Астрономическая единица и Радиус Венеры

Г.М. Петров

Радиолокационные исследования Венеры

(фрагменты статьи из журнала "Земля и Вселенная", 1982, №1, стр. 8)

 

Уже 20 лет в СССР и США ведутся радиолокационные исследования Венеры. Советские учёные внесли вклад в изучение рельефа планеты, определили, с какой скоростью она вращается вокруг оси, уточнили значение астрономической единицы и создали теорию движения внутренних планет, которая в 100 раз точнее классической теории.

 

ТРУДНОСТИ ПЛАНЕТНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ

Потребности космонавтики стимулировали развитие радиолокационных исследований планет, поскольку успешные полёты к Марсу и Венере невозможны без точного знания расстояний и движений планет Солнечной системы.

Радиолокационные наблюдения планет основаны на тех физических принципах, что и обычная радиолокация самолётов и искусственных спутников. Правда, расстояния до планет больше «земных» в сотни тысяч раз. Например, планета Венера приближается к Земле только на 40 млн. км, максимальное её удаление достигает 260 млн. км, поэтому посланные к ней радиоволны возвращаются на Землю через 4,5 и 29 минут соответственно.

 

Антенна Центра дальней космической связи, использовавшаяся для радиолокации планет

 

Трудности планетной радиолокации вызваны тем, что интенсивность эхо-сигнала падает пропорционально увеличению расстояния, возведённого в четвёртую степень. Так, если расстояние возрастает в 10⁵ раз, эхо-сигнал ослабевает в 10²⁰ раз!

Радиолокационной целью может быть либо вся поверхность планеты, когда исследуются её глобальные свойства, либо отдельные районы, когда изучаются их локальные характеристики. Как же удаётся на огромных расстояниях различить, или, по терминологии астрономов, разрешить, отдельные районы планеты радиолокационным методом?

На шарообразной вращающейся планете различные участки отдалены на разные расстояния и имеют разную скорость движения относительно радиолокатора. Благодаря этому эхо-сигналы от них отличаются по запаздыванию и доплеровскому смещению частоты, и, следовательно, можно установить, от каких участков поверхности отразились сигналы. Измеряя их энергию, строят радиолокационную карту (радиолокационное изображение) поверхности. Получить подробную радиолокационную карту трудно, ибо, если уменьшается площадь разрешаемых областей, пропорционально уменьшается и энергия отражённых от них сигналов. Их способны уловить только радиолокаторы с высокой чувствительностью. Так, чтобы построить радиолокационную карту поверхности Венеры с разрешением 10×10 км², когда планета находится на минимальном от Земли расстоянии, требуется почти в 100 млн. раз более чувствительный радиолокатор, чем для наблюдения искусственных спутников Земли, удалённых на 1000 км.

В современных планетных радиолокаторах используются передатчики непрерывного излучения мощностью до 400–500 кВт, большие антенны, диаметр зеркала которых составляет несколько десятков и даже сотен метров, высокочувствительные приёмники с парамагнитными усилителями (мазерами), охлаждаемыми жидким гелием до 4 К (–269 °С). Чтобы выделить из шумовых помех приёмника принимаемые от планет эхо-сигналы и извлечь приносимую ими информацию, сигналы обрабатываются на быстродействующих универсальных и специализированных вычислительных машинах. Напомним, что чувствительность радиолокатора прямо пропорциональна квадрату площади «раскрыва антенны» (так называется проекция зеркала антенны на перпендикулярную его оси плоскость) и обратно пропорциональна квадрату длины волны. Следовательно, чувствительность планетных радиолокаторов тем выше, чем короче длина волны, поэтому они работают на сантиметровых и дециметровых волнах, которые свободно проходят через земную атмосферу.

В Советском Союзе радиолокационные исследования планет проводятся коллективом сотрудников Института радиотехники и электроники АН СССР под руководством академика В. А. Котельникова. Первый планетный радиолокатор (рабочая длина волны 39 см) был создан в 1961 году на базе антенн и передатчика Центра дальней космической связи в Крыму. Радиолокатор непрерывно совершенствовался, и к 1971 году его чувствительность возросла в 70 раз. В 1980 году вступил в строй новый планетный радиолокатор, имеющий полноповоротную параболическую антенну с зеркалом диаметром 70 м (рабочая длина волны 39 см). Большая площадь антенны, мощный передатчик и высокая чувствительность приёмника позволили повысить чувствительность радиолокатора ещё в 50 раз и в 2,5 раза увеличить предельную дальность радиолокации планет.

Первая успешная радиолокация Венеры была выполнена в СССР, США и Англии в апреле 1961 года, когда планета находилась на минимальном расстоянии от Земли. Первые радиолокационные наблюдения Меркурия и Марса проводились в СССР и США в 1962–1963 годах. С тех пор радиолокация планет осуществлялась регулярно почти при каждом их приближении к Земле. Сейчас радиолокационные наблюдения возможны на любом участке планетной орбиты, так как чувствительность современных радиолокаторов в несколько тысяч раз выше чувствительности радиолокаторов начала 60-х годов.

