Николай Крупенио - Радиоисследования планет с космических аппаратов

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).

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.