Джеймс Ван Аллен: Жизнь и открытия американского ученого-космофизика.

Введение

Джеймс Альфред Ван Аллен (7 сентября 1914 – 9 августа 2006) – американский ученый-исследователь космоса из Университета Айовы. Он сыграл ключевую роль в становлении области исследований магнитосферы. Радиационные пояса Ван Аллена были названы в его честь после его открытия с использованием приборов Гейгера-Мюллера на спутниках 1958 года (Explorer 1, Explorer 3 и Pioneer 3) в ходе Международного геофизического года. Ван Аллен возглавил усилия научного сообщества по размещению научных исследовательских приборов на космических спутниках.

Ранние годы и образование

Джеймс Ван Аллен родился 7 сентября 1914 года на небольшой ферме недалеко от Маунт-Плезант, штат Айова. В детстве он увлекался механическими и электрическими устройствами и был страстным читателем журналов "Популярная механика" и "Популярная наука". Однажды он привел в ужас свою мать, сконструировав катушку Тесла, которая производила искры длиной около метра и заставляла его волосы вставать дыбом. Стипендия позволила ему продолжить изучение ядерной физики в Институте Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия, где он также углубился в исследования в области геомагнетизма, космических лучей, физики полярных сияний и физики верхней атмосферы Земли.

Вторая мировая война

В августе 1939 года Ван Аллен присоединился к Департаменту земного магнетизма (DTM) Института Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия, в качестве научного сотрудника Карнеги. Летом 1940 года он включился в оборонные усилия DTM, получив должность в Отделе T Национального комитета по исследованиям обороны (NDRC) в Вашингтоне, округ Колумбия, где занимался разработкой фотоэлектрических и радиоблизостных взрывателей, детонаторов, повышающих эффективность противовоздушной обороны. Другой проект NDRC позднее, в 1941 году, стал атомным проектом «Манхэттен». С началом Второй мировой войны работы по взрывателям были переданы в недавно созданную Лабораторию прикладной физики (APL) Университета Джонса Хопкинса в апреле 1942 года. Он работал над повышением устойчивости вакуумных ламп к вибрации от орудийной установки. Работа в APL привела к созданию нового поколения радиовзрывателей для противовоздушной обороны кораблей и береговой артиллерии. В ноябре 1942 года Ван Аллен был произведен в лейтенанты ВМС США и в течение 16 месяцев служил на нескольких эсминцах флота Южной части Тихого океана, обучая офицеров артиллерии и проводя испытания разработанных им артиллерийских взрывателей. Он был помощником офицера артиллерии на линкоре USS Washington, когда корабль успешно отразил атаку японских камикадзе во время битвы в Филиппинском море (19–20 июня 1944 года). За свои действия в Тихом океане Ван Аллен был награжден четырьмя боевыми звездами. В 1946 году он был повышен до лейтенант-коммандера. «Моя служба в качестве морского офицера была, безусловно, самым расширяющим кругозор опытом в моей жизни», – написал он в автобиографическом эссе 1990 года. Командир Ли Льюис, командир Г. Хэлворсон, С. Ф. Сингер и Джеймс А. Ван Аллен разработали идею Rockoon 1 марта 1949 года во время ракетного круиза Aerobee с исследовательского судна USS Norton Sound. 5 апреля 1950 года Ван Аллен покинул Лабораторию прикладной физики, чтобы принять стипендию Фонда Джона Саймона Гуггенхайма в Национальной лаборатории Брукхейвена. В следующем году (1951) Ван Аллен принял должность главы физического факультета в Университете Айовы. Вскоре он начал привлекать студентов к своим усилиям по раскрытию тайн бескрайнего неба и изобретать способы подъема приборов в атмосферу на небывалую высоту. К 1952 году Ван Аллен первым разработал комбинацию аэростата и ракеты, которая поднимала ракеты на воздушных шарах высоко над большей частью атмосферы Земли, прежде чем запускать их еще выше. Ракеты воспламенялись после того, как шары достигали высоты 16 километров. Как позднее сообщал журнал Time, «в Айове нельзя было запускать «Роккуны» Ван Аллена из-за опасения, что отработанные ракеты могут попасть в дом или на участок жителя Айовы». Поэтому Ван Аллен убедил Береговую охрану США разрешить ему запускать свои «Роккуны» с ледокола «Иствинд», направлявшегося в Гренландию. «Первый аэростат поднялся до 70 000 футов, но ракета, подвешенная к нему, не запустилась. Второй «Роккун» вел себя столь же разочаровывающе. Исходя из предположения, что сильный холод на большой высоте мог остановить часовой механизм, предназначенный для запуска ракет, Ван Аллен нагрел банки апельсинового сока, пронес их в гондолу третьего «Роккуна» и обернул все это изоляцией. Ракета запустилась». В 1953 году «Роккуны» и их научные полезные нагрузки, запущенные с Ньюфаундленда, впервые обнаружили признаки радиационных поясов, окружающих Землю. Низкозатратная методика «Роккун» позднее, в 1953–1955 и 1957 годах, использовалась исследовательскими группами Управления военно-морских исследований и Университета Айовы с кораблей в море между Бостоном и Туле (Гренландия). В 1954 году, в частной беседе с Эрнстом Штулингером о проекте Redstone, Вернер фон Браун выразил убеждение, что им нужен «настоящий, честный ученый», вовлеченный в их небольшой неофициальный спутниковый проект. Штулингер последовал его примеру и посетил Ван Аллена дома в Принстоне, штат Нью-Джерси, где Ван Аллен находился в академическом отпуске из Айовы для работы над проектированием стелларатора. Ван Аллен позднее вспоминал: «Послание Штулингера в 1954 году было простым и убедительным. Благодаря разработке баллистических ракет в Армейском ракетном агентстве (ABMA) было реалистично ожидать, что через год-два небольшой научный спутник можно будет вывести на устойчивую орбиту вокруг Земли (Проект «Орбитер»). Я выразил большой интерес к проведению всемирного обследования интенсивности космических лучей над атмосферой».

