«Радиоисследования планет с космических аппаратов»

Н. Н. КРУПЕНИО, кандидат физико-математических наук РАДИОИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАНЕТ С КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

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.

В июле 1965 г. во время пролета около Марса американской АМС «Маринер-4» с использованием радиофизических методов были определены высотные распределения температуры и давления в атмосфере этой планеты.

Значительный прогресс в использовании радиофизических методов исследования был достигнут при получении возможности проводить измерения с помощью АМС, находящихся вблизи и непосредственно на поверхности другого небесного тела. Это стало возможным, когда советская станция «Луна-9» впервые в мире осуществила мягкую посадку на поверхности Луны, в районе Океана Бурь. В числе научных экспериментов, входивших в программу этой АМС, был и радиофизический.

Автоматическая станция «Луна-9» была создана большим коллективом инженеров и конструкторов, который возглавлял член-корреспондент АН СССР Г. Н. Бабакин. Под руководством этого замечательного конструктора были впоследствии разработаны многие станции серии «Луна», «Венера» и «Марс», в частности первые искусственные спутники Луны, станции, доставившие на поверхность нашего естественного спутника самоходные аппараты «Луноход», а также обеспечившие возвращение на Землю контейнеров с образцами лунного грунта. При непосредственном участии Г. Н. Бабакина составлялась и научная программа исследований Луны и планет с помощью космических аппаратов. Он во многом способствовал развитию радиофизических методов исследований Луны и планет с космических аппаратов, был инициатором использования штатной радиоаппаратуры АМС для проведения научных измерений.

После первых успешных космических экспериментов по радиофизическому исследованию небесных тел осуществлен ряд других, позволивших получить ценную информацию о Луне, Марсе, Венере, Юпитере, Меркурии, включая данные о температуре и плотности поверхностного слоя, о рельефе поверхности, температурном режиме подоблачной атмосферы планет и т. д.

В данной брошюре будет рассказано о методах, применяемых при проведении космических радиофизических измерений, о полученных результатах исследований Луны и планет Солнечной системы с помощью радиофизических приборов, установленных на космических аппаратах. Будет рассказано о дальнейших перспективах исследований Солнечной системы данными методами. При этом не будут затрагиваться проблемы радиофизических исследований Земли и Солнца. Поскольку Солнце как небесное тело имеет особую специфику проявления радиофизических характеристик, а дистанционные исследования из космоса Земли настолько обширны, что требуют отдельного рассмотрения (хотя методы дистанционного изучения Земли и планет имеют много общего).

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.

В зависимости от места нахождения приемника и передатчика радиофизические исследования, использующие активный метод, подразделяются на однопозиционные и многопозиционные. При однопозиционных (или моностатических) исследованиях вся измерительная радиоаппаратура находится в одной точке пространства, а при многопозиционных — приемник и передатчик разнесены в пространстве. Двухпозиционные исследования иногда называют бистатическими.

Вообще говоря, все пассивные исследования являются однопозиционными. Однако при определении угловых размеров исследуемого источника в настоящее время часто используется радиоинтерферометр — система разнесенных друг от друга приемников радиоизлучения.[2] Подобный метод, например, был применен в 1971 г. во время советско-французского эксперимента «Стерео», в ходе которого определялась локализация областей радиоизлучения Солнца с использованием двух приемников: одного — на Земле, другого — на борту станции «Марс-3». Анализ характера биений, образующихся в общем сигнале из-за наложения сигналов друг на друга с обоих приемников, позволил получить (высокое угловое разрешение исследуемых областей излучения.

Все активные методы радиофизических измерений в зависимости от расположения приемника и передатчика в пространстве можно разделить на следующие:

1. Моностатическая радиолокация. Приемник и передатчик находятся в одной точке пространства (при этом часто для приема и передачи радиосигналов используется одна общая антенна).

2. Бистатическая радиолокация. Приемник и передатчик радиолокационных сигналов, предназначенные для исследования поверхности планеты, разнесены друг от друга.

3. Радиорефракционные измерения (радиопросвечивание). Радиосигнал с передатчика прежде чем попасть на вход приемника проходит сквозь исследуемую среду (атмосферу планеты).

При радиофизических исследованиях планет активные методы (особенно радиолокационные) в принципе являются более информативными. Так, при радиолокационных измерениях можно получить лучшее пространственное разрешение, чем при пассивных измерениях (при одинаковых антеннах и используемых длинах волн).

Рассмотрим теперь более подробно некоторые разновидности радиофизических измерений, используемых при космических исследованиях.

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 · (м2 · 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/λ2, где k = 1,38 · 10–23 Дж/К — постоянная Больцмана, λ — длина волны, на которой производится измерение.

Рис 2. Схема радиоизмерений с борта искусственного спутника Земли: 1 — орбита; 2 — трасса наблюдений; 3 — трасса подспутниковой точки; 4 — экватор

С помощью радиотелескопа измеряется «яркость» радиоизлучающего тела, которое, вообще говоря, не является абсолютно черным, т. е. оно не только поглощает падающую на него энергию, но и частично отражает ее. Однако при формальном использовании в этом случае закона Релея—Джинса можно также получить величину «температуры», которую и называют «радиояркостной температурой». Эта величина зависит от действительной температуры исследуемого источника радиоизлучения, если, конечно, оно является тепловым. На практике часто используется отношение радиояркостной температуры к реальной температуре — так называемый коэффициент излучения данного тела.

При изучении радиоизлучения планет, как уже отмечалось, исследуется степень поляризации, частотный спектр радиоизлучения, а также зависимость интенсивности от времени суток и сезона. Все эти данные позволяют получить важную информацию о физических параметрах атмосферы и поверхностного слоя изучаемой планеты. В частности, определяются такие характеристики, как диэлектрическая проницаемость и электропроводность вещества верхнего покрова планеты, температура грунта и соответствующие распределения этих параметров с глубиной (при измерениях на различных радиочастотах) и с высотой (при определенном выборе используемой радиочастоты), когда исследуется температурный режим атмосферы планеты.

Степень поляризации радиоизлучения, в свою очередь, зависит от рельефа и температуры грунта, а также от диэлектрической проницаемости и электропроводности. Если исследуемый грунт имеет лишь незначительную электропроводность, то, при одновременном исследовании радиоизлучения в двух различных плоскостях вектора поляризации (но на одной и той же радиочастоте), удается определить сразу и диэлектрическую проницаемость и температуру грунта. При использовании более сложной методологии измеряется и электропроводность грунта.

Метод приема радиоизлучения одновременно на нескольких частотах очень продуктивен при изучении атмосфер планет. В этом случае радиочастоты выбираются таким образом, чтобы они (по крайней мере некоторые из них) находились вблизи так называемых резонансных частот собственных колебаний молекулярных газов. Такие резонансные частоты характерны для радиоизлучения молекул водяного пара, кислорода, формальдегида и т. д. Дело в том, что вблизи резонансных частот общее радиоизлучение планеты ослабляется, и по степени этого ослабления можно определить содержание данного газа в атмосфере планеты. Кроме того, спектр радиоизлучения в «нерезонансной» области радиочастот дает сведения о температуре атмосферы (для различных высот), а также о наличии влаги в облачном покрове. Например, исследуя радиоизлучение Венеры в области длин волн около 1,35 см, ученые смогут определить содержание водяного пара в атмосфере этой планеты, а делая измерения одновременно на трех-пяти радиочастотах (длинах волн) в миллиметровом и сантиметровом диапазонах, получат распределение температуры подоблачной атмосферы с высотой.

При проведении подобных измерений используются широкодиапазонные приемники радиоизлучения, в которых с помощью системы частотных фильтров весь исследуемый диапазон разбивается на ряд участков — каналов. В этих частотных каналах затем проводится усиление принимаемого излучения и определяется его интенсивность. Такие приемники называют спектральными радиометрами.

Качество измерений с помощью радиометров, установленных на борту космических аппаратов, в сильной степени зависит от соответствующих характеристик используемой антенны. Для получения высокого разрешения исследуемого участка на поверхности планеты (т. е. размера участка, усредненные характеристики которого еще возможно определить при использовании данного радиотелескопа) необходимо применять антенны с узкой диаграммой направленности.

Диаграмма направленности представляет собой характерную зависимость коэффициента усиления от различных направлений наблюдения объекта. Часто этот коэффициент измеряют в относительных единицах (по отношению к максимальному значению коэффициента усиления).

Для дальнейшего изложения нам понадобятся следующие характеристики диаграммы направленности:

1. Ширина диаграммы направленности. Она определяется разностью углов наблюдения, при которых коэффициент усиления становится в два раза меньше своего максимального значения.

2. Уровень боковых лепестков и их пространственное распределение относительно главного лепестка. Помимо основного максимума, образуемого главным лепестком диаграммы направленности, существует ряд относительных максимумов, образующих так называемые боковые лепестки диаграммы.

3. Коэффициент рассеяния. Он определяется величиной отношения энергии, принимаемой антенной со всех направлений, кроме соответствующего максимальному усилению (в главном лепестке диаграммы направленности), к энергии, принимаемой в направлении этого главного максимума усиления.

