Основные этапы развития исследований по космофизике в НИИЯФ МГУ

В истории советской и мировой космофизики трудно найти такую личность как академик С.Н.Вернов, в которой столь удачно сочетались бы неистовая увлеченность наукой, стремление познать неизвестное, великолепные организаторские способности, умение работать в коллективе и с коллективом и высочайшая научная продуктивность в работе. Сергей Николаевич Вернов (1910 - 1982 г.г.) провел первые работы по изучению космических лучей в самом начале 30-х годов, и с тех пор и до последних лет своей жизни эта тематика оставалась доминирующей в сфере его научных интересов. Напомним, что космические лучи были открыты в начале 20-го века, и в этом смысле С.Н.Вернов является ровесником открытия космических лучей.
К началу 30-х годов о космических лучах было известно лишь то, что на атмосферу Земли из внешнего пространства падают проникающие потоки излучений, в состав которых входят и заряженные частицы. Указание на наличие заряженных частиц было получено по широтному эффекту, измерения которого проводились в наземных условиях и дали небольшую величину эффекта (около 10% при изменении широты от 0 до 50 градусов). Таким образом, к началу творческой деятельности С.Н.Вернова был лишь установлен факт существования космических лучей, а вопросы состава, вариаций, происхождения и другие оставались неясными. С.Н.Вернов своевременно оценил сложившуюся ситуацию и сразу же включился в исследование нового явления самым активным образом. В частности, С.Н.Вернов с самого начала понимал, что физику космических лучей следует по возможности изучать в областях, ближе расположенных к их источнику. Применительно к 30-м годам это означало проведение исследований в стратосфере. С.Н.Вернов для регистрации космических лучей в стратосферных условиях, приспосабливает метеорологические радиозонды, разработанные ранее под руководством профессора П.А.Молчанова. Здесь важно было обеспечить пеpедачу по pадио не только сведений о высоте полета (давлении) и темпеpатуpе, но и о дpугих паpаметpах, относящихся к космическим лучам. В pезультате С.Н.Веpнов создал "солидный" пpибоp, весом около 10 кг, котоpый поднимался связкой резиновых шаpов до высот около 30 км, а pезультаты измеpений пеpедавались по pадио, что не тpебовало спасения пpибоpа, т.е. можно было пpоводить полеты в любых местностях и даже над океаном. Это был пpообpаз совpеменных автоматических аппаpатов с pадиотелеметpической системой, проводящих теперь измерения в стратосфере и в космическом пpостpанстве. Таким образом, С.Н.Вернов впервые в мире предложил новую методику стратосферных измерений, которая оказалась весьма плодотворной и успешно используется до настоящего времени.

В начале пути: А.Е. Чудаков, Н.Л. Григоров, С.Н. Вернов, , , А.Н. Чарахчьян, ,

Естественно, что сама по себе идея радиозонда решает только вопрос о беспилотных полетах и передаче информации на Землю. Для реализации эксперимента нужно было еще разработать надежную, легкую и недорогую регистрирующую аппаратуру и обеспечить нормальные условия для ее функционирования, так как пониженное давление могло вызвать электрические пробои, отрицательная температура также могла нарушить нормальную работу и т.д. Все эти трудности были преодолены, и с помощью радиозондов в 30-е и последующие годы были получены принципиально новые результаты, среди которых необходимо в первую очередь отметить измерение высотного хода интенсивности космических лучей на разных широтах (Ленинград, Ереван в 1936 г., экватор в 1937-38 гг. с борта теплохода "Серго"). В результате этих экспериментов было выяснено, что на больших высотах широтный эффект составляет не 10% как на уровне моря, а сотни процентов, что свидетельствует о том, что космические лучи состоят в основном из заряженных частиц, и их интенсивность с ростом энергии значительно уменьшается. Подобные разрезы по высоте на разных широтах С.Н.Вернов использует для определения энергетического спектра первичных космических лучей. Это возможно сделать с использованием теории Штермера по проникновению заряженных частиц с энергией больше некоторой в поле диполя. Тогда, проводя измерения на разных широтах, нетрудно определить интервал энергии частиц, обуславливающий разницу в зависимости интенсивности от высоты для разных широт, и энерговыделение, связанное с этими частицами. Следовательно, указанным способом сравнительно просто определяется как интегральный, так и дифференциальный спектры частиц, падающих на атмосферу. Однако, роль геомагнитного поля в изучении космических лучей этим не ограничивается. Дело в том, что в зависимости от знака заряда частиц их интенсивность в восточном и западном направлении будет существенно разной. Этот эффект особенно сильно выражен на экваторе и носит название восточно-западной ассиметрии.

