Николай Крупенио - Радиоисследования планет с космических аппаратов
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».
