Co jest potrzebne do szczegółowego badania innej planety, asteroidy lub komety?
Najpierw wystrzel statek kosmiczny bliżej. I wyposaż tę sondę w instrumenty, aby jak najwięcej mówiło o przedmiocie badań, w oparciu o ograniczenia dotyczące objętości i masy. Dziś zobaczymy, jak człowiek bada układ słoneczny za pomocą środków optycznych.
Wiele kosmicznych ciał krąży wokół Słońca, które bardzo się od siebie różnią. Giganty gazowe nie mają stałej powierzchni, a planety skaliste mają atmosfery o różnej gęstości, od znikomej do supergęstej. Asteroidy to kamień i żelazo, a komety znacznie zmieniają swoją aktywność w zależności od odległości od Słońca.
Oczywiste jest, że do badania obiektów o różnych właściwościach potrzebne będą różne instrumenty. Jednocześnie naukowcy zgromadzili już spore doświadczenie w stosowaniu wielu rodzajów metod badawczych, byli w stanie zrozumieć, co daje maksimum użytecznych informacji przy minimalnej masie. Teraz możemy spojrzeć na taki „dżentelmeński zestaw” robotycznego badacza kosmosu.
Strzelanie w zasięgu widzialnym
Oczy nadal są naszym głównym instrumentem badawczym, dlatego astronomowie na Ziemi inwestują miliardy w gigantyczne teleskopy, a specjalne kamery są tworzone dla kosmosu. Próbują uczynić komorę naukową podwójną, tj. uruchom dwie kamery: jedną szerokokątną, drugą długo ustawioną. Szerokokątny pozwoli uchwycić oczami duże obszary, ale wszystkie znajdujące się w nim obiekty będą małe. Ogniskowa jest „bronią dalekiego zasięgu”, która pozwala oglądać drobne szczegóły ze znacznej odległości.
Film promocyjny:
Ta zasada obowiązuje zarówno w przestrzeni, jak i na powierzchni planet. Tak więc łazik Curiosity ma szerokokątny kolorowy obiektyw 34 mm i długoogniskowy - 100 mm.
W przypadku modułów orbitalnych stosunek długości do szerokości jest zwykle znacznie bardziej znaczący. Zamiast obiektywu o długim ogniskowej zainstalowano pełnoprawny teleskop zwierciadlany.
Największy teleskop zwierciadlany poza orbitą Ziemi znajduje się teraz na orbicie Marsa, z satelitą MRO o średnicy 50 cm Kamera HiRise rejestruje wysokości 250-300 km z fenomenalnymi szczegółami do 26 cm.
Pozwala to naukowcom badać Marsa i śledzić ruch łazików, a entuzjastom, takim jak my, zajmować się archeologią Marsa.
Oprócz kamer naukowych statki kosmiczne są często wyposażone w kamery nawigacyjne. Pozwalają operatorom lepiej orientować się „na ziemi” i wybierać cele dla kamer naukowych. Kamery nawigacyjne mogą obejmować jeszcze szersze kąty widzenia i można je również tworzyć podwójnie, ale w celu zwiększenia niezawodności lub do fotografii stereofonicznej.
Różnica między kamerami naukowymi i nawigacyjnymi polega nie tylko na szerokości kąta widzenia. Kamery naukowe wyposażone są również w wymienne filtry barwne, które pozwalają na analizę niektórych charakterystyk widmowych powierzchni badanych obiektów. Filtry są zwykle umieszczone w specjalnym kole, które umożliwia ich wymianę na osi optycznej aparatu.
Domyślnie kamery naukowe fotografują w zakresie panchromatycznym - w trybie czarno-białym, w którym matryca fotograficzna odbiera całe światło widzialne, a nawet lekko niewidoczne - bliską podczerwień. Ten rodzaj fotografowania pozwala uzyskać najwyższą rozdzielczość i zobaczyć najdrobniejsze szczegóły, dlatego większość zdjęć z kosmosu jest czarno-biała. Chociaż ktoś myśli, że wiąże się z tym jakiś spisek.
W trybie panchromatycznym (czarno-białym) szczegółowość jest większa.