В 1949 г. под руководством С.Н.Вернова в районе экватора (теплоход "Витязь") были проведены измерения асимметрии в интенсивности космических лучей в стратосфере. Оказалось, что заряженные частицы главным образом приходят с западного направления, следовательно, имеют положительный заряд и являются протонами. Однако еще до проведения этого эксперимента по инициативе С.Н.Вернова в ФИАН'е, а затем и в НИИЯФ МГУ создается специальная группа для исследования космических лучей на больших высотах с помощью ракет. Для реализации этой программы С.Н.Вернов входит в контакт с С.П.Королевым. В результате проведенных исследований был получен ряд совершенно новых результатов, а главное был накоплен значительный опыт по разработке сложной аппаратуры, предназначенной для исследования излучений в условиях космического постранства. <
Помимо высотных измерений, которые описаны выше и которые найдут дальнейшее и очень мощное принципиально новое развитие с помощью космической техники, следует также отметить наземные установки для изучения космических лучей. В первую очередь это относится к созданию по инициативе С.Н.Вернова в 50-е годы сети станций для наблюдения вариаций энергичной компоненты космических лучей. Эта сеть станций размещалась на территории Советского Союза, была оснащена современной аппаратурой, включая нейтронные мониторы, и стала составной частью мировой сети станций, предназначенных для регистрации космических лучей. В эти и последующие годы были приняты решения о строительстве ряда установок (Москва, Самарканд, Якутск) по изучению широких атмосферных ливней космических лучей. Установки создавались в первую очередь для изучения элементарных взаимодействий в области энергий, превышающих возможности ускорителей. Однако космофизический аспект исследований также играл определенную, а, возможно, и доминирующую роль: изучение энергетического спектра частиц и его особенностей, изучение химического состава и анизотропии космических лучей при высоких и сверхвысоких энергиях, а также определение максимальных энергий частиц, представленных в космических лучах. Именно эти данные, наряду с астрофизическими и астрономическими сведениями, являются основой для решения таких важных вопросов, как происхождение космических лучей, разделение их на частицы галактического и внегалактического происхождения, условий распространения космических лучей, времени их жизни и т.д. Все эти вопросы остаются актуальными и до настоящего времени, однако новые возможности, связанные с изучением космических лучей непосредственно с помощью космических аппаратов не могли остаться в стороне от научных интересов С.Н.Вернова.

К сожалению, С.Н.Вернов не имел информации о запуске первого советского ИСЗ, и этот спутник не был укомплектован научной аппаратурой, в том числе для изучения космических лучей. Такая аппаратура, предназначенная для изучения космических лучей, впервые была установлена на втором советском ИСЗ, благодаря оперативному вмешательству С.Н.Вернова, а третий советский ИСЗ был уже укомплектован обширным набором аппаратуры, в том числе и для регистрации космических лучей малых энергий с помощью сцинтилляционного счетчика. Именно с помощью этого спутника был открыт внешний радиационный пояс Земли (траектории первых американских спутников, открывших области повыщенной радиации в экваториальных широтах, имели небольшой угол наклона орбиты и не пролетали над полярными районами) и подтверждены полученные при полете американских спутников сведения о внутреннем радиационном поясе Земли.

Следующий шаг в изучении радиационных поясов Земли (РПЗ) обеспечили полеты автоматических станций по лунной программе. Первые две станции (Луна-1 и Луна-2) пролетали по близким траекториям, пронизывающим пояса радиации от поверхности Земли до внешних границ. Эти полеты позволили определить протяженность поясов в пространстве (они наблюдались на расстояниях вплоть до 10 радиусов Земли) и степень их стабильности во времени. Оказалось, что профиль интенсивности радиации от полета станции Луна-1 ко времени полета станции Луна-2 очень сильно изменился: положение максимума радиации внешнего радиационного пояса сдвинулось, форма пояса изменилась. Это было первое указание на изменчивость РПЗ, в дальнейшем этому вопросу посвящены серьезные исследования.

