Текст книги "Радиоисследования планет с космических аппаратов"

Автор книги: Николай Крупенио

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 4 страниц)

Анализ измеренных значений температуры показал, что на полуметровой глубине существуют отрицательные (по шкале Цельсия) температуры и что значение этой локальной температуры практически не изменяется при пересечении «лучом» антенны линии терминатора (границы перехода от дня к ночи). Таким образом, радиоастрономические измерения показали, что на полуметровой глубине температура в течение суток практически не изменяется. Это служит еще одним подтверждением низкой теплопроводности марсианского грунта.

Небольшие изменения температуры на полуметровой глубине могут происходить только в течение нескольких месяцев – так называемые сезонные изменения температуры. Кстати, сезон (зима, весна, лето, осень) на Марсе длится примерно в 2 раза дольше, чем на Земле. Если на Марсе естественный холодильник можно создать на глубине около 0,5–1,0 м, то для создания такого холодильника на Луне достаточна глубина, в 2 раза меньшая. На малых глубинах на Марсе естественный холодильник сделать нельзя, так как в них в полдень на экваторе поверхностная температура достигает 30 °C в перигелии (когда Солнце находится на ближайшем расстоянии от Марса).

Обработка результатов проведенных на ИСМ «Марс-3 и -5» радиоастрономических измерений показала, что значение плотности грунта в различных районах планеты варьируется в весьма широких пределах – от 1,1 до 3,2 г/см³. Если первое значение соответствует плотности весьма рыхлых пород, то второе – плотности твердых скальных пород.

По данным этих измерений, а также по результатам наземных радиолокационных наблюдений, выполненных на длине волны 3,8 см, получено распределение плотности грунта Марса (частота появления той или иной плотности). Наземные и космические измерения относятся к разным районам Марса. Поэтому и полученные значения плотности грунта отличаются друг от друга. Следует отметить, что при наземных радиолокационных измерениях обнаружены области с очень низким значением плотности грунта (~1 г/см³).

Обработка всей совокупности радиофизических измерений Марса, выполненных на длинах волн около 3 см, показала, что среднее значение плотности грунта в полуметровом слое близко к 1,4 г/см³. Эта величина находится между средними значениями плотностей грунта Луны и Венеры в слое полуметровой толщины и совпадает с результатами прямых измерений АМС «Викинг-1 и -2».

Совместная обработка данных наземной радиолокации Марса на длинах волн 3,8 и 12,5 см показала, что для большинства районов не обнаруживается существенной разницы в значениях плотности, определенной по данным измерений на той и другой длинах волн. Это свидетельствует о том, что плотность грунта почти не изменяется с глубиной в слое толщиной до 2 м.

Проведение на искусственных спутниках «Марс-3 и -5» одновременных исследований грунта в радио– и инфракрасном диапазонах позволило с помощью расчетов получить весьма интересную информацию о химическом составе грунта планеты. Проведенные расчеты, базирующиеся на результатах измерений в радиоастрономических и инфракрасных диапазонах, а также на данных наземных радиоастрономических исследований планеты в миллиметровом диапазоне, позволили вычислить среднюю электропроводность грунта Марса в районах измерений ИСМ «Марс-3 и -5». По величине электропроводности грунта удалось установить относительное содержание двуокиси кремния – кремнезема (SiO2), в веществе верхнего покрова Марса. Оказалось, что грунт Марса на 62–72 % состоит из двуокиси кремния. Это значит, что грунт Марса не является базальтом, как это имеет место в лунных морях, но это и не граниты, которые содержат большой процент кремнезема. Поэтому, судя по содержанию кремнезема, грунт Марса может быть сложен из анортозитов – материала лунных материков.

Весьма интересен тот факт, что процентное содержание двуокиси кремния в грунте Марса оказалось близким к содержанию двуокиси кремния в пылевых облаках, исследованных с помощью инфракрасного спектрометра группой Р. Хеннела на ИСМ «Маринер-9» во время мощной пылевой бури на Марсе в 1971 г.

Так как результаты определения содержания кремнезема в грунте и пылевых облаках оказались одинаковыми в пределах точности измерений, то это говорит о том, что вещество самого верхнего покрова Марса, участвовавшее в создании пылевых облаков по время пылевой бури, вероятно то же самое, что и вещество более глубоких слоев грунта. Этот интересный факт, полученный при совместной обработке радиофизических и инфракрасных экспериментов, еще одно свидетельство необходимости комплексного подхода при проведении сложных космических экспериментов.

