Джеймс Альфред Ван Аллен (7 сентября 1914 г. – 9 августа 2006 г.) был американским космическим физиком в Университете Айовы . Он сыграл важную роль в создании области магнитосферных исследований в космосе.
Радиационные пояса Ван Аллена были названы в его честь после его открытия с помощью приборов с трубками Гейгера-Мюллера на спутниках 1958 года ( Explorer 1 , Explorer 3 и Pioneer 3 ) [2] [3] [4] во время Международного геофизического года . Ван Аллен возглавлял научное сообщество, размещая научно-исследовательские приборы на космических спутниках.
Джеймс Ван Аллен родился 7 сентября 1914 года на небольшой ферме недалеко от Маунт-Плезант, штат Айова . [5] В детстве он был очарован механическими и электрическими устройствами и был заядлым читателем журналов Popular Mechanics и Popular Science . Однажды он напугал свою мать, соорудив катушку Теслы , которая производила искры длиной в фут и заставила его волосы встать дыбом. [6] [7]
Стипендия позволила ему продолжить изучение ядерной физики в Институте Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия, где он также погрузился в исследования в области геомагнетизма , космических лучей , физики полярных сияний и физики верхних слоев атмосферы Земли. [8]
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 присоединился к усилиям DTM по национальной обороне, получив назначение на должность в отделе T Национального комитета по оборонным исследованиям (NDRC) в Вашингтоне, округ Колумбия, где он работал над разработкой фотоэлектрических и радиовзрывателей , которые являются детонаторами, повышающими эффективность зенитного огня. Другим проектом NDRC позже стал Манхэттенский проект атомной бомбы в 1941 году. С началом Второй мировой войны работа над взрывателями была передана в недавно созданную Лабораторию прикладной физики (APL) Университета Джонса Хопкинса в апреле 1942 года. [9] Он работал над повышением прочности вакуумных трубок, подверженных вибрации от артиллерийской батареи. Результатом работы в APL стало создание нового поколения радиовзрывателей для противовоздушной обороны кораблей и береговой бомбардировки.
Ван Аллен был назначен лейтенантом ВМС США в ноябре 1942 года и служил в течение 16 месяцев на ряде эсминцев Южно-Тихоокеанского флота, инструктируя артиллерийских офицеров и проводя испытания артиллерийских взрывателей. Он был помощником артиллерийского офицера на линкоре USS Washington, когда корабль успешно отбил японскую атаку во время битвы в Филиппинском море (19–20 июня 1944 года). За свои действия в Тихом океане Ван Аллен был награжден четырьмя боевыми звездами . [10] В 1946 году он был повышен до лейтенант-коммандера. «Моя служба в качестве морского офицера была, несомненно, самым расширяющим опытом в моей жизни», — написал он в автобиографическом эссе 1990 года. [6]
Уволившись из ВМС в 1946 году, Ван Аллен вернулся к гражданским исследованиям в APL. Он организовал и руководил командой в Университете Джонса Хопкинса для проведения высотных экспериментов с использованием ракет V-2, захваченных у немцев в конце Второй мировой войны . Ван Аллен решил, что для исследования верхних слоев атмосферы нужна небольшая зондирующая ракета . Aerojet WAC Corporal и ракета Bumblebee были разработаны в рамках программы ВМС США. Он составил спецификации для зондирующей ракеты Aerobee и возглавил комитет, который убедил правительство США произвести ее. Первым Aerobee с приборами был A-5, запущенный 5 марта 1948 года из Уайт-Сэндс, Нью-Мексико , с приборами для исследования космической радиации, достигший высоты 117,5 км.
Ван Аллен был избран председателем Группы по исследованию верхних слоев атмосферы проекта V-2 29 декабря 1947 года. 18 марта 1948 года группа была переименована в Группу по исследованию верхних слоев атмосферы ракет ; затем 29 апреля 1948 года в Группу по исследованию ракет и спутников. Группа приостановила свою деятельность 19 мая 1960 года и вновь собралась 2 февраля 1968 года. [11]
Коммандер Ли Льюис, коммандер Г. Халворсон, С. Ф. Сингер и Джеймс А. Ван Аллен разработали идею создания Rockoon 1 марта 1949 года во время полета с запуском ракет Aerobee на исследовательском судне USS Norton Sound .
5 апреля 1950 года Ван Аллен покинул Лабораторию прикладной физики, чтобы принять исследовательскую стипендию Мемориального фонда Джона Саймона Гуггенхайма в Брукхейвенской национальной лаборатории . В следующем году (1951) Ван Аллен принял должность заведующего кафедрой физики в Университете Айовы. Вскоре он привлекал студентов к своим усилиям по раскрытию секретов дикой синей дали и изобретал способы переноса инструментов выше в атмосферу, чем когда-либо прежде. К 1952 году Ван Аллен был первым, кто изобрел комбинацию воздушного шара и ракеты, которая поднимала ракеты на воздушных шарах высоко над большей частью атмосферы Земли, а затем запускала их еще выше. Ракеты зажигались после того, как воздушные шары достигали высоты 16 километров.
