Земля – космос – Луна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ И КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ВБЛИЗИ ЛУНЫ

Почти все космические аппараты оснащены аппаратурой для проведения исследований плазмы – частиц малых энергий, несущих заряд до нескольких тысяч элект-ронвольт.

В основном – это частицы, которые своим происхождением обязаны титаническим процессам, происходящим в недрах Солнца; к ним относятся электроны и ионы, в первую очередь – протоны.

Масса протонов, выбрасываемых Солнцем в одну секунду, составляет около миллиона тонн. Однако за 10 миллиардов лет существования нашего дневного светила это привело к потере менее одной сотой процента его массы, что все же превышает массу Земли в десятки раз.

По измерениям ряда космических аппаратов потоки корпускулярной солнечной радиации (плазмы) составляют до миллиарда частиц на квадратный сантиметр в секунду, а их концентрация в районе Земли и Луны равна нескольким единицам и даже десяткам единиц в кубическом сантиметре.

Потоки солнечной плазмы определяют интенсивность и структуру межпланетного магнитного поля (а следовательно, и траектории космических лучей), форму земной магнитосферы, физические характеристики пространства в окрестностях небесных тел Солнечной системы.

Установлено, что магнитные и ионосферные бури в нашей атмосфере происходят под влиянием солнечной плазмы, что имеет практическое значение для радиосвязи, метеорологии и т. д.

Лабораторные эксперименты, имитирующие воздействие протонов солнечного ветра (корпускулярного потока °т Солнца) на твердые вещества, показали, что структура опытных образцов при этом приближается к структуре лунного грунта. Оптические особенности лунной поверхности воспроизводятся экспериментально на порошкообразном базальте при бомбардировке потоком протонов, равноценным воздействию солнечного ветра на протяжении примерно 100 тысяч лет.

Для регистрации заряженных частиц понадобилось разработать особую аппаратуру – ловушку заряженных частиц, которая была бы пригодной для работы в космическом пространстве.

Ловушки заряженных частиц – это специальные зонды для измерения токов, определяемых потоком заряженных частиц в межпланетном пространстве. Однако в космическом пространстве работа прибора осложняется воздействием ультрафиолетового облучения Солнца, которое в обычных условиях поглощается земной атмосферой. Это облучение порождает поток электронов. В связи с этим на ловушках заряженных частиц, предназначенных для работы в космическом пространстве, предусмотрена электрическая защита, подавляющая фотоэмиссию электронов.

На автоматических станциях «Луна-1», «Луна-2» и «Луна-3» были установлены трехэлектродные ловушки, отличающиеся друг от друга лишь некоторыми конструкционными материалами.

На рис. 28 и 29 показаны соответственно схема трех-электродной ловушки и конструкция ловушки заряженных частиц станции «Луна-2».

На дополнительную сетку подается достаточно большой отрицательный потенциал, который создает электрополе, подавляющее фотоэлектронную эмиссию с коллектора.

На внешней части контейнера с научной аппаратурой (станции «Луна-2») были установлены четыре ловушки со следующими значениями потенциала электродов относительно корпуса контейнера: для коллекторов _g1=(-60)-(-40) вольт, для внутренних сеток _g1 = – 200 вольт, для четырех внешних сеток соответственно _g2 = – 10; – 5; 0; + 15 вольт.

Ток на коллекторах Ik, создаваемый попавшими в ловушки заряженными частицами, проходит через ламповые усилители малых токов и передается на Землю радиотелеметрической системой.

Рис. 28. Схема трехэлектродной ловушки:

1 – корпус контейнера станции; 2, 3 – внешняя и внутренняя сетки; 4 – коллектор; 5 – к усилителю коллекторного тока

Рис. 29. Схема ловушки заряженных частиц станции «Луна-2»:

1 – резиновое уплотнение: 2 – гермовводы; 3 – алюминиевый экран; 4 – никелевая бленда; 5, 6 – соответственно внешняя (никелевая) и внутренняя (вольфрамовая) сетки; 7 – фторопластовая изоляция; 8 – никелевый коллектор; 9 – основание

Регистрировались положительные коллекторные токи от 10^-10 до 50-10^-10 ампер и отрицательные коллекторные токи от 10-10 до 15-10^-10 ампер; мгновенные величины всех коллекторных токов замерялись каждые 30 секунд, Измерения начинались на удалениях от поверхности Земли, превышающих 1500 километров.

