"Радиоисследования планет с космических аппаратов" - читать интересную книгу автора (Крупенио Николай Николаевич)

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 σ_α, 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.