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

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.