К истории открытия радиационных поясов Земли

    image

    Как известно, уже первые запуски в космос дали нам открытие изменившее наше представление об окружающем мире. Речь про радиационные пояса Земли. Согласно распространенной теории, исключительно благодаря первому американскому спутнику Explorer-I было сделано это открытие.

    Часть правды в этом есть, но сама история, как это часто и бывает, куда сложнее. В этой статье я постараюсь ее раскрыть немного более подробно. Это переработанный фрагмент мой книги о «Луне» которая, надеюсь, будет издана.

    image

    Значит Explorer-I. Запуск 1 февраля 1958 года. Общая масса (вместе с последней ступенью) 14 кг. Они не разделялись. Орбита 358 на 2550 км.

    Считается, что именно при изучении его сигналов впервые обнаружился весьма интересный факт: на определенной высоте регистрация заряженных частиц полностью прекращалась, прибор" не видел" даже космических лучей, присутствующих всегда. Что было так странно, что первоначально Джеймсу Ван Аллену (постановщику эксперименте) сказали, что его аппаратура банально отказала. Но он не сдался и выдвинул свою гипотезу: уровень радиации на тех высотках, куда забирается спутник так высок, что это приводит к перенасыщению датчика.

    image
    Explorer-I перед сборкой

    Впоследствии эта гипотеза подтвердилось. Именно это и было открытием радиационных поясов Земли.

    Собственно в такой формулировке все правильно. Но есть небольшой нюанс. Если вы откроете какие либо статьи, то, скорей всего, не найдете там научных данных, переданных именно этим спутником. Ссылка будет на более поздние аппараты.

    В чем же дело? Чтобы оценить, насколько сложно было сделать это предположение, оказавшееся научным открытием, надо понимать, какие данные имелись в распоряжении группы ученых, занимавшихся расчетами.

    Explorer-I был очень мал. Конечно, это было тогда все, что могли вывести США в космос, но также это означало, что на нем был очень и очень слабенький передатчик. Если с сигналы с первого советского спутника легко принимали радиолюбители, то в США для примема сигналов пришлось строить стационарные посты системы Minitrack

    image
    Внешний вид станций. Видно несколько полей антенн

    image
    Комната управления

    image
    Фрагмент антенны крупным планом

    image
    Расположение станций Minitrack. Кроме них была еще одна станция в Австралии.

    Minitrack разрабатывалась для Авангарда, но использовалась для приема данных как с Эксплорера, так и советских искусственных спутников Земли

    Не смотря на очень высокий коэффициент усиления, получить сигнал со спутника было сложно. Магнитофона на первом Эксплорере не было, и это означало, что прием мог осуществляться только на небольшом участке витков.

    Для получения качественного сигнала желательно, чтобы в момент прохождения таких участков наземная приемная станция находилась относительно недалеко, а сам спутник при этом был удачно ориентирован. Само по себе такое совпадение всех условий в нужный момент – редкость, а к тому же большая часть сигналов тонула в посторонних шумах. В статье 1960 года прямо говорится, что большая часть сигналов с «Эксплорера-1» не обработана и непонятно, когда будет, да и будет ли обработана.
    Половина всех записей телеметрии имела рейтинг — F. Полностью нечитабельные данные. Остальные были не лучше.

    Но что хорошо при наличии отработанной конструкции — можно запустить еще.

    На 5 марта 1958 года назначили запуск «Эксплорера-2», однако он не удался – спутник на орбиту не вышел. 26 марта в космос отправили «Эскплорер-3», и это был важный шаг вперед, даже несмотря на то, что вышел он на не расчетную орбиту. Аппаратуру для исследования микрометеоров ученые сняли, а вместо нее установили миниатюрное запоминающее устройство для записи данных во время всего витка. А счетчики Гейгера закрыли металлическим листом для снижения их чувствительности.

    image
    Explorer-III. Если сравнить с первым аппаратом можно легко заметить лист для экранирования

    image

    Миниатюрный магнитофон Explorer-III

    Теперь можно было получить информацию о всей орбите при прохождении спутником перигея, в оптимальных условиях. Именно это привело к качественному прорыву и после изучения этих данных было сделано знаковое открытие.

