zelenyikot


Открытый космос Зеленого кота

Космос ближе, чем кажется


Previous Entry Share Next Entry
Как изучают планеты с помощью радио и радиации
zelenyikot
Mars-Express-Orbit-2.jpg

Космической радиацией наполнено все межзвездное и межпланетное пространство. Это результат излучения звезд, аккреционных дисков черных дыр, нейтронных звезд и пульсаров, взрывов сверхновых... Практически любой катаклизм во Вселенной является причиной радиационных выбросов. Радиация является проблемой для космонавтов и электроники, но для ученых она является подарком, позволяющим узнать много подробностей о космосе. Продолжаем наш обзор научных приборов, применяемых для исследования Солнечной системы.

Ранее мы узнали как изучают планеты оптическими средствами.

Гамма-спектроскопия

Гамма диапазон, в принципе, тоже является оптикой, т.к. гамма-лучи - это высокоэнергичные фотоны. Но гамма-спектроскопия в планетологии изучает не те лучи, которые выбрасываются из звезд и черных дыр, а те, которыми фонят планеты и другие безатмосферные или слабоатмосферные космические тела.

GRS.jpg

Планеты и астероиды начинают излучать в гамме под воздействием бомбардировки более массивных частиц: высокоэнергетичных протонов, альфа- бета- лучей и нейтронов. Заряженные частицы ударяют в поверхностный грунт и тот начинает излучать в гамме. И, что характерно, каждый химический элемент излучает в своем диапазоне. То есть, нам достаточно провести гамма-спектрометром над поверхностью, чтобы понять из чего она состоит. Так мы поймем только химический состав, а не геологический, но дополнив его информацией, например, с инфракрасных спектрометров, и с камер видимого диапазона, сможем получить более наглядную картину.

gamma_fluxes.jpg

Так, с помощью гамма-спектрометрии ученые узнали об относительно высоких концентрациях ториевых, железных и титановых руд на Луне.

1200px-Lunar_Thorium_concentrations.jpg

С помощью такого прибора на Mars Odyssey удалось обнаружить на Марсе два района с аномально высоким содержанием ториевых и, вероятно, урановых руд. Вполне возможно, там когда-то происходили процессы как в Африке, с образованием естественного атомного реактора. Правда другие на основании тех же данных говорят об термоядерной войне... Так или иначе это обнадеживающая находка, поскольку она означает, что атомные электростанции будущих марсианских поселенцев могут работать на местном сырье.

Th_040305_NG_5x5_SmB10_016_EQ75_with2Logos_web.jpg

Нейтронные детекторы

Космические нейтроны, в отличие от альфа- и бета- частиц, не полностью поглощаются грунтом. Часть нейтронов отражается от поверхности каменистых тел, при этом они успевают погрузиться в грунт примерно на полметра-метр. Вернувшиеся с поверхности нейтроны, как правило, уже движутся гораздо медленнее, скорость и энергия их зависит от того, через что они прошли в грунте. Точнее, с их помощью измеряется только один параметр - содержание водорода.

grsradiation.jpg

Водород, за счет легкости атомов, эффективно замедляет нейтроны при упругих столкновениях, и эта эффективность напрямую зависит от его концентрации. При этом, в свободной форме, водород в грунте не задержится, особенно там где атмосферное давление стремится к нулю. Чтобы сохранить водород в грунте его надо связать на химическом уровне, и лучшим средством остается вода. Таким образом, пролетая над поверхностью и собирая данные о скоростях "взлетающих" нейтронов, можно определить примерное содержание воды в грунте. Разумеется, чем ниже мы пролетим тем точнее данные будут. Спутники пока дают погрешность плюс-минус сотня километров.

Именно с помощью российских приборов LEND и HEND, были получены данные о распределении водорода/воды в приповерхностных грунтах Луны и Марса.

mola-mars-water_map_wblack.jpg

И если марсианские данные уже дважды подтвердились, то лунные еще ждут своей проверки. На Марсе в приполярный регион высадился посадочный модуль Phoenix, и там где HEND обещал до 70% воды в грунте, прямо под пылью нашелся пласт водяного льда. А в кратере Гейла, где работает марсоход Curiosity, HEND обещал 5%, в грунте содержание воды колеблется от 3% до 5%, и лишь изредка попадаются шестипроцентные "оазисы".

