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

НАША ИСТОРИЯ

VI. ПОЛЕТЫ К МАРСУ И ВЕНЕРЕ

После успешных полетов на Луну стало ясно, что ракета способна доставить аппарат к ближайшим планетам Земли и в 1960 году начались работы по созданию автоматических межпланетных станций (АМС) для полетов к Марсу и Венере. Приборы НИИЯФ МГУ здесь предназначались для изучения космических лучей и возможных радиационных поясов Венеры и Марса. Сразу отметим, что ни вблизи Марса, ни вблизи Венеры повышенной радиации обнаружено не было. Главные задачи наших исследований по дороге к планетам состояли в изучения вариаций космических лучей и частиц солнечных вспышек, получивших позже название - солнечные космические лучи. Эти исследования являлись как бы попутными, смежными, хотя и осуществлялись теми же приборами, которые должны были обнаружить радиацию у планет. Так как Венера (и Марс) сближаются с Землей один раз за период их обращения вокруг Солнца, то и интервалы запуска к этим планетам отстоят друг от друга на 1 год 7 месяцев для Венеры и 2 года 1,5 месяца для Марса. В таблицах 2 и 3 приведены возможные годы запусков к этим планетам и отмечены те из них, в которые запуски реально осуществлялись.
Первый запуск к Венере был осуществлен 12 февраля 1961 г. Это была не первая попытка запуска подобной ракеты, но в нашу задачу не входит рассказ о полной картине марсианско-венерианской эпопеи, это увело бы очень далеко. Для желающих подробно ознакомиться с обстоятельствами создания дальних космических ракет в СССР можно рекомендовать книгу Б.Е.Чертoка "Ракеты и люди" (Москва, Машиностроение, 1996 г.).В этой книге описано как в 1960-1962 гг. в СССР было предпринято 10(!) запусков АМС к Марсу и Венере и только два из них можно условно считать успешными. "Венера-1", запущенная 12 февраля 1961 года, прошла недалеко от планеты Венеры, что следует из баллистических измерений ее траектории, но она перестала посылать сигнал через 5 суток после запуска. АМС "Марс-1", запущенная 1 ноября 1962 г., пролетела приблизительно в 200 тыс. км от Марса ( 30 диаметров Марса), но в самом начале полета она потеряла ориентацию и связь с ней осуществлялась только по неориентируемой антенне с малой скоростью передачи информации, зато продолжалась она более 140 суток на расстояниях до 100 млн.км.
На этих АМС для регистрации как космических лучей, в том числе и солнечных, так и возможной захваченной радиации вблизи Венеры и Марса, НИИЯФ МГУ устанавливал по нескольку приборов. Детекторами приборов как и прежде были сцинтилляционные и газоразрядные счетчики, входящие в состав унифицированных блоков, число и различные модификации которых варьировались для разных космических аппаратов в зависимости от условий и возможностей (весовых, объемных, энергетических и телеметрических) на данном космическом аппарате.
Эти многочисленные попытки требовали огромного напряжения наших сил, ведь после каждого неудачного запуска нужно было делать новые ракеты, новые приборы, а спешка и энтузиазм не способствуют качеству работ. Может быть этой ситуацией объясняются и массовые неудачи, которые имели место при попытках послать космические аппараты к Марсу и Венере. Но тот факт, что в США также готовятся к подобным полетам не оставлял шансов на передышку.

В США удачный запуск к Венере был осуществлен 25 августа 1962 г. Космический аппарат "Маринер-2" (запуск "Маринера-1" был в июле 1962 г. и оказался неудачным) в результате прошел 14 декабря 1962 г. вблизи Венеры приблизительно в 40 тыс.км. от нее. Во время полета "Маринера-2" было измерено межпланетное магнитное поле, которое оказалось практически постоянным, 5-10 гамм, на всем протяжении полета. Наиболее важными нужно признать измерения потока частиц солнечного ветра, предсказанного ранее Е.Паркером и впервые измеренного при полете станции "Луна-2" в 1959 году. При полете "Маринер-2" было показано, что солнечный ветер существует постоянно, поток его частиц направлен по радиусу от Солнца, скорость солнечного ветра заключена в пределах 300-700 км/с, достигая иногда 1000 км/с и более. Открытие солнечного ветра и динамических процессов, связанных с ним, явилось крупным достижением исследования космического пространства, изменившим наши представления о его структуре, свойствах и воздействиях на магнитосферу Земли.

