Джеймс Ван Аллен: Ғарыш зерттеушісінің өмірі мен еңбектері

Кіріспе

Американдық ғарыш ғалымы Джеймс Альфред Ван Аллен (7 қыркүйек 1914 – 9 тамыз 2006) Айова университетіндегі ғалым болған. Ол ғарыштағы магнитосфераны зерттеу саласын қалыптастыруда маңызды рөл атқарды. Ван Алленнің радиациялық белдеулері оның 1958 жылғы Халықаралық геофизикалық жылдағы спутниктерде (Explorer 1, Explorer 3 және Pioneer 3) Geiger–Müller түтікшелерімен жасаған ашылуынан кейін оның есімімен аталды. Ван Аллен ғалымдар қауымдастығын ғарыш спутниктеріне ғылыми зерттеу аспаптарын орнатуға жетекшілік етті.

Алғашқы жылдар және білім

Джеймс Ван Аллен 1914 жылдың 7 қыркүйегінде Айова штатының Маунт-Плезант қаласының жанындағы шағын шаруа қожалығында дүниеге келген. Бала кезінде ол механикалық және электр құрылғыларына қызығушылық танытып, "Popular Mechanics" және "Popular Science" журналдарын әуеқойша оқыған. Бір күні ол анасын қорқытып, бір футқа дейін ұшқын шығарып, шашы тік тұратын Тесла катушкасын жасап шығарған. Оған Карнеги институтында ядролық физиканы оқуды жалғастыруға мүмкіндік берген стипендия арқасында, ол Вашингтонда геомагнетизм, ғарыш сәулелері, полярлық шоқтар физикасы және Жердің жоғарғы атмосферасы физикасы салаларындағы зерттеулерге де қатысты.