На космических аппаратах «Маринер-6 и -7» была сделана первая попытка бистатической радиолокации Марса – на длине волны 13,0 см с помощью передатчиков, которые работали в режиме непрерывного излучения. Условия экспериментов были неудачными, но ученым удалось по сопоставлению ширины спектра отраженного сигнала с расчетными данными оценить среднеквадратичные углы наклона поверхности в районах измерений АМС «Маринер-6».

В горной части трассы, изобилующей кратерами, значение этого угла было несколько меньше 1,5°. При перемещении зеркальной точки в район Тимиамата (вблизи кратеров Трувело и Март: φ = 10–15°, λ = 0 – 10°) спектр отраженного сигнала стал значительно уже, что соответствовало уменьшению значения σα примерно в 3 раза.

В процессе измерений несколько раз было отмечено сильное уменьшение интенсивности отраженного сигнала. Причиной таких флуктуации могло быть наличие в районах точки зеркального отражения валов кратеров и протяженных наклонных площадок. Эти образования способствовали формированию отраженного сигнала в направлении, отличном от направления на наземный пункт приема.

Эксперименты на АМС «Маринер-6 и -7» проводились при очень больших углах падения (Θ ≥ 86°), что определялось узкой шириной диаграммы направленности бортовой антенны КА. Антенна КА во время эксперимента была направлена на Землю, так как вслед за экспериментом по бистатической радиолокации проводился эксперимент по измерению рефракции радиоволн при заходе АМС за видимый с Земли диск планеты (для определения высотных зависимостей температуры и давления в атмосфере планеты).

Во время полета автоматических станций «Викинг-1 и -2» около Марса было проведено несколько радиофизических экспериментов по изучению свойств атмосферы и поверхности планеты. Так, с помощью орбитальных аппаратов этих станций проводились радиорефракционные измерения одновременно на длинах волн 3,8 и 13 см, а также предполагалось проведение сеансов по бистатической радиолокации с приемом прямого и отраженного сигналов на Земле.

Радиотехническая аппаратура системы посадки спускаемых аппаратов использовалась для проведения моностатической радиолокации на длине волны 2,3 см (радиолокационный измеритель скорости спуска) и на длине волны 30 см (радиовысотомер). Кроме того, радиопередатчики спускаемых аппаратов, работавшие на длине волны 75 см, использовались для проведения бистатической радиолокации с приемом прямого и отраженного сигналов на борту орбитальных аппаратов. Так по данным радиоизмерений траектории полета орбитальных аппаратов уточнен период вращения Марса, который равен 24 ч 37 мин 22,663 ± 0,004 с, что на 8 мс больше периода, определенного астрономами по многолетним наблюдениям.

В одном из районов Великой Северной равнины определено приповерхностное давление и температура атмосферы, а также высота этой области относительно среднего радиуса планеты. Эти данные получены путем радиорефракционных измерений, проведенных с борта орбитального аппарата «Викинга-1».

Проведенные измерения ночной ионосферы позволили лишь оценить верхний предел максимальной концентрации электронов. Он оказался равным 3 · 10⁴ электронов в 1 см³, что в 3 раза выше верхнего предела, оцененного по подобным измерениям ночной ионосферы, проведенным во время пролета АМС «Маринер-4» в 1965 г.

Эксперимент по бистатической радиолокации, проведенный с помощью спускаемого аппарата «Викинга-1», показал, что в месте посадки грунт имеет эффективную диэлектрическую проницаемость ε = 3,5 ± 0,5, что характерно для пород типа туфов. Результат измерений величины эффективной диэлектрической проницаемости находится в хорошем согласии с данными измерений плотности грунта, выполненных с помощью приборов этого же спускаемого аппарата.

Большие планеты

Пока космические аппараты достигли только окрестностей Юпитера – ближайшей из больших планет, или, как их еще называют, планет-гигантов. Космический аппарат «Пионер-11», пролетев мимо Юпитера в декабре 1974 г., сейчас держит путь к Сатурну, к которому он приблизится в сентябре 1979 г.

В августе-сентябре 1977 г. в США запущено два космических аппарата «Вояжер», которые должны пролететь вблизи Юпитера и Сатурна и передать на Землю данные об этих планетах и их спутниках – Ио и Каллисто (у Юпитера), Титана и Япета (у Сатурна). После этого один из этих космических аппаратов планируется направить к Урану и, возможно, Нептуну.

