Наши космические пути - Коллектив авторов. Страница 62

Земная атмосфера состоит из смеси различных газов. Состав ее у поверхности Земли изучен достаточно хорошо. Сведения о составе верхних слоев атмосферы в настоящее время весьма противоречивы. Одной из важнейших характеристик газов, входящих в состав атмосферы, так же как и вообще всех существующих химических элементов, являются их атомный и молекулярный веса, которые принято выражать в условных единицах, так называемых атомных единицах массы. За атомную единицу массы принимают величину, равную ¹/₁₆ веса атома кислорода. Молекулярный вес кислорода, состоящего из двух атомов, равен 32. Атомный вес азота равен 14, молекулярный вес — 28.

Анализируя молекулярные и атомные веса различных соединений и смесей, можно сделать заключение об их химическом составе. Для определения атомных и молекулярных весов элементов и их соединений, составляющих какую-либо смесь, используются приборы, называемые масс-спектрометрами.

Масс-спектрометр, установленный на третьем советском спутнике, предназначен для определения спектра масс положительных ионов, имеющихся в ионосфере Земли. Зная массовые числа ионов, можно сделать некоторые заключения и о химическом составе ионосферы.

Масс-спектрометрическая трубка — чувствительный элемент прибора — сообщается своим открытым входным отверстием непосредственно с окружающим пространством. Она содержит ряд тонких проволочных сеток-электродов, расположенных на определенных, точно фиксированных расстояниях друг от друга. За сетками имеется коллектор, представляющий собой металлическую пластинку, собирающую ионы, вошедшие в масс-спектрометрическую трубку и прошедшие все сетки.

На электроды трубки подаются различные постоянные и переменные напряжения, вырабатываемые в электронном блоке масс-спектрометра. Эти напряжения выбраны таким образом, что достичь коллектора могут лишь те ионы, которые прошли трубку с некоторой оптимальной скоростью. Ионы, проходящие трубку со скоростями больше или меньше оптимальной, на коллектор не попадают. Скорость, с которой ионы проходят масс-спектрометрическую трубку, определяется, с одной стороны, их массой, а с другой — ускоряющим ионы напряжением, приложенным к некоторым сеткам трубки.

Ускоряющее напряжение периодически изменяется от нуля до своего максимального значения. Благодаря этому оптимальная скорость сообщается поочередно ионам с различными массовыми числами. Когда ионы достигают коллектора, в его цепи возникает импульс тока, который усиливается и передается радиотелеметрической системой на Земле. Одновременно передается и ускоряющее напряжение, имеющееся в данный момент на сетках трубки масс-спектрометра.

Если в ионосфере имеются ионы только одной массы, то приемной станцией регистрируется один импульс ионного тока за каждый цикл изменения ускоряющего напряжения. При более сложном составе ионосферы регистрируются два или более импульса за каждый цикл. Массовое число ионов, соответствующее каждому импульсу, может быть определено путем сравнения записи спектра масс с записью ускоряющего напряжения масс-спектрометра.

Исследование электростатических полей

В результате ряда процессов, происходящих как в межпланетном пространстве, так и в самой атмосфере, Земля вместе со своей атмосферой в целом приобретает некоторый электрический заряд. Электрическое поле, создаваемое этим зарядом, должно воздействовать на скорость и направление заряженных частиц, пролетающих в межпланетном пространстве. Оно может оказывать влияние на ряд геофизических явлений (полярные сияния и т. д.). Данные об электрических полях в верхних слоях атмосферы могут существенно помочь в выяснении причины существования отрицательного заряда Земли и положительного заряда атмосферы, создающих между Землей и ионосферой разность потенциалов в несколько сотен тысяч вольт.

Хотя в ряде теорий, объясняющих происхождение полярных сияний и корпускулярных потоков, и предполагается наличие электростатических полей в верхних слоях атмосферы, непосредственное измерение или косвенное их определение никогда не производились. Дело в том, что хорошо проводящий слой ионосферы препятствует проникновению электростатических полей в нижележащие слои атмосферы, подобно тому, как это сделал бы гигантский металлический экран, помещенный вместо ионосферы.

По этой же причине нельзя измерить с помощью приборов, расположенных ниже ионосферы, электростатические поля, существующие в межпланетном пространстве.

Измерение электростатических полей с помощью спутников осложнено тем, что любое тело, помещенное в верхние слои атмосферы, должно приобрести электрический заряд, поле которого, если его не учесть, складываясь с измеряемым полем, исказит результаты измерений.

Этот заряд появляется за счет неравенства скоростей электронов и положительных ионов, попадающих на поверхность спутника, а также благодаря таким явлениям, как фотоэффект, то есть вырывание электронов с поверхности спутника светом и другими излучениями.

Использование спутников для изучения таких характеристик ионосферы, как концентрация ионов и спектр их масс, требует учета тех нарушений, которые спутник вносит в окружающую среду. Поэтому измерение электрического заряда спутника, вызывающего перераспределение заряженных частиц вблизи него, желательно также для уточнения результатов этих опытов. С другой стороны, сведения об электрическом заряде в сочетании с данными о концентрации ионов могут позволить определить в ряде случаев такую трудно измеряемую характеристику ионосферы, как ее температура.

Использованная на спутнике аппаратура состоит из двух чувствительных электростатических флюксметров с общими цепями управления. Конструктивно она выполнена в виде двух датчиков, размещаемых симметрично на боковой поверхности спутника, и блока с усилителями.

Существенной частью каждого датчика является измерительный электрод — десятисекторная пластина, соединенная с корпусом спутника через сопротивление. Поверхность пластины является как бы частью поверхности спутника. Эта пластина периодически экранируется другой пластиной — экраном, вращаемой электромотором. Так как измерительная пластина является частью поверхности спутника, то, когда, она открыта, на ней находятся доли собственного заряда спутника и заряда, индуцированного внешним электростатическим полем. При экранировании этой пластины заряд с нее стекает.

Во время вращения экрана заряд измерительной пластины периодически стекает по сопротивлению, создавая на нем переменное напряжение, величина которого пропорциональна величине заряда пластины. Это напряжение усиливается, выпрямляется и подается на вход радиотелеметрической системы. Принятая схема измерений позволяет определить величину электростатического поля, а использование двух симметрично расположенных датчиков электростатического флюксметра создает возможность определить не только собственный заряд спутника, но и внешнее электростатическое поле.

Во время работы аппаратуры специальная система контроля позволяет проверять надежность и точность измерений.

Измерения магнитного поля Земли

Действие магнитного поля Земли обнаруживается как при наблюдении помещенных в нем искусственных индикаторов типа магнитных стрелок, вращающихся витков и т. д., так и при наблюдении целого ряда геофизических явлений: отклонения в полярных областях заряженных частиц, испускаемых Солнцем, отклонения космических лучей, поляризации радиоволн.

Распределение магнитного поля по величине и направлению изучено довольно подробно лишь над континентами в непосредственной близости от поверхности Земли. Эти данные широко используются в практике разведки полезных ископаемых, судовождении, аэронавигации и т. д.

Природа земного магнитного поля до сих пор неизвестна. В результате длительных измерений напряженности магнитного поля Земли в специальных обсерваториях установлено, что оно изменяется во времени. Наиболее интенсивные изменения магнитного поля получили название магнитных бурь.