Исходя из высотной зависимости интенсивности для данной силовой линии (с ростом высоты или уменьшением напряженности магнитного поля интенсивность заряженных частиц возрастает) и долготной зависимости (на данной высоте максимальная интенсивность наблюдается в районах с пониженной напряженностью магнитного поля), сразу был сделан вывод о том, что обнаруженная радиация представляет собой потоки заряженных частиц, захваченных геомагнитным полем. Еще раз подчеркнем, что для этого вывода достаточно было получить сведения о пространственном распределении частиц в геомагнитном поле, однако каким образом, за счет действия каких механизмов образовались эти потоки, оставалось неясным. Своеобразным препятствием к пониманию процесса происхождения этих потоков служило представление о дипольном характере геомагнитного поля, которое во время магнитных бурь естественно испытывает вариации, но в целом остается достаточно стабильным, и, следовательно, в таком поле по теории Штермера не могут задерживаться и накапливаться частицы, приходящие из межпланетного пространства. Поэтому одной из первых гипотез образования радиационных поясов Земли была гипотеза их образования за счет действия нейтронного механизма. Уже на Ассамблее Международного геофизического года в июне 1958 г. С.Н.Вернов и А.И.Лебединский излагают предположение об образовании радиационных поясов за счет распада нейтронов, рожденных в верхних слоях атмосферы в результате ядерных реакций от первичных космических излучений.
Нейтроны не чувствуют влияния магнитного поля, разлетаются практически во все области околоземного пространства, и в результате распада образуют электроны и протоны, которые захватываются геомагнитным полем. Однако такой механизм может объяснить потоки радиации в экваториальных районах, в которых время жизни частиц очень велико (десятки лет), и даже такой маломощный источник, как распад нейтронов альбедо, обеспечивает значительные потоки захваченных частиц.

После заседания, посвященного 40-летию запуска первого спутника (октябрь 1997)
2й ряд: В.Г. Столповский, С.Н. Кузнецов, М.В. Тельцов, В.Я. Ширяева, О.Ю. Нечаев
1й ряд: И.А. Рубинштейн, Э.Н. Сосновец, П.В. Викулов, Ю.И. Логачев, Е.В. Горчаков, И.Д. Рапопорт, П.И. Шаврин
Внизу сидят: А.Е. Чудаков, Н.Л. Григоров

В 1960 г. в Советском Союзе были произведены запуски кораблей-спутников. Корабли-спутники были снабжены запоминающими устройствами, что позволило получить распределение радиации практически над всей поверхностью земного шара. Данные кораблей-спутников показали, что в южном полушарии имеются области, где захваченная радиация регистрируется даже на высотах, меньших 300 км.
Оказалось, что области повышенной радиации всегда совпадали с областями отрицательных аномалий в магнитном поле Земли, т.е. с областями, напряженность магнитного поля которых оказалась ниже, чем в областях, расположенных на тех же геомагнитных широтах и долготах в южном и северном полушарии.

Захваченные частицы при колебаниях вдоль силовых линий магнитного поля отражаются всегда при одном и том же значении магнитного поля В, определяемого питч-углом, т.е. углом между вектором скорости частицы и вектором магнитного поля (например, на экваторе). Если на одной и той же силовой линии в Северном и Южном полушарии одинаковые значения равных напряженностей магнитного поля достигаются на разных высотах, то частица также будет отражаться на разных высотах. Именно это и имеет место в районах магнитных аномалий.
Следовательно, частицы, движущиеся вокруг Земли, в основном находятся на значительных высотах, и только при входе в области отрицательных аномалий на время “ныряют” в глубокие слои атмосферы. Так как в глубоких слоях атмосферы частица проводит малую часть времени, то она не успевает поглотиться.

Данные кораблей-спутников позволили определить дозу радиации на этих высотах, где спустя год совершил первый полет Ю.Гагарин. Эта доза оказалась меньше 20 мрад/сутки, что не представляет опасности для здоровья человека. В дальнейшем измерение доз радиации проводилось при каждом полете космонавтов, изучена зависимость этой дозы от высоты полета, уровня солнечной активности и других эффектов (частицы от солнечных вспышек). Следует особо отметить, что впервые вспышка за пределами атмосферы Земли была зарегистрирована в 1958 г. при полете советского ИСЗ-3. Причем эта вспышка оказалась очень мощной и долгое время не имела подобных аналогов.

