Земля – космос – Луна

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТИЦ ТВЕРДОГО ВЕЩЕСТВА В МЕЖПЛАНЕТНОМ ПРОСТРАНСТВЕ И В РАЙОНЕ ЛУНЫ

Некоторые данные о мельчайших частицах твердого вещества в космическом пространстве были накоплены астрономами в течение длительного периода в результате наблюдений за «падающими звездами».

Частицы, вызывающие это явление при входе в атмосферу Земли со скоростями несколько десятков километров в секунду, получили одинаково употребительные названия: метеорных частиц, микрометеоритов, космической пыли, метеорного вещества.

Наблюдения наземными оптическими и радиолокационными средствами позволили регистрировать частицы с массой, превышающей Ю-4 (одну десятитысячную) граммов, а также определить их скорости, плотность, состав, пространственное распределение.

Кроме так называемых «спорадических» метеоров, достаточно равномерных по всем направлениям и характеризующих среднюю частоту встречи с микрометеоритами, были обнаружены «метеорные потоки» с резким возрастанием пространственной плотности метеорных тел. Метеорные потоки представляют собой скопления мельчайших твердых частиц, движущихся около Солнца по эллиптическим орбитам; каждый из наблюдаемых нами потоков пересекается Землей, как правило, ежегодно.

В связи с появлением космической техники исследование микрометеоритов стало возможным непосредственно в околоземном и межпланетном пространстве (включая район Луны).

Актуальность этой проблемы (помимо научного значения – для понимания строения и эволюции тел Солнечной системы) состояла в том, что предстояли полеты человека в космос и автоматических станций на большие расстояния.

Сколь частыми могут быть встречи с частицами, которые представляют опасность для герметичности космического аппарата? Каково воздействие метеорной пыли на оптические приборы, на характеристики панелей солнечных батарей и наружных агрегатов системы терморегулирования?

Для решения этих вопросов использовались геофизические ракеты, искусственные спутники, научные автоматические станции. Были спроектированы специальные датчики, позволяющие оценить частоту ударов и массу метеорных частиц с передачей информации на Землю; датчики давали возможность регистрировать микрометеориты с минимальной массой до 10^-13 граммов.

На всех советских космических аппаратах применялись баллистические пьезоэлектрические датчики, которые замеряли количество ударов твердых частиц и импульс материала датчика, возникающий при локальном взрыве от столкновения с частицей. Чувствительный элемент датчика (выполненный, например, из кварца) обладает свойством преобразования механического воздействия в электрические колебания.

Рис. 32. Схематическая конструкция пьезоэлектрического датчика:

1 – плата (рабочая поверхность); 2 – четыре пьезоэлемента из фосфата аммония; 3 – плоская пружина

На рис. 32 показаны основные элементы и схематическая конструкция пьезоэлектрического датчика; принцип его работы состоит в следующем.

Под действием удара твердой частицы происходит смещение платы, вызывающее деформацию пьезоэлемента с выдачей электрического напряжения в форме кратковременных затухающих колебаний. Электрические сигналы поступают на специальный усилитель-преобразователь, который разделяет их по амплитуде на четыре диапазона и подсчитывает количество импульсов в каждом диапазоне; разрешающая способность системы равна 12 – 17 ударам в секунду.

Тарировка прибора производится наблюдением отскока шарика известной массы с фиксированной высоты; при этом датчик работает как баллистический прибор, т. е. практически так же, как при соударении с микрометеоритом.

Наибольшая сложность (и, к сожалению, значительная погрешность) связана со способом перехода от замеренного в полете импульса к подсчету соответствующей массы микрометеорита. Для снижения ошибок эксперимента особое внимание уделяется защите прибора от вибраций, уменьшению диапазона изменения его температуры и т. д.

Физически картина соударения твердой частицы с датчиком сводится к тому, что частица взрывается с выбросом материала датчика и возникающий импульс существенно превышает импульс самой частицы.