    Это произошло 2 апреля 1958 года. В этот день Ван Аленн узнал, что первые данные с «Эксплорера-3» поступили в центр обработки NRL. Взяв такси до центра, он забрал там распечатки данных, потом заглянул в аптеку чтобы купить миллиметровую бумагу и линейку. После чего он заперся в отеле.

    «В 3 часа утра, я упаковал расчеты и графики и отправился домой с убеждением, что наши инструменты на обоих Explorers I и III работали должным образом, но что мы встретили новый таинственный физический эффект.» — после вспоминал Ван Аллен

    Он еще не знал, что в тот же день, в его лабораторию, пришла аудиозапись данных, за которыми он ездил. Его сотрудники МакИлвейн, Рей и аспирант Джо Каспер сразу приступили к их анализу. И когда он вернулся, то увидел на своем стуле записку: «Космос радиоактивен!»

    image
    Та самая записка

    Конечно на данные именно с Explorer-III Аллен позже ссылался в своих научных работах. И сформировал первое описание радиационных поясов. В те времена в научной литературе «Эксплорер-1» и «Эксплорер-3» упоминались рядом, сейчас же часто говорят только о первом аппарате, хотя основную работу в этом тандеме выполнил второй. Возможно, так поступают для простоты, а, возможно – для пущего эффекта: первый американский спутник сделал первое открытие, перевернувшее наше представление о космосе. Звучит!

    image
    Первая запись показаний счетчика Гейгера вдоль орбиты спутника «Эксплорер-3». Спад скорости счета заряженных частиц с нулевой по десятую минуту обусловлен изменением интенсивности космических лучей с широтой, а ее постоянство с 15-й и по 20-ю и с 37-й по 80-ю минуту — насыщением схемы регистрации его сигналов. Спад показаний до нуля с 20-й по 37-ю минуты свидетельствуют о перегрузке счетчика интенсивными потоками заряженных частиц


    1 мая 1958 года Ван Аллен выступил на совместном заседании Национальной Академии наук и Физического общества США, где озвучил свою теорию. И скоро она получила веское подтверждение.

    image

    15 мая 1958 года – ТАСС сообщил, что на орбиту Земли вышел «Спутник-3» массой 1327 кг. Но он впечатлял и без того. Большая масса — более совершенные приборы. Данные «Спутника-3» уверенно подтвердили правоту Ван Алена и дали много новой информации о радиационных поясах. Но уже тогда началось формирование мифа об успехе американского «Эксплорера» и неудаче советских «Спутников». Вот что писал редактор журнала «Таймс»:

    " «… ни один из трех тяжелых русских спутников не передал сообщений об излучении Ван Аллена. Одно из объяснений состоит в том, что русские перехитрили сами себя, отказавшись сообщить внешнему миру, как нужно интерпретировать сигналы с их спутников. Поскольку только нижние части орбит спутников проходили над советской территорией, русские ученые никогда не получали данных с больших высот. Если какой-то из советских спутников и имел запоминающее устройство, то оно не работало. Другое предположение состоит в том, что гейгеровские счетчики перегружались вблизи апогея излучением Ван Аллена и русские ученые не знали, как объяснить это необычное поведение. Собака, запущенная на втором спутнике, умерла примерно через неделю, но русские не сообщили, было ли это вызвано воздействием излучения. Вполне возможно, что они этого не знали»".
    Но, прочитав это замечание, Ван Аллен потребовал добавить следующие строки:

    «Я выражаю существенное несогласие с разделом статьи относительно неудач советских исследователей по обнаружению захваченного излучения. По моему представлению, наша работа со спутником «Эксплорер-1» действительно обеспечила основное открытие, и я сделал первое публичное сообщение на объединенной сессии Американского Физического Общества и Национальной Академии наук США 1 мая 1958 г. Двумя неделями позже был успешно запущен советский «Спутник-3», и он обеспечил существенное подтверждение наших ранних результатов».

