Предлагаемая подборка документов проливает свет на взаимоотношения двух крупных физиков С.Н.
Вернова (ФИАН, НИИЯФ МГУ) и Дж.А. Ван Аллена (Университет штата Айова, США) в период с января 1958 г.
по апрель 1959 г. Именно в это время ими было сделано одно из крупнейших открытий космической эры - открытие радиационных поясов Земли. Его приоритет мировое научное сообщество традиционно отдает коллективу под руководством Дж.А. Ван Аллена, считая, что даже если руководимая С.Н.
Верновым научная группа и смогла первой зарегистрировать заряженные частицы внешнего радиационного пояса, выдвинутая ею интерпретация этого явления, в рамках которой оно представляет собой поток частиц, движущихся от Солнца, оказалась неверной [1].
Публикуемое ниже письмо Дж.А. Ван Аллена С.Н. Вернову от 13 января 1958г. [2] касается
данных, полученных со второго искусственного спутника Земли (ИСЗ) и свидетельствует об интересе, который американский исследователь проявил в отношении работ советских коллег по изучению заряженных частиц с помощью ИСЗ.
13 января 1958 г.
Академику С.Н. Вернову 0
По имеющейся в Соединенных Штатах информации, Вы провели наблюдения полной интенсивности космических лучей на втором искусственном спутнике Земли. Я был бы очень благодарен за сообщение о Вашей работе и предварительных результатах.
Мы подготовили подобный эксперимент на одном из наших спутников,
который предстоит запустить, и мне будет приятно посоветоваться с Вами о результате.
Познакомьтесь со следующей литературой и прилагаемыми репринтами:
1) J.A. Van Allen. "Cosmic Ray Observations in Earth
Satellites",
p. 171-187 in "Scientific Uses of Earth Satellites" (University of Michigan
Press, Ann Arbor, and Chapman and Hall, London) (1956);
2) G.H. Ludwig and J.A. Van Allen. "Instrumentation for a
Cosmic Ray
Experiment for the Minimal Earth Satellite", Journal of Astronautics, 3, 59-61
(1956);
3) J.A. Van Allen. "The Artificial Satellite as a research
Instrument",
Scientific American, Vol. 195, 41-47 (1956);
4) W. Matthews and G.H. Ludwig. "Scientific Telemetry for
U.S.N.C.-
LG.Y." Q.S.T. January 1958, p. 41-46.
Искренне Ваш
Дж.А. Ван Аллен
Другой публикуемый документ -
доклад С.Н. Вернова и А.Е.
Чудакова, сделанный на V ассамблее Специального комитета Международного геофизического года
(Москва, июль-август 1958 г.) [3]. К тому времени
Дж.А. Ван Аллен уже выступил с сообщением о первой регистрации на низких широтах
заряженных частиц, которые, как оказалось позже, принадлежат внутреннему радиационному
поясу. Однако в июле-августе 1958 г. американский исследователь высказал единственное
предположение, что им бнаружен поток электронов от межпланетной плазмы, которая приходит
от Солнца и сталкивается с земным окружением [4].
В выступлении же С.Н. Вернова и А.Е. Чудакова представлены совершенно другие выводы
об аналогичном явлении, зафиксированном ими на высоких широтах.
Во-первых, с помощью уникальной аппаратуры третьего советского спутника
впервые было достоверно установлено, что в обнаруженной зоне радиации присутствуют электроны.
Это стало возможным поскольку сцинцилляционный счетчик, созданный А.Е. Чудаковым, позволял
определять не только число упавших на него частиц, но и оценивать их энергию. Достоверно
отождествить их с бортовыми гейгеровскими счетчиками американских ИСЗ "Эксплорер-1, -3" было
невозможно. И первые результаты, полученные с помощью более сложной аппаратуры ИСЗ
"Эксплорер-4", не позволили точно отождествить регистрируемую радиацию
[5] ни на низких, ни на высоких широтах. Подобное положение
вещей заставляло американских исследователей ограничиться лишь предположениями о ее составе.
