Космические и традиционные методы исследования земли. Использование космических методов при исследовании природных ресурсов. Кольцевые структуры Северной Америки
После успешного опыта посылки советских автоматических межпланетных станций к Луне в 1959 г., в начале 60-х гг. в нашей стране были предприняты первые запуски космических аппаратов к планетам Солнечной системы: в 1961 г. к Венере и в 1962 г. к Марсу. АМС «Венера-1» преодолела расстояние до Венеры за 97 суток, АМС «Марс-1» затратила на перелет Земля - Марс более 230 суток. В дальнейшем сроки перелета к Венере были увеличены до 117-120 суток, так как при этом скорость сближения с планетой была ниже, что облегчало спуск в атмосфере и мягкую посадку на планету.
Перелеты к Марсу, в зависимости от его положения на орбите, занимают от 6 до 10 месяцев.
Первая жесткая посадка на Венеру была осуществлена советской станцией «Венера-3» 1 марта 1966 г., плавный спуск в атмосфере с передачей большого комплекса научных данных впервые совершила АМС «Венера-4» 18 октября 1967 г., а мягкую посадку на поверхность Венеры произвела АМС «Венера-7» 15 декабря 1970 г. В октябре 1975 г. вышел на орбиту первый искусственный спутник Венеры - «Венера-9».
Первая передача изображений поверхности другой планеты (Марса) была осуществлена американским космическим аппаратом «Маринер-4» в июле 1965 г., первым искусственным спутником Марса стал «Мари-нер-9» (США) 14 ноября 1971 г., а спустя две недели искусственными спутниками планеты стали советские АМС «Марс-2» и «Марс-3». Первую мягкую посадку на поверхность Марса произвел спускаемый аппарат АМС «Марс-3» в начале декабря 1971 г.
Подлет к Меркурию с передачей изображений его поверхности с близкого расстояния был осуществлен американским космическим аппаратом «Маринер-10» в марте 1974 г., подлет к Юпитеру - «Пионером-10» (США) в декабре 1974 г. Фотографии Венеры с большого расстояния передал тот же «Маринер-10» в феврале 1974 г., первые панорамные изображения поверхности Венеры с нее самой передали советские АМС «Венера-9» и «Венера-10» в октябре 1975 г., а панорамные изображения поверхности Марса - американские спускаемые аппараты «Викинг-1» и «Викинг-2», начиная с 20 июля 1976 г.
Применение космических аппаратов намного расширило возможность исследования планет. Основными методами научных исследований при этом являются следующие:
1. Прямое фотографирование планеты с более или менее близкого расстояния или небольших участков ее поверхности как с орбиты или пролетной траектории, так и с самой поверхности планеты. Примеры применения этого метода уже приводились выше. Иногда съемка производилась с использованием светофильтров («Марс-3», «Маринер-10»).
Полученные изображения передаются на Землю методом, давно уже используемым в «земном» телевидении: изображение развертывается построчно в цепь сигналов, которые передаются антенной станции на Землю, а затем луч в электронно-лучевой трубке телевизора превращает полученный сигнал снова в изображение. Это изображение, фотографируемое с экрана телевизора, проходит затем длительную обработку, направленную на устранение помех, искажений и дефектов, а также специальных марок с экрана телевизора, служащих для ориентировки изображения, но ненужных при рассматривании вида поверхности планеты.
2. Измерение давления и температуры атмосферы планеты при спуске производится с помощью манометров (работающих по принципу барометра-анероида) и термометров сопротивления, плотность измеряется плотномерами различных типов (ионизационный, камертонный и др.). Подробное описание устройства этих приборов имеется в книге А. Д. Кузьмина и М. Я. Марова «Физика планеты Венера» (М.: «Наука», 4974) и в других книгах и статьях, перечисленных в списке литературы в конце книги.
Кроме прямых измерений, параметры атмосферы планеты и их изменение но высоте могут быть вычислены по скорости снижения аппарата, поскольку аэродинамические характеристики его известны. Опыт показал, что этот метод дает хорошее согласие с предыдущим.
3. Измерение химического состава атмосферы. Производится с помощью газоанализаторов различных типов. Обычно каждый газоанализатор предназначен для определения содержания какого-то определенного газа.
