Тверской Б.А. Основы теоретической космофизики.
Избранные труды

Оглавление

От составителей

В книге представлены избранные труды выдающегося отечественного физика, одного из ведущих космофизиков мира, профессора Московского государственного университета Бориса Аркадьевича Тверского. Один из основоположников космофизики – новой ветви науки, возникшей с наступлением космической эры, – он отличался удивительной энциклопедической разносторонностью мышления физика-теоретика и виртуозно владел аппаратом исследования. Поэтому работы Б.А.Тверского (многие из которых стали классическими) охватывают разнообразные научные направления в физике космоса – от ускорения и распространения галактических и солнечных космических лучей и генерации солнечных магнитных полей до процессов в магнитосфере и ионосфере Земли.

Книга состоит из двух частей.

Первая часть представляет собой переиздание монографии Б.А.Тверского "Динамика радиационных поясов Земли", которая вышла в 1968 г. и давно уже является библиографической редкостью. В ней автор изложил разработанную им и ставшую общепринятой теорию радиационных поясов Земли. Большинство обнаруженных в последние десятилетия эффектов в радиационных поясах были либо предсказаны, либо объяснены в рамках этой теории. Книга по сей день является классическим настольным пособием во всех научных центрах, занимающихся данной проблемой. В частности, Национальное аэрокосмическое агентство США (НАСА) в 1971 г. издало перевод этой книги в качестве рабочего материала (NASA Technical Translation F-635, June, 1971).

В четырех главах второй части собраны ключевые научные статьи Б.А.Тверского по четырем основным направлениям его исследований.

В первой главе представлены заказной доклад по теории радиационных поясов на международном симпозиуме (Вашингтон, 1968 г.), посвященном итогам 10-летнего исследования магнитосферы (публикуется в обратном переводе с английского) и статья, в которой Б.А.Тверской впервые объяснил замечательное явление, зарегистрированное американскими исследователями на ИСЗ CRRES в 1991 году – образование нового радиационного пояса электронов и протонов с энергиями в десятки МэВ в течение   1 мин во время мощного внезапного импульса в магнитном поле Земли.

Вторая глава содержит работы по теории открытого Б.А.Тверским в 1969 г. явления магнитосферно-ионосферного взаимодействия при нестационарной конвекции горячей плазмы в магнитосфере, теории магнитных бурь и суббурь, полярных сияний и других магнитосферных процессов. В частности, представлены первые в мировой литературе теоретические работы о токовом слое геомагнитного хвоста и о роли полярной ионосферы как источника ионов в магнитосфере. Здесь же публикуется последняя работа Тверского (1997 г.) о структуре кольцевого тока магнитных бурь.

В третьей главе изложены фундаментальные исследования статистического ускорения заряженных частиц в холодной бесстолкновительной плазме при взаимодействии частиц с гидромагнитной турбулентностью. В 1967 г. Б.А.Тверским впервые были разработаны теория статистического ускорения Ферми и теория турбулентного ускорения, а несколькими годами позже – кинетическая квазилинейная теория альвеновского ускорения. В этой же главе публикуется работа об особенностях распространения галактических космических лучей в гелиосфере (заказной доклад на сессии КОСПАР, Будапешт, 1980 г.) и неоконченная рукопись (факсимиле) статьи о релятивистском турбулентном ускорении. В последней работе Б.А.Тверской развивал свою, отличную от общепризнанной, точку зрения на происхождение галактических космических лучей: ускорение в межзвездной среде, где турбулентность может возникнуть при взрывах новых звезд.

В четвертую главу включены некоторые работы по генерации магнитных полей космических объектов и солнечной активности. Особый интерес представляет предложенный Б.А.Тверским в 1966 г. механизм усиления и генерации магнитных полей тороидальными вихрями в проводящей жидкости. Современные исследования указывают на возможную принципиальную роль этого механизма в комплексе активных процессов на Солнце.

Основное содержание книги предваряется перепечатанным из журнала "Успехи физических наук" некрологом о Б.А.Тверском, в котором содержатся факты его биографии и творческого пути.

В Приложении публикуются воспоминания Л.В.Тверской "Борис Тверской, физик и лирик". В книгу включены фотографии из семейного архива.

Считаем своим приятным долгом поблагодарить ректора МГУ академика Виктора Антоновича Садовничего за предоставление финансовой поддержки изданию трудов Б.А.Тверского, а также директора НИИЯФ МГУ профессора Михаила Игоревича Панасюка и заведующего отделом НИИЯФ МГУ профессора Евгения Александровича Романовского за постоянное внимание к процессу подготовки книги к печати.