В области внешнего радиационного пояса Земли потоки частиц достаточно велики, а время их жизни, как правило, не превышает месяца. В таких условиях требуется значительно большая мощность механизма инжекции и такому условию удовлетворяют процессы, связанные с взаимодействием солнечной плазмы и геомагнитного поля. С.Н.Вернов для выяснения возможных механизмов ускорения частиц привлекал таких выдающихся ученых как академик М.А.Леонтович, академик В.И.Векслер и др. В результате этих контактов исследованием геомагнитно-захваченной радиации заинтересовался один из учеников М.А.Леонтовича, который и создал впоследствии количественную теорию радиационных поясов - Б.А.Тверской.

Значительный интерес представляет структура РПЗ на малых высотах. С 1961 года в СССР началась программа исследований околоземного пространства на спутниках серии “Космос”. Сергей Николаевич Вернов сразу оценил возможности таких спутников и уже на ИСЗ “Космос-17” был установлен большой комплекс аппаратуры для изучения захваченной радиации. В это время в научный обиход стали входить инвариантные координаты магнитного поля, предложенные Мак Илвайном. При этом данные, полученные в любой точке пространства, могут рассматриваться как относящиеся ко всем точкам с такими же значениями L-параметра магнитной оболочки, и напряженности магнитного поля В. Расчет этих координат представляет сложную математическую задачу и Сергей Николаевич Вернов энергично внедрил их в нашу практику. Полет спутника “Космос-17” дал возможность оценить точность L, В-координат, показал, что на каждой L-оболочке существуют минимальные высоты, ниже которых захваченные частицы не опускаются. Получен также важный вывод о том, что потоки электронов и протонов управляются величиной остаточной атмосферы, так что выполняется закон J~1/r, где J - поток частиц, r - плотность атмосферы. Использование этого закона впоследствии позволило сделать вывод о постоянстве потоков электронов высокой энергии, существующих в верхних слоях атмосферы: их рождение пропорционально количеству вещества (r), а гибель обратно пропорциональна (1/r), так что число существующих частиц не будет зависеть от r, т.е. от высоты над поверхностью Земли. Эксперимент, выполненный на ИСЗ “Космос 17”, позволил подробно изучить роль аномалии магнитного поля в поглощении частиц и динамику их пополнения за время дрейфа вокруг Земли.
Особенно следует отметить эксперимент, проведенный под руководством С.Н.Вернова в 1964 г. на спутниках серии "Электрон". Эти спутники были запланированы для изучения не только радиационных поясов, но и других явлений, происходящих в магнитосфере Земли.
Эксперимент прошел очень успешно, и значение полученных результатов для понимания и дальнейшего исследования космического пространства трудно переоценить.

Система спутников “Электрон” состояла из двух аппаратов: низкого и высокого. Это позволило впервые изучить практически всю область радиационных поясов Земли от малых высот до границы магнитосферы. На обоих ИСЗ размещались идентичные детекторы, что давало возможность получать легко сопоставимые результаты в различных точках пространства. Эксперимент на ИСЗ серии “Электрон” совпал с минимумом цикла солнечной активности. В этот период солнечные события и геомагнитные возмущения проходили достаточно редко и радиационный пояс Земли длительное время находился в спокойном, стационарном состоянии. В таком состоянии наиболее отчетливо проявляются основные пространственно-энергетические особенности распределения частиц, захваченных в геомагнитную ловушку. Именно поэтому результаты спутников серии “Электрон” послужили экспериментальной базой, на основе которой Б.А.Тверским была разработана и проведена первая апробация теории формирования радиационных поясов Земли, хотя были рассмотрены и иные ситуации.
Для пpоведения этих исследований С.Н.Веpнов пpивлекал многих молодых сотpудников, котоpые к этому моменту стали уже достаточно самостоятельными и пополнили ряды школы космофизики, создаваемой С.Н.Веpновым. К таким сотpудникам, кpоме автоpов данной статьи, относятся экспеиментатоpы Э.Н.Сосновец и В.Г.Столповский, теоpетики В.П.Шабанский и Б.А.Твеpской, а также их коллеги и помошники. В пpоведение дозиметических pабот большой вклад внесли И.А.Савенко, Н.Ф.Писаpенко, П.И.Шавpин и В.Е.Нестеpов. Многие из них пpодолжают исследования pадиации в космосе и сами уже являются pуководителями научных подpазделений. По меpе pазвития исследований космофизическая школа С.Н.Веpнова пpодолжала pасшиpяться и ниже будут упомянуты новые участники этой школы.

