Приключения радиолуча

С 80-х годов прошлого века астрономы были убеждены, что Меркурий всегда обращен к Солнцу одной и той же стороной, как и Луна при своем вращении вокруг Земли, и что сутки на Меркурии равны году. То есть за один оборот вокруг Солнца, который длится 88 земных суток, Меркурий совершает один оборот вокруг своей оси. Но радиолокация Меркурия показала, что за один меркурианский год он совершает полтора оборота вокруг своей оси. Астрономы-оптики отказывались верить: «Не может быть, чтобы заблуждались три поколения астрономов?!»

В 1973 году приняты радиолокационные сигналы от колец Сатурна. Такое огромное расстояние радиоволна пробегает за 2,5 часа.

Одно из самых важных применений радиолокатора в астрономии выглядит довольно скромно: измерение астрономической единицы с невиданной для оптических замеров точностью (с точностью до одной десятимиллионной). Но астрономическая единица (расстояние от Земли до Солнца) — основной масштаб астрономии, а при планировании космических полетов к другим планетам необходима именно такая точность. Например, если бы при полете советской межпланетной станции «Венера-4», впервые опустившейся в атмосферу Венеры, было использовано прежнее значение астрономической единицы, то станция «промахнулась» бы и прошла мимо планеты на расстоянии трех ее радиусов.

Систематические радиолокационные наблюдения планет Солнечной системы используются учеными для разработки единой теории планет Солнечной системы, которая в десятки, сотни раз будет точнее, чем существующая классическая теория, созданная на основе оптических измерений. Такая теория необходима для решения задач навигации межпланетных аппаратов.

Сложные сигналы используются и для связи с космическими объектами. А расстояния до них в буквальном смысле астрономические. Именно благодаря сложным сигналам при малой мощности передатчика на борту космического аппарата удается выделить глубоко сокрытые шумами послания из космических далей. Американский космический аппарат «Вояджер-2» с расстояния около трех миллиардов километров передал снимки планеты Уран. Мощность передатчика на борту «Вояджера» была 20 ватт, в месте приема она уменьшилась в 1018, или в миллиард миллиардов раз. А впереди предстоят еще съемки планеты Нептун, к которой «Вояджер» подлетит в 1989 году.

Фантастична также чувствительность устройств, принимающих сигналы из космоса, — радиотелескопов. В 1965 году на одной из научных выставок посетителю предлагали взять лежащий на столе небольшой листок бумаги. Перевернув его, посетитель знакомился с таким текстом: «Взяв со стола этот листок бумаги, вы затратили больше энергии, чем та энергия, которую за всю историю астрономии приняли все существующие в мире радиотелескопы».

СО СТОРОНЫ ВИДНЕЕ…

Радиолокация сегодня — обширная область техники, которая впитывает в себя все достижения электроники. С помощью радиолокации мы можем заглянуть не только в глубины космоса, но и в глубь Земли.

Казалось бы, какая связь между одной из самых таинственных загадок древней цивилизации майя и радаром? Историков давно занимал вопрос: каким образом удавалось прокормиться двум-трем миллионам индейцев майя в болотистых джунглях нынешних Гватемалы и Белиза в Центральной Америке, на территории которых находилось государство майя. Ведь в таких условиях не могут расти никакие зерновые культуры.

Совершенно случайно ответ был найден с помощью радара. Специалисты НАСА разработали его для изучения поверхности Венеры, а испытания проводили над Гватемалой. Радар обнаружил под густым пологом тропической зелени обширную сеть ирригационных каналов, выкопанных примерно в VIII—IX веках нашей эры. Только в Гватемальских джунглях сокрыты от глаз тысячи километров дренажных каналов.

Сегодня услугами радара пользуются археологи, и довольно успешно. Радары видят засыпанные землей фундаменты древних зданий и поселений. Радиолокационные изображения, полученные со спутника или самолета, помогают антропологам. Ведь на них бывают видны исчезнувшие реки и озера, а древние предпочитали строиться ближе к воде.