 

Стр. 14

АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ЕДИНИЦА И РАДИУС ВЕНЕРЫ

Основной результат радиолокационных наблюдений Венеры, имеющий первостепенное значение для космонавтики,– уточнение астрономической единицы длины (среднее расстояние от Земли до Солнца), которая служит мерой расстояния в Солнечной системе. До радиолокационных измерений наиболее достоверным считалось значение астрономической единицы 149 527 000±10 000 км, полученное американским учёным Е. Рабе в 1950 году после обработки наблюдений малой планеты Эрос в 1926–1945 годах. С ним согласовывалось значение 149 545 000±20 000 км, вычисленное в 1960 году по измерениям радиальной скорости автоматической станции «Пионер-5». Но, как показали радиолокационные наблюдения, эти значения на 50 000–70 000 км меньше истинной величины. Такая ошибка в определении масштаба Солнечной системы могла бы привести к тому, что космический аппарат, запущенный к Марсу, прошёл бы от планеты на расстоянии примерно 15 её радиусов, а космический аппарат, стартовавший к Венере,– в стороне от неё на расстоянии трёх радиусов планеты.

Классическая теория движения планет, построенная на основе длительных оптических наблюдений, позволяет вычислять межпланетные расстояния с точностью 10^-5–10^-6 а. е. С такой же точностью, опираясь на эту теорию, можно определить и величину астрономической единицы, например, в километрах. Для этого необходимо измерить расстояние до планеты в километрах, затем результат измерения разделить на расчётное значение этого же расстояния, выраженное в астрономических единицах. В классической астрономии расстояние до планет оценивается косвенными методами – по оптическим угломерным измерениям, точность которых невысока. Радиолокационный же метод определения расстояния до планеты основан на измерении времени, в течение которого радиоволны распространяются до планеты и обратно. Поскольку их скорость хорошо известна, то и расстояния определяют с большой точностью.

В сеансе радиолокационного наблюдения планеты излучается зондирующий сигнал, длительность которого равна времени распространения радиоволн до планеты и обратно, в течение такого же времени ведётся и приём эхо-сигнала. За день осуществляют несколько таких сеансов. В каждом сеансе радиолокации Венеры, выполнявшемся в СССР в 1961 году, расстояние определяли с ошибкой ±1000 км. За прошедшие 20 лет точность измерения улучшилась в 3000 раз – в 70-х годах ошибки измерений расстояния до Венеры за один сеанс не превышали 300 м.

В первых же радиолокационных наблюдениях Венеры в 1961 году точность определения астрономической единицы улучшили примерно в 50 раз. Её значения, полученные в разных странах (причём радиолокация проводилась на разных длинах волн), хорошо согласовывались между собой, что свидетельствовало о высокой достоверности измерений. Чтобы повысить точность определения астрономической единицы, потребовалось уточнить орбиты Венеры и Земли, а также радиус Венеры. Напомним, что радиолокационным способом измеряется расстояние до ближайших к Земле участков поверхности планеты, а теория описывает движение центра массы планеты. Радиус Венеры астрономы оценивали по уровню верхней кромки облачного слоя (6120±8 км), вместе же этого слоя над поверхностью оставалась неизвестной.

Совместная обработка радиолокационных измерений, выполнявшихся в СССР в 1962 и 1964 годах, позволила найти поправки к элементам орбит Венеры и Земли, что привело к дальнейшему уточнению астрономической единицы и радиуса Венеры (см. таблицу). В 1967 году американские радиоастрономы осуществили совместную обработку радиолокационных измерений, которые проводились в США и СССР в 1962–1967 годах, и оптических наблюдений, выполненных в США в 1950–1966 годах. Они уточнили значение астрономической единицы, параметры орбит Венеры и Земли, радиус Венеры. Наиболее точные значения астрономической единицы и радиуса Венеры получены в СССР в 1976 и 1980 годах на основе более совершенной теории движения Венеры и Земли.

 

АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ЕДИНИЦА И РАДИУС ВЕНЕРЫ ПО РАДИОЛОКАЦИОННЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ

Годы наблюдений	Астрономическая единица, км	Радиус Венеры, км
1962–1964 1962–1967 1962–1975 1962–1980	149 599 300 ± 1000 149 597 900 ± 250 149 598 000 ± 130 149 597 886 ± 80 149 597 892,3 ± 1,5 149 597 888,9 ± 0,7 149 597 889,0 ± 0,3	– 6020 ± 50 – 6046 ± 15 6050 ± 0,3 6052,3 ± 0,3 6050,1 ± 0,1
Примечание. Астрономическая единица вычислялась при значении скорости света 299 792,5 км/с. Если использовать уточнённое значение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с, то астрономическая единица, например, в последнем определении будет равна 149 597 868 ± 0,7 км.

