В исследованиях планеты Венера, поверхность которой закрыта сплошным облачным слоем, радиолокационным методам принадлежит особая роль. В то время как в видимых, инфракрасных и ультрафиолетовых лучах мы наблюдаем верхнюю границу облачного слоя, лежащую на высоте 65 – 70 км, радиоволны проникают через атмосферу Венеры и отражаются твердой поверхностью. Это было доказано уже в первых радиолокационных наблюдениях, начатых в 1961 г. по инициативе академика В. А. Котельникова – директора Института радиотехники и электроники АН СССР. В Советском Союзе для этих наблюдений использовалась передающая антенна Центра дальней космической связи, предназначенная для управления космическими аппаратами.

Уже в первых наблюдениях было обнаружено, что в центре видимого с Земли диска планеты (рис. 1), где радиоволны падают перпендикулярно поверхности, существует блик (яркое пятно), как у зеркального шара. Коэффициент отражения поверхности, определенный по величине мощности отраженных сигналов, оказался в среднем 0,15. Среди земных пород такое значение коэффициента отражения имеют скальные породы на силикатной основе в сухом состоянии. Проведенные тогда же эксперименты с изменением поляризации приемной антенны подтвердили, что отражение радиоволн обусловлено твердой поверхностью Венеры.

Рис. 1.Радиолуч, посланный с Земли, освещает поверхность планеты, начиная от центра видимого диска О до его краев (лимба). В центре диска, где радиоволны падают перпендикулярно поверхности, наблюдается блик (яркое пятно), как у зеркального шара

Рис. 1. Радиолуч, посланный с Земли, освещает поверхность планеты, начиная от центра видимого диска О до его краев (лимба). В центре диска, где радиоволны падают перпендикулярно поверхности, наблюдается блик (яркое пятно), как у зеркального шара

Несколько позже, в середине 60-х годов, при анализе спектра сигнала, отраженного Венерой, было обнаружено, что планета рассеивает радиоволны не как однородная сферическая поверхность. Обширные области планеты отражают радиоволны к источнику излучения более интенсивно, чем окружающая местность, и выглядят «радиояркими» на ее фоне. В спектре отраженного сигнала эти области проявлялись как характерные детали, которые регулярно меняют свое положение с вращением планеты (рис. 2).

Рис. 2. Доплеровские спектры, полученные на длине волны 39 см вблизи нижних соединений Венеры (соответственно 19 июня 1964 г. и 26 января 1966 г.). Центральный максимум соответствует сигналам, отраженным центром диска планеты. Стрелками отмечены детали, обусловленные областями поверхности с повышенной отражательной способностью. Спектры, отстоящие го времени на равное число суток относительно моментов нижнего соединения, совмещены между собой, чтобы показать повторяемость их деталей

Рис. 2. Доплеровские спектры, полученные на длине волны 39 см вблизи нижних соединений Венеры (соответственно 19 июня 1964 г. и 26 января 1966 г.). Центральный максимум соответствует сигналам, отраженным центром диска планеты. Стрелками отмечены детали, обусловленные областями поверхности с повышенной отражательной способностью. Спектры, отстоящие го времени на равное число суток относительно моментов нижнего соединения, совмещены между собой, чтобы показать повторяемость их деталей

При отражении от поверхности вращающейся планеты одинаковое доплеровское смещение имеют сигналы, отраженные точками окружности 1, плоскость которой параллельна радиолучу и оси вращения планеты (рис. 3). Отраженные сигналы, соответствующие точкам каждой такой окружности, собираются в одном месте на оси частот. Поэтому интенсивность обратного отражения для этих областей должна быть в 10 раз выше по сравнению с окружающей местностью, чтобы соответствующие им спектральные детали уверенно выделялись на общем фоне. Положение центров областей с повышенной отражательной способностью на диске Венеры, как они были определены в то время по измерениям, выполненным в Советском Союзе, показано на рис. 4.

Рис. 3. Линии равных доплеровских смещений (1) и равного запаздывания радиолокационного сигнала (2) на поверхности планеты. Одновременный анализ отраженных сигналов по запаздыванию и доплеровскому смещению позволяет выделить сигналы, отраженные точками В и В′

Рис. 3. Линии равных доплеровских смещений (1) и равного запаздывания радиолокационного сигнала (2) на поверхности планеты. Одновременный анализ отраженных сигналов по запаздыванию и доплеровскому смещению позволяет выделить сигналы, отраженные точками В и В′

Рис. 4. Расположение центров областей с повышенной отражательной способностью в проекции на диск Венеры

Рис. 4. Расположение центров областей с повышенной отражательной способностью в проекции на диск Венеры

По перемещению деталей в спектре отраженного сигнала удалось с большой точностью установить период вращения Венеры и ориентацию оси ее вращения. Международным астрономическим союзом период вращения Венеры принят равным 243,01 сут, координаты северного полюса: прямое восхождение 272,8°, склонение 67,2°. В отличие от других планет направление вращения Венеры противоположно ее движению вокруг Солнца. Ось вращения Венеры почти перпендикулярна плоскости ее орбиты, и смена сезонов должна отсутствовать. Результаты измерения периода вращения близки к величине 243,16 сут, при которой Венера в каждом нижнем соединении должна быть обращена к Земле одной и той же стороной, т. е. находиться в синодическом резонансе.