Коэффициент рассеяния фактически определяет влияние, оказываемое на принимаемое излучение (от исследуемой области) излучением близлежащих к ней районов (в направлениях вне главного лепестка). Чем выше коэффициент рассеяния, тем больше бывает ошибка измерений, поскольку в этом случае на полученные результаты будут оказывать сильное воздействие боковые лепестки диаграммы направленности. Размеры области (зоны), излучение которой на входе приемника свободно от влияния боковых лепестков, зависят от ширины диаграммы направленности данной антенны и от расстояния приемника до наследуемой области. Поэтому очевидна необходимость использования антенн с более узкой диаграммой направленности. Однако это связано с увеличением размеров антенн, что не всегда возможно из-за пространственных и весовых ограничений, возникающих при использовании космических аппаратов.

Мы не будем здесь касаться конструкций и схем построения антенн, используемых на борту космических аппаратов. Отметим только, что антенны с шириной диаграммы направленности менее 10° обычно называют антеннами с узкой диаграммой направленности, с шириной более 10° — антеннами с широкой диаграммой направленности.

Советский радиоастроном В. С. Троицкий в свое время открыл поляризацию теплового радиоизлучения Луны, характеризуемую тем, что интенсивность принимаемого радиоизлучения оказалась зависящей от поляризационных свойств антенны и угла, под которым она направлена к исследуемой поверхности (угла визирования). В связи с этим изучение поляризации стало играть определенную роль в радиофизических измерениях теплового излучения планет.

Антенны космических аппаратов рассчитаны на прием радиосигналов либо с круговой, либо с линейной поляризацией. Если антенна рассчитана на прием радиоизлучения с линейной поляризацией, то интенсивность принимаемого ею сигнала будет зависеть от угла между плоскостью наблюдения и плоскостью поляризации (см. рис. 1). Полученная зависимость позволяет получить важную информацию об электрических свойствах исследуемого грунта.

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.

Для изучения ионосфер планет используют радиорефракционные измерения на одной или одновременно на двух частотах. Ионосфера — ионизированная часть верхней атмосферы планет — исследуется также и прямыми методами с помощью электронных ловушек и электростатических анализаторов. Одночастотный радиорефракционный метод более грубый и менее чувствительный по сравнению с двухчастотным. С помощью одночастотного метода изучаются главным образом дневные (освещенные Солнцем) ионосферы планет. Двухчастотные методы используются для изучения ночных ионосфер планет, ионизированных более слабо. В освещенной Солнцем части ионосферы под воздействием фотохимических процессов и солнечного ветра (потока электронов, протонов и α-частиц) вблизи планеты возникает плазма — ионизированная оболочка. Ночью фотохимические процессы в верхней атмосфере значительно ослабляются. Обтекающий планету поток солнечного ветра над ночной стороной имеет значительно меньшую концентрацию, чем над дневной стороной. Все это приводит к изменению структуры ионосферы над ночной стороной планеты по сравнению с дневной.

Поэтому ночью в атмосфере значительно уменьшается концентрация электронов и изменяется распределение концентрации электронов с высотой. Ночью же ионосфера ближе прижимается к поверхности планеты и становится менее протяженной.

Наличие свободных электронов в ионосфере приводит к преломлению и ослаблению радиоволн. Уменьшение коэффициента преломления прямо пропорционально электронной концентрации и квадрату длины волны. Поэтому исследование рефракции радиоволн позволяет определять в ней концентрацию электронов. Следует отметить, что коэффициент преломления радиоволн в ионосфере меньше 1. Тогда как коэффициент преломления в нейтральном газе тропосферы больше 1.

B связи с тем, что концентрация электронов в ионосфере изменяется не монотонно с высотой, как это обычно имеет место для метеорологических параметров тропосферы (температуры, давления и др.), решение обратной задачи — получение высотной зависимости концентрации электронов в ионосфере по результатам радиорефракционных измерений — является более сложной процедурой, чем получение высотных профилей давления, температуры и плотности для тропосферы.

Радиорефракционные измерения проводятся по следующей схеме.

На борту космического аппарата (КА), пролетающего вблизи планеты, включается передатчик, который имеет стабильную частоту излучения. На наземном пункте принимается сигнал этого передатчика и фиксируются амплитуда, частота и фаза сигнала. Измерения начинаются за несколько десятков минут до захода космического аппарата за видимый с Земли диск планеты. После выхода космического аппарата из тени планеты измерения продолжаются в течение еще нескольких десятков минут.

По мере захода космического аппарата за край видимого с Земли диска планеты (лимба) трасса распространения радиоволн между КА и наземным пунктом проходит через все более низкие слои атмосферы планеты. При этом непрерывно меняется отклонение направления распространения радиолуча от прямолинейного вследствие возрастания концентрации молекул газа на трассе распространения радиоволн. Это изменение направления распространения радиоволн (рефракция) вызывает на наземном пункте дополнительное изменение частоты принимаемого сигнала (из-за эффекта Доплера) по сравнению с изменением частоты, определяемой для данного момента времени только движением космического аппарата.

Обработка разницы изменения частоты принятого на Земле сигнала между измеренной и рассчитанной по траекторным данным позволяет с учетом высоты прохождения радиолуча в атмосфере определить коэффициент преломления радиоволн для данной высоты прохождения радиолуча над поверхностью планеты. Следует отметить, что радиолуч при заходе КА за лимб планеты вначале пронизывает верхнюю атмосферу, а затем нижнюю. Если измерения происходят в дневной атмосфере, то по времени вначале будет определен коэффициент преломления радиоволн ионосферой, а затем уже — нижней атмосферой. При выходе КА из-за лимба планеты измерения проводятся в обратном порядке: вначале исследуются более низкие слои атмосферы, а затем более высокие. Если измерения проводятся ночью, то из-за незначительности эффекта преломления радиоволн в ионосфере (при одночастотном методе радиопросвечивания) ионосфера обычно не обнаруживается.

Из-за относительно небольших эффектов преломления радиоволн при измерении рефракции в атмосфере планет система радиорефракционных измерений должна обладать высокой точностью и стабильностью. Для получения достаточно точных исходных данных, необходимых для расчета коэффициента преломления, нужно осуществлять измерение частоты принятого радиосигнала на наземном пункте с ошибкой всего в несколько сотых долей герца. Для исследования тропосфер и дневных ионосфер планет используют одночастотные методы. Для исследования же ночных ионосфер применяют в основном двухчастотные методы радиопросвечивания, при использовании которых удается зарегистрировать меньшие величины коэффициента преломления радиоволн вблизи планеты.

В двухчастотном методе бортовой передатчик КА излучает одновременно два сигнала, которые между собой синхронизированы. Между частотами этих сигналов установлено жесткое соответствие (обычно второй сигнал получается путем увеличения частоты первого сигнала в некоторое число раз — n, причем это число может быть и не кратным). На наземном пункте принимаются сигналы обеих частот. После соответствующего усиления обоих сигналов первый сигнал увеличивается по частоте в n раз и сравнивается со вторым сигналом. При отсутствии изменения частоты при распространении обоих сигналов разность частот между ними (приведенная частота) после преобразования в приемнике будет равна нулю. Сдвиг частоты за счет движения КА (благодаря эффекту Доплера) пропорционален отношению радиальной скорости КА к длине волны передатчика. При таком двойном преобразовании частот двух сигналов (на борту КА и на наземном пункте) никакого изменения приведенной частоты за счет эффекта Доплера (из-за движения КА) не будет. Значение приведенной частоты будет только зависеть от рефракции радиоволн для сигналов обеих частот бортовых передатчиков, так как рефракция зависит от квадрата длины волны (а не от первой степени).

Поэтому, измеряя значение приведенной частоты, можно получить информацию о коэффициенте преломления радиоволн. А проведя подобные измерения в течение всего времени захода или выхода космического аппарата из-за диска планеты, можно построить высотную зависимость коэффициента преломления, по которой можно получить высотный профиль концентрации электронов в ионосфере.

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)

Наибольший но интенсивности радиосигнал в этом случае регистрируется в направлении зеркального отражения — под тем же углом Θ, но с другой стороны относительно нормали N. При отклонении угла наблюдения интенсивность отраженного сигнала резко падает. Область значений углов вблизи направления зеркального отражения, для которых характерна достаточно большая величина отраженного сигнала, зависит от степени шероховатости исследуемого участка поверхности с линейными размерами неоднородностей в десятки и сотни длин волн облучающего радиосигнала. Поэтому, измеряя ширину этой области (зоны) углов, можно получить информацию о так называемых крупномасштабных неоднородностях данной поверхности.

Поскольку реальная поверхность состоит из совокупности плоских и не плоских площадок весьма различного размера, то ширина зоны углов, для которых наблюдается значительный по интенсивности отраженный сигнал, позволяет получить лишь некоторую собирательную статистическую величину, характеризующую определенную степень неровности поверхности. Такой величиной для крупномасштабных неоднородностей (превышающих длину волны по своим размерам) является так называемый среднеквадратичный угол наклона поверхности σα. Чем больше степень неровности поверхности, тем больше значение σα.

Мы рассмотрели угловое распределение для отраженных сигналов при фиксированном угле облучения поверхности. Если угол облучения изменяется, то соответственно будет меняться форма индикатриссы рассеяния, а отраженный поверхностью сигнал будет включать и рассеянную компоненту (см. рис. 3). В радиолокации вместо индикатриссы рассеяния используется другая характеристика принимаемого излучения — диаграмма обратного рассеяния. Она представляет собой зависимость от угла наблюдения мощности сигнала, приходящего в направлении, обратном направлению облучения.

