Лекция 20.Современные исследования Солнечной системы с помощью космических аппаратов.

Цель: обратить внимание на особенность изучения Солнечной системы в эпоху космонавтики.

Ключевые слова: космическая эра, ИСЗ, межпланетные космические станции, космические корабли.

Содержание:

1. Наземные исследования Солнечной системы.

2. Использование космически аппаратов в исследовании объектов Солнечной системы.

Физические основы:

1. Физика космического полета (сила тяготения, космические скорости, траектории движения в поле тяготения).

2. Агрегатные состояния вещества.

3. Физические поля: гравитационное, электрическое и магнитное.

4. Физические характеристики объектов в различных агрегатных состояниях,

5. Характеристики физических полей.

Начало космической эры внесло принципиальные изменения в исследования Вселенной, дав возможность проводить непосредственные измерения в космическом пространстве, вблизи небесных тел и на их поверхности. Наземные наблюдения объектов Солнечной системы велись с глубокой древности. Значительную роль в исследованиях имело развитие геометрической оптики, создание оптических систем (зеркал, линз), одной из которых был телескоп. Уже первый телескоп Галилея позволил получить принципиально новую информацию о явлениях в Солнечной системе, например, о пятнах на Солнце. Анализ длительных наземных исследований привел к обоснованию гелиоцентрической системы мира. Выход в космическое пространство существенно расширил возможности исследования Солнечной системы. Первый искусственный спутник Земли был запущен в Советском Союзе 4 октября 1957 г. Постепенно снижаясь в результате трения о воздух, он сгорел в нижних слоях атмосферы. Изучение торможения первого спутника позволило узнать плотность земной атмосферы на высотах до 947 км. В этом же году были запущены ещё 2 советских спутника. В результате полётов было совершено одно из важнейших открытий XX века - были открыты радиационные пояса Земли, области высокоэнергичных заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли и представляющих опасность для космонавтов. Приведем краткий обзор исследований Солнечной системы с помощью космических аппаратов на основе материалов работы [24-27]. Обратим внимание, что в первые десятилетия космической эры наиболее успешно выполнялась космическая программа СССР. Искусственные спутники Земли, Межпланетные автоматические станции запускались с космодрома Байконур, расположенного на территории современной Республики Казахстан, ранее входившей в состав СССР как союзная Республика. Космодром Байконур и в настоящее время является стартовой площадкой для космических полетов.

В 1958 г. запущен первый американский спутник Земли. В январе 1959 г. советская ракета "Луна-1" прошла в 5 - 6 тысячах километров от Луны и стала первым искусственным спутником Солнца. Были существенно дополнены сведения о радиационных поясах Земли и космических лучах. В сентябре того же года "Луна-2" достигла поверхности Луны. Было установлено, что у Луны нет магнитного поля и поясов радиации, и это имело огромное значение для будущих полётов человека к Луне. В этом же году к Венере были направлены советская станция "Венера" и американская станция "Маринер-2". Выяснено, что планета Венера вращается вокруг оси очень медленно и в обратном направлении по сравнению с другими планетами. Оказалось, что атмосфера Венеры в несколько раз плотнее земной, и высота облаков составляет около 100 км. Состав атмосферы, а также температура и давление на поверхности планеты не были определены.

В 1962 году к Марсу была запущена советская станция "Марс-1". Отмечено было, что концентрация микрометеоров вблизи Земли больше, чем в окрестностях Марса, но программа изучения Марса не была выполнена. 15 июля 1965 г. великолепные снимки Марса переданы на Землю американской станцией "Маринер-4", и с этого времени первенство в изучении этой планеты перешло к США. Вместо каналов, как предполагаемых следов жизни на фотографиях Марса виден "лунный" пейзаж с метеоритными кратерами. Атмосфера разреженная, и не защищает планету ни от метеоритов, ни от космических лучей, губительных для всего живого.

