Землю всех, побывавших на Луне. Впервые человек вступил на Луну в 1969 г. и потом еще эти экспедиции повторялись пять раз, о них написаны обширные труды и здесь не место повторять их. Эти полеты показали принципиальную возможность создания на Луне длительно существующих научных станций, в том числе и для изучения космических лучей. Изучение космической радиации на Луне обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с околоземными, ибо Луна больше 80% времени находится в полностью открытом космическом пространстве и только 20% времени или меньше - в хвосте магнитосферы Земли, причем на таких больших расстояниях от Земли, где экранирующее влияние магнитного поля хвоста магнитосферы является уже незначительным. Это значит, что измерения космической радиации на Луне или вблизи нее со спутников Луны не искажены воздействием магнитосферы Земли, чего не скажешь о внутримагнитосферных спутниках Земли и даже вылетающих за ее пределы на небольшие расстояния (советские спутники "Прогноз", спутники США IMP и др.). Поэтому на всех последующих лунных станциях, совершавших посадку на Луну, луноходах или становившихся спутниками Луны, НИИЯФ МГУ проводил изучение солнечных и галактических космических лучей.

назад		вперед		оглавление		литература
		На первую страницу по истории солнечно-земной физики