Радіотелескопи та елементи радіолокації в астрономії.

Телескопи

Робота

Студента групи ФІ-09

Бушуєв Станіслав Андрійович

Кривий Ріг 2013

Радіотелескопи та елементи радіолокації в астрономії.

Радіолокаційної астрономії

розділ астрономії, що вивчає небесні тіла шляхом посилки до них зондуючого сигналу та аналізу відбитого радіолуни. Система з передавача, антени і приймача - радіолокатор (радар) - може розташовуватися як на Землі, так і на космічному апараті. Радіолокаційна астрономія, на відміну від радіоастрономії, вивчає не власне радіовипромінювання небесних тіл, а відбиті від них сигнали. Зручність радіолокації полягає в тому, що, вимірюючи час проходження сигналу туди і назад, можна з високою точністю визначати відстань до об'єкта, а по зміні частоти сигналу - швидкість об'єкта (принцип Доплера). Але оскільки потужність відбитого сигналу швидко зменшується з відстанню, поки радіолокаційним дослідженням доступні лише тіла Сонячної системи.

Історична довідка. У 1930-і роки виникла підозра, що радіосигнали іноді відбиваються від ионизованного метеорних слідів в атмосфері; остаточно це підтвердили Ч.Лал і К.Венкатараман в Індії в 1941. Перше радіолуни від метеорів за допомогою спеціальних радарів отримали Дж.Хей і Г.Стюарт в Англії в 1946. У тому ж році радіолокацію Місяця здійснили Дж.ДеВітт в США і З.Бей в Угорщині. По суті, це стало першими експериментами в астрономії; до тих пір астрономи тільки спостерігали за небесними тілами, ніяк не впливаючи на них. Фахівці Англії, СРСР і США майже одночасно в 1961 зробили локацію Венери для вимірювання відстані до неї, а повторивши експеримент в 1964, довели точність вимірювання до декількох кілометрів. За допомогою сучасних радарів проводять також локацію Сонця, Меркурія, Марса, Юпітера і його галілеєвих супутників, Сатурна, його кілець і супутника Титана, астероїдів і ядер комет. Слідом за радіолокації почалося активне дослідження небесних тіл за допомогою космічних зондів. Але і локація залишилася дуже корисним методом в астрономії. До радіолокації додалася лазерна локація Місяця з використанням доставлених на її поверхню відбивачів оптичних імпульсів. Цей метод дозволяє регулярно вимірювати відстань між Землею і Місяцем з точністю до 1 см, що дуже важливо для вивчення складного відносного руху цих двох небесних тіл. Апаратура для реєстрації відбитого сигналу. Щоб сигнал наземного передавача пройшов крізь іоносферу Землі, його випромінювання повинно бути достатньо короткохвильовим - коротше 20 м. При проходженні сигналу від передавача до об'єкта щільність його потужності зменшується обернено пропорційно квадрату відстані. Частина імпульсу відбивається від об'єкта, і по шляху до Землі його потужність знов зменшується обернено пропорційно квадрату відстані. У підсумку енергія прийнятого радіолуни обернено пропорційна четвертого ступеня відстані до об'єкта. Ось чому радарні методи застосовні лише для найближчих тіл Сонячної системи, але і при цьому потрібні дуже потужні передавачі, гігантські антени і надчутливі приймачі.

