Наблюдая спутники Земли

DjVu

      ОТ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
      Предлагаемая книга написана известным англий-скнм ученым Десмондом Кинг-Хили, который, начиная с запуска первого советского искусственного спутника Зейли в октябре 1957 г., непрерывно ведет визуальные наблюдения искусственных небесных тел и изучает изменения их орбит: До настоящего времени им лично выполнено свыше трех тысяч визуальных наблюдений более двухсот пятидесяти спутников и ракет, Наблюдениям он посвящает все свободные вечера, и результаты его наблюдений отличаются высокой точностью. За прошедшие 10 лет Д. Кин г-Хили организовал из наблюдателей любителей Англии регулярную визуальную службу спутников. Долгое время он сам вычислял эфемериды для английских наблюдателей, и лишь в последнее время этим стал заниматься (по разработанной им методике) специальный вычислительный центр. Нон до настоящего времени Д. Кинг-Хили продолжает непрерывно вести своеобразную «летопись» запущенных на орбиты искусственных объектов, рассылая ежемесячно таблицы всем заинтересованным организациям в своей стране и за рубежом, Советские наблюдатели спутников регулярно получают от него эти списки «родившихся и умерших небесных тел»,
      Д, Кинг-Хили широко известен работами по теоретической обработке и аблюдений искусственных спутников для определения плотности атмосферы и внешнего поля тяготения Земли. Он первый обнаружил и изучил вариации плотности атмосферы в зависимости от активности Солнца. Ему принадлежат наиболее кадежные определения членов высоких порядков и выражении для земного гравитационного потенциала. За эти выдающиеся работы он был избран в 1966 г. действительным членом Королевского общества (Академии наук) Англии. Д. Кинг-Хили много сделал для усиления международного сотрудничества и взаимопонимания ученых, занимающихся наблюдениями искусственных спутников и обработкой этих наблюдений.
      В предлагаемой книге просто и доступно наложены основные методы наблюдений спутников, Автор щедро делится собственным опытом, даст полезные практические советы начинающим наблюдателям. Наряду с оптическими наблюдениями описаны также радиотехнические и радиолокационные методы измерений и сравниваются их преимущества и недостатки.
      Очень интересны главы, в которых дано описание основных типов спутников, находящихся на орбитах, и результаты научных исследований, полученных на основании оптических наблюдений.
      Советскому читателю уже знакома в переводе первая книга Кинг-Хилн «Искусственные спутники и научные исследованиям (ИЛТ М., 1963 г.). Книга «Наблюдая спутники Земли.,.», являясь своеобразным ее продолжением, знакомит читателя с новейшими результатами научных исследований в этой увлекательной области и с тем, как удалось эти результаты получить.
      Книга рассчитана на массового читателя, ее с удовольствием прочтет каждый, кто интересуется исследованиями космического пространства.
      Проф. А. Мцсевич
     
      ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
      Сотни искусственных спутников бороздят сейчас пространство вокруг Земли. Свыше 50 из них достаточно ярки, чтобы можно было наблюдать невооруженным глазом их движение по небу; если у вас есть бинокль и вы знаете, где и когда наблюдать то сможете увидеть более двухсот спутников. Наблюдение спутников — гораздо более важное занятие, чем простое созерцание звезд. Наблюдения необходим ы для определения орбит спутников, изменения их орбит, они раскрывают тайны формы Земли и поведения плотности верхней атмосферы.
      В этой книге я рассказываю о том, как наблюдаются спутники и что можно извлечь из наблюдений, Я пытался писать занимательно и просто, сводя к минимуму количество технических терминов.
      Я начинаю с не совсем обычного знакомства с ночным небом, затем рассказываю о спутниках предстающих каждую ночь перед проницательным наблюдателем (гл. 2), а в гл. 3 и 4 даю беглый обзор того, что можно назвать методами слежения за спутниками без активного участия человека, посредством радио, радиолокаторов или оптических инструментов, подобных камерам. В гл. 5 и 6 я объясняю, как можно делать ценные с научной точки зрения визуальные наблюдения при помощи секундомера и бинокля или маленького телескопа. В последних главах излагаются результаты наблюдений — удивительные открытия, касающиеся формы Земли и беспокойного поведения верхней атмосферы.