21 июля 1969 г. в 16 часов 17 минут по нью-йоркскому времени лунный отсек "Орёл" американского корабля "Аполлон-11" с двумя астронавтами на борту совершил мягкую посадку на Луну в Море Спокойствия. Впервые человек ступил на поверхность другого небесного тела. Лунная поверхность оказалась твёрдой и удобной для ходьбы. Через трое суток астронавты благополучно вернулись на Землю, доставив образцы лунного грунта. В 1970 г. советская автоматическая станция "Луна-16" взяла пробу лунного грунта и тоже вернулась на Землю. В 1971 и 1972 г. окрестностей Марса достигли советские станции "Марс-2" и "Марс-3", открывшие у планеты слабое магнитное поле, хотя это открытие не было признано. Наличие магнитного поля подтверждено станцией "Марс-5" в 1974 г. и американским аппаратом в 1997 г. [Жузгов, 1998].

"Пионер-10" (США). Запущен в 1972 г. Предназначался для исследования дальнего Космоса. Особенно интересным было обнаружение добавочное ускорение станции строго к Солнцу, то есть она тормозится чуть быстрее, чем должна. Её нормальное гравитационное ускорение в 1980 г. - 3,8*10-4 см/с2, добавочное - 8*10-8. Последующие измерения подтвердили добавочное торможение (ускорение к Солнцу). Самой большой неожиданностью оказалось постоянство добавочного ускорения: по мере удаления станции от 40 до 60 а.е. величина ускорения не менялась с точностью 2*10-8 см/с2. Добавочное ускорение было обнаружено и по данным Пионер – 11, запущенного в 1973 году и проходящего вблизи Юпитера в 1974 году и вблизи Сатурна в 1979 году. Все вероятные причины ускорения из числа известных отвергнуты, и поэтому "некоторые учёные не исключают возможность влияния совершенно новых гравитационных механизмов" [Загадочное ускорение..., 1999, с.101]. Аппараты "Викинг-1" и "Викинг-2" (США 1975 - 1976 гг.) зафиксировали на полюсе Марса температуру минус 123 градуса Цельсия [Хаберле, 1986].

В 1976 г. в США запущен лазерный геодинамический спутник "LAGEOS-1" ("Laser Geodynamic Satellite") для высокоточных измерений движения земной коры с использованием отражения лазерного сигнала призматическими зеркалами, которых установлено на его поверхности 426. Это похоже на вращающийся зеркальный шар в дискоклубах. К 1989 г. обнаружился "дрейф" спутника на несколько тысяч километров под давлением света и реактивной реакции на его переизлучение [Геодинамический спутник и солнечные фотоны, 1997]. Искусственный спутник Земли "IRAS" с инфракрасным телескопом на борту (Нидерланды, Великобритания, США), запущен в 1983 г. С Земли нельзя производить наблюдения в инфракрасном свете, так как воздух не пропускает его. За 10 месяцев работы телескопа открыты около полумиллиона источников инфракрасного излучения. В Солнечной системе - 5 новых комет, десятки астероидов, остаток кометы Фаэтон, несколько полос космической пыли вокруг Солнца (от столкновения астероидов), полоса пыли над и под поясом астероидов, полоса пыли в плоскости земной орбиты. Вне Солнечной системы - кольцо мелких частиц вокруг Веги, сотни холодных протозвёзд, сгущение пыли в центре Галактики, сталкивающиеся инфракрасные галактики и т.д. [Хэбинг, Нейгебауэр, 1985; "IRAS" - великий первооткрыватель, 1996].

Европейский зонд "Джотто". В 1986 г. пересёк центральную часть головы известной кометы Галлея примерно в 600 км от ядра. Кометные пылинки повредили приборы "Джотто", но, в целом, станция справилась с задачей. Получены фотографии кометного ядра, определён химический состав ядра и головы [Пролёт "Джотто"..., 1986].

