|
Radiolokacionnaya astronomiya
issleduet tela Solnechnoi sistemy s pomosh'yu otrazhennyh imi radiovoln, poslannyh peredatchikom. Ob'ektami issledovaniya R.a. yavl. planety, ih sputniki, komety, solnechnaya korona.Radiolokaciya Luny vpervye proizvedena v 1946 g. Spustya 15 let v Velikobritanii, SSSR i SShA byli polucheny ehosignaly ot Venery, k-raya blizhe drugih bol'shih planet podhodit k Zemle. Chuvstvitel'nost' radiolokac. ustanovok pozvolyaet issledovat' takzhe Merkurii, Mars, Yupiter, Saturn, ih sputniki, malye planety (napr., Ikar, Eros) i komety v periody ih priblizheniya k Zemle. Radiolokac. issledovaniya solnechnoi korony provodyatsya s 1959 g.
V radiolokac. issledovaniyah nebesnyh tel ispol'zuyutsya te zhe fiz. principy, k-rye lezhat v osnove obychnoi nazemnoi radiolokacii. Raznica sostoit v ogromnoi velichine mezhplanetnyh rasstoyanii, vo mnogo tysyach raz prevyshayushei zemnye masshtaby. Vsledstvie etogo radiovolny, rasprostranyayushiesya so skorost'yu ok. 300 tysyu km/s, vozvrashayutsya k Zemle cherez neprivychno bol'shoi interval vremeni. Tak, radiovolny, polslannye v napravlenii Luny, k-raya dvizhetsya vokrug Zemli na rasstoyanii 360-400 tys. km, vozvrashayutsya v srednem cherez 2,5 s. Dlya Venery (minim. rasstoyanie 40 mln. km) etot interval ne byvaet men'she 4,5 min, a dlya Yupitera (600 mln. km) on dazhe prevyshaet 1 ch.
Osn. trudnost' v issledovanii nebesnyh tel metodami R.a. svyazana s tem, chto intensivnost' radiovoln pri radiolokacii oslablyaetsya obratno proporcional'no chetvertoi stepeni rasstoyaniya do issleduemogo ob'ekta. Poetomu radiolokatory, ispol'zuemye dlya issledovaniya nebesnyh tel, imeyut antenny bol'shih razmerov i moshnye peredatchiki. Napr., radiolokac. ustanovka centra dal'nei kosmich. svyazi v Krymu imeet antennu s diametrom glavnogo zerkala 70 m i oborudovana peredatchikom moshnost'yu nesk. soten kVt na volne 39 sm. Energiya, napravlyaemaya k celi, koncentriruetsya v luche s uglom raskryva 25'.
Uglovye razmery planet znachietl'no men'she etoi velichiny, i bol'shaya chast' izluchennoi energii prohodit mimo celi. Pri radiolokacii Venery v period nizhnego soedineniya, kogda ona blizhe vsego podhodit k Zemle, na vsyu planetu paadet izluchenie moshnost'yu 250 Vt. Chast' ego rasseivaetsya poverhnost'yu planety, znachit. zhe chast' izlucheniya pogloshaetsya. V rezul'tate vtorichnogo oslableniya izlucheniya na ego puti k Zemle moshnost' izlucheniya, popadayushego na poverhnost' antenny, sostavlyaet vsego Vt, a k priemniku postupaet eshe men'she.
Ris. 1. Dannye izmerenii dopolnitel'nogo zapazdyvaniya radiovoln, vyzyvaemogo polem tyagoteniya Solnca. Tochki naneseny v sootvetstvii s rezul'tatami izmerenii vremeni zapazdyvaniya signalov pri radiolokacii Venery (otrezki u tochek - predely vozmozhnyh pogreshnostei izmerenii). Sploshnaya krivaya - izmenenie dopolnitel'nogo zapazdyvaniya soglasno teorii tyagoteniya Einshteina. Po gorizontal'noi osi otlozhen interval vremeni do momenta verhnego soedineniya planety (v sutkah), to est' kogda ona okazhetsya za Solncem nalinii Zemlya-Solnce. |
Osobenno bol'shuyu rol' radiolokaciya sygrala v opredelenii abs. razmerov Solnechnoi sistemy, utochniv znachenie astronomichsekoi edinicy (sr. rasstoyaniya Zemli ot Solnca).