Как позже сообщал журнал Time , «« Рокуны » Ван Аллена не могли быть запущены в Айове из-за опасений, что отработанные ракеты попадут в жителя Айовы или его дом». Поэтому Ван Аллен убедил Береговую охрану США разрешить ему запустить свои «Рокуны» с ледокола « Иствинд» , направлявшегося в Гренландию . «Первый воздушный шар поднялся на высоту 70 000 футов, но ракета, висевшая под ним, не сработала. Второй «Рокун» повел себя таким же безумным образом. Предположив, что экстремальный холод на большой высоте мог остановить часовой механизм, который должен был зажигать ракеты, Ван Аллен нагрел банки апельсинового сока, протащил их в гондолу третьего «Рокуна» и обернул все это изоляцией. Ракета сработала».
В 1953 году Rockoons и их научные грузы, запущенные с Ньюфаундленда, обнаружили первый намек на радиационные пояса, окружающие Землю. Недорогая технология Rockoon позже использовалась Управлением военно-морских исследований и исследовательскими группами Университета Айовы в 1953–1955 и 1957 годах с кораблей в море между Бостоном и Туле, Гренландия . [12] [13]
В 1954 году в частной беседе о проекте Redstone с Эрнстом Штулингером Вернер фон Браун выразил свою уверенность в том, что им следует привлечь «настоящего, честного ученого», вовлеченного в их небольшой неофициальный спутниковый проект. Штулингер затем нанес визит Ван Аллену в его дом в Принстоне, штат Нью-Джерси , где Ван Аллен был в отпуске из Айовы, чтобы работать над проектом стелларатора . Ван Аллен позже рассказывал: «Послание Штулингера в 1954 году было простым и красноречивым. Благодаря разработкам баллистических ракет в Армейском агентстве по баллистическим ракетам (ABMA) было реалистично ожидать, что в течение года или двух небольшой научный спутник может быть выведен на прочную орбиту вокруг Земли ( проект Orbiter )... Я выразил большую заинтересованность в проведении всемирного обзора интенсивности космических лучей над атмосферой». [14] : 2
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 заглянул 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 небольшого кирпичного дома. «Это было то, что можно назвать сессией породистого быка», — говорит он... Разговор перешел на геофизику и два « Международных полярных года », которые привлекли ведущие страны мира к изучению Арктики и Антарктики в 1882 и 1932 годах. Кто-то предположил, что с развитием новых инструментов, таких как ракеты, радары и компьютеры, настало время для всемирного геофизического года. Другие мужчины были полны энтузиазма, и их энтузиазм распространился по всему миру из Вашингтона, округ Колумбия. На этой встрече Ллойд Беркнер и другие участники предложили Международному совету научных союзов запланировать МГГ на 1957–58 годы (во время максимальной солнечной активности).... Международный геофизический год (1957–58) побудил правительство США пообещать спутники Земли в качестве геофизических инструментов. Советское правительство ответило спешной отправкой своих спутников на орбиту. Можно сказать, что гонка в космос или космическая гонка началась в гостиной Ван Аллена тем вечером 1950 года.
— Время , 1959
В 1955 году США объявили о проекте «Авангард» как части вклада США в Международный геофизический год . «Авангард» планировал запустить искусственный спутник на орбиту вокруг Земли. Он должен был управляться ВМС США и разрабатываться на основе зондирующих ракет , преимущество которых заключалось в том, что они в основном использовались для невоенных научных экспериментов. [15]
Симпозиум на тему «Научное использование спутников Земли» состоялся 26 и 27 января 1956 года в Мичиганском университете при спонсорской поддержке Группы по исследованию ракет верхних слоев атмосферы под председательством доктора Ван Аллена. Было представлено 33 научных предложения для включения в спутники МГГ. В презентации Ван Аллена подчеркивалось использование спутников для продолжения исследований космических лучей. В это же время его группа в Айове начала подготовку к научным исследовательским приборам, которые должны были быть установлены на « Rockoons » и «Vanguard» для Международного геофизического года. Благодаря «подготовленности и удаче», как он позже писал, эти научные приборы были доступны для включения в запуски Explorer и Pioneer МГГ 1958 года.
В номере журнала Time от 4 мая 1959 года Джеймс Ван Аллен был назван человеком, в наибольшей степени ответственным за то, что США получили «большое лидерство в научных достижениях». Они назвали Ван Аллена «ключевой фигурой в борьбе за престиж в холодной войне. ... Сегодня он может запрокинуть голову и посмотреть на небо. За его самой дальней синевой находятся охватывающие весь мир пояса яростной радиации, которые носят его имя. Ни одно человеческое имя никогда не было дано более величественной особенности планеты Земля».
Джеймс Ван Аллен, его коллеги, соратники и студенты в Университете Айовы продолжали запускать научные приборы на зондирующих ракетах, спутниках Земли ( Explorer 52 / Hawkeye 1 ) и межпланетных космических аппаратах, включая первые миссии ( программа Pioneer , программа Mariner , программа Voyager , космический аппарат Galileo ) к планетам Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Их открытия внесли важный вклад в мировые знания об энергичных частицах, плазме и радиоволнах по всей Солнечной системе .
