كيفية استكشاف الكواكب بمساعدة الضوء

ما هو المطلوب لدراسة تفصيلية لكوكب آخر ، كويكب أو مذنب؟
للبدء ، أطلق مركبة فضائية أقرب. وزود هذا المسبار بأدوات بحيث تخبر قدر الإمكان عن موضوع الدراسة ، بناءً على القيود المفروضة على الحجم والكتلة. سنرى اليوم كيف يدرس الشخص النظام الشمسي باستخدام الوسائل البصرية.

حول الشمس ، تدور العديد من الأجسام الكونية ، والتي تختلف تمامًا عن بعضها البعض. لا تمتلك عمالقة الغاز سطحًا صلبًا ، وللكواكب الحجرية أجواء ذات كثافات مختلفة ، من ضئيلة إلى كبيرة. الكويكبات حجر وحديد ، وتغير المذنبات نشاطها اعتمادًا كبيرًا على المسافة إلى الشمس.



من الواضح أنه لدراسة الكائنات ذات الخصائص المختلفة سوف تتطلب أجهزة مختلفة. في الوقت نفسه ، اكتسب العلماء بالفعل خبرة كبيرة في تطبيق العديد من أنواع طرق البحث ، وكانوا قادرين على فهم ما يعطي الحد الأقصى من المعلومات المفيدة مع الحد الأدنى من الكتلة. الآن يمكننا أن نفكر في مثل هذه "مجموعة الرجل" من مستكشف الفضاء الآلي.

تصوير مرئي

لا تزال العيون هي جهاز البحث الرئيسي لدينا ، لذلك يستثمر علماء الفلك على الأرض مليارات في التلسكوبات العملاقة ، ويتم إنشاء كاميرات خاصة للفضاء. يحاولون جعل الكاميرا العلمية مزدوجة ، أي إطلاق كاميرتين: واحدة واسعة الزاوية ، والثانية المقربة. ستسمح لك الزاوية العريضة بتغطية المساحات الكبيرة بعينيك ، لكن جميع الأشياء في تصويرها ستكون صغيرة. يعد المقرب "سلاحًا بعيد المدى" يسمح لك بالنظر في التفاصيل الصغيرة من مسافة بعيدة.

يتم الحفاظ على هذا المبدأ في الفضاء وعلى سطح الكواكب. لذا ، فإن Curiosity Mars rover لديها عدسة ملونة بزاوية عريضة 34 ملم ، وعدسة مقربة طويلة 100 ملم.



بالنسبة للوحدات المدارية ، تكون النسبة بين الطول والعرض عادة أكبر بكثير. بدلا من العدسة المقربة ، وضعوا تلسكوب مرآة كاملا.



أكبر تلسكوب مرآوي خارج مدار الأرض يعمل الآن في مدار المريخ ، يبلغ قطر القمر الصناعي MRO 50 سم. تلتقط كاميرا HiRise ارتفاعات من 250-300 كم بتفاصيل استثنائية تصل إلى 26 سم.



ويسمح هذا للعلماء بدراسة المريخ ومراقبة حركة المتسابقين والمتحمسين. مثل علم الآثار المريخية .

بالإضافة إلى الكاميرات العلمية ، غالبًا ما يتم وضع كاميرات الملاحة على المركبات الفضائية. إنها تجعل من الممكن لمشغلي الأجهزة التنقل بشكل أفضل "على الأرض" واختيار الأهداف للكاميرات العلمية. يمكن لكاميرات الملاحة أن تغطي زوايا عرض أوسع ، ويمكن أيضًا إنشاؤها مرتين ، ولكن بالفعل لزيادة الموثوقية أو لتصوير الاستريو.



الفرق بين الكاميرات العلمية والملاحة ليس فقط في اتساع زاوية العرض. الكاميرات العلمية مجهزة أيضًا بمرشحات ألوان قابلة للتبديل تسمح لك بتحليل بعض الخصائص الطيفية لسطح الأشياء المدروسة. عادة ما توجد المرشحات في عجلة خاصة ، مما يسمح لك بتغييرها على المحور البصري للكاميرا.



بشكل افتراضي ، تلتقط الكاميرات العلمية في النطاق البانكروماتي - الوضع الأسود والأبيض ، حيث تتلقى مصفوفة الضوء جميع الضوء المرئي ، وحتى غير المرئي قليلاً - بالقرب من الأشعة تحت الحمراء. يتيح لك هذا الاستطلاع الحصول على أعلى دقة ورؤية أصغر التفاصيل ، لذا فإن معظم الصور من الفضاء هي بالأبيض والأسود. على الرغم من أن شخصًا ما يعتقد أن نوعًا من المؤامرة مرتبط بهذا.


في وضع panchromatic (أبيض وأسود) ، تكون التفاصيل أعلى.