Екінші дүниежүзілік соғыс

1939 жылдың тамызында Ван Аллен Вашингтондағы Карнеги институтының Жер бетіндегі магнетизм бөліміне (DTM) Карнеги зерттеушісі ретінде қосылды. 1940 жылдың жазында ол Вашингтондағы Ұлттық қорғаныс зерттеулер комитетінің (NDRC) Т бөліміндегі қызметке тағайындалғаннан кейін DTM-нің ұлттық қорғаныс күштеріне қосылды. Ол фотоэлектрлік және радио жақындық фитильдерін (детонаторларды, әуе шабуылына қарсы оқтың тиімділігін арттыратын құрылғыларды) дамытуда жұмыс істеді. NDRC-нің тағы бір жобасы 1941 жылы атом бомбасын жасауға бағытталған «Манхэттен» жобасына айналды. Екінші дүниежүзілік соғыс басталғанда, жақындық фитильдерін жасау жұмысы 1942 жылдың сәуірінде Джонс Хопкинс университетінің жаңадан құрылған қолданбалы физика зертханасына (APL) ауыстырылды. Ол артиллериялық батареядан түсетін дірілге төтеп бере алатын вакуумдық түтіктердің беріктігін арттыру бойынша жұмыс істеді. APL-дегі жұмыс кемелерді әуеден қорғау және жағалауды бомбалау үшін қолданылатын радио жақындық фитильдерінің жаңа буынын жасауға әкелді. Ван Аллен 1942 жылдың қарашасында АҚШ Әскери-теңіз күштерінің лейтенанты болып тағайындалды және 16 ай бойы Оңтүстік Тынық мұхиты флотының эсминецтерінде артиллерия офицерлерін оқытумен және жасаған артиллериялық фитильдерін сынаумен айналысты. 1944 жылдың 19-20 маусымындағы Филиппин теңізі шайқасында USS Вашингтон линкор кемесі жапондық камикадзе шабуылынан сәтті қорғалғанда ол кемеде штабтық артиллерия офицерінің көмекшісі болды. Тынық мұхитындағы іс-қимылдары үшін Ван Аллен төрт шайқас жұлдызымен марапатталды. 1946 жылы ол лейтенант-коммандер болып тағайындалды. «Теңіз офицері ретіндегі қызметім – өмірімдегі ең пайдалы тәжірибе болды», – деп жазды ол 1990 жылғы автобиографиялық эссесінде. Командир Ли Льюис, командир Г. Халворсон, С. Ф. Сингер және Джеймс А. Ван Аллен 1949 жылдың 1 наурызында USS Norton Sound зерттеу кемесінде Aerobee зымыранын ұшырған кезде Rockoon идеясын ойлап тапты. 1950 жылдың 5 сәуірінде Ван Аллен қолданбалы физика зертханасынан кетіп, Брукхейвен ұлттық зертханасында Джон Саймон Гуггенхайм мемориалдық қорынан ғылыми-зерттеу стипендиясын қабылдады. Келесі жылы (1951) Ван Аллен Айова университетінің физика факультетінің меңгерушісі лауазымын қабылдады. Ұзақ өтпей ол студенттерді көк аспанның құпиясын ашуға тартумен және бұрынғыдан да жоғары атмосфераға құралдарды жеткізудің жаңа жолдарын табумен айналысты. 1952 жылы Ван Аллен ракеталарды жер атмосферасының көп бөлігінен жоғары көтеріп, содан кейін оларды одан да жоғары ұшыруға мүмкіндік беретін алғашқы ракеталық шар комбинациясын жасады. Ракеталар 16 шақырым биіктікке жеткеннен кейін іске қосылды. Кейінірек Time журналында айтылғандай, «Ван Алленнің «Рокундары» Айовада атылмады, себебі олар Айова тұрғынына немесе оның үйіне тиюі мүмкін еді». Сондықтан Ван Аллен АҚШ жағалау күзетшілерін Гренландияға бет алған Eastwind мұзжарғышынан Rockoon-дарын атуға көндірді. «Бірінші шар 70 000 футқа көтерілді, бірақ оның астында ілінген ракета атылған жоқ. Екінші Rockoon да солай әрекет етті. Жоғары биіктіктегі суық ракеталарды тұтандыруға арналған сағатты тоқтатуы мүмкін деген болжаммен Ван Аллен апельсин шырынын ыстық ыдыстарға салып, оларды үшінші Rockoon-ның гондоласына жасырып, барлығын оқшаулаумен орады. Ракета атылды». 1953 жылы Рокундар мен олардың Ньюфаундлендтен атқан ғылыми жүктері Жерді қоршаған радиациялық белдеулердің алғашқы белгісін анықтады. Арзан Rockoon техникасын кейінірек 1953-1955 және 1957 жылдары Бостон мен Гренландияның Туле аралығында теңізде жүзуші кемелерден Әскери-теңіз зерттеулер кеңсесі және Айова университеті зерттеу топтары қолданды. 1954 жылы Эрнст Стулингермен Редстоун жобасы туралы жеке әңгімелесу кезінде Вернер фон Браун олардың шағын бейресми спутниктік жобасына «нағыз, адал ғалымның» қатысуы керек деп сендірді. Стулингер Ван Алленге Нью-Джерсидің Принстон қаласындағы үйіне барып, Айовадан демалысқа шыққан кезде онымен кездесті. Ван Аллен кейін былай деп еске алды: «Стулингердің 1954 жылғы хабары қарапайым және әсерлі болды. Армияның Баллистикалық зымыран агенттігіндегі (ABMA) баллистикалық зымырандарды дамытудың арқасында, бір-екі жылдың ішінде шағын ғылыми спутникті жерді айналатын тұрақты орбитаға шығаруға болады (Орбиталық жоба). Мен атмосфераның үстіндегі ғарыш сәулесінің қарқындылығын зерттеуге қызығушылық таныттым».

