[5:16:22] Аэля: На прошлой лекции я рассказал вам о тех физических процессах, которые происходят на Солнце, в межпланетной среде, и рассказал о том механизме, как воздействует солнечный ветер на околоземное космическое пространство. Мы рассмотрели с вами всю эту цепочку взаимодействий.
А теперь я хочу постараться ответить на такой вопрос, который интересует, ну, наверное, практических всех людей. Собственно, это все интересно, а для чего и так ли уж нам надо это знать? И правильно ли делает государство, когда тратит деньги на эти исследования? Не есть ли это просто предмет развлечений за казенный счет любознательных ученых? И вообще, надо ли нам заниматься дальнейшим исследованием околоземного космического пространства?
Вопрос, конечно, правильный, и, мне кажется, долг ученых и вообще всех исследователей – всегда говорить и показывать ту привлекательность этих исследований не только с точки зрения красоты науки, какой-то гармонии, но самое главное показать практический выход, который просто отсюда следует.
Итак, околоземное космическое пространство – это, собственно, как я сказал, та полость, которая замыкается магнитным полем. Внутри которой находится магнитосфера, заселенная заряженными частицами, радиационные пояса, ионосфера.
Ионосфера – это нейтральная атмосфера, но где присутствуют кроме нейтральных частиц, еще и заряженные частицы. И, хотя их на несколько порядков, в миллион раз меньше, чем нейтральных частиц, тем не менее, вот это небольшое количество заряженных частиц является чрезвычайно важным элементом для осуществления нашей жизнедеятельности. Вот об этом я тоже буду говорить.
Итак, околоземное космическое пространство заполнено низкотемпературной плазмой. Поведение этой плазмы зависит от магнитной активности, но это значит от солнечной деятельности. Таким образом, это солнечное воздействие оказывает на поведение населяющих частиц определенное воздействие.
Околоземное космическое пространство сегодня изучается уже не только, как я говорил уже, с точки зрения фундаментальных исследований, оно решает огромное количество практических задач. Околоземное космическое пространство заселено огромным количеством спутников различного назначения, в том числе и решающие какие-то экономические задачи в интересах хозяйства, экономики страны, а решаются вопросы наблюдения Земли из космоса, осуществление связи, ну, и, конечно же, решаются задачи оборонного комплекса. Поэтому, конечно, это очень важный аспект.
Уже первые запуски космических аппаратов показали, что солнечная активность или вот магнитные возмущения, будем говорить для краткости, магнитные бури или суббуря, оказывают определенное воздействие на изделия, которые находятся, которые летают в космическом пространстве.
Кроме того, оказалось, еще одна вещь теперь, как говорится, экспериментально подтвержденным фактом является то, что вот эти магнитные возмущения оказывают воздействия не только на аппаратуру, не только на электронику, которая летает в космосе, но и на инженерно-технические сооружения, сложные конструкции, которые расположены на Земле. Вот эти магнитные бури оказывают воздействие на эффективность работоспособность крупных радиолокационных станций, на линии связи, на системы пеленгации, навигации, на линии электропередач, на длинные линии проводной связи и так далее. То есть, оказалось, что вот это все является таким отрицательным фактором, от которых, в общем-то, зависит работоспособность и надежность многих радиоэлектронных приборов.
Поскольку сегодня космическое пространство, уже околоземное космическое пространство рассматривается не как объект исследований, но и пространство, которое фактически включено в сферу человеческой деятельности, то нам нужно не просто знать и понимать, но нам нужно предупреждать и говорить, говорить о благоприятных периодах, когда можно работать, постараться уберечь и предугадать, предсказать те периоды, когда они являются неблагоприятными, и так далее. То есть, нам нужно не только знать, но и уметь прогнозировать.
Какие же факторы основные, на которые люди сейчас сосредоточили свое внимание, и где, действительно, требуются глубокие проработки с практическим выходом? Это, прежде всего, нужно определить и оценить воздействие космической радиации на аппаратуру космических аппаратов и самолетов. Известно, что самолеты сейчас летают на больших высотах, осваивают трансполярные трассы, когда самолеты летят через полюс, то есть, это здесь уже с точки зрения экономического эффекта.