    Казалось бы, на этом можно ставить точку. Но не все так просто. Для этого достаточно вспомнить, что за пару месяцев до первого «Эксплорера» был запущен «Спутник-2», и он уже обладал всей необходимой аппаратурой для фиксации излучения. Почему же его данные не привели к этому эпохальному открытию? Он что, ничего не зафиксировал? Как сейчас известно, фиксировал. Так в чем же дело?

    image

    Прибор СП-65 на «Спутнике-2» имел весьма сложную конструкцию и изначально предназначался для изучения Солнечной активности. У него имелось три входных устройства, расположенных под углом 120 градусов относительно друг друга. Это было сделано для того, чтобы при вращении аппарата Солнце могло попадать хотя бы в один приемник. Причем информация со всех приемников в телеметрии суммировалась. А почему нет? Когда Солнце попадает в один из приемников, в другие оно попасть никак не может, а, значит, их данные близки к нулю и не влияют на общую картину. Причем из-за вращения станции (спутник ведь был неориентированным) данные ожидали получить виде небольших всплесков в те моменты, когда Солнце попадало в поле действия одного из приемников.

    Прибор включался автоматически при прохождении советских телеметрических станций. Всего получили девять фрагментов телеметрии. Их расшифровка поставила ученых в тупик. Да, иногда со спутника шел сигнал, близкий к ожидаемому. Но большая часть информации сигнализировала о неком равномерном (и весьма сильном) фоне, окружающем аппарат. Этот фон очень плавно возрастал или убывал, причем не было никаких корреляций с вращением станции, как будто Солнце светило со всех сторон. Отказ прибора? Контрольные данные свидетельствовали о его исправности. Вот здесь бы кому-нибудь воскликнуть: «Космос – радиоактивен!», как это сделали в команде Ван Алена через несколько месяцев. Увы, такого смельчака не нашлось.

    Впрочем, здесь нужно также отметить, что и это были только первые шаги. Открытие поясов радиации означало появление перед учеными нового, поистине гигантского поля деятельности, его особенности ученые еще плохо себе представляли.
    Поделиться публикацией

    Комментарии 22

      +7
      За рассказ большое спасибо. Но вот что касается идеи которую Вы настойчиво пытаетесь этим рассказом продвинуть, то мне она показалась притянутой за уши. Да, полная история сложнее и интереснее «официальной», но каких-то принципиальных отличий в ней нет. Данных с Эксплорера-1, какими бы плохими они не были, хватило для того чтобы сделать предположение. Для проверки (уже проверки!) этого предположения Эксплорер-3 был специально модифицирован. Данных с него уже хватало для убедительного подтверждения открытия. Спутник-3 полетел только через две недели после широкого обнародования уже подтвержденного открытия и, насколько я понимаю, не внес никакой новой информации о поясах кроме подтверждения факта их существования (т.е. просто подтверждения данных Эксплорера-3). Существенно новую информацию о радиционных поясах принесли лишь Эксплорер-4 и Пионер-3 и они снова были американскими.

      У наших был шанс опередить американцев, причем дважды. Вначале с открытием поясов, затем хотя бы с определением их структуры и размеров. Благо что размер спутника был куда больше и впихнуть туда можно было оборудования в 10 раз больше чем у американцев. Но увы. На Спутнике-2 не было радиационного счетчика, данные с СП-65 интерпретировали неправильно, да и американская газета была не столь уж неправа относительно того что данные с апогея орбиты были для Союза плохо доступны потому что работать в международной кооперации наши не захотели, а магнитофона на Спутнике-2 не было вообще, а на Спутнике-3 он не работал.
        –3
        То есть воспоминания Ван Аллена ничего не значат? Ладно. Но по ним открывается совсем другая история. Которую я и привел.
          +6
          Газета написала следующее: "ни один из трех советских спутников не обнаружил поясов Ван Аллена"
          Ван Аллен возражает: «это не так, третий спутник зафиксировал эти пояса и это было существенным подтверждением нашего открытия»
          Вы же зачем-то пытаетесь подать это как «Ван Аллен считал что Спутник-3 внес существенно новые данные о радиационных поясах». Но, простите, этого утверждения Ван Аллен не делал. По крайней мере в приводимых Вами цитатах его нет.
            0
            А если так выделить?

