книги из ГПНТБ / Кузьмин, А. Д. Физика планеты Венера

неты), и небольшая меридиональная компонента, направ­ ленная от экватора к южному полюсу *).

Профиль скорости ветра имеет ряд характерных осо­ бенностей. Во-первых, отчетливо видно возрастание с

высотой от 0,5 ^ g’75 м/сек вблизи поверхности до 100—

140 м/сек на высотах около 50 км. Общее направление движения на всех высотах остается постоянным. Во-вто­ рых, имеется область от 18 до 40 км, где скорость ветра почти не изменялась и составляла 30—38 м/сек. Заметим, что такое поведение uh может быть связано с поворотом скорости ветра в меридиональном направлении. В-третьих, в нижней тропосфере на высотах 0—10 км, где сосредото­ чено около половины массы атмосферы, скорость ветра менее 3 м/сек (средняя скорость ~ 1 м/сек). Высоты от 11 до 18 км и от 42 до 50 км являются областями резкого изменения скорости ветра с градиентами до 4—6 м/сек/км. При этом нижняя область больших градиентов скорости ветра лежит существенно ниже границы h ~ 32 км, выше которой заметный вклад в ослабление солнечной радиа­ ции вносит аэрозольная составляющая, ассоциируемая с протяженным облачным слоем (см. § V.4).

Оценки для приповерхностной области, как и в слу­ чае «Венеры-7», не выходят, вообще говоря, за пределы возможного поля ошибок, но само это поле существенно сужено. Напомним, что расчетные значения uh для «Ве- неры-7» были получены в предположении, что скорость ветра вблизи поверхности равна нулю. Если отказаться от этого предположения, то кривые на рис. 52 показыва­ ют разность между скоростью ветра на данной высоте и скоростью ветра в приповерхностной области. К сожале­ нию, мажорантная оценка uh согласно данным «Венеры-8» также не дает величины скорости в пограничном слое **).

*) Измерявшейся компоненте могут, в принципе, соответ­ ствовать различные величины и направления скорости ветра, так что их проекция на направление «субтерральная точка — СА» рав­ няется измеренной компоненте. В частности, ничего нельзя ска­ зать о возможной ортогональной составляющей. С учетом этого замечания здесь говорится об измеренной компоненте просто как о скорости ветра, понимая при этом, что фактическая скорость ветра может быть и больше.

**) Можно показать, что по измеренной скорости ветра в погра­ ничном слое можно построить распределение температуры вблизи

Кратко коснемся теперь результатов анализа пульса­ ций скорости ветра [377].

Пульсации скорости можно получить путем вычита­ ния из скорости ветра ее осредненных значений. При этом, естественно, допускается определенный произвол, свя­ занный с условностью разделения скорости ветра на среднюю и пульсационную компоненты и с неточностью самого осреднения. Поэтому в экспериментальные значе­ ния пульсаций скорости вводились небольшие коррек­ ции, учитывающие инерционность СА [66].

Влияние инерционности системы сказывается при дви­ жении в среде с меньшей плотностью, т. е. на больших высотах. Один из существенных параметров, характери­ зующих поведение парашюта при воздействии турбулент­

которого изменение скорости СА будет отличаться от из­ менения скорости ветра не более чем на 10%. Для пульса­ ций скорости, характерный временной масштаб которых превышает время увлечения, пространственный масштаб больше величины Zmin = Td • vs, и система «парашют — СА» практически без искажений передает пульсации ско­ рости ветра. При пульсациях меньших масштабов по пове­ дению системы «парашют — СА» можно сделать лишь ка­ чественные оценки турбулентности. Время увлечения уменьшалось по мере снижения от 5 до 2, от 8 до 4, от 12— 15 до 4—5 и от 8 до 1 сек для станций «Венера-4», «Венера-5, 6», «Венера-7» и «Венера-8» соответственно. Такое разли­ чие в величинах xd связано с разницей в скоростях спус­ ка: у «Венеры-4» после раскрытия парашюта она была около 10 м/сек, а у «Венеры-7» — около 60 м/сек. Соот­ ветственно минимально разрешимый масштаб турбулент­ ности составляет: 50—10 м для «Венеры-4», 200—10 м

для «Венеры-5, 6», от 900—1000 м до 80—100 м для «Ве­ неры-7» и 500—10 м для «Венеры-8».

Среднеквадратическая величина пульсаций скорости ветра и'ь при спуске «Венеры-4» до 8h02m (около 42 км)

поверхности. Однако отличие скорости на этом участке для адиа­ батической и изотермической атмосферы не превышает 0,1 м/сек и, следовательно, требуемая точность существенно выше практи­ чески достигаемой в этих измерениях.

142 Гл. IV. СТРУКТУРА НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ

составляет 0,75 м/сек (см. рис. 49, а), что при средней ско­ рости ветра на этом участке около 20 м/сек соответствует относительной интенсивности турбулентностиф = auh/uh—

~ 0,04.

