Радиоисследования планет с космических аппаратов

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.

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.