Изображения с орбитальных станций

Многоспектральные космические фотоаппараты нашли наиболее эффективное применение на американской и советской орбитальных станциях «Скайлэб» и «Салют». В советской программе, продолжающейся в настоящее время, используется блок из шести многозональных аппаратов МКФ-6М, разработанных советскими учеными и учеными ГДР и изготовленных известным оптическим предприятием «Карл Цейс Йена» в ГДР. Каждый аппарат снимает одинаковое число изображений заданного района в различных диапазонах спектра. После завершения съемки изображения накладываются друг на друга с помощью специального оборудования для обработки снимков.

В аппаратах используются специальная пленка и светофильтры, воспринимающие различную информацию. Например, один из аппаратов регистрирует подробности строения почвы, включая содержание влаги и состав ее твердой части. Другая камера выбирает информацию о типах растительности, такой, как леса и сельскохозяйственные культуры. Третья камера настроена на извлечение данных о качестве воды в озерах и океанах, а также о масштабах загрязнений.

Наблюдения из космоса, подобные тем, которые осуществляются с борта советских орбитальных станций, настолько эффективны, что объем информации, получаемой за пять минут, может быть собран лишь за два года аэрофотосъемки.

Фотографии поражают стереоэффектом. Изображение суровых вершин Памиро-Алая, полученное с помощью экспериментальной камеры на борту космического корабля «Союз-22», во всех деталях воспроизводило ледник Федченко и позволяло выявить более ста менее крупных ледников на охваченной территории, из которых ранее было известно лишь около тридцати. Был получен не только большой объем новой информации о рассматриваемой области, но и обнаружены районы (цвета ржавчины на фотографиях), как нельзя лучше подходящие для разведения крупного рогатого скота.

Экипажи станции «Салют» проводили также исследования мирового океана, ледяного и снежного покровов, глобальные метеорологические наблюдения.

А. Монин, директор советского института океанографии, подчеркивал значение таких наблюдений для рыболовства. По его словам, инфракрасные датчики на борту космических лабораторий могут измерять температуру поверхности океана и с большим быстродействием определять зоны теплых и холодных течений. Перемещение косяков рыб и других морских организмов зависит от состояния масс воды, которое также определяет концентрацию и распределение различных видов рыбы. Для такой информации в мировом масштабе потребовались бы десятки тысяч исследовательских судов.

Работы других стран

Значение исследований природных ресурсов Земли получило широкое признание, и другие страны начали разрабатывать спутники для решения аналогичных задач. В 1979 г. с помощью советской ракеты-носителя был запущен индийский экспериментальный спутник наблюдения, что положило начало постоянно действующей системе.

Как и другие страны, Индия считает спутники наблюдения особенно эффективными для исследования природных ресурсов, которые меняются и возобновляются со временем, таких, как возделываемая земля, леса, реки, прибрежная зона, подвергаемая эрозии, снег и зоны затопления. Одной из задач является прогнозирование начала муссонов, с которым связана пересадка риса.

В 1978 г. Франция объявила программу «СПОТ» (франц. SPOT - Systeme Probatoire d'Observation de la Terre - экспериментальная система наблюдения Земли). Долгосрочной целью этого проекта является инвентаризация невозобновляемых и медленно возобновляемых ресурсов, таких, как минералы и ископаемые топлива, водные запасы, наблюдение за состоянием сельского хозяйства и атмосферы. Программа ориентирована на возможность опознавать, прогнозировать и в ряде случаев контролировать некоторые процессы, относящиеся к океанографии, климатологии, эрозии почвы и загрязнению воды, а также следить за потенциально опасными природными явлениями, такими, как наводнения, засуха, штормы, землетрясения и извержения вулканов.

8. Наука о космосе Н. Джонсон (США)

В течение небольшого периода времени с начала космической эры человек не только послал автоматические космические станции к другим планетам и ступил на поверхность Луны, но также произвел революцию в науке о космосе, равной которой не было за всю историю человечества. Наряду с большими техническими достижениями, вызванными развитием космонавтики, были получены новые знания о планете Земля и соседних мирах.

