Применение же ИСЗ для решения перечисленных исследований дает возможность произвести их в несоизмеримо больших масштабах, чем это можно было сделать с помощью ракет, и на более широкой основе.
Глубокие исследования ионосферы, ее электрических и магнитных явлений, полярных сияний и пр. дадут возможность уточнить теории этих явлений. На базе этих теорий будут созданы различные приборы и устройства искусственных спутников Земли, а в дальнейшем и межпланетных кораблей. Задачи изучения верхних слоев атмосферы в значительном своем большинстве определяются проблемами межпланетных сообщений.
Многие из перечисленных выше явлений вообще не могут наблюдаться с Земли, с воздушных шаров и аэростатов и даже с помощью высотных ракет. Правда, уже сейчас с помощью высотных ракет ученым удалось частично проникнуть в верхние слои ионосферы. В результате были построены таблицы, показывающие изменение с высотой плотности, температуры, давления атмосферы, проницаемость ее для различных длин электромагнитных волн; построены кривые электронной и ионной плотности, обнаружены токонесущие слои, появляющиеся во время максимального изменения магнитного поля Земли.
Произведены неполные измерения ультрафиолетовых и рентгеновских лучей Солнца, определены некоторые типы заряженных частиц и их индивидуальная концентрация в зависимости от высоты ионосферы. Сделаны первые попытки изучения космических лучей. Но все это только робкие шаги на пути к широкому фронту научно-исследовательских работ, дорогу к которым открывают первые искусственные спутники Земли.
Искусственные спутники Земли могут быть также использованы и для дальнейшей экспериментальной проверки общей теории относительности, созданной в период 1905–1917 гг. известным ученым Альбертом Эйнштейном.
Экспериментальная проверка теории относительности[9]. Теорией относительности называется современная физическая теория пространства и времени. Эта теория правильно отображает процессы, протекающие со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Она составляет физический фундамент для ряда новых областей техники, является основой современной теории элементарных частиц и распространяет свои выводы в самые различные области физических наук — от расчета ускорителей атомных частиц до проблем космологии[10]. По этому совершенно очевидна необходимость более точной опытной проверки этой теории. Однако опытная ее проверка весьма затруднительна, так как в пределах нашей солнечной системы и при небольших скоростях, получаемых человеком, эффекты этой теории весьма невелики. Наиболее заметными явлениями, следующими из теории относительности, являются: смещение перигелия планет, отклонение световых лучей Солнцем и эффект гравитационного смещения частоты. Поясним все эти явления.
Смещение перигелия планет заключается в том, что с течением времени плоскость орбиты планеты поворачивается на какой-то угол в определенном направлении (рис. 3).
У Меркурия, имеющего наибольшее смещение перигелия среди всех планет солнечной системы, этот угол равен примерно 40'' в столетие.
Эффекты отклонения световых лучей Солнцем и гравитационного смещения частоты объясняются тем, что энергия любой формы связана с массой. Поэтому световые лучи, проходя мимо Солнца или иного тела, должны отклониться, так как свет обладает массой. Во время солнечных затмений обнаружили, что Солнце отклоняет идущие около него лучи примерно на 2''.
Так как свет, распространяющийся от Солнца, обладает какой-то массой, то он должен преодолеть силу притяжения Солнца, а следовательно, затратить на это какую-то энергию. Согласно теории относительности эта затрата энергии связана с уменьшением частоты электромагнитных колебаний света. На Земле эффект гравитационного смещения частоты света составляет примерно 0,0002%. Все приведенные выше величины вследствие их малости очень трудно измерить.
Использование искусственных спутников Земли открывает новые пути проверки теории относительности. Поворот перигеев (в случае использования спутников Земли перигелий называют перигеем) искусственных спутников может в 30 раз превосходить поворот у Меркурия. Год наблюдений за спутником может оказаться эквивалентным столетию наблюдений за Меркурием. Кроме того, использование радиометодов, очевидно, позволит повысить точность измерений.
Откроется также возможность обнаружить еще один эффект теории относительности, который невозможно заметить в солнечной системе. Этот эффект состоит в дополнительном смещении перигея спутника, обусловленном вращением Земли.
Можно наблюдать также эффект гравитационного смещения частоты, поставив на спутнике передатчик со строго стабильной известной частотой и измеряя частоту сигнала, принимаемого на Земле. Наконец, с искусственного спутника, движущегося за пределами атмосферы, можно измерить яркость метагалактики, т. е. совокупности звездных систем (галактик), лежащих за пределами нашей Галактики. Это имеет важное значение для космологии. Так как космология базируется на общей теории относительности, то определение яркости метагалактики оказывается связанным с проблемами этой теории.