И оказалось, что все-таки заряженные частицы больших энергий, - это мегаэлектронвольты, мэлы, частицы они проникают до этих высот, где находятся самолеты высотные, да даже пассажирская авиация, естественно, они оказывают воздействие на живые организмы, они оказывают воздействие на радиоэлектронику и так далее.
Кроме того, уже начиная с середины прошлого века, когда было ясно установлено влияние солнечной активности на ионосферу, а это, я повторяю, самая удивительная область, поскольку фактически там создается некий зеркальный экран для радиоволн, и именно в конце 21-го века человечество достигло максимального эффекта использования ионосферных уровней, ионосферных слоев для организации дальней радиосвязи. Тогда же не было еще спутниковой связи, тогда не было оптоволокна, тогда работали с помощью передающих устройств. Ведь для того, чтобы передать информацию на большие расстояния, несколько тысяч километров, нужна была, нужны были хорошие знания ионосферы, то есть, знать электронную концентрацию, знать степень ионизации, знать высоту, где находятся вот эти отражающие слои. И таким образом организовать радиосвязь с тем, чтобы можно было обеспечить ее надежность.
Кроме того, выяснился еще интересный факт, с которым приходится считать. Оказывается, во время вот во время сильных вспышек, когда ионосфера буквально взбухает, и спутник находился на этой высоте, и он рассчитан для определенной плотности, вдруг в момент вспышек, когда ионосфера разбухает, плотность повышается, и спутник начинает просто закручиваться, он начинает резко тормозит, что, кажется, в расчеты не входило. Так вот, это тоже надо учитывать.
Ну, и наконец, еще один известный факт, он был известен еще и в начале прошлого столетия, даже в конце 19-го столетия, это, конечно, наш старый телеграф, который был фактически сразу же использован и организован как только появились первые эксперименты передачи радиосигнала, опыты Попова, Маркони. И уже тогда было обнаружено, что во время в те периоды, когда наблюдалось... тогда не говорили о вспышках, но, когда наблюдалось сияние, а они связаны со вспышечной деятельностью Солнца, вдруг нарушались... сбои, связь прекращалась, и многие линии выходили из строя и так далее. То есть, и тогда люди понимали, что это что-то связано именно с теми действиями, с теми явлениями, которые, по-видимому, проходят на Солнце. Ну, а сегодня это все достаточно хорошо известно, но, повторяю, механизмы воздействия они… требуется их детальное изучение.
Кроме того, вот в момент прохождения заряженных частиц больших энергий до высот, скажем, стратосферы, тропосферы, это тоже оказывается губительным фактором, потому что на высоте 20-25 километров находится слой озона, это является очень важным элементом, который фактически обеспечивает нашу жизнедеятельность, поддерживает все живое, именно он защищает нас от жесткого ультрафиолета. Так вот, во время сильных возмущений оказывается, что этот озон начинает погибать, слой истощается. Ну, и, соответственно, можно говорить о так называемых дырах, о которых мы говорили, и об этом мы тоже поговорим.
Ну, и кроме того, вот последнее время, хотя это тоже факты на эти явлений были указаны раньше в литературе, и много писали, и многие из вас читали книжку нашего известного русского ученого Александра Леонидовича Чижевского «Земное эхо солнечных бурь», где все это хорошо описано. Вот эти явления оказываются небезразличны для живых организмов.
Итак, начнем по порядочку. Вот здесь показан разрез магнитосферы, меридианный разрез и нанесены орбиты спутников. Совершенно видно, что часть спутников переходит и одной области в другую, и пересекает различные образования, структуры магнитосферы. И я не приводил с тем, чтобы просто не забивать здесь такими более какими-то мелкими деталями, скажу, что физика вот этих областей, то есть, заряженные частицы, спектры, энергии частиц, населяющих этих области, различны. И, поскольку спутник пересекает за свой оборот, он находится на разных орбитах, здесь как раз показан спутник, который летает внутри магнитосферы, здесь не показаны спутники высокоапогейные, которые выходят за пределы магнитосферы, возвращаются в магнитосферу и так далее, здесь только эти. И то видно, что за оборот спутник вынужден пересекать различные области магнитосферы, которые, я повторяю, населены различными частицами средней энергии, высоких энергий и так далее.