Диаграмма обратного рассеяния также зависит от степени шероховатости исследуемой поверхности. При малых значениях углов наблюдения форма диаграммы обратного рассеяния определяется теми же неоднородностями, которые характеризуют и отраженный сигнал, т. е. размер которых составляет десятки и сотни длин волн используемого радиолокационного сигнала. Однако при больших значениях углов наблюдения форма диаграммы обратного рассеяния зависит от мелкомасштабных неоднородностей, размеры которых порядка длины волны и меньше.

Таким образом, с помощью диаграммы обратного рассеяния можно получить информацию о рельефе поверхности и степени его изрезанности в более мелких масштабах. Это особенно важно при поиске лучших мест посадки автоматических станций и лучших трасс передвижения самоходных автоматических аппаратов. Например, подобные радиолокационные измерения использовались при выборе мест посадки американских аппаратов «Викинг» на поверхности Марса, когда полученная ранее информация с помощью фотографических методов оказалась неточной.

Анализ диаграммы обратного рассеяния позволяет при малых углах наблюдения Θ оценить величину среднеквадратичного угла наклона σα — той же величины, которую дает угловое распределение отраженного сигнала. Это распределение, называемое диаграммой отражения, получают при бистатической радиолокации (об этом будет сказано дальше).

Интенсивности отраженного и рассеянного сигналов зависят и от электромагнитных свойств вещества исследуемой поверхности. Если грунт поверхностного слоя планеты достаточно сухой, как, например, на Луне, Марсе и Венере, то его электропроводность относительно невелика. Поэтому характер отражения этим грунтом радиосигнала определяется эффективной диэлектрической проницаемостью вещества, из которого состоит грунт.

Отметим еще, что если бы исследуемая поверхность была идеально ровной, то отраженный сигнал существовал бы в направлении, обратном облучению, лишь когда он распространялся по нормали к поверхности. В случае гладкой поверхности коэффициент отражения радиосигнала (при моно- и бистатической радиолокации) легко определяется, если известна упомянутая выше эффективная диэлектрическая проницаемость грунта. Если же поверхность шероховата, то интенсивность принимаемого сигнала в данном направлении также рассчитывается на основании значения эффективной диэлектрической проницаемости (если учитывать при этом статистические характеристики, касающиеся свойств рельефа поверхности). Конечно, при проведении радиолокационных экспериментов решается обратная задача, и решить ее оказывается гораздо сложнее, а в ряде случаев полученное решение к тому же является и неоднозначным.

Как же решают эту задачу?

Во-первых, из эксперимента определяют диаграмму обратного рассеяния либо при малых углах облучения (моностатическая радиолокация), либо при углах, незначительно отличающихся от угла отражения (бистатическая радиолокация). Далее, учитывая форму диаграммы обратного рассеяния (или диаграммы отражения), подбирают такое значение эффективной диэлектрической проницаемости, чтобы рассчитанная интенсивность принимаемого радиолокатором сигнала соответствовала действительному. Это значение эффективной диэлектрической проницаемости и принимают за исходное.

Лабораторные исследования различных горных пород, проведенные советским ученым В. Д. Кротиковым, а позднее повторенные американцами М. Кемпбеллом и Дж. Ульрихом, показали, что для обезвоженных пород наблюдается однозначная связь между эффективной диэлектрической проницаемостью, определенной на основании радиолокационных измерений на сантиметровых, дециметровых и метровых длинах волн, и плотностью исследуемого грунта. Впоследствии эта зависимость подтвердилась результатами аналогичных исследований с использованием образцов лунного грунта, доставленных на Землю.

Это открытие заставило по-новому взглянуть на возможности радиолокационных измерений — как метода дистанционного определения плотности поверхностного слоя планет. Было проведено сопоставление результатов определения плотности, полученных как с помощью радиофизических измерений, так и другими методами. Эти результаты оказались близкими по своему значению.

И, наконец, обратимся к явлению преломления радиолокационного сигнала. Оно не учитывается при моно- и бистатичеоких радиолокациях. Однако при исследовании условий распространения ультракоротковолновых сигналов выяснилось, что данную компоненту принимаемого радиолокатором сигнала следует учитывать. В частности, его интенсивность вблизи границы раздела двух сред также в основном зависит от эффективной диэлектрической проницаемости.

Моностатическая радиолокация. При осуществлении мягкой посадки автоматической станции на поверхность планеты необходимо проводить непрерывные измерения скорости движения и высоты полета автоматической станции. Эти данные поступают в бортовую систем}- управления станции при режиме активного управления посадкой пли при изменении режима работы корректирующих двигателей.

Измерения высоты полета и скорости движения обычно производятся с помощью радиолокационных высотомеров (рис. 4) и соответствующих датчиков скорости, в основе которых лежит принцип радиолокационного определения смещения частоты за счет эффекта Доплера. Однако эти приборы можно использовать не только по их прямому назначению, но и для исследовательских целей, т. е. для изучения физических характеристик поверхности планеты. Впервые радиовысотомер автоматической станции был использован для исследовательских целей при полете «Луны-9».

Рис. 4. Общий вид радиовысотомера автоматической станции «Луна-16», работающего в режиме приема—передачи

Интенсивность сигнала, поступающего на вход радиовысотомера, зависит от трех групп величин: энергетических характеристик прибора (мощности передатчика, характеристик антенны и т. д.), так называемой геометрии эксперимента (высоты полета, углов наблюдения) и физических характеристик отражающей поверхности. Первые две группы параметров определяются либо путем калибровки, проводимой до эксперимента, либо с помощью телеметрических измерений, осуществляемых в ходе эксперимента. Это позволяет вычислять физические характеристики поверхности по величине интенсивности принимаемого сигнала (т. е. при известных величинах первых двух групп параметров).

По интенсивности сигнала, поступающего при моностатической радиолокации на вход приемника (высотомера), определяется так называемая удельная эффективная площадь рассеяния — величина, характеризующая переизлучение радиосигнала в обратном направлении единичной площадкой поверхности. Важность определения этой величины в том, что она не зависит от высоты полета и ее можно многократно получать во время спуска космического аппарата. Кроме того, поскольку космический аппарат во время спуска испытывает колебания относительно своего центра тяжести, то вычисляемая удельная эффективная площадь рассеяния измеряется при различных углах падения радиолокационного сигнала, а это и позволяет, в конечном итоге, определить диаграмму обратного рассеяния.

Отметим также, что при углах падения Θ ≈ 0° удельная эффективная площадь рассеяния определяется коэффициентом отражения, вычисленном для случая облучения поверхности по нормали к ней. Таким образом, по интенсивности сигнала, поступающего на вход приемника, и по характеру ее изменения (в ходе эксперимента) можно найти коэффициент отражения радиосигнала поверхностью, а также и степень ее шероховатости. Наконец, используя подобный метод измерения, легко определяются эффективная диэлектрическая проницаемость и плотность грунта.

Бистатическая радиолокация. При бистатической радиолокации приемник может принимать не только прямой сигнал передатчика, но и сигнал, отраженный поверхностью планеты. Исходной информацией для анализа характеристик отражения поверхности являются спектр отраженного сигнала и отношение интенсивностей прямого и отраженного сигналов.

Для бистатических радиолокационных экспериментов главным образом используют искусственные спутники Луны и планет, так как в этом случае могут быть проведены многократные измерения.

Бистатическая радиолокация обычно выполняется но следующей схеме. На борту искусственного спутника располагается передатчик, который генерирует модулированные либо монохроматические сигналы.

Чаще всего этот передатчик является элементом системы передачи телеметрической, телевизионной и другой информации с КА на наземный пункт приема. Прием прямого сигнала и сигнала, отраженного поверхностью планеты, производится на наземном пункте, где устанавливается аппаратура для анализа спектра отраженного сигнала.

Бистатическая радиолокация также может проводиться и с использованием радиоаппаратуры двух космических аппаратов. В экспериментах по бистатической радиолокации часто используются антенны с широкой и круговой диаграммами направленности (рис. 5).

Рис. 5. Схема бистатической радиолокации Венеры: 1 — передающая антенна искусственного спутника Венеры; 2 — приемная антенна Центра дальней космической связи; 3 — приемная антенна радиолинии «космический аэростат — искусственный спутник Венеры»; 4 — прямой сигнал; 5 — передающая антенна аэростата; 6 — отраженный сигнал; 7 — поверхность Венеры

Как показали расчеты и экспериментальные измерения в метровом и дециметровом диапазонах, область на поверхности, участвующая в формировании отраженного сигнала, находится вблизи точки зеркального отражения. Эта точка на поверхности определяется из известного условия геометрической оптики — равенства угла отражения углу падения. Причем это условие выполняется не только для гладкой отражающей поверхности, но и для шероховатой, на которой характерные размеры неровностей существенно превышают (больше чем на порядок) используемую длину волны.

Мощность отраженных от поверхности планеты сигналов в основном определяется суммой однократных отражений от отдельных участков поверхности. Однако некоторую роль играют и многократные отражения, особенно в районах со сложным рельефом. При однократном отражении вклад одинаковых по размеру участков поверхности, но находящихся на разном удалении от расчетной точки зеркального отражения, различен. Больший вклад создают участки, расположенные ближе к точке зеркального отражения.