Материалы измерений с помощью трехэлектродных ловушек, полученные станциями «Луна-1», «Луна-3» и особенно станцией «Луна-2», давшей около 1200 замеров коллекторных токов, позволили составить достаточно определенное представление о потоках солнечной плазмы и об ионизированном газе в пространстве от Земли до Луны.

Обнаружено, что Земля имеет ионизированную газовую оболочку толщиной порядка 15 тысяч километров с концентрацией около тысячи ионов в кубическом сантиметре (и более – на малых высотах), весьма заметно превышающей концентрацию ионов в межпланетном пространстве.

Измерения, проведенные станцией «Луна-2», показала что на высотах более 15 000 километров ионосфера Земли состоит из ионизированного водорода; в то же время известно, что на высотах до 1000 километров преобладают свободные электроны; таким образом, ионосфера в промежутке высот 1000 – 15 000 километров из «кислородной» становится «водородной».

Рис. 30. Распределение концентрации заряженных частиц в ионосфере Земли в период, близкий к максимуму солнечной активности (1958 – 1959 годы)

Сопоставление данных, полученных научными станциями «Луна-1», «Луна-2» и «Луна-3», с известными ранее материалами измерений геофизическими ракетами в феврале 1959 года и третьим спутником Земли позволило дать картину распределения концентрации заряженных частиц в околоземном пространстве (рис. 30) для периода, соответствующего примерно максимуму солнечной активности, т. е. периоду использованных наблюдений в течение 1958 – 1959 годов.

Анализ измерений, проведенных первыми тремя советскими научными станциями, запущенными к Луне, привел к заключению о наличии третьего радиационного пояса Земли (см. рис. 26) на расстоянии 50 – 70 тысяч километров от ее поверхности с потоками электронов Nе= 10^8 – 2*10^8 на квадратный сантиметр в секунду и энергией более 200 электронвольт.

Магнитные измерения, проведенные на американском спутнике «Эксплорер-6» и ракете «Пионер-5» (1959 и 1960 годы), подтвердили, что третий радиационный пояс – это постоянное образование; его границы и динамика подлежат уточнению.

Обработка измерений токов ловушек, установленных на советских научных станциях, дала возможность оценить концентрацию стационарного межпланетного ионизированного газа. В частности, по пересчету соответствующих данных станции «Луна-3», при ее удалении на расстояние около 20 радиусов Земли (примерно 130 тысяч километров) концентрация ионов стационарного газа оказалась равной нескольким единицам в кубическом сантиметре. (До 1959 года – согласно наблюдениям поляризации зодиакального света, выполненным немецкими учеными Г. Зидентопфом и А. Бэром – общепринятым было мнение о концентрации межпланетного ионизированного газа, равной 500 – 1000 частиц в кубическом сантиметре.)

Исследование плазмы окололунного пространства с помощью первого лунного спутника «Луна-10» (с 3 апреля по 29 мая 1966 года) проводилось посредством модифицированных четырехэлектродных ловушек заряженных частиц.

Избирательный усилитель тока звуковой частоты обеспечивал измерение токов в пределах 10-9 – 10-12 ампер, что позволило регистрировать потоки ионов до величины не менее 106 на квадратный сантиметр в секунду.

Анализ материалов измерений показал, что замеренные токи (и соответствующие потоки электронов) в хвосте земной магнитосферы несколько меньше, чем вне ее.

Потоки положительных ионов в окололунном пространстве с энергией, превышающей 50 электронвольт, имеют тот же порядок величины, что и поток протонов невозмущенного солнечного ветра – до 5108 на квадратный сантиметр в секунду; однако вблизи Луны имеется область возмущений плазмы, в которой направление движения ионов не совпадает с направлением солнечного ветра.

В районе 350 – 1000 километров над поверхностью Луны можно предполагать наличие лунной ионосферы с максимально возможной концентрацией ионов – до 300 в кубическом сантиметре.

В последующих исследованиях предстоит определить энергетические спектры как положительных ионов при пересечении хвоста земной магнитосферы, так и потока электронов в ней.

Потоки положительных ионов солнечных корпускул впервые были зарегистрированы при полете автоматической станции «Луна-2» 13 сентября 1959 года на удалении от Земли в 225 тысяч километров; величина коллекторного тока всех четырех ловушек указывала на интенсивность потока корпускул – около 2-108 частиц на квадратный сантиметр в секунду.