После такого успеха HEND, его брата DAN "усадили" прямо на марсоход, и он теперь собирает данные не с высоты 300 км, как предшественник, а 0,5 м. Правда глубина зондирования по-прежнему не превышает 1 метра, зато пространственное разрешение увеличилось с десятков километров, до сантиметров.

PIA16809_water_distribution-br2.jpg

Впрочем, несмотря на успехи нейтронных детекторов, окончательного доверия им нет. Ледники на Луне еще ждут своего первооткрывателя, и космические агентства, как и частные компании все больше внимания обращают на полюса Луны. Хотя там концентрация влаги, по данным спутников, не более 4%.

Радары

Зондирование планет в радиодиапазоне начали проводить еще с Земли. Много информации дал радиотелескоп Аресибо, диаметром в 300 метров. Например, еще в 80-е годы, он обнаружил на полюсах горячего Меркурия, странный отблеск, который мог дать водяной лед. Ученые долго не могли поверить, в то, что на самой близкой к Солнцу планете, могут существовать ледники. Пришлось ждать результатов зонда Messenger, который при помощи нейтронного детектора и лазерной локации, смог подтвердить факт наличия льда.

nFigure9.JPG

Впечатляющие картины показал Аресибо во время суперлуния 2013 г. На Луне с его помощью удается разглядеть последствия катастрофических лавовых потоков и "наводнений".

newradarimag.jpg

Если совместить эти снимки с картами распределения минералов, полученных с орбитальных спектрометров, то можно составить подробную геологическую карту местности, и возможно реконструировать эволюцию поверхности. Хотя странно, что до сих пор на Луну не отправляли спутник с мощным радаром.

Зато три радарных спутника летало к Венере. Иного способа изучать поверхность с орбиты этой планеты нет. "Венера-15 и -16" провели картографирование северного полюса в 80-е гг., а потом, в 90-е Magellan составил полную карту.

Venus_Magellan_C3-MDIR_Global_Mosaic_1024.jpg

Сейчас подобным делом занят Cassini на орбите Сатурна. Здесь радар используется чтобы проникнуть сквозь плотную атмосферу Титана. В ходе многочисленных пролетов, космическая станция постепенно приоткрывает вечную пелену и открывает науке этот поистине удивительный мир, в чем-то невероятно похожий на земной, а в чем-то разительно отличающийся.

PIA19051.jpg

Многократная радарная съемка позволяет не просто картографировать, но и наблюдать динамические процессы. Так, таинственно появившийся, а потом исчезнувший остров сочли признаком происходящих сезонных изменений. Возможно это был ледяной айсберг, обрушившийся в метановое море.

PIA18430_modest.jpg

Другие диапазоны волн и другая конструкция радара, позволяют забираться и глубже. На орбите Марса работают два космических аппарата, оборудованные "эхолотами", проникающими в кору планеты на 1-3 километра.

Исследование европейского космического аппарата Mars Express позволило получить информацию о мощности и структуре полярных льдов, отличить углекислотный лед от водяного и оценить запасы воды.

223081main_marsis_sharad-20080417-516.jpg

Его же сканирование позволило обнаружить древние астероидные кратеры, погребенные сотнями метров вулканической лавы и осадочных накоплений марсианского океана, в северном полушарии планеты. Ранее ученые неоднократно отмечали видимую разницу в количестве метеоритных кратеров в южном и северном полушариях Марса, и Mars Express позволил разгадать загадку. Если у кого-то еще оставались надежды на марсиан, зарывшихся от вакуума, засухи и мороза в подмарсианский "Зион", то у меня для них плохие новости...

x4012sd.jpg

На аппарате New Horizons тоже установлены приборы для радарного исследования, но размеры антенны уступают многим межпланетным коллегам, поэтому исследование сконцентрируется на поиске и изучении атмосферы.

Я с нетерпением жду результатов радарного просвечивания ядра кометы 67P/Чурюмова-Герасименко, которое на пару проделывали аппараты Rosetta и Philae.

Радар привезли даже на Луну. Китайский "Нефритовый заяц" успел пройти всего сотню метров, но даже на ней ему удалось получить интереснейшие профили лунной поверхности, на глубину около четырехсот метров. В будущем, такая информация будет жизненно необходима для строительства лунной станции, базы или поселения.

yutu.jpg

Альфа-протонная спектроскопия

Когда дело доходит до исследования космических тел посадочными аппаратами, то практически не обходится без трогательных моментов альфа-протонной рентгенофлоуресцентной спектроскопии.

pip_figure5.jpg

Приборы типа APXS (Alpha Particle X-Ray Spectrometer) устанавливались на все марсоходы NASA. APXS имеется на посадочном аппарате Philae на ядре кометы 67P/Чурюмова-Герасименко. Был похожий прибор (РИФМА) и на советских луноходах.

aufbau_apxs_mer_big.jpg

Принцип работы метода напоминает гамма-спектроскопию, за тем исключением, что датчик имеет свой собственный источник заряженных частиц (какой нибудь радиоактивный изотоп), прежде всего альфа-лучей. Радиацией облучается исследуемый образец и он начинает светиться в рентгеновском диапазоне.

funktionsweise_apxs_a.gif

Причем каждый химический элемент светится по-своему, что и позволяет получать спектры элементного состава.

686486main_gellert-3-43_946-710.jpg

Это далеко не исчерпывающий обзор оборудования для исследования Солнечной системы. Как правило, на межпланетные аппараты ставятся и астрофизические приборы, для регистрации энергичных частиц, межпланетной радиации, плазмы и пыли. Межпланетные перелеты позволяют изучать еще и космическое пространство, взаимосвязи Солнца, планет, и межзвездной среды, но это уже другая история.

zelenyikot

Если интересна тема космических исследований, можно подписаться на мой 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.…

  • 1
Очень интересно. Спасибо!

"Водород, за счет большого размера своих атомов, эффективно замедляет нейтроны"

У водорода самый маленький атомный радиус из всех элементов, а самым эффективным замедлителем нейтронов он является потому, что самый лёгкий и отнимает больше энергии у нейтрона при упругих соударениях. (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D0%B4%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%BD%D0%B5%D0%B9%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%B2)


Спасибо, исправил.

Познавательно спасибо

читал рассказ, прилетели космонавты изучать один из спутников юпитера, ну и облучили всю поверхность радаром, сканирование делали. а на спутнике местные жители имели радиозрение и практически все ослепли.
как-то так.

виновные наказаны?

Как раскрашивают планеты

Помню, для меня было открытием, что поверхности планет (того же Марса) или просто фотографий космоса раскрашивают для журналов, в зависимости от настроения редактора и содержания статьи, долго лазил по ресурсам, чтобы узнать, какого они настоящего цвета)

Re: Как раскрашивают планеты

Подозреваю, вы неправильно поняли мысль о трехканальной съемке, необходимой для создания цветного снимка. У меня в предыдущем посте разбирается этот вопрос: http://zelenyikot.livejournal.com/74270.html

Волшебно, спасибо!

Это всё интересно, но где инопланетяне?

Как минимум за 1400 световых лет )

Виталий, может ссылку поставить на отдел в ИКИ РАН, приборы которого летают в космос (как им повезло)?:
http://l503.iki.rssi.ru/hend.html

Я полагаю, кому надо и так найдет. Ну ладно, поддосим их чутка )

Весьма интересно.
Читал кстати в одном из НФ рассказов, почему к нам никто не летит: Все дело в том что мы слишком много "шумим" в радиодиапазоне. Из за это нашу планету считают не пригодной к жизни, мол слишком много электромагнитынх волн, в нормальной среде такое не возникает, ну нафиг эту планетку, еще облучимся чем нить...

А что там с новой подобной земле планетой?
Можно уже чемоданчик паковать?

Можно. Только никто не полетит )

Не раньше чем через 30 лет.
Планы есть с 70-х гг., смысла и бюджетов нет.

