Солнечно-Земная Физика
Сергей Николаевич Вернов и космические лучи, ч. 2
| Солнечно-Земная ФизикаСергей Николаевич Вернов и космические лучи, ч. 2 |
ОСНОВАТЕЛИ |
Москва, 2001
В дальнейшей научной биографии С.Н. Вернова следует выделить еще один важный период, начавшийся в 1957 году и закончившийся 1968 годом, годом избрания Сергея Николаевича Вернова академиком АН СССР. Начало этого периода определяется тремя обстоятельствами. Это был год запуска первого искусственного спутника Земли и начала интенсивных исследований космической радиации за пределами ее атмосферы, год начала непрерывных наблюдений космических лучей на уровне Земли с помощью наземных станций, регулярных измерений космических лучей в атмосфере с помощью шаров-зондов и, наконец, год создания в МГУ установки для регистрации широких атмосферных ливней от космических частиц сверхвысокой энергии .
Эти три возникшие в 1957 году направления исследований космических лучей Сергей Николаевич развивал и поддерживал до конца своей жизни, и во всех этих направлениях были достигнуты значительные успехи. Этот вывод иллюстрирует график, на котором приведена временная диаграмма научных публикаций С.Н. Вернова по годам, разбитая по этим трем направлениям (см. рис.1). Видно, что до 1957 года главные усилия Сергея Николаевича были направлены на стратосферные исследования, а после 1957 года верх взяли работы по спутникам и широким атмосферным ливням, причем публикации по спутниковым исследованиям больше чем в два раза превысили число работ по широким атмосферным ливням. Вероятно, это вызвано тем, что в экспериментах по широким атмосферным ливням набор новой информации происходил гораздо медленнее, чем на спутниках. Модернизация установок или освоение новых методик требовало большего времени, в то время как в космосе после каждого полета следовала публикация.
Рассмотрим несколько подробнее эти три научных направления, созданных С.Н. Верновым.
Рис.3 Число публикаций С.Н.Вернова по трем главным научным направлениям и полное число работ за период с 1934 по 1982 гг.
Изучение космических лучей за пределами атмосферы Земли на ИСЗ и других космических аппаратах занимает значительное место в деятельности С.Н. Вернова. Начало космической эры Сергей Николаевич встретил вместе со всеми. О запуске первого спутника он узнал из газет и радиопередач, иначе на первом спутнике стоял бы прибор для регистрации космических лучей, который к тому времени был уже изготовлен и полностью пригоден для работы на спутнике. Но первый спутник был запущен (4 октября 1957 года) без научной аппаратуры. И только на втором спутнике, стартовавшем через месяц после первого, кроме главной проблемы – проверки возможности существования живых организмов (на борту спутника находилась собака по кличке “Лайка”), проводилось изучение Солнца в ультрафиолетовом свете (группой ученых из ФИАН и ФТИ) и космических лучей приборами, разработанными С.Н. Верновым и его коллегами.
Электронные схемы приборов для изучения космических лучей были собраны целиком на полупроводниках (транзисторах), только-только входивших в употребление. Детектором космических частиц служил газоразрядный счетчик. Весь прибор вместе с автономным питанием весил всего 2,5 кг и вполне мог бы быть установлен на первом спутнике.
Это были первые длительные измерения космических лучей за пределами атмосферы. Предшествовавшие полеты вертикальных ракет на высоты 100-150 км продолжались не более 10-15 минут, в то время как 2-ой спутник вел измерения более недели. К сожалению, измерения космических лучей проводились только над территорией СССР на высотах до 700 км, что не позволило “зацепить” захваченную радиацию, существующую здесь на больших высотах.
Полет 3-го советского ИСЗ, начавшийся 15 мая 1958 года, давал информацию о потоках частиц над различными районами земного шара, в том числе и над районами южного полушария. Здесь были не только подтверждены и расширены сведения, полученные спутниками США “Эксплорер-1, 3” о зонах радиации высокой интенсивности в экваториальных широтах, но и обнаружена новая радиационная область, впоследствии названная внешним радиационным поясом. Этот факт зафиксирован как открытие, и С.Н. Вернов являлся не только одним из авторов этого открытия, но и главой, руководителем всего авторского коллектива (формула открытия и авторский коллектив приведены в приложении).