            третий спутник зафиксировал эти пояса и это было существенным подтверждением нашего открытия

            При этом «Спутник-3» смог определить энергетический спектр поясов. Эксплорер-3 этого не мог. Данные с него есть выше. Как там

            Наблюдения с помощь различны детекторов, установленных на «Эксплорер IV», «Спутник III», «Пионер IV» и «Мечте», определенно обнаружили, что природа излучения ( именно его состав и энергетический спектр его компонент) в внутренне зоне совершенно отличен о природы излучения во внешней зоне.

            Это я опять Ван Аллена цитирую. Здесь можете посмотреть

            https://ufn.ru/ru/articles/1960/4/f/

            Это не новые данные о радиационных поясах?
              +1
              В науке есть две разные вещи: «сделать открытие» и «проверить открытие». Второе для науки не менее важно чем первое. Ван Аллен в указанной Вами цитате говорит о подтверждении (перепроверке) уже сделанного («нашего») открытия. Но с этим-то, блин, никто кроме той самой газеты 1958 года (где три спутника не смогли найти вообще ничего) и не спорит. Американцы сделали открытие, а наши данные со Спутника-3 стали независимым его подтверждением. Что не так с этой простой и общепринятной версией? Зачем пытаться изображать что «на самом деле это полуправда»? Чистая правда и есть.

              При этом «Спутник-3» смог определить энергетический спектр поясов


              Так об этом и надо писать, только нормально — какой именно вклад был внесен каждым из спутников. Я сейчас посмотрел и согласен что да, на Спутнике-3 были получены некоторые новые результаты. На мой взгляд не самые значимые («спектр» следует читать «отличал протоны и более тяжелые ядра от электронов»), но тем не менее. Было бы интересно увидеть полную картину, а не текущую попытку фигурным цитированием обосновать откровенно сомнительный тезис.
                +4
                Если писать о Спутнике-3 это еще на несколько статей. Так как слишком много данных. Из-за чего я по сути в статье дал только начальную американскую историю. В которой показал, что Эксплорер-3 куда значимее в истории, чем Эксплорер-1. Между прочим, чисто по американским данным.

                И какой это сомнительный тезис я озвучиваю?
                  +3
                  Между прочит вот этот тезис не просто сомнителен, он ошибочен

                  не столь уж неправа относительно того что данные с апогея орбиты были для Союза плохо доступны потому что работать в международной кооперации наши не захотели, а магнитофона на Спутнике-2 не было вообще, а на Спутнике-3 он не работал.


                  Во первых, мы работали в международной кооперации. Тогда все в ней работали, так как шел международный геофизический год.

                  Во вторых, данные у нас были с разных участков орбиты. Как раз благодаря международной кооперации, радиолюбителями и дизель-электроходу «Объ» находившемуся рядом с Антарктидой. Кстати, опять по задачам Международного геофизического года.

                  А теперь прочитайте свой текст. Почти нет ни одного верного утверждения.
                    +1
                    Уважаемый Shubinpavel, вот открываете свою собственную ссылку из комментариев ниже и читаете

                    Сигналы этого прибора с апогейных высот в южном полушарии принимались австралийскими специалистами. Если бы им удалось сразу же расшифровать свои записи, то открытие радиационных поясов могло произойти еще в 1957 г. Этому помешала секретность кодировки сигналов советского спутника.


