Внутри атомного ядра: сильное и; слабое

Внутри атомного ядра: сильное и слабое

Читавшие статью про устройство атомов в «Квантике» № 11 за 2018 год знают, что любое вещество состоит всего из трёх типов элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны — тяжёлые, гораздо тяжелее электронов. Они образуют ядра атомов, а электроны летают вокруг этих ядер, совсем улететь им не даёт электрическое притяжение протонов: протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный, и все частицы с зарядами одного знака отталкиваются друг от друга, а с зарядами разных знаков — притягиваются.

Задача 1

Размер атомного ядра примерно 10 −15 м 1 , а размер атома — диаметр орбит электронов — примерно 10 −10 м. Если мы, делая модель атома, в качестве ядра нарисуем ручкой точку размером 1 мм, какого размера нужно рисовать атом? А какого размера получится в таком масштабе модель вируса гриппа? Размер настоящего вируса гриппа — 10 −7 м.

Размер атома в этой модели (10 −10 : 10 −15 ) · 1 мм = 10 5 мм = 100 м. Размер вируса (10 −7 : 10 −15 ) · 1 мм = 10 8 мм = 100 км.

Внутри атомного ядра протоны и нейтроны — они вместе называются нуклонами 2 — «держатся» друг за дружку ядерными силами. Это совсем не то же самое, что электрические (точнее, электромагнитные) силы. Например, в ядерном взаимодействии протон и нейтрон участвуют «на равных» (в отличие от электромагнитного, ведь у нейтрона электрического заряда нет, а у протона есть). Ядерное взаимодействие иначе называют сильным, так что можно сказать: «В ядре действуют сильные силы» — и это не будет бессмысленным повтором.

Эти «сильные силы» действительно очень велики, иначе ядра не удерживались бы и разваливались. Ведь протоны в них все «отпихиваются» друг от друга электрическими силами. К тому же нуклоны в ядре не стоят на месте, а быстро движутся. Попробуйте втроём-вчетвером взяться за руки и начать беспорядочно прыгать и метаться туда-сюда. Удержать друг друга и не расцепить руки будет гораздо сложнее, чем если бы все спокойно водили хоровод.

Фундаментальные взаимодействия

От прогулки по улице, до запуска ракеты в космос, или прикрепления магнита на ваш холодильник, физические силы действуют всюду вокруг нас. Но все силы, которые мы переживаем каждый день (и многие из них мы не осознаем) могут быть сведены всего к четырём фундаментальным взаимодействиям:

• гравитационному;
• электромагнитному;
• сильному;
• слабому.

Они называются четыре фундаментальные силы природы, и они управляют всем, что происходит во всей Вселенной.

Гравитация

Гравитация это притяжение между двумя объектами, которые имеют массу или энергию, это видно, когда бросаешь камень с моста, когда планеты кружат по орбите вокруг звезды или когда Луна становится причиной приливов и отливов на Земле. Гравитация, возможно, самая подсознательно воспринимаемая и знакомая из фундаментальных сил, но она также является самой сложной для объяснения.

Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно его на это вдохновило яблоко, которое упало с дерева. Он описал гравитацию как постоянное притяжение между двумя объектами. Спустя века, Альберт Эйнштейн предложил свою теорию общей относительности, согласно которой гравитация это не притяжение, а сила. Массивный объект ведёт себя в пространстве-времени, немного похоже на то, как большой мяч расположенный посреди листа влияет на материю, деформируя её и заставляя другие, меньшие, объекты на листе двигаться к центру.

На этом снимке, полученном космическим телескопом “Хаббл”, показан детальный вид центральной части спиральной галактики без перемычки NGC 772. Авторы и права: NASA / ESA / Hubble / A. Seth et al.

Гравитацией удерживаются вместе планеты, звёзды и даже галактики, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярных и атомарных уровнях. Подумай об этом: Насколько тяжело поднять мяч с земли? Или поднять твою ступню? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомарном уровнях, гравитация почти не имеет никакого влияния в сравнении с другими фундаментальными силами.