Соответственно на станции «Луна-3» 4 октября 1959 года (при расстоянии от Земли примерно в 125 тысяч километров) плотность солнечного корпускулярного потока вне геомагнитного поля оценивалась величиной 4-108 частиц на квадратный сантиметр в секунду.

Аналогичные исследования потоков электронов с энергией более 40 килоэлектронвольт и протонов с энергией свыше 500 килоэлектронвольт проводились с помощью газоразрядного счетчика типа СБТ-9 на станции «Луна-10».

Рабочий объем счетчика ограничивался трубкой из нержавеющей стали толщиной 0,3 миллиметра, внутренний диаметр трубки составлял почти 10 миллиметров, ее длина – около 30 миллиметров; дополнительная защита стенок состояла из латунного экрана толщиной 3 миллиметра и алюминиевого кожуха с плотностью 0,3 грамма на квадратном сантиметре. В торцевой части счетчика было вырезано входное окошко диаметром 5 миллиметров, прикрытое защитой из слюды (1,2 миллиграмма на квадратный сантиметр) и золота (0,3 миллиграмма на квадратный сантиметр).

В сеансах связи количество импульсов регистрировалось через каждые 2 минуты; за время между сеансами считывалось среднее количество импульсов: относительная погрешность счета, обеспечиваемая всей схемой прибора, не превышала 3 процентов.

На этапе перелета Земля – Луна с 31 марта по 3 апреля 1966 года автоматической станции «Луна-10» была отмечена переменная интенсивность счета импульсов, связанная с вращением станции, т. е. изменением ее ориентации относительно Солнца. Величина счета изменялась от 15 до 130 импульсов в секунду (2 апреля 1966 года) при среднем фоне, обусловленном космическими лучами, примерно 11 импульсов в секунду.

При полете станции на орбите вокруг Луны с 3 апреля по 29 мая 1966 года интенсивность счета в зависимости от солнечной активности менялась в пределах 11 – 110 импульсов в секунду.

Интенсивность космических лучей, т.е. заряженных частиц (галактического и солнечного происхождения) высоких энергий, до миллиарда электрон-вольт, – также исследовалась автоматическими станциями.

Измерения, проведенные научными станциями «Зонд-3», «Венера-2», «Венера-3», «Венера-4», «Марс-1» и другими, показали, что интенсивность и траектории космических лучей в значительной степени определяются межпланетным магнитным полем Солнечной системы.

Интенсивность галактических космических лучей, состоящих из частиц с энергиями более 100 тысяч электрон-вольт, обычно равная 1 – 2 частицам на квадратный сантиметр в секунду, несколько уменьшается при увеличении солнечной активности.

Солнце непрерывно выбрасывает протоны и ядра гелия с энергиями в пределах от тысячи до 20 тысяч электронвольт; однако при крупных вспышках на Солнце энергия потока протонов превышает 100 тысяч электронвольт.

Исследование космических лучей на трассе перелета к Луне и в окололунном пространстве было выполнено автоматическими станциями «Луна-4», «Луна-9», «Луна-10», «Луна-11» и последующими космическими аппаратами, включая «Луноход-1» станции «Луна-17».

На станции «Луна-4», запущенной в сторону Луны 2 апреля 1963 года, был установлен газоразрядный счетчик, осуществлявший измерения с точностью не менее 0,1 процента. Счетчик экранировался оболочкой станции с плотностью вещества около 1 грамма на квадратном сантиметре и имел, кроме того, мощную защиту – более 10 граммов на квадратном сантиметре.

Среднее значение скорости счета частиц космических лучей за период со 2 по 14 апреля 1963 года составило около 20 импульсов в секунду при наибольшем отклонении от среднего значения до 2,5 процента.

Для измерения космических лучей на станции «Луна-10» был установлен газоразрядный счетчик типа СБТ-9, описанный выше; однако для экранизации «мягкого» корпускулярного излучения его торцевое окошко было дополнительно прикрыто слоем латуни толщиной 3 миллиметра.

На участке перелета от Земли к Луне средняя скорость счета была равна 12 импульсам ' в секунду, т. е. поток первичного космического излучения имел величину около 5 частиц на квадратном сантиметре, что весьма близко к измерениям научной станции «Луна-9».

Рис. 31. Скорость счета космических лучей газоразрядным счетчиком над поверхностью Луны. Кроме экспериментальных точек, на рисунке даны теоретические кривые 1, 2, 3, рассчитанные соответственно для альбедо (отражение космических лучей поверхностью Луны), равного 0, 13 и 26 процентам

При полете на окололунной орбите автоматической станции «Луна-10» было проведено 79 сеансов измерений интенсивности космических лучей.