На автоматических межпланетных станциях «Вояжер» установлен радиометрический приемник, который подключен к V-образной штыревой антенне, длина штырей которой равна 10 м. С помощью этой антенны будут изучаться радиоизлучения Юпитера и Сатурна на ряде частот в диапазоне 20 кГц – 40 МГц. Проведение данного эксперимента вблизи Юпитера, вероятно, позволит определить влияние местоположения спутника Ио на радиоизлучение Юпитера в этом диапазоне радиочастот, а также локализацию всплесков радиоизлучения Юпитера относительно его магнитосферы и самой планеты.

Использование мощных бортовых передатчиков на длинах волн 3 и 12 см позволит провести радиорефракционные измерения вблизи Юпитера и Сатурна с целью определения физических характеристик их атмосфер и ионосфер.

Рассмотрим результаты радиофизических исследований Юпитера.

Дважды с американских искусственных спутников Земли «РАЕ-1» (в 1969 г.) и «ИМП-6» (в 1972 г.), а также с искусственного спутника Луны «РАЕ-2» (в 1973 г.) проводились эксперименты по измерению радиоизлучения Юпитера в недоступном для наземных наблюдений диапазоне низких частот, которые не пропускаются земной ионосферой. На ИСЗ «РАЕ-1», радиометры одновременно регистрировали радиоизлучение на 7 частотах в диапазоне 450 кГц – 4,7 МГц, а на «ИМП-6» – на 25 частотах в диапазоне 425 кГц – 9,9 МГц. Для компенсации радиопомех от Земли на борту спутников устанавливались специальные антенные системы. Измерения радиоизлучения Юпитера одновременно проводились с борта ИСЗ и с помощью наземных радиотелескопов, но на более высоких частотах, чем с борта искусственного спутника.

На ИСЛ «РАЕ-2» измерение радиоизлучения одновременно проводилось на 9 частотах в диапазоне 450 кГц – 9,18 МГц. При этом на борту использовалась штыревая V-образная антенна, штыри которой имели длину 229 м.

В результате всех этих измерений было зарегистрировано несколько сот всплесков радиоизлучения Юпитера. Максимум плотности потока радиоизлучения находился в области 7,5–8 МГц с очень ярко выраженным спадом интенсивности в области более высоких и более низких частот. На ИСЗ «ИМП-6» был зарегистрирован другой тип радиоизлучения, который имел узкий спектр, расположенный вблизи частоты 900 кГц. Иногда наблюдался спектр, являющийся комбинацией этих типов спектров.

Во время пролета космических аппаратов «Пионер-10 и -11» вблизи Юпитера были проведены сеансы радиорефракционных измерений на длине волны 13,1 см. Причем была исследована ионосфера и нижняя атмосфера планеты.

Были получены высотные профили концентрации электронов. При этом была отмечена многослойность до 5–7 слоев ионосферы, т. е. концентрация электронов имела поочередно несколько максимумов и минимумов в пределах высот ~ 3000 км. По данным радиопросвечивания было получено, что в области высот, где давление изменяется от 10 до 1 мбар, температура с высотой возрастает от 80 – 120 до 130–170 К. Эти данные оказались в хорошем согласии с результатами измерений инфракрасного радиометра АМС «Пионер-10».

Во время полета «Пионера-10» был осуществлен радиозаход спутника Юпитера Ио. По данным радиорефракционных измерений ионосфера Ио прослеживается днем до высоты 800 км, а ночью – до 250 км. Днем максимум концентрации составляет 6 · 10⁴ см^–3 и находится на высоте 100 км, а ночью – 9 · 10³ см^–3 (на высоте ~ 50 км).

Проведенные по этим данным расчеты показали, что плотность нейтрального газа на поверхности Ио составляет 10¹¹ – 10¹² см^–3, что соответствует давлению у поверхности 10^–5 – 10^–6 мбар. Во время радиозахода был определен средний радиус Ио, который оказался равен 1875 км.