In August 1939, Van Allen joined the Department of Terrestrial Magnetism (DTM) of the Carnegie Institution in Washington, D. C. as a Carnegie Research Fellow. In the summer of 1940, he joined DTM's national defense efforts with his appointment to a staff position in Section T with the National Defense Research Committee (NDRC) in Washington, D. C., where he worked on the development of photoelectric and radio proximity fuzes, which are detonators that increase the effectiveness of anti aircraft fire. Another NDRC project later became the atomic bomb Manhattan Project in 1941. With the outbreak of World War II, the proximity fuze work was transferred to the newly created Applied Physics Laboratory (APL) of Johns Hopkins University in April 1942. He worked on improving the ruggedness of vacuum tubes subject to the vibration from a gun battery. The work at APL resulted in a new generation of radio proximity fuses for anti aircraft defense of ships and for shore bombardment. Van Allen was commissioned as a U. S. Navy lieutenant in November 1942 and served for 16 months on a succession of South Pacific Fleet destroyers, instructing gunnery officers and conducting tests on his artillery fuses. He was an assistant staff gunnery officer on the battleship USS Washington when the ship successfully defended itself against a Japanese kamikaze attack during the Battle of the Philippine Sea, (June 19–20, 1944). For his actions at the Pacific, Van Allen was awarded four battle stars. He was promoted to lieutenant commander in 1946. "My service as a naval officer was, far and away, the most broadening experience of my lifetime," he wrote in a 1990 autobiographical essay. Cmdr. Lee Lewis, Cmdr. G. Halvorson, S. F. Singer, and James A. Van Allen developed the idea for the Rockoon on March 1, 1949, during the Aerobee rocket firing cruise on the research vessel USS Norton Sound. On April 5, 1950, Van Allen left the Applied Physics Laboratory, to accept a John Simon Guggenheim Memorial Foundation research fellowship at the Brookhaven National Laboratory. The following year (1951) Van Allen accepted the position as head of the physics department at the University of Iowa. Before long, he was enlisting students in his efforts to discover the secrets of the wild blue yonder and inventing ways to carry instruments higher into the atmosphere than ever before. By 1952, Van Allen was the first to devise a balloon rocket combination that lifted rockets on balloons high above most of the Earth's atmosphere before firing them even higher. The rockets were ignited after the balloons reached an altitude of 16 kilometers. As Time magazine later reported, "Van Allen’s ‘Rockoons’ could not be fired in Iowa for fear that the spent rockets would strike an Iowan or his house." So Van Allen convinced the U. S. Coast Guard to let him fire his Rockoons from the icebreaker Eastwind that was bound for Greenland. "The first balloon rose properly to 70,000 ft., but the rocket hanging under it did not fire. The second Rockoon behaved in the same maddening way. On the theory that extreme cold at high altitude might have stopped the clockwork supposed to ignite the rockets, Van Allen heated cans of orange juice, smuggled them into the third Rockoon’s gondola, and wrapped the whole business in insulation. The rocket fired." In 1953, the Rockoons and their science payloads fired off Newfoundland detected the first hint of radiation belts surrounding Earth. The low cost Rockoon technique was later used by the Office of Naval Research and The University of Iowa research groups in 1953–1955 and 1957, from ships at sea between Boston and Thule, Greenland. In 1954, in a private discussion about the Redstone project with Ernst Stuhlinger, Wernher von Braun expressed his belief that they should have a "real, honest to goodness scientist" involved in their little unofficial satellite project. Stuhlinger followed up with a visit to Van Allen at his home in Princeton, New Jersey, where Van Allen was on sabbatical leave from Iowa to work on stellarator design. Van Allen later recounted, "Stuhlinger’s 1954 message was simple and eloquent. By virtue of ballistic missile developments at Army Ballistic Missile Agency (ABMA), it was realistic to expect that within a year or two a small scientific satellite could be propelled into a durable orbit around the earth (Project Orbiter) I expressed a keen interest in performing a worldwide survey of the cosmic ray intensity above the atmosphere."