Полеты советских АМС "Венера-2,-3" в 1965 году были первыми достаточно удачными. АМС "Венера-2" пролетела вблизи Венеры, а "Венера-3" попала в планету. При полете этих станций наши приборы регистрировали космическую радиацию. 1965 год был годом, близким к минимуму солнечной активности и приборы регистрировали в основном спокойные потоки космических лучей, изредка дополнявшиеся потоками частиц от солнечных вспышек. Так случилось, что одновременно с АМС "Венера-2,-3" проходил полет космического аппарата "Зонд-3", предназначенный для повторного фотографирования обратной стороны Луны (фотоизображения в этом эксперименте имели высокое качество, позволившие получить детальные сведения о рельефе обратной стороны Луны). АМС "Венера-2,-3" летели в сторону Солнца, а "Зонд-3" удалялся от Солнца. Такое одновременное измерение космических лучей в точках, отстоящих на большое расстояние друг от друга, позволило измерить пространственные градиенты потоков космических лучей, которые оказались очень небольшими, около 2-3%/а.е., т.е. при удалении от Солнца поток космических лучей растет незначительно, хотя, если этот градиент сохраняется и на больших расстояниях, то зто значит, что на 50 а.е., например, поток космических лучей будет уже в 2 раза выше, чем около Земли. С точки зрения радиационной опасности такое изменение потока космических лучей можно не принимать во внимание, так как даже полет человека на Марс (~1,5 a.e. от Солнца) является пока проблематичным, а на большие расстояния может быть недостижим вообще. Регистpация солнечных и галактических космических лучей проводилась пpи всех полетах АМС к Венеpе и Маpсу, а также пpи полетах некотоpых межпланетных станций "Зонд". Особенно удачным был полет АМС "Венеpа-4", пpи котоpом измерения проводились на всей трассе полета. В это время был период подъема солнечной активности (1967 год ) и приборы зарегистрировали большое число солнечных событий. Примеры возрастаний потоков протонов в связи с солнечными вспышками приведены на рис. 6.1.

Рис. 6.1 Потоки частиц от нескольких солнечных вспышек в межпланетном пространстве по измерениям на АМС "Венера-4".

На следующих АМС "Венера" также наблюдались различные события в потоках энергичных частиц, однако полет "Венеры-4" оставил самое яркое впечатление, вероятно потому, что это был первый действительно удачный запуск с поступлением интересной информации в течение длительного времени, в том числе и при посадке на Венеру.

В большинстве случаев возрастания потоков частиц были небольшими с невысокой энергией частиц, так что они могли быть зарегистрированы только за пределами магнитосферы Земли, внутримагнитосферные спутники, особенно с небольшим наклоном орбиты к экватору, их не заметили бы из-за отклоняющего действия магнитного поля Земли. На борту АМС "Венера-4" для регистрации протонов и более тяжелых частиц находилось два одинаковых полупроводниковых счетчика, смотрящих в противоположные стороны, что позволяло судить о направлении прихода частиц. Если частицы испускаются Солнцем, то они должны двигаться в сторону от Солнца, причем их движение определяется межпланетным магнитным полем, силовые линии которого обычно имеют форму спирали Архимеда, которая вблизи 1 а.е. составлят угол около 45^o с направлением на Солнце.
Эти силовые линии не бывают абсолютно гладкими, они как-бы состоят из цепи нерегулярностей различного размера, и заряженные частицы на этих нерегулярностях рассеиваются, изменяют направление своего движения, иногда вплоть до полного поворота. В результате такого рассеяния при длительном нахождении в магнитном поле частицы "забывают" откуда они вышли и их угловое распределение становится близким к изотропному или, другими словами, анизотропия потоков в этих случаях равна нулю. Полет АМС "Венера-4" показал, что такая ситуация действительно осуществляется довольно часто, но в то же время иногда приборы, смотрящие в сторону Солнца, несколько часов подряд регистрируют гораздо большие потоки частиц, чем приборы, смотрящие от Солнца. Это означает, что в данных событиях Солнце долгое время, иногда до суток, испускает значительные потоки частиц, а силовые линии межпланетного магнитного поля, на которые попали эти частицы, были достаточно гладкими, без рассеивающих центров, так что частиц, идущих в обратном направлении, оказывалось мало. Такая картина соответствует высокой положительной анизотропии потоков частиц от солнечных вспышек.
Подобные события впоследствии стали регистрироваться достаточно часто, они получили название событий без рассеяния, но на АМС "Венера-4" они были зарегистрированы впервые. Как выяснилось позже /24/, после вспышек на Солнце анизотропия потоков частиц в межпланетном пространстве ведет себя, как правило, вполне регулярно: сначала анизотропия потоков достаточно велика и имеет направление от Солнца вдоль силовой линии магнитного поля, затем уменьшается и становится направленной по радиусу от Солнца, и, наконец, становится направленной перпендикулярно силовым линиям, что связано с дрейфом заряженных частиц в скрещенном магнитном и электрическом полях (электрическое поле возникает при движении магнитных силовых линий вместе с солнечным ветром).