Результаты измерений темпа счета космических лучей газоразрядным счетчиком – в зависимости от высоты над лунной поверхностью – представлены на рис. 31.

Проведенные измерения и сравнительные расчеты показывают, что интенсивность излучения, вызванного отражением лунной поверхностью (альбедо), составляет 13 – 26 процентов от интенсивности космических лучей.

Измерения потоков протонов солнечного происхождения, выполненные аппаратурой научной станции «Луна-11» позволили зарегистрировать две мощные солнечные вспышки – 28 августа и 2 сентября 1966 года. При последней вспышке интенсивность протонов с энергией более 50 мегаэлектронвольт превышала космический фон на два порядка; интенсивность протонов с энергией от 1,8 до 100 мегаэлектронвольт испытывала значительные колебания, иногда выходя за пределы диапазона измерений счетчика.

Наибольшие значения интенсивности потока протонов с энергией более 1,8 мегаэлектронвольта наблюдались с запаздыванием от нескольких часов до полусуток в сравнении с максимумами протонов, которые имели энергию свыше 50 мегаэлектронвольт.

Дополнительный материал по радиационной обстановке вблизи Луны был накоплен космическими аппаратами типа «Зонд» и «Лунар Орбитер». На каждой из автоматических станций последнего типа с помощью двух дозиметров определялась радиационная доза, получаемая фотопленкой в течение всего времени полета аппаратов этой серии по траекториям лунных спутников.

Большой объем очень интересной информации о космических лучах был получен за период полета научной станции «Луна-17» и функционирования ее лунохода на лунной поверхности.

На самоходном аппарате станции «Луноходе-1» установлена радиометрическая аппаратура для измерения различных характеристик солнечных и галактических космических лучей.

При прохождении заряженной частицы через полупроводниковый детектор возникают импульсы тока, замеряемые аппаратурой. Часть детекторов фиксирует протоны солнечных космических лучей в диапазоне энергий от 1 до 5 миллионов электронвольт; газоразрядный счетчик (расположенный, как и детекторы, снаружи лунохода) регистрирует протоны с энергией, превышающей 1 миллион электронвольт, а также электроны с энергиями более 40 тысяч электронвольт.

Сравнение этих измерений дает возможность оценить потоки солнечных космических лучей, энергия которых превышает 50 тысяч электронвольт.

Один из детекторов предназначен для измерения потоков альфа-частиц солнечных космических лучей с энергией более 5 миллионов электронвольт.

Внутри лунохода установлен газоразрядный счетчик, регистрирующий как солнечные, так и галактические космические лучи (потоки протонов с энергиями более 30 миллионов электронвольт).

С самого начала полета станции «Луна-17» был зафиксирован поток протонов с энергиями в пределах 1 – 5 миллионов электронвольт, значительно превышающий средние фоновые потоки этих частиц в межпланетном пространстве.

В последующие четверо суток интенсивность потока уменьшилась в 5 раз, в то же время отмечался нормальный уровень галактических космических лучей с энергией более 30 миллионов электронвольт. Этот факт наряду с измерениями станции «Венера-7» позволил сделать вывод о том, что регистрировалась последняя фаза спада интенсивности резкого возрастания потока солнечных протонов, вызванного мощной хромосферной вспышкой на Солнце 5 ноября 1970 года.

Солнечные вспышки, происходившие 18 и 19 ноября. также были зафиксированы радиометрической аппаратурой «Венеры-7», а также «Лунохода-1», все детекторы которого зарегистрировали внезапное повышение интенсивности потоков солнечных протонов, электронов и альфа-частиц.

С 12 по 22 декабря аппаратурой «Лунохода-1» было зарегистрировано весьма сильное возрастание интенсивности солнечных космических лучей (превышающее фон примерно в 100 тысяч раз) и соответствующее понижение интенсивности галактических космических лучей начиная с 14 декабря (в этот же день на Земле была отмечена большая магнитная буря).

Интересные результаты были получены после сравнения измерений галактических космических лучей при полете станции «Луна-17» и на поверхности Луны. Оказалось, что интенсивность галактических космических лучей после посадки «Лунохода-1» уменьшилась почти вдвое. Это явление говорит о том, что Луна экранирует аппаратуру лунохода от галактических космических лучей, и одновременно подтверждает данные станций «Луна-9» и «Луна-13» о низкой радиоактивности лунного грунта.