Радиоисследования планет с космических аппаратов - Николай Крупенио

Мы не будем здесь касаться конструкций и схем построения антенн, используемых на борту космических аппаратов. Отметим только, что антенны с шириной диаграммы направленности менее 10° обычно называют антеннами с узкой диаграммой направленности, с шириной более 10° — антеннами с широкой диаграммой направленности.

Советский радиоастроном В. С. Троицкий в свое время открыл поляризацию теплового радиоизлучения Луны, характеризуемую тем, что интенсивность принимаемого радиоизлучения оказалась зависящей от поляризационных свойств антенны и угла, под которым она направлена к исследуемой поверхности (угла визирования). В связи с этим изучение поляризации стало играть определенную роль в радиофизических измерениях теплового излучения планет.

Антенны космических аппаратов рассчитаны на прием радиосигналов либо с круговой, либо с линейной поляризацией. Если антенна рассчитана на прием радиоизлучения с линейной поляризацией, то интенсивность принимаемого ею сигнала будет зависеть от угла между плоскостью наблюдения и плоскостью поляризации (см. рис. 1). Полученная зависимость позволяет получить важную информацию об электрических свойствах исследуемого грунта.

Радиорефракционные измерения

В последние годы широкое применение в космических экспериментах нашел метод, изучающий радиорефракционные свойства тропосфер и ионосфер. Одним из преимуществ этого метода является то, что для его реализации на борт космического аппарата, как правило, не надо устанавливать специальной аппаратуры.

Результатом рефракционных измерений является определение высотной зависимости коэффициента преломления радиоволн тропосферой и ионосферой планеты. Направление и скорость распространения радиоволн в атмосфере зависят от метеорологических параметров (температуры и давления), а также от химического состава газов, образующих атмосферу. С увеличением плотности молекул газа, определяемой его температурой и давлением; возрастает коэффициент преломления и уменьшается скорость распространения радиоволн.

Коэффициент преломления обычно уменьшается с ростом высоты, так же как уменьшается и температура и давление. Однако все эти параметры изменяются по разным законам.

Из результатов радиорефракционных измерений после соответствующей обработки получают данные о температуре, давлении и плотности нижней части атмосферы (тропосферы). Однако для этого используют определенные предположения, т. е. выбирают модель состояния атмосферы, чтобы по одному параметру (отношению давления к температуре, определяемому непосредственно из рефракционных измерений) определить три взаимозависимых параметра: температуру, давление и плотность. Обычно принимаются следующие предположения: атмосферный газ полагают несжимаемым и находящимся в гидростатическом равновесии. Кроме того, считают, что он хорошо перемешан воздушными потоками.

Если произвести измерения коэффициента преломления на многих высотах, то по полученной зависимости этого параметра от высоты можно, с учетом вышеизложенных предположений, получить высотные зависимости (профили) основных метеопараметров атмосферы: температуры, давления и плотности.

Для изучения ионосфер планет используют радиорефракционные измерения на одной или одновременно на двух частотах. Ионосфера — ионизированная часть верхней атмосферы планет — исследуется также и прямыми методами с помощью электронных ловушек и электростатических анализаторов. Одночастотный радиорефракционный метод более грубый и менее чувствительный по сравнению с двухчастотным. С помощью одночастотного метода изучаются главным образом дневные (освещенные Солнцем) ионосферы планет. Двухчастотные методы используются для изучения ночных ионосфер планет, ионизированных более слабо. В освещенной Солнцем части ионосферы под воздействием фотохимических процессов и солнечного ветра (потока электронов, протонов и α-частиц) вблизи планеты возникает плазма — ионизированная оболочка. Ночью фотохимические процессы в верхней атмосфере значительно ослабляются. Обтекающий планету поток солнечного ветра над ночной стороной имеет значительно меньшую концентрацию, чем над дневной стороной. Все это приводит к изменению структуры ионосферы над ночной стороной планеты по сравнению с дневной.

Поэтому ночью в атмосфере значительно уменьшается концентрация электронов и изменяется распределение концентрации электронов с высотой. Ночью же ионосфера ближе прижимается к поверхности планеты и становится менее протяженной.

Наличие свободных электронов в ионосфере приводит к преломлению и ослаблению радиоволн. Уменьшение коэффициента преломления прямо пропорционально электронной концентрации и квадрату длины волны. Поэтому исследование рефракции радиоволн позволяет определять в ней концентрацию электронов. Следует отметить, что коэффициент преломления радиоволн в ионосфере меньше 1. Тогда как коэффициент преломления в нейтральном газе тропосферы больше 1.