В истории науки открытие радиационных поясов записано за Джеймсом Ван Алленом, хотя на самом деле вопрос не так прост. Первая регистрация частиц радиационных поясов была проведена на 2-ом ИСЗ, но авторы этого эксперимента не имели оснований для утверждения о регистрации нового явления, так как повышенный поток частиц, зарегистрированный в полете 7 ноября 1957 года в высоких широтах на высоте около 300 км вполне мог быть объяснен известным ранее эффектом – вторжением в верхние слой атмосферы солнечных частиц от слабой вспышки. Вторая регистрация была осуществлена уже Ван Алленом на низких широтах и больших высотах (больше 1000 км) и природа больших потоков заряженных частиц также не была понята авторами эксперимента. Они предполагали, что регистрируют частиц из полярных областей, каким-то образом проникших в экваториальные широты. Таким образом обе первые регистрации частиц радиационных поясов были интерпретированы неправильно.
Кто и когда дал правильное объяснение наблюдаемого явления? Раньше всех о возможности существования замкнутых траекторий частиц в магнитном поле узнал К.Штермер (C.Stormer) в результате своих расчетов траекторий космических лучей в магнитном поле Земли. Но он не предполагал, что эти траектории могут быть заполнены частицами, считалось, что они не могут туда проникнуть. Первым заподозрил возможность "заселения" этих траекторий частицами С.Зингер, работавший ранее в группе Ван Аллена и предлагавший свой эксперимент по обнаружению таких частиц. Он же, и одновременно независимо от него С.Н.Вернов с коллегами, провели первые расчеты заполнения внутренних магнитных оболочек земного магнитного поля за счет продуктов распада нейтронов, образованных космическими лучами в атмосфере Земли. Зингер же ввел в обиход термин "радиационный пояс Земли". Таким образом открытие радиационных поясов было бы справедливо считать коллективным открытием, а не приписывать этучесть только Ван Аллену.
Особенно удачные исследования радиационных поясов Земли Сергей Николаевич провел в 1964 году при полетах серии спутников “Электрон”, которые он задумал и добился их осуществления еще при жизни С.П. Королева. Это был уникальный эксперимент. В нем одной ракетой выводились сразу два спутника на существенно различные орбиты. У низкого спутника, предназначенного для изучения внутреннего радиационного пояса высота в апогее составляла 6 тыс. км, а у высокого, исследовавшего внешний пояс и области пространства за ним, высота в апогее достигала 60 тыс. км. Эти спутники собрали обширную информацию и позволили одному из коллег и учеников Сергея Николаевича, Б.А. Тверскому, создать теорию радиационных поясов, определить их источники и пути потерь частиц из поясов /10/.
При полете спутников “Электрон” Сергей Николаевич столкнулся с новым явлением, заставившим его заняться изучением поражающих факторов космического пространства, главным из которых является воздействие радиации на элементы космической техники и живые организмы, в том числе и на космонавтов. Оказалось, что солнечные батареи спутника "Электрон-1" (спутник с низкой орбитой, большую часть времени находившийся в интенсивных полях радиации внутреннего пояса) в результате сильного облучения быстро теряли способность вырабатывать электроэнергию. КПД батарей сильно снижался во время полета, и через месяц они вышли из строя.
Но еще до спутников “Электрон”, начиная с 1960 года при подготовке полета в космос человека, проводились измерения радиации на всей трассе полета спутника на высотах до 300 км. Эти измерения положили начало космической дозиметрии, инициатором которой и первым разработчиком приборов был С.Н. Вернов. С тех пор измерения дозы радиации проводятся на всех пилотируемых космических аппаратах. Измерения на станции “МИР” показали, что доза радиации на малых высотах очень сильно зависит от уровня солнечной активности. Это связано с разогревом атмосферы Земли и дополнительным высыпанием частиц в районе Бразильской магнитной аномалии. Эффект высыпания частиц в областях отрицательных аномалий магнитного поля Земли также был обнаружен Сергеем Николаевичем с коллегами и впоследствии (в 1982 году) был зарегистрирован как открытие (формула открытия и авторский коллектив приведены в приложении). Постоянная гибель частиц в областях магнитных аномалий должна компенсироваться их постоянной прибылью (иначе пояса иссякнут) за счет диффузии частиц как вдоль, так и поперек силовых линий магнитного поля под действием различных возмущений.