Издание подготовлено к печати сотрудниками отдела теоретической и прикладной космофизики НИИЯФ МГУ – отдела, которым с момента его создания (1970 г.) Б.А.Тверской руководил до конца своих дней. Значительную помощь нам оказали сотрудники отдела Л.М.Алексеева, А.С.Ковтюх, Н.Н.Павлов. Трудоемкая работа по компьютерному набору и техническому редактированию текста выполнена сотрудниками отдела Т.А.Ивановой, Т.Н.Лукиной и Л.А.Кузнецовой. Компьютерную обработку части фотографий выполнила Т.В.Лойко, племянница Б.А.Тверского. Мы благодарны всем им.

Памяти Бориса Аркадьевича Тверского

Отечественная и мировая наука понесла тяжелую утрату. 6 августа 1997 года после тяжелой и продолжительной болезни ушел из жизни выдающийся российский физик, один из ведущих космофизиков мира, профессор Московского государственного университета Борис Аркадьевич Тверской. При нем и при его непосредственном участии зародилась космофизика как наука и превратилась затем в большую самостоятельную область физики, в которой Борису Аркадьевичу принадлежат многие фундаментальные результаты.

Б.А.Тверской родился 5 февраля 1936 г. в г.Новосибирске. Увлечение космосом, стремление постичь тайны космических явлений проявились у него еще в школьные годы. В 1950 г. ученик 7Нго класса Борис Тверской выступил на научной конференции Географического общества "Сибирь" с докладами на темы: "Новое в космогонии солнечной системы" и "Геологические явления в свете теории О.Ю.Шмидта". Сохранилась переписка 14-летнего школьника с академиком О.Ю.Шмидтом. Знаменитый полярный исследователь с большим вниманием отнесся к юному новосибирскому естествоиспытателю, посылал ему оттиски своих работ. В школьные годы судьба свела Б.А.Тверского с известным физиком-теоретиком Ю.Б.Румером, находившимся в ссылке в Новосибирске. Эта встреча окончательно определила выбор жизненного пути. В 1952 г. Б.А.Тверской поступает на физический факультет Московского университета. Его научная деятельность началась в студенческие годы в Институте атомной энергии им.И.В.Курчатова в коллективе, возглавляемом академиком М.А.Леонтовичем.

В первые годы работы Б.А.Тверской занимался проблемой поиска реальных для физики космоса течений, приводящих к генерации магнитных полей. Уже первые научные результаты Б.А.Тверского принесли ему широкую известность. В аспирантуре Б.А.Тверской выполнил диссертационную работу "К вопросу о свободной тепловой конвекции во вращающемся гравитирующем шаре", в которой был получен полный спектр собственных колебаний несжимаемой жидкости во вращающемся шаре. Данное направление получило развитие в цикле дальнейших работ Б.А.Тверского, в результате которых было показано, что основной структурный элемент тепловой конвекции – конвективная ячейка, может генерировать магнитное поле. Б.А.Тверскому удалось показать, что характерным свойством усиления магнитного поля в конвективных ячейках Бенара является формирование биполярного распределения магнитного поля типа поля солнечного пятна. На базе проведенных исследований была выдвинута и обоснована гипотеза, связывающая 22-летний цикл солнечной активности с разработанным механизмом образования солнечных пятен и неоднородным вращением Солнца. В настоящее время признанные классическими результаты работ Б.А.Тверского по тороидальным вихрям широко используются в теории солнечного динамо.

Жизнь и научная деятельность Б.А.Тверского после окончания аспирантуры в 1961 г. была неразрывно связана с НИИ ядерной физики им.Д.В.Скобельцына Московского государственного университета, где в 1962 г. он защитил кандидатскую, а в 1966 г. и докторскую диссертации. Став в 30 лет доктором физико-математических наук, Б.А.Тверской основал ряд научных направлений, которые продолжают интенсивно развиваться и в настоящее время.

В 1961–1965 гг. Б.А.Тверским была разработана ныне общепринятая теория радиационных поясов Земли. Радиационные пояса Земли формируются в результате радиальной диффузии частиц в область сильного магнитного поля с границ геомагнитной ловушки. В результате сохранения адиабатических инвариантов происходит ускорение частиц. Основным источником переноса являются крупномасштабные индукционные электрические поля, возникающие при сжатиях геомагнитной ловушки – внезапные импульсы. Б.А.Тверскому удалось получить полностью согласующиеся с экспериментом коэффициенты переноса приэкваториальных частиц, разработать теорию стационарных и нестационарных процессов взаимодействия радиальной диффузии с различными явлениями, приводящими к гибели частиц. Была теоретически определена граница устойчивости радиационных поясов по отношению к возбуждению колебаний магнитосферной плазмы. Исследования на спутнике "Электрон" и ряде американских ИСЗ полностью подтвердили теоретические предсказания Б.А.Тверского. Были обнаружены предсказанные Б.А.Тверским пояс альфа-частиц и нестационарные диффузионные волны релятивистских электронов. Результаты работ по теории радиационных поясов были обобщены в монографии "Динамика радиационных поясов Земли" (1968 г.), ставшей классическим настольным пособием во всех научных центрах, занимающихся данной проблемой. Теория сохраняет свое значение до настоящего времени. На ее основе, например, получил количественное объяснение процесс быстрой инжекции высокоэнергичных частиц во внутренний пояс во время мощного короткого внезапного импульса, зарегистрированный в 1991 г. на американском ИСЗ CRRES.