В 1989 г. на орбиту выведен специализированный инфракрасный телескоп COBE для изучения реликтового излучения (Большого Взрыва). Получена информация о самом начале развития Вселенной, о первых галактиках и звёздах.

"Галилео" (США). Запущен 18 октября 1989 г. с корабля "Атлантис" ["Галилей"..., 1990]. Зарегистрированы 9 вспышек в облаках Венеры [Природа, 1992, N3, с.120], впервые с близкого расстояния сфотографированы астероиды, открыт спутник астероида Иды, отмечены изменения цвета Ио из-за новых излияний серы (в сравнении с прежними фотографиями "Вояджеров"). Сделано огромное количество других открытий на спутниках Юпитера. Открыто облако пыли, которое летит от Юпитера или его спутников. Это наэлектризованные частицы в магнитном поле Юпитера. Везде в поясе астероидов было в среднем одно столкновение с микрометеоритом за сутки, а в этом облаке - 20000 столкновений в сутки [Изучается астероид Ида, 1994; "Галилей" совсем запылился, 1996; Внутренние океаны спутников Юпитера, 1999].

Космический телескоп "Хаббл" (США), выведенный на орбиту в 1990 г., предназначен для изучения далёких областей Вселенной. Далёкие звёзды-цефеиды, называемые "маяками Вселенной", телескоп Хаббл "видит" в объёме в 1000 раз большем, чем наземные телескопы. Он смог впервые в мире разглядеть диск далёкой звезды - диск красного сверхгиганта Бетельгейзе, а также пятно на ней поперечником в 10 раз больше Земли [Разглядеть Бетельгейзе в "лицо", 1996]. При помощи этого телескопа получены хорошие фотоснимки Плутона и его спутника Харона [Купер, Хенбест, 1998], изучены изменения полярных шапок Марса, наблюдались извержения вулканов на Ио, падение кометы на Юпитер и т.д

Зонд "Улисс" (США). Запущен в 1990 г. Предназначен для изучения полюсов Солнца, которые плохо видны с Земли. Солнце изучается также солнечно-гелиосферной обсерваторией "SOHO" ("SolarHeliosphereObservatory"). Кроме того, этот аппарат обследовал плазменный "хвост", который тянется от Венеры [Колоссальный "хвост" Венеры, 1997].

"Марс-ГлобалСервейер" ("MarsGlobalSurveyororbiter") в 1997 г. подтвердил наличие у Марса слабого магнитного поля [Жузгов, 1998].

Станция "NEAR" (NearEarthAsteroidRendervour– (США) запущена 17 февраля 1996 г. для исследования астероида Эрос [Странности топографии Эроса, 2002]. Определены его масса и плотность [Астероид Эрос, 2000]. 14 февраля 2000 г. станция стала спутником Эроса, а 12 февраля 2001 г. была посажена на него [Странности топографии Эроса, 2002]. Получено 160 тыс. снимков, в т.ч. перед самой посадкой.

Станция "Кассини" и спускаемый зонд "Гюйгенс" (международные). Предназначены для изучения Титана - спутника Сатурна. Система Кассини – Гюйгенс предоставила ученым очень обширную информацию в соответствии с программой исследования.

В феврале 1997 г. впервые на околоземную эллиптическую орбиту с удалением до 21 000 км выведен японский спутник "HALCA" ("Highly Advanced Laboratory for Communications and Astronomy") с радиотелескопом. Сочетание с земными радиотелескопами даёт базис в 30 000 км, а возможности спаренных радиотелескопов тем больше, чем больше они удалены один от другого [Японский радиотелескоп в космосе, 1997; Радиотелескоп в космосе, 1998]. Та же ракета должна вывести в Космос другие японские объекты (см. выше).

Ультрафиолетовые и гамма-телескопы были и есть на многих советских и американских спутниках, рентгеновские - на американских, советских, голландских и японских спутниках.