После выхода из строя солнечных батарей спутника “Электрон-1” стала ясна необходимость изучения поведения различных материалов в условиях космоса. С.Н. Вернов создает в своем институте группу космического материаловедения. Эта группа провела обширные исследования воздействия на различные материалы и элементы космической техники поражающих факторов космического пространства: радиации, глубокого вакуума, ультрафиолетового и рентгеновского излучений, микрометеорной материи и др. Все эти сведения необходимы конструкторам космических аппаратов. Для представления их, а также характеристик и параметров других явлений в космическом пространстве в удобной форме под руководством Сергея Николаевича начали выпускать сборник “Модель космического пространства”. Всего было выпущено 7 изданий. Первое издание относится к 1964 году, последнее, 7 издание увидело свет в 1983 году. Затем сведения о различных явлениях в космосе стали публиковаться в специальных брошюрах в виде Государственных стандартов, т.е. вместо справочных они стали нормативными, обязательными к использованию при конструкторских и других работах.
Очень важным этапом космических исследований были полеты космических аппаратов на Луну и ближайшим к Земле планетам, во время которых под руководством Сергея Николаевича также проводилось изучение космических лучей. Первый полет к Луне показал, что у Луны нет радиационных поясов и нет заметного магнитного поля. Затем последовали посадка аппарата на Луну, мягкая посадка (1966 год), исследования на луноходах, на спутниках Луны. Мягкая посадка позволила определить радиоактивность лунной поверхности, которая оказалась почти такой же, как и на Земле.
Полеты к Венере в 1967 году и на Марс в 1971 году также не обнаружили у этих планет радиационных поясов. Пояса оказались у Юпитера и Сатурна, но туда наши космические аппараты не долетели.
За открытие внешнего радиационного пояса Земли и изучение радиации при полете к Луне Сергей Николаевич Вернов в 1960 году был удостоен Ленинской премии.
Под эгидой С.Н. Вернова были проведены и эксперименты на спутниках “Протон” (1965-68 гг.), регистрировавшие первичные космические лучи высокой энергии. Это был первый опыт поднятия приборов большого веса (больше 10 тонн) на орбиту искусственного спутника. Подготовка эксперимента проводилась в очень сжатые сроки. Сергей Николаевич мобилизовал практически все службы института на выполнение этих работ. Механические мастерские, группа электроники, отдел снабжения - все было подчинено одной цели – в срок и качественно изготовить сложнейшую аппаратуру. Полученный в этих экспериментах уникальный результат – прямые измерения спектров протонов и других ядер космических лучей вплоть до энергий 1014 эВ - до сих пор никем не повторен. Было обнаружено, что спектр протонов при энергии больше 2*1012 эВ становится более мягким, по сравнению со спектрами других ядер. Этот результат вызывает бурные дискуссии до сих пор, оставаясь задачей для будущих исследований.
Много усилий Сергей Николаевич приложил в исследовании солнечных частиц небольших энергий, довольно часто генерируемых Солнцем во вспышках. Для изучения солнечных частиц малых энергий Сергей Николаевич использовал каждую возможность, каждый полет космического аппарата за пределы магнитосферы Земли. Больше всего данных о солнечных космических лучах было получено при полетах к Венере и Марсу (в общей сложности 22 полета), а также в полетах аппаратов Вега-1, 2 и Фобос-1, 2. Во время большинства лунных полетов, несмотря на их кратковременность, также изучались солнечные космические лучи.
