О ГЛАВНОЙ ПРИЧИНЕ ЭВОЛЮЦИЙ ОРБИТЫ ИСЗ «ЭХО-1»

 

А.А.Гришаев,  независимый исследователь

 

 

Судьба американского спутника «Эхо-1», выведенного на околоземную орбиту 12 августа 1960 г., считается бесспорным свидетельством о том, что солнечный свет оказывает давление. В развёрнутом состоянии спутник представлял собой сферический баллон из майларовой плёнки, металлизированной снаружи. При диаметре баллона 30 м и массе всего 68 кг, спутник имел «большую «парусность» по отношению к давлению солнечного света» [1]. Считается, что именно из-за этого давления орбита спутника из почти круговой (высота перигея 1520 км, высота апогея 1687 км [2]) за пять месяцев превратилась в эллиптическую (высота перигея 900 км, высота апогея 2200 км [1]), за следующие полгода вновь возвратилась к почти круговой, после чего опять стала вытягиваться, и так далее. Торможение о разреженную атмосферу, особенно на перигейных участках, приводило к постепенному опусканию орбиты, и в итоге «Эхо-1» просуществовал на орбите менее восьми лет.

Эволюции орбиты «Эхо-1», насколько нам известно, сегодня являются последним свидетельством о световом давлении. Действительно, отнюдь не подтверждена опытом гипотеза астрофизиков о том, что внутри звёзд-гигантов давление света, идущего из их недр, противодействует гравитационным силам и, якобы, вносит существенный вклад в обеспечение стабильности таких звёзд. Аналогично, не подтверждена версия о том, что, при ядерном взрыве, световое давление вносит существенный вклад в формирование ударной волны. Если обратиться к проверяемым фактам, то оказывается, что о давлении света они вовсе не свидетельствуют. Так, хвосты комет формируются, главным образом, солнечным ветром, а в знаменитых опытах Лебедева проявлялись, скорее всего, радиометрические силы [3]. Кроме того, без привлечения представлений об «отдаче» при излучении-поглощении кванта света, гораздо адекватнее объясняются экспериментальные реалии, связанные как с эффектом Комптона [4], так и с эффектом Мёссбауэра [5]. Было бы странно, если нашей концепции о том, что квант световой энергии не переносит импульс, противоречил бы всего один экспериментальный результат – движение спутника «Эхо-1». Поэтому, для эволюций его орбиты мы постарались найти нетрадиционное объяснение.

Могли эти эволюции быть обусловлены какими-нибудь электромагнитными эффектами? Ультрафиолетовое излучение Солнца должно было вырывать электроны из металлизирующего покрытия баллона. Этот процесс компенсировался бы притоком на баллон свободных электронов из окружающего пространства – но компенсировался бы, конечно, не полностью: в равновесном режиме баллон имел бы некоторый положительный заряд. Тогда, во-первых, на спутник действовала бы сила Лорентца – из-за его движения в магнитном поле Земли – и, во-вторых, спутник испытывал бы электромагнитное торможение – из-за перераспределения свободных зарядов в разреженной плазме, сквозь которую он двигался. Однако, эффекты от этих двух воздействий не находятся даже в качественном согласии с результатами наблюдений.

Действительно, при малых силовых возмущениях эволюция эксцентриситета e описывается выражением (см., например, [6]):

,

где t – время, p - фокальный параметр (примерно равный большой полуоси при малом e), G - гравитационная постоянная, M - масса силового центра, a_r и a_q - радиальная и трансверсальная (в плоскости орбиты) компоненты возмущающего ускорения, q - текущий аргумент орбиты (в перигее q=0). Заметим, что главные вклады в приращение эксцентриситета для каждого из двух названных воздействий зависят от гармонических функций аргумента орбиты – от sinq для силы Лорентца и от cosq для электромагнитного торможения. Значит, результат действия каждого из них обнуляется при интегрировании на протяжении одного витка. Накопление приращений эксцентриситета от витка к витку имело бы место, если бы часть орбиты находилась в тени – где, соответственно, был бы равен нулю заряд баллона. Но достоверно известно [7], что первые 12 дней орбита «Эхо-1» освещалась Солнцем полностью – тогда как увеличение эксцентриситета началось сразу же. Причём, это увеличение вполне объяснялось тем, что доминирующее возмущение производила сила, которая действовала на спутник в направлении «от Солнца» и численно соответствовала световому давлению на баллон, рассчитанному на основе солнечной постоянной (»1400 Вт/м²). Действительно, при наклонении орбиты 47.2^о [8], долготе восходящего узла, близкой к нулю (т.е., при взгляде из центра Земли, восходящий узел проецировался бы примерно в точку весеннего равноденствия), и начальном аргументе перигея 15^о [7], эксцентриситет на первых 12 днях полёта увеличивался на 0.00038 в день [8], что соответствовало постоянному возмущающему ускорению в направлении «от Солнца» ~5×10^-5 м/с² [8].