До начала исследований космоса с помощью высотных ракет и орбитальных аппаратов земная атмосфера, поддерживающая существование жизни на планете, в значительной степени затрудняла изучение Вселенной. Из-за огромных расстояний, которые разделяют Землю, Солнце и планеты, а также из-за неизмеримо больших расстояний до звезд и галактик одним из немногих, пригодных для изучения космоса способов является исследование электромагнитного излучения, испускаемого астрообъектом. Но до недавнего времени из-за поглощения в атмосфере электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн астрономы могли проводить исследования лишь в очень узком участке спектра. Из-за отсутствия расположенных за пределами атмосферы средств исследования излучения было недоступно изучение радиоволн низкой частоты (с длиной волны более 100 м), средних и сверхвысоких частот: ультрафиолетового излучения (длина волны 100-3000 Ằ), рентгеновского излучения (длина волны 0,01 - 100 Ằ) и гамма-излучения (длина волны меньше 0,01 Ằ). Даже традиционным оптическим наблюдениям ночного неба препятствовали туманная или облачная погода, подсветка атмосферы созданными человеком источниками света, а также собственное излучение атмосферы. Как будет видно из сказанного ниже, именно это прежде недоступное для изучения электромагнитное излучение открыло истинную природу Вселенной.

Первые эксперименты

Одним из первых важных открытий, сделанных не традиционным визуальным, а иным методом наблюдения, было установление факта резкого увеличения с высотой, начиная с некоторой пороговой высоты, интенсивности считавшихся ранее изотропными космических лучей (высокоэнергетических ядер атомов). Это открытие принадлежит австрийцу В. Ф. Хессу, запускавшему газовый шар-зонд с аппаратурой на большие высоты. Полученный в 1946 г. при кратковременном полете ракеты ультрафиолетовый спектр Солнца и осуществленные в начале 50-х годов запуски ракет-зондов на максимально возможные высоты в сочетании с запусками автоматических газовых шаров-баллонов приоткрыли завесу над нераскрытыми до того тайнами Вселенной.

В 1952 и 1953 гг. д-р Джеймс Ван Аллен проводил исследования низкоэнергетических космических лучей при запусках в районе северного магнитного полюса Земли небольших ракет на высоту 19-24 км и высотных шаров-баллонов. Еще в 1600 г. Вильям Гильберт высказал предположение, что геомагнитное поле Земли можно считать похожим на диполь или на магнитное поле обыкновенного магнита, из одного полюса которого выходят силовые линии и, огибая его, входят в другой полюс. Следовательно, отклонение космических лучей, состоящих из заряженных частиц, должно быть минимальным около полюсов, из которых выходят силовые линии магнитного поля, позволяя тем самым радиации проникать здесь ближе к поверхности Земли. Проанализировав результаты проведенных экспериментов, Ван Аллен предложил разместить на борту первых американских искусственных спутников Земли достаточно простые по конструкции детекторы космических лучей. Мировая научная общественность объявила 1957 г. Международным геофизическим годом. Было заявлено, что до конца этого года СССР и США намерены осуществить запуск на орбиту вокруг Земли искусственного спутника Земли. Советский Союз первым добился успеха, запустив 4 октября 1957 г. первый спутник. На втором советском спутнике, запущенном через месяц после первого, находились датчики для измерения солнечного ультрафиолетового, рентгеновского и других видов космического излучения. С помощью спутника «Эксплорер-1», выведенного США на орбиту 31 января 1958 г., так же как и запущенного двумя месяцами позже спутника «Эксплорер-3», было обнаружено резкое уменьшение интенсивности космического излучения на высотах более 950 км. Сначала этот результат вызвал недоумение, однако достаточно быстро Ван Аллен и его коллеги установили, что их несложные по устройству датчики насыщались неожиданно огромными потоками заряженных частиц. Открытие зоны, содержащей высокоэнергетические частицы (протоны и электроны), захваченные областями геомагнитного поля, которая вскоре получила название радиационного пояса Земли, достойно увенчало усилия ученых в Международном геофизическом году. Началась новая эпоха космических исследований.

В конце 1958 г. автоматическая межпланетная станция (АМС) «Пионер-3», преодолевшая за сутки полета расстояние свыше 100 000 км, зарегистрировала с помощью имевшихся на борту датчиков второй, расположенный выше первого, радиационный пояс Земли, который также опоясывает весь земной шар. Последующие исследования подтвердили, что действительно электроны и протоны высокой энергии окружают Землю в виде большого пространственного облака, простирающегося на расстояние до 10 радиусов Земли (64000 км), и колеблются вдоль магнитных силовых линий между Северным и Южным полушарием.