Расчеты К. П. Станюковича показали, что регистрируемой импульс пропорционален кинетической энергии частицы, т. е:

однако М. А. Лаврентьев пришел к выводу, что импульс пропорционален величине mV^1,6; соответствующее значение, принимаемое американскими специалистами, равно mV (здесь m – масса микрометеорита, V – его относительная скорость встречи с датчиком).

Вторая неопределенность связана с выбором величины скорости встречи с микрометеоритом, входящей в расчеты, связанные с обработкой материалов измерений. Эта скорость не поддается непосредственному замеру, однако известно, что скорость движения микрометеоритов относительно Земли находится в пределах от 10 до 75 километров в секунду.

При определении массы твердых частичек, импульсы которых замерены пьезоэлектрическими датчиками, установленными на космических аппаратах, советскими учеными в последние годы принимается, что замеренный импульс пропорционален величине mV²; значение V берется обычно равным 15 километрам в секунду (для окрестностей Луны оно, очевидно, завышено, а для метеорных потоков занижено).

Из многочисленных материалов по распределению твердых частичек в космосе, полученных с помощью советских и американских космических аппаратов, мы приведем суммарные результаты для окрестностей Земли и Луны, а также для межпланетного пространства.

Сводная картина распределения метеорных частиц по массам в окрестности Земли представлена на рис. 33.

Изучение концентрации микрометеоритов посредством искусственных спутников Земли и космических ракет показало, что пространственная плотность твердого вещества с удалением от Земли убывает весьма интенсивно вплоть до расстояний в сотни тысяч километров (рис. 34).

Существенное сгущение метеорной пыли наблюдается на высотах 100 – 300 километров от поверхности Земли, где частота ударов частиц на квадратном метре в секунду превышает межпланетную в тысячи и десятки тысяч раз.

Рис. 33. Распределение метеорных частиц по массам в окрестности Земли:

1 – «Эксплорер-8»; 2 – «Авангарде»; 3 – «Эксплорер-1»; 4 – ракеты США; 5 – третий советский искусственный спутник Земли; 6 – «Луна-1»; 7 – «Луна-2»; 8 – «Луна-3»; 9 – «Пионер-1»; 10 – «Электрон-2»; 11 – «Электрон-4»

Рис. 34. Частота ударов твердых частиц о датчик (приведенная к одной чувствительности) при удалении от поверхности Земли:

1 – геофизические ракеты СССР; 2 – геофизические ракеты США; 3 – третий советский ИСЗ; 4 – «Авангард-3»; 5 – «Эксплорер-1»; 6 – «Луна-1», «Луна-2», «Луна-3»; 7 – «Пионер-1»; 8 – «Эксллорер-6»; 9 – зодиакальное облако

Пространственная плотность твердых частиц в межпланетном пространстве характеризуется частотой столкновений с ними датчиков космических аппаратов, равной 5^-10-6 – 10^-3 ударов на квадратном метре в секунду (для частиц с массой 10^-8 граммов).

Разительного отличия в концентрации частиц при движении космических аппаратов от орбиты Земли к Солнцу и от него – на расстояния в десятки миллионов километров – не обнаружено, как это показали результаты измерений, осуществленных автоматическими станциями «Зонд-3» и «Венера-4». Среднее число ударов при движении от Солнца примерно в полтора раза превосходит число ударов при противоположном движении – 7,8-10^-5 и 5,7-10^-5 ударов на квадратном метре в секунду соответственно.

Преобладающее количество твердых частиц в Солнечной системе движется по эллиптическим орбитам в направлении, совпадающем с направлением движения планет. Иногда наблюдается резкое увеличение концентрации частиц (метеорные потоки), причем частицы либо достаточно равномерно распределены вдоль всей орбиты метеорного потока, либо имеют сгущения в отдельных участках орбиты.

Интересно отметить, что целый ряд космических аппаратов при своем полете зарегистрировал неизвестные нам ранее метеорные потоки. Так, например, спутником «Электрон-2» за 479 часов измерений было обнаружено три микрометеоритных сгущения, размеры которых доходили до 5 миллионов километров. Среднее число столкновений в сгущении имело величину порядка 0,1 удара на квадратном метре в секунду, что превосходит соответствующую частоту ударов в исследованном пространстве Солнечной системы примерно в тысячу раз (для указанных сгущений относительная скорость встречи была принята равной 60 километрам в секунду).