      В книге о наблюдениях спутников следует упомянуть Луну — самый большой и самый древний спутник Земли. Однако наблюдении Луны — совсем другая область, и Луна входит в эту повесть только в роли злодея, так как нельзя выключить нежелательный свет. Не упоминаю я и о космических кораблях, которые выходят из-под контроля Земли, по той простой логической причине, что они не являются спутниками Земли.
     
     
      Выйдите из дома в ясную и темную летнюю ночь, сядьте в шезлонг и взгляните на небо. Что ш там увидитё? Пожалуй, больше, -чем ожидаете. Вы увидите около тысячи звезд, разбросанных по черному занавесу небес, белесоватые пятна Млечного Пути и, возможно, одну-две планеты. Однако, как ни странно, больше половины света идет не от этих источников, а от темного неба, которое как бы искрится миллионами ярких крапинок, невидимых по отдельности,
      Значительная часть этого свечения ночного неба Обязана своим происхождением громадному пылевому облаку, заполняющему солнечную систему. Частички пыли, кружащиеся около Земли, блестят в солнечных лучах, подобно пылинкам, танцующим в столбе солнечного света в затемненной комнате. Сияние, исходящее от этой сверкающей пыли, называется зодиакальным светом, на средних широтах оно едва различимо глазом и выглядит как тусклая полоса, поднимающаяся над горизонтом. Весной зодиакальный свет ярче, чем -зимой. Зодиакальная пыль крайне разрежена. Если бы ома оказалась в сто раз плотнее, то заезды потерялись бы в ее блеске и пытливые астрономы получили бы очень неопределенный ответ на свои вопросы о Вселенной.
      Но это не единственный источник свечения ночного неба: светится также и атмосфера во время полярных сияний и даже сам воздух. Полярное сияние — -ОДио из прекраснейших и наиболее впечатляющих
      явлений природы. Часто оно выглядит как висящие в небе мерцающие серебряные занавеси, наиболее яркие у нижнего края. Но полярное сияние бывает также красного или зеленого цвета; оно нередко принимает форму дуги, как радуга, или светящихся лент, подобных падающим ракетам во время фейерверка, или же непрерывно меняет свою форму и яркость через несколько секунд, так что все небо как бы заполнено светом. Полярные сияния возникают под действием частиц, на больших скоростях приходящих от Солнца, Попадая в атмосферу, они отдают (излучают) свою энергию в виде света, подобно атомам в уличных фонарях, наполненных парями натрия. Однако полярные Сияния наблюдаются в основном в областях, близких к северному и южному магнитным полюсам, а в других местах они случаются редко, и там основным источником свечения атмосферы является свечение воздуха.
      Свечение воздуха слагается из миллионов световых вспышек, испускаемых атомами в верхней атмосфере. В течение дня эти атомы защищают нас от ультрафиолетовых лучей Солнца и под непрерывной солнечной бомбардировкой переходят в возбужденное состояние; в течение ночи они возвращаются в нормальное состояние, излучая вспышку света. Свечение воздуха возникает на высотах от 60 до 500 кмг причем наиболее сильный свет испускают атомы кислорода, расположенные на высоте около 100 «л. Хотя свечение воздуха обычно дает больше света, чем все звезды, вместе взятые, для земного наблюдателя оно едва заметно. Но если вы подниметесь па спутнике, то увидите свечение воздуха как прекрасный зеленоватый ореол, отделенный от Земли темным кольцом нижней атмосферы.
      Свечение воздуха и зодиакальный свет обычно бывают слишком слабы и поэтому трудно различимы, а звезды ночь за ночью образуют один и тот же узор; но вот что действительно может привлечь внимание и насторожить — это быстро движущиеся небесные огни — метеоры и спутники. (Привлечь взгляд могут также некоторые земные человеческие «забавы» — фейерверки, свет фар автомобилей, электрические разряды, возникающие при движении электропоездов, огни самолетов или скользящий белый луч маяка. Но всеми этими явными помехами нам следует пренебречь.)