После открытия радиационных поясов Земли, их экспериментальных исследований и выяснения основных закономерностей их образования и динамики одним из главных направлений научной стратегии С.Н.Вернова стало исследование космических лучей вне магнитосферы Земли, в межпланетном пространстве. Это было основано, в частности, на глубоком понимании определяющей роли солнечной активности для процессов распространения и модуляции солнечных и галактических космических лучей.

Планируемые тогда полеты АМС к Венере, Марсу и Луне давали возможность использовать многомесячное движение станций по траектории полета к конечной цели для получения информации о космических лучах. Но для выполнения этой задачи было необходимо создать высоконадежную аппаратуру, имеющую малый вес и малое потребление электроэнергии.

С.Н.Вернов считал, что для таких экспериментов основным детектором должен быть простой газоразрядный счетчик. Этот детектор был основой аппаратуры, и при самых жестких условиях с весом и энергопотреблением такой блок, весивший лишь 0,5 кГ, всегда мог быть установлен на космическом аппарате. Под защитой оболочки станции он регистрировал протоны с энергией больше 30 МэВ и электроны с энергией больше 2 МэВ. При отсутствии солнечных вспышек прибор служил детектором галактических космических лучей (ГКЛ), а при вспышках на Солнце регистрировал возрастания солнечных космических лучей (СКЛ).
Другим простым и надежным детектором был полупроводниковый счетчик, который позволял при его установке вне гермоотсека станции регистрировать протоны с энергией 1-5 МэВ. Такое сочетание детекторов обеспечивало весьма широкий энергетический диапазон для СКЛ и высокую эффективность (чувствительность) по сравнению с наземными и даже стратосферными измерениями. Одновременная регистрация СКЛ и ГКЛ позволяла иметь косвенные сведения о вариациях межпланетного магнитного поля и несущего его солнечного ветра. Впоследствии эта методика привела к созданию целого направления - диагностики межпланетной среды (гелиосферы), а через нее и диагностики некоторых процессов солнечной активности.

Исследование межпланетного пространства началось с полета АМС "Зонд-3", а через 5 месяцев, в ноябре 1965 г., стартовали АМС "Венера-2 и-3". Совместный полет трех станций окончился в январе 1966 года. Во время этих одновременных измерений и при движении станций в разные стороны от орбиты Земли с помощью одинаковой аппаратуры удалось с точностью 0,4 % определить радиальный (3,6 % на 1 а.е.) и спиральный градиенты интенсивности ГКЛ для протонов с пороговой энергией 30 МэВ. Изучение отдельных вариаций интенсивности ГКЛ и СКЛ показало сложную зависимость их от времени и гелиоцентрических координат. В октябре 1965 г. удалось зарегистрировать первое в процессе полета возрастание протонов СКЛ с энергией 1-5 МэВ и более 30 МэВ от сильной солнечной вспышки.

В 1966 г. еще один важный эксперимент - станция "Луна-9". Это первая мягкая посадка, первая панорама лунного ландшафта и первая проба радиации на Луне нашим простейшим прибором с газоразрядным счетчиком СТС-5. Но этот простейший прибор дал оценку корпускулярного альбедо и обнаружил, что радиоактивность Луны не превосходит земную. Отсутствие радиационных поясов у Луны была показано еще в 1959 г. на станции Луна-2.
Следует отметить, что начиная с 1958 г. с помощью газоразрядного счетчика, установленного на станциях "Луна-1-8", "Марс-1", "Зонд -1-2", появилась возможность изучать 11-летний ход интенсивности ГКЛ. Использование КА оказалось весьма эффективным для исследования указанных вариаций и эта методика используется до настоящего времени.