Проведение траекторных измерений при пролете «Пионеров» вблизи Юпитера позволили уточнить массы и радиусы планеты и ее галилеевых спутников, а следовательно, и определить их среднюю плотность. По данным этих измерений средняя плотность Юпитера равна 1,33, а средняя плотность спутников Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто соответственно равны 3,52, 3,28, 1,95 и 1,63 г/см³. Средние диаметры этих спутников соответственно равны 3640, 3050, 5270 и 5000 км.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЛАНЕТ

Увеличивающиеся с каждым годом масштабы космических исследований (и, в частности, планет) приводят к появлению новых методов и более совершенной аппаратуры. Среди этих методов одно из первых мест занимают радиофизические, поскольку они позволяют получать уникальную информацию, недоступную другим методам измерения.

Перспективность использования радиофизических исследований заключается и в том, что для проведения радиофизических измерений порою достаточно одной штатной аппаратуры космических аппаратов. Так, радиопередатчики, установленные на борту космических аппаратов, в будущем позволят проводить радиорефракционные измерения ионосфер и атмосфер планет как на освещенных, так и на неосвещенных Солнцем сторонах.

Дальнейшее увеличение мощности излучения и стабильности частот бортовых радиопередатчиков, а также достижение большей точности измерений амплитуды, частоты и фазы радиосигналов на наземных пунктах приема должны со временем дать очень высокие точность и чувствительность радиорефракционных измерений окрестностей планет Солнечной системы. Эти же причины касаются и дальнейшего прогресса в области радиолокационных измерений планет, в частности, при бистатической радиолокации. Использование при проведении бистатической радиолокации модулированных сигналов и обеспечение предварительной обработки радиосигналов непосредственно на борту космических аппаратов позволят в будущем применять этот метод исследования планет в более широких вариантах. Со временем бистатическая радиолокация будет проводиться не только с использованием радиолинии «космический аппарат – Земля», но и с помощью таких радиолиний, как «космический аппарат – космический аппарат», «искусственный спутник планеты – спускаемый аппарат», «искусственный спутник планеты – космический аэростат» и т. д. Проекты подобных экспериментов сейчас усиленно разрабатываются и даже начинают претворяться в жизнь. Так, эксперименты по бистатической радиолокации Марса с использованием радиолинии «спускаемый аппарат – орбитальный отсек» уже проводились по программе «Викингов».

Намечаются перспективы и в использовании метода моностатической радиолокации. Сейчас установка на борту искусственных спутников планет радиовысотомеров, измеряющих не только высоту полета, но и характеристики отражения радиоволн поверхностью, уже не является непреодолимой задачей. Такие приборы при достаточно малых размерах, весе и энергопотреблении могут устойчиво работать до высот 2–3 тыс. км от поверхности планеты. Их проекты уже разрабатываются в СССР, Франции и США. Первый из подобных высотомеров будет установлен на борту станции «Пионер», полет которой запланирован на 1978 г.

Опыт работы высотомеров, установленных на борту искусственных спутников Земли для измерений степени волнения на море и среднего уровня воды в океанах, указывает на возможность разработки бортовых приборов, имеющих точность измерения высоты до нескольких сантиметров. Конечно, для планетных исследований такая точность не нужна, однако радиовысотомеры с большой точностью измерений (до нескольких метров) могут найти широкое применение в селенодезии (лунном аналоге геодезии).

В последние годы метод моностатической радиолокации подвергся значительному усовершенствованию, в результате чего возник принципиально новый метод – «радиолокационное» картографирование (или радиолокация с боковым обзором). В этом методе радиолокатор непрерывно перемещается над исследуемой поверхностью, что позволяет ученым получать информацию не только о профиле рельефа поверхности планеты и о характере отражения ею радиосигнала, но и представляет возможность составлять карты рельефа местности (с учетом отражательных свойств участков, лежащих в стороне от трассы обзора используемого радиолокатора).

При «радиолокационном» картографировании обычно используется радиолокатор с апертурным синтезом. Для того чтобы понять принцип его работы, рассмотрим радиолокатор, имеющий синфазную антенну больших размеров, направленную по трассе обзора. Для получения разрешения на поверхности порядка нескольких сот метров при высоте полета космического аппарата в несколько сот километров необходимо, чтобы длина такой антенны примерно равнялась 1000 используемым длинам волн, т. е. при длине волны 10 см размер антенны должен превышать 100 м, а это явно нереально для современных космических аппаратов. Однако если у синфазных радиолокаторов сложение отраженных поверхностью сигналов, принимаемых различными частями антенны, производится одновременно, то у радиолокатора с апертурным синтезом этот процесс происходит иначе – когерентное сложение отраженных сигналов осуществляется в течение времени движения космического аппарата. Практически временное накопление радиосигналов, отраженных от некоторой площадки поверхности, в радиолокаторе с апертурным синтезом эквивалентно пространственному (по поверхности антенны) накоплению сигналов в обычном радиолокаторе. Поскольку временное накопление в радиолокаторе с апертурным синтезом осуществляется преимущественно для отраженных сигналов, пришедших с выбранного направления (по трассе обзора), то рассматриваемый процесс эквивалентен сужению диаграммы направленности данной антенны (в этом направлении).