Что здесь опасно, что здесь неприятно? Опасно вот в чем. Частицы высоких энергий, или как можно называть или называть так очень часто в обыденном обиходе радиация, она проникает внутрь обшивки кораблей и может создавать эти заряженные частицы, проникают внутрь корабля, и просто попав в какой-то элементик, может просто выбить его. Знаете, что сейчас микроэлектроника состоит из очень, очень маленьких незначительных таких мелких, очень мелких элементиков. И достаточно даже одной частицы проникнуть туда, как вызовет просто логический сбой, а то, может быть, просто выведет ее из строя. Это раз.
Во-вторых. Вот эти частицы, которые проникают внутрь корабля, они застревают в диэлектриках, и создают объемный заряд. То есть, попадает, попадает заряд, накапливается. И, если достигает определенных размеров, может просто произойти разряд, то есть, начнет естественное стремление к равновесию, будет система стремиться этих зарядов, стремиться к равновесию, произойдет разряд, просто произойдет уничтожение. И эти, действительно, такие эффекты наблюдались и проводились эксперименты, просто аппаратура гибнет.
Наконец, эти заряженные частицы электризуют поверхность спутников. И в результате на поверхности спутника возникает разность потенциалов, которая достигает десятки киловольт. И то же самое, при достижении некоего порогового значения происходит разряд. В этот момент возникают различные помехи на поверхности, которые эти помехи могут проникать под обшивку и просто запускают и выключают радиоэлектронную аппаратуру, то есть, происходит несанкционированное срабатывание некоторых устройств. В результате, ну, различные… смотря какая система, выводят систему управления, систему энергетики, да, мало ли.. спутник ведь напичкан буквально ведь электронным оборудованием.
Это электронное оборудование выходит из строя и многомиллионная, и даже миллиардная аппаратура, которая создавалась многие годы большим коллективом людей, приходит в негодность и спутник прекращает свою деятельность. Поэтому принимать нужно, во-первых, рассчитывать на эти условия. И уже сейчас разработаны специальные нормативы для конструирования космических аппаратов.
Но этот вот путь как раз прошел на моих глазах, когда вначале, казалось, неведомая сила, спутник сделан все как положено, тем не менее, через некоторое время выходит из строя. Полагали, что там разряженная плазма, она не может вызвать никаких явлений, все связано только с технологией. Ничего подобного. Технология, безусловно, должна быть качественная, должна быть чистота, но внешняя среда оказывает пагубное воздействие. И с этим пришлось считаться, и сейчас это принимается во внимание.
Ну, и, кроме того, пронимаются такие меры, как поверхность кораблей, спутников пытаются металлизировать с тем, чтобы не было накопления зарядов. Это вот такие меры.
Да, вот здесь вот показаны те эффекты на космическом аппарате, вот, видите, там вот наверху происходит накопление заряда. Накапливается. Вот происходит разрядка, происходит целый .. таких явлений. Может быть, это и ничего, может быть, защита там срабатывает, но во многих случаях такие разряды они просто выводят аппаратуру из строя. Этим очень много занимались и у нас, и за рубежом. И, повторяю, здесь у нас хорошие результаты, но, тем не менее, проблем эта остается. И, естественно, надо задумываться о том, не секрет, что готовятся полеты на Луну, на Марс и так далее. И с этим тоже нужно считать.
Мне казалось, что невероятно, что могут возникать эти разряды на межпланетной среде. Но вот некоторые эксперименты с Венерой показали, что, оказывается, на борту этих тоже возникают. То есть, неоднородности там есть, они могут быть такими, вот эти явления могут быть опасными для межпланетных путешествий.