Provedennaya v Sovetskom Soyuze obrabotka dannyh radiolokac. izmerenii rasstoyaniya do Venery v 1962-75 gg. dala znachenie 1 a.e. =149597867,9 km. XVI General'naya assambleya Mezhdunarodnogo astronomich. soyuza prinyala v 1976 g. znachenie 1 a.e.=149597870 km (pri skorosti sveta c =299792458 m/s).
V to zhe vremya analiz radiolokac. izmerenii pokazal, chto i posle vneseniya popravki v velichinu a.e. ostayutsya znachit. regulyarnye rashozhdeniya mezhdu faktich. i efemeridnym (vychislennym) polozheniem planet otnositel'no Zemli, dostigayushie nesk. soten km. Dlya ustraneniya rashozhdenii v Sovetskom Soyuze byla sozdana relyativistskaya teoriya dvizheniya planet zemnoi gruppy, uchityvayushaya dannye radiolokac. nablyudenii planet i obespechivayushaya vychislenie iz vzaimnyh polozhenii s pogreshnost'yu 1-3 km, chto v 100 raz prevyshaet tochnost' prezhnih raschetov, osnovannyh tol'ko na optich. nablyudeniyah.
Utochnenie vzaimnyh polozhenii planet sdelalo vozmozhnym ne tol'ko vyvod iskusstvennyh sputnikov na orbity vokrug planet, no i dostavku spuskaemyh apparatov mezhplanetnyh stancii v zadannyi raion ih poverhnosti.
Ris. 2. Linii ravnyh zapazdyvanii (2) i ravnyh doplerovskih smeshenii (3) na poverhnosti planety, 1 - luch zreniya, 4 - vidimyi ekvator planety, 5 - vidimyi central'nyi meridian, 6 - granica vidimogo diska planety, O - centr diska planety, - vektor uglovoi skorosti vidimogo vrasheniya, v1 i v2 - skorosti dvizheniya kraev vidimogo diska. |
Primenenie radiolokac. metodov (naryadu s dr. radioastronomich. metodami) okazalos' ochen' plodotvornym v issledovaniyah Venery. Poverhnost' etoi planety zakryta plotnym oblachnym sloem, neprozrachnym v vidimyh, UF- i IK-luchah. Poetomu optich. metodami ne udavalos' opredelit' period vrasheniya Venery i vyyasnit' fiz. usloviya na ee poverhnosti. V to zhe vremya dlya radiovoln decimetrovogo diapazona atmosfera Venery okazalas' prozrachnoi, chto pozvolilo poluchit' dostovernye svedeniya o ee poverhnosti.
Ris. 3. Profil' vysot poverhnosti Marsa vdol' 21o severnoi
shiroty. Gornye massivy: I - Farsida, II - Olimp, III - Elizii, IV - Bol'shoi Sirt; nizmennosti: V - Hrisa, VI - Amazonis, VII - Isida. |
Ris. 4. Opredelenie perioda i napravleniya vrasheniya Venery po nablyudeniyam variacii shiriny spektra otrazhennyh voln. Krivye predstavlyayut izmenenie uglovoi skorosti vidimogo vrasheniya Venery, vychislennoe dlya ryada znachenii perioda T v predpolozhenii, chto os' vrasheniya planety perpendikulyarna ploskosti ee orbity. Eksperimental'nye tochki luchshe vsego sootvetstvuyut obratnomu vrasheniyu Venery s periodom ok. 300 sut. |
Na etom zhe grafike naneseny eksperimental'nye tochki, poluchennye po nablyudeniyam rasshireniya spektra otrazhennogo signalov (SSSR, 1962 g.). Nablyudavsheesya vrashenie imeet minimum vblizi nizhnego soedineniya, cht oukazyvaet na obratnoe vrashenie planety. Variacii shiriny spektra sootvetstvuyut periodu vrasheniya ok. 300 zemnyh sut.
Eshe v 60-h gg. 20 v. pri analize spektra otrazhennogo Veneroi signala byli obnaruzheny obshirnye oblasti ee poverhnosti, rasseivayushie radiovolny bolee intensivno, chem okruzhayushaya mestnost', t.e. vyglyadyashie "radioyarkimi" na okruzhayushem fone. Eto dalo vozmozhnost' proizvesti dal'neishee utochnenie vrasheniya Venery, analogichno tomu, kak esli by dvizhenie etih oblastei bylo dostupno optich. nablyudeniyam. Mezhdunarodnym astronomich. soyuzom period vrasheniya Venery prinyat ravnym 243,01 sut pri obratnom vrashenii, koordinaty Sevrnogo polyusa: pryamoe voshozhdenie 272,8o, sklonenie 67,2o.