Таким образом, с помощью относительно небольшого радиолокатора с апертурным синтезом достигается очень высокое разрешение по поверхности по трассе движения космического аппарата. Для получения столь же высокого разрешения по поверхности в ортогональном (боковом) направлении при «радиолокационном» картографировании используются различные методы высотной радиодальнометрии: импульсная модуляция с помощью коротких импульсов, сложные формы радиолокационных сигналов.

Использование искусственных спутников Земли показало довольно высокую эффективность применения радиолокаторов с боковым обзором для «радиолокационного» картографирования земной поверхности и для получения ее гипсометрических карт (т. е. карт с указателями высоты). Впервые метод радиолокационного картографирования применительно к другим небесным телам использовался во время полета «Аполлона– 17». Безусловно, что в будущем метод «радиолокационного» картографирования может найти применение и в планетных исследованиях. Расчеты показывают, что с помощью радиолокатора с боковым обзором, установленного на борту искусственного спутника Венеры, можно получить «радиолокационную» карту ее поверхности с (разрешением около 1 км (причем «карта» высот может быть получена с точностью около 50 м). Подобное картографирование может быть глобальным по всей поверхности планеты, если искусственный спутник планеты будет выведен на полярную орбиту. Следует отметить, что при наземных наблюдениях Венеры, «радиолокационное» картографирование с высоким разрешением может проводиться только для приэкваториальных районов.

Большие перспективы намечаются и у пассивных методов. В частности, использование бортовых радиотелескопов, которые измеряют интенсивность и поляризацию радиоизлучения одновременно на нескольких частотах, позволит одновременно получать «радиотепловые» карты, относящиеся к разным глубинам верхнего покрова планет. Проведенные расчеты показывают целесообразность установки подобной аппаратуры на борту искусственных спутников Луны, Марса и Венеры. Эти спутники должны летать по орбитам с высокими наклонениями орбиты (близкими к полярным) и либо ориентироваться по вертикали, либо иметь подвижную платформу для разворота антенн в плоскости орбиты.

Весьма перспективным в планетных исследованиях является применение комбинированной бортовой радиолокационно-радиоастрономической системы. Такая система, называемая «радиометр-скаттерометр», уже успешно используется на борту искусственных спутников Земли. Поочередное использование радиотелескопа и радиолокатора (на одной или близкой длине волны) позволяет разрешить свойственную радиотелескопу неопределенность, связанную с воздействием особенности рельефа на ее радиоизлучение. Поэтому определение рельефа и мелкомасштабных шероховатостей поверхности с помощью «радиометра-скаттерометра» позволит ввести поправки за счет структуры поверхности на радиоизлучение, и, тем самым получить «радиотепловую» карту, дающую физическую температуру на определенной глубине.

Развитие методов радиоизмерений в области декаметрового и гектометрового диапазонов длин волн открывает большие перспективы изучения глубинного строения атмосфер планет-гигантов и для исследования больших глубин у планет с твердой оболочкой, а в области миллиметровых и субмиллиметровых длин волн – изучения подоблачных слоев атмосфер планет. Подобные измерения, как показал советский ученый Ю. М. Тимофеев, особенно актуальны для изучения температурного режима глубоких слоев атмосфер Юпитера и Сатурна. Для этого необходима установка на борту космических аппаратов серии радиотелескопов, работающих на четырех-пяти фиксированных длинах волн в диапазоне от 1–2 мм до 20 см. Подобный проект разрабатывается в настоящее время группой советских ученых.

Краткое перечисление ближайших задач радиофизических исследований планет показывает, что с помощью радиофизической аппаратуры в ближайшем будущем будет получен большой объем информации о Солнечной системе. Эта информация вместе с полученной с космических аппаратов при использовании других методов исследования, а также при помощи наземных наблюдений, должна в конечном счете раскрыть ряд проблем происхождения и эволюции Солнечной системы в целом, включая и основные ее элементы – планеты и их спутники.