> Планеты и астероиды начинают излучать в гамме под воздействием бомбардировки более массивных частиц: альфа- бета- лучей и нейтронов

нейтронов в космических лучах нет из-за того что они нестабильные и распадаются пока до нас долетят. Бета, тоесть электроны, в основном низкоэнергетические, поэтому их вклад в наведенную радиоактивность не велик. Альфы - ядра гелия составляют примерно 4% космических лучей. А основной вклад - 95% - это высокоэнергетические протоны, которые даже не упомянуты.

Спасибо, добавил.

> Зато три радарных спутника летало к Венере. Иного способа изучать поверхность с орбиты этой планеты нет.

Вроде бы Пионер-Венера-1,2 обнаруживали инфракрасные окна? Т.е. снимки совпадали с рельефом поверхности.

Офигеть, интересно.
Спасибо.

замечательно, что можно получить информацию о таких глубоких структурах под поверхностью грунта. лавовые потоки под поверхностью луны, кратеры под поверхностью марса - ужасно любопытно.
а недра земли тоже изучались такими методами? или уже всё давно изучено сейсмографические-копательные-ещё-какие-нибудь методы информативнее? радарная съёмка земли может позволить распознать какие-то новые подповерхностные структуры?

Возможно на Земле атмосфера мешает глубоко забраться. А так есть радарные спутники. Европейский Sentinel-1 интересные материалы присылает: http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Copernicus/Sentinel-1

Браво, отличный пост. Только думаю планетяне есть и до 1400 св лет от нас. Наверняка есть еще 1000 экзопланет вокруг других звезд. Просто кеплер открыли сейчас, но наверняка вокруг других звезд есть свои суперземели на нужном расстоянии ) Все равно не долетим)

Оказывается, альфа-протонная рентгенофлоуресцентная спектроскопия - это очень мимимишно:)
Спасибо за интересный пост и блог!

Edited at 2015-07-27 01:52 pm (UTC)

Благодарю за отличный материал. Обе части прочитал с большим интересом. Крутой у вас блог!

спасибо, очень интересно!

Спасибо. Как всегда интересный материал
В связи с тем, что здесь поднимается тема космической радиации, хотелось бы спросить,
есть какие то исследования на тему воздействия космической радиации на потенциальных космонавтов, например, при полете на Марс? Бытует мнение, что даже при полете на Луну космонавты могут получить такую дозу радиации, что это нанесет серьезный вред их здоровью. Наверняка при запуске автоматических зондов к другим планетам такие измерения проводятся. Есть какие то данные и какие сделаны выводы о возможности межпланетных пилотируемых полетов?

Радиация до Марса - неприятно, но терпимо: http://www.space.com/23875-mars-radiation-life-manned-mission.html

Про опасность перелетов до Луны - это фантазии конспирологов. При соблюдении необходимых мер, летать можно спокойно и без свинцовых трусов.

У меня в планах есть материал на эту тему.

Edited at 2015-07-27 11:51 pm (UTC)

ЗеленыйКот, извините за оффтоп, но вот мучает меня один вопрос - прям кушать не могу.

Вот допустим, спускаемый аппарат нагревается при входе в плотные слои атмосферы. И тут все понятно.
А вот если на месте спускаемого аппарата было бы, например перышко или вирус какой - они бы сгорели? Или бы благополучно упали?

Нагрев если и есть то незначительный и поверхностный. Если вам посчастливится добраться до свежеупавшего метеорита, вы получите не ожог, а обморожение. Нагревается воздух, т.к. не успевает расступиться перед падающим на большой скорости объектом и переходит практически в жидкое состояние, фактически его сдавливает до жидкости, а для этого надо отдать тепло. Да у вас на кухне тарахтит пример этого процесса, компрессор сдавливает газ, он отдает тепло (радиатор сзади именно для этого), а потом в камеру, а там наоборот - получается холодильник. А перышко тут же потеряет скорость, ну а вирус - он слишком маленький что бы сжимать воздух.
PS: даже для многих насекомых плотность воздуха сравнима с плотностью воды для человека, а уж для вируса.

Edited at 2015-08-03 11:14 am (UTC)

  • 1
?

Log in