И действительно, как следует из рис. 2, на котором совмещены две пары спектров, отстоящие на равное число суток относительно моментов нижних соединений в 1964 и 1966 гг., положение деталей в таких парах спектров практически совпадает. Не исключено, что синхронизация вращения Венеры вызвана действием приливных сил со стороны Земли. Впрочем, последние данные указывают, что период вращения Венеры, вероятно, несколько меньше 243,16 сут и резонанс еще не наступил. Если вращение Венеры и отличается от синодического резонанса, то это отличие очень мало: период меньше резонансного всего на 2 – 4 ч. Потребуется 500 – 700 лет, чтобы Венера в нижнем соединении оказалась бы обращенной к Земле обратным полушарием.

При радиолокации непосредственно измеряется расстояние до ближайшей к антенне точки поверхности планеты О (центра диска; см. рис. 1), в то время как положение центра масс планеты О′ определяется теорией движения планет, уточняемой в процессе измерений. Таким образом,возможно определить радиус планеты в этой точке. Вращение планеты позволяет исследовать рельеф поверхности вдоль экватора. На рис. 5 изображен профиль высот экваториальной области Венеры, полученный этим методом по наблюдениям 1980 г. Он соответствует обширной горной области, получившей наименование «Земля Афродиты». Один из горных массивов, входящих в эту область, имеет высоту около 4 км (долгота 90°), второй – 3 км (долгота 195°).

Рис. 5. Профиль высот поверхности Венеры, полученный по наблюдениям 1980 г. в СССР

Рис. 5. Профиль высот поверхности Венеры, полученный по наблюдениям 1980 г. в СССР

Радиолокация позволила установить границу, после которой начинает проявляться поглощение в атмосфере Венеры и та становится непрозрачной для электромагнитного излучения. В первых наблюдениях, осуществленных в дециметровом и метровом диапазоне длин волн, величина отражательной способности Венеры получилась примерно одинаковой – 0,15, если за единицу взять отражательную способность гладкого металлического шара равного диаметра. Поэтому неожиданным оказалось резкое уменьшение отражательной способности, обнаруженное в середине 60-х годов американскими исследователями в Хайстеке при радиолокации Венеры в сантиметровом диапазоне (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость отражательной способности Венеры от длины волны (точки – экспериментальные данные). Резкое уменьшение отражательной способности в сантиметровом диапазоне вызвано поглощением электромагнитного излучения в атмосфере Венеры

Рис. 6. Зависимость отражательной способности Венеры от длины волны (точки – экспериментальные данные). Резкое уменьшение отражательной способности в сантиметровом диапазоне вызвано поглощением электромагнитного излучения в атмосфере Венеры

Указанное явление могло быть связано с поглощением радиоволн в атмосфере Венеры, но проверить это предположение удалось лишь после анализа химического состава атмосферы Венеры, полученного с помощью приборов спускаемых аппаратов советских межпланетных станций «Венера». Так было установлено, что уменьшение отражательной способности Венеры вызвано нерезонансным поглощением электромагнитного излучения в углекислом газе, из которого почти целиком состоит ее атмосфера, и парах воды, возникающем в условиях высокого давления (до 90 атм у поверхности Венеры).

Первые данные о возможности существования необычайно высоких по земным представлениям температур на поверхности Венеры были получены в результате радиоастрономических измерений собственного радиоизлучения Венеры, начатых в США и СССР во второй половине 50-х годов. На рис. 7 приведен спектр радиояркостной температуры видимого диска Венеры, измеренный на многих длинах волн в диапазоне от 1 мм до 70 см. Такую температуру должна была бы иметь Венера, если бы она была абсолютно черным телом, чтобы создать наблюдаемый поток радиоизлучения.

Рис. 7. Спектр радиояркостной температуры видимого диска Венеры (А. Д. Кузьмин, 1967 г.). Точки – экспериментальные данные. Наблюдаемое уменьшение радиояркостной температуры в сторону коротких волн вызвано поглощением электромагнитного излучения поверхности в атмосфере Венеры

Рис. 7. Спектр радиояркостной температуры видимого диска Венеры (А. Д. Кузьмин, 1967 г.). Точки – экспериментальные данные. Наблюдаемое уменьшение радиояркостной температуры в сторону коротких волн вызвано поглощением электромагнитного излучения поверхности в атмосфере Венеры

Абсолютно черное тело ничего не отражает, а его излучательная способность равна единице. В действительности, как показали радиолокационные измерения, отражательная способность твердой поверхности Венеры 0,15. Следовательно, ее излучательная способность должна быть меньше на эту величину, т. е. 0,85. Яркостная температура Венеры на волнах длиннее 3 см составляет около 600 К1. Разделив эту величину на излучательную способность поверхности, получим 705 К, что лишь немного меньше температуры 735 К, непосредственно измеренной впоследствии с помощью спускаемых аппаратов советских межпланетных станций «Венера» на поверхности планеты.

Уменьшение измеренных температур к длинноволновому концу спектра на рис. 7, как оказалось впоследствии, связано с ошибкой в калибровке аппаратуры.

Уменьшение радиояркостной температуры в сторону более коротких длин волн вызвано поглощением электромагнитного излучения поверхности в атмосфере Венеры. В инфракрасном диапазоне яркостная температура Венеры равна 235 К и относится к верхней границе ее облачного слоя.

comments powered by HyperComments