Во-вторых, в области высоких широт впервые с помощью искусственных спутников
Земли советскими физиками было непосредственно зарегистрировано новое физическое явление -
потоки высокоэнергичных заряженных частиц, которые возникают в окрестностях Земли и движутся
вокруг нее. Следовательно, ученые не только обнаружили стационарные интенсивные потоки
заряженных частиц высокой энергии, но и установили, что они возникают около Земли, текут
вокруг нее (это явление позже и получило название "внешний радиационный пояс") и, значит,
являются частью околоземного окружения, а не приходят oт Солнца, как предполагалось группой
Дж.А. Ван Аллена для подобного явления на низких широтах [4].
Эта первая гипотеза С.Н. Вернова впоследствии стала общепризнанной.
К тому же именно группой С.Н. Вернова впервые отдельно рассмотрены корпускулярные
потоки приэкваториальной зоны, которая, как к 22 октября 1958 г. установили советские ученые,
дocтиraeт широт примерно 50°, и радиация в полярной области
[6, подписан в печать 22 октября 1958 г.]. Таким образом, именно советскими
исследователями установлено наличие в околоземном космическом пространстве не одной, а двух зон
радиации. Поэтому можно считать доказанным, что внешний радиационный пояс был открыт именно
ими.
Создание ракет, и в особенности спутников, открыло широкие перспективы для
развития многих областей науки. Этим путем оказалось возможным провести исследования с помощью
измерительного прибора, помещенного вне Земли. Приходящие к нам из мирового пространства космические
лучи сильно взаимодействуют с атомными ядрами атмосферы. Даже сравнительно небольшие количества
вещества достаточны для того, чтобы частицы космических лучей, проходя сквозь такие слои, создали
большое число вторичных частиц.
Исследования космических лучей с помощью ракет были начать в СССР в 1947 году.
Вначале с помощью счетчиков Гейгера измерялось число заряженных частиц и исследовалось
образование электронно-фотонной компоненты при взаимодействии первичных частиц космических лучей с
ядрами атомов легких элементов. Было показано, что в 1947, 1949 и 1951 гг.
интенсивность космических лучей на высотах до 75 км была одинаковой и не изменялась более чем на 5%.
В 1949 г. были получены данные об интенсивности фотонов за пределами атмосферы.
Для измерения числа фотонов высокой энергии одним из нас (А.Е. Чудаковым) был предложен метод,
позволяющий провести эти измерения при наличии сильного фона заряженных частиц. Этот метод
состоял в следующем: блок свинца со всех сторон окружался счетчиками, соединенными параллельно.
Такая система должна считать:
1) все заряженные частицы, падающие на установку и способные пройти хотя бы одну стенку счетчиков;
2) фотоны, поглощенные в блоке свинца и давшие электрон, способный выйти из свинца
и попасть в один из счетчиков.
Существенно, что и поглощение и размножение падающих заряженных частиц в блоке
свинца не приводит к изменению числа зарегистрированных импульсов. Действительно, если падающая
заряженная частица падает на свинец, то она уже сосчитана одним из счетчиков и ее дальнейшая судьба
не меняет результата.
Если вынуть свинец из указанной системы счетчиков, оставив их взаимное расположение
прежним, то число импульсов уменьшится на число срабатываний установки от конверсии фотонов в свинце.
Разность в числе импульсов, регистрируемых такой установкой со свинцом и установкой без свинца,
определяется исключительно нейтральными частицами, поглощенными в свинце. Для того чтобы установка
была чувствительна именно к фотонам, толщина свинца была выбрана равной 1 см.
С помощью этой установки было найдено, что на высотах более 50 км поток фотонов
с энергией порядка 107 электрон-вольт и выше составляет 0,25 фотонов/(см2 сек).