Если поверхность в районе расчетной точки зеркального отражения гладкая, то размеры области, создающей отраженный сигнал, будут определяться интерференцией (наложением) падающей на поверхность и отраженной от нее волн. Применительно к размерам Луны и для высот полета Н ≈ 100 км и углов падения Θ ≈ 60° линейный размер такой области составит величину около 1 км.

В случае неровной поверхности размер области, участвующей в формировании отраженного сигнала, существенно возрастает. Проведенные расчеты и выполненные эксперименты по бистатической радиолокации Луны показали, что размеры зоны формирования отраженного сигнала в метровом диапазоне возрастают в 10 и более раз по сравнению с размерами зоны, рассчитанной для гладкой модели поверхности. Для неровной поверхности размер зоны отражения определяется двумя величинами: расстоянием от КА до расчетной точки зеркального отражения и среднеквадратичным углом наклона поверхности, о котором мы уже рассказывали выше.

В результате обработки бистатических радиолокационных экспериментов могут быть получены два параметра: среднеквадратичные углы наклона поверхности и эффективная диэлектрическая проницаемость вещества поверхностного слоя. Первый параметр непосредственно определяется либо из частотного спектра отраженного сигнала при непрерывном излучении, либо из формы отраженного импульса при импульсной модуляции бортового передатчика. Для определения второго параметра обычно требуется измерение энергетического соотношения между прямым и отраженным сигналами. Значение же величины эффективной диэлектрической проницаемости может быть получено только путем сопоставления результатов эксперимента с модельными расчетами, в которые входят определенные значения σα и вариации значений ε для данного пространственного расположения передатчика, планеты и приемника.

Для разделения на наземном пункте прямого и отраженного сигналов используют либо их частотные различия за счет эффекта Доплера, либо временные различия их поступления на вход приемного устройства, так как отраженный сигнал всегда запаздывает относительно прямого. После разделения сигналов производится сопоставление их мощностей и затем уже анализ спектра отраженного сигнала.

Обычно бистатическая радиолокация проводится с помощью бортового передатчика, излучающего немодулированный сигнал, с последующим спектральным анализом отраженного сигнала.

Для повышения разрешения на поверхности в экспериментах по бистатической радиолокации (так же, как и в моностатической радиолокации) используется модуляция сигнала передатчика. Модуляция может быть либо импульсной, либо частотной.

В методе с импульсной модуляцией для коротких по длительности импульсов размер зоны отражения на поверхности будет зависеть от длительности импульса и угла падения радиоволн. Так, при длительности импульса в 10 мкс и угле падения Θ = 60° ширина зоны облучения поверхности составит 7,3 км. При сокращении длительности импульса в 10 раз соответственно сократится и зона облучения.

При использовании частотной модуляции (обычно с периодическим линейным изменением частоты во времени) разрешение по дальности (в направлении падения) будет зависеть от диапазона изменения частоты передатчика. Чем в большем диапазоне изменяется частота передатчика, тем больше может быть получено разрешение по дальности.

Использованием модуляции бортового передатчика с одновременным анализом на наземном пункте приема мгновенных спектров отраженных сигналов позволяет осуществить бистатическое радиолокационное картографирование поверхности, которое напоминает частотно-временное картографирование, проводимое при наземных радиолокационных исследованиях Луны и планет. Однако при прочих равных условиях проведение бистатической радиолокации с модулированным сигналом требует наличия передатчика большей мощности, чем при радиолокации с немодулированным сигналом. Поэтому эти виды бистатической радиолокации только начинают находить применение в планетных исследованиях.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

К настоящему времени космические аппараты побывали на поверхности Луны, Марса и Венеры, исследовали с пролетной траектории или с орбиты искусственных спутников Луну, Венеру, Меркурий, Марс и Юпитер. С помощью большинства этих космических аппаратов проводились и радиофизические эксперименты.

Рассмотрим некоторые их результаты.

Исследования Луны

Из-за своей относительной близости к Земле Луна наиболее полно была изучена как наземными, так и космическими средствами, в том числе и радиофизическими методами.

Одним из первых радиофизических методов при исследовании Луны стала применяться радиолокация. На рис. 6 представлены результаты определения характеристик отражения грунтом поверхностного слоя Луны, полученные с помощью американских станций «Сервейер-6 и -7». Их сопоставление показывает, что горный (материковый) район в окрестностях лучевой системы кратера Тихо («Сервейер-7») создает значительно более широкую диаграмму обратного рассеяния, что соответствует большей степени шероховатости рельефа по сравнению с рельефом морского района.

Рис. 6. Удельная эффективная площадь рассеяния Луны по данным: а) «Сервейера-6» и б) «Ссрвейера-7»

В табл. 1 приведены результаты обработок проведенных моностатических радиолокационных экспериментов. Данные этой таблицы, в частности, показывают, что в районах, исследованных группой ученых Института космических исследований АН СССР с помощью автоматических станций серии «Луна» (на длине волны 3 см), в слое толщиной до 50 см эффективная диэлектрическая проницаемость варьируется от 1,7 до 5,7, что соответствует плотности грунта ρ = 0,68 — 2,63 г/см3. Значения среднеквадратичных углов наклона в этих районах изменяются от 8,5 до 13,5°.

Измерения на более короткой длине волны (2,3 см), выполненные на АС серии «Сервейер» группой ученых Лаборатории реактивного движения, также подтвердили сильное изменение свойств поверхности и подповерхностного слоя в зависимости от района измерения.

Таблица 1

В табл. 1 также приведены результаты измерения характеристик отражения для двух районов лунной поверхности, выполненных с борта станции «Луна-19».

Измерения, проводившиеся на «Луне-19», отличались по методике от измерений, выполненных на других автоматических станциях серии «Луна», осуществивших посадку на поверхности Луны. На борту искусственного спутника Луны «Луна-19» был установлен радиовысотомер с антенной, которая могла поворачиваться относительно корпуса автоматической станции. Это позволило использовать «Луну-19» для измерения диаграммы обратного рассеяния локальных участков поверхности. В процессе полета антенна радиовысотомера разворачивалась в плоскости орбиты станций, что позволило для двух смежных участков трассы полета вблизи кратера Рюмкер исследовать характеристики отражения радиоволн поверхностью. Оказалось, что эти два близкорасположенных участка, лежащие по обе стороны от глубокого разлома, имеют отличающиеся характеристики — они различаются как по эффективной диэлектрической проницаемости, так и по значению среднеквадратичных углов наклон.

Подобный по методике эксперимент был затем также проведен на искусственном спутнике «Луна-22».

На большинстве автоматических станций, осуществивших посадку на лунную поверхность, были проведены измерения физико-механических параметров характеристик грунта. Среди этих параметров была определена и плотность грунта. Так как на этих же автоматических станциях на участке посадки обычно проводились и радиолокационные эксперименты, то это позволило сопоставить[4] данные измерения плотности грунта, определенной в одном районе различными методами (рис. 7).

При исследовании Луны нашли применение два контактных метода определения плотности грунта: метод измерения несущей способности и метод измерения коэффициента рассеяния γ-квантов или α-частиц. Первый основан па связи несущей способности с плотностью грунта. Второй — на связи интенсивности потока вторичного излучения грунта при его облучении γ-квантами или α-частицами с величиной плотности этого грунта. На Луне первый метод использовался на станциях «Луна-17» («Луноход-1»), «Луна-21» («Луноход-2»), «Сервейер-1, -3, -5, -6, -7», второй — на автоматических станциях «Луна-13» (γ-плотномер) и «Сервейер-7» (α-плотномер).

Рис. 7. Плотность грунта лунной поверхности по результатам, полученным одновременно механическими и радиолокационными методами с помощью станций «Луна» (заштрихованные треугольники) и «Сервейер» (кружочки)

Сопоставление данных по определению плотности грунта контактными и дистанционными методами позволило сделать ряд важных выводов. Эти методы измерений дали близкие результаты. Была определена поверхностная плотность лунного грунта (плотность первого сантиметра в глубину от поверхности), которая в среднем оказалась равной 1,2 г/см3. Эта величина соответствует плотности измельченного лунного грунта при его насыпании без уплотнения (при имитации лунных условий в земной лаборатории). В разных районах Луны величина поверхностной плотности колеблется от 0,6 до 3 г/см3.

В результате совместного анализа результатов контактных и дистанционных измерений плотности грунта было показано, что она экспоненциально возрастает с глубиной. Это позволило определить толщину переработанного метеоритной бомбардировкой верхнего покрова Луны. В разных районах величина такого слоя оказалась существенно различной, колеблясь от 40 см до 40 м (при среднем значении этой величины равной 5 м). Рис. 7. Плотность грунта лунной поверхности по результатам, полученным одновременно механическими и радиолокационными методами с помощью станций «Луна» (заштрихованные треугольники) и «Сервейер» (кружочки)

При полете почти всех космических аппаратов, выведенных на орбиту вокруг Луны, проводилась бистатическая радиолокация. При этом на космических аппаратах использовались различные методы модуляции и различные длины волн излучаемых сигналов, а также разные методики обработки принятых сигналов. Все эксперименты проводились по схеме, в которой передатчик размещался на борту искусственного спутника Луны (ИСЛ), а прием и обработка прямого и отраженного сигналов осуществлялись на наземном измерительном пункте.