                    Знаете когда формут сигнала был все-таки опубликован? В сентябре 1958. Тогда же, кстати, начала работать в Антарктике упомянутая вами Обь. К сожалению установлению советского приоритета это уже помочь ничем не могло — к этому моменту уже летал Эксплорер-4
                      –2
                      И можно узнать когда были опубликованы данные с «Эксплорера-4»? И в чем была их новизна? :) И с тем когда работала «Обь» промазали. Очень сильно. Также это означает, что вы вообще не знаете что из себя представлял «Спутник-3». Как и многое другое. Вы специально выдумываете факты?
                        +3
                        На Эксплорере-4 уже стояли датчики аналогичные тем что были на Спутнике-3. Что до Оби, то мне честно говоря надоело спорить с человеком который претенциозно строит из себя знатока, но вместо аргументов в свою поддержку пишет демагогию вида «вы вообще ничего не знаете» и «специально выдумываете факты». У Вас лучшие источники информации о датах работы Оби чем у Завидова, который пишет про сентябрь 1958 (Zavidonov I.V., Sputniks, Explorers and Propaganda: the Discovery of the Earth's Radiation Belts)? Вперед, напишите когда Обь на самом деле прибыла в Антарктику. Вы что-то новое знаете про магнитофон Спутника-3, который десяток авторов называет неисправным? Ну так валяйте, изложите верную версию.
                          +1
                          А мне надоело спорить с человеком который явно не знает, как там все было, но строит из себя знатока :) Объ принимала сигналы в мае 1958 года. Когда и был запущен «Спутник-3». На это есть и ссылки в научных статьях посвященных обработке данных (не только про рад пояса). Более того, было бы странно принимать их в другое время. Так как основное питание «Спутника-3» шло от аккумуляторов, а они были рассчитаны приблизительно на месяц работы. Солнечная батарея там была больше для эксперимента.
                            +2
                            Вы сами же ссылаетесь на работу где есть такая фраза

                            Этому помешала секретность кодировки сигналов советского спутника.


                            и одновременно заявляете что основанное на этом мое утверждение о том что Союз не захотел поделиться информацией о том как работает Спутник-3 — это явная ошибка, а я «строю из себя знатока». Извините, но нет, я не строю. Я просто апеллирую к доступным мне источникам, и могу дать ссылку на соответствующий источник по каждому из утверждений. Предлагаю и Вам идентифицировать упоминаемые Вами «научные статьи» которые якобы рассказывают совершенно иную историю чем широко доступные источники и работы иностранных авторов.

                            Радиационный сцинтиляционный счетчик и «Маяк» на Спутнике, к слову, были запитаны от солнечных батарей. Эксперимент или нет, но эта часть спутника работала довольно долго.
          –1
          >Спутнике-3 он не работал.
          Классическая история про нерабочий магнитофон. Опять же, все было куда сложнее :) Думаете Ван Аллен просто так просил поправить утверждение в Таймс? :)
          +5
          Я бы написал в личку, но за такое надо бить по пальцам публично.
          Две картинки до ката, одна из них 3000х2400, на 4,2 мегабайта.
          Вторая 3000х2068, на 4,41 мегабайта.
          Не стыдно?
            –3
            Где-то нарушил правила? На самом деле я просто не подумал об этом. Просто дал ссылки на сайт НАСА. Так там гарантировано картинки не исчезнут с течением времени. Сейчас изменю.
              +3
              Картинки всё равно перезаливаются на hsto.org. И оттуда они гарантированно не исчезнут. По правилам хорошего тона и уважения к пользователям мобильных устройств на тарифах, где считается трафик, картинки до ката ресайзят и ужимают, если важно показать исходное качество — делают отдельной ссылкой (можно картинку кликабельной делать, чтобы по клику открывалось полноразмерное изображение).
            +1
            Это переработанный фрагмент мой книги о «Луне» которая, надеюсь, будет издана.

            Сейчас нет проблем с изданием книги. Есть сервисы, которые могут напечатать книгу (в твердой обложке) тиражом от одного экземпляра, причем цена одного экземпляра будет такой же, как при тираже в 3 000 экземпляров. Более того, такие сервисы занимаются и распространением книги через интернет магазины. Схема следующая: в интернет магазине появляется ваша книга, однако физически ее не существует. Если поступает заказ, необходимое количество экземпляров печатается в течение одного-двух дней и отсылается покупателям.