Кроме понятного возбуждения, охватившего ученых в связи с обнаружением радиационных поясов Земли, в СССР и США это открытие вызвало большой интерес инженеров и врачей, которые изучали возможность осуществления запуска космических аппаратов с человеком на борту. Открытые радиационные пояса при движении в них космических аппаратов, не имеющих специальной защиты, могли привести к гибели находящихся на борту людей. Невыясненным оставался и вопрос, какая защита необходима для обеспечения безопасности будущих астронавтов.

Ситуация еще больше осложнилась, когда в марте 1959 г. стало известно, что в августе и сентябре предыдущего года на высоте более 320 км было произведено три атомных взрыва, каждый мощностью 1,5 кт. Целью испытаний с кодовым названием «Аргус» было изучение возможности пропадания радио- и радиолокационной связи при таких испытаниях и главное - возможности пресечения полета ракет с ядерными зарядами. Непредвиденным результатом проведенных испытаний было образование нового искусственного радиационного пояса из захваченных геомагнитным полем Земли электронов, образовавшихся при ядерном взрыве. К счастью, имеющий форму «пончика» радиационный пояс, существовавший на высотах от нескольких сотен до 6000 км над поверхностью Земли, к концу 1958 г. рассеялся. До запрещения в 1963 г. ядерных взрывов в атмосфере и в космическом пространстве осуществленная в 1962 г. серия таких высотных взрывов привела к значительному усилению радиации в радиационных поясах Земли, что послужило препятствием для осуществления группового полета двух советских пилотируемых космических кораблей «Восток-3 и-4», а также ускорило выход из строя нескольких автоматических искусственных спутников Земли, включая первый английский ИСЗ «Ариэль-1».

Советские AMС «Луна-1 и -3» и американская АМС «Пионер-4», направленные к Луне в 1959 г., обнаружили другое неожиданное явление - солнечный ветер. Несмотря на то что норвежский ученый Олаф Биркелэнд в 1896 г. высказал предположение о существовании солнечных корпускулярных лучей, порождающих северное полярное сияние, величина и проникающая способность этих частиц вызвали удивление. Вследствие вращения Солнца и необычайной активности процессов на его поверхности оттуда по спирали вылетают в космическое пространство частицы со средними скоростями 300 - 550 км/с. Этот идущий от Солнца поток буквально сдувает магнитное поле Земли, придавая ему каплеобразную форму, аналогично тому как это происходит с газовыми компонентами комет, когда они приближаются к Солнцу. АМС «Пионер-10 и -11» выявили аналогичное нарушение сильного магнитного поля Юпитера, в то время как космический аппарат «Маринер-10» обнаружил, что интенсивный солнечный ветер пробивает дыру в плотной облачной структуре Венеры.

Поскольку плотность энергии собственного магнитного поля Солнца значительно меньше плотности энергии солнечного ветра, магнитное поле Солнца уносится потоками солнечного ветра в космическое пространство и, пронизывая его, взаимодействует с геомагнитным полем. Уменьшение потока космического излучения из Галактики в периоды высокой солнечной активности обусловлено эффектом «зонтика», когда межпланетное магнитное поле «раздувается» и отклоняет эти частицы высокой энергии. Эксперименты показали, что магнитное поле Солнца само искажается, поскольку вся Солнечная система движется сквозь межзвездную среду со скоростью около 20 км/с. Ожидается, что АМС «Пионер-10 и -11», которые находятся соответственно один на траектории полета за пределы Солнечной системы, другой на траектории пролета мимо Сатурна, выйдут из магнитной гелиосферы где-то за пределами орбиты Плутона, и тогда окажется возможным измерить полный поток галактического космического излучения, не искаженного влиянием Солнечной системы.

Полеты АМС к Солнцу

Исследование Солнца - важнейшая научная задача, решению которой были посвящены запуски большинства первых спутников Земли и автоматических межпланетных станций. В период между ноябрем 1963 г. и октябрем 1973 г. в США было запущено десять АМС для проведения детального исследования Солнца в течение всего одиннадцатилетнего солнечного цикла и для предупреждения опасного воздействия возможной солнечной вспышки на астронавтов космических кораблей «Аполлон» и орбитальной космической станции «Скайлэб». Первая такая АМС обнаружила, что межпланетное магнитное поле имеет гораздо более сложную форму, чем предполагалось ранее, и фактически состоит из нескольких секторов с противоположной полярностью. Продолжительные исследования, проведенные на околоземной орбите и в межпланетном космическом пространстве, показали, что при пересечении границей такого сектора магнитосферы Земли возрастают геомагнитная активность и интенсивность полярных сияний.