Отметим, что в то время распространение частиц солнечных космических лучей в межпланетном пространстве казалось одним из самых важных (и доступных изучению) явлений и им активно занимались и у нас и за рубежом. В НИИЯФ МГУ новое слово здесь было сказано группой Е.В.Горчакова, которая исследовала процессы распространения частиц методом статистических испытаний. Межпланетная среда представлялась в виде набора рассеивающих центров, распределенных по закону Пуассона, а при взаимодействии частиц с рассеивающими центрами угол рассеяния определялся распределением Гаусса. Частицы могли инжектироваться на различных расстояниях от Солнца, затем случайным образом выбиралось расстояние до встречи с первой неоднородностью, приводящей также к случайному рассеянию и т.д., т.е. разыгрывалась картина, близкая к реальному движению частиц. При инжекции частиц около Солнца результаты расчета хорошо соответствуют диффузионной картине распространения частиц при длине свободного пробега частиц < 1 а.е. При больших пробегах распространение частиц носит уже не диффузионный характер /25/. Впоследствии метод статистических испытаний вошел в широкую практику и с его помощью разыгрывались многие явления на Солнце и в межпланетном пространстве /26/.

Предыдущие полеты около Венеры не дали ответа на вопрос о существовании захваченной радиации вблизи нее. "Венера-4" показала, что у Венеры радиационных поясов нет даже на самых малых расстояниях от планеты: при подлете к Венере скорость счета приборов не возрастала, как было бы в случае существования захваченной радиации, а падала из-за экранировки счетчиков планетой в согласии с геометрией. Этот важный результат согласуется с отсутствием заметного магнитного поля Венеры, измерения которого проводились в этом же полете сотрудниками Института земного магнетизма и распространения радиоволн АН СССР.

По результатам полета АМС "Венера-4" было обнаружено еще одно важное явление, заключающееся в замедлении ударных волн, возникающих при вспышках на Солнце. Дело в том, что при прохождении ударных волн, в области пространства, занимаемой ударной волной, усиливается магнитное поле, которое препятствует проникновению туда заряженных частиц, и регистрирующий потоки заряженных частиц прибор покажет некоторое понижение интенсивности. Аналогично ведут себя и наземные приборы, регистрирующие космические лучи. Таким образом имеются три точки с временными отметками: начала движения ударной волны, в точке нахождения АМС "Венера-4" ( 1,0 - 0,7 а.е. от Солнца ) и на орбите Земли. Зная эти времена и соответствующие расстояния, можно, предполагая, что скорость ударной волны не зависит от направления внутри конуса ее распространения, т.е. что в центре ударной волны скорость такая же, как и вблизи границы занятого ей объема, расчитать средние скорости от Солнца до точки АМС и от точки АМС до Земли. Оказалось, что скорость на первом отрезке всегда была выше, чем на втором, т.е. по мере движения от Солнца вспышечные ударные волны сильно замедляются /27/. Впоследствии измерения скоростей ударных волн проводились многократно более совершенными методами, но первые указания на замедление ударных волн от солнечных вспышек было получено в НИИЯФ МГУ.

