Как радар увидел поверхность Венеры сквозь облака
Венера закрыта наглухо. Двадцатикилометровый слой облаков из серной кислоты, под ним — плотнейшая атмосфера. Ни один телескоп никогда не показывал ничего, кроме ровного жёлто-белого шара: у планеты, соседней с нашей, до 1960-х не было даже карты.
Решение оказалось не в том, чтобы найти в облаках просвет. Оно было в том, чтобы перестать пользоваться светом.
Почему радиоволна проходит там, где не проходит свет
Облака Венеры состоят из капель серной кислоты размером порядка микрона. Для видимого света, у которого длина волны примерно полмикрона, такие капли — препятствие сопоставимого масштаба: свет на них рассеивается и вязнет.
Радар «Магеллана» работал на длине волны 12,6 сантиметра (частота 2,385 ГГц). Это в сотню тысяч раз длиннее капли. Волна такого размера каплю попросту не замечает — рассеяние на частицах, много меньших длины волны, падает катастрофически быстро. Для сантиметровых радиоволн венерианские облака практически прозрачны.
Тот же эффект работает и дома: гроза не мешает спутниковой тарелке, хотя за окном ничего не видно.
Как из антенны в 3,7 метра сделать антенну в километры
Прозрачность — половина дела. Вторая половина — разрешение.
Чем меньше антенна, тем грубее картинка. Чтобы с орбиты Венеры различать детали в сотню метров, понадобилась бы тарелка размером с городской квартал. У «Магеллана» была тарелка 3,7 метра — вдобавок запасная, оставшаяся от программы «Вояджер».
Выручил синтез апертуры. Аппарат летит и по дороге облучает одну и ту же точку поверхности много раз подряд. Эхо-сигналы, принятые из разных мест орбиты, сохраняют информацию о фазе, и, если сложить их с правильными сдвигами, получится ровно то, что дала бы одна огромная антенна длиной во весь пройденный участок. Точку, к которой аппарат приближается, выдаёт доплеровский сдвиг вверх, точку, от которой удаляется, — вниз; это разделяет цели вдоль трассы. Отсюда и название: радар с синтезированной апертурой, SAR.
Физическая антенна остаётся маленькой. Большой становится траектория.
Радар показывает не цвет, а шероховатость
Радарный снимок легко принять за фотографию, и это ошибка. Яркость на нём означает не освещённость и не окраску, а то, сколько сигнала вернулось назад. Гладкая поверхность отражает луч в сторону, как зеркало, и выглядит тёмной. Шершавая рассеивает во все стороны, часть возвращается — и она светлая.
Поэтому свежие лавовые поля и выбросы вокруг ударных кратеров на венерианских картах белые: они грубые в масштабе тех самых двенадцати сантиметров. А ровные равнины — тёмные. Читать такой снимок надо не как вид, а как карту фактуры.
«Магеллан»: три круга по планете
Аппарат стартовал 4 мая 1989 года и вышел к Венере 10 августа 1990-го. Дальше было три восьмимесячных цикла съёмки, с 1990 по 1992 год.
Итог: 98% поверхности снято с разрешением лучше 100 метров. Многие районы — по нескольку раз, с разных ракурсов, чтобы получить стереопару и рельеф. Радар работал в трёх режимах: съёмка, высотомер и радиометрия, то есть измерение собственного теплового излучения грунта.
Данных «Магеллан» передал 1200 гигабит — больше, чем все планетные миссии NASA до него, вместе взятые. Летом 1993-го аппарат торможением об атмосферу перевёл себя на круговую орбиту и занялся гравитационным полем планеты. 12 октября 1994 года его намеренно свели в атмосферу — последним экспериментом было поведение самого аппарата при погружении.
До «Магеллана»
Первым высоту венерианских гор измерил радиовысотомер «Пионера-Венеры» в 1978 году: горы Максвелла возвышаются примерно на 11 километров над средним радиусом планеты и остаются высшей точкой Венеры.
С октября 1983 по июль 1984 года северное полушарие отсняли советские «Венера-15» и «Венера-16» — тоже радаром, с разрешением деталей рельефа 1–2 километра. Это была первая подробная карта чужой поверхности, полученная сквозь облака, и «Магеллан» пришёл на подготовленное место — просто с разрешением в двадцать раз лучше.
Что оказалось на снимках
Главным открытием стало то, чего на Венере мало. В каталоге ударных кратеров по данным «Магеллана» их 967 — ничтожно мало для планеты земного типа. Луна и Меркурий иссечены кратерами насквозь, потому что их поверхность стара. Венерианская — молода, порядка нескольких сотен миллионов лет.
Что-то стёрло с планеты её собственную летопись. Спор о том, было ли это единым глобальным обновлением коры или долгим вулканизмом, идёт до сих пор — и разрешат его уже следующие радары.