Запуск первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) 4 октября 1957 года ознаменовал начало космической эры, благами которой мы сегодня пользуемся – от спутниковой связи и навигации до изучения Вселенной уникальными космическими телескопами. Это был не только исторический технологический прорыв в космос, но и начало фундаментальных научных космических исследований: с использованием радиомаяка первого ИСЗ Земли был осуществлен первый в мире научный космический эксперимент – были выполнены исследования внешних слоев ионосферы и впервые получены уникальные сведения об их строении.

В 1957 стартовал Международный геофизический год (МГГ). К нему готовились все страны мира – создавались обсерватории, шло оснащение их приборами, разрабатывались планы совместных международных наблюдений и т.д. Под руководством основоположника практической космонавтики Сергея Павловича Королева создавался специальный научный спутник с набором приборов, который должен был стать первым ИСЗ и важной составляющей советской программы участия в МГГ. Но эти планы пришлось корректировать.

Начальник отдела длинных радиоволн ИЗМИРАН Яков Львович Альперт в своей книге (Yakov Alpert. Making waves: stories from my life. Yale University Press. New Haven & London. 2000) вспоминает, что, получив информацию о планах американцев по запуску их спутника, С.П. Королев отложил изготовление большого спутника и сделал ПС-1 («Простейший Спутник – 1») с единственным прибором на борту – радиомаяком на частоте 20 МГц.

После запуска нашего спутника, как вспоминает Я.Л. Альперт, появились американские комментарии о том, что русские запустили «булыжник», лишь бы стать первыми. Но эти комментарии были парированы научной программой, реализованной под руководством Я.Л. Альперта по инициативе президента Академии наук СССР Мстислава Всеволодовича Келдыша, с которой к Я.Л. Альперту обратился вице-президент АН СССР Владимир Александрович Котельников.

В эксперименте использовался эффект задержки, возникающей между оптическим и радиосигналом при уходе спутника за горизонт или при его выходе из-за горизонта по причине рефракции радиоволн в ионосфере. Когда спутник уходил за горизонт и его уже не было видно (свет распространяется в атмосфере практически по прямой), сигнал его радиомаяка некоторое время продолжал приниматься, так как траектория радиолучей от спутника в ионосфере искривлена (см рис.1 , левая часть). При выходе спутника из-за горизонта соответственно радиосигнал появлялся раньше, чем спутник становился виден в оптике (см рис.1, правая часть). Таким образом, радиовосход и радиозаход спутника возникали соответственно раньше и позже оптического восхода и захода спутника за горизонт.

Рис. 1. Наблюдение радиовосхода и радиозахода первого ИСЗ, которые возникали соответственно раньше и позже оптического восхода и захода спутника за горизонт из-за эффекта рефракции радиоволн в ионосфере.

Используя временную задержку между оптическим и радиосигналом и теорию распространения радиоволн в ионосферной плазме, коллективом ученых под руководством Я.Л. Альперта были получены научные результаты по структуре ионосферы – сглаженное распределение электронной концентрации по высоте выше главного максимума ионосферы (УФН, т.65, вып. 2, с.161-174, 1958. ДАН 120, 1958). Такое распределение было получено впервые, и оно показало, что электронная концентрация выше главного максимума ионосферы не падает с высотой резко до нуля, как предполагалось до этого, а уменьшается плавно.

Этот метод спутниковых радиозатменных и радиомаяковых исследований ионосферы впоследствии был экспериментально и теоретически развит в ИЗМИРАН под руководством Я.Л. Альперта и нашел важнейшее практическое применение при разработке высокоточных спутниковых систем позиционирования (GPS и ГЛОНАСС).

Наряду с этим новым и весьма важным научным результатом наблюдения радиоволн на частоте 20 МГц от радиомаяка первого ИСЗ позволили наблюдать так называемый Antipode Effect, предсказанный в 1952 г. немецким ученым В. Шуманом (W.Schumann. Propagation of Electromagnetic waves in the Earth-Ionosphere Wave Guide. Zeitschrift fur Naturforschung 7a, 149, 1952), который заключается в регистрации усиления интенсивности радиоизлучения в диаметрально противоположной точке Земли от положения источника радиоизлучения из-за эффекта его фокусировки в ионосфере.

Таким образом, с помощью первого ИСЗ была выполнена полноценная научная программа по исследованию ионосферы Земли, обеспечившая приоритет СССР в проведении первого в мире научного космического эксперимента.

Дальнейшее развитие фундаментальные космические исследования получили благодаря целой серии научных спутников. В 1960 году за исследование радиационных поясов и магнитного поля Земли и Луны сотрудникам ФИАН и ИЗМИРАН была присуждена первая Ленинская премия в области фундаментальных космических исследований. Создание в 1963 году Института космических исследований позволило сделать фундаментальные космические исследования неотъемлемой частью отечественной науки и обеспечить их дальнейшее развитие.

Источник: ИЗМИРАН им. Н.В. Пушкова.