4. Изучение верхних слоев атмосферы по методу радиопросвечивания. Этот метод, состоит в том, что космический аппарат, заходя (для земного наблюдателя) за диск планеты или выходя из-за него, посылает радиоволну определенной длины (используются волны от 8 см до 6 м). Проходя сквозь атмосферу планеты, радиоволна испытывает преломление (рефракцию) и дефокусировку, связанную с тем, что показатель преломления атмосферы убывает с высотой. Поэтому волна, прошедшая сквозь более высокие слои атмосферы, преломляется меньше, чем проходящая через более низкие слои (рис. 18).
В результате весь пучок радиоволн расширяется и интенсивность сигнала ослабевает. В зависимости от показателя преломления меняется и частота сигнала.
Если планета имеет ионосферу, то в ионосферных слоях происходит, наоборот, фокусировка радиолуча и усиление сигнала.
Рис. 18. Метод радиопросвечивания (схема).
Поскольку космический аппарат движется, посланный им радиолуч, пересекая последовательно верхние и нижние слои атмосферы планеты (или в обратном порядке - при выходе из-за планеты), испытывает то усиления, то ослабления, что позволяет построить модель верхних слоев атмосферы, включая ионосферу (в нижних слоях луч ослабевает настолько, что принимать сигнал уже нельзя).
5. Спектральные наблюдения свечения газов атмосферы в ультрафиолетовых лучах позволяют регистрировать самые интенсивные,- так называемые резонансные спектральные линии. К ним относится знаменитая линия водорода (Лайман-альфа) на длине волны 1216 А, кислородный триплет с длиной волны 1302- 1305 А и ряд других. Исследование свечения этих линий Дает сведения о составе и плотности атмосферы до самых больших высот. Напомним, что ультрафиолетовый участок спектра совершенно недоступен для наблюдений с Земли.
6. Измерения содержания заряженных частиц в атмосфере и в околопланетном пространстве с помощью ионных ловушек; измерения скорости и потока заряженных частиц в магнитосфере планеты.
7. Измерения напряженности магнитного поля планеты и изучение структуры ее магнитосферы с помощью чувствительных магнитометров.
8. Различные методы изучения физических свойств и состава грунта планеты; определение содержания радиоактивных элементов с помощью гамма-спектрометров, определение диэлектрической проницаемости грунта с помощью бортового радиолокатора, химический анализ забираемых проб грунта приборами спускаемых аппаратов, измерение плотности грунта плотномером и т. д.
9. Изучение рельефа Марса по интенсивности полос поглощения главного компонента его атмосферы - углекислого газа.
10. Изучение гравитационного поля планеты по движению ее искусственных спутников или пролетающих мимо нее космических аппаратов.
11. Исследование собственного теплового и радиоизлучения планеты с близких расстояний в широком диапазоне длин волн - от микронных до дециметровых.
Этот перечень далеко не полон. Некоторые методы будут описаны или упомянуты ниже, при изложении результатов исследований планет. Однако уже из этого перечня можно видеть, насколько разнообразны методы космических исследований планет, какие богатые возможности они представляют ученым. Неудивительно, что за какие-нибудь 15 лет эти исследования дали нам колоссальный объем информации о природе планет.
Обозначим большую полуось сфероида (экваториальный радиус) через a, малую (полярный радиус) -- через b; отношение (a-b)/a называется сжатием земного сфероида б. На величину a влияет не только скорость вращения планеты на своей оси, но и характер (степень однородности) внутреннего строения планеты. Наиболее правильно и точно представляет общую фигуру Земли в целом эллипсоид, вычисленный Ф. Н. Красовским и его сотрудниками на основании новых данных, полученных при обработке градусных измерений СССР, Западной Европы и США. Следовательно, экваториальный диаметр Земли равен 12756,5 км, длина земной оси 12713,7 км, а полярный радиус короче экваториального всего на 21,4 км, в связи с чем среднее полярное сжатие настолько ничтожно, что земной сфероид практически почти не отличается от правильного шара. Величина сжатия у таких планет, как Юпитер, Сатурн и Уран, много больше: она равна соответственно 1: 15,4; 1: 9,5 и 1: 14. Их большее сжатие объясняется наличием атмосфер огромной протяжённости и тем, что они вращаются на своих осях почти в два с половиной раза быстрее, чем Земля. Средним радиусом Земли принято считать радиус шара, одинакового по объёму с земным сфероидом, а именно 6371,110 км. Вычислено, что поверхность земного сфероида составляет округлённо 510 млн. кв. км, а объём 1,083 X 1012 куб. км. Длина окружности меридиана 40008,548 км. Работы по вычислению нового эллипсоида показали, что Земля есть, в сущности, трехосный эллипсоид. Это означает наличие у неё не только полярного, но и экваториального сжатия, которое, впрочем, равно всего 1:30 000. Следовательно, земной экватор -- не окружность, а эллипс; наибольший и наименьший радиусы экватора отличаются на 213 м. Однако принятие трехосного эллипсоида в геодезических работах сильно усложнило бы эти работы и не принесло бы особых практических выгод. Поэтому фигуру Земли в геодезии и картографии рассматривают как двухосный эллипсоид.