Электромагнетизм

Электромагнитное взаимодействие также называется силой Лоренца и действует между заряжёнными частицами. Противоположные заряды притягивают друг друга, в то время как одинаковые заряды отталкиваются. Чем больше заряд, тем сильнее сила. Точно так же, как и гравитация, эта сила может чувствоваться с бесконечного расстояния (хотя сила будет очень, очень мала на таком расстоянии).

Как указывает её название, электромагнитная сила состоит из двух частей электрической силы и магнитной силы. Сначала физики описывали эти силы как отдельные друг от друга, но позже исследователи осознали, что они являются компонентами одной и той же силы.

Электрический компонент действует между заряжёнными частицами двигаются ли они или нет, создавая поле, которым заряды могут влиять друг на друга. Но если их привести в движение эти заряжённые частицы начинают демонстрировать второй компонент, магнитную силу. Частицы создают магнитное поле вокруг них в то время, когда они движутся. Таким образом, когда электроны спешат по проводам, чтобы зарядить ваш компьютер или телефон, или включить ваш телевизор, вокруг провода образуется магнитное поле.

Магнитные поля в спиральной галактике Мессье 77. Магнитные поля выравниваются по всей длине массивных спиральных рукавов галактики, подразумевая, что гравитационные силы, которые создали форму галактики, также сжимают и её магнитное поле. Авторы и права: NASA / SOFIA / JPL-Caltech / Roma Tre University.

Электромагнитные силы передаются между заряжёнными частицами в результате обмена невесомыми, несущими силу бозонами, которые называются фотоны. Несущие силу фотоны, которые меняются местами с заряжёнными частицами, в то же время являются другой формой фотонов.

Электромагнитные силы ответственны за некоторые из самых часто наблюдаемых явлений: трение, упругость, нормальная сила и сила удержания твёрдых тел в заданной форме. Они также ответственны за притяжение, которое испытывают птицы, самолеты и даже Супермен, во время полёта. Это становится возможным благодаря тому, что заряжённые (нейтральные) частицы взаимодействуют друг с другом. Нормальная сила, которая держит книгу на крышке стола, например, является последствием отталкивания электронов атомов стола и электронов атомов книжки.

Сильное взаимодействие

Сильная ядерная сила, также называется сильное ядерное взаимодействие, это самая сильная фундаментальная сила природы. Она в шесть тысяч квинтильонов квинтильонов квинтильонов (это 39 нолей после 6!) раз сильнее чем сила гравитации. И поэтому она в состоянии связать вместе фундаментальные частицы вещества, чтобы сформировать большие частицы. Она держит вместе кварки, которые составляют протоны и нейтроны, и часть сильного взаимодействия также держит вместе протоны и нейтроны атомного ядра.

Сильное взаимодействие работает только тогда, когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу. Они должны быть где-то на расстоянии 10 -15 метров друг от друга, или, грубо говоря, на расстоянии диаметра протона.

Хотя, сильное взаимодействие является нерегулярным, потому что, в отличие от любой другой фундаментальной силы, оно становится слабее, когда между субатомными частицами уменьшается расстояние. Фактически она достигает максимальной силы, когда частицы находятся дальше всего друг от друга. Крошечная частица сильного взаимодействия, называемая остаточным сильным взаимодействием, действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядрах отталкивают друг друга потому что они имеют одинаковый заряд, но остаточное сильное взаимодействие может побороть это отталкивание, таким образом частицы остаются связанными в aтомных ядрах.

Слабое взаимодействие

Слабая сила, также называется слабым ядерным взаимодействием, ответственна за распад частиц. Это постоянное изменение одного типа субатомных частиц в другие. Таким образом, например, нейтрино который случайно пройдёт близко возле нейтрона может превратить нейтрон в протон, в то время, как нейтрино станет электроном.

Физики описывают это взаимодействие через обмен несущими силу частицами, которые называют бозонами. Специфические виды бозонов ответственны за слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. В случае слабого взаимодействия, бозоны – это заряжённые частицы, которые называются бозоны W и Z. Когда субатомные частицы такие как протоны, нейтроны и электроны подходят на расстояние 10 -18 метров или 0,1% диаметра протона, один к другому, они могут обменяться своими бозонами.