На рис. 54 показана временная корреляционная функ­ ция пульсаций вертикальной компоненты скорости ветра, полученная при осреднении с периодом 20 минут.

связано с погрешностью определения скорости спуска. Среднеквадратическая величина пульсаций была практи­ чески постоянной и составляла 0,28—0,32 м/сек для «Ве­ неры-5» и 0,24—0,28 м/сек для «Венеры-6». Максималь­ ные значения пульсаций не превышают 0,5 м/сек. В пред­ положении изотропности турбулентности для пульсаций горизонтальной скорости получаются такие же мажорант­ ные оценки.

Если допустить, что относительная интенсивность турбулентности ф = ou'hluh в атмосфере Венеры имеет тот же порядок, что и в атмосфере Земли, можно косвенно оценить величину скорости ветра. По экспериментальным данным [18] величина ф зависит от скорости ветра и высо­ ты и в свободной атмосфере Земли составляет 0,02—0,1 (а для «Венеры-4» ф — 0,04). Тогда при au’h — 0,3 м/сек получаем, что скорость ветра в течение всего спуска «Ве­ неры-5, 6» не превышала 3—15 м/сек; такая оценка носит,

144 Гл. IV. СТРУКТУРА НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ

Подробх1ЫЙ анализ метода it описание характеристик радиоаппаратуры содержится в работах Клиора и др., Фелдбо и др. [304, 305, 382, 578]. Мы здесь ограничимся кратким изложением основных принципов, с которыми непосредствехшо связано получение эксперименталь­ ных результатов.

Представления о геометрии распространения радио­

риал для расчета характеристик атмосферы.

*) Строго говоря, помимо рефракции на сдвиг фазы влияет так­ же отклонение скорости распространения радиоволн в атмосфере от скорости света в свободном пространстве. Однако величина этого эффекта пренебрежимо мала, и его можно не принимать во вни­ мание,

§ IV.4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ АМС «МАРИНЕР-5» 145

Предельное разрешение по высоте, достигаемое в радиозатменном эксперименте, определяется размерами первой зоны Френеля. В отсутствие атмосферной рефракции раз­ меры этих зон для диапазонов /х, / 2 и / 3 составляли соот­ ветственно 14, 5 и 2,4 км. 'За счет эффектов рефракции возрастает кривизна волнового фронта, и зоны Френеля становятся вместо круговых эллиптическими, с малой осью эллипса, ориентированной в вертикальном направ­ лении. Высотное разрешение несколько больше в облас­ тях нейтральной атмосферы, вызывающих расфокусиров­ ку радиоволн, по сравнению с ионосферпыми слоями, наличие которых приводит, наоборот, к фокусировке радиолуча.

Степень детальности структуры исследуемой области в атмосфере и ее привязка к планетоцентрической системе координат непосредственно зависят от точности внепшетраекторных измерений. Хотя в непосредственной близос­ ти от Венеры вследствие большой скорости ухода частоты (до 50 гц/сек) и сильного дефокусирующего ослабления сигнала измерения положения и скорости движения «Ма- ринера-5» велись в некогерентном режиме, точность про­ гноза движения на участках входа и выхода из тени плане­ ты была достаточно высокой, чтобы обеспечить качест­ венную высотную привязку. Суммарное изменение частоты, обусловленное влиянием только атмосферы, со­

где fs — излучаемая частота, ср — угол между вектором скорости и направлением на приемную станцию с учетом искривления радиолуча за счет рефракции.

В реальной геометрии, отвечающей условиям проведе­ ния эксперимента на «Маринере-5» (см. рис. 56) при учете взаимного движения аппарата и приемной станции вид соотношения (IV.19) усложняется, хотя его структура сохраняется аналогичной. В цилиндрической системе ко­ ординат для двухчастотного эксперимента оно запишется

146 Гл. IV. СТРУКТУРА НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ

рости станции слежения в тех же направлениях. Опреде­ ления углов очевидны из рис. 56. Угол рефракции а оп­ ределяется как а = 6Г+ рг, расстояние от центра масс планеты до асимптоты к направлению распространения радиолуча, т. е. кратчайшее расстояние от центра масс до луча зрения а, выражается в следующем виде [305]:

а = (rt + 4)'/г sin(Pe — рг — у).

Зависимость изменения частоты от показателя прелом­ ления выражается соотношением

где интегрирование ведется по лучу зрения I. Измеряемая величина Д/д является в общем случае суммой двух эф­ фектов рефракции — положительной в нейтральной атмо­ сфере и отрицательной в ионизованной среде. Исполь­ зование уравнений Максвелла позволяет получить выра­ жение для комплексного показателя преломления, дейст­ вительная часть которого, входящая в (IV.21), может быть представлена в виде

Здесь: пп, пе — коэффициенты преломления радиоволн р нейтральной и ионизованной среде; те, е — масса и заряд

§ lV .4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ АМС «МАРИНЁР-5» 14?