Обсерваторії Аресібо на о. Пуерто-Ріко оснащена найбільшим у світі радіотелескопом діаметром 305 м.
Враховуючи, що час шляху сигналу до планет велике, використовують довгі імпульси, а смугу пропускання приймачів роблять широкою, оскільки через ефект Доплера частотний діапазон відбитого сигналу виявляється зрушеним за рахунок руху об'єкту і розширеним за рахунок його обертання (різні частини обертового об'єкта рухаються з різними променевими швидкостями).
Метеори. Для дослідження метеорів використовуються стандартні авіаційні радари, але на більш довгій хвилі. Рухаючись з високою швидкістю в атмосфері, метеорні частки залишають за собою іонізованний слід, від якого відбиваються радіохвилі. Зазвичай цей слід виникає на висоті 80-110 км і зберігається від однієї до кількох секунд. За характером відображених імпульсів можна судити про розмір, швидкості і напрямку польоту частинки, а також про будову атмосфери на цих висотах.
Місяць. До польотів на Місяць її радіолокація дала багато корисних відомостей. Використовуючи хвилі різної довжини - від 8 мм до 20 м, - по характеру їх взаємодії з місячною поверхнею впізнали її діелектричну постійну, що дозволило приблизно визначити склад грунту. За величиною розсіювання хвиль визначили ступінь нерівності місячної поверхні. Виявилося, що поверхня материкових і морських районів Місяця помітно різниться.
Планети. Планети від нас значно далі Місяця, тому для їх локації потрібно набагато більш потужне обладнання. Наприклад, сигнал, відбитий від Венери, в 10 млн. разів слабкіше, ніж від Місяця. Польоти до планет вимагають точного знання відстані до них, тому на початку 1960-х років за допомогою значно більш потужних радіолокаторів було точно виміряна відстань до Венери, уточнити і всі інші відстані в Сонячній системі.

МЕТОД "запізнювання - ЗСУВ" дозволяє дізнатися, від якої області планети прийшов відбитий сигнал. На малюнку показаний видимий диск обертається планети. Всі точки на вертикальній заштрихованої смужці рухаються до нас з однаковою швидкістю, отже, відбиті від них сигнали мають однакову доплеровське зсув довжини хвилі. Оскільки планета сферична, всі точки на заштрихованому кільці однаково віддалені від Землі, значить, відбиті від них сигнали прийдуть до нас з однаковою затримкою часу. Виділяючи певну довжину хвилі і тимчасову затримку, отримуємо сигнал, відбитий двома областями, де окружність перетинається вертикальною смугою. Щоб виділити сигнал від кожної з них окремо, застосовують інтерферометри. Так, точка за точкою, отримують радіолокаційну карту планети.

Результати локації дозволили уточнити орбіти планет, їх діаметри і швидкість обертання. Про обертання Венери, покритої хмарами, до цих експериментів взагалі нічого не було відомо. Локація показала, що її добу в 243 рази довше земних, тобто на 18 днів довше венерианського року. Локація Венери з Землі дозволила також вперше "поглянути" на її поверхню. За допомогою методу "запізнювання-зміщення", суть якого пояснюється нижче малюнком, були отримані (з дозволом 3 км) карти Венери двох типів: на одних показано ступінь віддзеркалення радіохвиль від різних ділянок поверхні, а на інших - перепади висот між ними. Разом вони дозволяють вивчати топографію Венери, її гори, кратери і долини, а також судити про структуру її поверхні. Значно більш докладними виявилися карти Венери, отримані радарами з борту міжпланетних зондів "Піонер-Венера-1" (1978), "Венера-15, -16" (1983) і "Магеллан" (1990), що стали супутниками Венери: на кращих з них помітні деталі поверхні розміром до 100 м.
Поверхня Венери, представлена ​​в умовних кольорах і перспективній проекції за даними радара космічного зонда "Магеллан". Гора Дану (вдалині біля обрію) підноситься над плато на 1,5 км.
Радіолокація Меркурія показала, що період його обертання навколо осі становить близько 59 земних діб і не збігається з орбітальним періодом тривалістю 88 діб, як вважалося до цього. Тому Сонце освітлює обидві півкулі планети, а не одне, як думали раніше. Локація Марса виявила на його поверхні великі перепади висот - до 15 км. Пізніше спостереження з околомарсианскую орбіту підтвердили, що на Марсі дійсно є гори такої висоти. Методом радіолокації вивчали також кільця Сатурна, супутники Юпітера, астероїди і ядра комет.
Сонце. Величезний розмір Сонця робить його (як і близьку Місяць) привабливим об'єктом для радіолокації. Однак до Сонця потрібно посилати дуже потужний імпульс, щоб відбитий сигнал був помітний на тлі власного радіовипромінювання Сонця. Найкращий результат дає використання довгих хвиль (5-15 м), оскільки короткі поглинаються в сонячній атмосфері. Радарні дослідження Сонця дають інформацію про структуру її корони і хмарах заряджених частинок, які Сонце викидає в періоди високої активності.