Халықаралық геофизикалық жыл 195758

1950 жылы шағын оқиға болды, бірақ ол Ван Алленнің және оның барлық отандастарының болашағына әсер етті. Наурыз айында британдық физик Сидни Чэпман Ван Алленге келіп, Вашингтон аймағындағы басқа ғалымдармен танысуға ниетті екенін айтты. Ван Аллен телефон соғып, өзінің кішкентай кірпіш үйінің қонақ бөлмесіне сегіз-онға жуық көрнекті ғалымды (Ллойд Беркнер, С. Фред Сингер және Гарри Вестин) жинады. «Бұл тұқым қуалайтын әңгімелер жиыны сияқты еді», – дейді ол. Әңгіме геофизикаға және 1882 және 1932 жылдары Арктика мен Антарктика аймақтарын зерттеу үшін әлемнің жетекші елдерін шақырған екі «Халықаралық полярлық жылға» ауысты. Біреулер ракета, радар және компьютерлер сияқты жаңа құралдардың дамуымен бүкіл әлемді қамтитын геофизикалық жылды өткізуге уақыт келді деп ұсынды. Басқалары да ынталанды, ал олардың ынтасы Вашингтондан бүкіл әлемге тарады. Осы кездесуде Ллойд Беркнер және басқа қатысушылар Халықаралық ғылыми одақтар кеңесіне 1957–1958 жылдарға (күннің ең жоғары белсенділігі кезінде) IGY жоспарлауды ұсынды. Халықаралық геофизикалық жыл (1957–1958) АҚШ үкіметін геофизикалық құралдар ретінде жер серіктерін беруге міндеттендірді. Кеңес үкіметі өзінің «Спутник» зымырандарын орбитаға жіберіп, жауап берді. Ғарышқа қадам басу жарысы немесе Ғарыш жарысы 1950 жылы сол түні Ван Алленнің қонақ бөлмесінде басталды деуге болады.

text=In 1950 an event occurred that began small but was to affect the future of Van Allen and all his countrymen. In March, British Physicist Sydney Chapman dropped in on Van Allen [and] remarked that he would like to meet other scientists in the Washington area. Van Allen got on the phone, soon gathered eight or ten top scientists (Lloyd Berkner, S. Fred Singer, and Harry Vestine) in the living room of his small brick house. ‘It was what you might call a pedigreed bull session,’ he says The talk turned to geophysics and the two ‘International Polar Years’ that had enlisted the world’s leading nations to study the Arctic and Antarctic regions in 1882 and 1932. Someone suggested that with the development of new tools such as rockets, radar and computers, the time was ripe for a worldwide geophysical year. The other men were enthusiastic, and their enthusiasm spread around the world from Washington DC. From this meeting Lloyd Berkner and other participants proposed to the International Council of Scientific Unions that an IGY be planned for 1957–58 (during the maximum solar activity) The International Geophysical Year (1957–58) stimulated the U. S. Government to promise earth satellites as geophysical tools. The Soviet government countered by rushing its Sputniks into orbit. The race into space or Space Race may be said to have started in Van Allen’s living room that evening in 1950.|source=Time, 1959