Крупнейший вклад в физику околоземного космического пространства связан с работами Б.А.Тверского по изучению магнитосферных бурь и суббурь и природы полярных сияний. На основе полученного в 1969 г. решения самосогласованной задачи о магнитосферно-ионосферных взаимодействиях Б.А.Тверскому удалось предсказать конфигурацию текущих вдоль магнитных силовых линий продольных токов, соединяющих горячую магнитосферную плазму с холодной ионосферной. Величины этих токов оказались настолько велики, что потребовалось предположить существование значительной неэквипотенциальности магнитных силовых линий. Впоследствии предсказанные продольные электрические поля были измерены экспериментально. В результате магнитосферно-ионосферных взаимодействий происходит вытеснение низкочастотных электрических полей из низкоширотных областей магнитосферы и концентрация их в авроральной области. Полоса вытекающего из ионосферы продольного тока оказалась неустойчивой относительно распада на более узкие полосы. Теория, разработанная Б.А.Тверским, позволяла предсказывать число структур, на которые должен распадаться вытекающий продольный ток. Теоретические предсказания нашли экспериментальное подтверждение в ходе измерений на ИСЗ "Интеркосмос–Болгария-1300". В 1989 г. обнаруженное Б.А.Тверским явление магнитосферно-ионосферных взаимодействий было зарегистрировано в качестве открытия.

Большой цикл работ Б.А.Тверского связан с теорией статистического ускорения частиц. Ему удалось количественно описать диффузию в импульсном пространстве при ускорении Ферми и статистическом ускорении гидромагнитной турбулентностью. Если турбулентность имеет широкий спектр, а максимум энергии пульсаций лежит в области волн, длины которых много больше ларморовского радиуса тепловых частиц, то затухание турбулентности приведет не к нагреву основной массы этих частиц, а к ускорению небольшой их группы до высоких энергий (принцип турбулентного ускорения). Разработанная теория позволила обосновать предположение об ускорении протонов с энергией порядка 1 МэВ в межпланетной среде.

В 1971 г. Б.А.Тверской создал в НИИЯФ МГУ Отдел теоретической и прикладной космофизики, главной задачей которого стала разработка фундаментальных основ и экспериментальное изучение процессов в магнитосфере Земли и межпланетном пространстве, существенных для практического освоения космического пространства. Под руководством Б.А.Тверского был создан комплекс аппаратуры для исследований плазмы и жесткой корпускулярной радиации в диапазоне энергий от эВ до десятков МэВ, проводивший исследования на многих космических аппаратах. Практическое применение проведенных исследований позволило значительно повысить надежность работы и увеличить срок службы спутников связи и навигационных спутников, обеспечить радиационную безопасность пилотируемых объектов.

Б.А.Тверской уделял большое внимание подготовке и воспитанию научных кадров. На физическом факультете МГУ он читал курс лекций "Введение в Космофизику", под его руководством защищено 15 кандидатских диссертаций, четыре его ученика стали докторами наук. Б.А.Тверским была создана научная школа по исследованию взаимосвязей плазменных процессов на Солнце, межпланетной среде, магнитосфере и ионосфере Земли. Он был членом редакционной коллегии журнала "Геомагнетизм и аэрономия" и ряда научных советов.

Выдающиеся научные и трудовые заслуги Б.А.Тверского отмечены присуждением ему в 1971 г. Ломоносовской премии МГУ, в 1978 г. – Государственной премии. Он был награжден орденом "Знак почета", золотой медалью ВДНХ, медалью им.академика С.П.Королева Федерации космонавтики СССР. В 1994 г. Б.А.Тверской был избран действительным членом Международной академии астронавтики. В 1996 г. ему было присвоено звание "Заслуженный деятель науки Российской Федерации".

Всех, кто лично знал Б.А.Тверского, поражали его энциклопедические знания истории, искусства и литературы, широта его интересов. Он страстно любил и знал музыку и поэзию. Все, кто знал Б.А.Тверского, навсегда сохранят в своей памяти образ большого ученого, одного из лучших представителей российской интеллигенции, вся жизнь которого была посвящена беззаветному служению науке.