Obrazy kolorowe można uzyskać poprzez wielokrotne fotografowanie z naprzemiennymi filtrami kolorów poprzez łączenie obrazów. Pojedyncza klatka zrobiona z jednym filtrem koloru również będzie czarno-biała, więc zdjęcia należy łączyć po trzy na raz. I wcale nie jest to konieczne, uzyskany kolor na obrazie będzie taki, jaki zobaczyłyby nasze oczy. Dla ludzkiego wzroku świat składa się z kombinacji czerwieni, zieleni i błękitu. A „prawdziwy” kolor obrazu można uzyskać stosując filtry czerwony, zielony i niebieski.
Ciekawa jest różnica w współczynniku odbicia powierzchni w różnych zakresach.
Ale jeśli ramki są wykonane np. Przez filtry niebieski, czerwony i podczerwień, to kolor obrazu okaże się „fałszywy”, chociaż fizyczne zasady jego odbioru są dokładnie takie same jak rzeczywiste.
Publikując kolorowe obrazy na oficjalnych stronach internetowych, podpisują, które filtry kolorów są używane w obrazie. Ale te zdjęcia pojawiają się w mediach bez żadnego wyjaśnienia. Dlatego w Internecie wciąż krążą wszelkiego rodzaju spekulacje na temat ukrytego koloru Marsa, a nawet Księżyca.
W zwykłych aparatach naziemnych strzelanie przez wielokolorowe filtry jest stosowane w ten sam sposób, tyle że są one przyklejone do elementów matrycy fotograficznej (filtr Bayera), a automatyka, a nie naukowcy, zajmuje się redukcją kolorów. Łazik Curiosity ma już zainstalowane filtry Bayer, chociaż zachowano oddzielne koło filtrów.
Fotografowanie w podczerwieni
Nasze oczy nie widzą światła podczerwonego, a skóra odbiera je jako ciepło, chociaż zasięg podczerwieni jest nie mniejszy niż światło widzialne. Informacje ukryte przed okiem można uzyskać za pomocą kamer na podczerwień. Nawet najzwyklejsze fotoczujniki widzą światło bliskiej podczerwieni (spróbuj np. Sfotografować światło pilota telewizora za pomocą smartfona). Aby zarejestrować środkowy zakres światła podczerwonego, oddzielne kamery z różnymi typami czujników są umieszczane w technologii kosmicznej. A daleka podczerwień już wymaga schłodzenia czujników do głębokiego minusu.
Dzięki wyższej penetracji światła podczerwonego możliwe jest spojrzenie głębiej w przestrzeń kosmiczną, poprzez mgławice gazowe i pyłowe oraz w glebę planet i innych ciał stałych.
Dlatego naukowcy Venus Express zaobserwowali ruch chmur na średnich wysokościach w atmosferze Wenus.
New Horizons zarejestrowało blask termiczny z wulkanów na księżycu Jowisza Io.
Badanie w trybie drapieżnika zostało użyte na łazikach Spirit i Opportunity.
Widok biegunów Marsa Mars Express pokazał różnicę w rozkładzie dwutlenku węgla i lodu wodnego na powierzchni czap lodowych (różowy - dwutlenek węgla, niebieski - lód wodny).
Aby uzyskać maksimum informacji, kamery termowizyjne wyposażone są w duży zestaw filtrów lub w pełnoprawny spektrometr, który pozwala rozłożyć całe światło odbite od powierzchni na widmo. Na przykład New Horizons ma czujnik podczerwieni z elementami 65,5 tysiąca pikseli ułożonymi w 256 liniach. Każda linia „widzi” tylko promieniowanie w swoim wąskim zakresie, a czujnik pracuje w trybie skanera, tj. kamera z nim jest „prowadzona” nad badanym obiektem.
Jak już wspomniano, światło podczerwone jest ciepłem, więc fotografowanie w tym zakresie otwiera kolejną okazję do badania ciał stałych w kosmosie. Jeśli długo obserwujesz powierzchnię w procesie nagrzewania się od światła słonecznego w ciągu dnia i stygnięcia w nocy, możesz zauważyć, że niektóre elementy powierzchni szybko się nagrzewają i stygną, a niektóre nagrzewają się przez długi czas i długo stygną. Obserwacje te nazywane są badaniami bezwładności termicznej. Pozwalają określić fizyczne właściwości gleby: luźna z reguły łatwo zyskuje i łatwo oddaje ciepło, a gęsta - nagrzewa się przez długi czas i utrzymuje ciepło przez długi czas.