Солнечные космические лучи оказались очень интересным объектом исследований. С самого начала было ясно, что их источником являются солнечные вспышки. Наблюдаемое большое разнообразие ускоренных потоков заряженных частиц объясняется сочетанием различных условий, в которых возникают вспышки. Если вспышка произошла невысоко над фотосферой Солнца, то она бывает обычно короткой, частицы выходят в околосолнечное пространство все сразу и распространяются в межпланетном пространстве в сравнительно узком конусе (раствор около 60 градусов). Такие вспышки получили название импульсных, именно в них частицы несут информацию об условиях в области ускорения частиц (о температуре, составе солнечного вещества и т.п.). Другой крайний случай вспышек характерен тем, что частицы заполняют огромные области пространства и существуют длительное время. Такие вспышки, вызывающие затянутые во времени возрастания потоков заряженных частиц, стали называть постепенными. Между этими двумя резко отличающимися классами вспышек располагаются все остальные, промежуточные, обладающие чертами как импульсных, так и постепенных вспышек.
В дальнейшем выяснилось, что постепенные события связаны с ускорением частиц на фронтах ударных волн, возникающих при мощных солнечных вспышках и связанных с ними выбросах больших масс коронального вещества Солнца. Выброшенное вещество движется в пространстве с огромной скоростью, до 1000 км/с и более, ускоряя заряженные частицы, встречающиеся на ее пути. Отметим, что однократное столкновение ударной волны с частицей приведет только к незначительному ее ускорению, для сильного ускорения нужно многократное столкновение частицы с волной, что может быть обеспечено эффективным рассеянием частиц в турбулентном магнитном поле перед фронтом ударной волны. При столкновении ударной волны с магнитосферой Земли происходит резкое поджатие последней, и это отмечается на Земле как сильная магнитная буря. Все описываемые явления стали доступны непосредственному изучению только после запусков космических аппаратов, начавшихся в 1957 году запуском первого искусственного спутника Земли
Нужно отметить, что эксперименты на космических аппаратах давались Сергею Николаевичу нелегко. Кроме чисто технических сложностей, всегда присутствовал фактор срочности. Многое нужно было делать в авральном порядке, иначе не успеешь поставить прибор на космический аппарат. Кроме того, почти все запуски имели политический оттенок - шла ожесточенная конкуренция с США, где на первых порах мы их обгоняли, и нельзя было терять лидерства. Начиная с 1957 года, мы были первыми в большинстве новых начинаний:
¨ в 1957 году запустили первый в мире спутник, через месяц на орбите была первая научная аппаратура и собака по кличке “Лайка”;
¨ в 1958 году запущена первая в мире тяжелая космическая лаборатория (3-ий советский ИСЗ), весом более 1000 кг;
¨ в 1959 году осуществлен первый в мире полет к Луне, первое попадание в Луну, первая съемка обратной стороны Луны;
¨
в 1960 году впервые с орбиты возвращены живыми собаки ”Белка” и “Стрелка”;
¨
в 1961 году впервые в истории человечества в космосе побывал Ю.А. Гагарин; осуществлен первый старт космической ракеты к планете Венера; ¨
в 1962 году проведен первый в мире старт к Марсу; ¨
в 1964 году впервые в мире одной ракетой запущены два спутника на существенно различные орбиты (спутники “Электрон -1” и “Электрон-2“); ¨
в 1965 году впервые в мире на орбиту выведен спутник “Протон” с грузом более 10 тонн с помощью ракеты ПРОТОН, которая и сейчас остается самой мощной в мире, ¨
в 1966 году осуществлена мягкая посадка на Луну, проведены первые измерения на Луне, сфотографирована поверхность Луны; ¨
в 1967 году впервые в мире осуществлен плавный спуск аппарата в атмосферу Венеры; по мере спуска измерены температура и давление атмосферы. В 1969 американцы побывали на Луне и наши “впервые”, особенно в научном плане, стали появляться все реже и реже. Эта гонка требовала огромного напряжения сил всего коллектива, и здесь организаторские способности и требовательность Сергея Николаевича сыграли свою роль. Появившаяся в те годы в одной из газет карикатура (см. рис…), призванная посмешить, попала, видимо помимо воли художника, в самую точку: мы действительно делали уникальную аппаратуру при чрезвычайно отсталой инфраструктуре исследовательских работ. Мы всегда испытывали трудности со снабжением, у нас не было хороших измерительных приборов, вибростендов, больших вакуумных камер, иногда даже автомашины не было, чтобы отвести прибор. И надо отдать должное Сергею Николаевичу, он не чурался в критических ситуациях “крутить эту ручку”, преодолевая очередной затор.
