Докт. физ.-мат. наук, профессор, директор НИИ ядерной физики МГУ Михаил Панасюк рассказывает поучительную историю выдающегося открытия.
Радиация в космосе — это не только заряженные частицы огромной энергии — космические лучи галактического и солнечного происхождения. Открытие, сделанное в начале космических исследований советскими и американскими учеными на первых искусственных спутниках Земли, существенно изменило наши представления о космическом пространстве.
Путь к этому открытию был краток и драматичен. 55 лет назад, на первом советском искусственном спутнике Земли, запущенном в 1957 году, не было никакой научной аппаратуры, за исключением радиопередатчика, посылавшего первые сигналы с орбиты. Тем не менее, радиоволны передатчика «просвечивали» ионосферу, предоставляя сведения о распределении плотности ионизированной оболочки Земли. Но уже на втором советском спутнике стояла специальная аппаратура для изучения космических лучей. Это были простые газоразрядные счетчики Гейгера — Мюллера, которые создал Сергей Николаевич Вернов с сотрудниками из Московского университета. По сути это была первая в мире научная аппаратура, запущенная человеком в космическое пространство. Какие задачи выполняли эти приборы?
Будучи «космиком», С. Вернов, естественно, поставил задачу исследования космических лучей за пределами атмосферы. Чего можно было ожидать от этих экспериментов? Было известно: поток космических лучей должен возрастать по мере удаления от Земли из-за наличия магнитного поля. Помимо этого должна наблюдаться широтная зависимость потока: вблизи полюсов его величина должна быть больше, чем в районе экватора. Должен меняться и состав космических лучей, так как измерения проводятся вне атмосферы, где нет вторичных частиц. Пожалуй, всё…
Спутник был запущен в канун праздника, Дня Революции. И уже на первых витках он зарегистрировал нечто необычное — поток частиц не следовал ожидаемой широтной зависимости, испытывая сильные флуктуации. Что бы это могло быть? «Взглянув» на Солнце, ученые обнаружили проявление солнечной активности — как раз в это время наблюдалась вспышка. Естественно было предположить вторжение солнечных частиц в окрестности Земли. Но это предположение было неправильным.
Вслед за С. Верновым американский ученый Джеймс Ван Аллен (James Van Allen) также для изучения космических лучей установил на первом американском искусственном спутнике Земли — «Эксплорере-1» такой же газоразрядный детектор, как и на втором советском спутнике. Каково же было удивление американских ученых, когда они, взглянув на первую полученную информацию, обнаружили, что их счетчик «захлебывался» от большого потока частиц. Один из сотрудников Дж. Ван Аллена Э. Рэй даже воскликнул: «Боже мой, ведь космос радиоактивен!»
Американские специалисты поняли, что они обнаружили что-то необычное. Интерпретация последовала довольно быстро: это авроральные частицы низкой энергии, которые приходят от Солнца и внедряются в высокоширотные области, вызывая полярные сияния. И это также было неправильной гипотезой.
С. Вернов и Дж. Ван Аллен столкнулись, на самом деле, с совершенно новым природным явлением — захваченными в магнитное поле Земли потоками заряженных частиц большой энергии. Позднее это явление было названо радиационными поясами. Однако в первых экспериментах пионеры исследования космоса этого не осознали. Так часто бывает в науке, когда изначальная цепь эксперимента приводит совершенно к другим результатам. А интерпретация полученных результатов порой находится под прессом существующих представлений. Тем не менее, к середине 1958 года, т.е. спустя всего несколько месяцев после начала космических экспериментов, понимание физики нового явления стало более ясным.
Существенную и принципиальную роль для выяснения природы открытого феномена сыграл эксперимент на третьем советском спутнике, запущенном в мае 1958 года. На этом спутнике в составе довольно разнообразной аппаратуры, разработанной в НИИ ядерной физики МГУ и Физическом институте Академии наук, был сцинтилляционный детектор. Информация именно этого детектора позволила установить существование двух пространственно разделенных областей в околоземном пространстве — внешнего электронного пояса, заполненного электронами с энергией порядка 100 кэВ (килоэлектронвольт), и внутреннего, протонного пояса. Энергия протонов внутреннего пояса была существенно выше — порядка 100 МэВ. Американские ученые не могли регистрировать частицы внешней зоны радиации из-за особенностей орбит своих спутников.