Первый эксперимент по бистатической радиолокации был проведен в 1966 г. на ИСЛ «Луна-10» группой ученых из Института космических исследований АН СССР под руководством Н. Н. Крупенио на длине волны 1,7 м с импульсной модуляцией сигнала передатчика. Последующие эксперименты на аппаратах серий «Луна» и «Аполлон», а также на ИСЛ «Лунар Орбитер-1» и «Эксплорер-35», проводились с непрерывным излучением передатчика. На ИСЛ «Луна-22» была впервые применена частотная модуляция сигнала передатчика. Использование такой модуляции позволило при обработке отраженных сигналов измерить дальность от ИСЛ до района отражений на поверхности и получить при этом разрешение по дальности, равное 1,2 км. Поэтому в эксперименте были получены данные не только о среднеквадратичных углах наклона поверхности вдоль трассы полета ИСЛ, но также были оценены к вариации высот вдоль этой трассы.

Бистатические радиолокационные измерения, проведенные на ИСЛ «Луна-10» в восточной части видимого с Земли лунного диска, показали, что отраженный сигнал от горных районов имеет весьма изрезанную форму. Это свидетельствует о сильном влиянии неровностей рельефа горных областей на отраженный сигнал в метровом диапазоне длин волн (1,7 м) при облучении поверхности под большими углами падения (Θ = 60–80°).

Большая протяженность по дальности отраженного сигнала была вызвана сильной изрезанностью рельефа. Благодаря этому условия «зеркальности» для локальных отражающих площадок выполнялись для широкого диапазона углов падения, а, следовательно, и для большого диапазона дальностей.

На ИСЛ «Луна-11 и -12» группой ученых Института радиотехники и электроники АН СССР под руководством О. И. Яковлева были продолжены радиолокационные эксперименты в метровом диапазоне длин волн. В этих экспериментах разделение прямого и отраженного сигналов осуществлялось за счет различия их доплеровских частот. Эти ИСЛ не имели системы стабилизации (т. е. ИСЛ произвольно вращался относительно своего центра тяжести), а диаграммы направленности их бортовых антенн значительно отличались от круговых. Поэтому для определения энергетических соотношений между прямым и отраженным сигналами использовалось усреднение сигналов в течение отрезков времени, в которые ИСЛ занимал примерно одинаковое положение по отношению к наземному пункту, т. е. имел одинаковую высоту полета и угол падения относительно точки зеркального отражения.

Сопоставление экспериментальной зависимости отношения мощностей прямого и отраженного сигналов от утла падения при разных высотах полета ИСЛ с соответствующими теоретическими зависимостями позволило определить среднее значение эффективной диэлектрической проницаемости и среднеквадратичного угла наклона поверхности для всех районов измерения, находящихся в экваториальной зоне Луны. Данные по диэлектрической проницаемости совпали с результатами наземной радиолокации в метровом диапазоне длин волн.

Бистатическая радиолокация Луны, проведенная па ИСЛ «Лунар-Орбитер-1» учеными Станфордского университета США, была выполнена по более сложной методике. При этом анализировались не усредненные по времени амплитуда и форма спектра отраженного сигнала, как это имело место в экспериментах на ИСЛ «Луна-11 и -12», а записывался мгновенный спектр отраженного сигнала.

По зависимости изменения от времени отдельных составляющих в спектре отраженного сигнала на одном витке орбиты ИСЛ удалось отождествить отраженные сигналы с локальными районами на поверхности Луны. С учетом данных траекторных измерений были определены координаты мгновенных центров переизлученияи размеры отдельных площадок с повышенным отражением вблизи кратера Кестнер. Размеры таких площадок оказались весьма различными. Самые крупные из них имели линейные размеры 30 км, а самые мелкие около 5 км (в результате обработки была построена радиолокационная карта района кратера Кестнер).

Анализ расположения в этом эксперименте переизлучающих площадок на поверхности Луны показал, что обычно переизлучают одновременно несколько «радио-ярких» площадок, расположенных вблизи точки зеркального отражения. Однако иногда наблюдаются также и площадки, сравнительно удаленные от трассы перемещений точки зеркального отражения.

Анализ характера переизлучения поверхности Луны в данном эксперименте позволил сделать следующие выводы.

Большинство «радиоярких» участков совпало с внутренними склонами кратеров. Часть «радиоярких» участков находилась на очень неровных участках Моря Смита. «Радиояркие» участки, находившиеся внутри кратеров, обладали повышенным переизлучением не только за счет эффекта фокусировки радиолокационного сигнала стенками кратера, но также и за счет более плотного грунта внутри кратера.

Бистатическая радиолокация, проведенная на ИСЛ «Эксплорер-35», отличалась от предыдущих экспериментов тем, что была применена сложная спектральная обработка отраженного сигнала. Суть этой обработки заключалась в том, что отраженный сигнал вначале записывался на магнитофон и затем подвергался последующей обработке на ЭВМ совместно с данными траекторных измерений. В результате такой обработки определялись мгновенные спектры отраженного сигнала. Сопоставление полученных спектров с результатами теоретически рассчитанных спектров позволило определить значения среднеквадратичных углов наклона поверхности вдоль трассы измерений, а также усредненные значения ε для небольших по протяженности участков трассы перемещения точки зеркального отражения. Этот метод обработки впоследствии стал успешно применяться в большинстве бистатических радиолокационных экспериментов.

В экспериментах, проведенных на ИСЛ «Эксплорер-35», было отмечено, что интенсивность отраженных сигналов от морских районов примерно на 30 % выше интенсивности отраженных сигналов от материковых районов. Это соответствовало увеличению примерно на 15 % среднего значения эффективной диэлектрической проницаемости вещества грунта морских районов относительно материковых в слое толщиной до 10 м.

Такой результат был неожиданным, так как в то время (1967 г.) считалось, что грунт лунных морей должен быть более рыхлым, чем материковый грунт. Впоследствии факт большой плотности скальных пород в морских районах был подтвержден экспериментально как на Луне, так и в земных лабораториях.

По данным радиолокационных измерений вблизи кратера Флемстид был отмечен выход на поверхность скальных пород в этом районе. Такой вывод был сделан по сильному увеличению амплитуды отраженного сигнала в этой области. Следует сказать, что результаты этого эксперимента хорошо коррелировались с данными наземных радиолокационных и инфракрасных измерений этого района, которые также свидетельствовали о более высокой средней плотности грунта в этой области Луны.

На ИСЛ «Луна-14» были проведены бистатические радиолокационные эксперименты, подобные экспериментам, ранее выполненным на ИСЛ «Эксплорер-35». Было подтверждено, что форма спектра отраженного сигнала является хорошим индикатором степени неровности поверхности. В спектре иногда появлялись несколько максимумов (наличие нескольких максимумов объясняется отражением радиоволн от различных горных склонов и резких изломов). Рассчитанные по спектру значения среднеквадратичных углов наклона для морских районов (длина волны 1,7 м) составили ~ 3°, а для материковых районов эта величина достигла 14°.

Спектры отраженных сигналов, полученные в экспериментах на ИСЛ «Луна-19» в дециметровом диапазоне радиоволн (32 см), по своему характеру обычно соответствовали спектрам, которые ранее были измерены на ИСЛ «Луна-14» в метровом диапазоне радиоволн. Однако появление спектров отраженного сигнала с несколькими максимумами в дециметровом диапазоне было значительно реже по сравнению с измерениями в метровом диапазоне. Это свидетельствовало о том, что в дециметровом диапазоне спектр отраженного сигнала формируется за счет более мелких неоднородностей, которые более равномерно распределены по поверхности, чем более крупные неоднородности, определяющие спектр в метровом диапазоне. Эффект сильной изрезанности спектра на дециметровых волнах обычно возникал, когда точка зеркального отражения попадала в район с группой кратеров, размеры которых составляли несколько километров, т. е. были сравнимы с размерами зоны наибольшего отражения.

Для районов с примерно одинаковой структурой поверхности полученные значения среднеквадратичных углов наклона в дециметровом диапазоне оказались, примерно, на 40 % выше, чем в метровом диапазоне. Это соответствует относительно большему числу неоднородностей с меньшими линейными размерами. Такой же вывод был получен и при проведении радиолокационных исследований Луны с Земли методом моностатической радиолокации. Измерения, проведенные с Земли для центрального района диска Луны, показали, что спектр отраженного сигнала расширяется с уменьшением длины волны. Это хорошо коррелируется с зависимостью количества неоднородностей на лунной поверхности от их размеров. Так, число кратеров на Луне сильно возрастает с уменьшением их диаметра. Сильно возрастает также и количество камней в зависимости от уменьшения их линейного размера и т. д.

Проведение бистатических радиолокационных измерений позволило сделать следующий вывод: морские районы более ровные, чем материковые, в масштабе десятков и сотен метров, но менее ровные в масштабе нескольких дециметров. Основные результаты бистатической радиолокации Луны приведены в табл. 2.