Примерно в середине 50-х годов было принято решение о проведении в 1957 г. Международного геофизического года, цель которого состояла в координации комплексного изучения геофизических явлений, в том числе и создании новых однотипных геофизических установок и получении длинного ряда однородных данных по всему земному шару, которые можно было бы сопоставлять друг с другом. В исследуемый круг явлений наряду с изучением магнитного поля Земли, полярных сияний, атмосферы и ионосферы входили и космические лучи. Под руководством Сергея Николаевича разрабатываются специальные приборы для непрерывной регистрации космических лучей на уровне моря и на высотах гор для сети станций которые включали в себя нейтронные мониторы и мезонные телескопы. Совместно с аналогичными и унифицированными приборами, расположенными в других странах практически по всему земному шару, наша Земля стала представлять собой космический зонд. С середины 1957 г. стали проводиться (и проводятся до сих пор) регулярные (несколько раз в неделю) измерения потоков космических лучей стандартной аппаратурой в атмосфере на различных широтах в интервале высот от уровня моря до 30-35 км. Этот метод получил название метода частого регулярного зондирования космических лучей. Идея С.Н. Вернова о регулярных измерениях космических частиц в атмосфере Земли и воплощение этой идеи в жизнь (совместно с А.Н. Чарахчьяном) оказались на редкость плодотворными. Неожиданным, новым явлением, открытым при изучении модуляционных эффектов ГКЛ в стратосфере, была 22-летняя модуляция потока ГКЛ. Известно, что наше Солнце имеет магнитное поле, которое выносится солнечным ветром в околосолнечное пространство. Солнечный ветер и выносимое им магнитное поле Солнца образуют гелиомагнитосферу. Наблюдения магнитного поля Солнца в его полярных широтах показали, что поле в первом приближении является квазидипольным, и каждые 11 лет магнитный момент солнечного диполя меняет знак. Первое переполюсование (инверсия) магнитного поля Солнца было открыто в конце 50-х годов. Модуляция галактических космических лучей общим магнитным полем Солнца была обнаружена в начале 70-х годов после инверсии солнечного магнитного поля в 1969-1971 гг. Именно в это время наблюдения потоков космических частиц в стратосфере и на уровне Земли показали эффект гистерезиса, который был вызван перестройкой магнитных полей на Солнце и в гелиомагнитосфере. За цикл работ по исследованию галактических и солнечных космических лучей в атмосфере Земли и их связи с солнечной активностью Чарахчьян А.Н. с сотрудниками в 1976 г. были удостоены Ленинской премии. С.Н. Вернова не было среди авторов этой работы только потому, что он получил такую премию ранее в 1960 г. за открытие и исследование радиационных поясов Земли. Регулярные измерения потоков галактических космических лучей в земной атмосфере проводятся с середины 1957 по настоящее время. В последнее десятилетие, не смотря на трудности, переживаемые наукой, регулярное зондирование космических лучей в земной атмосфере проводится в северных полярных широтах (под Мурманском), в средних широтах (г. Долгопрудный) и в Антарктиде (обсерватория Мирный). Получен уникальный ряд однородных данных о космических лучах в атмосфере Земли за более чем 45-летний период. Таких данных нет ни в одной лаборатории мира. С ними могут сравниться разве что спутниковые результаты, но их стали получать только с 1973 года (см. рис.2). Видно, что спутниковые данные в целом повторяют измерения в стратосфере, хотя имеются существенные отличия, связанные с тем, что магнитосфера воздействует на потоки частиц, проникающих к Земле. Сергей Николаевич горячо поддерживал эксперименты по космическим лучам, проводимые на высотных аэростатах. Так в 1964-68 годах сотрудником Долгопрудненской станции В.И. Рубцовым была проведена серия полетов высотных аэростатов с аппаратурой для изучения энергетического спектра электронной компоненты первичных космических лучей. Сложность этого эксперимента состояла в выделении электронов на фоне потока протонов, который в космических лучах в 100 раз превышает поток электронов. Тем не менее, В.И. Рубцов впервые в мире измерил энергетический спектр электронов вплоть до энергий 200 ГэВ. Он определил показатель дифференциального энергетического спектра электронов g
=3. Эта величина сохраняется в спектре электронов вплоть до энергий электронов Е=5*1011
По предложению Сергея Николаевича и под его руководством на базе Долгопрудненской научной станции ФИАН создается сеть пунктов по проведению регулярных измерений (регулярному зондированию) космических лучей в атмосфере Земли. Такие измерения С.Н. Верновым и А.Н. Чарахчьяном (ближайшим его соратником в исследованиях космических лучей в атмосфере) были начаты в середине 1957 г. в северных полярных широтах и под Москвой в г. Долгопрудном. Через несколько лет сеть таких пунктов была расширена. Регулярные измерения космических лучей стали проводиться в южных широтах (под Алма-Атой) и в южных полярных широтах в Антарктиде в обсерватории Мирный.