      Обычной ночью примерно каждые десять минут можно увидеть один метеор, или падающую звезду. Это маленькая легкая частица, весящая около полуграмма. Она мчится из глубин космоса со скоростью около 50 км/сек и тормозится при вхождении и атмосферу. Энергия ее Движения превращается в свет, и на высоте около 100 км частица сгорает. Обычно метеор проносится по небу с такой большой скоростью, Что глаз една успевает следить аа ним; он прочерчивает свой безмолвный след и уходит навсегда.
      Метеор может двигаться так быстро, что вы видите его как светящуюся дорожку. А искусственный спутник перемещается по небу гораздо медленнее и похож на звезду, которая ссцила с ума я решила побродить по небу.
      Мы видим спутник на фоне угольно-черного неба потому что он освещен Солнцем; на расстоянии вне-сколько сот километров даже самый большой спутник выглядит лишь как светящаяся точка. Яркие спутники наблюдаются не так часто, как метеоры, и в обычную летнюю ночь вряд ли можно увидеть в течение двадцати минут больше одного спутника, котя их число с годами растет.
      Спутники движутся спокойно и величаво со скоростью в км/сек и редко рискуют опускаться ниже 160 км, Таким образом, им требуется по крайней мере минута, а иногда десять минут или даже полчаса, чтобы пересечь все небо. Большинство спутников движется достаточно быстро, чтобы не надоесть наблюдателю, хотя в то же время и достаточно медленно, чтобы человеческий глаз мог за ними следить без напряжения. Итак, космический век возродил к жизни примитивное искусство слежения аа небом, или (назовем его более пышно) искусство визуального наблюдения.
      Человеческий глаз давно уже изгнан из астрономии, так как фотопластинка превосходит его своей способностью терпеливо накапливать свет непрерывно в течение многих часов. Человеческий глаз не может также соперничать с фотокамерой
      По другой причине: в ИоЗй случае все происходит слишком бистро, и глаз вс способен точно регистрировать явления А вот спутники движутся как раз с удобной для наблюдателя скоростью и являются прекрасным объектом наблюдений для любителя, вооруженного секундомером И скромными оптическими средствами вроде бинокля или небольшого телескопа. Из таких наблюдений можно определить орбиту спутника, а анализ изменений орбит спутников — лучший способ изучения беспокойного поведения верхней атмосферы и малейших вариаций силы тяжести на земном шаре.
      То, что спутники «выбрали» подходящую, для глаза скорость движения, конечно, всего лишь счастливая случайность, но это только начало списка удачных совпадений, которые показались бы невероятными если бы не существовали в действительности.
      Другой подарок судьбы наблюдателю спутников — атмосфера, плотность которой такова, что спутник,не рискует спускаться ниже 160 км, так как это ему грозит быстрой гибелью. Кроме того, если бы спутник не оставался на почтительном расстоянии от земной поверхности, а летел на высоте 16 км, то его могли бы увидеть только те немногие наблюдатели, которые живут вблизи трассы спутника.
      «Сотрудничество» природы проявилось и в том, что Земля наделена сильным полем тяготения. Благодаря тяготению мы теперь имеем удовольствие наблюдать близкие спутники, которым требуется примерно полтора часа, чтобы облететь вокруг Земли. Это удобно, потому чтО земная тень после захода Солнца примерно столько же времени добирается до высот, на которых летают спутники. Поэтому мы обычно можем наблюдать близкий спутник один раз каждую ночь в течение недели или двух, когда его положение благоприятно для наблюдений. Если бы сила Тяготения была и десять раз слабее, то близкому спутнику потребовалось бы втрое больше времени на -однн оборот вокруг Земли, и он мог бы наблюдаться гораздо реже, через неудобные интервалы времени.
      Наша четвертая удача — это «подходящие» размеры Земли. Если бы ее радиус был в десять раз больше, то через определеЕшое время после захода СоЛНЦа граница Земной тени была быть ДеСЯТь раз выше, и низкие спутники едва ли удалось бы наблюдать.
      Следующей удачной случайностью оказалась скорость вращения Земли: за полтора часа Земля поворачивается по долготе на 22°,5 в восточном-направлении, что на широте 5(Г соответствует примерно НОО км. Следовательно, трасса близкого спутника каждый раз проходит над Землей примерно на 1400 км западнее, чем на предыдущем витке полутора часами раньше. Во время одного иэ прохождений его трасса пройдет не далее чем в 700 kjw от любого наблюдателя, и спутник, можно будет наблюдать на достаточной высоте.