Применение трех ИСЗ для всемирного телевизионного вещания. Использование искусственных спутников для целей всемирного телевизионного вещания — весьма заманчивая идея. Практическое ее решение может быть осуществлено в ближайшие 7–10 лет после запуска стационарных ИСЗ на экваториальную орбиту, удаленную на 35 800 км от Земли.
Как известно, радиус действия телевизионных центров ограничен, так как передача телевизионных программ ведется на ультракоротких волнах, которые, вообще говоря, распространяются в пределах прямой видимости.
Для того чтобы телевизионные передачи принимались на большей территории, необходимо поднимать как можно выше передатчик телецентра или применять ретрансляцию по специальным кабелям или радиорелейным линиям связи. Совершенно очевидно, что с помощью ИСЗ, в поле зрения которого будут находиться очень большие площади Земли, можно значительно повысить радиус действия телевизионных центров и расстояния, на которые можно ретранслировать их передачи.
Имеется ряд проектов осуществления всемирного телевизионного вещания с помощью трех ИСЗ[11]. Запуск этих спутников нужно производить из одного пункта, расположенного на экваторе, с интервалом времени 8 часов. Плоскость орбиты всех трех спутников должна совпасть с плоскостью экватора (рис. 4). При этом спутники будут разнесены по орбите на 120°, а их угловая скорость должна быть одинаковой и равной угловой скорости Земли, благодаря чему спутники будут неподвижны относительно друг друга и Земли, то есть каждый спутник будет находиться над одним и тем же передающим телевизионным центром. Правда, под влиянием неравномерного распределения масс Земли орбита спутников будет сдвигаться на 20 угловых секунд в час в сторону, обратную вращению Земли. Этот сдвиг не повлияет на взаимное расположение спутников, поскольку он одинаков для всех трех спутников, и не скажется на качестве телевизионных передач. Он приведет к тому, что за 2,5 года все спутники сдвинутся на 120° и каждый из них окажется над тем местом, где 2,5 года назад был его западный сосед.
Предположим, что спутник оборудован тремя антеннами: одной направленной на Землю приемно-передающей параболической антенной, и двумя, направленными на соседние спутники.
Можно определить требования, предъявляемые к направленным свойствам антенн, а также составить примерное расписание работы системы всемирного телевизионного вещания, если соблюсти условие, чтобы направление радиопередачи от спутника к спутнику и между Землей и спутником никогда не совпадало с направлением излучения Солнца. Это условие надо соблюдать для того, чтобы радиоизлучение Солнца не принималось приемными антеннами и не вызывало бы сильных помех радиоприему.
Для устранения помех от радиоизлучения Солнца непрерывная работа всех приемно-передающих антенн спутника обеспечивается следующим расписанием их работы в течение суток.
Телезрители, находящиеся на Земле, соответственно с 23 часов и до 3 часов ночи и с 11 до 15 часов дня могут принимать только передачи, транслируемые местными телецентрами. Но с 3 часов ночи до 11 часов утра и с 3 часов дня до 11 часов вечера они могут смотреть, кроме местных телепередач, и передачи из других городов земного шара. Например, если искусственные спутники будут расположены над долготами, соответствующими СССР, Китаю и США, то телезрители СССР с 3 часов ночи до 7 утра и с 15 до 19 часов смогут, кроме своих, смотреть и американские телепередачи, с 7 до 11 и с 19 до 23 передачи, которые смотрят в это время телезрители Китая.
В Китае в указанные промежутки времени можно принимать соответственно передачи СССР и США, а в Америке — Китая и СССР.
Так как угловые размеры Земли при наблюдении ее со спутника, находящегося на высоте 35 800 км, составляют примерно 17°, то очевидно, что ширина диаграммы направленности приемно-передающей антенны ИСЗ не должна превышать 17°. Ширина диаграммы направленности антенн, направленных на соседние спутники, должна равняться примерно 4°.
Из-за упоминавшегося движения орбиты спутников (20 угловых секунд в час или 8 угловых минут в сутки) придется диаграмму направленности наземных приемных и передающих антенн за сутки сдвигать в западном направлении на 8 угловых минут, а заштрихованные на расписании работы ИСЗ квадраты влево на 32 секунды времени. Чтобы не делать этого, очевидно, будут применять коррекцию положения спутников, чтобы они не «сползали» далеко от предназначенного им места.