يمكن الحصول على الصور الملونة من خلال التصوير عدة مرات باستخدام مرشحات الألوان البديلة من خلال دمج الصور. سيكون إطار واحد يتم التقاطه من خلال مرشح لون واحد باللونين الأسود والأبيض ، لذا يجب دمج الصور في ثلاثة. علاوة على ذلك ، ليس من الضروري على الإطلاق ، سيكون اللون الناتج في الصورة هو ما ستراه أعيننا. بالنسبة للرؤية البشرية ، يتكون العالم من مزيج من الأحمر والأخضر والأزرق. ويمكن الحصول على اللون "الحقيقي" للصورة باستخدام مرشحات حمراء وخضراء وزرقاء.


فرق غريب في انعكاسية السطح في نطاقات مختلفة.

ولكن إذا تم التقاط الإطارات ، على سبيل المثال ، المرشحات الزرقاء والأحمر والأشعة تحت الحمراء ، فإن لون الصورة سيتحول إلى "خطأ" ، على الرغم من أن المبادئ المادية للحصول عليها هي بالضبط نفس المبادئ الحقيقية.



عند نشر الصور الملونة على المواقع الرسمية ، يقومون بتوقيع مرشحات الألوان المستخدمة في الصورة. ولكن في وسائل الإعلام ، تحصل هذه الصور بالفعل دون تفسير. لذلك ، لا تزال جميع أنواع التكهنات حول اللون الخفي للمريخ أو حتى القمر على الإنترنت .

في الكاميرات الأرضية العادية ، يتم استخدام التصوير من خلال المرشحات متعددة الألوان بنفس الطريقة ، ويتم لصقها فقط على عناصر مصفوفة الصور ( مرشح Bayer ) ويتم التشغيل الآلي في خلط الألوان ، وليس العلماء. تم تثبيت فلاتر Bayers بالفعل على Curiosity rover ، على الرغم من حفظ عجلة تصفية منفصلة.

التصوير بالأشعة تحت الحمراء

لا ترى أعيننا الأشعة تحت الحمراء ، ويدركها الجلد على أنه حرارة ، على الرغم من أن نطاق الأشعة تحت الحمراء ليس أقل من الضوء المرئي. يمكن الحصول على المعلومات المخفية عن العين بواسطة كاميرات الأشعة تحت الحمراء. حتى أكثر المصفوفات الضوئية العادية يمكن أن ترى بالقرب من ضوء الأشعة تحت الحمراء (حاول ، على سبيل المثال ، إزالة ضوء جهاز التحكم عن بعد الخاص بالتلفزيون على الهاتف الذكي). لتسجيل النطاق المتوسط ​​من ضوء الأشعة تحت الحمراء ، يتم وضع كاميرات منفصلة على تكنولوجيا الفضاء ، مع نوع مختلف من أجهزة الاستشعار. وتتطلب الأشعة تحت الحمراء البعيدة بالفعل تبريد أجهزة الاستشعار إلى ناقص عميق.

نظرًا لقوة الاختراق العالية لضوء الأشعة تحت الحمراء ، من الممكن أن ننظر أعمق في الفضاء العميق ، من خلال سدم الغاز والغبار ، وفي تربة الكواكب والأجسام الصلبة الأخرى.

لذلك لاحظ العلماء فينوس إكسبريس حركة الغيوم على ارتفاعات متوسطة في الغلاف الجوي لكوكب الزهرة.



سجلت New Horizons التوهج الحراري لبراكين الأقمار الصناعية Jovian Io.



تم استخدام التصوير في وضع المفترس في رحلات الروح والفرصة.



أظهرت نظرة على Mars Express في أقطاب المريخ الاختلاف في توزيع ثاني أكسيد الكربون والجليد المائي على سطح الأغطية الجليدية (الوردي - ثاني أكسيد الكربون ، الجليد الأزرق - الماء).



للحصول على أقصى قدر من المعلومات ، تم تجهيز كاميرات الأشعة تحت الحمراء بمجموعة كبيرة من المرشحات ، أو مطياف كامل ، مما يسمح لك بوضع كل الضوء المنعكس من السطح على الطيف. على سبيل المثال ، نيو هورايزونزيوجد مستشعر الأشعة تحت الحمراء مع 65.5 ألف عنصر بكسل مرتبة في 256 خطًا. كل خط "يرى" الإشعاع فقط في نطاقه الضيق ، ويعمل المستشعر في وضع الماسح الضوئي ، أي يتم إجراء الكاميرا معه على طول الكائن المدروس.

كما ذكرنا من قبل ، ضوء الأشعة تحت الحمراء هو الحرارة ، لذلك يفتح التصوير في هذا النطاق فرصة أخرى لدراسة الأجسام الكونية الصلبة. إذا لاحظت السطح لفترة طويلة أثناء التسخين من أشعة الشمس في النهار والتبريد في الليل ، يمكنك أن ترى أن بعض عناصر السطح تسخن وتبرد بسرعة ، بينما يسخن بعضها لفترة طويلة ويبرد لفترة طويلة. تسمى هذه الملاحظات دراسات العطالة الحرارية. إنها تسمح لك بتحديد الخصائص الفيزيائية للتربة: فضفاضة ، كقاعدة عامة ، تجمع بسهولة وتطلق الحرارة بسهولة ، وتسخن - تزداد حرارة لفترة طويلة وتحافظ على الحرارة لفترة طويلة.


