Радиолокационная астрономия

Радиолокационная астрономия - раздел астрономии, основанный на применении методов радиолокации в исследованиях небесных тел. Радиолокационная астрономия - один из самых молодых разделов астрономии. Вместе с тем ее результаты вошли в основы современных знаний о Солнечной системе. Методами радиолокации была измерена астрономическая единица с точностью до 10 км. Разгаданы многие тайны планеты Венера, скрывавшиеся за ее плотной атмосферой (размеры и структура ее поверхности, вращение). Методом радиолокации определены высотные профили поверхности Марса, период вращения Меркурия, физические свойства материалов поверхностей планет, уточнены параметры орбит планет. Обнаружены отдельные быстродвижущиеся образования в солнечной короне. С помощью радиолокации измеряются скорости и направления движения метеорных частиц в атмосфере Земли. Радиолокация планет используется для выведения космических аппаратов к планетам и посадки их на поверхность.

Радиолокационные методы принципиально отличаются от других астрономических методов наблюдения. Если астрономы обычно наблюдают излучения небесных тел, то в радиолокационной астрономии регистрируют сигналы, посылаемые наблюдателем и отраженные этими телами (рис. 1). Выбор зондирующих сигналов и сравнение с ними отраженных эхо-сигналов значительно расширяют возможности наблюдателя, приближают наблюдения к физическому эксперименту. Поэтому радиолокационную астрономию называют активной.

Астрономическое применение радиолокация нашла в конце 40-х гг. XX в. Первыми ее объектами стали метеорные частицы, точнее, их ионизованные следы в атмосфере Земли. Затем стали исследовать Луну и Солнце. Радиолокация планет началась с 1961 г. с Венеры. Вскоре последовали радиолокационные контакты с Меркурием, Марсом, Юпитером, Сатурном, малой планетой Икаром.

Астрономические исследования привели к существенному развитию методов и техники радиолокации. Прежде всего это было вызвано исключительно слабой интенсивностью эхо-сигналов. Она изменяется обратно пропорционально четвертой степени расстояния до объекта. Так, даже наблюдая Луну при значительной площади отражающего участка ее поверхности, приходится иметь дело с сигналом, в десятки тысяч раз более слабым, чем при наблюдениях самолетов, а при наблюдениях Венеры - в миллионы раз более слабым, чем при наблюдениях Луны. Только исключительно быстрые темпы развития радиолокационной техники позволили одному и тому же поколению наблюдателей осуществить радиолокацию и Луны, и Венеры.

Современный планетный радиолокатор - сложная, управляемая ЭВМ радиоэлектронная система, в которой применяются грандиозные антенные сооружения, самые мощные передатчики и наиболее чувствительные радиоприемные устройства. Тем не менее из-за слабости эхо-сигналов для наземных радиолокационных наблюдений еще недоступны малые тела Солнечной системы, а также малые детали больших планет. Поэтому кроме наземных стали использоваться также бортовые радиолокаторы автоматических межпланетных станций, приближающихся к объектам наблюдения.

Рис. 1. Схема действия радиолокатора. Наблюдатель посылает зондирующие сигналы на космический объект и принимает на Земле отраженные эхо-сигналы

Рис. 2. Советский планетный радиотелескоп, с помощью которого были осуществлены первые радиоконтакты с планетами

Поразительно быстрые успехи наземной радиолокационной астрономии по сравнению с прежними темпами накопления наблюдательных данных о Солнечной системе объясняются прежде всего тем, что радиолокация принесла в астрономию прямые и высокоточные изменения дальности и лучевой скорости объектов. Определение дальности основывается на измерении времени распространения сигнала от передатчика до объекта и обратно - так называемое время запаздывания. Умножив его на известную скорость распространения (скорость света), получают длину пути, пройденного сигналом. Ошибки измерений дальности, произведенных таким способом, менее 1 км. Это позволяет решать задачи проверки и уточнения известных законов движения планет и законов общей теории относительности. В частности, был проверен и подтвержден вывод теории тяготения А. Эйнштейна (см. Теория относительности) о замедлении скорости электромагнитных волн в сильном поле тяготения (путь радиосигнала проходил вблизи Солнца).

Определение лучевых скоростей основывается на эффекте Доплера, который проявляется в изменении длины волны электромагнитных колебаний в зависимости от скорости приближения или удаления наблюдаемого объекта. Сигналы, отраженные от Луны и планет, имеют вследствие эффекта Доплера расширение спектра волн, вызванное тем, что отдельные элементарные участки отражающей поверхности из-за вращения объекта имеют различные лучевые скорости и направления осей вращения планет.

Зарегистрированный на магнитную пленку эхо-сигнал можно разложить затем на элементарные сигналы, различающиеся как по времени запаздывания, так и по доплеровскому сдвигу волны. Энергия каждого элементарного сигнала поступает от пары симметричных относительно экватора участков отражающей поверхности. Вклад от одного из них исключается с помощью диаграммы направленности приемной антенной системы. Так строятся отражательные радиокарты объектов. Карта Луны, построенная таким образом, по своей детальности и четкости не уступает лучшим фотографиям Луны. Этот способ составления карт был применен и для закрытой облаками Венеры. Из-за слабости эхо-сигнала, а также из-за того, что Венера всегда обращена к Земле одной стороной, получено изображение лишь небольшого ее участка, на котором можно различить кратеры размером в сотни километров. Более мелкие детали (в несколько километров) можно различить на радиокартах, полученных с помощью радиолокаторов бокового обзора, которые были установлены на советских автоматических межпланетных станциях "Венера-15", "Венера-16". Эти станции были выведены на эллиптические орбиты искусственных спутников Венеры с перицентрами над северной полярной областью планеты. С борта этих же спутников радиолокационным методом (с точностью 50 м) были измерены профили поверхности планеты.