Наше Солнце – звезда второй популяции возрастом около пяти миллиардов лет. Она включает в себя элементы, которые тяжелее водорода и гелия, а также кислород, углерод, неон и железо. Авторы и права: NASA / Solar Dynamics Observatory.

Слабое взаимодействие критично для реакции ядерного слияния, которая даёт энергию Солнцу и производит энергию, которая требуется для большинства форм жизни здесь на Земле. Именно поэтому археологи могут использовать, радиоактивный углерод, чтобы датировать древние кости, дерево и другие артефакты. Радиоактивный углерод имеет шесть протонов и восемь нейтронов, один из этих нейтронов распадается в протон, чтобы создать радиоактивный азот, который имеет семь протонов и семь нейтронов. Этот распад происходит прогнозируемо, что позволяет учёным определять насколько старым является такой артефакт.

Единая теория фундаментальных взаимодействий

Главный вопрос четырёх фундаментальных взаимодействий заключается в том являются ли они в действительности проявлением единой большой силы Вселенной или нет. Если да, каждая из них должна быть в состоянии объединяться с другими, и уже есть некоторые доказательства.

Физики Шелдон Глашоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Салам с Империального колледжа в Лондоне выиграли Нобелевскую премию по физике в 1979 за объединение электромагнитной и слабой сил в результате чего появилась электрослабое взаимодействие. Физики также пытались объединить электрослабую силу с сильным взаимодействием,. Окончательный кусочек пазла будет требовать объединения гравитации с электросильной силой, чтобы развить, так называемую теорию всего, теоретическую систему взглядов, которая могла бы объяснить всю Вселенную.

Физикам довольно сложно совместить микромир с макромиром. На больших и в особенности астрономических шкалах, гравитация доминирует и лучше всего описывается теорией общей относительности Эйнштейна. Но на молекулярных, атомных и субатомных шкалах доминирует квантовая механика. На данный момент никому ещё не удалось найти хороший способ объединить эти два мира.

Физики, изучающие квантовую гравитацию, имеют своей целью описать силу в условиях квантового мира, что могло бы помочь с объединением. Фундаментальным для этого подхода было бы открытие гравитонов, теоретических, несущих силу бозонов гравитационной силы. Гравитация – это единственная фундаментальная сила, которую физики могут сейчас описать, не используя частицы, которые несут силу. Но, потому что описания всех других фундаментальных сил требует частиц, которые несут силу, учёные ожидают, что гравитоны должны существовать на субатомном уровне – исследователи эти частички просто пока не нашли.

Масса галактик в скоплении Abell 2744 составляет менее пяти процентов от общей массы. Газ (около 20 процентов) настолько горячий, что светит только в рентгеновских лучах (выделен красным). Невидимая тёмная материя (около 75 процентов массы) здесь окрашена в синий цвет. Авторы и права: NASA / EKA.

Чтобы ещё больше всё усложнить можно вспомнить о невидимом царстве тёмной материи и тёмной энергии. Неясно состоят ли тёмная материя и энергия из одной частицы или всего набора частиц, которые имеют их собственные силы и носители бозоны.

Первичные носители-частицы, которые представляют интерес – это теоретический тёмный фотон, который передавал бы взаимодействия между видимой и невидимой материей. Если тёмные фотоны существуют, они могли бы привести к открытию пятой фундаментальной силы. Пока, однако, нет доказательств того, что тёмные фотоны существуют и некоторые исследования предоставили сильные доказательства, что эти частички не существуют.

Виды взаимодействий

Взаимодействие является универсальной характеристикой различных систем, структур и наук. Многие природные объекты, материальные и нематериальные явления невозможно объяснить без взаимодействия, иначе взаимного действия, воздействия, влияния, которое оказывают объекты друг на друга. Основной причиной движения материи также является взаимодействие. Как и движение, категория взаимодействия универсальна.