Таблица 2

Исследования Меркурия

Космическая история изучения этой планеты только начинается. Пока вблизи планеты в 1974 и 1975 гг. пролетел только один космический аппарат — «Маринер-10». Он произвел фотографирование поверхности этой планеты и измерение характеристик околопланетного пространства. Фотографии показали, что меркурианский рельеф сильно напоминает лунный.

При первом пролете «Маринера-10» вблизи планеты 29 марта 1974 г. были проведены радиорефракционные измерения с целью определения характеристик атмосферы и ионосферы планеты, о свойствах которых были весьма разнообразные предположения.

Измерения проводились одновременно на двух длинах волн — 3,6 и 13,1 см, при заходе и выходе АМС за видимый с Земли диск планеты.

В результате этих измерений не удалось обнаружить ионосферы, подобной марсианской или венерианской. В результате предварительного анализа был лишь оценен верхний предел максимума концентрации электронов. Он оказался равным 4000 электронов в 1 см3 на ночной стороне планеты и 1500 электронов в 1 см3 на дневной стороне.

Анализ результатов определения верхнего предела плотности электронов в ионосфере планеты позволил оценить верхний предел плотности нейтральных частиц у поверхности планеты, и в предположении, что атмосфера планеты состоит из газа с большим молекулярным весом (например, аргона), определить атмосферное давление у поверхности. Оно при этих предположениях не превышает 10–11 атм., т. е. атмосфера у планеты Меркурий весьма разреженна. Последующая обработка результатов показала, что ионосфера у Меркурия отсутствует.

По данным измерений ультрафиолетового спектрометра АМС приповерхностное давление атмосферы, содержащей гелий, не превышает 10–14 атм., т. е. примерно такое же, как и на Луне.

Исследования Венеры

В 1967 г. почти одновременно в околопланетное пространство Венеры были выведены две межпланетные автоматические станции «Венера-4» и «Маринер-5», Полетом этих автоматических станций начался этап радиофизических исследований планеты с помощью служебной радиоаппаратуры космических аппаратов. Так. анализ в Центре дальней космической связи СССР интенсивности сигнала, излучавшегося передатчиком спускаемого аппарата (СА) станции «Венера-4», подтвердил, что радиоволны этого диапазона (32 см) не ослабляются атмосферой планеты. Во время измерений были отмечены флуктуации амплитуды радиосигнала, интенсивность которых возрастала по мере спуска СА. Наличие таких флуктуаций амплитуды радиосигнала показывало, что атмосфера планеты турбулентна. Анализ характера распространения в атмосфере планеты радиоволн, которые излучались передатчиками спускаемых аппаратов, проводился и на последующих АМС серии «Венера». Записи амплитуд, принятых в Центре дальней космической связи СССР сигналов передатчиков СА «Венера-5, -6, -7, -8», показали, что быстрые флуктуации сигналов, связанные с турбулентностью венерианской атмосферы, возрастают с уменьшением высоты над поверхностью и увеличением угла между направлением на Землю и местной нормалью СА. Однако на основе проведенных измерений было показано, что при углах более 75° уменьшение амплитуды радиосигнала даже в дециметровом диапазоне может быть столь сильным, что это может привести к временным перерывам в радиосвязи со спускаемым аппаратом.

Анализ периодичности появлений флуктуаций радиосигналов при нахождении СА на высотах 20–45 км показал, что на этих высотах горизонтальная составляющая скорости ветра может достигать 20–30 м/с. Эти результаты соответствовали данным определения горизонтальной составляющей скорости ветра из анализа величины изменения частоты передатчика спускаемого аппарата за счет эффекта Доплера (частоты Доплера).

Анализ изменения частоты за счет эффекта Доплера с учетам аэродинамических характеристик спускаемых аппаратов позволил определить не только скорости спуска аппаратов, но и вычислить скорость ветра в атмосфере планеты на разных высотах. Расчеты показали, что скорость ветра возрастает с ростом высоты. Так, например, горизонтальная скорость ветра у поверхности не превышает 2 м/с, а на верхней границе облаков (~ 65 км) достигает 100 м/с. Хотя скорость ветра v поверхности и мала, но из-за огромной плотности атмосферы такой венерианский ветер по своему скоростному напору эквивалентен земному приповерхностному ураганному ветру, мчащемуся со скоростью более 100 км/ч.

На спускаемом аппарате «Венера-8» впервые был установлен радиовысотомер, с помощью которого измерялась не только высота, но и интенсивность отраженного поверхностью радиосигнала. На предыдущих спускаемых аппаратах радиовысотомеры только измеряли высоту полета. Радиовысотомер «Венеры-8» с импульсной модуляцией работал на длине волны 35 см через антенну с широкой диаграммой направленности.

В процессе спуска СА дважды была измерена интенсивность отраженного сигнала. Расчеты характеристик отражения проводились в рамках гладкой и плоской моделей поверхности. Рассчитанный по данным двух измерений коэффициент отражения поверхности оказался равным 0,07 и 0,09. Этим значениям коэффициента отражения соответствовало значение эффективной диэлектрической проницаемости ε = 3,2 и величина плотности грунта Венеры ρ = 1,4 г/см3. Значения этих величин оказались меньшими, чем это следовало из данных наземных радиолокационных наблюдений, а также из данных прямых измерений плотности грунта в месте посадки автоматической станции «Венера-10».

Измерения высоты полета в процессе сноса станции ветром (при ее спуске на парашюте в нижней атмосфере) позволили оценить рельеф поверхности на трассе длиной в 60 км, проходящей в экваториальной области Венеры. Горизонтальная составляющая скорости движения спускаемого аппарата определялась с помощью системы траекторных измерений АМС.

Согласно результатам измерений максимальный перепад высот на этой трассе составил 3,3 км, а средний угол наклона поверхности оказался равен 18°, т. е. значительно выше, чем это следовало из данных наземной радиолокации. На одном из участков трассы протяженностью 1,25 км был измерен перепад высот в 1,5 км, что соответствовало на этом участке трассы среднему углу наклона поверхности более 52°. Такие наклоны не наблюдались даже на Луне, хотя Луна является, судя по наземным радиолокационным наблюдениям, более неровным небесным телом и обладающим существенно большими перепадами высот, чем планета Венера.

С помощью радиотехнической аппаратуры «Венеры-9 и -10» группой ученых Института радиотехники и электроники АН СССР под руководством О. И. Яковлева впервые были проведены бистатические радиолокационные измерения. Эти измерения выполнялись многократно на длине волны 32 см как с помощью антенны с широкой диаграммой направленности, так и с помощью антенны с узкой диаграммой направленности (рис. 8).

Рис. 8. Перепады высот ΔН и среднеквадратичные углы наклона поверхности σα, полученные в одном из сеансов бистатической радиолокации Венеры со станции «Венера-9»

В экспериментах с антенной, имеющей узкую диаграмму направленности, в процессе измерений по программе осуществлялось ориентирование этой антенны в направлении области на поверхности, расположенной вблизи точки зеркального отражения. Полученные спектры отраженного сигнала подтвердили слабую шероховатость поверхности Венеры в районах измерения, которые располагались вдоль трасс протяженностью около 800 км. Среднеквадратичные углы наклонов поверхности вдоль этих трасс изменяются от 1 до 5°. Причем наблюдались районы с существенно различным рельефом — равнинные, с наклонами около 1,5° и гористые с наклонами 3–5°. По данным наземной радиолокации на длине волны 30 см, относящихся к экваториальному поясу планеты, среднее значение среднеквадратичных углов наклона поверхности близко к 5°, т. е. при бистатической радиолокации Венеры были обнаружены более гладкие участки поверхности, чем это получено в среднем для экваториальной области планеты при наблюдении с Земли.

Пролет «Маринера-5» вблизи Венеры позволил провести измерения рефракции радиоволн на длинах 13 и 71 см в дневной и ночной атмосферах. Радиозаход космического аппарата осуществлялся над ночной стороной планеты, а радиовыход — над дневной.

Измерения на одной длине волны (13 см) позволили обнаружить дневную ионосферу планеты. Ионосфера днем имела два максимума концентрации электронов на высотах 128 и 140 км. В первом максимуме концентрация электронов составляла 2 · 105 в 1 см3, во втором — 5,5 · 105 в 1 см3. Согласно же измерениям на двух частотах ионосфера у планеты ночью была сравнительно тонкой и имела один максимум ионизации (на высоте около 140 км) с концентрацией электронов на порядок меньшей, чем днем.

Радиорефракционные измерения, проведенные в тропосфере над дневной и ночной сторонами планеты, показали, что высотные профили температуры, давления и плотности атмосферы в диапазоне высот 34–90 км днем и ночью отличаются друг от друга. Так, днем на этих высотах температура оказалась примерно на 15° ниже, чем ночью.

Результаты определения температуры и давления по радиорефракционным измерениям «Маринера-5» были сопоставлены с данными прямых измерении этих же параметров, выполненных опускаемым аппаратом «Венера-4». Это позволило получить высотные зависимости температуры и давления в ночной атмосфере планеты в диапазоне высот от 20 до 90 км и определить высоту над поверхностью, на которой спускаемый аппарат станции «Венера-4» прекратил измерения.