Теперь дальше. Конечно, во время сильных возмущений особенно для пилотируемых полетов, конечно, нужно сделать все, чтобы обезопасить и космонавтов. Для этого работают и с медиками, принимаются дополнительные меры, как во время вспышек экипаж должен занять соответствующее положение, или может быть, развернуть так космический аппарат с тем, чтобы наибольшие части, где расположена аппаратура или еще что-то, попала на пути этих лучей с тем, чтобы защитить, то ести, создать такой экран. Это сейчас все принимается во внимание при пилотируемых полетах, но, безусловно, крайне важно, крайне важно все это учитывать при планировании длительных путешествий на Марс, другие планеты.
И сейчас уже вот эти варианты просматриваются. И вот я недавно читал, идет дискуссия, в какой период лучше лететь, в минимум или в максимум солнечной активности. Кажется, нужно лететь в минимуме, когда нет вспышек, когда спокойное межпланетное пространство. Но, однако, нужно помнить, что в этот момент как раз межпланетное пространство, солнечная систему буквально забита галактическими космическими лучами, у них очень высокие энергии. Правда, поток почти там постоянный. Поэтому тут все надо принимать во внимание. То ли нужно лететь в максимуме солнечной активности и знать хороший прогноз, выбирать тот период, когда не будет сильных явлений, или наоборот. Но это все зависит от задач, от тех технических условий, ну, собственно, от многих других факторов. Это вот, что касается радиации и защиты аппаратуры, живых организмов, человека от пагубного воздействия.
Но, кроме того, надо ведь рассчитывать еще и орбиту правильно. Если мы летаем в околоземном космическом пространстве, ведь надо выбрать так, если это пилотируемый полет с тем, чтобы орбита проходила и не проходила через… в радиационных поясах. Потому что там защита… нужно очень серьезно усиливать, и вряд ли сегодня это целесообразно. Легче выбрать орбиту, рассчитать так, чтобы она проходила и не затрагивала их. Хотя, исследовательские спутники, конечно, пересекают их, проводят измерения, но это все-таки уже не пилотируемые полеты, где легче принять меры по защите, ну, прежде всего, там работающей аппаратуры.
Это вот как раз иллюстрация возмущения, когда идет внедрение частицы с хвоста магнитосферы в атмосферу, вызывает полярное сияние, и как я уже говорил, это не только интересное явление.
Дело в том, что ионосфера, которая является фактически домагнитосферой. Вот есть магнитосфера, потом она переходит ближе к Земле в ионосферу. Я говорил, что это нейтральный газ, где уже имеется и заряженные компоненты, которые играют важную роль в осуществлении дальней радиосвязи, другие важные аспекты решаются с помощью ионосферы. Как, скажем, исследование нелинейных процессов в низкотемпературной плазме, это тоже большая проблема. Но ионосфера неоднородна не только, скажем, в средних широтах.
Ее нельзя представлять как монотонно убывающая электронная плотность с высотой. Есть максимумы, где очень большое количество заряженных частиц, есть минимумы, и эти минимумы и максимумы живет по определенным своим законам. Ионизация в средних широтах, вот создание ионосферы обусловлено ультрафиолетом, который поступает вот от Солнца. Всходит Солнышко, появляется оно здесь, вот на этих высотах, появляется ионосфера, появляется ионосферный слой.
Это не значит, что ночью его не бывает. Он тоже бывает за счет различных явлений, которые происходят в ионосфере, но это очень слабая, она не сравнима меньшей концентрации, но все-таки она существует. А днем просто это видно. Зависит это условие от угла Солнца. Но, главным образом, что нас всегда интересовало, это, конечно, - полярная ионосфера.
Дело в том, что в полярной ионосфере, кроме энергии, которая поступает в виден ультрафиолета, происходит высыпание частиц. Вы видите, вот там профиль вот сверху, вот, где движется этот круг, это и есть осаждение частиц. Вот энергия осажденных частиц..