على الخريطة: وردي - مع قصور حراري منخفض ، أزرق - مع ارتفاع (أي يبرد لفترة طويلة).

تم إجراء ملاحظة مثيرة للاهتمام ، في الوضع الحراري ، بواسطة المسبار السوفيتي "Phobos-2". تصوير المريخ في الوضع الحراري ، لاحظ وجود شريط طويل يمتد عبر الكوكب.



في التسعينات ، تم التعبير عن تكهنات غامضة في الصحافة حول مسار تكثيف الطائرة في جو المريخ ، ولكن تبين أن الواقع أكثر إثارة للاهتمام ، وإن كان أكثر واقعية. كانت الغرفة الحرارية "Phobos-2" قادرة على إصلاح شريط من التربة المبردة ، والذي يمتد إلى ما بعد ظل القمر الصناعي المريخ - Phobos.

هناك أخطاء. على سبيل المثال ، من خلال فحص حفرة Gale من القمر الصناعي Mars Odyssey ، حدد العلماء منطقة بها قصور حراري عالٍ ، ليس بعيدًا عن مركبة Curiosity الفضولية. توقعوا العثور على صخور كثيفة ، وتم العثور على صخور طينية ذات محتوى مائي مرتفع نسبيًا يصل إلى 6 ٪. اتضح أن سبب القصور الذاتي العالي هو الماء وليس الحجر.

التصوير بالأشعة فوق البنفسجية



بمساعدة الأشعة فوق البنفسجية ، يدرسون مكون الغاز في النظام الشمسي ، وفي الواقع الكون بأكمله. تم تركيب جهاز مطياف فوق بنفسجي على تلسكوب هابل ، وبمساعدة ذلك ، كان من الممكن تحديد توزيع المياه في الغلاف الجوي للمشتري أو للكشف عن الانبعاثات من المحيط تحت الجليدي لقمرها الصناعي الأوروبي .



في الأشعة فوق البنفسجية ، تمت دراسة جميع أجواء الكواكب تقريبًا ، حتى تلك غير الموجودة عمليا. جعل مطياف الأشعة فوق البنفسجية القوي من مسبار MAVEN من الممكن رؤية الهيدروجين والأكسجين المحيطين بالمريخ على مسافة كبيرة من السطح. أولئك. انظر كيف يستمر هروب الغازات من الغلاف الجوي للمريخ ، حتى الآن ، وكلما كان الغاز أخف وزنا ، كلما حدث هذا.



يتم الحصول على الهيدروجين والأكسجين في الغلاف الجوي للمريخ عن طريق التفكك الكيميائي الضوئي (فصل) جزيئات الماء إلى مكونات تحت تأثير الإشعاع الشمسي ، ويتبخر الماء على سطح المريخ من الأرض. أولئك. سمح لنا MAVEN بالإجابة على سؤال لماذا أصبح المريخ جافًا الآن ، على الرغم من وجود المحيط والبحيرات والأنهار.

كان مسبار الأشعة فوق البنفسجية Mariner-10 قادرًا على الكشف عن تفاصيل غيوم فينوس ، ورؤية الهيكل على شكل حرف V للتدفقات المضطربة ، وتحديد سرعة الرياح.



الطريقة الأكثر تعقيدًا لدراسة الغلاف الجوي هي من خلال الضوء. للقيام بذلك ، يتم وضع الكائن المدروس بين مصدر الضوء ومطياف المركبة الفضائية. لذا يمكنك تحديد تركيبة الغلاف الجوي من خلال تقييم الاختلاف في طيف مصدر الضوء قبل وبعد إغلاق الغلاف الجوي.



وبالتالي ، من الممكن تحديد ليس فقط محتوى الغاز في الغلاف الجوي ، ولكن أيضًا التكوين التقريبي للغبار ، إذا كان يمتص أيضًا جزءًا من الضوء.


تجدر الإشارة إلى أن روسيا ليست الأخيرة من حيث البحث الطيفي بين الكواكب. بمشاركة معهد أبحاث الفضاء التابع للأكاديمية الروسية للعلوم ، تم إنشاء مقياس طيف الأشعة تحت الحمراء OMEGA الأوروبي لشركة Mars Express ؛ على نفس الجهاز هو نتيجة العمل المشترك للعلماء الروس والبلجيكيين والفرنسيين - SPICAM مطياف الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية ؛ بالتعاون مع الإيطاليين ، طور المتخصصون في IKI RAS جهاز PFS. تم تثبيت مجموعة مماثلة من الأدوات على جهاز Venus Express ، الذي أكمل مهمته في نهاية عام 2014. كما نرى ، يوفر لنا الضوء كمية كبيرة من المعلومات حول النظام الشمسي ، ما عليك سوى أن تكون قادرًا على النظر والرؤية ، ولكن هناك وسائل أخرى تتعلق بالطاقة النووية و الفيزياء الإشعاعية. وهذا هو موضوع المراجعة القادمة.

Source: https://habr.com/ru/post/ar382049/