Радиоисследования планет с космических аппаратов - Николай Крупенио

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.

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.