      И наконец самая, пожалуй, удивительная случайность: ракеты, необходимые для вывода спутников на орбиту, часто так велики, чтф они видны невооруженным глазом на расстояниях в несколько сот километров. Будь наша техника более совершенной, ракеты были бы гораздо меньше и слабее, и наблюдать их Визуально было бы затруднительно.
      Без сомнения, природа щедра. Предоставляя наблюдателям возможность после захода Солнца приступить к работе, она дала им в помощь одну за другой шесть счастливых случайностей. Это выходит за рамки обычной щедрости и наводит на мысль скорее О заговоре, чем о случайном совпадении. Так или иначе, яркие и подвижные спутника своим стремительным натиском и колдовскими чарами оживили неподвижное прежде ночное небо.
     
      2. КОСМИЧЕСКИЕ ДЖУНГЛИ
      Жизнь на Земле стремится захватить любое еще не занятое место на суше, в воде и в воздухе. До появления первого спутника 4 октября 1957 г. космос Как раз и был таким никем не запятым местом, и быстрый рост «населения» околоземного пространства, превысившего в 1966 г. 1000 объектов, усиливает эту своеобразную аналогию с развитием жизни па Земле, Хотя космическое население растет, у нас все еще нет удовлетворительных наименований для всех объектов, движущихся вокруг Земли, поскольку слово «спутник» часто относят только к космическому кораблю, снабженному приборами, тогда как существуют еще ракеты, защитные конусы, обтекатели и другие обломки, а также многие детали,-появление которых не было запланировано. Из-за отсутствия общепринятого термина название этой главы вызывает биологическую аналогию и предполагает, что движение объектов в космосе нельзя предсказать полностью, хотя в некотором отношении они уже являются привычными небесными телами.
      Название главы подчеркивает также близкое сходство между наблюдателем спутников и естествоиспытателем на Земле: обоих можно найти в укромном месте с биноклем в руках; оба, если они достаточно квалифицированны, могут способствовать развитию науки; оба гордятся своим умением ориентироваться в многообразии ендов я наблюдать редкие разновидности в естественных условиях жизни,
     
      Прежде чем приступить к классификации «космических видов», нам нужно составить общее представление о доступном изучению населении околоземного пространства. Практически это каждый предмет, площадь которого превышает 0,01 кв. м. Табл. 1 представляет собой сводку на 1 января 1967 г., показывающую количество объектов, находящихся на орбитах вокруг Земли. Они распределены по годам запусков и по трем категориям: контейнеры с приборами, ракеты и детали. Затем приводится число объектов, прекративших свое существование обычно потому, что они сгорели в атмосфере, или, точнее, разрушились. Но этот технический термин, хотя он и более выразителен, чем другие, все-таки не дает правильного представления о том, что происходит на самом деле; потому что разрушение спутника — это красивейший фейерверк. К сожалению, слишком часто поблизости не оказывается никого, кто мог бы увидеть это великолепное зрелище.
      Хотя спутники время от времени разрушаются и рассеиваются по Земле, как останки судов по дну океана, все же наблюдается «прирост космического населения», так что количество движущихся по орбитам объектов непрерывно увеличивается. Оно особенно “сильно возросло после нескольких поистине «демографических взрывов», наиболее сильный из которых произошел в июне 1961 г., когда в результате взрыва американской ракеты «Эйблстар» образовалось более 200 отдельных кусков. Общее количество «космического населения», включая существующие и упавшие объекты, достигло тысячи за семь с половиной лет; следующая же тысяча набралась все-то за один год.
      В начале 1966 г. вес 937 движущихся вокруг Земли объектов составлял примерно 200 т (точнее, масса, так как в космосе они невесомы). Хорошо, что эти металлические обломки предпочитают оставаться на орбитах и не падают все, сразу на наши незащищенные головы!
      Натуралист, собирающийся наблюдать, диких животных, прежде, всего изучает их повадки. Мы поступим так же — посмотрим сначала, как ведут себя «космические жители» на своих орбитах, а затем постараемся выяснить, почему они остаются в космосе или опускаются вниз.