Изучение планет с помощью радиофизической аппаратуры, устанавливаемой на автоматических межпланетных станциях, занимает важное место в космических исследованиях. В брошюре рассказывается об истории радиоисследований Луны и планет с космических аппаратов, об используемых методах исследований и полученных результатах.
Брошюра рассчитана на студентов и преподавателей вузов, учителей средних школ, а также на более широкий круг читателей, интересующихся современными достижениями в области космических исследований.
ВВЕДЕНИЕ
Полет советской станции «Луна-1» к нашему естественному спутнику в январе 1959 г. ознаменовал собой начало нового этапа исследования Луны и планет Солнечной системы. Впервые ученым представилась возможность изучения Луны со столь близкого расстояния и стала очевидной реальность исследований планет Солнечной системы в непосредственной близости от этих небесных тел.
За прошедшие двадцать лет космической эры было разработано и осуществлено много космических экспериментов по изучению Луны и планет с помощью автоматических межпланетных станций (АМС). Научная аппаратура АМС с успехом передавала на Землю данные из ближайших окрестностей Луны, Марса, Венеры, Юпитера и Меркурия. Научные приборы доставлялись и успешно работали на поверхности Луны, Венеры и Марса. Большой комплекс научных задач был решен с помощью искусственных спутников Луны, Марса и Венеры.
Огромную роль в исследовании Луны и планет с применением аппаратуры АМС играют радиофизические методы. Они позволяют получить информацию о высотной зависимости температуры и давления в атмосфере, о концентрации электронов в ионосфере планеты, данные о рельефе поверхности (с разным пространственным разрешением), о диэлектрической проницаемости, плотности и тепловом режиме грунта. Причем такие параметры, как высотные зависимости давления в атмосфере и концентраций электронов в ионосфере, а также данные о рельефе поверхности с разрешением до нескольких метров и информация о диэлектрической проницаемости и тепловом режиме поверхностного слоя, можно определить только с помощью радиофизических методов.
Для проведения радиофизических измерений используется как служебная радиотехническая аппаратура АМС, так и специально разработанная для подобных экспериментов.
Впервые радиофизический метод исследования был применен во время пролета американской АМС «Маринер-2» вблизи Венеры в 1962 г. Интересно, что полученные тогда данные о радиоизлучении планеты удалось «расшифровать» лишь спустя 14 лет, когда стали известны параметры атмосферы Венеры, включая ее химический состав.
ОСНОВНАЯ МЕТОДОЛОГИЯ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Радиофизические исследования Луны и планет
[1]
с помощью приборов, устанавливаемых на космических аппаратах, могут быть пассивными и активными. Пассивные (или радиоастрономические) методы исследования (рис. 1) связаны с изучением характеристик собственного излучения данного объекта. Это излучение может быть по своему происхождению
тепловым
, и тогда его интенсивность будет определенным образом зависеть от температуры источника (точнее, от разности температур планеты и окружающей среды). В остальных случаях излучение является
нетепловым
, и его интенсивность определяется либо величиной магнитного поля и интенсивностью потоков заряженных частиц, создающих это излучение, либо другими физическими величинами, характерными для данного механизма излучения. Нетепловое излучение, например, вызывается хорошо всем известным явлением молнии. Она является не только источником мощной вспышки в оптическом диапазоне, но интенсивно излучает в радиодиапазоне, создавая помехи радиовещательного приемника.
Обычно при анализе теплового радиоизлучения определяют такие его характеристики, как интенсивность, степень поляризации, частотный спектр, зависимость интенсивности излучения от времени местных суток и года на данной планете. Данные об этих параметрах вместе с известной длиной волны, используемой в экспериментах, позволяют получить важную информацию о физических характеристиках атмосферы и поверхностного слоя планеты.
Рис. 1. Схема пассивных радиоисследований планет: 1 — КА; 2 — антенна; 3 — диаграмма направленности антенны; 4 — плоскость поляризации; 5 — направление наблюдений; 6 — плоскость наблюдения; 7 — подспутниковая точка; 8 — точка наблюдений; 9 — поверхность планеты; 10 — зона принимаемого излучения; N — нормаль; γ — угол поляризации антенны
Активные методы исследования связаны с изучением характеристик поглощения, отражения, рассеяния и преломления радиоволн физической средой: межпланетной средой, атмосферой, поверхностным слоем планеты. При этом используется система передачи — приема определенных радиосигналов.
Пассивные измерения
В последние годы радиотелескопы заняли прочное место на борту космических аппаратов, особенно на борту искусственных спутников Земли различного назначения (рис. 2).
