Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

Однако расстояние от космического аппарата до Земли может меняться не из-за изменения рельефа, а из-за изменения орбиты. Если бы Земля была идеальным шаром, то траектории спутников были бы идеальными эллипсами. Может быть, только атмосфера тормозила бы космический аппарат. Однако гравитационные силы планеты разные в разных точках. Там, где есть залежи тяжелых минералов, сила тяжести усиливается, а там, где пустоты, – уменьшается. Пролетая над этими регионами, спутник тормозится или ускоряется соответственно. Это приводит к повышению или понижению высоты орбиты. Это было замечено еще при полете первого спутника, но получить точные данные было невозможно. С появлением лазера и высокоточных атомных часов появилась возможность точнее определять расстояния. Узконаправленный луч света отправлялся к спутнику, отражался от специального зеркала на поверхности – так называемого уголкового отражателя – и возвращался в обсерваторию. Часы фиксируют время прохождения сигнала. Если скорость света умножить на время, получится дистанция, которую прошел луч туда и обратно. Делим на два и получаем расстояние. Метод назвали лазерной локацией, а его точность составляет доли сантиметра. Для него на орбиту не нужно выводить сложных систем, а небольшое зеркало легко установить на корпус любого космического аппарата. Первыми с этими целями в СССР запускались спутники «Сфера», а в США – GEOS. Затем сразу для выполнения двух задач – определения гравитационного поля и определения рельефа – запускались аппараты «Муссон», «Гео-ИК», GeoSat. Эти спутники еще называли мигающими, так как на их борту были установлены мощные лампы. По времени задержки фаз излучения дополнительно определяется расстояние. Для этого метода высокая точность часов не требуется. Кроме сложных систем запускались и простые шары, покрытые зеркалами или отражающим материалом – PAGEOS, LAGEOS и «Эталон». Периодически космонавты отправляют похожие космические аппараты, созданные студентами и школьниками. Самым точным и интересным стало исследование спутниками GRACE. Два аппарата летят друг за другом по одной орбите. Между ними проходит луч лазера, который измеряет расстояние с точностью до нескольких микрон. Любое отклонение от орбиты из-за гравитационных аномалий фиксируется. Проект работал настолько хорошо, что было видно, как тяготение меняется в зависимости от испарения воды и выпадения осадков. Среди особенных достижений GRACE – открытие ускоренного таяния льдов в Гренландии и обнаружение кратера под километровым слоем снега в Антарктиде.

Спутники подготовили базу для развития навигации. Хотя идея зародилась еще до полета первого спутника, космические аппараты для этой цели появились только в 1970‐х. В США навигационный спутник назывался Transit, в СССР – «Циклон» и «Залив». Методика определения координат основана на эффекте Доплера. Если приемник или передатчик волны двигается, то частота сигнала изменяется. Это прекрасно слышно на примере сирены на машине или гудка поезда. Звук при приближении к источнику становится выше, при удалении – ниже. Можно сказать, что волны сжимаются, если расстояние увеличивается, и растягиваются, если расстояние уменьшается. Обычно этот эффект используют для определения скорости чего-либо, но ученые придумали, как спутники могут определить координаты. Космический аппарат движется по орбите и отправляет радиосигнал с закодированными в нем собственными координатами. Приемник на Земле определяет относительную скорость. Если частота радиоволны увеличивается, значит, спутник приближается к цели, если частота уменьшается, то удаляется. Когда сигнал приходит без изменений, значит, космический аппарат располагается ровно над целью. Спутник за 90–100 минут может облететь планету по орбите и как приближаться, так и удаляться. Соответственно, за короткое время, зная орбиту спутника и изменение относительной скорости, несложно рассчитать собственные координаты. Примерно так же используется металлоискатель или проводится игра «Охота на лис».

В первую очередь навигационные спутники использовались для определения координат морских судов. Со временем и накоплением данных, а также экспериментальных космических исследований теории относительности и ионосферы навигационные спутники перешли на другой метод. Наземный приемник принимает сигнал от космического аппарата и определяет, сколько времени он шел. Скорость света умножается на время, и получается расстояние. Однако это говорит только о том, что спутник находится на сфере определенного радиуса. Нужны еще два спутника. Координаты будут на пересечении трех сфер. Правда, данные со спутника должны приходить одновременно, чего сложно добиться, поэтому для полноценной работы нужен четвертый спутник, благодаря которому можно учитывать время. Получается, что для определения координат нужно по космическому аппарату на одно измерение: длину, ширину, высоту и время.

Технология явилась огромным прорывом, когда система стала глобальной. Если на орбите будет 24 спутника, четыре аппарата из них всегда будут над любым навигационным прибором на планете. Такими глобальными системами являются российская ГЛОНАСС, американская GPS и китайская Beidou. Также есть европейские спутники навигации Galileo и индийские NavIC, но их пока недостаточно, чтобы обеспечить покрытие по всему миру.

Сейчас навигаторы есть во всех самолетах, кораблях, в большинстве современных автомобилей, тракторов, комбайнов, автобусов и даже в смартфонах. Определение координат стало настолько обычным делом, что никто и не замечает, что использует космическую технологию. С ее помощью можно не только не заблудиться, но и, например, отслеживать транспорт. Существуют приложения, которые сообщают о положении автобусов. Коммунальные службы и сельскохозяйственные организации следят за работой техники. Активно тестируются автопилоты, которые привязаны к навигационным приборам. В некоторых регионах мира уже можно стать пассажиром такси, у которого нет водителя.

Спутники проводят и другие полезные исследования. Например, они определяют движение почвы из-за эрозии или смещения тектонических плит. Усреднение данных по планете может дать информацию о ее вращении. На сегодняшний день нам известно, что Земля замедляется. Эта информация полезна не только с точки зрения удлинения суток и последующих изменений климата, но и для исследования состава ядра планеты. Момент вращения зависит от плотности тела. Так, например, есть народное средство, как определить, вареное яйцо или сырое. Если внутри находится жидкая составляющая, вращение быстро замедляется. Твердое тело может крутиться достаточно долго, так как момент вращения сохраняется. К Земле можно применить тот же принцип. Математические расчеты изменения скорости в совокупности с сейсмическими измерениями помогают определить размер и положение жидкой мантии и твердого ядра.

Технология навигации на эффекте Доплера все также используется, но уже в другом направлении. Спутники не испускают, а принимают сигнал от небольших радиомаяков. Такие устройства можно брать с собой или использовать для слежки. Например, метод очень пригодился в биологии для исследования популяций. Самый известный случай был связан со стерхами – вымирающим видом журавлей. Чтобы восстановить их численность, несколько особей разводили в неволе, а потом выпускали. Однако птенцы без родителей не знали, как совершать сезонные миграции и как найти представителей своего вида. Ученые, чтобы и самим узнать ответ, крепили