Первая карта Венеры

В середине октября 1983 года на орбиты спутников Венеры вышли космические аппараты «Венера-15» и «Венера-16» с радиолокационной системой для картографирование поверхности планеты. За 8 месяцев— с 11 ноября 1983 года, когда началась регулярная съемка, по 10 июля 1984 года—снято все северное полушарие Венеры от полюса до 30° с. ш. общей площадью 115 млн, км2. Возможность этого эксперимента возникло не сразу. Еще в 60-х годах при анализе спектра отраженного Венерой радиосигнале было обнаружено, что планета рассеивает радиоволны не как однородная сфера. Обширные области планеты при наклонном падении луча 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 и наблюдаются в каждом нижнем соединении, когда Венера сближается с Землей. По перемещению этих деталей в спектре удалось с большой точностью установить период вращения Венеры и ориентацию оси ее вращения. Позднее с помощью крупнейших радиолокационных установок в Аресибо и Голд-стоуне (США) были получены изображения отдельных участков поверхности Венеры с пространственным разрешением 10—20 км, Эти изображения относятся к обращенному к Земле в период нижнего соединения полушарию Венеры. Противоположным полушарием планета поворачивается к Земле спустя 3 месяца, когда расстояние между нею. и Землей возрастает в 3 раза, и отраженный сигнал ослабевает почти а 100 раз. Полярные области Венеры вообще недоступны для наблюдений с Земли. Установка радиолокатора на искусственном спутнике, обращающемся вокруг планеты, снимает эти ограничения. Кроме этого, появляется возможность измерить профиль высот поверхности по трассе полета. При радиолокации с Земли профиль поверхности уверенно определяется только для экваториальной области Венеры, где радиоволны падают Перпендикулярно поверхности.

Космические аппараты «Венера-15» и «Венера-16» выведены на близкие к полярным, сильно вытянутые эллиптические орбиты вокруг планеты с периодом обращения 24 ч. Минимальное расстояние аппаратов от поверхности Венеры в перицентре, приходящемся примерно на 60° северной широты, около 1000 км, максимальное расстояние—в апоцентре — 65 000 км. Параметры орбиты выбраны таким образом, чтобы снять северную полярную область Венеры, недоступную для наблюдения с Земли. При прохождении космических аппаратов. вблизи планеты за 16 мин ежедневно снималась полоса поверхности длиной 7000— 8000 км. Съемка начиналась на широте 80° за северным полюсом Венеры. Аппарат проходил вблизи него и, двигаясь примерно вдоль меридиана, заканчивал съемку на широте 30°.

Во время съемки с помощью системы астроориентации искусственный спутник приводится в медленное вращение. При этом ось антенны радиовысотомера-профилографа оказывается направленной по местной вертикали к центру планеты, а ось радиолокатора бокового обзора, снимающего изображение поверхности сбоку от трассы полета, находится в плоскости, проведенной через местную вертикаль перпендикулярно плоскости орбиты. Съемка космическими аппаратами «Венера-15» и «Венера-16» велась под углом около 10° к вертикали—в этом случае обратное рассеивание имеет большую интенсивность. Мощность отраженного сигнала превышает в 30— 100 раз мощность шума приемной аппаратуры, которая автоматически адаптируется к уровню отраженного сигнала. Это обеспечивает практически одинаковое качество радиолокационных изображений как в районах с высокой, так и с низкой отражательной способностью.