Сейчас очевидно, что первые советские и американские эксперименты в космосе взаимно дополняли друг друга. Однако в силу специфики международных отношений той эпохи говорить о международной кооперации не приходилось, и космическая физика рождалась в условиях острой конкурентной борьбы между учеными двух супердержав.
Что же такое радиационные пояса Земли? Это гигантский тор заряженных частиц (рис. 1) с энергиями от самых малых — «плазменных» — в десятки-сотни кэВ до энергий в ГэВ’ы (гигаэлектронвольт), т.е. сопоставимых с энергиями космических лучей. Частицы радиационных поясов, захваченные в магнитной ловушке, совершают три характерных вида движений, в результате которых собственно и «рождаются» их долго-живущие потоки. Это вращательное движение частиц вокруг магнитной силовой линии (ларморовское движение с радиусом, определяемым энергией частиц), колебания вдоль магнитной силовой линии и азимутальный дрейф вокруг Земли. Времена этих видов движения сильно отличаются: от долей секунды для ларморовского движения — до часа для азимутального дрейфа.
Предстояло понять природу этих частиц — их источники и механизмы ускорения. На это ушли последующие 20-30 лет. Что напоминает эта картина?
…Вскоре после успешной реализации атомного проекта и у нас в СССР, и в США в 1950-х годах ученые приступили к решению проблемы создания термоядерного реактора. Для этого надо было создать условия для устойчивого удержания плазмы. Это можно сделать с помощью магнитного поля. Было предложено много различных видов магнитных ловушек, среди них ТОКАМАК. До сих пор термоядерный реактор не реализован. Проблема удержания плазмы оказалась более сложной, чем это представлялось в начале исследований.
Природа создала то, что не удалось пока сделать человеку. Внутри магнитного поля Земли реализуются условия для устойчивого захвата заряженных частиц. Откуда же появляются частицы радиационных поясов? Где их источник?
Безусловно, космические лучи ответственны за появление частиц радиационных поясов, но сами они не могут быть захваченными, по крайней мере в течение длительного времени. Здесь уместно отметить, что «время жизни» протонов с энергиями в сотни МэВ и более в самой ближней к Земле области поясов достигает сотен лет!
Оказывается, космические лучи (протоны), достигая атмосферы и взаимодействуя с ней, образуют вторичные частицы — продукты ядерных реакций. Среди них есть нейтроны, часть которых летит в космическое пространство. Нейтроны — нестабильные частицы. Время их жизни ~15 мин. Они распадаются на заряженные частицы — протоны и электроны. Они и являются теми частицами, которые пополняют радиационный пояс.
Это был первый механизм образования поясов, который предложили С. Вернов и А. Лебединский сразу после их открытия, в июле 1958 года. Интересно, что лишь двумя неделями позднее американский ученый Ф. Зингер (не из группы Дж. Ван Аллена, в свое время проигравший ему конкурс на установку прибора на первый американский «Эксплорер») также опубликовал статью с описанием аналогичного физического механизма.
Однако оказалось, что этот механизм, связанный с генерацией нейтронов (нейтронов альбедо) космическими лучами, не может обеспечить заполнения частицами всех радиационных поясов.
Необходимо было найти другие. Конечно, взоры исследователей обратились к солнечному ветру — постоянному потоку плазмы в межпланетной среде. Но. эти частицы, во-первых, каким-то образом должны проникнуть внутрь магнитосферы, а во-вторых — значительно увеличить свою энергию. Ведь энергия частиц солнечной плазмы (~1 кэВ) значительно меньше энергии частиц радиационных поясов. Вкратце, картина заполнения магнитосферы частицами солнечного ветра и их ускорения выглядит следующим образом.
Та доля частиц солнечного ветра, которая «сумела просочиться» внутрь магнитного поля, заполняет внешние области: между ударной волной и границей магнитосферы, хвост магнитосферы, полярные области.
Особенно активную роль в пополнении частицами радиационных поясов выполняет хвост магнитосферы. Во время магнитных бурь именно здесь происходят мощные деформации магнитного поля Земли, приводящие к генерации индукционных электрических полей, которые и ускоряют частицы солнечной плазмы. Часть этих частиц, уже ускоренных в хвосте, достигает внешних границ радиационного пояса, и здесь начинается их перенос внутрь, в направлении Земли.