С такой же установкой были проведены измерения фотонов в стратосфере на различных высотах и было
показано, что число этих фотонов имеет максимальное значение 0,7 фотонов/(см2 сек) на
высотах 15-20 км. Для того чтобы судить о числе фотонов значительно меньших энергий, в установке
без свинца измерялось число счетчиков, в которых одновременно возникали разряды. Установка градуировалась
на уровне моря с помощью мезонов космического излучения. С помощью этой градуировки было измерено, как
часто возможно зажигание лишь одного счетчика, если на установку падают заряженные частицы. Оказалось,
что за пределами атмосферы число случаев, когда срабатывает лишь один счетчик, значительно больше.
Это вызывается наличием фотонов с энергией порядка 106 электрон-вольт. Такие фотоны
поглощаются в стенках счетчиков и создают вторичные электроны, не способные пройти стенки других счетчиков.
Обработка полученных данных показала, что число фотонов с энергией порядка 106
электрон-вольт составляет около 200% от числа первичных заряженных частиц. При определении числа таких
фотонов было сделано предположение об их энергии, и в соответствии с этим предположением была учтена
вероятность их регистрации счетчиков. Последняя величина обратно пропорциональна энергии фотона. Поэтому
можно, не связывая себя определенным предположением об энергии фотонов, определить поток энергии, несомой
этими фотонами. Эта величина оказывается приблизительно равной потоку энергии фотонов больших энергий
(порядка 107 электрон-вольт), а именно составляет примерно 2 • 106 фотонов/(см2 сек).
В 1951 г. была измерена ионизация, создаваемая космическими лучами до высот 100 км.
Для этой цели был предложен и разработан следующий метод. Собирающий электрод ионизационной камеры был
полностью изолирован. Накапливающийся на этом электроде заряд периодически снимался с помощью электромагнитного
реле. При этом накопленный заряд стекал через сопротивление. Получаемый на сопротивлении импульс напряжения
служил мерой накопленного заряда.
Чувствительность данного метода определяется "паразитными" явлениями при замыкании контактов реле.
Как показал опыт, нетрудно добиться, чтобы ошибка в измерении заряда была 10-14 кулона,
что было вполне достаточно для поставленных целей. Камера наполнялась аргоном при давлении 5 атмосфер.
Были проведены измерения под различными толщинами поглотителей 1 г/см2 стали, 15 см алюминия,
1 см свинца и 15 см алюминия + 1 см свинца. Окружение ионизационной камеры 1 см свинца приводит к
увеличению ионизации в 2,06±0,03 раза, 15 см алюминия - 1,92±0,02, а 15 см алюминия + 1 см
свинца - 3,26±0,03. Различие в значениях ионизации измеренной при 3 полетах ракет не
превосходит 2-3%. Сопоставление ионизации и числа частиц в стратосфере и за пределами
атмосферы показывает, что средняя удельная ионизация частиц космического излучения значительно
больше ионизации релятивистской частицы. Отношение средней удельной ионизации к ионизации
релятивистской частицы принимает следующие значения:
без поглотителя
больше 50 км - 2,I6±0,07 Повышенная ионизация в стратосфере объясняется наличием вторичных
тяжелых, достаточно медленных частиц. За пределами атмосферы число таких вторичных частиц достаточно мало.
Как видно из приведенных выше данных, при помещении ионизационной камеры под слой алюминия толщиной
15 см средняя удельная ионизация примерно соответствует тому, что ожидалось на основании опытов на
высоте 20 км. Большое значение (2,16) средней ионизующей способности первичных космических частиц
обусловлено наличием в составе первичного излучения, помимо протонов, также альфа-частиц и более тяжелых ядер.
Этот вывод о большой средней удельной ионизации первичных космических частиц был
получен также путем измерения на ракетах толчков в импульсных ионизационных камерах. Указанная серия
работ по изучению космических лучей на ракетах проводилась одним из нас (А.Е. Чудаковым). В разработке
необходимой для этой цели специальной электроники и системы радиопередачи участвовали П.В. Вакулов
и В.А. Хволес, в измерении толчков - М.И.Фрадкин и в измерении фотонов - В.И. Соловьева.