В науке принято выделять четыре не сводящихся друг к другу вида взаимодействий. Это гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. В физике причиной изменения движения тел является сила. Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество разнообразных сил: сила тяжести, сила сжатия пружины, сила, возникающая при столкновении тел, сила трения и другие. Однако, когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку атомы взаимодействуют через электростатическое поле электронных оболочек, то, как оказалось, все эти силы — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Действительно, представим себе два сталкивающихся бильярдных шара. Всегда слышится звук удара, но что при этом происходит. Всего навсего взаимодействовали электронные оболочки атомов.

Единственное исключение из этого многообразия сил — сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между двумя массивными телами. Чтобы понять, что представляют собой два оставшихся взаимодействия, нужно чуть лучше познакомиться с миром элементарных частиц.

Заглянем внутрь атомного ядра. Ядро состоит из двух видом элементарных частиц – протонов и нейтронов. Протоны – положительно заряженные элементарные частицы, довольно тяжелые (почти в 2000 раз тяжелее электрона). Нейтроны не имеют электрического заряда, еще чуть более тяжелые, чем протоны. Знание точных показателей массы и зарядов протонов и нейтронов дает возможность понять, что ядра атомов не смогли бы существовать только при наличии гравитационного и электрического взаимодействия. Сто лет назад именно такое положение вещей навело ученых на мысль о существовании еще одного типа взаимодействия – сильного.

Как оказалось позднее, и сильного взаимодействия недостаточно для описания всех процессов, происходящих в микромире. Необходимо было существование еще одного слабого взаимодействия. Для того чтобы понять, что представляют собой все эти виды взаимодействий проведем их сравнительную характеристику.

Гравитационное взаимодействие

В гравитационном взаимодействии участвуют все тела, обладающие массой, вне зависимости от их природы. Гравитационные силы являются лишь силами притяжения, так как все тела обладают положительной массой (за исключением темной энергии). Это взаимодействие определяется фундаментальным законом всемирного тяготения. Гравитационные силы убывают пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими телами. Закон всемирного тяготения Ньютона описывается формулой:

, где G — гравитационная постоянная.

Гравитационное взаимодействие определяет падание тел под действием силы тяготения Земли, а также движение планет в Солнечной системе, движение галактик во Вселенной и т.д.

То есть гравитация играет решающую роль лишь в Мегамире, в космических пространствах. На Земле же гравитационное взаимодействие самое слабое, поэтому в теории элементарных частиц оно вовсе не учитывается (10 -13 см).

Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие очень похоже на гравитационное. Отличие лишь в том, что у нас есть как положительные, так и отрицательные заряды, отсюда и возникновение как электрических, так и магнитных полей. Электромагнитное взаимодействие более сильное, чем гравитационное из-за большей константы связи (заряды в один кулон притягиваются сильнее, чем массы в один килограмм).

Данное взаимодействие позволяет электронам и атомным ядрам объединяться в атомы, атомам – в молекулы, а значит такое взаимодействие является основным в химических и биологических процессах. Без электромагнитного взаимодействия не было бы ни молекул, ни тепла, ни света, ни других макрообъектов. Законы Кулона, Ампера и электромагнитная теория Максвелла объясняет и описывает электромагнитное взаимодействие. Оно является основой создания самых разных радиоприемников, компьютеров, телевизоров и других электроприборов.

Электромагнитное взаимодействие в тысячу раз слабее сильно, но зато более дальнодействующее.

Сильное взаимодействие

Иначе этот вид взаимодействия называют ядерным, судя по названию оно самое сильное из всех представленных. Такое взаимодействия происходит на уровне атомных ядер. Ядерные си­лы – это один из видов проявления сильного взаимодействия. Это взаимодействие было открыто в 1911 году Э. Резерфордом практически одновременно с открытием ядра атома. Сильное взаимодействие передается с помощью глюонов, а протон и нейтрон теряют свои заряды и рассматриваются в сильном взаимодействии как нуклоны.

Ядра атомов являются очень устойчивыми системами, которые тяжело разрушить именно благодаря сильному взаимодействию частиц внутри атома. Без такого взаимодействия не смогли бы существовать атомные ядра, Солнце не смогло бы генерировать теплоту и свет без ядерных реакций, которые тоже возможно только благодаря сильному взаимодействию.