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."

Международный геофизический год 195758

В 1950 году произошло событие, которое началось с малого, но повлияло на будущее Ван Аллена и всех его соотечественников. В марте британский физик Сидни Чепмен зашел к Ван Аллену и заметил, что хотел бы встретиться с другими учеными в районе Вашингтона. Ван Аллен позвонил, вскоре собрал восемь или десять ведущих ученых (Ллойд Беркнер, С. Фред Сингер и Гарри Вестин) в гостиной своего маленького кирпичного дома. «Это была, как вы могли бы назвать, обстоятельная беседа», – говорит он. Разговор коснулся геофизики и двух «Международных полярных лет», в рамках которых ведущие страны мира участвовали в изучении арктических и антарктических регионов в 1882 и 1932 годах. Кто-то предложил, что с развитием новых инструментов, таких как ракеты, радары и компьютеры, настало время для всемирного геофизического года. Остальные были воодушевлены, и их энтузиазм распространился по всему миру из Вашингтона. На этой встрече Ллойд Беркнер и другие участники предложили Международному совету научных союзов запланировать МГГ на 1957–1958 годы (во время максимальной солнечной активности). Международный геофизический год (1957–1958) побудил правительство США пообещать спутники Земли в качестве геофизических инструментов. Советское правительство ответило, запустив свои спутники на орбиту. Гонку в космос, или космическую гонку, можно сказать, начали в гостиной Ван Аллена в тот вечер в 1950 году.

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.