На основе опытов проведенных по изучению космических лучей на ракетах
были подготовлены новые измерения, часть из которых осуществлена при полетах 2-го и 3-го
1 искусственных спутников Земли. Возможности, которые
открылись в связи с запуском спутников, позволяют найти новый подход к решению следующих проблем.
Прежде всего можно снять карту распределения космических лучей по земному шару и тем самым произвести
исследования магнитного поля Земли.
Длительное пребывание прибора установленного на спутнике позволяет надеяться найти
новые компоненты в составе космического излучения.
Особое значение в связи с этим приобретают поиски фотонов в составе космического
излучения. Если фотонная компонента будет найдена в составе космических лучей, то появится новая
возможность исследования процессов, происходящих в мировом пространстве.
Существенное значение имеют также изучение состава первичных космических лучей и
определение наличия ядер различных элементов среди частиц этого излучения.
Достаточно долговременные изменения космических лучей на спутниках позволяют
сопоставить изменения интенсивности этих лучей с теми процессами на Земле и в космосе, которые
обусловили эти вариации космического излучения.
Для измерения космических лучей на втором искусственном спутнике Земли было
установлено два идентичных прибора. Оба прибора были совершенно независимы, поэтому совпадение
показаний обоих приборов дает уверенность в правильности работы аппаратуры в полете. Каждый из
приборов состоял из счетчика заряженных частиц рабочей длиной 100 мм и диаметром 18 мм. Счетчики
были окружены в среднем 10 г/см2 вещества. Рабочее напряжение счетчика (400 вольт),
обеспечивалось с помощью полупроводникового преобразователя, который питался от батареи напряжением 6,5 вольт.
Оба прибора содержали пересчетные устройства, которые были выполнены на полупроводниковых
триодах и потребляли мощность 0,1 ватта каждое. Весь прибор потреблял 0,15 ватта. Запас питания обеспечивал
непрерывную работу прибора в течение 200 часов. Вес одного прибора вместе с источниками питания составлял 2,5 кг.
Элементы схемы прибора были описаны в статье, опубликованной в "Успехах физических наук"
(I) 2.
Измерения проводились авторами совместно с
Н.Л. Григоровым и Ю.И. Логачевым
На рис. 1 приведены отдельные примеры3
измерений космических лучей во время полета 2-го спутника.
По оси абсцисс отложена геомагнитная широта. По оси ординат - число импульсов,
считаемых счетчиками. На рисунке проведены две кривые, соответствующие двум счетчикам, имеющимся
в приборе. Слева указаны статистические ошибки.
Как видно из рисунков, показания обоих счетчиков совпадают с пределами статистических ошибок.
На рисунках отчетливо видно возрастание интенсивности космических лучей с ростом широты.
При полете спутника над территорией Советского Союза на прямых витках (движение с юга
на север) высота полета его над поверхностью Земли оставалась практически неизменной. При движении по
обратным виткам высота полета монотонно возрастала примерно от 350 до 700 км. Отношение
интенсивности космических лучей на обратных витках к интенсивности на прямых витках в одних
и тех же географических пунктах дает относительное увеличение интенсивности за счет разницы в высоте.
На рис. 2 показана полученная таким образом зависимость интенсивности космических лучей от высоты.
Ось абсцисс - высота.
Ось ординат - интенсивность.
Если бы зависимость интенсивности космических лучей от высоты
была бы одной и той же на разных широтах, то рис. 2 давал бы эту высотную зависимость.
Эта зависимость интенсивности космического излучения от высоты должна быть обусловлена,
во всяком случае, следующими эффектами.
I. Увеличение интенсивности за счет уменьшения экранирования Землей.
II. Увеличение интенсивности из-за уменьшения магнитного поля Земли,
что приводит к уменьшению пороговой энергии частиц, могущих проникнуть через магнитное поле Земли.
Найденная высотная зависимость может быть объяснена учетом только этих двух эффектов.
Проведенные измерения интенсивности космических лучей при пролете спутника на
многих прямых витках позволяют построить линии равной интенсивности этого излучения (изокосмы).