Европейский спутник "Гиппарх" (1997 г.) при помощи метода параллакса определил или уточнил расстояние до 100 000 звёзд Нашей Галактики. Расстояние определялось по тому же принципу, что и с Земли (смещение относительно более далёких объектов при наблюдении с противоположных точек околосолнечной орбиты Земли), но гораздо точнее, чем при использовании наземных телескопов. Среди этих звёзд было 220 цефеид - ярких молодых переменных звёзд ("маяков Вселенной"), светимость которых чётко связана с периодом переменности. Выяснилось, что все эти цефеиды расположены чуть дальше, чем до этого думали. Значит, и все цефеиды дальше (и те, которые находятся в далёких галактиках). Раз они такие яркие, то они молоды. Молоды и галактики, в которых они находятся. Оцениваемыйпо этим данным возраст Вселенной оказывается 10 - 12 миллиардов лет, что значительно меньше предполагаемых ранее 15 миллиардов лет. По данным телескопа спутника «Планк» (запущен 14 мая 2009 г.) принадлежащему Европейскому космическому агентству составляет около 13,8 млрд. лет. Оценка возраста Вселенной теоретически строится на основе Стандартной космологической модели и составляет одну из важнейших проблем современной физики и космологии.

Космический аппарат "Stardust" ("Звёздная пыль") (США) стартовал в 1999 г., предназначен для изучения кометы Вильда-2 и облаков космической пыли. До встречи с кометой совершил три облёта вокруг Солнца. 15 января 2006 года капсула с образами кометного вещества вернулась на Землю. Сам зонд находился в работоспособном состоянии на орбите вокруг Солнца до 2011 года.

20 февраля 1986 г. на околоземной орбите появился базовый блок советской станции "Мир" с шестью стыковочными люками, и начался полёт этого околоземного аппарата, который продолжался до 23 марта 2001 г. На станции осуществлено 17 тысяч научных экспериментов разного характера [информационные радиопередачи 23 марта 2001 г.]. С 20 ноября 1998 года функционирует Международная космическая станция, на которой систематические исследования сменными экипажами исследователей разных стран.

В настоящее время более 120 стран в той или иной степени участвуют в исследованиях по освоению и использованию космического пространства. Среди них есть ряд развивающихся стран Индия, Пакистан, Аргентина и др. лидирующее положение в проведении космической деятельности занимают, США, Россия, Франция, Япония, Канада и др. Реализуется и Государственная космическая программа, принятая в Республике Казахстан. Участие многих стран в организации и проведения космических исследований дает возможность более эффективно использовать мировое научное сообщество и строить космодромы в местах более удобных для запуска космических аппаратов, делая их более дешевыми.[23]

Ниже в схемах 13-16 приводится информация о некоторых космических исследованиях. ,

Наиболее известные автоматические межпланетные станции (АМС), исследующие элементы Солнечной системы.

Вояджер

США

Маринер

США

Схема 13. Космические аппараты в Солнечной системе.

Схема 14. Космические аппараты, исследующие Сатурн

Первый ИСЗ (СССР) запущен в 4 октября 1957 г. Изучение торможения первого спутника позволило узнать плотность земной атмосферы на всех высотах до 947 км. В этом же году были запущены ещё 2 советских спутника. В результате полётов было совершено одно из важнейших открытий XX века - были открыты радиационные пояса Земли.

В сентябре 1959 г. "Луна-2" достигла поверхности Луны. Установлено, что у Луны нет магнитного поля и поясов радиации.

12 февраля 1961 г. Венере была направлена советская станция "Венера", а вслед за ней туда же - успешная американская станция "Маринер-2". Выяснено, что Венера вращается вокруг оси очень медленно и в обратном направлении по сравнению с другими планетами. Оказалось, что атмосфера Венеры в несколько раз плотнее земной, и высота облаков составляет около 100 км.

Первые

космические

аппараты

исследующие

тела

солнечной

системы