In 1955, the U. S. announced Project Vanguard as part of the US contribution to the International Geophysical Year. Vanguard planned to launch an artificial satellite into an orbit around the Earth. It was to be run by the US Navy and developed from sounding rockets, which had the advantage of being primarily used for non military scientific experiments. A symposium on "The Scientific Uses of Earth Satellites" was held on January 26 and 27, 1956 at the University of Michigan under sponsorship of the Upper Atmosphere Rocket Research Panel, chaired by Dr. Van Allen. 33 scientific proposals were presented for inclusion in the IGY satellites. Van Allen's presentation highlighted the use of satellites for continuing cosmic ray investigations. At this same time his Iowa Group began preparations for scientific research instruments to be carried by 'Rockoons' and Vanguard for the International Geophysical Year. Through "preparedness and good fortune," as he later wrote, those scientific instruments were available for incorporation in the 1958 Explorer and Pioneer IGY launches. July 1, 1957: The International Geophysical Year begins. IGY is carried out by the International Council of Scientific Unions, over an 18 month period selected to match the period of maximum solar activity (e. g. sunspots). Lloyd Berkner, one of the scientists at the April 5, 1950, Silver Spring, Maryland meeting in Van Allen's home, serves as president of the ICSU from 1957 to 1959. September 26, 1957: Thirty six Rockoons (balloon launched rockets) were launched from Navy icebreaker USS Glacier in Atlantic, Pacific, and Antarctic areas ranging from 75° N. to 72° S. latitude, as part of the U. S. International Geophysical Year scientific program headed by Van Allen and Lawrence J. Cahill of The University of Iowa. These were the first known upper atmosphere rocket soundings in the Antarctic area. Launched from IGY Rockoon Launch Site 2, Atlantic Ocean; Latitude: 0.83° N, Longitude: 0.99° W.
October 4, 1957: The Soviet Union (USSR) successfully launches Sputnik 1, the world's first artificial satellite, as part of their participation in the IGY. January 31, 1958: The first American satellite, Explorer 1, was launched into Earth orbit on a Juno I four stage booster rocket from Cape Canaveral, Florida. Aboard Explorer 1 were a micrometeorite detector and a cosmic ray experiment designed by Van Allen and his graduate students, with the satellite deployment of the sensor package supervised by Ernst Stuhlinger, who also had an expert cosmic ray background. In 2009, Van Allen's boyhood home in Mt. Pleasant, once maintained as a museum, was slated to be demolished. The new owner, Lee Pennebaker, chose not to demolish the home. It was donated to the Henry County Heritage Trust, which plans to move the house next to the old Saunders School which will be the home of the Henry County museum.

1955 жылы АҚШ Халықаралық геофизикалық жылға АҚШ-тың үлесі ретінде «Авангард» жобасын жариялады. «Авангард» Жердің айналасында жасанды спутникті ұшыруды жоспарлады. Оны АҚШ Әскери-теңіз күштері басқаруға және негізінен әскери емес ғылыми эксперименттер үшін пайдаланылатын дыбыс шығарушы ракеталардан құрастыруға тиіс болды. 1956 жылдың 26 және 27 қаңтарында Мичиган университетінде доктор Ван Аллен төрағалық еткен Жоғарғы атмосфералық ракеталық зерттеулер тобының демеушілігімен «Жер серіктерінің ғылыми қолданылуы» тақырыбында симпозиум өтті. IGY спутниктеріне енгізу үшін 33 ғылыми ұсыныс ұсынылды. Ван Алленнің баяндамасында ғарыш сәулелерін зерттеуді жалғастыру үшін спутниктерді пайдалану туралы мәліметтер келтірілді. Осы уақытта оның Айова тобы Халықаралық геофизикалық жылға арналған «Рокунс» және «Авангард» зымырандарымен жүргізілетін ғылыми зерттеу құралдарын дайындау жұмыстарын бастады. Кейін ол жазғандай, «дайындық пен сәттілік» арқасында бұл ғылыми құралдар 1958 жылғы Explorer және Pioneer IGY ұшыруларына енгізілді. 1957 жылдың 1 шілдесі: Халықаралық геофизикалық жыл басталды. IGY Халықаралық ғылыми одақтар кеңесімен 18 ай бойы ең жоғары күн белсенділігі кезеңімен сәйкес келетін кезеңде (мысалы, күн дақтары) жүзеге асырылды. Ллойд Беркнер, 1950 жылдың 5 сәуірінде Сильвер-Спрингте, Мэриленд штатында Ван Алленнің үйінде өткен кездесудегі ғалымдардың бірі, 1957 жылдан 1959 жылға дейін ICSU президенті болып қызмет етті. 1957 жылдың 26 қыркүйегі: Ван Аллен және Айова университеті Лоуренс Дж. Кахилл басқаратын АҚШ-тың Халықаралық геофизикалық жылғы ғылыми бағдарламасының бөлігі ретінде Атлант мұхитында, Тынық мұхитында және Антарктида аймақтарында 75° С-тан 72° С-қа дейінгі аралықта әскери мұзбастырғыш USS Glacier-ден отыз алты Рокун (балонмен ұшырылған зымыран) ұшырылды. Бұл Антарктида аймағында атмосфераның жоғарғы қабаттарын зерттеу үшін жасалған алғашқы ракеталық сынақтар болды. IGY Rockoon Launch Site 2, Атлант мұхитынан ұшырылды; Шектілік: 0.83° N, Ұзындық: 0.99° W.