Есть радары, измеряющие толщину льда, радары-метеорологи, радары-геологи, ищущие нефть и другие полезные ископаемые. Чтобы найти воду, не обязательно бурить скважину. Ее способен заменить все тот же радар. С помощью спутниковых и самолетных радаров создаются карты поверхностных вод, контролируется влажность почв, измеряется скорость ветра над морями и океанами, определяются границы районов вечной мерзлоты… Во льдах Антарктиды самолетные радары четко фиксируют метеориты поперечником всего лишь 15—20 сантиметров, ушедшие под лед на глубину нескольких десятков метров. В период вьетнамской войны американцы использовали радары для обнаружения подземных ходов партизан Южного Вьетнама.

Трудно перечислить всю ту информацию о Земле, которую можно получить и уже получают со спутников в радиоволновом диапазоне. Чтобы дать хоть какое-то представление о тех сведениях, прибегну к фантастическому приему. Попробуем представить себя на месте космонавта-инопланетянина, органы зрения которого воспринимают излучения нижней части СВЧ-диапазона. Тогда Земля не представлялась бы нам в таком виде, как нашим космонавтам, — голубой планетой, окутанной белыми облаками с зелеными вкраплениями полей и лесов, меняющей оттенки своей палитры с изменением погоды и солнечного освещения.

И днем и ночью мы видели бы стабильную картину, одинаковую и при облачной и при ясной погоде, и в полдень и в сумерках. Мы бы четко различали горы и поля, леса и пустыни, море и сушу, реки и озера, кварталы городов с их улицами и скверами… Вода — почвенная влага, болота, реки, озера, пресный и морской лед… — предстала бы перед нами во всем своем многообразии. Мы видели бы на несколько метров в глубь пустынь, находя под тысячелетним слоем песка следы высохших рек и погребенных городов, новые, неведомые нам прежде, детали подземного рельефа.

Затем, если бы могли перестроить свой «глаз» на более высокие частоты в СВЧ-диапазоне, то наблюдали еще и водяной пар, кислород, другие компоненты земной атмосферы. Мы бы увидели кухни погоды, как зарождаются и скользят по океанским просторам тайфуны. В общем, перед нашими глазами предстала бы «живая» метеорология…

В последнее время в газетах нередко мелькают такие технические выражения: «боковая радиолокация», «радиолокатор бокового обзора», «синтезированная апертура». Эти понятия — часто синонимы.

Что же такое «синтезированная апертура»? Именно благодаря ей космические станции «Венера-15» и «Венера-16» смогли получить изображение поверхности Венеры. В течение восьми месяцев с октября 1983 года шла съемка. Радиолокационные снимки получились довольно подробными, и по ним учеными Института геохимии и аналитической химии АН СССР составлена геолого-морфологическая карта северного полушария планеты от полюса до широты 30 градусов.

Оказалось, что ее поверхность во многом напоминает земную. Там есть и горные массивы, и отдельные кратеры. Удалось также найти и самую высокую гору высотой 11,5 километра. Полученные карты свидетельствуют о том, что формирование лика планеты еще не завершилось. Возможна крупномасштабная тектоническая активность.

Как удалось радару разглядеть с высоты одной-двух тысяч километров детали поверхности размером один-два километра? Ведь для этого необходима огромная даже по земным меркам антенна — диаметром около 70 метров. Вывести на венерианскую орбиту такую громоздкую конструкцию пока еще трудно. А инженеры обошлись антенной гораздо меньшего размера — всего лишь 6 на 1,4 метра.

Понятно, что чем уже луч антенны, тем больше деталей на поверхности можно различить. Ширина же луча зависит от размера антенны и от длины волны. Чем больше ее размер и чем меньше длина волны, тем уже луч.

Большую антенну на космической станции или самолете не всегда можно разместить. У самолета, например, в подобном случае резко ухудшаются аэродинамические свойства. Чтобы не портить аэродинамику, иногда в качестве антенны приспосабливают фюзеляж самолета (такие системы также называются радиолокаторами бокового обзора). Но и тогда радиолокационным снимкам очень далеко до подробностей оптических фотографий. А длину волны тоже нельзя снижать до определенного предела, не то начнут влиять метеоусловия.