Слабое взаимодействие

Такой вид взаимодействия является короткодействующим, проявляется на очень малых расстояниях (10 -15 – 10 -22 см.). При слабом взаимодействии процессы между частицами протекают медленнее, благодаря нему большинство известных нам частиц нестабильно. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, в частности, с превращениями протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, которые происходит в ядре. Переносчиками слабого взаимодействия являются вионы. Слабое взаимодействие – особый вид не контактного взаимодействия, связь осуществляется с помощью обмена промежуточны­ми тяжелыми частицами — бозонами.

Из-за наличия данного вида взаимодействия возможно совершение ядерных реакций внутри Солнца, а значит, Солнце светит и дарит нам тепло именно благодаря слабому взаимодействию. Возникновение новых звезд также возможно из-за слабого взаимодействия.

Сила слабого и сильного взаимодействия очень быстро убывает с расстоянием. Так, например, в достаточно большом атомном ядре (например, уран) сила притяжения нуклонов находящихся на диаметрально противоположных концах ядра очень мала. Именно поэтому ядро урана нестабильно и подвержено самопроизвольному распаду. На достаточно малых расстояниях сила сильного взаимодействия превосходит силу электромагнитного. Это делает стабильными такие атомные ядра как литий натрий и т.п.

Аналогично электромагнитному заряду существует слабый заряд и сильный заряд. Поскольку на макроскопических расстояниях (сравнимых с размерами самих атомов и больше) это силы не действуют, то такие заряды приписываются только элементарным частицам. Элементарные частицы, обладающие сильным зарядом, называются барионами, к ним относятся, например, нуклоны – протон и нейтрон. Соответственно все они участвуют в сильном взаимодействии. Электрон и ряд других частиц не обладают таким зарядом и не участвуют в сильном взаимодействии. В слабом взаимодействии участвуют все частицы.

Существуют такие частицы, которые участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействии – это нейтрино. Из-за такой особенности их очень тяжело обнаружить в эксперименте.

Таким образом, описанными выше четырьмя видами взаимодействиями определяется то, как взаимодействуют все известные объекты: от элементарных частиц до звезд и галактик. Например, сильное и слабое взаимодействия полностью определяют время жизни всех элементарных частиц, а гравитация – движение звезд и планет. Однако, пока еще не все процессы во Вселенной удается объяснить, и потому продолжаются поиски новых типов взаимодействий.

Автор статьи: Михаил Карневский
Обновлено Татьяна Сидорова 29.03.2018
Перепечатка без активной ссылки запрещена!

Вы можете приложить к своему отзыву картинки.

