ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ НАШЕЙ ПЛАНЕТЫ

Более семи лет вокруг Земли движутся искусственные спутники и космические ракеты — небесные тела, созданные руками человека. 4 октября 1957 г. первый советский искусственный спутник Земли — «русское чудо» открыл космическую эру, а сейчас их уже несколько сотен. Движутся они по самым разнообразным орбитам — от полярных до экваториальных, различны их максимальные и минимальные высоты, времена оборотов, размеры и видимый блеск. Каждая из этих летающих лабораторий внесла свой серьезный вклад в исследование окружающего нас мира, позволила узнать много нового о Земле и ее окрестностях.
Так, установленные на борту искусственных спутников приборы обнаружили радиационные пояса Земли, о которых до 1957 г. ничего не было известно, позволили подробно исследовать магнитное поле нашей планеты, структуру и химический состав верхних слоев атмосферы, метеорные тела в межпланетном пространстве, идущие от Солнца потоки заряженных частиц, дали много новых сведений о Луне и ближайших планетах. Метеорологические спутники по-новому, «сверху» исследуют облачный покров Земли, что не только облегчает прогноз погоды, но и дает возможность заблаговременно предупреждать о стихийных бедствиях — тайфунах и ураганах.
В космический век возникли новые науки — космические биология и медицина. А замечательный полет нашего звездного корабля «Восход» в октябре 1964 г. показал, что летающая в космосе лаборатория с коллективом исследователей на борту — это уже не мечта, а действительность. В результате обработки систематических наблюдений спутников и изучения их орбит за последние годы косвенным путем (в отличие от прямых измерений с борта) было получено много новых сведений о Земле и околоземном пространстве. Фотографические наблюдения спутников позволили с большой точностью измерять их положения среди звезд (до нескольких угловых секунд), а также время прохождения через определенную точку небесной сферы (до нескольких миллисекунд), что оказалось новым очень эффективным средством исследования верхних слоев атмосферы и гравитационного поля Земли.
Если бы Земля была правильным шаром с некоторым правильным же внутренним распределением масс и если бы ее не окружала материальная среда (атмосфера, космические пылевые частицы, метеоры, планеты и т. д.), то спутник двигался в околоземном пространстве так, что его орбита была бы эллипсом, один из фокусов которого совпадал бы с центром масс Земли. Такой эллипс не менялся бы во времени, и его большая ось и наклонение оставались неизменными по отношению к звездам. Поскольку в действительности Земля не изолирована, отличается от правильного шара и к тому же окружена атмосферой, орбита искусственного спутника существенно изменяется с течением времени. Эти изменения можно изучать детально по данным точных наблюдений движения спутника, анализируя отклонения истинной орбиты от неподвижного идеального эллипса.
Влияние атмосферы проявляется в торможении спутника особенно сильно при прохождении его через перигей. При этом высота апогея непрерывно уменьшается, высота же перигея практически остается постоянной. Атмосферный эффект, таким образом, вызывает сжатие эллиптической орбиты и непрерывное преобразование ее в сферическую (рис. 1).

Рис. 1. Сжатие эллиптической орбиты спутника под воздействием торможения земной атмосферы

Изменяется не только форма орбиты, ной период обращения спутника. Это позволяет довольно точно вычислить плотность атмосферы на высоте перигея, если последняя не превосходит 1000 км. При большей высоте учитывается также воздействие давления солнечного излучения.
То, что Земля отличается от правильного шара, оказывает на орбиту спутника совсем иное воздействие: во-первых, вызывает прецессию плоскости орбиты спутника вокруг зем-

Рис. 2. Влияние несферичности Земли на орбиту спутника

ной оси со скоростью до 10° в сутки в направлении, обратном направлению движения самого спутника, не меняя при этом наклонение орбиты к экватору (рис. 2); во-вторых, несферичность Земли обусловливает вращение большой полуоси эллипса в плоскости орбиты в прямом направлении для орбит с малым наклонением к экватору и в обратном для полярных.
Анализ движения спутника позволяет изучать как строение верхних слоев атмосферы, так и структуру внешнего гравитационного поля Земли, а отсюда определять и числовые параметры, характеризующие фигуру Земли.