Тем не менее, нам удалось построить простую модель – согласно которой, названное возмущающее ускорение могло быть полностью обусловлено локальными электромагнитными эффектами, спусковым механизмом для которых являлось действие солнечного ультрафиолетового излучения на баллон. Как уже упоминалось выше, это излучение производило бы фотоэффект, отчего баллон приобретал бы положительный заряд – который распределялся бы по поверхности, в первом приближении, равномерно.  Насколько был бы изотропен компенсирующий приток электронов из окружающего пространства? Средняя тепловая скорость этих электронов составляет ~120 км/с, что гораздо больше орбитальной скорости баллона – и, казалось бы, компенсирующий приток электронов являлся бы, практически, изотропным. Однако, следует учесть магнитное взаимодействие этих электронов с фотоэлектронами, покидавшими баллон отнюдь не изотропно, поскольку они вылетали с освещённой стороны и двигались, главным образом, в сторону Солнца. Как можно видеть, компенсирующие электроны, подлетавшие к баллону с направлений, почти ортогональных линии «Солнце-баллон», из-за магнитного взаимодействия с фотоэлектронами стремились бы создать противоток по отношению к ним – отклоняясь в сторону «от Солнца». Как результат, в некоторой области, прилегающей к баллону с противосолнечной стороны, динамически поддерживалась бы избыточная концентрация отрицательных зарядов. Этот избыточный отрицательный заряд кулоновски притягивал бы положительно заряженный баллон – чем, качественно, и объяснялось бы силовое воздействие на баллон в сторону «от Солнца».

Едва ли можно оспорить то, что вышеназванный эффект имел место – вопрос в том, являлась ли величина этого эффекта подходящей для объяснения наблюдавшихся эволюций орбиты. Исходя из известного силового воздействия, сделаем соответствующие оценки – и посмотрим, окажутся ли они правдоподобными.

Пусть Q - равновесный положительный заряд баллона. В качестве весьма грубого приближения примем, что силовой эффект, о котором идёт речь, был обусловлен кулоновским притяжением между положительным зарядом противосолнечной полусферы баллона, +Q/2, и отрицательным зарядом, -Q/5, в области избыточной концентрации электронов, причём эффективное расстояние между этими зарядами составляло d=5 м. Из выражения для кулоновской силы

,

где e₀=8.85×10^-12 Ф/м – электрическая постоянная, мы находим для Q величину ~9.7×10^-6 К. Поделив её на величину элементарного заряда, получаем, что в равновесном режиме на поверхности «Эхо-1» находилось бы ~6.1×10¹³ элементарных положительных зарядов. Не является ли эта цифра чрезмерно большой? Если считать, что атомы в металлизирующем покрытии находились, в среднем, на расстояниях в 3 Ангстрема друг от друга, то число атомов на поверхности «Эхо-1» составляло ~3.1×10²². Тогда, в равновесном режиме, один положительный ион на этой поверхности приходился бы на 500 миллионов нейтральных атомов – такой процент ионов, конечно, не может считаться чрезмерно большим.

Далее, оценим концентрацию избыточных электронов в области их избыточной концентрации. Для этого число элементарных зарядов, соответствующее Q/5, поделим на эффективный объём этой области, которая, условно, имеет круглое основание с диаметром 20 м и высоту 10 м. Результирующая концентрация избыточных электронов составляет ~4×10³ см^-3. Эта величина на порядок меньше средней концентрации свободных электронов на высоте 1600 км в условиях освещения Солнцем [9] – и, таким образом, наш результат не выглядит неправдоподобно.

Оценим также величину фототока I, магнитное действие которого так отклоняло бы электроны, подлетавшие к баллону ортогонально линии «Солнце-баллон», чтобы они попадали в область их избыточной концентрации. Комбинируя выражения для силы Лорентца и для магнитного поля линейного тока, получаем, что ускорение электрона в сторону «от Солнца» есть a=m₀eVI/(2pml), где m₀=1.26×10^-6 Г/м – магнитная постоянная, e и m – заряд и масса электрона, V – его скорость подлёта, l – текущее расстояние электрона от линии фототока, т.е. от линии «Солнце-баллон». Двойное интегрирование этого ускорения по времени даёт линейное отклонение Dx в сторону «от Солнца», которое электрон набирал бы по мере подлёта к баллону. Будем считать, что электрон попадал в область избыточной концентрации, если при уменьшении l до величины, равной радиусу баллона, т.е. до 15 м, набранное отклонение Dx составляло также 15 м. Тогда для величины фототока имеем