• Последние комментарии
• ВКонтакте

3,75?1028 Люмен) или 3,827?1033 эрг/с. Средняя плотность теплового потока по земному шару составляет 87±2 мВт/м? или (4,42±0,10)•1013 Вт в целом по Земле, то есть примерно в 5000 раз меньше, чем средняя солнечная радиация. Около 60 % теплового потока (2,75•1013 Вт) приходится на внутренние источники тепла, остальные 40 % обусловлены остыванием планеты. Согласно измерениям нейтринного потока из недр Земли, на радиоактивный распад приходится 24 ТВт (2,4•1013 Вт) внутреннего тепла).* Сила тяжести – мощность гравитации ядра Земли и ядра Солнца тоже очень разные.
Гравитационная постоянная Земли GM Земли 398600.448 км 3/с 2
Гравитационная постоянная Солнца GM Солнца 132712.43994 x10 6 км 3/с 2
Разные уровни взаимодействия. У Солнца более высокий, более мощный, чем у Земли. Но Солнце по уровню состояния гравитации и энергии значительно уступает телу ядра галактики. Из центрального очень массивного плотного тела ядра галактики совершаются очень мощные выбросы энергии – выбросы плазмы, облаков газа. Иногда выбросы вытягиваются на расстояние до миллиона световых лет, заканчиваясь в своеобразных округлых, протяженных облаках газа. В таких облаках заключена колоссальная энергия – до 10 в 53 степени (то есть 10 с 53 нулями) Дж. Чтобы оценить количество этой энергии, достаточно сказать, что для её выделения пришлось бы полностью превратить в излучение массу десятков и даже сотен миллионов звезд (а у галактики NGC 6251, расположенной от нас на расстоянии 300 млн. световых лет, выброс тянется на 4 млн. световых лет). В галактике Лебедь А содержатся огромные газовые облака, скорости которых доходят до 500 км/сек. Мощность излучения этой радиогалактики сейчас порядка 1045 эрг/сек или более, и нет оснований предполагать, что оно после взрыва было меньше. Поэтому энергия, освободившаяся в результате взрыва и следовавших за ним процессов, составила, по меньшей мере, 1056-1058 эрг. Очень мощные выбросы из тела очень массивного ядра галактики. Оно и удерживает все выброшенные из себя (изнутри) все звезды, которые вращаются с огромными скоростями. Солнце постоянно движется в пространстве тяготения – силы притяжения ядра галактики. Его скорость равняется 720 тысячам км/ч, но это еще маленькая в сравнение с другими звездами. Недавно астрономы обнаружили звезду под названием S5-HVS1, которая движется со скоростью 6 миллионов км/ч. Эта звезда способна покинуть нашу галактику, но пока не покидает – очень массивное тело ядра галактики удерживает. Но во Вселенной есть тела помощнее, чем ядра галактик – это квазары, тела не галактического уровня. Квазар излучает в 1000 раз сильнее, чем это делает вся галактика с её мощным ядром. Квазар – это очень плотное (самое плотное обозримое) тело, по массе такова, что удерживает целые скопления галактик. Вот такие четыре уровня состояния силы притяжения – гравитации и энергии. Они исходили от самой плотной точки (самого плотного состояния гравитации и энергии – это центральная часть Вселенной). Энергия поэтапно, последовательно выбросом тел растягивала пространство гравитации. Образовалась иерархическая связь тел. Квазары связаны с центром Вселенной, которые в свою очередь связали скопления галактик (те тела, что вышли из квазар). Ядра галактик связаны с квазарами, а сами тела ядер галактик связали звезды, которые выбросили. А Солнце дало движение Земле и другим планетам, и удержала их. А Земля вытолкнула из себя Луну и скрепила в собственную свою систему. Четкая линейная последовательная связь. Взаимосвязь, взаимодействие двух противоположных сил притяжения (гравитации) и отталкивания – энергии.
ФИЗИКА ВСЕЛЕННОЙ.
Физика Всего. Физика жизни Вселенной.
Целостная физическая картина мира. Целостность физики.
Часть 167. Продолжение следует. Виктор Безгодков. 16.12. 2020 г.

Слабое космическое звено

На что способна российская система предупреждения о ракетном нападении

Российский военный спутник «Космос-2430» 5 января 2019 года сошел с орбиты и сгорел в атмосфере над Тихим океаном. Российские военные заявили, что аппарат был сведен с орбиты в штатном режиме и все время падения находился под наблюдением Воздушно-космических войск.

Спутник входил в состав космического эшелона российской системы предупреждения о ракетном нападении, которая, по задумке конструкторов и военных, должна предупредить руководство страны о начале ядерной войны. После сообщений о сходе «Космоса-2430» с орбиты могло сложиться впечатление, что российские возможности по раннему обнаружению запусков баллистических ракет уменьшились, однако на самом деле ничего не изменилось — космический эшелон, хотя и не стал менее эффективным, все равно остается самым слабым звеном системы предупреждения о ракетном нападении.

Мы решили рассказать краткую историю создания системы предупреждения о ракетном нападении и о ее современном состоянии. Первая часть нашего материала посвящена космическому эшелону системы и его возможностям. О наземном эшелоне мы расскажем во второй части, которая выйдет позднее.

Ядерный щит

Если не вдаваться в сложные подробности, то можно сказать, что история оружия — это взаимосвязанное развитие средств нападения и средств защиты. Вскоре после того, как было придумано копье, появился и щит; развитие огнестрельного оружия привело к созданию бронежилета. Все новые виды вооружений порождали и новые виды противодействия им, причем иногда на нетривиальную угрозу приходилось придумывать не менее нетривиальный ответ.

