РАДИОЛОКАЦИОННАЯ АСТРОНОМИЯ - раздел астрономии, изучающий небесные тела путем посылки к ним зондирующего радиосигнала и анализа отраженного радиоэха. Система из передатчика, антенны и приемника - радиолокатор (радар) - может располагаться как на Земле, так и на космическом аппарате. Радиолокационная астрономия, в отличие от радиоастрономии, изучает не собственное радиоизлучение небесных тел, а отраженные от них сигналы. Удобство радиолокации состоит в том, что, измеряя время прохождения сигнала туда и обратно, можно с высокой точностью определять расстояние до объекта, а по изменению частоты сигнала - скорость объекта (принцип Доплера). Но поскольку мощность отраженного сигнала быстро убывает с расстоянием, пока радиолокационным исследованиям доступны лишь тела Солнечной системы.
Историческая справка. В 1930-е годы возникло подозрение, что радиосигналы иногда отражаются от ионизованных метеорных следов в атмосфере; окончательно это подтвердили Ч.Лал и К.Венкатараман в Индии в 1941. Первое радиоэхо от метеоров с помощью специальных радаров получили Дж.Хей и Г.Стюарт в Англии в 1946. В том же году радиолокацию Луны осуществили Дж.ДеВитт в США и З.Бэй в Венгрии. По существу, это стало первыми экспериментами в астрономии; до тех пор астрономы только наблюдали за небесными телами, никак не воздействуя на них. Специалисты Англии, СССР и США почти одновременно в 1961 предприняли локацию Венеры для измерения расстояния до нее, а повторив эксперимент в 1964, довели точность измерения до нескольких километров. С помощью современных радаров проводят также локацию Солнца, Меркурия, Марса, Юпитера и его галилеевых спутников, Сатурна, его колец и спутника Титана, астероидов и ядер комет. Вслед за радиолокацией началось активное исследование небесных тел с помощью космических зондов. Но и локация осталась очень полезным методом в астрономии. К радиолокации добавилась лазерная локация Луны с использованием доставленных на ее поверхность отражателей оптических импульсов. Этот метод позволяет регулярно измерять расстояние между Землей и Луной с точностью до 1 см, что очень важно для изучения сложного относительного движения этих двух небесных тел. Аппаратура для регистрации отраженного сигнала. Чтобы сигнал наземного передатчика прошел сквозь ионосферу Земли, его излучение должно быть достаточно коротковолновым - короче 20 м. При прохождении сигнала от передатчика до объекта плотность его мощности уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Часть импульса отражается от объекта, и по пути к Земле его мощность вновь уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. В итоге энергия принятого радиоэха обратно пропорциональна четвертой степени расстояния до объекта. Вот почему радарные методы применимы лишь для ближайших тел Солнечной системы, но и при этом требуются очень мощные передатчики, гигантские антенны и сверхчувствительные приемники.
ОБСЕРВАТОРИЯ АРЕСИБО на о. Пуэрто-Рико оснащена крупнейшим в мире радиотелескопом диаметром 305 м.
Учитывая, что время пути сигнала до планет велико, используют длинные импульсы, а полосу пропускания приемников делают широкой, поскольку из-за эффекта Доплера частотный диапазон отраженного сигнала оказывается сдвинутым за счет движения объекта и расширенным за счет его вращения (разные части вращающегося объекта движутся с разными лучевыми скоростями).
Метеоры. Для исследования метеоров используются стандартные авиационные радары, но на более длинной волне. Двигаясь с высокой скоростью в атмосфере, метеорные частицы оставляют за собой ионизованный след, от которого отражаются радиоволны. Обычно этот след возникает на высоте 80-110 км и сохраняется от одной до нескольких секунд. По характеру отраженных импульсов можно судить о размере, скорости и направлении полета частицы, а также о строении атмосферы на этих высотах.
Луна. До полетов на Луну ее радиолокация дала много полезных сведений. Используя волны разной длины - от 8 мм до 20 м, - по характеру их взаимодействия с лунной поверхностью узнали ее диэлектрическую постоянную, что позволило приблизительно определить состав грунта. По величине рассеяния волн определили степень неровности лунной поверхности. Оказалось, что поверхность материковых и морских районов Луны заметно различается.