Ван Аллен был главным исследователем 24 спутников Земли и планетарных миссий.
Ван Аллен ушел с поста заведующего кафедрой физики и астрономии в 1985 году, но продолжил работать в Университете Айовы в качестве почетного профессора физики Карвера. 9 октября 2004 года Университет Айовы и Ассоциация выпускников UI организовали празднование в честь Ван Аллена и его многочисленных достижений, а также в знак признания его 90-летия. Мероприятия включали серию приглашенных лекций, публичную лекцию, за которой последовал прием с тортом и пуншем, и вечерний банкет с участием многих его бывших коллег и студентов. В августе 2005 года в Норт-Либерти, штат Айова , открылась начальная школа, носящая его имя . Также есть начальная школа Ван Аллена в Эскалоне, штат Калифорния. [16]
В 2009 году дом детства Ван Аллена в Маунт-Плезант, который когда-то использовался как музей, планировалось снести. [17] Новый владелец, Ли Пеннебейкер, решил не сносить дом. Он был передан в дар Фонду наследия округа Генри, который планирует переместить дом по соседству со старой школой Сондерса, где разместится музей округа Генри. [18]
Женой Ван Аллена, с которой он прожил 61 год, была Эбигейл Фитиан Хэлси II из Цинциннати (1922–2008). Они встретились в Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (JHU/APL) во время Второй мировой войны. Они поженились 13 октября 1945 года в Саутгемптоне, Лонг-Айленд. Их пятеро детей — Синтия, Марго, Сара, Томас и Питер. [19]
9 августа 2006 года Джеймс Ван Аллен скончался в университетской больнице в Айова-Сити от сердечной недостаточности . [20] [21]
Профессор Ван Аллен и его жена Эбигейл похоронены в Саутгемптоне, штат Нью-Йорк, где родилась миссис Ван Аллен и где пара поженилась. [22]
Эбигейл М. Фёрстнер написала биографию Джеймса ван Аллена: Первые восемь миллиардов миль , опубликованную издательством University of Iowa Press в 2007 году, а в мягкой обложке — в 2009 году. [23] [24] [25]
Зонды Ван Аллена, изначально зонды радиационного пояса бурь (RBSP), были переименованы в 2012 году в честь доктора Ван Аллена. [31] Управляемая Центром космических полетов имени Годдарда НАСА [31] и реализуемая Лабораторией прикладной физики (APL) в Университете Джонса Хопкинса [32] , миссия была частью программы Living With a Star . Разработанные для двухлетней основной миссии, зонды превзошли ожидания, проработав семь лет, продемонстрировав значительную устойчивость к радиации в поясах Земли. [32]
В сотрудничестве с Balloon Array for RBSP Relativistic Electron Losses (BARREL) зонды изучали частицы из поясов, достигающие атмосферы Земли. [33] Запущенная 30 августа 2012 года на борту ракеты Atlas V 401, контракт с United Launch Alliance (ULA), миссия изначально была отложена из-за погодных условий и урагана Айзек . [34]
Миссия завершилась деактивацией зонда Van Allen B в июле 2019 года и зонда A в октябре 2019 года [32] после понижения их орбит для облегчения входа в атмосферу к 2034 году в качестве меры против орбитального мусора. [35]
Зонды Ван Аллена значительно продвинули понимание космической погоды и ее влияния на Землю. Ключевые открытия включали динамику радиационных поясов Ван Аллена и роль солнечной активности в воздействии на космическую погоду. Результаты миссии подчеркнули, как эти радиационные пояса разбухают и сжимаются с течением времени, реагируя на солнечные извержения и влияя на земные явления, такие как полярные сияния, функциональность спутников, электросети и связь GPS. [36]
Знаменательным открытием в феврале 2013 года стало кратковременное появление третьего радиационного пояса Ван Аллена, которое длилось несколько недель и дало новые сведения о структуре и динамике поясов. [37] Зонды также выявили долгосрочное поведение кольцевого тока Земли, основного компонента магнитосферы. Результаты показали постоянный, значительный кольцевой ток вокруг Земли даже в небуревое время, переносимый высокоэнергетическими протонами. Во время геомагнитных бурь было показано, что усиление кольцевого тока происходит из-за низкоэнергетических протонов, входящих в околоземную область, что бросает вызов предыдущим представлениям. [38]
Восемьдесят лет спустя после Второй экспедиции Берда, Balloon Array for RBSP Relativistic Electron Losses (BARREL), миссия NASA начала изучать радиационные пояса Ван Аллена Земли в Антарктике (Южный полюс) под руководством Дартмутского колледжа . BARREL запустила 20 шаров из Антарктиды во время каждой из двух кампаний по запуску шаров в январе-феврале 2013 года и в декабре 2013 года — феврале 2014 года. Эти научные данные дополнят данные зондов Ван Аллена за двухлетнюю миссию.