электрона, N — электронная концентрация на луче зре­ ния. Если пространственные координаты передатчика, планеты и приемника известны, то по частотным эффек­ там Л/х> (£), обусловливаемым нейтральным газом пере­ менной плотности, можно рассчитать зависимость показа­

ваться интегральным уравнением для оптической рефрак­ ции (частный случай уравнения Абеля, связывающего значения а (а) и п (г)) или несколько более простым «под­ гоночным» методом. В последнем случае атмосфера, пред­ полагаемая сферически-симметричной, разбивается на ряд слоев, каждому из которых соотносится одна точка экс­ периментальной кривой Л/в (t). Для этих слоев, начиная с самого верхнего, последовательно вычисляются значе­ ния п на радиальном расстоянии г, соответствующие иск­ ривлению радиолуча, определяемому углом рефракции а. Поскольку при переходе к нижележащему слою радио­ луч проходит и все предыдущие, оказываемое ими иск­ ривление вычитаЛся, так что для определения показате­ ля преломления этого слоя используется остаточная раз­ ность соответствующего угла рефракции а. Повторение такой процедуры для всех слоев позволяет получить про­ филь п (г).

По высотному профилю показателя преломления (или индексу рефракции I (г) = (п — 1 )-106 ) нетрудно рассчи­ тать характеристики атмосферы, если принять во внима­ ние пропорциональность показателя преломления атмо­ сферной плотности и условие гидростатического равнове­ сия (IV.3). Градиенты плотности связаны с градиентами

Коэффициент с зависит от химического состава атмосфе­

dp/dr позволяет определить величину Н р для всех услов­ но-изотермических слоев, соответствующих числу разбие­ ния, в пределах которых допускается постоянство шкалы

высот. Температура легко вычисляется из Н р при задан­ ном ft, а по уравнению газового состояния (IV.4) опреде­ ляется давление Р (h). Очевидно, что точность прибли­ жения к действительным профилям температуры и дав­ ления тем выше, чем на большее число слоев разбивается кривая п (г). Точность получаемых результатов непосред­ ственно зависит и от погрешностей самого метода, в част­ ности, от стабильности бортового задающего генератора. Согласно [304, 305] точность измерений несколько хуже на высотах более 70 км, а ниже этого уровня ошибка в вычисленных значениях Т (К) и Р (К) не более + 1 %.

Дополнительную информацию об атмосфере дает ана­ лиз измерений величины ослабления радиосигнала за счет расфокусировки, приводящей к уменьшению его амплиту­ ды. Величину ослабления электромагнитной волны мож­ но вычислить из соотношения, справедливого для изотер­ мической атмосферы при относительно небольших от­ клонениях луча:

тывается h при И = const. Этим методом можно в принципе, определить высотные профили температуры и давления атмосферы на частотахД и /2, независимо от радиорефракционных измерений на частоте / 3. Сигнал на этих частотах излучался наземной станцией и переизлучался передат­ чиком космического аппарата, проходя атмосферу Венеры дважды. Однако на частоте Д он в сильной степени испы­ тывал ионосферные сцинтилляции и многолучевое распро­ странение и потому оказался малопригоден для изучения характеристик нейтральной атмосферы. Данные на часто­ т е / 2 могут быть использованы для этой цели, если исхо­ дить из допущений об отсутствии истинного поглощения в атмосфере и монотонного изменения амплитуды радио­ сигнала с уменьшением высоты.

Полученные по данные радиорефракционных измере­ ний «Маринера-5» на частоте / 3 высотные профили атмо­

$ IVA. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ АМС «МАРЙНЕР-5>> 149

сферных параметров на ночной и дневной сторонах пока­ заны на рис. 57 (температура) и рис. 58 (давление) [305]. Результаты соответствуют значениям числовой плотности п = р/'(Х в предположении 100% С02 или 95% С02 и 5% N2, вычисленным по осредненным величинам а (а) —

— п (г) в пределах слоев толщиной 0,1 км. Кривые Т (h)

Рис. 57. Температура атмосферы в'зависимости от планетоцентрического рас­ стояния (г) или высоты (Л) по данным измерений «Маринера-о» на дневной (а) и ночной (б) сторонах планеты. Результаты даются в двух шкалах Т, условно учитывающих возможное различие в составе атмосферы (100% С02 и 95% С02; 5% N2). Шкала высоты над поверхностью дана в предположении R ^ = 6050 км. Пунктир соответствует линиям насыщения Н20 для различных отношений смеси

/Н 20 [305].

и Р (h), соответствующие результатам измерений ампли­ туды радиосигнала на частоте /2, в целом находятся в хорошем согласии с рефракционными данными. Следует иметь в виду, что ошибка амплитудных измерений сущест­ венно возрастает с уменьшением высоты вследствие роста уровня шумов.

Измерения, результаты которых показаны на рис. 57 и 58, охватывают интервал высот приблизительно от 35 до 90 км. Вблизи 90 км начались заметные изменения радиосигнала за счет влияния нейтральной атмосферы. Нижний уровень соответствует высоте, на которой дос­ тигаются условия критической рефракции в атмосфере,