§ 11. РАДИОЛОКАЦИЯ ПЛАНЕТ

Антенна радиотелескопа способна не только принимать, но и передавать сигналы. Чем больше площадь антенны и мощность передатчика, тем более мощный сигнал будет послан к другой планете. Дальше произойдет следующее. Встретив на своем пути поверхность планеты, сигнал отразится от нее, и часть энергии отраженного сигнала вернется обратно и может быть принята той же антенной.

Разумеется, принятый сигнал будет во много раз слабее посланного. Ведь интенсивность любого излучения ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния, причем это относится и к падающему, и к отраженному сигналу. Далее, планета — не идеально отражающая поверхность, она характеризуется некоторым коэффициентом отражения . Кроме того, отраженное излучение распределяется по различным направлениям неравномерно, и приходится вводить коэффициент направленности .

С учетом всего этого мощность дошедшего до нас сигнала будет равна

Здесь — мощность передатчика, А — эффективная площадь антенны, R — радиус планеты, — расстояние до нее, G — коэффициент усиления передающей антенны, равный

где — длина волны, на которой проводится радиолокация.

Рассчитаем отношение для такого примера. Производится радиолокация Венеры км), находящейся от нас на расстоянии млн. км. Произведение для длины волны см можно положить равным 0,1. Допустим, что мощность передатчика передача и прием сигналов производится параболоидальной антенной диаметром площадь которой тогда коэффициент усиления антенны Мы получим

Неудивительно, что первые попытки английских и американских радиоастрономов получить отражение сигнала от Венеры в 1958—1959 гг. потерпели неудачу, и реально оно было обнаружено уже в 1961—1962 гг. одновременно в СССР, Англии и США. Постепенно наращивая мощности передатчиков (до 400 кет) и повышая коэффициент усиления антенны за счет увеличения ее площади и перехода к более коротким волнам, а также стремясь использовать периоды сближения с Венерой млн. км), радиоастрономы смогли принимать сигналы мощностью порядка Впрочем, совершенствование техники приема и выделения слабого сигнала на фоне случайных шумов (путем амплитудной или частотной модуляции и иными способами) позволяет теперь радиоастрономам принимать и анализировать сигналы мощностью до

Сперва радиолокация планет (главным образом Венеры) использовалась для уточнения величины астрономической единицы (среднего расстояния Земли от Солнца).

Определяя время прохождения сигнала от Земли к Венере и обратно, можно вычислить расстояние между планетами в километрах. Небесная механика дает нам то же расстояние в астрономических единицах. Отсюда и находится величина астрономической единицы. С помощью радиолокации Венеры (проводившейся независимо в СССР группой ученых из Института радиотехники и электроники АН СССР под руководством В. А. Котельникова и в США несколькими группами ученых) удалось определить эту величину с потрясающей точностью, о какой и не мечтали астрономы до применения этого метода:

Следующей задачей, успешно решенной методами радиолокации, было определение радиусов планет, в частности, радиуса Венеры, поверхность которой скрыта от нас плотным облачным покровом. Радиус планеты определяется из тех же наблюдений, что и расстояние до нее. Поскольку в формулы небесной механики входит расстояние между центрами планет, а радиолокационный метод позволяет определить расстояние до ближайшей к Земле точки поверхности планеты, можно из длительного ряда наблюдений получить раздельно величину астрономической единицы и радиус планеты. Кроме того, расстояние до центра планеты можно получить независимо другим способом: по доплеровскому смещению частоты отраженного радиолуча, которое дает нам скорость относительного движения планеты. От скорости с помощью формул небесной механики можно перейти к расстоянию до планеты. Сравнив расстояния, полученные обоими методами: по доплеровскому смещению (расстояние до центра планеты) и по времени прохождения радиоволн (расстояние до ближайшей точки), можно найти радаус планеты. Точность этого метода для Меркурия, Венеры и Марса достигла ±1 км, тогда как оптический метод давал ±50 км.

Третьей задачей радиолокации планет было определение периодов вращения Венеры и Меркурия.

Период вращения Венеры был совсем неизвестен, для Меркурия был принят период в 88 суток, оказавшийся неверным.

Радиолокация с честью справилась с этой задачей. В результате вращения планеты отраженный сигнал оказывается размазанным по частоте, поскольку край планеты который из-за ее вращения приближается к нам, дает смещение частоты отраженного сигнала в сторону больших частот, а тот, который удаляется, — в сторону меньших частот. Ширина полосы «размазанного» сигнала пропорциональна скорости вращения планеты. Анализ наблюдений этим методом за длительный период позволяет определить и направление вращения, и положение оси планеты.

Другой метод состоит в том, что на записи отраженного сигнала выявляются небольшие пички, вызванные повышенной отражательной способностью отдельных деталей поверхности планеты (например, возвышенностей или гладких склонов гор). Следя за постепенным перемещанием этих пичков по кривой записи сигнала, можно еще точнее определить период вращения планеты. Так были определены периоды вращения Меркурия (58,65 суток) и Венеры (-243,46 суток).

Рис. 17. Метод «запаздывание—Доплер» (схема).

Рассмотрим подробнее методику, которая была применена и к изучению вращения, и, уже в дальнейшем, к исследованию рельефа планет. Этот метод называется «временное запаздывание — доплеровское смещение» или сокращенно «запаздывание — Доплер».

Идея его состоит в следующем.

Посланный с Земли радиолуч встречает сперва поверхность планеты в точке, находящейся в центре ее видимого диска (подрадарной точке), и отражается от нее. Этот сигнал приходит на Землю первым. Затем, с некоторым запаздыванием, придет сигнал от узкого кольца, окружающем подрадарную точку. Далее будут приходить сигналы, отраженные все более и более далекими кольцами, вплоть до лимба (рис. 17). Но так как между этими кольцами нет никаких границ, мы получим некоторый растянутом по времени отраженный сигнал.

Впрочем, длительность его невелика: для Венеры например, 40 миллисекунд.

Смещение сигнала по частоте следует другому закону. Для центрального меридиана, совпадающего на диске планеты с проекцией оси ее вращения, смещение, как легко понять, равно нулю. По мере удаления от центрального меридиана в обе стороны смещение будет возрастать, будучи положительным в сторону приближающегося края и отрицательным в сторону удаляющегося. Линии равного доплеровского смещения — прямые, параллельные проекции оси на диск планеты (см. рис. 17). Если мы теперь знаем и величину запаздывания сигнала, и его доплеровское смещение, то сочетание того и другого позволит нам выделить на диске планеты две маленькие площадки (поскольку прямая и окружность пересекаются в двух точках). Неоднозначность устраняется с помощью длительного наблюдения и анализа отраженных импульсов на ЭВМ, а также применением радиоинтерферометров. Таким путем американские ученые А. Роджерс и Р. Ингаллс еще в 1970 г. построили первую радиолокационную карту Венеры.

Радиолокация позволяет изучать и физические свойства пород поверхности планеты. Уже известный нам коэффициент отражения радиоволн связан с диэлектрической проницаемостью вещества поверхности с простыми соотношениями. Определив по мощности отраженного сигнала величину , можно найти 8, а по ней и плотность наружного слоя грунта планеты б.