Движущей силой этого процесса также является солнечный ветер, вернее, его флуктуации, как крупномасштабные (типа так называемых «корональных инжекций массы»), так и более слабые, практически постоянно существующие в межпланетной среде. Флуктуации солнечного ветра создают колебания магнитного поля Земли, которые, собственно, и «загоняют» частицы внутрь магнитной ловушки. В процессе их переноса к Земле они еще больше увеличивают свою энергию.
Итак, уже два источника — космические лучи высокой энергии и солнечная плазма — могут пополнять радиационные пояса.
Но это еще не все источники. Велико было удивление ученых в начале 1970-х годов, когда среди частиц во внутренней магнитосфере они увидели частицы земного происхождения — ионосферные! Как отличили эти частицы от солнечных? С помощью приборов, которые разделяют частицы по их энергиям, массе и заряду. В ходе экспериментов на спутниках было обнаружено, что ионосфера «фонтанирует» в окружающее пространство кислород. Причем этот кислород имеет заряд 1+ — он слабоионизирован в отличие от солнечного, который полностью, как говорят, «ободран» — у него отсутствуют электронные оболочки. Солнечный же кислород (по существу, это голые ядра) имеет заряд 8+. Так отличили солнечное вещество от земного и обнаружили еще один источник частиц радиационных поясов — ионосферный.
А в начале 1990-х годов ученые из МГУ вместе с американскими коллегами нашли еще один источник частиц радиационных поясов-межзвездное вещество. Эти частицы (кислород, гелий, неон и др. — аномальные космические лучи, АКЛ) с энергией ~10-20 МэВ/нуклон имеют заряд, близкий к 1+. Эти частицы, имеющие большую жесткость, не могут захватываться магнитной ловушкой: слишком велик у них радиус кривизны траекторий в магнитном поле. Однако был предложен механизм,который получил экспериментальные подтверждения, обеспечивающий заполнение радиационного пояса частицами межзвездного вещества.
Этот механизм состоит в следующем. АКЛ проникают в глубь магнитосферы, и в верхних слоях атмосферы происходит их перезарядка на нейтральных атомах. В результате их заряд увеличивается, радиус кривизны траектории резко уменьшается, и тем самым обеспечиваются условия для устойчивого захвата. Такой пояс действительно был обнаружен в ходе отечественных экспериментов на спутниках серии «Космос». Оказалось, что он располагается на расстояниях, немного превышающих два радиуса Земли (Rs) от ее поверхности (в плоскости экватора). В целом радиационные пояса заполняют довольно обширную область вокруг Земли — их внешняя граница расположена на расстоянии примерно до 7 Rs.
Проведенные исследования показали, что радиационные пояса — по сути единое пространственно-энергетическое образование. Внешняя и внутренняя зона существует только для электронного компонента, и зазор между электронными поясами обусловлен их потерями в этой области. В отличие от электронных поясов, протонные пояса имеют однородную пространственную структуру: их потоки заполняют всю область захвата. Аналогичная картина наблюдается и для более тяжелых ионов.
Присутствие радиации в космосе создает немало проблем не только конструкторам космических аппаратов, но и космонавтам, летающим на орбитальных станциях и космических кораблях.
Еще на заре космических полетов создатели спутников столкнулись с проблемой живучести солнечных батарей. Оказалось, что под действием интенсивных потоков частиц радиационных поясов они довольно быстро деградировали: их электрический ток, необходимый для питания бортовых систем, уменьшался. Пришлось их защищать от радиации — предохранять слой кремния стеклом, поглощающим большую долю радиации. Так начиналась эра «борьбы» с космической радиацией. Впоследствии ученые, изучая ее, узнали довольно много нового и, пожалуй, даже неожиданного.
Перед первым полетом в космос человека вопросы радиационной безопасности тщательно изучались. В космосе были проведены эксперименты по определению доз радиации на предполагаемых для полетов человека орбитах. Оказалось, что на высотах 300-400 км (именно на таких орбитах летают пилотируемые космические корабли) потоки радиации сравнительно небольшие.
Однако впоследствии оказалось, что район радиационной аномалии «дышит». Периодичность дыхания аномалии — изменение потоков частиц — соответствует циклу солнечной активности: в минимуме активности потоки увеличиваются, а в максимуме, наоборот, уменьшаются. Парадокс?