На рис. 3 представлены изокосмы для трех значений скорости счета 18, 27 и 36 импульсов в секунду.
Горизонтальные линии - географические параллели.
Вертикальные линии - меридианы.
Как видно из рис. 3, экспериментальные точки лучше всего ложатся на
географические параллели. В экваториальном районе Симпсоном (2)4
было обнаружено, что линия минимальной интенсивности космических лучей ("космический экватор"), не совпадает
с геомагнитным экватором. В связи с этим большой интерес представляет получение данных о распределении
интенсивности космических лучей по всему земному шару.
Разброс точек в 2-3 раза превосходит тот разброс, который следо-
вало ожидать, исходя только из статистических ошибок. Возможно, что это связано с вариациями интенсивности
космических лучей. Анализ полученных данных показывает, что иногда наблюдались значительные увеличения
интенсивности космических лучей. Так, 7/XI-57 г. в интервале времени от 4 час 36 мин до 4 час 49 мин
(время Московское) на широтах выше 58° было зарегистрировано повышение интенсивности космического
излучения примерно на 50%. Это повышение было зафиксировано одновременно двумя приборами. Изменение
интенсивности космических лучей в течение этой "вспышки" по данным обоих приборов показано на рис. 4
(крестики - данные одного прибора, точки - данные другого). На этом же рисунке пунктирной кривой изображено
изменение интенсивности космического излучения как функции времени, которое следовало бы ожидать, если
исходить из усредненных данных, полученных по всем виткам, исключая виток, на котором наблюдалась "вспышка".
Обращает на себя внимание тот факт, что во время "вспышки" наблюдаются большие
колебания интенсивности.
Данная вспышка не была отмечена наземными станциями. В настоящее время трудно
определить, чем было вызвано наблюденное возрастание интенсивности. Не исключено, что причиной является
не возрастание интенсивности первичных космических лучей, а повышенная плотность потока электронов
с относительно небольшой энергией - порядка сотен килоэлектрон-вольт, которые с весьма малой эффективностью
все же могут регистрироваться счетчиком Гейгера за счет испускаемого при поглощении электрона в оболочке
спутника тормозного излучения.
Возможность такой интерпретации напрашивается на основе анализа данных
третьего спутника, на котором был установлен люминесцентный счетчик, обладающий высокой эффективностью для
регистрации фотонов. В этом случае наблюдалась весьма значительная интенсивность фотонов, причем в области
тех широт, на которых наблюдалась эта вспышка. Интенсивность фотонов возрастала и претерпевала сильные колебания.
Происхождение этих фотонов естественно объяснить тормозным излучением электронов
с энергией 105 электрон-вольт.
Возрастания интенсивности фотонов в определенной географической зоне (около 60°
северной географической широты) наблюдались в течение многих дней. Поэтому можно сделать
вывод о наличии стационарных токов электронов на высоких широтах (выделено мной. - И.З.).
Наблюдаемые на спутниках вариации интенсивности космических лучей отличаются
от вариаций, наблюдаемых в этот же период времени на уровне моря и в стратосфере (на высотах 20-30 км).
По-видимому, налицо 2 типа вариаций. Часть вариаций вызывается космическими лучами и поэтому должна
соответствовать изменению числа первичных космических частиц. Другая же часть вариаций относится не
к космическим лучам, лишь регистрируется на спутниках с помощью аппаратуры, ранее разработанной для
изучения космических лучей. Регистрируется новое излучение и обусловленные им вариации числа
заряженных частиц и фотонов. Эти вариации вызываются излучением, которое можно назвать "земным излучением",
то есть частицами с высокой энергией, возникающими вблизи Земли и двигающимися вокруг Земли
(выделено мной. - И.З.).
1. Вернов С.Н., Логачев Ю.И., Чудаков А.Е., Шафер Ю.Т. УФН. Т.
XIII, вып. 1 б, 149-162, 1957 г.