Радиорефракционные измерения Венеры, начатые в 1967 г. группой ученых из Лаборатории реактивного движения и Станфордского университета США под руководством А. Клиоре и Г. Фьелдбо, были ими продолжены в 1974 г. с помощью пролетавшего около планеты космического аппарата «Маринер-10». В 1975 г. радиорефракционные измерения были успешно проведены на двух советских станциях «Венера-9 и -10». В отличие от «Маринера-10», который осуществил однократные измерения радиорефракции при заходе за Венеру, на «Венсре-9 и -10» радиорефракционные измерения проводились более 50 раз в течение двух месяцев. Это позволило изучить свойства атмосферы планеты в разных районах и при разных условиях освещения планеты Солнцем.

Радиорефракционные измерения на «Маринере-10» проводились одновременно на длинах волн 3,6 и 13 см. Измерения на искусственных спутниках Венеры (ИСВ) проводились в дециметровом диапазоне как на одной длине волны (32 см), так и с помощью дисперсионного радиоинтерферометра, который ранее использовался для изучения ионосферы Луны и работал в дециметровом и сантиметровом диапазонах.

С помощью радиоаппаратуры «Маринера-10», «Венеры-9 и -10» были исследованы атмосфера и ионосфера планеты как днем, так и ночью. Ночная ионосфера, как показали измерения с помощью «Венеры-9 и -10», является весьма динамичным образованием. С течением времени изменяется количество максимумов ионизации (один или два), их высотное положение и концентрация в них электронов. Протяженность ночной ионосферы невелика — 30–50 км. За 1,5 месяца наблюдений концентрация электронов в максимуме ионизации изменилась почти в 3 раза, а высота максимума изменялась на 10 км относительно среднего значения, равного 135 км.

Также оказалась весьма динамичной и дневная ионосфера. Изменение количества максимумов и электронной концентрации в главном максимуме, располагающемся на высоте около 150 км, является характерным. Дневная ионосфера прослеживается от ПО до 450 км и более. Следует отметить, что концентрация электронов в максимумах ионизации днем и ночью в 1974 г. оказалась меньшей, чем по данным измерений 1967 г. Это связано с разной степенью солнечной активности в эти годы.

Исследования нижней атмосферы, выполненные радиорефракционным методом на АМС «Маринер-10» и ИСВ «Венера-9 и -10» на одной длине волны в диапазоне высот 35–90 км, показали, что в области высот 56–64 км наблюдаются постоянно существующие во времени на разных высотах отклонения коэффициента рефракции от монотонного изменения этого параметра с высотой. Эти отклонения связаны с инверсией температуры на данных высотах и вызваны сложной формой облачных образований. По данным радиорефракционных измерении облака па Венере имеют два и более ярусов. Эти данные хорошо совпали с результатами прямых измерений высотных профилей температуры и давления, полученных на «Венере-4», и измерений световых потоков от Солнца в видимом и инфракрасном диапазонах, которые проводились при спуске СЛ «Венера-9 и -10» на поверхность планеты.

Многократное измерение высотных зависимостей температур и давления в диапазоне высот 35–90 км показало на их временную и пространственную изменчивость. Так, в диапазоне высот 40–60 км температурные изменения на одной и той же высоте превышают 10 °C. На высотах более 75 км вариации температуры на одной и той же высоте становятся больше 30 °C. На высотах 40–60 км при поднимании на один километр температура падает на 9 — 10 °C. На высотах 60–80 км температура уменьшается почти до 4 °C при поднимании на один километр. Все это говорит о том, что ранее принимавшееся предположение о постоянстве температуры на данной высоте днем и ночью не оправдалось.

В мае 1978 г. к Венере должны отправиться две автоматические межпланетные станции серии «Пионер». Одна из них должна стать искусственным спутником планеты, а другая — спустить в атмосфере планеты к ее поверхности одновременно четыре зонда, которые проведут исследования атмосферы подобно тому, как это уже делали спускаемые аппараты советских автоматических станций «Венера-4, -5, -6, -7, -8, -9 и -10».

С помощью комплекса АМС «Пионер» предполагается провести ряд радиофизических экспериментов. Так, на искусственном спутнике предусматривается установка радиовысотомера дециметрового диапазона (13 см), с помощью которого будет изучаться рельеф поверхности и измеряться характеристики отражения. Данный прибор будет также периодически работать как радиотелескоп, принимая радиоизлучение поверхности планеты. В результате длительных измерений рельефа ученые надеются получить карты поверхности в масштабе 1: 25 000 000 (в 1 см — 250 км).

Использование штатной радиотехнической аппаратуры ИСВ позволит провести многократные радиорефракционные измерения (на длинах волн 3 и 12 см). Это даст новую информацию о ионосфере дневной и ночной сторон планеты, позволит получить высотные зависимости температуры, давления и плотности атмосферы в диапазоне высот 35–90 км.

По излучаемым второй станцией «Пионер», а также се четырьмя спускаемыми аппаратами радиосигналам с помощью трех наземных антенн будет производиться определение расположения этих аппаратов относительно поверхности планеты. Эти данные с учетом баллистических характеристик аппаратов дадут возможность определить направление и скорость ветра в нижней атмосфере в районах спуска станций. Эта информация впоследствии будет использована при моделировании глобальной циркуляции атмосферы, так как спускаемые аппараты и сама автоматическая станция-носитель будут спускаться к поверхности в значительно разнесенных друг от друга районах.

В 1983 г. в окрестностях Венеры будет проведен совместный советско-французский эксперимент по изучению атмосферы Венеры и ее облачного слоя с помощью ИСВ и космического «аэростата», плавающего на высоте 55 км, т. е. внутри ее облачного слоя. Этот проект является развитием подобного совместного советско-французского проекта «ЭОС», который прорабатывался несколько лет назад.

Исследования Марса

Радиофизические исследования Марса, выполненные с помощью аппаратуры, установленной на космических аппаратах, можно разделить на три группы. К первой группе относятся радиорефракционные эксперименты, позволившие получить данные об атмосфере и ионосфере планеты, а также сделать оценку рельефа поверхности по величине приповерхностного давления.

К второй группе относятся радиоастрономические измерения, позволившие получить информацию о локальных значениях эффективной диэлектрической проницаемости вещества верхнего покрова планеты и о температурном режиме поверхностного слоя.

К третьей группе относятся эксперименты по радиолокации.

При пролете АМС «Маринер-4» около Марса на длине волны 13 см были проведены радиорефракционные измерения. Анализ зависимостей коэффициента преломления радиоволн от времени (при заходе и выходе космического аппарата в тень планеты) позволил получить высотные зависимости (профили) температуры и давления в нижней части атмосферы, а также высотную зависимость концентрации электронов и температуры плазмы в верхней атмосфере.

Атмосфера Марса довольно разрежена — приповерхностное давление в атмосфере составляет величину в среднем около 6 мбар, что соответствует давлению в земной атмосфере на высоте около 35 км.

В отличие от Венеры, радиоволны в атмосфере Марса не испытывают сверхрефракции в нижней атмосфере. Поэтому радиорефракционные эксперименты позволяют изучать высотные зависимости температуры и давления почти до самой поверхности.

«Маринер-4» осуществил радиозаход над дневной атмосферой, а радиовыход над ночной. Построенные и результате обработки измерений температурные профили показали, что летняя ночь на Марсе в районе 60° с. ш. значительно теплее, чем зимний день в районе 50° ю. ш. Такое явление наблюдается и в земной атмосфере.

Приповерхностное давление соответственно для районов радиозахода и радиовыхода КА «Маринер-4» имело значение 4,5 и 8 мбар. Такая разница давлений могла быть получена только за счет разности высот в 7 км между двумя этими районами. Этот перепад высот был подтвержден результатами определения радиуса планеты в местах радиозахода и радиовыхода из измерений дифракции радиоволн. Перепад высот в 7 км не явился неожиданным, так как по данным наземной радиолокации перепады высот на Марсе превышают 10 км.

Использование при радиорефракционных измерениях одночастотного метода позволило получить информацию только о дневной ионосфере планеты. По данным этих измерений ионизованная область (ионосфера) располагается днем на высотах от 90 до 250 км над поверхностью Марса. Максимум ионизации находится на высоте 120 км (105 электронов в 1 см3). Это соответствовало температуре околомарсианской плазмы около 250 К на высотах 100–160 км.

Радиорефракционные измерения, выполненные в 1969 т. во время пролета АМС «Маринер-6 и -7» около Марса, позволили определить для дня и ночи высотные зависимости температуры и давления нижней атмосферы планеты, а также исследовать дневную ионосферу Марса. Эти эксперименты проводились на одной длине волны — 13 см.

В четырех районах планеты измеренное давление колебалось от 4,2 до 7,3 мбар, что соответствовало перепаду высот между этими участками поверхности до 4 км. Дневная приповерхностная температура атмосферы в точке радиозахода «Маринера-6» по радиорефракционным измерениям оказалась на 20° ниже температуры того же участка поверхности, определенной с помощью инфракрасного радиометра, который был установлен на этом же космическом аппарате. Подобное изменение температуры в приповерхностной атмосфере согласуется с расчетами.

Пролетные траектории позволяют выполнить только два сеанса радиорефракционных измерений — один при заходе КА за диск планеты и второй — при выходе КА из-за диска, и, соответственно, дают информацию об атмосфере только для двух районов планеты (районов радиозахода и радиовыхода КА). Вывод космических аппаратов на орбиту искусственных спутников планеты позволяет проводить радиорефракционные измерения многократно.