В годы, когда наше светило с особой щедростью извергает в пространство мощные потоки солнечной плазмы и частиц, радиационная аномалия. затихает. Происходит это за счет поглощения высокоэнергичных частиц атмосферой, которая нагревается и охлаждается в соответствии с 11-летней ритмичностью солнечной активности. В годы максимума атмосфера разогревается, плотность ее частиц на орбите пилотируемых кораблей увеличивается. В эти периоды частицы радиационных поясов начинают всё чаще и чаще сталкиваться с молекулами, атомами атмосферы и терять свою энергию. Они прекращают свою жизнь как энергичные частицы радиационных поясов. В годы же минимума наблюдается обратная картина: потоки и дозы радиации значительно увеличиваются. Тем не менее, радиационная среда на низких высотах пилотируемых орбитальных станций при самых неблагоприятных гелиофизических условиях позволяет человеку работать на орбите.
Итак, начало исследований в космосе привело к первому выдающемуся результату в области физики околоземного пространства — открытию радиационных поясов и, по сути, дало начало новой науке — космической физике.
История открытия радиационных поясов Земли и последующие исследования — яркий пример успешного решения научной проблемы, во многом базирующейся на физике плазмы. Этому значительно способствовал интеллектуальный потенциал ученых, полученный в ходе реализации атомного проекта и начального периода термоядерных исследований как у нас в стране, так и в США, а также космические исследования, которые были особенно интенсивными в начальном периоде космической эры.
Вместо послесловия
Недавно наши американские коллеги запустили два новых космических зонда для продолжения исследований радиационных поясов Земли (см. www.nasa.gov/mission_pages/rbsp/news/belt-dynamics.html), назвав их в честь пионера исследований радиационных поясов — Дж. Ван Аллена. Среди разнообразной аппаратуры на борту этих спутников имеется детектор для измерений релятивистских электронов с энергией в несколько МэВ. Интерес к этим частицам, населяющим радиационные пояса, «подогревается» как не до конца понятной природой их ускорения в магнитной ловушке Земли, так и их эффективным воздействием на бортовые системы и элементы космических аппаратов. Именно эти частицы являются «киллерами» космических аппаратов, выводя их, частично или полностью, из строя во время усилений геомагнитной активности.
Вскоре после запуска наши коллеги объявили об открытии нового, Третьего радиационного пояса Земли, состоящего из высокоэнергичных электронов, тех самых космических «киллеров». Появившись в зазоре между электронными поясами — на расстояниях 2,5-3 радиусов от Земли в плоскости экватора и просуществовав около месяца, новый пояс исчез.
Однако следует полагать, что на этот раз американцы явно поспешили объявить о «новом» открытии. Впервые потоки релятивистских электронов (вплоть до энергий порядка 15 МэВ!), появляющиеся в зазоре между поясами, наблюдал на спутнике «Космос-900» Е.В. Горчаков с сотрудниками из НИИЯФ МГУ в 1977 году с помощью черенковского детектора. Он связал их появление с высокоскоростными потоками солнечного ветра (см. рис.2, где можно видеть характерные пики (в овалах) — возрастания потоков 15-МэВных электронов в зазоре поясов).
С тех пор подобное явление несколько раз регистрировалось в окрестности нашей планеты. К сожалению, это как раз тот случай, и далеко не единственный, когда замкнутость советской науки помешала обмену знаниями, столь необходимому для мирового научного сообщества.
Об авторе: Михаил Игоревич Панасюк родился в 1945 году. Окончил в 1969 году физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова и с тех пор работает в Научно-исследовательском институте ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ. С1992 года является директором института. Научная работа М.И. Панасюка связана с экспериментальными исследованиями околоземного космического пространства Земли и космических лучей. Проведенные им и сотрудниками его института исследования радиации в околоземном космическом пространстве на космических аппаратах серии «Космос», «Молния», «Горизонт» легли в основу изучения ионного состава радиационных поясов Земли. М.И. Панасюк инициировал работы по изучению космических лучей высоких энергий на спутниках и аэростатах. Уникальные эксперименты по изучению аномальных космических лучей на ИСЗ серии «Космос» привели к обнаружению нового явления в околоземном пространстве — формирования радиационного пояса, состоящего из аномальных космических лучей.