B связи с тем, что концентрация электронов в ионосфере изменяется не монотонно с высотой, как это обычно имеет место для метеорологических параметров тропосферы (температуры, давления и др.), решение обратной задачи — получение высотной зависимости концентрации электронов в ионосфере по результатам радиорефракционных измерений — является более сложной процедурой, чем получение высотных профилей давления, температуры и плотности для тропосферы.

Радиорефракционные измерения проводятся по следующей схеме.

На борту космического аппарата (КА), пролетающего вблизи планеты, включается передатчик, который имеет стабильную частоту излучения. На наземном пункте принимается сигнал этого передатчика и фиксируются амплитуда, частота и фаза сигнала. Измерения начинаются за несколько десятков минут до захода космического аппарата за видимый с Земли диск планеты. После выхода космического аппарата из тени планеты измерения продолжаются в течение еще нескольких десятков минут.

По мере захода космического аппарата за край видимого с Земли диска планеты (лимба) трасса распространения радиоволн между КА и наземным пунктом проходит через все более низкие слои атмосферы планеты. При этом непрерывно меняется отклонение направления распространения радиолуча от прямолинейного вследствие возрастания концентрации молекул газа на трассе распространения радиоволн. Это изменение направления распространения радиоволн (рефракция) вызывает на наземном пункте дополнительное изменение частоты принимаемого сигнала (из-за эффекта Доплера) по сравнению с изменением частоты, определяемой для данного момента времени только движением космического аппарата.

Обработка разницы изменения частоты принятого на Земле сигнала между измеренной и рассчитанной по траекторным данным позволяет с учетом высоты прохождения радиолуча в атмосфере определить коэффициент преломления радиоволн для данной высоты прохождения радиолуча над поверхностью планеты. Следует отметить, что радиолуч при заходе КА за лимб планеты вначале пронизывает верхнюю атмосферу, а затем нижнюю. Если измерения происходят в дневной атмосфере, то по времени вначале будет определен коэффициент преломления радиоволн ионосферой, а затем уже — нижней атмосферой. При выходе КА из-за лимба планеты измерения проводятся в обратном порядке: вначале исследуются более низкие слои атмосферы, а затем более высокие. Если измерения проводятся ночью, то из-за незначительности эффекта преломления радиоволн в ионосфере (при одночастотном методе радиопросвечивания) ионосфера обычно не обнаруживается.

Из-за относительно небольших эффектов преломления радиоволн при измерении рефракции в атмосфере планет система радиорефракционных измерений должна обладать высокой точностью и стабильностью. Для получения достаточно точных исходных данных, необходимых для расчета коэффициента преломления, нужно осуществлять измерение частоты принятого радиосигнала на наземном пункте с ошибкой всего в несколько сотых долей герца. Для исследования тропосфер и дневных ионосфер планет используют одночастотные методы. Для исследования же ночных ионосфер применяют в основном двухчастотные методы радиопросвечивания, при использовании которых удается зарегистрировать меньшие величины коэффициента преломления радиоволн вблизи планеты.

В двухчастотном методе бортовой передатчик КА излучает одновременно два сигнала, которые между собой синхронизированы. Между частотами этих сигналов установлено жесткое соответствие (обычно второй сигнал получается путем увеличения частоты первого сигнала в некоторое число раз — n, причем это число может быть и не кратным). На наземном пункте принимаются сигналы обеих частот. После соответствующего усиления обоих сигналов первый сигнал увеличивается по частоте в n раз и сравнивается со вторым сигналом. При отсутствии изменения частоты при распространении обоих сигналов разность частот между ними (приведенная частота) после преобразования в приемнике будет равна нулю. Сдвиг частоты за счет движения КА (благодаря эффекту Доплера) пропорционален отношению радиальной скорости КА к длине волны передатчика. При таком двойном преобразовании частот двух сигналов (на борту КА и на наземном пункте) никакого изменения приведенной частоты за счет эффекта Доплера (из-за движения КА) не будет. Значение приведенной частоты будет только зависеть от рефракции радиоволн для сигналов обеих частот бортовых передатчиков, так как рефракция зависит от квадрата длины волны (а не от первой степени).