Такие многократные измерения характеристик атмосферы были выполнены радиорефракционным методом с помощью первого искусственного спутника Марса «Марс-2». По данным этих измерений самое высокое значение приповерхностного давления в одном из районов планеты равно 10 мбар.

Космические аппараты «Марс-2, -4 и -6» позволили исследовать ионосферу планеты при различной высоте Солнца. При проведении этих измерений было замечено, что интенсивность ионизации, высотная структура ионосферы и высота максимумов ионизации сильно зависят от высоты Солнца. Было отмечено, что ионосфера имеет два максимума ионизации, расположенных на разных высотах. Уменьшение высоты Солнца приводило к повышению высоты верхнего (главного) максимума ионизации и к уменьшению в нем концентрации электронов. При этом высота нижнего максимума ионизации практически оставалась постоянной (~ 110 км). Концентрация электронов в нижнем максимуме падала с уменьшением высоты Солнца.

В главном максимуме ионизации концентрация электронов днем составила 1,7 · 105 в 1 см3. Дневная ионосфера значительно протяженнее ночной и прослеживалась в диапазоне высот от 90 до 500 км.

Во время пролета вблизи Марса автоматических станций «Марс-4 и -6» были проведены радиорефракционные измерения на двух длинах волн (8 и 32 см) методом дисперсионного радиоинтерферометра, подобного использованному ранее на ИСЛ «Луна-14 и -19». В результате проведенных измерений было отмечено, что ночная ионосфера также, как и дневная, имеет два максимума ионизации. Однако ночью главный максимум располагается низко. Он совпадает с нижним дневным максимумом ионизации (на высоте 110 км) и имеет концентрацию 4,6 · 103 электронов в 1 см3. Выше главного максимума на высоте 190 км находится второй максимум ионизации с концентрацией электронов 2,2 · 103 в 1 см3.

В вечерней ионосфере главный максимум ионизации располагается на высотах 125–140 км с концентрацией (6–8) · 104 электронов в 1 см3. Советские ученые М. А. Колосов и Н. А. Савич сделали вывод о причине формирования ионосферы на этих высотах днем и ночью. Они предположили, что источником ионизации является галактическое излучение. На рис. 9 показаны высотные профили концентрации электронов по данным измерений АМС «Марс-4» ночной, вечерней и дневной ионосфер Марса. Измерения дневной ионосферы Марса, показанные на этом рисунке, были выполнены на АМС «Марс-2» радиорефракционным методом (на одной частоте).

С помощью радиорефракционных измерений, выполненных во время полета «Маринера-9» на орбите искусственного спутника Марса, 'было получено большое количество информации, позволившей построить высотные зависимости температуры и давления в нижней атмосфере над разными точками поверхности планеты. По данным этих измерений была построена карта давления у поверхности, которое в разных районах варьировалось от 1 до 9 мбар в области широт ±65°.

Если предположить, что локальное давление у поверхности определяется лишь высотой расположения данного района измерений, то соответствующая разность крайних значений давлений будет соответствовать разности высот 25,5 км. Если отбросить области с измеренными экстремальными давлениями, то перепад высот между остальными измеренными участками на поверхности Марса не превысит 13 км.

Рельеф Марса исследовался с помощью наземной радиолокации, радиорефракционных измерений и 'Методами инфракрасной и ультрафиолетовой спектроскопии с космических аппаратов серии «Марс» и «Маринер». Совокупность полученных результатов позволила провести расчет локальных высот и построить по этим данным топографическую карту Марса. По данным этой карты максимальный перепад высот на Марсе составляет 31 км. На Марсе есть целый ряд горных вершин, которые значительно выше Эвереста — самой высокой точки Земли. В то же время на Марсе существуют области, лежащие значительно ниже среднего уровня поверхности планеты. К ним относится равнина Хеллас (Н = –4 км).

Рис. 9. Концентрация электронов в ионосфере Марса в зависимости от высоты (по данным измерений «Марс»): 1 — для ночной; 2, 3 — вечерней и 4 — дневной ионосфер

Радиорефракционные измерения показали, что фигура Марса весьма несимметрична. Так, южное полушарие в среднем выше северного на 3–4 км. Высоты в северном полушарии в основном отклоняются на 1 км в сторону понижения относительно среднего радиуса планеты. Причем наибольшие впадины — до 3 км, отмечаются на широтах 60–65°. В южном полушарии превышение большинства высот относительно среднего радиуса составляет 3–4 км, а в приполярной области это превышение уменьшается до 2–3 км.

По данным радиорефракционных измерений, а также по результатам определений радиуса планеты, используя дифракцию радиоволн, были определены размеры планеты, при представлении ее трехосным эллипсоидом.[5] Большая и малая полуоси, располагающиеся в экваториальной плоскости планеты, согласно этим данным равны соответственно 3400,12 и 3394,19 км, а полярный радиус составляет 3375,45 км.

Высотные зависимости температуры, полученные в результате обработки радиорефракционных измерений, проведенных на АМС «Маринер-9», показали, что для исследованных районов усредненная величина изменения температуры с высотой в нижней атмосфере колеблется от 0 до 3,8 К/км, что значительно ниже адиабатического (5 К/км). Этот факт свидетельствует об интенсивных динамических процессах в атмосфере и хорошо согласуется с наличием на Марсе сильных ветров. Следует отметить, что величина этого параметра, определенного в разных районах планеты, не коррелируется ни с широтой, ни с местным временем.

По данным радиорефракционных измерений температура атмосферы у поверхности (в измеренных точках) в области широт ±80° колеблется днем от 150 до 280 К, а ночью от 140 до 200 К. Значение локальной температуры зависит от высоты данного участка, широты, времени суток и сезона.

Наряду с исследованием нижней атмосферы «Маринер-9» провел многократные измерения рефракции радиоволн в дневной ионосфере планеты. По этим данным были построены высотные зависимости концентрации электронов и определена температура экзосферы планеты.

Ионосфера исследовалась для значений солнечного зенитного угла от 0° (Солнце в зените) до 100° (Солнце на 10° ниже горизонта). Максимум концентрации электронов в диапазоне солнечных зенитных углов от 0° до 100° снижался от 1,8 · 105 до 0,2 · 105 электронов в 1 см3. При этом и высота максимума ионизации изменялась от 132 до 145 км днем и от 120 до 150 км вечером.

На искусственных спутниках Марса «Марс-3 и -5» проводились измерения интенсивности и поляризации радиоизлучения планеты на длине волны 3,4 см с линейным разрешением на поверхности от 70 до 400 км. В результате обработки данных были получены локальные значения эффективной диэлектрической проницаемости и термодинамической температуры грунта.

Орбиты ИСМ «Марс-3 и -5» по своим параметрам существенно отличались друг от друга. Так, период обращения «Марса-3» составлял примерно 12 земных суток, а период «Марса-5» оказался близким к суточному, т. е. к периоду собственного вращения Марса вокруг своей оси. Это позволило для одних и тех же локальных участков при наблюдении с помощью ИСМ «Марс-5» получить четырехкратные измерения, которые были выполнены примерно при одной и той же ориентации антенны бортового радиотелескопа относительно поверхности планеты.

На ИСМ «Марс-3» только в трех случаях наблюдалось радиоизлучение от одного и того же локального участка поверхности при измерениях на двух различных витках орбиты.

На рис. 10 в качестве примера приведены результаты обработки одного из сеансов измерений, проведенного с помощью ИСМ «Марс-3», для районов, где абсолютная точность определения эффективной диэлектрической проницаемости грунта была не хуже 30 %. Эта точность измерений соответствует самым точным наземным радиолокационным наблюдениям Марса.

Здесь даны значения эффективной диэлектрической проницаемости ε, плотности грунта ρ и температуры Т. Как видно, локальные значения этих параметров сильно изменяются в пределах одного витка орбиты. Такое же сильное изменение наблюдается и на всех остальных витках. Это свидетельствует о существенном изменении свойств вещества верхнего покрова в разных районах Марса.

Рис. 10. Результаты измерений эффективной диэлектрической проницаемости, плотности и термодинамической температуры грунта Марса, полученные в одном из сеансов работы станции «Марс-3»

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.

Примечания

1

При дальнейшем изложении, если это не будет соответственно оговорено, мы будем Луну также считать планетой.

2

См.: Л. И. Матвеенко. Радиоинтерферометры (серия «Космонавтика, астрономия», 3). М., «Знание», 1974.

3

В честь американского инженера К. Янского, обнаружившего в 1932 г. радиоизлучение Галактики.

4

Следует сказать, что толщина слоя грунта, плотность которого определялась контактно и дистанционно (радиолокационными методами), в большинстве случаев различна. Поэтому для сравнения полученных данных производился пересчет результатов определения плотности к одной толщине слоя верхнего покрова. Такой пересчет особенно необходим для лунных измерений в связи с тем, что плотность грунта Луны существенно изменяется с глубиной.

5

Следует сказать, что фигура Земли, представленная трехосным эллипсоидом, имеет размеры: большой и малой полуосей, расположенных в экваториальной плоскости, — 6378,345 и 6378,145 км соответственно, и полуоси в направлении от экватора к полюсам — 6356,863 км.

Оглавление