В 1961 году США провели испытания первой межконтинентальной баллистической ракеты Minuteman, способной поражать цели на дальности до 9,3 тысячи километров. Ракета имела разделяющуюся головную часть и летала на твердом топливе, благодаря чему была проста в обслуживании носителя и требовала меньше времени на подготовку к запуску. В результате советские военные пришли к выводу, что действующая в стране с начала 1950-х годов система противоракетной обороны с радиолокационным полем обнаружения пусков баллистических ракет практически беспомощна перед новыми американскими носителями.

Поэтому в том же 1961 году Министерство обороны СССР подготовило и ввело в действие документ о новой тактике противодействия ракетно-ядерной угрозе. В нем, в частности, был описан ответно-встречный удар, подразумевающий запуск баллистических ракет по территории противника в ответ на его пуски носителей по территории СССР, причем еще до того, как ракеты противника поразят свои цели. Как говорится, ответим, пока еще все живы.

Запуск американской баллистической ракеты Minuteman

Концепция ответно-встречного удара подразумевала организацию системы, способную на раннем этапе, то есть еще во время разгона баллистических ракет противника, предупредить советских военных о нападении. Существовавшие тогда в СССР системы обнаружения баллистических ракет были «заточены» под носители средней дальности, то есть с дальностью полета до 5,5 тысячи километров. Они могли предупредить о ракетах лишь за 10-15 минут до их прилета к цели.

Советская СПРН

В состав системы предупреждения о ракетном нападении, которая должна была следить за пусками новых американских ракет, должны были войти два эшелона: космический (первый) и наземный (второй). Первый эшелон должен был состоять из спутников, способных обнаружить запуски баллистических ракет с территории США, с которыми в то время СССР находился в состоянии холодной войны. Второй эшелон предполагалось составить из сети надгоризонтных и загоризонтных радиолокационных станций, которые бы могли подтверждать или опровергать данные первого эшелона о пусках ракет, а также сопровождать баллистические цели и выдавать частичное целеуказание системам противоракетной обороны.

Первым началось формирование наземного эшелона, параллельно Особое конструкторское бюро № 41 (ныне ЦНИИ «Комета») и Машиностроительный завод имени Лавочкина (ныне НПО имени Лавочкина) вели разработку космического эшелона.

В полноценном своем виде система предупреждения о ракетном нападении заработала в конце 1970-х годов. К 1979 году в ее состав входили четыре спутника системы «Око». Они могли видеть пуски баллистических ракет на так называемом активном участке, отслеживая инфракрасное излучение факелов работающих двигателей на фоне земли. Кроме того, работали несколько наземных новых и модернизированных радиолокационных станций — «Днестр», «Днестр-М», «Днепр». К концу 1980-х годов были введены в строй несколько дополнительных спутников системы «Око», а также новые радиолокационные станции «Дарьял», обеспечивавшие обнаружение баллистических ракет на большой дальности.

Передающая позиция Габалинской радиолокационной станции «Дарьял»

Министерство обороны России

В целом, созданная СССР система предупреждения о ракетном нападении позволяла заблаговременно оповещать военных о об угрозе ракетного нападения — она могла включать оповещение о пусках вскоре после старта ракет еще на их разгонном участке.

Известно, что эта система давала несколько ложных срабатываний. Так, в сентябре 1983 года система предупредила о множественных запусках баллистических ракет с территории США, но ее срабатывание было признано ложным. В 1985 году она также выдала предупреждение о запуске ракет, но сама же его и отменила, поскольку не получила подтверждающих данных от наземного эшелона. Наконец, в 1995 году уже российская система предупреждения сообщила о запуске одной баллистической ракеты. Это сообщение также признали ложным. Вскоре выяснилось, что она среагировала на запуск норвежского метеорологического спутника.

В настоящее время космический эшелон системы предупреждения о ракетном нападении включает в себя спутники двух систем: «Око» и Единой космической системы (ЕКС). Во многом информация о составе эшелона засекречена. Предположительно, в космосе в настоящее время находятся четыре космических аппарата на высокоэллиптических орбитах.