Почему Сергей Николаевич решил начать регулярные измерения космических лучей в атмосфере Земли на разных широтах? Рассказывают, что принятию такого решения послужило обсуждение им и С.И. Вавиловым возрастаний потоков космических лучей, связанных с солнечными вспышками, небольшое число которых к тому времени было зарегистрировано. С.И. Вавилов предположил, что снижение энергетического порога регистрируемых солнечных частиц может существенно увеличить число наблюдаемых событий. Сергей Николаевич решил использовать эту идею и реализовал ее путем регулярного, достаточно частого (как правило каждые сутки) зондирования космических лучей в земной атмосфере на различных геомагнитных широтах. Обоснованием такого решения могли бы послужить, по меньшей мере, две причины: атмосфера Земли не позволяет регистрировать частицы сравнительно малых энергий из-за их поглощения в воздухе, а магнитное поле Земли служит сепаратором космических лучей по их жесткости (энергии частиц). Известно, что в полярных широтах в атмосферу Земли попадают космические частицы с очень малой жесткостью (десятые-сотые доли ГВ), а в низкие и экваториальные широты - с большой жесткостью (более десяти ГВ). Таким образом, проводя измерения на разных высотах и широтах в атмосфере Земли, можно изучать динамику потоков космических лучей в широком диапазоне жесткостей (энергий) частиц.
Изучение свойств частиц методом частого стратосферного зондирования позволило Сергею Николаевичу с сотрудниками получить новые основополагающие и вместе с тем неожиданные результаты. Прежде всего, это относится к вспышкам СКЛ – вспышечным процессам на Солнце, в которых генерируются высокоэнергичные заряженные частицы. Эти частицы иногда попадают на Землю и регистрируются на поверхности Земли или в ее атмосфере. Первое такое событие было зарегистрировано на поверхности Земли в 1942 г. и до начала стратосферных измерений в середине 1957 г. было зарегистрировано всего несколько таких событий. Регулярные запуски радиозондов в северных полярных широтах позволили в конце 50-х годов зарегистрировать гораздо большее число случаев солнечных космических лучей, чем это было сделано наземными установками за предыдущие 15 лет. Было установлено, что случаи генерации космических лучей на Солнце довольно частое явления, которое происходит, как правило, вблизи максимума солнечной активности. Число таких событий заметно возрастает при уменьшении пороговой энергии частиц, что особенно важно знать при экспериментах, проводимых на космических аппаратах. По данным наблюдений солнечных космических лучей в стратосфере и на уровне Земли были определены основные характеристики солнечных частиц: величины потоков, показатели энергетических спектров, коэффициенты диффузии в межпланетной среде и др.
Долговременные наблюдения галактических космических лучей в атмосфере Земли на разных широтах позволили установить связь между наблюдаемым у Земли потоком этих частиц и солнечной активностью. Известно, что поток галактических космических лучей изменяется в 11-летнем цикле солнечной активности. С ростом солнечной активности этот поток уменьшается. Было установлено, что поток космических частиц определяется не только уровнем солнечной активности (числом пятен или их групп), но и расположением центров активности на поверхности Солнца (гелиоширотой солнечных пятен или групп солнечных пятен). Было показано, что известное явление гистерезиса в зависимости потока ГКЛ от числа солнечных пятен (групп пятен) исчезает, если учесть гелиоширотное распределение центров солнечной активности.