Os' vrasheniya Venery pochti perpendikulyarna k ploskosti ekliptiki. S uchetom vozmozhnyh sistematicheskih oshibok rezul'taty izmerenii perioda vrasheniya sovpadayut so znacheniem 243, 16 sut, pri k-rom Venera v kazhdom nizhnem soedinenii dolzhna byt' obrashena k Zemle odnoi i toi zhe storonoi (sinodich. rezonans). V promezhutke mezhdu soedineniyami nazemnyi nablyudatel' videl by chetyre polnyh oborota Venery, esli by ee poverhnost' byla svobodna ot oblakov. Prodolzhitel'nost' sr. solnechnyh sutok na Venere sostavlyaet 116,8 zemnyh.
Ne isklyucheno, chto sinhronizaciya vrasheniya Venery vyzvana deistviem prilivnyh sil so storony Zemli. Vprochem, poslednie dannye, poluchennye v SSSR i SShA, ukazyvayut, chto period vrasheniya Venery, veroyatno, neskol'ko men'she 243,16 sut i rezonans eshe ne nastupil. Esli vrashenie Venery i otlichaetsya ot sinodich. rezonansa, to eto otlichie ochen' malo: period men'she rezonansnogo vsego na 2-4 ch. Potrebuetsya ok. 700 let, chtoby Venera v nizhnem soedinenii okazalas' by obrashennoi k Zemle obratnym polushariem.
Dlya issledovaniya usrednennyh po poverhnosti harakteristik otrazheniya planet ispol'zuyut kak spektral'nye izmereniya, tak i izmereniya, postroennye na razdelenii otrazhennyh signalov po vremeni zapazdyvaniya. V osnove vtorogo metoda lezhit to, chto volnovoi front izlucheniya, padayushego po luchu 1, postepenno "osveshaet" vse vidimoe polusharie planety, nachinaya ot blizhaishei k nazemnomu nablyudatelya tochki O (centra diska planety, ris. 2), i otrazhennoe izluchenie zapazdyvaet v sootvetstvii s rasstoyaniem dannogo uchastka poverhnosti. Razdelyaya otrazhennye signaly po vremeni zapazdyvaniya, poluchayut raspredelenie energii otrazhennyh voln po luchu zreniya. Raspredelenie energii otrazhennogo Veneroi izlucheniya, poluchennoe etim metodom v 1962 g., predstavleno na ris. 5. Rezkii maksimum v tochke, sootvetstvuyushei centru diska planety, govrit o nalichii zerkal'nogo blika, prisushego gladkim poverhnostyam. Velichina koeff. otrazheniya poverhnosti (12-18%) poluchilas' atkoi zhe, kak i u zemnyh skal'nyh porod na silikatnoi osnove. T.o. byla ustanovlena priroda otrazhayushei poverhnosti Venery.
Ris. 5. Raspredelenie energii otrazhennyh Veneroi voln (vertikal'naya os') po luchu zreniya (gorizontal'naya os' y). Nachalo koordinat sootvetstvuet blizhaishei k nazemnomu nablyudatelyu tochke poverhnosti planety (centru diska). Rezkii maksimum v nachale koordinat svidetel'stvuet o nalichii zerkal'nogo blika v centre diska planety. |
Razdelyaya otrazhennye signaly odnovremenno po zapazdyvaniyu i chastote, poluchayut izobrazhenie poverhnosti planety, hotya odinochnye antenny ne obladayut toi razreshayushei sposobnost'yu, kakuyu imeyut optich. teleskopy. Tochki na poverhnosti planety, obrazuyushie okruzhnost' 2, ploskost' k-roi perpendikulyarna luchu zreniya 1 (ris. 2), nahodyatsya na odinakovom rasstoyanii ot nazemnogo nablyudatelya; eta okruzhnost' yavl. liniei ravnyh zapazdyvanii. S drugoi storony, tochki, lezhashie na okruzhnosti 3, ploskost' k-roi parallel'na luchu zreniya i osi vidimogo vrasheniya, imeyut po otnosheniyu k nazemnomu nablyudatelyu odinakovye luchevye skorosti; sledovatel'no, eta okruzhnost' yavl. liniei ravnyh doplerovskih smeshenii.