Успешный полет АМС "Венера-4" обострил интерес к полетам этих космических аппаратов, спрос на "место" на них увеличился, появилось много заявок на эксперименты, связанные с исследованием планеты. В этой ситуации возможности установки на борт АМС приборов для изучения радиации на трассе полета и около Венеры, а радиационных поясов, как мы показали на АМС "Венера-4", у нее не оказалось, резко ухудшились и только тесный контакт наших сотрудников (Н.Н. Контор) с НПО им. Лавочкина позволил убедить разработчиков АМС,ов, что радиационный контроль в полете необходим, что наблюдавшиеся случаи отказа некоторых систем совпадали по времени со вспышками на Солнце и что именно повышенная радиация была причиной этих отказов. В результате на каждой АМС стала устанавливаться "служебная" аппаратура для контроля уровня радиации в полете. Естественно, что эта аппаратуры использовалась и для научных целей, хотя ее возможности были очень ограничены из-за применения только простейших детекторов и малого объема информации. Тем не менее, проведение систематических измерений однотипной аппаратурой позволило получить некоторые сведения о долгопериодических вариациях солнечной активности и связанных с ней потоков энергичных солнечных частиц, а также провести измерения космической радиации в интересах конструкторов-разработчиков АМС'ов.
Кроме этой служебной аппаратуры на некоторых АМС "Венера" устанавливались более совершенные приборы, позволявшие измерять энергетические спектры электронов, протонов и альфа-частиц. Обработкой этих экспериментов занималась группа наших сотрудников (В.Г.Столповский, Е.И.Дайбог, В.Г.Курт). Им удалось получить ряд новых результатов. Так, сравнение спектра электронов и рентгеновского излучения вспышек, регистрировавшегося на этих же АМС, позволили определить коэффициент выхода электронов из области ускорения /28/. Оказалось, что по условиям выхода ускоренных электронов из области вспышки, все вспышки можно разделить на три типа: 1) выходят все ускоренные электроны, коэффициент выхода К = 1; 2) ускоренные электроны вообще не выходят ( К = 0 ), тратя свою энергию на создание тормозного (рентгеновского) излучения; и 3) промежуточный, наиболее частый случай, когда в межпланетное пространство выходит небольшая часть электронов, около 0,1-1,0% от всех ускоренных во вспышке электронов /29/. Первый случай сейчас ассоциируется с ускорением электронов корональными транзиентами в сравнительно разреженном веществе, где электроны практически не теряют энергию на создание рентгеновского излучения /30/

Измеренные энергетические спектры протонов после пересчета к источнику позволили установить, что во вспышках генерируется гораздо больше частиц данной энергии, чем регистрируется на орбите Земли - сказывается их адиабатическое замедление при удалении от Солнца /31,32/
АМС "Марс-2,-3" были запущены почти одновременно с интервалом в 10 дней в мае 1971 года. Это были гораздо более совершенные аппараты, чем "Марс-1" и они оба достигни Марса и стали его искусственными спутниками. К сожалению, наши приборы, установленные на этих аппаратах, никакой существенно новой информации не дали из-за сбоев в работе измерительного комплекса этих АМС. В 1973 году к Марсу было запущено сразу четыре автоматических станции: "Марс-4,-5,-6,-7". Их работа также была только частично успешной, но в первые недели полета наша аппаратура зарегистрировала интересное событие в энергичных частицах: наблюдалось почти рядовое возрастание потоков частиц после вспышки на Солнце, но с отрицательной анизотропией, т.е. частицы двигались не от Солнца, а в сторону Солнца. Это было интерпретировано как движение частиц по замкнутым силовым линиям межпланетного магнитного поля: вспышка произошла в южной полусфере Солнца, частицы без рассеяния ушли далеко за место расположения АМС, затем вместе с силовой линией повернули к Солнцу и попали в наши приборы /33/. Картина несколько фантастическая, для вспышек на юге Солнца никогда ничего подобного не наблюдалось. Для того, чтобы свести концы с концами, нужно было чтобы силовая линия повернула в сторону Солнца на 2 а.е., в то время как принято думать, что разомкнутые силовые линии простираются на гораздо большие расстояния. Данные спутника "Прогноз-3" для этой же вспышки отрицательной анизотропии не дают, но этот спутник был хоть и недалеко от АМС "Марс-7", но все-таки в другом месте.

Данные с "Венеры-4" показали, что Солнце обладает неисчерпаемым разнообразием как при генерации энергичных частиц, так и в создании условий в межпланетной среде, управляющей их распространением в пространстве. Те потоки частиц, которые мы регистрируем на орбите Земли или в другой точке пространства, определяются как свойствами источника ( вспышки на Солнце ), так и особенностями межпланетной среды, через которую проходят частицы в своем движении от Солнца к периферии гелиосферы.

Рис. 6.2 Диффузионная волна солнечных протонов - временные профили потоков частиц разной энергии на 1 а.е. при импульсном ускорении и выбросе частиц из Солнца (схема).

