zelenyikot


Открытый космос Зеленого кота

Космос ближе, чем кажется


Previous Entry Share Next Entry
Как исследуют планеты с помощью света
zelenyikot



Что нужно для детального исследования другой планеты, астероида или кометы?
Для начала, запустить поближе космический аппарат. И оборудовать этот зонд приборами, чтобы они рассказали как можно больше о предмете изучения, исходя из ограничений на объем и массу. Сегодня посмотрим как человек изучает Солнечную систему при помощи оптических средств.



Вокруг Солнца вращается множество космических тел, которые очень сильно отличаются друг от друга. Газовые гиганты не имеют твердой поверхности, а каменные планеты имеют атмосферу разной плотности, от ничтожной до сверхплотной. Астероиды бывают каменные, а бывают железные, а кометы сильно меняют свою активность в зависимости от расстояния до Солнца.



Понятно, что для изучения объектов с разными свойствами потребуются разные приборы. В то же время, ученые уже накопили немалый опыт применения многих типов исследовательских методов, смогли понять, что дает максимум полезной информации при минимальной массе. Сейчас мы можем рассмотреть такой "джентльменский набор" роботизированного исследователя космоса.

Съемка в видимом диапазоне

Глаза продолжают быть нашим главным исследовательским прибором, поэтому на Земле астрономы вкладывают миллиарды в гигантские телескопы, а для космоса создаются специальные фотокамеры. Научную камеру стараются делать двойную, т.е. запускать две камеры: одну широкоугольную, вторую длиннофокусную. Широкоугольная позволит охватывать взглядом значительные пространства, но все объекты в ее съемке будут мелкими. Длиннофокусная является "дальнобойным орудием", которая позволяет рассматривать мелкие подробности со значительного расстояния.

Этот принцип сохраняется как в космосе, так и на поверхности планет. Так, у марсохода Curiosity широкоугольный цветной объектив 34 мм, а длиннофокусный - 100 мм.



Для орбитальных модулей соотношение между длинным и широким, обычно, намного существеннее. Вместо длиннофокусного объектива ставят полноценный зеркальный телескоп.



Самый большой зеркальный телескоп за пределами околоземной орбиты сейчас работает на орбите Марса, у спутника MRO - диаметром 50 см. Камера HiRise снимает высоты 250-300 км в феноменальной детализации до 26 см.



Это позволяет ученым изучать Марс и следить за перемещением марсоходов, а энтузиастам, вроде нас, заниматься марсианской археологией.

Кроме научных камер, на космические аппараты часто ставят навигационные камеры. Они позволяют лучше ориентироваться "на местности" операторам аппаратов, и выбирать цели для научных камер. Навигационные камеры могут охватывать еще более широкие углы обзора, и могут тоже создаваться двойными, но уже для повышения надежности или для стереосъемки.



Разница между научными камерами и навигационными не только в широте угла обзора. Научные камеры оснащаются еще сменными цветными фильтрами, которые позволяют анализировать некоторые спектральные характеристики поверхности исследуемых объектов. Обычно фильтры располагаются в специальном колесе, которое позволяет менять их на оптической оси камеры.



По умолчанию, научные камеры снимают в панхроматическом диапазоне - черно-белом режиме, в котором фотоматрица принимает весь видимый свет, и даже немного невидимого - ближнего инфракрасного. Такая съемка позволяет получить самое высокое разрешение и увидеть самые мелкие детали, поэтому большинство снимков из космоса черно-белые. Хотя кто-то думает, что с этим связан какой-то заговор.


В панхроматическом (черно-белом) режиме, детализация выше.

Цветные изображения можно получить многократной съемкой с чередованием цветных фильтров, путем объединения снимков. Единичный кадр, сделанный через один цветной фильтр, тоже будет черно-белым, поэтому снимки требуется объединять по три. Причем вовсе не обязательно, полученный цвет на изображении будет тем, что увидели бы наши глаза. Для человеческого зрения мир состоит из сочетаний красного, зеленого и синего цветов. И "настоящий" цвет изображения можно получить при помощи красного, зеленого и синего фильтров.


Любопытна разница отражающей способности поверхности в различных диапазонах.

Но если кадры сделаны через, например, синий, красный и инфракрасный фильтры, то цвет изображения получится "ложным", хотя физические принципы его получения точно такие же настоящие.



При публикации цветных снимков на официальных сайтах подписывают какие именно цветные фильтры использованы на снимке. Но в СМИ эти фото попадают уже без пояснений. Поэтому до сих пор ходят по интернету всякие домыслы про скрываемый цвет Марса или даже Луны.

В обычных земных фотоаппаратах точно так же используется съемка через разноцветные фильтры, только они наклеены на элементы фотоматрицы (фильтр Байера) и сведением цветов занимается автоматика, а не ученые. На марсоходе Curiosity установлены уже фильтры Байера, хотя сохранено и отдельное колесо с фильтрами.

Инфракрасная съемка

Инфракрасный свет наши глаза не видят, а кожа воспринимает как тепло, хотя ИК-диапазон не меньше видимого света. Сокрытую от глаз информацию позволяют добыть инфракрасные камеры. Даже самые обыкновенные фотоматрицы могут увидеть ближний инфракрасный свет (попробуйте, например, снять огонек телевизионного пульта на смартфон). Для регистрации среднего диапазона инфракрасного света, на космическую технику ставят отдельные камеры, с другим типом датчиков. А дальний инфракрасный требует уже охлаждения датчиков до глубокого минуса.

За счет более высокой проникающей способности инфракрасного света удается заглядывать глубже как в дальний космос, сквозь газопылевые туманности, так и в грунт планет и прочих твердых тел.

Так ученые Venus Express наблюдали за движением облаков на средних высотах в атмосфере Венеры.



New Horizons регистрировал тепловое свечение вулканов спутника Юпитера Ио.



Съемка в режиме "хищника" применялась на марсоходах Spirit и Opportunity.



Взгляд Mars Express на полюса Марса показал разницу распределения углекислотного и водяного льда по поверхности ледяных шапок (розовый - углекислотный, голубой - водяной лед).



Для получения максимума информации, инфракрасные камеры оснащают большим набором фильтров, либо полноценным спектрометром, который позволяет раскладывать на спектр весь отраженный от поверхности свет. Например, у New Horizons имеется инфракрасный датчик с 65,5 тыс элементов-пикселов, выстроенных в 256 линий. Каждая линия “видит” только излучение в своем узком диапазоне, и датчик работает в режиме сканера, т.е. камерой с ним “проводят” по изучаемому объекту.

Как уже упоминалось, инфракрасный свет - это тепло, поэтому съемка в этом диапазоне открывает еще одну возможность исследования твердых космических тел. Если наблюдать за поверхностью длительное время в процессе нагрева от солнечных лучей в дневное время и остывания в ночное, то можно увидеть, что какие-то элементы поверхности быстро нагреваются и остывают, а какие-то долго нагреваются и долго остывают. Эти наблюдения называются исследованием тепловой инерции. Они позволяют определять физические характеристики грунта: рыхлый, как правило, легко набирает и легко отдает тепло, а плотный - долго нагревается и долго держит тепло.


На карте: розовый - с низкой тепловой инерцией, синий - с высокой (т.е. долго остывает).

Интересное наблюдение, в тепловом режиме, было сделано советским зондом “Фобос-2”. Снимая Марс в тепловом режиме, он заметил длинную полосу, которая протянулась по планете.



В 90-е в прессе высказывались мистические домыслы о самолетном конденсационном следе в атмосфере Марса, но реальность оказалась интереснее, хоть и прозаичнее. Тепловая камера “Фобоса-2” смогла зафиксировать полосу остывшего грунта, которая протягивается за проходящей тенью спутника Марса - Фобоса.

Бывают и ошибки. Например, исследуя кратер Гейла со спутника Mars Odyssey, ученые определили местность с высокой тепловой инерцией, неподалеку от севшего марсохода Curiosity. Там ожидали найти плотную скальную породу, а нашли глинистые породы с относительно высоким содержанием воды - до 6%. Получилось, что причиной высокой тепловой инерции была вода, а не камень.

Ультрафиолетовая съемка



С помощью ультрафиолета изучают газовую составляющую Солнечной системы, да и всей Вселенной. Ультрафиолетовый спектрометр стоит на телескопе Hubble, и с его помощью удавалось определить распределение воды в атмосфере Юпитера или обнаружить выбросы из подледного океана его спутника Европы.



В ультрафиолете изучались практически все атмосферы планет, даже те, которых практически нет. Мощный ультрафиолетовый спектрометр зонда MAVEN позволил увидеть окружающий Марс водород и кислород на значительном удалении от поверхности. Т.е. увидеть как, даже сейчас, продолжается улетучивание газов из атмосферы Марса, и чем легче газ тем интенсивнее это происходит.



Водород и кислород в атмосфере Марса получается путем фотохимической диссоциации (разделения) молекул воды на составляющие под действием солнечного излучения, а вода на Марсе испаряется из грунта. Т.е. MAVEN позволил ответить на вопрос почему сейчас Марс сухой, хотя когда-то там были океан, озера и реки.

Зонд Mariner-10 в ультрафиолете смог выявить подробности венерианских облаков, увидеть V-образную структуру турбулентных потоков, и определить скорость ветров.



Более сложный способ исследования атмосферы - на просвет. Для этого исследуемый объект размещается между источником света и спектрометром космического аппарата. Так можно определить состав атмосферы оценив разницу спектра источника света до и после перекрытия атмосферой.



Таким образом удается определить не только содержание газов в атмосфере, но и примерный состав пыли, если она тоже поглощает часть света.

Стоит отметить, что по части спектроскопических межпланетных исследований Россия занимает не последнее место. При участии Института космических исследований РАН создавался европейский инфракрасный спектрометр OMEGA для Mars Express; на том же аппарате стоит результат совместной работы российских, бельгийских и французских ученых - инфракрасный и ультрафиолетовый спектрометр SPICAM; совместно с итальянцами специалисты ИКИ РАН разработали прибор PFS. Схожий набор приборов был установлен на аппарате Venus Express, который закончил свою миссию в конце 2014 года.

Как видим, свет обеспечивает нас значительным объемом информации о Солнечной системе, надо только уметь смотреть и видеть, но есть и другие средства, связанные уже с ядерной и радиофизикой. И это тема для следующего обзора.

Zelenyikot
Чтобы не пропустить следующий материал можно подписаться на ЖЖ, Twitter или Fb.


promo zelenyikot december 8, 07:51 25
Buy for 800 tokens
Я не только пишу о космосе, но могу и рассказать о любимых темах для широкой или узкой аудитории. За последние два года я уже провел несколько десятков лекций во многих городах России. Часто приглашают на фестивали науки, профориентационные мероприятия для студентов, на конференции и выставки.…

первонахну впервые в жизни

может все таки под кат?

Читал где-то планы отправить на орбиту Марса метровый телескоп, чтобы получать разрешение в несколько см на пиксель. Слабая местная атмосфера этому не мешает.

Нашел:

http://mepag.jpl.nasa.gov/reports/MSO_SAG2_Report_MEPAG_29may1.pdf
"The SAG-2 discussed the scientific return from imaging at significantly better spatial resolution (and comparable signal-to-noise ratio) than HiRISE (30 cm/pixel at 300 km altitude). This resolution can help resolve fundamental issues with regard to active processes such as gullies, and provides imaging at the equivalent of lander scales at many more sites than we will be able to land at during the coming decade. State of the art visualization can effectively show the surface view in these extreme high-resolution views. Similar techniques are actively being used for navigation of MER from HiRISE images. Unfortunately, achieving spatial resolution of 5-10 cm, under current state of the art, increases both mass and cost significantly, and largely becomes the only scientific goal for MSO. Also, spacecraft stability could become the limiting factor in resolution rather than the telescope. We discussed the possibility of “shared optics” i.e. a view similar to the space telescope where a single optic is shared by multiple instruments, but the practicalities of creating multiple optical chains were seen as prohibitive for the MSO mission. Though discussed at multiple stages in the process, the majority did not condone a “single instrument” core mission and so this option was ultimately dropped. "


Плюс метровый телескоп предлагалось отправить к Ганимеду:

http://www.lpi.usra.edu/pss/presentations/200707/niebur_flagship.pdf
Ganymede elliptical orbiter with large (1m or greater) optical system (на 9 странице)

Edited at 2015-07-21 05:56 am (UTC)

Хороший пост. Но он мог бы быть лучше с lj-cut ;)

А есть хорошее видео из космоса? А то не поймешь где графика, а где реально снято)

Почти не снимают, поскольку не представляет научной ценности. Несколько видео которые я встречал за последнее время - т.н. "таймлапсы", собранные из фотографий. Примеры - пролёт New Horizons мимо Плутона и видео с МКС.

Это в качестве подготовки к данным исследования Плутона?
Что-то не торопится НАСА выдавать информацию.
Смотрю их сайт, но все равно жду ваши комментарии, Виталий.

Похоже у разных университетов разная политика выкладывания сырых снимков. По марсоходам и Кассини сразу же снимки выкладывали в общий доступ (особенно двухликий Япет запомнился). С Плутоном не так: выдают порциями на специальных пресс-конференциях.

Спасибо, очень интересно.

Еще в советское время наши и американцы запустили зонды на Венеру,но результаты разные.Американцы считали,что техника лучше,а мы впервые продемонстрировали панораму поверхности Венеры. Вы сможете объяснить эту проблему?

Где Вы нашли проблему и почему Вы мыслите в категориях "лучше-хуже"? У разных проектов были разные цели. Американцы запустили целевым образом к Венере четыре КА (пролетные Mariner 2 и Mariner 5, комплексный Pioneer Venus, специализированный радиолокатор Magellan). Мы, если считать только успешные, -- 12 аппаратов, и закономерно добились большего. По конкретным направлениям результаты могли даже чередоваться. Скажем, первую грубую радиолокационную съемку поверхности провел Pioneer Venus Orbiter, затем ее существенно улучшили для одной полярной области "Венера-15" и "Венера-16", и лишь после этого глобальную детальную съемку выполнил Magellan.