АМС «Пионер-4» «Пионер-9» (1959-1968 гг.) с околосолнечных орбит передавали по радио на Землю важнейшую информацию о структуре Солнца и о взаимодействии солнечного ветра с магнитосферой Земли. Полученная с борта АМС «Пионер-5» информация позволила обнаружить связь между активностью солнечных вспышек и напряженностью межпланетного магнитного поля, показав, что эта активность может нанести вред космонавтам, не защищенным геомагнитным полем. С помощью АМС в ближнем космосе, АМС «Пионер» и «Маринер», исследующих области космического пространства между Меркурием и Сатурном, а также множества других международных обсерваторий, совершающих полеты между Марсом и Солнцем, наши представления о межпланетном магнитном поле и его влиянии на околоземное пространство и людей стремительно расширились, хотя и сейчас остается много невыясненного.

Начиная с 1962 г. в США на орбиту вокруг Земли для получения представления о геомагнитной обстановке и для углубленного исследования физики Солнца в длинноволновой области электромагнитного спектра излучения было выведено восемь орбитальных солнечных обсерваторий - ОСО (англ. OSO - Orbiting Solar Observatories) и шесть орбитальных геофизических обсерваторий - ОГО (англ. OGO - Orbiting Geophysical Observatories). Аналогичные эксперименты проводились и в Советском Союзе на спутниках серии «Электрон» в 1964 г. и начиная с 1972 г. на спутниках серии «Прогноз», которые запускаются по настоящее время.

Были предприняты и значительные международные усилия для расширения представлений о взаимосвязи между солнечной активностью и погодой на Земле, а также радиосвязью. Изучалось влияние солнечной активности на загрязняющие вещества химического происхождения. Часть аппаратуры первого английского искусственного спутника «Ариэль-1», запущенного в 1962 г., была предназначена для исследования солнечного излучения в ультрафиолетовой и рентгеновской частях спектра. В 1969 г. в ФРГ был запущен на гелиостационарную орбиту спутник «Ацур» для изучения потоков частиц, испускаемых Солнцем, и их воздействия на радиационные пояса Земли, а в 1972 и 1974 гг. были запущены спутники «Аэрос-1 и -2» для изучения солнечного излучения в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. ФРГ продолжила исследования Солнца с помощью двух АМС «Гелиос-1 и -2», которые в 1975 и 1976 гг. приблизились к светилу, находясь внутри орбиты Меркурия. Французские космические атшараты «Турнесоль» и «Аура», а также японские спутники «Шинси» и «Тэйо» расширили эти исследования Солнца в ультрафиолетовой части спектра спектрофотометрическими методами, а также регистрацией радио- и рентгеновского излучений и космических лучей. Целью запуска первого индийского спутника «Ариабата» были исследования Солнца и звездных рентгеновских источников в Млечном Пути и за его пределами.

Поскольку сложность разработки таких проектов и расходы на их осуществление растут, заинтересованные страны стали объединять свои усилия. По инициативе Европейского космического агентства (ЕСА) и его предшественницы - Европейской организации по космическим исследованиям (ЕСРО) (англ. ESRO - European Space Research Organisation) были запущены аппараты «ГЕОС-1 и -2», обращающиеся по высокоэллиптическим орбитам вокруг Земли. С помощью этих космических аппаратов в течение семилетнего периода изучалось межпланетное магнитное поле, определялись интенсивность и направление солнечного корпускулярного излучения и исследовалась геомагнитная плазменная мантия (область разреженных высокотемпературных ионов). Несколько раньше с помощью полученных с космических аппаратов «Ирис» и «Аврора» данных были построены траектории частиц солнечного происхождения в околоземном космическом пространстве и зарегистрированы события, происходящие в районах магнитных бурь. Оба спутника были запущены ЕСРО в 1968 г.

В то же время в рамках программы сотрудничества социалистических стран было запущено более двадцати спутников серии «Интеркосмос», в научном оснащении которых участвовали Болгария, Венгрия, Вьетнам, ГДР, Куба, Монголия, Польша, Румыния, СССР, Чехословакия. Основное назначение этих аппаратов - изучение Солнца и околоземного космического пространства. Первый спутник «Интеркосмос-1», запущенный в 1969 г., был оснащен аппаратурой для изучения поляризации излучения солнечных вспышек. А запущенный в 1978 г. спутник «Интеркосмос-18» имел на борту первый созданный в Чехословакии спутник «Магион», предназначенный для проведения совместных экспериментов по изучению ионосферы и магнитосферы.