            Таким образом, не нужно большого количества денег для издания книги — не нужно заказывать печать огромного количества экземпляров, которые могут остаться нераспроданными. Да и издательство не нужно — нет необходимости обивать пороги и доказывать, что ваша книга достойна издания. Издаете сами с минимальными финансовыми затратами, а дальше читатели сами все расставят по своим местам.

            Я недавно был на экскурсии в такой компании, был поражен, что сейчас настолько легко издать настоящую качественную книгу в твердой обложке тиражом, например, в 10 экземпляров.
              +1
              Увы. Если книга под 400 страниц с полноценной печатью то выходит не так и дешево. А еще есть расходы на верстку, выкуп/получение иллюстраций. :) Сейчас собираю деньги. Если все получиться — издам. :)
              +3
              Дополнение. Черток Борис. Ракеты и люди. Книга 2. Фили-Подлипки-Тюратам

              Одним из сенсационных результатов, полученных с помощью научных приборов третьего спутника, было открытие высокой концентрации электронов на больших высотах, за пределами уже известной ионосферы. Сергей Николаевич Вернов, профессор МГУ, автор этих исследований, объяснял это явление вторичной электронной эмиссией – выбиванием электронов из металла спутника при столкновении с частицами высоких энергий – протонами и электронами. Помню его восторженное сообщение по этому поводу на заседании у Келдыша, где отчитывались ученые по результатам научных исследований на третьем спутнике.

              Однако американский физик Дж. Ван Аллен два года спустя доказал, что на самом деле то, что замерили приборы третьего спутника, есть не результат вторичной эмиссии, а регистрация первичных частиц ранее неизвестных радиационных поясов Земли. Поэтому американцы эти радиационные пояса назвали «поясами Ван Аллена». В оправдание Вернова надо сказать, что он ошибся по причине отказа на спутнике запоминающего устройства телеметрии. Вернов не имел возможности получить измерения радиационной активности по всему витку. Он получал измерения только в режиме непосредственного приема при пролете спутника над территорией СССР. Ван Аллен сделал свое открытие, пользуясь результатами измерений с американского спутника. Он показал, что существует область в околоземном пространстве, в которой магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы (протоны, электроны и?-частицы), обладающие большой кинетической энергией. Эти частицы не покидают околоземное пространство, находясь в так называемой магнитной ловушке.

              Это открытие стало большой научной сенсацией. Для космонавтики оно имело важное практическое значение. Космические аппараты, орбиты которых проходили сквозь радиационные пояса, получали значительное облучение, в частности разрушение структуры фотоэлектронных преобразователей солнечных батарей. Для пилотируемых космических аппаратов длительное пребывание в этих поясах вообще считается недопустимым.

              После опубликования открытий Ван Аллена решили, пусть с опозданием, исправить ошибку, допущенную по вине отказа запоминающего устройства на третьем спутнике. В нашей литературе радиационные пояса стали называть поясами Ван Аллена-Вернова.

              Эта история была хорошим уроком для ученых, показавшим, насколько необходима надежная работа приборов непосредственного измерения и бортовых служебных систем для хранения и передачи на Землю полученных ими данных. К сожалению, надежность приборов для научных исследований и в последующие годы оставалась слабым местом нашей космонавтики.
                +2
                У Чертока определенная ошибка по датам. Здесь про историю с нашей стороны подробнее

                http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/ziv/1993/5/rad-po.html

                http://www.izmiran.ru/edu/kids/DOC/ZAVIDONOV/History.html

                Хотя ее нужно отдельно разбирать
                0
                дубль
                  –4
                  И о чём статья? Explorer-I обнаружил какую-то странность, было выдвинуто предположение, что это радиационный пояс, а Explorer-III это подтвердил. И одно это предложение раздуто до масштабов целой статьи…

                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                  Самое читаемое