,       , 

где l₀ - начальное расстояние электрона от центра баллона, T=(l₀-15)/V. При V=120 км/с, интервалу наиболее значимых начальных расстояний l₀=100¸200 м соответствует интервал значений фототока I=0.3¸0.1 А. Примем, в качестве оценки, что I»0.2 А. Если считать, что эффективная поверхность, с которой эмиттировался такой ток, являлась кругом с диаметром 20 м, то требуемая величина фототока с 1 м² должна была составлять »6.4×10^-4 А.

Могло ли ультрафиолетовое излучение Солнца обеспечить такой фототок из алюминиевого покрытия? Работа выхода для алюминия составляет 4.25 V [10]; будем считать, что фототок вызывали кванты, энергия которых ³5 eV. Относительный вклад этих квантов в величину солнечной постоянной, судя по энергетическому спектру излучения Солнца (см., например, [9]), составляет »1.5×10^-2. Квантовый выход Y фотоэлектронов для алюминия составляет около 10^-4 вблизи порога фотоэмиссии и 0.015 при энергии кванта в 12 eV [11]. В качестве среднего значения возьмём Y=10^-3 электрон/фотон. Тогда, принимая, что средняя энергия кванта, вызывавшего фотоэффект, составляла 7 eV, для расчётного фототока с 1 м² получаем величину »3.0×10^-3 А. Эта величина в 4.7 раз больше оценки, полученной выше на основе рассмотрения динамики подлетавших электронов. Таким образом, Солнце вполне могло поддерживать фототок, магнитное действие которого обеспечивало бы попадание электронов в область их избыточной концентрации.

Наконец, приведём ещё одну оценку – для электрического потенциала j баллона «Эхо-1», несущего полученную выше величину положительного заряда. Этот потенциал равен отношению заряда к электрической ёмкости баллона. Используя выражение для ёмкости уединённого шара с радиусом r₀, имеем j=Q/(4pe₀r₀) и, после подстановки численных значений, получаем для j величину ~5800 V. Эта цифра выглядит завышенной, но дело в том, что она получена в приближении «уединённого шара» - а баллон, в действительности, таковым не являлся. При допущении о том, что, из-за увеличенной концентрации отрицательных зарядов в окрестностях баллона, обеспечивалось экранирование заряда баллона лучше, чем на порядок, эффективный потенциал баллона составлял бы, скажем, пару сотен вольт – что, на наш взгляд, совершенно реалистично.

Таким образом, главная причина эволюций орбиты спутника «Эхо-1» вполне могла быть обусловлена не давлением солнечного света, а электромагнитными силами, появлявшимися в результате действия на спутник ультрафиолетового излучения Солнца. Поэтому эти эволюции, сильно укоротившие жизнь спутника «Эхо-1», не могут служить доказательством того, что солнечный свет оказывает давление. Значит, случай со спутником «Эхо-1» не бросает тень на нашу концепцию – согласно которой, при передаче кванта света не передаётся импульс.

 

 

Ссылки.

 

1.                         В.И.Левантовский. Механика космического полёта в элементарном изложении. «Наука», М., 1974.

2.                         Космонавтика. Энциклопедия. В.П.Глушко, гл. ред. «Сов. энциклопедия», М., 1985.

3.                         А.А.Гришаев. О так называемом давлении света. – Доступна на данном сайте.

4.                         А.А.Гришаев. Рассеяние рентгеновских лучей: о чём свидетельствует анти-комптоновская компонента. – Доступна на данном сайте.

5.                         А.А.Гришаев. Новый взгляд на сущность эффекта Мёссбауэра. – Доступна на данном сайте.

6.                         К.Б.Алексеев, Г.Г.Бебенин, В.А.Ярошевский. Маневрирование космических аппаратов. «Машиностроение», М., 1970.

7.                         I.I.Shapiro, H.M.Jones. Science, 132 (1960) 1484.

8.                         D.O.Muhleman, R.H.Hudson, D.B.Holdridge, et al. Science, 132 (1960) 1487.

9.                         К.У.Аллен. Астрофизические величины. «Мир», М., 1977.

10.                      Таблицы физических величин. Справочник. И.К.Кикоин, ред. «Атомиздат», М., 1976.

11.                      Физический энциклопедический словарь. А.М.Прохоров, гл. ред. «Сов. энциклопедия», М., 1983.

 

 

Источник: http://newfiz.narod.ru

Поступило на сайт: 06 июня 2008.