Концептуальная схема радиолокационной станции «Днестр»

Подслеповатое «Око»

До недавнего времени в состав системы «Око» входили три спутника, расположенные на высокоэллиптической орбите (орбите “Молния”). Из-за вращения вокруг Земли они не всегда могли видеть территорию США, чтобы вовремя обнаружить инфракрасное излучение работающих двигателей баллистических ракет. Поэтому до 2014 года в состав системы «Око» входил и один аппарат на геостационарной орбите — «Космос-2379». Он обеспечивал корректировку данных спутников на высокоэллиптической орбите и наблюдение в те моменты, когда они «не видели» территорию США.

В начале 2014 года «Космос-2379» перестал работать, и к середине года его сняли с боевого дежурства. Тогда на орбите остались три спутника: «Космос-2422», «Космос-2430» и «Космос-2440».

Пятого января 2019 года с орбиты сошел и сгорел в атмосфере «Космос-2430». Этот спутник был выведен на орбиту еще в 2007 году. По разным неподтвержденным данным, он перестал работать в 2012-2014 году, выработав свой ресурс, который для аппаратов такого типа составляет пять лет. Сгорание спутника в атмосфере попало в трансляцию крикетного матча между сборными Шри-Ланки и Новой Зеландии на телеканале Fox News.

После схода аппарата с орбиты возможности системы «Око» практически не изменились. Апогеи оставшихся спутников на высокоэллиптической орбите расположены над Атлантически и Тихим океанами. Предположительно, «Космос-2422» и «Космос-2440» сейчас могут работать лишь несколько часов в сутки – их ресурс почти исчерпан, поэтому большую часть времени они находятся в “спящем режиме”.

Аппараты ведут наблюдение под углом к земной поверхности. Это было сделано специально, чтобы гарантированно различать факелы ракет на контрасте с атмосферой и ее границей, а также уменьшить вероятность ложного срабатывания из-за отражения солнечного излучения от Земли и облаков.

Изначально предполагалось, что в состав системы «Око» должны войти по меньшей мере четыре спутника на высокоэллиптической орбите. Это позволило бы обеспечить круглосуточное наблюдение за территорией США — каждый спутник мог бы следить за пусками ракет по шесть часов в сутки. Несколько лет возможности системы «Око» дополнялись спутниками системы «Око-1». В состав последней входили восемь аппаратов, последний из которых был запущен в 2012 году. Все они размещались на геостационарной орбите.

В отличие от системы «Око», аппараты «Око-1» были оснащены солнечными защитными экранами и специальными фильтрами, чтобы вести наблюдение за поверхностью земли, а также моря под практически вертикальным углом. Это позволяло обнаружить морские старты баллистических ракет подводных лодок на фоне отражений от морской поверхности и облаков. Спутники могли «видеть» инфракрасное излучение работающих ракетных двигателей даже при при относительно плотном облачном покрове.

Но из-за выработки ресурса и ряда сбоев на нескольких аппаратах система «Око-1» полностью перестала функционировать к началу 2015 года. Космические аппараты этой системы больше не выпускаются, и возобновлять их производство военные не планируют.

Недостроенная ЕКС

В середине 2000-х годов Министерство обороны России решило сделать ставку на развитие Единой космической системы, аппараты которой должны были бы полностью заменить системы «Око» и «Око-1», а также значительно расширить возможности первого эшелона системы предупреждения о ракетном нападении.

Для этого российские ЦНИИ «Комета» и РКК «Энергия» разработали новые спутники «Тундра», предназначенные для работы на эллиптических и геостационарных орбитах. Главным их отличием от аппаратов систем «Око» является способность не только обнаруживать инфракрасное излучение запущенных наземных и морских баллистических ракет, но и вычислять траекторию их полета и выдавать целеуказание наземным системам противоракетной обороны. (Спутники систем «Око» могли лишь предупредить о запусках, но определение траектории ракет ложилось на второй, наземный, эшелон).

Ионизированные следы от упавших боевых частей ракеты MinutemanIII