Планеты. Планеты от нас значительно дальше Луны, поэтому для их локации требуется гораздо более мощное оборудование. Например, сигнал, отраженный от Венеры, в 10 млн. раз слабее, чем от Луны. Полеты к планетам требуют точного знания расстояния до них, поэтому в начале 1960-х годов с помощью значительно более мощных радиолокаторов было точно измерено расстояние до Венеры, уточнившее и все прочие расстояния в Солнечной системе.
См. также
НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА;
СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА.
МЕТОД "ЗАПАЗДЫВАНИЕ - СМЕЩЕНИЕ" позволяет узнать, от какой области планеты пришел отраженный сигнал. На рисунке показан видимый диск вращающейся планеты. Все точки на вертикальной заштрихованной полоске движутся к нам с одинаковой скоростью, следовательно, отраженные от них сигналы имеют одинаковое доплеровское смещение длины волны. Поскольку планета сферическая, все точки на заштрихованном кольце одинаково удалены от Земли, значит, отраженные от них сигналы придут к нам с одинаковой задержкой времени. Выделяя определенную длину волны и временную задержку, получаем сигнал, отраженный двумя областями, где окружность пересекается вертикальной полосой. Чтобы выделить сигнал от каждой из них по отдельности, применяют интерферометрию. Так, точка за точкой, получают радиолокационную карту планеты.
Результаты локации позволили уточнить орбиты планет, их диаметры и скорость вращения. О вращении Венеры, покрытой облаками, до этих экспериментов вообще ничего не было известно. Локация показала, что ее сутки в 243 раза дольше земных, т.е. на 18 дней дольше венерианского года. Локация Венеры с Земли позволила также впервые "взглянуть" на ее поверхность. С помощью метода "запаздывание-смещение", суть которого поясняется ниже рисунком, были получены (с разрешением 3 км) карты Венеры двух типов: на одних показана степень отражения радиоволн от различных участков поверхности, а на других - перепады высот между ними. Вместе они позволяют изучать топографию Венеры, ее горы, кратеры и долины, а также судить о структуре ее поверхности. Значительно более подробными оказались карты Венеры, полученные радарами с борта межпланетных зондов "Пионер-Венера-1" (1978), "Венера-15, -16" (1983) и "Магеллан" (1990), ставших спутниками Венеры: на лучших из них различимы детали поверхности размером до 100 м.
ПОВЕРХНОСТЬ ВЕНЕРЫ, представленная в условных цветах и перспективной проекции по данным радара космического зонда "Магеллан". Гора Дану (вдали у горизонта) возвышается над плато на 1,5 км.
Радиолокация Меркурия показала, что период его вращения вокруг оси составляет около 59 земных суток и не совпадает с орбитальным периодом длительностью 88 сут, как считалось до этого. Поэтому Солнце освещает оба полушария планеты, а не одно, как думали раньше. Локация Марса выявила на его поверхности большие перепады высот - до 15 км. Позже наблюдения с околомарсианской орбиты подтвердили, что на Марсе действительно есть горы такой высоты. Методом радиолокации изучали также кольца Сатурна, спутники Юпитера, астероиды и ядра комет.
Солнце. Огромный размер Солнца делает его (как и близкую Луну) привлекательным объектом для радиолокации. Однако к Солнцу нужно посылать очень мощный импульс, чтобы отраженный сигнал был различим на фоне собственного радиоизлучения Солнца. Наилучший результат дает использование длинных волн (5-15 м), поскольку короткие поглощаются в солнечной атмосфере. Радарные исследования Солнца дают информацию о структуре его короны и облаках заряженных частиц, которые Солнце выбрасывает в периоды высокой активности. См. также СОЛНЦЕ.
ЛИТЕРАТУРА
Ржига О.Н. Радиолокационная астрономия. - В кн. Физика космоса. Маленькая энциклопедия. М., 1986