 

НОВАЯ ТЕОРИЯ ДВИЖЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ПЛАНЕТ

Классическая теория движения Венеры и Земли, которая используется сейчас для вычисления их координат в астрономических ежегодниках, построена американским астрономом С. Ньюкомом ещё в 1895 году. В её основу был положен обширный материал оптических наблюдений планет и Солнца за 143 года (с 1750 по 1892 год). В XX веке астрономы провели новые измерения положений планет и обнаружили некоторые расхождения с теорией. Американские учёные Р. Данком и Г. Клеменс, обработав новые данные, внесли в теорию Ньюкома небольшие поправки, не меняя её существа. Однако уже после первых радиолокационных наблюдений Венеры выяснилось. что измеренные расстояния до Венеры отличаются от предсказанных теорией (если взять уточнённое значение астрономической единицы) на ±600 км.

Если бы учёные с такой погрешностью знали положения Венеры и Земли, то было бы довольно сложно выполнить заключительные этапы полёта межпланетных станций, например посадку спускаемых аппаратов в заданные районы поверхности Венеры. Поэтому при каждом полёте межпланетной станции к Венере приходилось наряду с радиотехническими измерениями траектории полёта станции вести также радиолокационные наблюдения планеты, чтобы уточнить её положение.

Вопрос о построении новой теории движения Венеры и Земли на основе радиолокационных данных возник сразу же, как только была уточнена астрономическая единица. Но для решения этой задачи требовалось накопить радиолокационную информацию на интервале, охватывающем значительное число периодов обращения Венеры по орбите. В 1976–1977 годах в СССР была создана новая теория движения Венеры и Земли. При её построении использовались значения расстояний до Венеры, полученные в ходе её радиолокации в 1962–1975 годах советскими и американскими радиоастрономами, а также значения угловых координат Венеры и Солнца, измеренные в США и СССР в 1960–1975 годах.

Отклонения измеренных в 1978 году в СССР расстояний до Венеры от их

значений, предсказанных численной теорией движения планет (кружки) и теорией

Ньюкома (крестики). Теория Ньюкома расходится с наблюдениями на ±500 км

 

Точность прогноза расстояний до Венеры по новой теории была проверена при радиолокации Венеры в 1977, 1978 и 1980 годах. На трехмесячных интервалах наблюдений отклонения измеренных расстояний от предсказанных новой теорией не превышали нескольких километров и в значительной мере были обусловлены влиянием рельефа поверхности планеты. Отклонения же измеренных расстояний от предсказанных классической теорией Ньюкома достигли ±500 км. Таким образом, экспериментальная проверка показала, что новая теория движения планет примерно в 100 раз точнее классической. Сейчас взаимное положение Венеры и Земли прогнозируется с точностью до нескольких километров, которая достаточна для практических задач космонавтики на ближайшее будущее.

Чем объяснить столь поразительный прогресс, достигнутый за довольно короткое время? Во-первых, радиолокационные наблюдения добавили к двум угловым координатам оптической астрономии третью – расстояние до планеты. Во-вторых, радиолокационный метод даёт беспрецедентно высокую точность измерений, которая в сотни раз превышает точность определения линейных координат планет по угломерным оптическим наблюдениям. В-третьих, современные быстродействующие вычислительные машины с большим объёмом памяти позволяют решать уравнения, описывающие движения планет, быстро и точно. При создании же классической теории движения планет в конце XIX и начале XX века астрономы из-за ограниченных возможностей вычислительных средств того времени вынуждены были прибегать к изощрённым приближённым методам. Именно поэтому классическая теория движения не только Венеры, но и Марса и Меркурия также не удовлетворяла требованиям космонавтики.

Радиолокационные наблюдения Марса, Венеры и Меркурия, выполненные в СССР в 1980 году, дали дополнительные сведения об их движении на значительных участках орбит. На их основе была построена единая релятивистская теория движения внутренних планет, которая позволила рассчитать движение Меркурия, Венеры, Земли и Марса на ближайшее десятилетие. В конце 1980 года таблицы, содержащие координаты внутренних планет на период 1982–1985 годы, изданы как дополнение к Астрономическому ежегоднику СССР. По новой теории положения Марса, Венеры и Меркурия относительно Земли предсказываются с точностью 10–15 км.

Полученные при радиолокации расстояния до планет хорошо согласуются с их значениями, предсказанными релятивистской теорией движения планет. Достигнутое соответствие экспериментальных данных расчётным значениям можно рассматривать как дополнительное подтверждение общей теории относительности.

 

Дата установки: 18.12.2012

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: