Тема: Радиоизлучение твердых тел cm

Хотя большая часть Вселенной действительно состоит из плазмы, то есть вещество находится в горячем и потому ионизованном состоянии, атрофизика имеет дело с важными группами ``холодных'' объектов, в которых вещество твердое. К таковым, прежде всего, относятся планеты и их спутники.

Радиоастрономические исследования Луны начались на заре радиоастрономии, в начале пятидесятых годов, в то время как детальные исследования планет и их спутников потребовало развития наблюдательной базы (создания крупных антенных систем). В настоящее время методами радиоастрономии исследуются все большие планеты солнечной системы и многие их спутники. Такие наблюдения дают информацию о температуре поверхности исследуемой планеты и позволяют анализировать температуру более глуьоких слоев, то есть оценить градиент температуры.

В исследованиях планет большую роль сыграли методы радиолокации, особенно проводившейся с борта космического аппарата. Эти методы, однако выходят за рамки нашегокурса и мы их обсуждать не будем.

Мы уже говрили о том, что некоторые планеты, обладающие мощными магнитосферами, являются источниками нетеплового излучения, переменного во времени. Возможные механизмы, ответсвенные за этот вид излучения, мы уже обсуждали раньше. В этой лекции мы приводим некоторые сведения из теории и методы, которые используются при интерпретации наблюдений радиоизлучения поверхности Луны, Марса и других планет с твердой поверхностью.

12.1. Уравнение переноса для твердого тела Излучение с поверхности планеты является тепловым. Поэтому оно описывается обычным уравнением переноса длятеплового излучения, которое можно написать, не имея в виду какой-либо конкретный механизм генерации излучения. Тепловой механизм подразумевает только распределение излучающей системы по энергиям согласно закону Больцмана. В твердом теле большинство частиц свзано кристалличесой решеткой, имеются однако в некотром количестве и свободно перемещающиеся электроны. Причина излучения (поглощения) радиоволн, как и в случае тормозного излучения плазмы (см. Лекцию 5) связана со столкновениями зарядов, приведенными в движение Электрическим полем волны.

Итак, уравнения переноса мы запишем в виде:

где

Как и в случае тормозного излучения, коэффициент поглощения связан с комплексным коэффициентом преломления/диэлектрической проницаемостью:

где

Два уравнения переноса в (12.1) написаны для волн с двумя взаимно ортогональными линейными поляризациями (см. Рис.1): с электрическим вектром волны, лежацим в плоскости её падения (индекс индекс ) и с электрическим вектором, перпендикулярным этой плоскости (индекс ). Новым обстоятельством по сравнению с излучением от плазмы является сущетвенная роль границы твердого тела, отделяющая область распространения волны внутри планеты и в её атмосфере, если таковая существует ( в противном случае --- в вакууме). Толщина переходного слоя этой границы полагается малой (много меньше длины волны). Соответственно, изменения в волне на такой границе определяются осуществляются скачком и определяются граничными условиями, из которых мы находим коэффициенты отражения и . Благодаря этоу отражению выходящая из твердого тела волна ослабляется и кроме того становится частично линейно поляризованной.

12.2. Граничные условия Ход лучей на границе твердого тела представлен на Рисунке 1. Излучение идет снизу, где диэлекктрическая проницаемость среды равна и пройдя границу (поверхность планеты), попадает в среду с диэдектрической проницаемостью . Эта, вторая обычно может рассматриваться как вакуум. От поверхности (границы раздела двух сред) происходит частичное отражение волны, а частично она проходит в другую среду, преломляясь, то есть изменяя направление своего распространения. Доля отраженной энергии определяется коэффициентом отражения:

а доля прошедшей

Здесь мы индекс 0 относили к полю падающей волны, индекс 1 --- к полю отраженной и индекс 2 --- к полю прошедшей (см, Рис.1).

Рисунок 12.1 Ход лучей на границе твердого тела Выражения для отношения падающей и отраженной, а также падающей и преломленной волн определяются из граничных условий на плверхности раздела двух сред. Это так называемые формулы Френеля (см., например Ландау и Лившиц, Электродинамика сплошных сред, М.Наука, с.407):

Формулы для волны с другой поляризацией:

Указанная совокупность формул позволяет построиь теорию, исользуемую при интерпретации наблюдений теплового иозлучения поверхности Луны и других спутников и планет.

12.3. Радиоастрономическая диагностика твердых тел солнечной системы Ралиоастрономические наблюдения планет и их спутников, прежде всего Луны, позволили исследовать ряд важных свойств их твердых поверхностей и более глубинных слоев. Мы здесь имеем дело с тепловым излучением оптически толстых тел. Поэтому основная информация касается прежде всего температуры поверхности планеты (сравнм с (12.1)):

Независимый метод измерения температуры поверхности сам по себе представляет значительную ценность для физики планет. До радиоасттрономических наблюдений для этой задачи использовались измерения в инфракрасном диапазоне. Ценость радиоастрономического метода определяется еще и тем, что он дает оценку температуры на некоторой глубине под поверхностью планеты. Обычно с ростом длины волны увеличивается и эта глубина. Таким образом спектральные наблюдения планеты в радиодиапазоне позволяют измерять также и градиент темпратуры под поверхностью планеты.

Величина коэффициента R, как мы видели (формулы (12.5-12.8)), зависят от диэлектрическх свойств материала, из которого состоит поверхность планеты, а также от угла нормали к поверхности относительно луча зрения . Поэтому распределение яркости даже по планете с постоянной температурой должно иметь спад яркости к краям, величина которого определяется диэлектрической постоянной (и может служить для ее измерения). Измерение диэлектрической постоянной не только вносит адекватную коррекцию в измерение температуры поверхности, но и несет информацию о физическом состоянии и химическом составе планеты.

Другой способ измерения диэлектрической постоянной и других парметров планеты базируется на анализе поляризации. Как мы видели выше, коэффициент отражения различен для двух линейных ортогональных поляризаций, направление которых совпадает с плоскостью падения излучения и нормального к этой плоскости. Степень поляризации волны, стало быть есть

где мы положили, что и (у планеты нет плотной атмосферы). Функция определяется уравнениями (12.7-12.8).

Вдействительности, разумеется, поверхность планеты не может быть изотермична, и распределение радиояркости и поляризации по планете содержит также информацию о распределении температуры по ее поверхности. Последнне, естественно меняется со временем, прежде всего из-за изменений в освещении планеты Солнцем, а также под действием процессов теплопроводности, а возможно и внутренних источников нагрева планеты.

Наибольший объем иследований такого рода был выполнен конечно для Луны, для которой уже давно стало возможным анализировать распрделение яркости по поверхности. В ситуация, когда разрешающей способности для этого не хватает приходится пользоваться некоторыми модельными представлениями и интегрировать ождаемые распределения по диску планеты с учетом относительного положения Земли (наблюдателя) и Солнца.

Рисунок 12.2 Спектр радиоизлучения Луны и распределение температуры с глубиной.



About this document ...

This document was generated using the LaTeX2HTML translator Version 95 (Thu Jan 19 1995) Copyright © 1993, 1994, Nikos Drakos, Computer Based Learning Unit, University of Leeds.

The command line arguments were:
latex2html lesson12.tex.

The translation was initiated by Susanna Tokhchukova on Втр Июл 23 20:58:44 MSD 2002