В 1955 году США объявили о проекте «Вангард» как о части американского вклада в Международный геофизический год. «Вангард» планировал запустить искусственный спутник на орбиту вокруг Земли. Проект должен был управляться ВМС США и разрабатываться на основе зондирующих ракет, которые имели преимущество в том, что в основном использовались для невоенных научных экспериментов. Симпозиум на тему «Научное использование спутников Земли» состоялся 26 и 27 января 1956 года в Мичиганском университете под эгидой Upper Atmosphere Rocket Research Panel, возглавляемой доктором Ван Алленом. Для включения в спутники МГГ было представлено 33 научных предложения. В презентации Ван Аллена было подчеркнуто использование спутников для продолжения исследований космических лучей. В это же время его группа из Айовы начала подготовку к научным исследовательским инструментам, которые должны были нести «Рокуны» и «Вангард» для Международного геофизического года. Благодаря «подготовке и удаче», как он позже написал, эти научные инструменты были доступны для включения в запуски Explorer и Pioneer в рамках МГГ в 1958 году. 1 июля 1957 года: начался Международный геофизический год. МГГ проводился Международным советом научных союзов в течение 18 месяцев, выбранных в соответствии с периодом максимальной солнечной активности (например, солнечных пятен). Ллойд Беркнер, один из ученых на встрече 5 апреля 1950 года в Сильвер-Спринг, штат Мэриленд, в доме Ван Аллена, был президентом ICSU с 1957 по 1959 год. 26 сентября 1957 года: 36 ракет «Рокун» (ракет с запусками на воздушных шарах) были запущены с ледокола ВМС США «Глейшер» в Атлантическом, Тихом и Антарктическом районах от 75° северной широты до 72° южной широты в рамках научной программы Международного геофизического года США, возглавляемой Ван Алленом и Лоуренсом Дж. Кахиллом из Университета Айовы. Это были первые известные ракетные зондирования верхней атмосферы в районе Антарктики. Запуски осуществлялись с площадки IGY Rockoon Launch Site 2 в Атлантическом океане; широта: 0,83° северной широты, долгота: 0,99° западной долготы.

4 октября 1957 года: Советский Союз (СССР) успешно запустил «Спутник-1», первый в мире искусственный спутник, в рамках своего участия в МГГ. 31 января 1958 года: Первый американский спутник, Explorer 1, был запущен на орбиту Земли на четырехступенчатой ракете-носителе Juno I с мыса Канаверал, штат Флорида. На борту Explorer 1 находился детектор микрометеоритов и эксперимент с космическими лучами, разработанный Ван Алленом и его аспирантами, а развертывание пакета датчиков на спутнике осуществлял Эрнст Штулингер, который также имел опыт работы с космическими лучами. В 2009 году дом детства Ван Аллена в Маунт-Плезант, ранее содержавшийся как музей, планировалось снести. Новый владелец, Ли Пеннебейкер, решил не сносить дом. Он был пожертвован фонду Henry County Heritage Trust, который планирует перенести дом рядом со старой школой Сондерса, которая станет домом музея округа Генри.

Личная жизнь и смерть

Жена Ван Аллена, прожившая с ним 61 год, была Абигейл Фитиан Халси II из Цинциннати (1922–2008). Они познакомились в Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (JHU/APL) во время Второй мировой войны. Они поженились 13 октября 1945 года в Саутгемптоне, Лонг-Айленд. У них пятеро детей: Синтия, Марго, Сара, Томас и Питер. 9 августа 2006 года Джеймс Ван Аллен скончался в университетской больнице в Айове от сердечной недостаточности. Профессор Ван Аллен и его жена Абигейл похоронены в Саутгемптоне, штат Нью-Йорк, где родилась миссис Ван Аллен и где состоялась их свадьба. Абигейл М. Фёрстнер написала биографию «Джеймс ван Аллен: Первые восемь миллиардов миль», опубликованную издательством University of Iowa Press в 2007 году, а в 2009 году вышла книга в мягкой обложке.

Миссия NASA BARREL

Через восемьдесят лет после второй экспедиции Берда, миссия НАСА "Балонный массив для изучения релятивистских потерь электронов RBSP" (BARREL), находящаяся под управлением Дартмутского колледжа, начала изучение радиационных поясов Ван Аллена Земли в Антарктике (на Южном полюсе). В рамках двух кампаний, проходивших в январе-феврале 2013 года и декабре 2013 года – феврале 2014 года, BARREL запустил 20 воздушных шаров из Антарктики. Эти научные данные дополнят данные, полученные аппаратами Van Allen Probes, в течение двухлетнего периода миссии.