1957 жылдың 4 қазаны: Кеңес Одағы (КСРО) әлемдегі алғашқы жасанды спутникті, Спутник 1 ұшырды. 1958 жылдың 31 қаңтарында АҚШ-тың алғашқы жер серігі «Эксплорер 1» Флорида штатының Канаверал мысынан «Юнона I» төрт сатылы зымыранмен Жер орбитасына ұшырылды. «Эксплорер 1» бортында микрометеоритті анықтағыш және Ван Аллен мен оның аспиранттары жасаған ғарыш сәулелері эксперименті болды, сенсорлық пакеттің спутниктік орналасуын Эрнст Стулингер бақылады, ол да ғарыш сәулелері туралы тәжірибеге ие болған. 2009 жылы Ван Алленнің балалық шағындағы үйі Mt. Плезантта, бір кезде мұражай ретінде сақталған, бұзу жоспарланған. Жаңа иесі Ли Пеннебейкер үйді бұзбауды шешті. Ол үйді Генри округінің мұра қорына сыйлады, ол үйді ескі Сондерс мектебінің қасына көшіруді жоспарлап отыр, ол Генри округінің мұражайына айналады.

Жеке өмір және өлім

Ван Алленнің 61 жыл бойы әйелі Синциннати қаласының Әбигейл Фитиан Халси II (1922–2008) болды. Олар Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Джонс Хопкинс университетінің қолданбалы физика зертханасында (JHU/APL) танысты. 1945 жылдың 13 қазанында Лонг-Айлендтегі Саутгемптон қаласында үйленді. Олардың бес баласы бар: Синтия, Марго, Сара, Томас және Питер. 2006 жылдың 9 тамызында Джеймс Ван Аллен Айова қаласындағы университет ауруханасында жүрек жетіспеушілігінен қайтыс болды. Профессор Ван Аллен мен оның әйелі Әбигейл Нью-Йорктің Саутгемптон қаласында жерленген, осы қалада миссис Ван Аллен дүниеге келген және олар үйленген. Абигейл М. Фёрстнер Джеймс Ван Аллен туралы «Алғашқы сегіз миллиард шақырым» атты өмірбаян жазды, ол 2007 жылы Айова университетінің баспасында, ал 2009 жылы жұмсақ мұқабамен қайта басылды.

NASA BARREL миссиясы

Екінші Берд экспедициясынан 80 жыл өткен соң, RBSP релятивистік электронды жоғалтуларға арналған шарық массиві (BARREL) NASA миссиясы, Дартмут колледжі басқаратын Антарктидадағы (Оңтүстік полюс) Жердің Ван Аллен сәулелендіру белдеулерін зерттей бастады. BARREL 2013 жылғы қаңтар-ақпан айларында және 2013 жылғы желтоқсан-2014 жылғы ақпан айларында Антарктидадан екі шарық кампаниясы барысында 20 шар ұшырды. Бұл ғылыми деректер екі жылдық миссия барысында алынған Ван Аллен зерттеулерінің деректерін толықтырады.