2. Симпсон и другие (1955) и доклад на конференции в Варене.
Последний документ [10] - второе письмо Дж.А. Ван Аллена С.Н. Вернову. Так как один из членов группы Дж.А. Ван Аллена Э. Рей присутствовал на V ассамблее Международного геофизического года, текст приведенного выше доклада С.Н. Вернова и А.Е. Чудакова быстро стал известен их американским коллегам. Таким образом, материалы этого доклада, которому 31 июля 1958 г. было посвящено специальное вечернее заседание Ассамблеи, где участвовали многие зарубежные ученые, стали доступны мировому научному сообществу [11].
15 апреля 1959 г.
Академия наук СССР
Молодежная 3
Москва Б-296, СССР
Уважаемый доктор Вернов, Я пишу обзорную статью о захваченной корпускулярной
радиации в геомагнитном поле и хотел бы включить в нее точное описание Вашей работы в этой области.
До сих пор мы в Соединенных Штатах получили только отдельные
сообщения, т.е. копии предварительных сообщений на V ассамблее Специального комитета МГГ в Москве
в июле-августе 1958 г. и разнообразные газетные сообщения.
Поэтому я был бы очень благодарен за
а) полную библиографию советских работ на спутниках и, если удобно,
б) полную подборку репринтов и других подготовленных сообщений
об этой работе.
Искренне Ваш
Дж.А. Ван Аллен
Приложения5
Таким образом, можно заключить, что открытие радиационных
поясов было сделано не только усилиями американских экспериментаторов. Вклад физиков из других стран
также был весьма существенным. Поэтому называть оба радиационных пояса только именем Дж.А. Ван Аллена не вполне корректно.
Автор данной публикации выражает благодарность сотруднику Архива РАН
Л.Л. Заруцкой за помощь в поиске документов.
[1] Van Allen J.A.
Origins of Magnetospheric Physics, Smithsonian Institution Press. Wash. (D.C.), 1983 .
[2] Арх. РАН. Ф. 1809. Oп. 1. Д. 260. Л. 1.
[3] Арх. РАН. Ф. 1809. Oп. 1. Д. 8. Л. 6-16.
[4] Van Allen J.A., Ludwig G.H., Ray E.C., McIlwain C.E. Preliminary reports: Satellites 1958 Alpha and 1958 Gamma // Trans. Amer. Geophys. Union. 1958. Vol. 39. N 4. P. 768.
[5] Van Allen J.A., McIlwain C.E., Ludwig C.H. Radiation observations with Satellite 1958 e // J. Geophys. Res. 1959. Vol. 64, N 3. P. 271.
[6] Вернов C.H., Вакулов П.В., Горчаков Е.В., Логачев Ю.И., Чудаков А.Е.
Изучение мягкой компоненты космических лучей // Искусств. спутники Земли. 1958. Вып. 2. С. 66.
[7] Вернов C.H., Чудаков А.Е. Изучение космических лучей с помощью ракет и спутников в СССР // Докл. на Второй Междунар. конф. по мирн. использованию атом. энергии, Женева, 1958.
[8] Вернов C.H., Грчгоров Н.Л., Логачев Ю.И., Чудаков А.Е. Измерение космического излучения на искусственном спутнике Земли // Докл. АН СССР. 1958. Т. 120, № 6. С. 1231.
[9] Simpson J.A., Fenton K.B., Rose D.C. Effective geomagnetic equator for cosmic radiation // Phys. Rev. Ser. 2. 1956. Vol. 102, N 6. Р. 1648.
[10] Арх. РАН. Ф. 1809. Oп. I. Д. 260. Л. 3.
[11] Kellog W.W. IGY rockets and satellites: A report on Moscow meeting, August, 1958 // Planet, and Space Sci. 1959. Vol. 1, N 1. P. 71.
Опубликовано в: Завидонов И.В. "Исследования по истории физики и механики 1998 - 1999"
(Отв. ред. Идлис Г.М.). М.: "Наука". 2000. С. 272-283.