Проблема состояла в том, чтобы запомнить большой объем информации и затем передать его на Землю. Запоминающие устройства космических аппаратов «Венера-15» и «Венера-16» обеспечивали накопление отраженных сигналов в цифровой форме в течение 16 мин непрерывной съемки. Прием информации на Земле велся двумя антеннами, одна из которых с диаметром главного зеркала 70 м находится в Крыму в Центре дальней космической связи под Евпаторией, а вторая—под Москвой на радиоастрономической станции Московского энергетического института. Научно-методические основы эксперимента были подготовлены предшествующими радиолокационными наблюдениями Венеры с Земли, которые в Советском Союзе возглавляет директор Института радиотехники и электроники АН СССР академик В. А. Котельников. В ходе этих работ стали известны характеристики обратного рассеяния радиоволн поверхностью Венеры, определяющие контрастность радиолокационного изображения. При выборе рабочей длины волны руководствовались тем, что метод «синтеза апертуры», примененный для достижения необходимого пространственного разрешения при боковом обзоре, с укорочением волны дает лучшее разрешение. Предел укорочению волны ставит поглощение электромагнитного излучения в венерианской атмосфере, прежде всего в углекислом газе, из которого она почти целиком состоит. На волне 8 см, выбранной для радиолокационной системы, атмосферное поглощение вызывает уменьшение мощности отраженного сигнала в 1,6 раза. При дальнейшем укорочении волны атмосферное поглощение проявляется очень резко и, например, для волны 3—4 см вызывает уменьшение мощности отраженного сигнала в 10 раз. Венерианская атмосфера, плотность которой у поверхности в 50 раз выше, чем на Земле, увеличивает время запаздывания отраженного сигнала, причем тем сильнее, чем больше ее толщина над данной точкой. Над средним уровнем поверхности планеты увеличение запаздывания составляет 1,7 мкс, или 260 м в пересчете к высоте. Оно учитывается при обработке данных. Вследствие атмосферной рефракции траектория радиолуча при боковом обзоре несколько искривляется и приближается к вертикали. Это вызывает смещение точки, в которой происходит отражение, по направлению к трассе. Однако из-за небольшой величины угла, составляемого радиолучом с вертикалью, это смещение не превышает 100 м, и им можно пренебречь. Величина рефракции и поглощения радиоволн в атмосфере Венеры была оценена на основе данных, полученных спускаемыми аппаратами автоматических межпланетных станций серии «Венера».

Обработка отраженного сигнала и построение радиолокационных изображений и профилей высот поверхности Венеры ведутся в Институте радиотехники и электроники (ИРЭ) АН СССР, куда информация поступает в записи на магнитных лентах. Здесь создан комплекс аппаратуры, оборудованный электронными вычислительными машинами. Отраженный сигнал представляет собой радиоголограмму. Обычно, чтобы получить на ее основе изображение, применяют когерентный оптический процессор (вычислитель). Для обработки радиоголограмм, которые получаются в условиях изменяющейся высоты .и скорости космического аппарата, движущегося по эллиптической орбите, впервые применено специализированное электронное вычислительное устройство — процессор Фурье, разработанный ИРЭ АН СССР совместно с Институтом электронных управляющих машин Минприбора СССР. Операцию преобразования Фурье процессор выполняет в 50 раз быстрее, чем, скажем, это делает большая универсальная ЭВМ типа БЭСМ-6. Передатчик радиолокационной системы космических аппаратов «Венера-15» и «Венера-16» работает длинными импульсами, повторяющимися через 0,3 с, после каждого из которых принимаются и регистрируются в цифровой форме массивы отсчетов отраженного сигнала, составляющие радиоголограмму. При обработке каждой радиоголограммы синтезируется кадр радиолокационного изображения шириной 20—40 км и высотой около 150 км. Отдельные кадры (а их более 3000) объединяются в сплошную полосу, которая наносится вдоль трассы полета. При этом необходимо учитывать изменения высоты и скорости космического аппарата от кадра к кадру. С этой целью для каждой точки изображаемой поверхности вычисляют наклонную дальность и радиальную составляющую скорости относительно космического аппарата, для чего используют данные о его расстоянии и скорости по отношению к центру масс Венеры. Соседние кадры перекрываются на 80—90%, что обеспечивает возможность усреднения независимо полученных данных и уменьшение за счет этого флуктуационной погрешности измерения мощности отраженного сигнала. Такую погрешность вызывает интерференция радиоволн, отраженных отдельными точками в пределах разрешаемого элемента поверхности, что в оптике носит название «спекл-эффекта». После обработки информации, полученной при прохождении космического аппарата вблизи планеты, строят изображение полосы поверхности, вытянутой приблизительно вдоль меридиана. К следующему прохождению через 24 ч планета поворачивается на угол около 1,5°, и после обработки получается изображение новой полосы. Во время регулярной съемки в Институт геохимии и аналитической химии АН СССР и Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии ГУГК направлялись обработанные материалы радиолокационной съемки для геолого-морфологического анализа и картографической обработки. Еженедельно передавалось около 100 бланков на фотобумаге и фотопленке с радиолокационными изображениями и профилями высот поверхности Венеры. Далее предстояло объединить между собой отдельные полосы и получить сплошное изображение в определенной картографической проекции, или фотоплан.