Следующий важный этап в методике эксперимента и в развитии модельных представлений о распространении СКЛ связан с полетом АМС "Венера-4" в 1967 г. На этой станции удалось установить два детектора протонов с энергией 1-5 МэВ и ориентировать их на Солнце и в противоположную сторону. Такая методика позволила измерять анизотропию потока СКЛ в двух главных направлениях: от Солнца и к Солнцу.
После вспышки 1 августа, произошедшей в западной части диска Солнца, наблюдалась анизотропия 96% в течение 16 часов, обратный поток повторял форму прямого, но отставал по фазе, что указывало на групповое отражение от зеркала, расположенного за детектором. Спустя шесть лет в сентябре 1973 г. на АМС "Марс-4-5-6" была более детально изучена аналогичная ситуация в диапазоне энергий 1-500 МэВ. Удалось показать существование системы корональных и межпланетных петель (до 6 а.е.), соединяющих активные области обоих полушарий Солнца. Коллимированное движение СКЛ по ним обусловило наблюдение длительной знакопеременной анизотропии. Чаще, однако, наблюдаются явления без большого числа возвратных частиц. Так на "Венере-4" после серии из трех вспышек в восточной части диска Солнца три импульса СКЛ наблюдались одновременно с тройным форбуш-эффектом в ГКЛ, запаздывающим на 1-3 дня относительно солнечной вспышки. Вариации анизотропии составляли только 10-20%. В других, последующих случаях также наблюдались значительные потоки СКЛ вплоть до энергии 500 МэВ, совместно с форбуш-эффектами в ГКЛ. Форбуш-эффекты в космических лучах тесно связаны со вспышечными выбросами и ударными волнами. Одновременные измерения в разных точках пространства нашими простейшими приборами интенсивности космических лучей давали возможность определять скорость перемещений ударных волн в пространстве, определять их замедление в процессе распространения. Эти вопросы недаром интересовали С.Н.Вернова и его учеников, в настоящее время выбросы коронального вещества (корональные транзиенты) и ударные волны считаются основными факторами, вместе с солнечным ветром, формирующими структуру межпланетного поля во всей гелиосфере. C этими же явлениями связано и ускорение заряженных частиц как вблизи Солнца, так и на периферии гелиосферы, протяженность которой достигает 100 а.е. Здесь образовалась группа сотрудников-энтузиастов, обеспечивших успех этого направления исследований: Контор Н.И., Чучков Е.А. и др.

Во второй половине 60-х годов Сергей Николаевич Вернов начал работать над созданием сети спутников, проводящих систематические исследования космической радиации. В основу этих исследований были положены специализированные спутники серии “Прогноз” и серийные спутники связи, навигации и телевидения “Молния” и “Космос”. Таким образом осуществлялся мониторинг околоземной космической среды от высот 1000 км до 200 тыс.км. Поскольку разработка и создание научных спутников требовали больших затрат, то идея Сергея Николаевича состояла в том, чтобы использовать резерв веса на серийных спутниках, который всегда образуется после завершения опытно-конструкторских испытаний первых образцов спутников. Этот резерв иногда может достигать нескольких десятков кГ, что позволяет разместить на аппарате достаточно сложную и информативную аппаратуру. При реализации этой идеи опять-таки проявилась исключительная способность Сергея Николаевича находить общий язык с главными конструкторами космических систем и аппаратов. В частности исключительно плодотворным оказалось многолетнее сотрудничество Сергея Николаевича (вплоть до своей кончины) с Главным конструктором Красноярского КБ, академиком Михаилом Федоровичем Рещетневым. В результате аппаратура НИИЯФ МГУ устанавливается до настоящего времени на многих спутниках, разрабатываемых в этом КБ, таких как ИСЗ серий “Глонасс”, “Горизонт”, “Экспресс”, “Галс”. Благодаря этим экспериментам был получен целый ряд фундаментальных результатов в области физики магнитосферы Земли.

На ИСЗ серии “Молния-1,2” впервые надежно был установлен факт асимметричной инжекции ионов кольцевого тока в период развития магнитосферных суббурь. Тем самым было экспериментально подтверждена концепция о важной роли магнитосферных электростатических полей в процессах инжекции и ускорения частиц во время геомагнитных возмущений.
На ИСЗ серии “Космос” была детально исследована динамика проникновения низкоэнергичных (1-5 МэВ) солнечных протонов в магнитосферу Земли. Был разработан метод диагностики состояния основных структурных образований магнитосферы Земли по данным о низкоэнергичных СКЛ. По результатам наблюдения северо-южной асимметрии низкоэнергичных СКЛ над полярными шапками получены подтверждения в пользу “открытого” характера магнитосферы Земли (по крайней мере в периоды наблюдений).
На ИСЗ серии “Горизонт” с помощью оригинальных методик, разработанных в НИИЯФ МГУ, детально исследован ионный и зарядовый состав кольцевого тока. Обнаружены случаи преобладания потоков ионов О+ над ионами Н+. Сделан принципиальный вывод о важной роли ионосферы, наряду с солнечным ветром, в формировании плазменных оболочек магнитосферы Земли на больших высотах.
Многие из этих результатов были получены усилиями таких исследователей как С.Н.Кузнецов, М.И.Панасюк, А.С.Ковтюх, Л.В.Твеpская и дp., а также теоpетики А.А. Антонова, И.В.Гетлинг, И.С.Веселовский, А.П.Кропоткин и др.
Особо следует отметить роль спутников серии “Прогноз”. Эти спутники позволяли параллельно с наблюдениями во внутренней части магнитосферы Земли осуществлять измерения в “чистом” межпланетном пространстве и в удаленных областях магнитосферы. С помощью этих спутников было показано, что Солнце, во время вспышек, всегда ускоряет не только электроны, но и протоны, т.е. чисто электронных вспышек, о которых говорили в начале семидесятых годов, не существует, во всех случаях ускоряются и электроны и протоны, причем их спектр по кинетическим энергиям почти одинаков. Этот важный вывод позволил исключить из возможных механизмов бетатронное ускорение частиц, при котором электроны ускоряются наиболее эффективно. На спутниках “Прогноз” были измерены энергетические спектры протонов, обнаружено их адиабатическое замедление при распространении в межпланетном пространстве, изучены различные моды распространения солнечных частиц: диффузионная, когерентная, без рассеяния и их суперпозиция, причем часть этих мод была обнаружена впервые (когерентное распространение). Сергей Николаевич Вернов всегда внимательноо анализировал новые результаты, его роль в формировании нашего мировоззрения невозможно переоценить.