Научной станцией «Марс-1» при удалении от Земли на расстояние от 23 до 45 миллионов километров также был зарегистрирован неизвестный ранее метеорный поток со средней частотой столкновений 4,5-3 ударов на квадратном метре в секунду. Новые для нас сгущения твердых космических частиц отмечались и при полетах некоторых космических ракет, нашего третьего спутника, американского спутника «Эксплорер-1».

Рис. 35. Данные регистрации микрометеоритов по траектории полета автоматической станции «Зонд-3»

Неравномерность пространственного распределения микрометеоритов хорошо иллюстрируется результатами измерений автоматической станцией «Зонд-3», пересекавшей несколько метеорных потоков, часть из которых не была известна до запуска этой станции (рис. 35).

Достаточно полная картина концентрации твердых частичек в межпланетном пространстве может быть представлена в таблице, составленной по результатам измерений, сделанных советскими космическими аппаратами.

Материалы измерений, относящиеся к распределению метеорного вещества в окрестности Луны (на высотах 350 – 1015 километров от ее поверхности), были получены впервые при полете первого лунного спутника – научной станции «Луна-10».

Пьезоэлектрические датчики наклеивались на оболочку спутника; соответствующая поверхность, чувствительная к ударам микрометеоритов, была равна 1,2 квадратного метра.

За первые 40 суток активного существования спутника с 3 апреля до 12 мая 1966 года суммарное время регистрации показаний пьезоэлектрических датчиков составило почти 12 часов, причем было отмечено около 200 ударов частиц.

Если принять, что относительная скорость встречи станции с частичками твердого вещества имела величину примерно 15 километров в секунду (как это обычно принимается для околоземного пространства), то поток частиц с массами более 7-Ю-8 граммов составит 5-10-3 ударов на квадратном метре в секунду, т. е. он превышает средний поток микрометеоритов в межпланетном пространстве почти в 100 раз. Это можно объяснить тем, что под действием сравнительно небольшого притяжения Луны и в результате отсутствия у нее атмосферы, по-видимому, создаются условия, благоприятствующие образованию на окололунных орбитах большого количества мельчайших частиц твердого вещества, выбрасываемого с наружных слоев лунные пород при столкновении с метеоритами и микрометеоритами.

Имея в виду это обстоятельство, а также учитывая, что спутник Луны движется вокруг нее со скоростью менее 2 километров в секунду, относительную скорость встречи твердых частичек с рабочей поверхностью пьезоэлектрических датчиков для станции «Луна-1» следует принять меньше 15 километров в секунду.

Так, при скорости встречи спутника на окололунной орбите с твердыми частицами, равной 1 – 3 километрам в секунду, замеренный поток частиц с массами свыше 10^~6 граммов окажется в 100 раз большим по сравнению с приведенным выше (для V= 15 километрам в секунду).

Дополнительные материалы по метеорной обстановке вблизи лунной поверхности были получены аппаратами типа «Лунар Орбитер».

На каждом из этих аппаратов устанавливалось по 20 детекторов микрометеоритных частиц общей площадью 0,28 квадратного метра. Детектор представляет собой полый цилиндр с гелием (по его утечке фиксируется пробой цилиндра), стенки которого выполнены из бериллиевых пластин толщиной в 25 микрон. Согласно измерениям пятью аппаратами «Лунар Орбитер» было зарегистрировано 18 пробоев пластин детекторов микрометеоритами.

Резюмируя, можно прийти к двум предварительным выводам, нуждающимся в уточнении при дальнейших исследованиях.

Во-первых, столкновение космических аппаратов с микрометеоритами, опасными по размерам и концентрации, практически исключено (при длительности полета менее года).

Во-вторых, пространственная плотность твердых частичек в окрестности крупных небесных тел в сотни и тысячи раз превышает их плотность в межпланетном пространстве.