Направление исследований космических лучей путем их непрерывной регистрации (мониторинг космических лучей) на поверхности Земли и в земной атмосфере методом стратосферного зондирования тесно связано с другими научными направлениями: астрофизикой (вспышки сверхновых, происхождение космических лучей); физикой Солнца и межпланетной среды (процессы генерации частиц в солнечных вспышках, процессы распространения космических лучей, структура межпланетной среды); физикой магнитосфера Земли (высыпания частиц в атмосферу); физикой атмосферы (процессы образования ионов, глобальная электрическая цепь, образование грозового электричества, молниевые разряды, погода и климат Земли); задачи экологии (контроль за радиационной обстановкой в атмосфере Земли, регистрация радиоактивных облаков).
Рис.4. Поток галактических космических лучей, измеренный в стратосфере (с 1957 года) и на космическом аппарате IMP-8 (только с 1973 года)
Но сотрудники Долгопрудненской стратосферной станции, как уже отмечалось, изучали космические лучи не только с помощью одиночных или гирлянд шаров-зондов, но и на самолетах. С.Н. Вернов и Н.А. Добротин были инициаторами исследований космических лучей в атмосфере Земли с помощью самолетов. Под их руководством сотрудники Долгопрудненской научной станции (Ю.А. Смородин и др.) начали эти работы в 1954 г. Аппаратура была установлена на борту самолета Ту-16, превращенного в летающую лабораторию и летавшего на высотах до 12 км. Регистрирующие блоки были расположены не только в линию (по фюзеляжу самолета, как это делалось раньше), но и в крыльях, что обеспечивало круговую регистрацию частиц на расстояниях до 30 м. Изучались широкие атмосферные ливни и спектры всех компонент космических лучей вплоть до энергий Е=1013эВ. Полеты проходили на высотах до 12 км, что давало возможность изучать “молодые” ливни, ливни, возникшие не очень далеко от регистрирующей установки. Широкие атмосферные ливни, регистрируемые на уровне Земли, несут сведения о характеристиках взаимодействия вторичных-третичных частиц. В экспериментах, проводимых на высоте 12 км можно получить информацию о характеристиках первого взаимодействия, таких как средняя множественность рожденных частиц, доля энергии, остающаяся у первичной частицы, передаваемый поперечный импульс и др. Так впервые были получены степенные спектры адронов и гамма-квантов в области Е=1010-1012эВ. Впервые же в исследованиях были применены рентген-эмульсионные камеры. Результаты исследований на самолете положили начало развитию нового направления в исследовании космических лучей высоких энергий с помощью крупно-масштабных рентген-эмульсионных камер, смонтированных на высокогорье (идея была предложена Ю.А. Смородиным). Исследования на самолетах проводились вплоть до 1970 г. Их непосредственным исполнителем был Р.А. Антонов. Он продолжил эти работы в 1976-1978 гг., используя высотные аэростаты.
В том же 1957 году на территории МГУ была развернута счетчиковая установка для изучения широких атмосферных ливней, занимающая огромную по тем временам площадь (около 3 км2). Это направление исследований космических лучей оказалось очень перспективным. Установка по регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ МГУ) постоянно развивалась, увеличиваясь по площади и составу регистрирующих приборов. Кроме газоразрядных счетчиков стали использовать сцинтилляционные, черенковские счетчики и детекторы радиоизлучения. Дальнейшее расширение установки в Москве было затруднительно, поэтому подобные установки стали создаваться в Якутске и Самарканде. С.Н Вернов был не только инициатором создания этих установок, но и главной движущей силой проводившихся там исследований. Созданная в 1970 году якутская установка по регистрации широких атмосферных ливней (регистрирует частицы вплоть до энергий Е=1020 эВ) до сих пор является одной из крупнейших в мире. Но для регистрации частиц еще больших энергий этих установок оказалось мало, и в настоящее время создается установка ШАЛ-1000, имеющая площадь 1000 км2. Всеми этими работами руководил Г.Б. Христиансен, в 1997 году избранный академиком РАН. После смерти Г.Б. Христиансена (4 августа 2000 года) эти работы продолжает созданный им коллектив: Г.В. Куликов, Ю.А. Фомин, Н.Н. Калмыков и др.