Znaya rasstoyanie do nek-roi tochki B' i ee luchevuyu skorost', mozhno rasschitat' zapazdyvanie i doplerovskoe smeshenie i vydelit' signaly, otrazhennye etoi tochkoi. Odnako, kak vidno iz risunka, okruzhnosti ravnyh zapazdyvanii i doplerovskih smeshenii peresekayutsya ne tol'ko v tochke B', no i v tochke B'', raspolozhennoi simmetrichno otnositel'no ploskosti vidimogo ekvatora 4. Dlya togo chtoby prinyat' otrazhennye etimi tochkami signaly razdel'no i poluchit' nenalozhennoe izobrazhenie, primenyayut uglovoe razdelenie. Dlya etogo ispol'zuyut libo antenny s dostatochno uzkoi diagrammoi napravlennosti (v sluchae Luny, uglovye razmery k-roi dostatochno veliki po sravneniyu s diagrammoi bol'shih antenn), libo dvuhantennyi radiointerferometr.
Ris. 6. Izobrazhenie lunnogo kratera Tiho, poluchennoe radiolokacionnym metodom. |
S pomosh'yu krupneishih radiolokac. ustanovok v Aresibo i Goldstone byli polucheny izobrazheniya otdel'nyh uchastkov obrashennogo k Zemle v period sblizheniya polushariya Venery s prostranstv. razresheniem 10-20 km (v poslednee vremya do 3 km). V 1980 g. s pomosh'yu radiovysotomera-profilografa, ustanovlennogo na amer. mezhplanetnoi stancii "Pioner-Venera", byla postroena karta vysot (gipsometrich. karta), ohvatyvayushaya poverhnost' Venery mezhdu 60o yuzhnoi shiroty i 75o severnoi. Na etoi karte vidny detali kontinental'nogo masshtaba: Zemlya Ishtar, gornyi massiv Maksvella, Zemlya Afrodity. Izmereniya vysoty shli cherez 50-150 km. Bolee melkie detali - gornye hrebty, kratery, riftovye doliny - okazalis' nerazlichimymi.
Ris. 7. Shema radiolokacionnoi s'emki s kosmicheskogo apparata: 1 - linii ravnyh zapazdyvanii i ravnyh doplerovskih smeshenii v diagramme napravlennosti antenny bokovogo obzora, 2 - sled diagrammy napravlennosti antenny radiovysotomera-profilografa. |
S pomosh'yu peredatchika i antenny, ustanovlennyh na sputnike, radiovolnami "osveshaetsya" nek-ryi uchastok ADBG poverhnosti planety sboku ot trassy poleta (ris. 7). Elementy poverhnosti v predelah diagrammy napravlennosti antenny nahodyatsya na raznom rasstoyanii i dvizhutsya s raznymi radial'nymi skorostyami pri nablyudenii ih so sputnika. Napr., tochka A nahoditsya blizhe, chem tochka V, i otrazhennye eyu signaly budut prinyaty ran'she. S drugoi storony, tochka G priblizhaetsya k apparatu i otrazhennye eyu signaly vsledstvie effekta Doplera budut vyshe po chastote, chem signaly, otrazhennye tochkoi D, k-raya udalyaetsya. Eto i ispol'zuetsya dlya razdeleniya radiovoln, otrazhennyh otdel'nymi elementami poverhnosti, i postroeniya izobrazheniya. Linii ravnyh zapazdyvanii yavl. koncentrich. okruzhnostyami s centrom neposredstvenno pod sputnikom, linii ravnyh doplerovskih smeshenii - konich. secheniya. Zametim, chto obychnym sposobom to zhe prostranstv. razreshenie mozhno bylo by dostignut', ustanoviv na KA antennu diametrom ok. 70 m.
Ris. 8. Radiolokacinnoe izobrazhenie raiona gor Maksvella na Venere, poluchennoe kosmicheskimi apparatami "Venera-15, -16". Vverhu priveden vysotnyi profil' poverhnosti po trasse, otmechennoi beloi liniei (otschet vedetsya ot centra planety). |
Elementy snimaemoi poverhnosti "osveshayutsya" radiovolnami v srednem pod uglom 10o k vertikali. Yarkost' vidimyh obrazovanii opredelyaetsya v pervuyu ochered' uglom, pod k-rym ih elementy vstrechayut padayushie na nih radiovolny. Sklony gornyh obrazovanii, obrashennye k KA, vyglyadyat svetlymi, protivopolozhnye sklony - temnymi.