Космический метод
Космическая геодезия -- наука, изучающая использование результатов наблюдений искусственных и естественных спутников Земли для решения научных и научно-технических задач геодезии. Наблюдения выполняют как с поверхности планеты, так и непосредственно на спутниках. Космическая геодезия получила широкое развитие с момента запуска первого искусственного спутника Земли.
Одной из задач космической геодезии является изучение фигуры Земли, Луны и планет с использованием спутниковых измерений.
С момента запуска искусственного спутника Земли 1958 год, перед геодезией были поставлены новые задачи, это наблюдения за искусственными спутниками Земли но орбите и определение пространственных координат точек Земной поверхности, создание опорной геодезической сети.
Влияние отклонений реальных орбит искусственных спутников Земли от вычисленных по формулам Кеплера, позволяет уточнить представление о гравитационном поле Земли и в конечном результате о ее форме.
В заключении приведем некоторые соображения, связанные с перспективами развития космической геодезии. Дело в том, что в настоящее время исследователи довольно ясно представляют себе, как применять существующие космические средства и методы для решения основных задач геодезии и геодинамики. По прежнему остается основной задачей геодезии определение размеров, фигуры и гравитационного поля Земли. Будет продолжена работа по уточнению и развитию больших региональных и глобальных триангуляционных сетей. В этой работе существенную роль играет установление единой общеземной системы координат для высокоточных измерений, а на первом этапе - определение взаимного положения начал и ориентировки осей различных систем геодезических координат.
Бытующее до сих пор мнение, что началом общеземной системы координат должен быть центр масс Земли, может измениться. Проблема определения положения центра масс в теле Земли оказалась гораздо сложнее, чем предполагали ранее: в точной постановке речь должна идти о центре масс системы Земля - Луна. Создание новой аппаратуры позволит с большей точностью изучать такие тонкие геодинамические эффекты, относящиеся именно к системе Земля - Луна, как движение полюсов Земли, вариации скорости вращения Земли, земные приливы.
Продолжится изучение смещений континентальных плит, несомненно будет осуществлен один из проектов глобальной службы слежения за движением материков. Продолжатся тончайшие, на пределе точности (несколько микроГал), исследования вариаций силы тяжести.
Но развитие космических методов в ближайшем будущем не ограничится их использованием в пределах Земли.
И хотя приставка «гео» остается в названиях научных дисциплин, о которых мы говорим, методы эти давно стали общими для исследования Солнечной системы в целом.
Давно уже ведется изучение гравитационного поля и фигуры Луны. Существуют даже попытки ввести в научный обиход термин «селенодезия» (Селена - древнегреческое название Луны). Есть смысл говорить об определении гравитационных полей планет.
А если серьезнее заглядывать в будущее космических методов, то можно представить себе такую задачу. Нельзя ли создать в рамках Солнечной системы единый подход к системам координат, который помогал бы увязывать их в единую иерархическую структуру?
Дело в том, что при полете КА к далеким планетам он как бы переходит из системы геоцентрической в гелиоцентрическую, потом, например (если пролетает около Марса), в ареацентрическую, а у нее должна быть связь с системами координат спутников Марса и т. д.
И если представить себе разницу в размерах (масштабах) этих систем координат, то неясным становится, как выдерживать единые требования к относительной точности определяемых координат.
Для самого КА эта проблема в основном «снимается» возможностями корректировки его движения, а для планет и их естественных спутников имеет существенное значение. И поскольку освоение Солнечной системы началось и продолжается, задача установления единой для Солнечной системы структуры систем координат будет, несомненно, решаться. }