Радиотелескоп, как известно, состоит из антенны и приемника, называемого
радиометром
, который не только усиливает радиоизлучение исследуемого объекта, но и позволяет получить характеристики этого излучения: интенсивность, спектр, иногда поляризацию. При измерении интенсивности часто производится так называемая калибровка, которая заключается в том, что одновременно с сигналом радиоизлучения исследуемого объекта на вход приемника подается эталонный сигнал с известной интенсивностью. После сопоставления известной интенсивности калибровочного сигнала (на выходе приемника) с интенсивностью полезного сигнала (радиоизлучения объекта) с учетом известных характеристик антенной системы определяется интенсивность радиоизлучения самого объекта.
В радиоастрономии интенсивность излучения характеризуется либо величиной спектральной плотности потока, определяемой мощностью потока излучения, падающего на единичную площадку в единичной полосе частот (длин волн), либо
«радиояркостной температурой»
. Величина спектральной плотности потока радио- излучения, в свою очередь, измеряется в
янских
:
[3]
1 Ян = 10
–26
Вт · (м
2
· Гц)
–1
.
Прежде чем перейти к понятию «радиояркостной температуры», отметим, что «яркость» радиоизлучения есть (как и в оптическом диапазоне) энергия излучения, проходящая через единичную площадку за единицу времени при изменении энергии в единичной полосе частот. Таким образом, для «яркости» радиоизлучения абсолютно черного тела справедлив закон Релея—Джинса, связывающего интенсивность излучения
I
с температурой источника
T: I
=
kT
/λ
2
, где
k
= 1,38 · 10
–23
Дж/К — постоянная Больцмана, λ — длина волны, на которой производится измерение.
Радиорефракционные измерения
В последние годы широкое применение в космических экспериментах нашел метод, изучающий радиорефракционные свойства тропосфер и ионосфер. Одним из преимуществ этого метода является то, что для его реализации на борт космического аппарата, как правило, не надо устанавливать специальной аппаратуры.
Результатом рефракционных измерений является определение высотной зависимости
коэффициента преломления
радиоволн тропосферой и ионосферой планеты. Направление и скорость распространения радиоволн в атмосфере зависят от метеорологических параметров (температуры и давления), а также от химического состава газов, образующих атмосферу. С увеличением плотности молекул газа, определяемой его температурой и давлением; возрастает коэффициент преломления и уменьшается скорость распространения радиоволн.
Коэффициент преломления обычно уменьшается с ростом высоты, так же как уменьшается и температура и давление. Однако все эти параметры изменяются по разным законам.
Из результатов радиорефракционных измерений после соответствующей обработки получают данные о температуре, давлении и плотности нижней части атмосферы (тропосферы). Однако для этого используют определенные предположения, т. е. выбирают модель состояния атмосферы, чтобы по одному параметру (отношению давления к температуре, определяемому непосредственно из рефракционных измерений) определить три взаимозависимых параметра: температуру, давление и плотность. Обычно принимаются следующие предположения: атмосферный газ полагают несжимаемым и находящимся в гидростатическом равновесии. Кроме того, считают, что он хорошо перемешан воздушными потоками.
Если произвести измерения коэффициента преломления на многих высотах, то по полученной зависимости этого параметра от высоты можно, с учетом вышеизложенных предположений, получить высотные зависимости (профили) основных метеопараметров атмосферы: температуры, давления и плотности.
Радиолокационные измерения
Метод радиолокации часто используется при определении местоположения какого-нибудь объекта. При этом передающее устройство посылает радиолокационный сигнал в направлении данного объекта, и после отражения определенная часть энергии сигнала возвращается обратно на приемное устройство.
Анализируя характер отражения и рассеяния радиолокационного сигнала некоторой поверхностью, можно получить соответствующую информацию о ее физических характеристиках.
Рассмотрим несколько подробнее схему получения информации о физических характеристиках исследуемой поверхности с помощью радиолокационных измерений. Радиолокационный сигнал, попадая на границу двух сред (например, атмосферы и самой поверхности), испытывает, как мы уже говорили, отражение, рассеяние и преломление. Пусть угол падения радиосигнала на поверхность Θ постоянен (рис. 3). Если приемник с приемной антенной совершит путь по полусфере с центром в точке 0 и будет при этом записывать интенсивность принимаемого сигнала, то интенсивность последнего будет сильно меняться в зависимости от направления его приема. Полученное таким образом трехмерное распределение интенсивности принимаемого сигнала называют
индикатриссой рассеяния
.
Рис 3. Схема радиолокационных измерений: 1 — космический аппарат с передатчиком; 2 — передающая антенна; 3 — облучающий радиосигнал; 4 — космический аппарат с приемником; 5 — приемная антенна; 6 — сигнал обратного рассеяния; 7 — отраженный сигнал; 8 — рассеянный сигнал; 9 — преломленный сигнал; 10 — граница раздела двух сред; А — менее плотная среда; В — более плотная среда; α — угол преломления; Θ — угол наблюдения (падения)