Na mapie: różowy - z małą bezwładnością cieplną, niebieski - z wysokim (tj. długo się ochładza).
Ciekawej obserwacji w trybie termicznym dokonała sowiecka sonda „Phobos-2”. Fotografując Marsa w trybie termicznym, zauważył długi pas rozciągający się na całej planecie.
W latach 90. prasa wyrażała mistyczne spekulacje na temat śladu kondensacji samolotów w atmosferze Marsa, ale rzeczywistość okazała się ciekawsza, choć bardziej prozaiczna. Kamera termowizyjna „Phobos-2” była w stanie zarejestrować pas schłodzonej gleby, który rozciąga się za przemijającym cieniem satelity Marsa - Fobosa.
Są też błędy. Na przykład podczas eksploracji krateru Gale z satelity Mars Odyssey naukowcy zidentyfikowali obszar o dużej bezwładności cieplnej, w pobliżu wylądowanego łazika Curiosity. Tam spodziewali się znaleźć gęstą skałę, ale znaleźli skały gliniaste o stosunkowo dużej zawartości wody - do 6%. Okazało się, że przyczyną dużej bezwładności cieplnej była woda, a nie kamień.
Strzelanie w ultrafiolecie
Przy pomocy promieniowania ultrafioletowego badają gazowy składnik Układu Słonecznego i cały Wszechświat. Spektrometr ultrafioletowy jest zainstalowany na teleskopie Hubble'a i za jego pomocą można było określić rozkład wody w atmosferze Jowisza lub wykryć emisje z subglacjalnego oceanu jego satelity Europa.
Prawie wszystkie atmosfery planet były badane w świetle ultrafioletowym, nawet te, których praktycznie nie ma. Potężny spektrometr ultrafioletowy sondy MAVEN umożliwił obserwację wodoru i tlenu otaczającego Marsa w znacznej odległości od powierzchni. Te. aby zobaczyć, jak nawet teraz parowanie gazów z atmosfery Marsa trwa, a im lżejszy gaz, tym intensywniejsze jest to.
Wodór i tlen w atmosferze Marsa uzyskuje się poprzez fotochemiczną dysocjację (separację) cząsteczek wody na składniki pod wpływem promieniowania słonecznego, a woda na Marsie wyparowuje z gleby. Te. Projekt MAVEN umożliwił odpowiedź na pytanie, dlaczego Mars jest teraz suchy, chociaż kiedyś istniał tam ocean, jeziora i rzeki.
Sonda Mariner-10 w świetle ultrafioletowym była w stanie ujawnić szczegóły chmur wenusjańskich, zobaczyć strukturę turbulentnych przepływów w kształcie litery V i określić prędkość wiatrów.
Bardziej wyrafinowanym sposobem badania atmosfery jest światło. W tym celu badany obiekt umieszcza się między źródłem światła a spektrometrem statku kosmicznego. W ten sposób można określić skład atmosfery, oceniając różnicę w widmie źródła światła przed i po pokryciu go przez atmosferę.
W ten sposób można określić nie tylko zawartość gazów w atmosferze, ale także przybliżony skład pyłu, jeśli również pochłania część światła.
Należy zauważyć, że pod względem spektroskopowych badań międzyplanetarnych Rosja nie jest ostatnia. Przy udziale Instytutu Badań Kosmicznych Rosyjskiej Akademii Nauk powstał europejski spektrometr podczerwieni OMEGA dla Mars Express; na tym samym aparacie jest wynikiem wspólnej pracy naukowców z Rosji, Belgii i Francji - spektrometr podczerwieni i ultrafioletu SPICAM; wspólnie z Włochami specjaliści z IKI RAS opracowali urządzenie PFS. Podobny zestaw instrumentów został zainstalowany na Venus Express, który zakończył swoją misję pod koniec 2014 roku.
Jak widać, światło dostarcza nam znacznej ilości informacji o Układzie Słonecznym, wystarczy patrzeć i widzieć, ale są już inne środki związane z jądrami i radiofizyką. I to jest temat na kolejną recenzję.