Rasshifrovat' vidimye na snimkah obrazovaniya pomogaet radiovysotomer-profilograf. On neposredstvenno izmeryaet vysotu KA nad srednei poverhnost'yu planety v pyatne diametrom 40-50 km (ris. 7). Blagodarya spec. metodike, uchityvayushei razbros vysot i sherohovatost' poverhnosti v pyatne, srednekvadratichnaya pogreshnost' izmereniya vysot okazalas' men'she 50 m. Trassa izmerenii vysoty na ris. 8 pokazana beloi liniei, po vertikal'noi osi dana velichina radiusa poverhnosti planety v dannoi tochke v km, vychislennaya kak raznost' rsstoyaniya KA ot centra planety i izmerennoi vysoty.
Maks. vysota gornogo massiva dlya dannogo profilya sostavlyaet 11 km nad srednim radiusom Venery, dlya k-rogo Mezhdunarodnyi astronomich. soyuz prinyal znachenie 6051 km. Krater, k-ryi peresekla trassa izmerenii vysoty, raspolozhen na sklone gornogo massiva i imeet slozhnuyu formu. Iz sopostavleniya izobrazheniya s profilem sleduet, chto vnutri bol'shogo kratera glubinoi ok. 1,5 km nahoditsya vtoroi, dno k-rogo opusheno eshe na 1 km.
Atmosfera Venery, a takzhe Yupitera okazyvaet vliyanie na rasprostranenie radiovoln, chto ispol'zuetsya dlya issledovaniya stroeniyaih atmosfer. V pervyh radiolokac. nablyudeniyah Venery, osushestvlennyh v decimetrovom i metrovom diapazonah voln, velichina otrazhat. sposobnosti planety poluchilas' primerno odinakovoi. Poetomu neozhidannym okazalos' rezkoe umen'shenie otrazhat. sposobnosti, obnaruzhennoe pri radiolokacii Venery v santimetrovom diapazone (ris. 9). Ukazannoe yavlenie moglo byt' svyazano s poglosheniem radiovoln v atmosfere Venery, no proverit' eto predpolozhenie udalos' lish' posle analiza himicheskogo sostava atmosfery Venery priborami AMS tipa "Venera".
Ris. 9. Zavisimost' otrazhatel'noi sposobnosti () Venery ot dliny volny (). Rezkoe umen'shenie v santimetrovom diapazone vyzvano poglosheniem elektromagnitnogo izlucheniya v atmosfere Venery. |
V nablyudeniyah Yupitera otrazhennyi signal ne byl zaregistrirovan nadezhno, hotya chuvstvitel'nost' radiolokac. ustanovok pozvolyala ego obnaruzhit', esli Yupiter imel tu zhe otrazhat. sposobnost', chto i Venera. Po-vidimomu, radiovolny prakticheski polnost'yu zatuhayut v ochen' glubokoi atmosfere Yupitera. Analogichno radiovolny dolzhny zatuhat' v atmosfere i dr. planet-gigantov. V tozhe vremya kol'ca saturna okazalis' horoshim otrazhatelem i rasseivayut radiovolny, podobno tomu kak oblaka rasseivayut vidimyi svet.
Esli pri radiolokacii Luny, Venery, Marsa radiovolny otrazhayutsya ot tverdoi poverhnosti, to pri issledovanii Solnca otrazheniya prihodyat ot ionizovannogo razrezhennogo gaza, obrazuyushego solnechnuyu koronu. Dlya issledovaniya Solnca ispol'zuyut volny metrovogo diapazona. Bolee korotkie volny pronikayut gluboko i zatuhayut, prezhde chem otrazyatsya ot k.-l. obrazovaniya.
Plazma solnechnoi korony ne imeet rezkoi granicy. V nei obnaruzheny neodnorodnosti, dvizhushiesya so skorostyami do 200 km/s. Radiolokaciya pozvolyaet issledovat' dinamiku solnechnoi korony.
Lit.:
Razvitie radiolokacionnyh issledovanii planet v Sovetskom sobze, v kn.: Problemy
sovremennoi radiotehniki i elektroniki, M., 1980, s. 32; Edinaya relyativistskaya teoriya
dvizheniya
vnutrennih planet Solnechnoi sistemy, DAN SSSR, 1980, t. 255, N 3, s. 545.
(O.N. Rzhiga)