Распространение частиц вносит существенные коррективы в потоки частиц, имевшие место при их генерации: на орбите Земли мы видим не тот временной профиль потоков, который был при их генерации, искажается их энергетический спектр, часть ускоренных частиц вообще не выходит из Солнца и т.д. Рассмотрим, например, мгновенную генерацию и выброс частиц из Солнца. В простейшем случае диффузионного распространения частиц, на орбите Земли мы увидим растянутый во времени профиль и так называемую диффузионную волну (см. рис. 6.2): сначала приходят частицы больших энергий ( у них больше скорость распространения ), затем меньших энергий и т.д. Сравнение зарегистрированных временных профилей потоков частиц с расчетными диффузионными показывает, что иногда на Солнце действительно происходят мгновенные выбросы частиц, которые затем распространяются диффузионно, как, например, во вспышке 22 ноября 1977 г. и ряде других.

Как видно из таблиц 2 и 3 конкуренция между СССР и США протекала очень бурно и по прошествии многих лет можно констатировать, что в исследовании Венеры СССР несколько опережал США как по числу успешных запусков, так и по решаемым задачам, в то время как в исследовании Марса пальму первенства безусловно нужно отдать США. Особенно успешными здесь являлись полеты аппаратов Viking и запущенные в 1996 году аппаратов Мars Global Surveyor и Mars Pathfinder.

Можно сделать и более общее заключение о соревновании СССР и США в исследовании далекого космоса: американские космические аппараты оказались гораздо более долгоживущими, чем советские и в США лучше поставлена дальняя космическая связь, примерами чего могут служить зонды Pioneer-10,-11 и Voyader-1,-2, которые улетели на огромные расстояния (Pioneen-10 до 70 а.е.) и продолжали посылать информацию в течение 20-25 лет, а связь с некоторыми из них не прекратилась до настоящего времени. Недаром в одном из проектов полета человека на Марс обсуждался вариант советских ракет для вывода тяжелого аппарата к Марсу и американского оборудования для систем дальней связи и управления таким аппаратом. Сейчас стало очевидным, что одна страна не может справиться с такой грандиозной задачей, как полет на Марс или другие планеты и требуются усилия многих, причем естественно, что каждая из стран дает то, в чем она наиболее преуспела.
Особенно интересными для изучения явлений в межпланетном пространстве являются космические аппараты Ulysses и SOHO. Ulysses уже дважды пролетел почти над полюсами Солнца и через пять лет повторит этом маневр, а аппарат SOHO постоянно находится между Землей и Солнцем, регистрируя все события в энергичных частицах в свободном от влияния магнитосферы Земли пространстве. В СССР и в России таких аппаратов еще не было.

ТАБЛИЦА 2   СТАРТЫ К ВЕНЕРЕ

ТАБЛИЦА 3   СТАРТЫ К МАРСУ

Год	Дата запуска	Космический аппарат	Успешность полета
1962	01.11	Марс-1	Пролет около Марса (197 т.км), измерения на трассе полета
1964	23.11	Маriner-4	Пролет около Марса (10 т.км), измерения на трассе полета
1969	25.02	Маriner-6	Пролет около Марса (3,4 т.км), измерения на трассе полета
1969	27.03	Маriner-7	"-"
1971	19.05	Марс-2	Посадка на поверхность и искусственный спутник Марса, измерения на трассе полета
1971	28.05	Марс-3	"-"
1971	30.05	Маriner-9	Искусственный спутник Марса, измерения на трассе полета
1973	21.07	Марс-4	Пролет около Марса (2,2 т.км), измерения на трассе полета
1973	25.07	Марс-5	Искусственный спутник Марса, измерения на трассе полета
1973	05.08	Марс-6	Посадка на поверхность Марса, измерения на трассе полета
1973	09.08	Марс-7	Пролет около Марса (1,3 т.км), измерения на трассе полета
1975	20.08	Viking-1	Viking-1 Искусственный спутник Марса, мягкая посадка на Марс, работа на орбите и поверхности Марса более 5 лет
1975	09.09	Viking-2	"-"
1988	07.07	Фобос-1	Связь с аппаратом неустойчивая
1988	12.07	Фобос-2	Искусственный спутник Фобоса, измерения на трассе полета
1996	07.11	Mars Global Surveyor	Искусственный спутник Марса, измерения на трассе полета
1996	16.11	Марс-96	Аппарат не вышел на орбиту
1996	04.12	Mars Pathfinder	Посадка на Марс марсохода, длительные измерения на поверхности Марса
Примечание 1		В 1967, 1977, 1980, 1982, 1984, 1986, 1990, 1992 и 1994 гг. окна запусков использованы не были.
Примечание 2		После 1996 года запусков к Марсу не было.

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