Кроме изучения РПЗ и солнечных космических лучей за пределами атмосферы по инициативе С.Н.Вернова были проведены исследования КЛ высокой энергии (>1012 эВ) при полете тяжелых спутников “Протон”.В КБ “Челомея” к 1965 г. была создана очень мощная ракета “Протон”, которая должна была быть испытана с массивной весовой нагрузкой (20 т.песка). Сергей Николаевич настоял, чтобы вместо песка была поставлена наша тяжелая аппаратура для регистрации отдельных космических частиц очень большой энергии (до 1015 эВ). Такая аппаратура была создана в НИИЯФ МГУ и в 1965 году было произведено два полета спутников “Протон”, а в 1966 и 1968 г.г. еще два. Эти полеты показали, что суммарный спектр всех частиц для энергии >1012 эВ имеет такой же наклон как и в области энергий меньших 1012 эВ, что не противоречило имевшимся косвенным данным, а спектр протонов резко “загибался”, что представлялось совершенно неожиданным. Если бы этот результат подтвердился, это было бы важным открытием. Однако, было обращено внимание на то, что с увеличением энергии протона аппаратура с увеличивающейся вероятностью принимала его за более тяжелое ядро, что объяснялось появлением в массе прибора большого числа вторичных частиц, движущихся во всех направлениях, в том числе и снизу-вверх (обратный ток), которые с первичным протоном в детекторе заряда частиц переводили протон в категорию гелия или, что менее вероятно, в еще более тяжелое ядро. К сожалению, предполетная градуировка на таких энергиях была невозможна, а расчеты проведены не были, поэтому вопрос остался открытым. Он открыт и до сих пор, несмотря на многочисленные обсуждения, которые Сергей Николаевич Вернов провел со многими ведущими учеными страны, и несколько попыток экспериментальной проверки наблюдаемого эффекта. Эта проблема до сих пор стоит в плане космических исследований, что прежде всего объясняется важностью принципиальных выводов, следующих из несовпадения спектров протонов и остальных частиц.
Это напpавление исследований космических лучей также сопpовождалось возникновением новой ветви школы С.Н.Веpнова, котоpую возглавлял Н.Л.Гpигоpов. В состав этой ветви космофизической школы входили: И.Д.Pапопоpт, В.Я.Шестопеpов, В.И.Зацепин и дp. Создание ионозационных калоpиметpов тpебовало тщательных pасчетов, котоpые пpоводились гpуппой теоpетиков под pуководством И.П.Иваненко. Успехи этих исследований в ближайшие годы должны дать ответ на вопpос о фоpме спектpа пpотонов первичных космических лучей.