ПЛОТНОСТЬ ВЕРХНИХ СЛОЕВ АТМОСФЕРЫ

Ныне плотность атмосферы определена по движению спутников для высот от 180 до 800 км. Для высоты 1500 км плотность вычислена по спутнику-баллону «Эхо I», хотя основная возмущающая сила для него не атмосферное торможение, а давление солнечного излучения. Максимальное значение плотности для этой высоты составляет 5-10"18 г!смъ.
Наиболее точны определения английского ученого Д. Кинг-Хили по данным наблюдений 45 спутников, размеры и веса которых известны, а орбиты достаточно хорошо изучены. Результаты этих расчетов представлены на рис. 3. Отдельно показаны так называемые дневные значения плотности, определенные по наблюдениям в период, когда перигей спутника находился на освещенной Солнцем стороне Земли, и ночные, полученные по наблюдениям, когда перигей находился в тени. Дневные значения всегда больше ночных, и различие это существенно возрастает с высотой: оно составляет 10% для высот 200—250 км и начиная с 300 км значительно увеличивается. Это означает, что для одной и той же высоты (свыше 300 км) атмосферная плотность гораздо больше днем, чем ночью, например для высоты 700 км почти в десять раз.
Плотность атмосферы существенно зависит от геометрического положения Солнца и для каждой высоты непрерывно изменяется, достигая максимума несколько позднее местного полудня, а минимума — вскоре после местной полуночи. Образно говоря, Солнце «приподнимает», или «вздувает» находящуюся под его лучами часть атмосферы, и высота этого «вздутия» увеличивается с высотой над поверхностью Земли. По данным рис. 3, уровень постоянной плотности, соответствующей 500 км над поверхностью Земли, «вздувается» днем на 150 км. Эту особенность земной атмосферы удалось обнаружить только при помощи искусственных небесных тел.
Новым и весьма существенным с научной точки зрения результатом было также обнаружение вариаций плотности атмосферы, связанных с активностью Солнца. Если бы плотность на данной высоте была постоянна, период обращения спутника уменьшался бы плавно. В действительности же, как показывают наблюдения, суточное уменьшение периода изменяется нерегулярно.
За вычетом рассмотренных выше изменений, вызываемых освещенностью спутника Солнцем, и изменений с широтой остаются явно выраженные нерегулярные колебания плотности, причина которых долго оставалась неясной. Д. Кинг-Хили первый обнаружил примерно 28-дневную периодичность в этих колебаниях и связал ее с солнечной активностью (максимальные значения плотности, так же как и минимальные, как правило, повторяются через интервал, равный примерно 28 дням). Наряду с такими периодическими изменениями встречаются и явно спорадические, достигающие порой значительной величины: +20% для Тг = 400 км и + 40% для к = 700 км.
Многие авторы пытались впоследствии связать нерегулярные изменения плотности атмосферы с различными проявлениями солнечной активности (радиоизлучением на волнах X = 20 см, 10,7 см, числом пятен, характеристиками магнитного поля Земли и др.). Исследования эти продолжаются. Наиболее распространено предположение, что изменения с 28дневным периодом вызваны непостоянством излучения Солнца, а спорадические — солнечными корпускулами. Ясно лишь, что на земную атмосферу солнечная активность оказывает значительное влияние. Однако механизм этих воздействий еще далеко не выяснен.

Определение физических характеристик плотности атмосферы по наблюдениям движения спутника затрудняется недостаточной разработкой теории рассматриваемого явления. Так, при вычислении торможения спутника приходится делать предположение об аэродинамическом режиме его полета. Непосредственные экспериментальные данные пока отсутствуют.

На рис. 3 видно, как проявляются изменения плотности атмосферы со времени максимума солнечной активности в 1957—1958 гг. до минимума в 1963—1964 гг. Наблюдается значительное уменьшение плотности с падением солнечной активности как для ночных, так и для дневных значений. Наибольшее дневное значение плотности 1958 г. превышает ночное 1964 г. для высот 600—700 км более чем в 100 раз.

Считается наиболее вероятным, что на высотах, в которых проходят орбиты спутников, аэродинамический режим определяется потоками свободных молекул воздуха. Однако до сих пор нет ясности в вопросе, как отражаются молекулы воздуха от поверхности спутника. Принимаемое ныне почти при всех расчетах плотности диффузное отражение может отличаться от зеркального до 20%. Кроме того, сложная зависимость сопротивления от формы спутника также приводит к тому, что значения атмосферной плотности, получаемые на основании изучения движения спутников, обременены определенной ошибкой. Однако ошибка не слишком значительна. Об этом говорит совпадение вычисленных данных с результатами непосредст-?
венных измерений с борта 3-го советского спутника, включая эксперимент с расширением натриевого облака, выпущенного с борта советской геофизической ракеты 19 сентября 1958 г.
Значения плотности атмосферы на различных высотах, полученные разными методами (в г/еле3)
Высота,
км          Орбитальный метод   Прямые измерения манометра с 3-го советского спутника  По расширению натриевого облака-
дневные
значения            ночные
значения                          
250         4,2-10"13            4,2-10-13             1,1-10-18             _
300         3,9-10"14            3,9-10~14            3,5-10-м              —
400         9,0-10~15            5,6-10~15            6,6-10"15            —
430                        —           —.          6,7±2*10-15
500         3,1* Ю"15           1,0-10^18            2,2-10-15