Очень важной характеристикой космических лучей является их энергетический спектр, т.е. зависимость числа частиц данного вида от их энергии. На установке ШАЛ МГУ в первый же год ее работы было сделано открытие: в спектре космических лучей при энергии 3*1015эВ обнаружена нерегулярность - излом. С.Н. Вернов является одним из авторов этого открытия (формула открытия и авторский коллектив приведены в приложении). Этот факт, имеющий первостепенное значение для определения природы и источников частиц высокой энергии, был впоследствии подтвержден во многих других экспериментах, но его интерпретация до сих пор неоднозначна. Одни исследователи убедительно доказывают, что излом в спектре по числу частиц на уровне моря происходит из-за того, что изменяется энергетический спектр первичных частиц, другие, что при этих энергиях происходит изменение характера взаимодействия частиц, третьи уверяют, что в составе первичных частиц происходят изменения - они обогащаются (или обедняются) ядрами тяжелых элементов.
Установка ШАЛ МГУ была экспериментальным полигоном для опробывания различных методов изучения широких атмосферных ливней. Здесь Г.Б. Христиансен вместе с учеными из Харькова провели регистрацию радиоизлучения ливней на частотах 30 и 60 МГц.
Эта работа была отмечена Государственной премией УССР.
А.Е. Чудаков на этой же установке начал исследование черенковского свечения ливней. Он впервые в мире применил метод регистрации черенковского света ШАЛ для поиска звездных источников высокоэнергичных гамма-квантов. В этой работе участвовали В.И. Зацепин, Н.М. Нестерова и др.
Совокупность успехов, достигнутых С.Н. Верновым в изучении космических лучей по всем трем направлениям, выдвинула его в число наиболее авторитетных ученых СССР и
всего мира. В 1968 году он был избран действительным членом Академии наук СССР.В это же время Н.Л Григоров, В.С. Мурзин и И.Д. Рапопорт разработали и изготовили уникальный прибор – ионизационный калориметр /11/, который позволяет измерять полную энергию частицы, если она и рожденные ею вторичные частицы остановились в объеме калориметра. Этот прибор, созданный в НИИЯФ МГУ, где С.Н. Вернов в то время был заместителем директора и курировал исследования космических лучей, широко используется сейчас во всех экспериментах, где нужно измерять энергию частиц (будь то частица космических лучей или от ускорителей). Ионизационный калориметр можно сравнить с камерой Вильсона, которая была основным прибором на начальном этапе изучения заряженных частиц высокой энергии. Напомним, что за создание своей камеры Ч. Вильсон был в 1923 году удостоен Нобелевской премии. Без ионизационного калориметра сейчас практически нет установок по изучению космических лучей высоких энергий как на горах, так и под землей и в космосе. В экспериментах на ускорителях одновременно используется до нескольких десятков ионизационных калориметров различного типа.
Другим важным методическим инструментом изучения космических лучей стали рентгеновские пленки, на которых большое число одновременно прошедших электронов оставляет заметный след - почернение, хорошо видное невооруженным глазом. Японские физики использовали этот эффект для поиска следов частиц в ядерных эмульсиях, рядом с которыми располагались рентгеновские пленки. Ю.А. Смородин, сотрудник Долгопрудненской стратосферной станции, заметил, что энергия частицы, создавшей ливень, пропорциональна размеру пятна почернения, вызванного вторичными частицами. Это значит, что рентгеновские пленки можно использовать как аналог ионизационного калориметра. Вместе с ядерными эмульсиями они создают рентгено-эмульсионную камеру (РЭК), которые широко используются сейчас при полетах в стратосфере, на горах (в том числе и на Памире) и других экспериментах. Ю.А. Смородин с сотрудниками развил этот метод, провел с ним ряд измерений, на основе которых защитил в 1986 году докторскую диссертацию на тему “Рентген-эмульсионные камеры в исследованиях взаимодействий частиц при сверхвысоких энергиях”.
| Часть 1 |  | Часть 3 |  | История |
|