Как известно, сферу невозможно развернуть на плоскость. Поэтому отдельные полосы наносили на сферу в венерографической системе координат, а затем поточечно проецировали на коническую поверхность, которую уже можно развернуть на плоскость. Эта коническая поверхность проводится через некоторые две параллели, выбранные так, чтобы геометрические- искажения в плоскости фотоплана были минимальными. Проецирование велось цифровыми методами. В местах перекрытия соседних полос яркость изображения бралась с весовым множителем, убывающим линейно к краю, чтобы «полосатость» не была заметна.

При построении полос, из которых создается фотоплан, не учитывалась местная высота изображенного рельефа. Изображения наносили на сферу радиуса 6051 км, принятого за среднее значение радиуса Венеры. Значительные отклонения местного радиуса от среднего значения, превышающие в районе Гор Максвелла 10 км, приводили к смещению деталей изображения перпендикулярно трассе на величину до 90 км и искажению их формы. При построении фотоплана учитывали высоту местного рельефа и вносили поправки в координаты космического аппарата, уточненные в Институте прикладной математики АН СССР по методике, которая учитывает возмущения параметров орбиты во время работы двигателей системы астроориентации. Общая площадь представленного фотоплана—2 млн. км2. Это наиболее детальное изображение Гор Максвелла и окружающей области из всех существующих. В центре находится огромное образование—Патера Клеопатра. Диаметр этого кратера составляет 95 км. Внутри него второй кратер диаметром 55 км. Внутренний кратер смещен к северо-западу относительно центра внешнего, где их края почти совпадают. Анализ профиля высот по трассе, пересекающей Патеру Клеопатра, показывает, что внешний кратер имеет глубину 1,5 км, а дно внутреннего опущено еще на 1 км. С запада и юго-запада район Патеры Клеопатра окружен параллельными горными хребтами, тянущимися на сотни километров. Здесь в 200 км к западу от центра кратера находится самая высокая точка Венеры, возвышающаяся над средней сферой на 11,5 км. Эта точка была зафиксирована радиовысото-мером-профилографом космического аппарата «Венера-16» 14 января 1984 года. С запада горные хребты сдавлены массивной плитой Плато Лакшми высотой 5—6 км. С востока от кратера рельеф носит более хаотичный характер. Непосредственно вокруг кратера рельеф сглажен, по-видимому, выбросом при ударе метеорита, образовавшего кратер, и выглядит более светлым. С юга к Горам Максвелла примыкает край Равнины Седны. К северу Горы Максвелла переходят в извивающийся «жгут», который на самом севере представленной территории сливается с равниной.

Не так давно в Аресибо (США), где исследования поверхности Венеры ведутся уже более 15 лет, было получено радиолокационное изображение области Гор Максвелла с разрешением 3 км. Радиолокационная установка в Аресибо оборудована антенной с неподвижным сферическим зеркалом диаметром 300 м и передатчиком мощностью 450 кВт на волне 12,6 см. Однако с помощью этой установки хорошо просматривается только центральная часть горного района, имеющая шероховатую структуру поверхности. Окружающее пространство с более гладкой поверхностью тонет в тени вследствие низкого уровня отраженного сигнала. Если наблюдать Венеру с Земли, то в дополнение к большому расстоянию угол падения между радиолучом и местной вертикалью становится равным венерографической широте места, которая для Гор Максвелла составляет 60—70°. В отличие от этого на фотоплане Гор Максвелла, построенном по данным радиолокационной съемки Венеры космическим аппаратом «Венера-16» с разрешением около 1 км, детали поверхности просматриваются везде одинаково хорошо. Следует подчеркнуть, что площадь фотоплана области Гор Максвелла составляет всего лишь 2% территории, снятой космическими аппаратами «Венера-15» и «Венера-16». Сопоставление фотоплана области Гор Максвелла, снятой советскими космическими аппаратами, с изображением той же местности, полученным в США, подтверждает мысль, что радиолокационная съемка Венеры космическими аппаратами «Венера-15» и «Венера-16» открыла новую эпоху в исследованиях этой планеты.

По материалам журнала «Земля и Вселенная» № 3 за 1985 год.
(Доктор ф.-м. наук О.Н. Рижга)
Публикация 30 июля 2005 года.
Подготовка и выпуск проект 'Астрогалактика'