Подводя итог влияния С.Н.Вернова на становление и развитие космофизической науки, необходимо отметить его роль не только как выдающегося ученого, получившего множество непревзойденных результатов, но и как замечательного организатора, умевшего создавать творческую, плодотворную обстановку в научных коллективах. Он никогда не был чисто кабинетным ученым. Его отличительной чертой были стремление и умение привлечь к обсуждению беспокоивших его научных проблем широкий круг специалистов. Особенно ярко это качество проявилось в проведении семинаров. Таких семинаров, в работе которых С.Н.Вернов принимал активное участие, было много. Причем спектр их был очень широк. Это и общемосковский семинар по космофизике НИИЯФ МГУ, и всесоюзный семинар по более широкому кругу проблем в Институте прикладной математики, руководителем которого был также С.Н.Вернов (в работе семинара участвовал М.В. Келдыш). Это и Международный ленинградский семинар, и школа по космофизике (г. Аппатиты), и др. Наряду с такими официальными семинарами было великое множество "малых" семинаров, которые зачастую возникали спонтанно, и в работе которых принимало участие несколько человек. К организации семинаров любого ранга С.Н.Вернов относился одинаково серьезно и проводил их с полной самоотдачей. С.Н.Вернов принадлежал к той редкой категории ученых, которые никогда не боялись конкуренции и с удивительной щедростью делились своими знаниями, мыслями, идеями и соображениями. >
Давно нет с нами С.Н.Вернова, мы постоянно его вспоминаем как замечательного руководителя, организатора, учителя. Приятно было встречаться с ним, видеть его взгляд, знать, что этот человек в трудную пору всегда поможет. С.Н.Вернов был уникальной личностью, и вся его жизнь была посвящена науке.
После кончины С.Н. Вернова его ученики и коллеги продолжили космофизические исследования с целью решения новых актуальных задач.
Продолжается мониторинг плазменных оболочек магнитосферы на спутниках серии "Горизонт", "Глонасс", "Экспресс", "Галс", продолжается изучение солнечных космических лучей и процессов их генерации с помощью аппаратуры, размещенной на ИСЗ "Прогноз", "Коронас И", "Интербол", на орбитальной станции "Мир".
Ранее продолжались также мониторные исследования динамических эффектов солнечной активности ("Венера-13-16", "Вега-1-2", "Фобос-1-2", ИСЗ "Гранат"). Исследовались эффекты модуляции галактических космических лучей, связанные с секторной структурой гелиосферы ("Космос 900").
Были продолжены работы, начатые еще С.Н.Верновым по космическому материаловедению, в том числе по изучению электризации высокоорбитальных космических аппаратов, по изучению функциональных сбоев в элементах микроэлектроники. Начались работы по изучению "космического мусора", т.е. объектов искусственного происхождения в околоземном пространстве и их воздействию на это пространство.

Энтузиастами и постоянными участниками этих исследований являлись И.Б.Теплов и А.И.Акишин. Сейчас это напpавление исследований возглавляет Л.С.Новиков.

В дальнейшем планируется проведение ряда экспериментов как на аэростатах, так и на спутниках по изучению проникающей радиации в области внутреннего радиационного пояса, по исследованию космических лучей с энергиями больше 1012 эв для определения их химического состава, тесно связанного с процессами генерации и распространения частиц таких энергий и т.д.

Из наиболее значительных достижений за последние 15 лет следует в первую очередь выделить два, хотя число интересных результатов, имеющих принципиальное значение значительно больше:
1. В рамках развивающихся теоретических представлений о формировании радиационных поясов Земли дано объяснение загадочному и неожиданному появлению на внутренних оболочках магнитосферы потоков энергичных электронов и протонов (24 марта 1991 г.), зафиксированному одновременно как отечественными, так и зарубежными исследователями с помощью ИСЗ.
2. В результате систематических измерений на протяжении многих лет космических лучей группы С, N, О с энергиями 5-30 МэВ/нуклон в нижней части магнитосферы и вне ее была открыта новая компонента радиационного пояса Земли, образованная аномальными космическими лучами и изучены ее основные физические характеристики.

Таким образом все научные направления космофизических исследований, у истоков которых стоял С.Н. Вернов, успешно продолжаются и развиваются, однако это делается в основном сотрудниками, которые сами прошли школу Сергея Николаевича и могут считать себя его учениками. Вместе с ними pаботает и талантливая молодежь, продолжающая лучшие традиции замечательной школы С.Н. Вернова.
Это необходимо для сохранения высокого темпа и уровня космофизических исследований.

Е.В. Горчаков, Ю.И.Логачев, Г.П. Любимов

Литература:

1. Проблемы физики космических лучей. Москва, “Наука”, 1987.
2. Воспоминания об академиках Д.В.Скобельцыне и С.Н.Вернове. -М.: Изд-во МГУ, 1995 г.
3. 50 лет НИИЯФ МГУ им. Д.В.Скобельцина. -М.: Изд-во МГУ, 1996 г.