(Deleted comment)
(Deleted comment)
(Deleted comment)
(Deleted comment)
(Deleted comment)
(Deleted comment)
(Deleted comment)
а Вы где-нибудь рассказывали уже как работает страхование ракет и спутников? Или посоветуйте, если можно, где на эту тему почитать?

Edited at 2015-07-21 07:12 am (UTC)

Нет, не думаю, что это будет многим интересно. И не встречал нигде материала, чтобы вам посоветовать.

Спасибо. Это чрезвычайно интересно.

Спасибо , очень интересно.

Во фразе "хотя ИК-диапазон не меньше видимого света" что-то не так :-)

скорее всего, имелось в виду, что инфракрасный диапазон шире (если считать по длинам волн), чем диапазон "видимого света"

Спасибо, жду продолжения. :)

Половину не понял, но всё равно очень интересно. Автору огромное спасибо)

Круто!
Уже слышали новость про то, что Мильнер вкладывает $100 млн. на поиск внеземных цивилизаций совместно с Хокингом? Обещали, что все полученные снимки в высоком качестве сможет скачать любой желающий.

Слышал. Только никаких снимков не будет, т.к. они будут использовать радиотелескопы.

Украла у вас фото Земли. Это что-то необыкновенное!

ftp://ftp.ntsomz.ru/
Логин/пароль: electro

Крадите на здоровье!

А чего про стерео-съемку отдельно не сказали? Эта техника применяется на всех масштабах от поверхности (съемка с Роверов и посадочных аппаратов), орбитального - MRO стерео картинки тоже делает и до звездного - STEREO - стерео обсерватория из двух аппаратов которые снимают Солнце с двух ракурсов.

Всё перебрать не успеваю, и так материал перегруженный получился.

(Deleted comment)
Землю. И внесолнечные системы в составе сверх-радиотелескопа RadioAstron.

Edited at 2015-07-21 12:34 pm (UTC)

(Deleted comment)
Вот смотрю и думаю: "Не зря все-таки люди институты заканчивали. За горизонты заглядывают, спутники делают".
А вот закончил я ин.яз., и че? Даже представить боюсь, какую голову надо иметь, чтобы придумать аппарат, рассчитать все, чего он там должен наснимать, а потом все это еще и проанализировать и сделать выводы.
Молодцы, однако...

Что значит <<Съемка в режиме "хищника">>?

Иными словами, в инфракрасном свете

Автор, что за классификация метеоритов у вас? Откуда взялась марсианская археология? Марсиане потрудились?
Инфракрасное излучение это тепло? Вы что то путаете. Тепловые эффекты лишь следствие физико-химических процессов.

Классификации метеоритов не было. Было упоминание каменных и железных астероидов. Всё так, просто есть еще и угольные, которых 75%, но на ход размышления в статье это не влияет.
Под марсианской археологией имеется в виду изучение структуры поверхности планеты (больше геология) и следов пребывания человеческих изобретений на Марсе (удачные/неудачные посадки, перемещения марсоходов).
Про тепло - без комментариев. Вырываете из контекста (было написано "ощущается как тепло") и придираетесь. Весь научпоп - это череда допущений и упрощений, без этого никуда.

Спасибо, что пишете! Очень интересно!

Очень интересно!
Всегда хотелось узнать, существуют ли сейчас такие технологии, что-бы можно было фотографировать реальные объекты, находящиеся например за толщей скальной породы. Но не рентген. Что-то слышал о таких лучах - дескать существует узкий участок на краю спектра. Но отчетливо не могу вспомнить

возможно, речь просто про футуристические технологии вроде анализа отдельных фотонов после серии переотражений в цельную картину с помощью мегасложного ещё не изобретённого математического аппарата

(просто была волна публикаций на эту тему пару лет назад)

исследование Венеры

Добрый вечер,

С удовольствием бы услышал мнение присутствующих о том, не является ли крамолой. или, например, дремучей глупостью, мысль о том, что к изучению Венеры мог бы дать очень сильный толчок, метеорит с этой планеты? Тем более, в нынешних условиях. когда о глобальном потеплении и парниковом эффекте не вещает наверное лишь только, как говорят в подобных ситуациях, утюг.

Edited at 2015-07-21 06:31 pm (UTC)

Re: исследование Венеры

Метеорит с Венеры - это очень маловероятная находка, с его атмосферой вряд ли что может улететь с его поверхности.

Вы меня восхищаете своей работоспособностью, это сколько надо перелопачивать информации, чтобы ежедневно делать такие посты. Браво брависсимо, я вами восхищен!

Полностью согласен с подобной оценкой труда

Edited at 2015-07-21 08:27 pm (UTC)

?

Log in