Как это делается: определение времени пролета
Оценка точного времени сближения «Пионера-10» с Юпитером непосредственно по измерениям с Земли была невозможна. Хотя эта точка траектории и была видна с Земли, график доплеровского смещения частоты сигнала отражал только продольную (лучевую) компоненту скорости, но не боковую. Кроме того, измерения велись с движущейся и вращающейся Земли, и анализ требовал точного знания ее эфемерид (текущего положения относительно Солнца в каждый момент времени) и параметров вращения.
Дальность до КА типа «Пионер-10» можно было измерить лишь импровизированным путем, за счет искусственного внесения в частоту отправляемого сигнала ступенек или треугольной «волны» и регистрации этих форм в принимаемом когерентном сигнале. Точность была невелика – порядка 10 км, да и таких измерений было всего три: 24 и 26 ноября, примерно за десять суток до пролета, и через семь дней после него – 11 декабря.
Для определения обстоятельств сближения требовалось совместное решение двух задач: уточнение теории движения планет и спутников и оптимальное наложение на нее имеющихся данных сопровождения КА. Делалось это многократно с каждым новым пролетом «Пионеров» и «Вояджеров» у больших планет, после чего предыдущие результаты уточнялись и пересматривались. Данные, приведенные в таблице 4 (и последующих таблицах 5, 8 и 9), основаны на докладе Роберта Джейкобсона, представленном в 2002 г.
Поэтому не стоит удивляться, что в первых публикациях 1974 г. приводилось точное время встречи «десятого» с Юпитером 02:25:19 UTC, а в отчете JPL за апрель 1974 г. уже фигурировало время 02:25:28 UTC. В статье, опубликованной в феврале 1985 г., Джеймс Кэмпбелл и Стивен Синнотт назвали 02:26:03 UTC – если честно, такое большое отклонение выглядело очень странно. Наконец, в ноябре 2006 г. Кэмпбелл, Джон Андерсон и Майкл Нието опубликовали окончательную оценку: 02:25:11 UTC.
Как оказалось, максимальные энергии заряженных частиц радиационных поясов Юпитера в 10 000 раз больше, чем в земных поясах, причем электронов в них в 100 раз больше, чем протонов – 400 млн против 4 млн на 1 см2 в секунду. Хорошо еще, что спутники планеты – и особенно Ио – поглощали до 99 % энергичных частиц!
Часть приборов «Пионера» ушла в насыщение еще за сутки до пролета. На тех, что были способны выдержать такие потоки, уровень счета частиц вышел на максимум и начал снижаться за 12 минут до перииовия. Полученная доза облучения оказалась в 100 раз выше смертельной для человека и близкой к пределу стойкости КА и его аппаратуры. Под действием радиации частота генератора бортового радиокомплекса изменилась на 0,0003 %, а величины токов усилителя сигнала «плавали» на 3–10 %. Заметно снизилась выходная мощность электрической системы. Пострадал звездный датчик системы ориентации, ультрафиолетовый фотометр получил повреждения (к счастью, обратимые), нарушилась работа телескопа космических лучей CRT, а датчики детектора пыли AMD были выведены из строя полностью – оптика помутнела.
Примерно через 16 минут после перицентра «Пионер-10» скрылся за Ио, в 03:43 UTC зашел на 65 минут за Юпитер, а в 04:19 погрузился на 51 минуту в тень планеты.
Заход зонда за планету произошел над параллелью 26° с.ш., восход – над 58° с.ш., в первом случае вблизи вечернего терминатора, а во втором – примерно над утренним. В результате радиопросвечивания слои ионосферы Юпитера были обнаружены до высоты 4000 км, плотность заряженных частиц достигала 0,3 млн в 1 см3, а их энергия превышала ожидаемую впятеро.
В ходе радиозатмения Ио (а оно получилось!) была обнаружена собственная ионосфера спутника – простирающаяся на 700 км, с максимумом концентрации заряженных частиц между 60 и 140 км, а вдоль орбиты Ио – водородное облако. Из наличия и плотности ионосферы вывели, что спутник имеет и слабую атмосферу высотой до 110 км. По отражающим свойствам Ио специалисты Центра космических полетов имени Маршалла заключили, что вещество, ответственное за ее аномальную яркость и сильные линии поглощения, – это сера. Доказательства пришлось ждать шесть с лишним лет.
Навигационные измерения показали, что Ио тяжелее табличного значения примерно на 23 % и имеет среднюю плотность 3,5 г/см3. Плотность Европы определили в 3,07, Ганимеда – в 1,93, а Каллисто – в 1,65 г/см3. Это означало, что с удалением от планеты галилеевы спутники содержат все меньше силикатных пород и все больше льда.
Масса Юпитера превышала земную в 317,8 раза и была распределена равномерно, как у жидкого тела, быть может, с небольшим твердым ядром. Основным материалом планеты был жидкий водород, приобретающий с глубиной металлические свойства, с добавкой примерно 15 % гелия. Глубина атмосферы была примерно 1000 км.
Съемки и регистрация радиосигнала при заходе и выходе позволили уточнить размеры планеты. Полярный радиус до вершин облаков на уровне давления 0,8 атм оказался равен 67 758 км, а экваториальный получился 71 398 км вместо прежней оценки 71 372 км.
«Пионер-10» исследовал состав верхней атмосферы Юпитера, в которой нашел ожидаемые и известные водород, гелий, аммиак, метан и ряд малых компонентов – дейтерий, этилен и ацетилен. Соотношение гелия к водороду определили в 0,14, то есть близкое к 0,11 у Солнца. Теоретической модели структуры Юпитера эти и другие результаты не противоречили.
Аппарат составил тепловую карту планеты, выявив области более теплые (136 К) и более холодные (127 К). Более яркие, окрашенные розово-желтым, зоны предстали областями подъема теплого и влажного воздуха из глубины, а более темные, коричнево-серые, пояса – областями опускания холодного воздуха. Большое Красное Пятно оказалось гигантским атмосферным вихрем – антициклоном, сформировавшимся не менее 400 лет назад. На снимках было найдено еще одно подобное образование на той же широте в северном полушарии, несколько вихрей поменьше, а также отдельные облака гигантских размеров.
Измерение яркостной температуры дало 145 К как на дневной, так и на ночной стороне. Не стоит удивляться нестыковке с предыдущим абзацем: разные приборы давали температуру для разных слоев атмосферы. Потом их данные свели воедино и записали, что на уровне давления 1 атм температура атмосферы составляет 165 К, при подъеме на 150 км до отметки 0,1 атм она снижается до 108 К, а затем начинает расти и на уровне верхушек облаков при давлении 0,03 бар достигает 150 К. Все как на Земле: тропосфера, тропопауза, стратосфера.
Удалось подтвердить уже известные данные о том, что Юпитер излучает больше энергии, чем получает от Солнца. ИК-радиометр дважды просканировал планету и дал соотношение излучаемой тепловой энергии к поступающей солнечной на уровне 1,9 ± 0,2, немного меньше, чем давали до того наземные измерения. Избыток между тем был внушителен – примерно 1017 Вт.
Температура поверхности Ганимеда по данным ИК-радиометра составила 125 К. Увы, никакого парникового эффекта не наблюдалось…
