ПОКРОВ
РАДИОЛОКАЦИОННАЯ КАРТА ВЕНЕРЫ «МАГЕЛЛАНА»

Венера окутана облаками и дымкой примерно от 30 до 90 км над поверхностью [13], а сама поверхность раскалена до 737 К под давлением 92 бар углекислого газа [5]. Основные капли облаков, на три четверти из серной кислоты, имеют размер около микрометра [13] — сравнимый с длиной волны видимого света, то есть как раз такой, который рассеивает свет сильнее всего, поэтому снаружи планета выглядит гладким бледным шаром. Радиолокатор «Магеллана» работал на волне 12,6 см (2,385 ГГц) [4]. По сравнению с этой длиной волны капля ничтожна: её параметр размера 2πa/λ падает примерно с 11 в зелёном свете до 0,00005, а рэлеевское рассеяние, растущее как (a/λ)⁴, почти исчезает. Для волн 12,6 см облака почти прозрачны. Свет при этом не перекрыт полностью: около 1 мкм облака рассеивают, но почти не поглощают, и «Венера-экспресс», «Акацуки» и Parker Solar Probe фотографировали ночную поверхность, светящуюся собственным теплом [15][19]. Но облака размывают это свечение до деталей около 50 км [19] — достаточно, чтобы отличить горячие низменности от более холодных возвышенностей, но мало для карты.

Радиолокацию пробовали и раньше. Американский Pioneer Venus Orbiter (1978) снял 92% поверхности, но самые мелкие различимые детали у него были 50–140 км. Советские «Венера-15» и «Венера-16» (1983) отсняли около четверти планеты, её северную часть, с разрешением 1,2–2,4 км и обнаружили венцы, тессеры и кратеры [3][4]. «Магеллан» проектировали, чтобы видеть гораздо лучше и везде: около 120–300 м [1]. О поверхности вблизи — с посадочных аппаратов и аэростатов «Венер» и «Вег» — см. справочник ПЕЧЬ; этот остаётся на орбите.

Антенна диаметром 3,7 м на волне 12,6 см даёт луч шириной около λ/D ≈ 2° — измеренный луч «Магеллана» был 2,1° × 2,5° [4]. С высоты в несколько сотен километров такой луч освещает пятно длиной больше десяти километров. Сама по себе антенна никогда не увидела бы деталь в 120 м. Радиолокатор решает задачу отдельно для двух направлений. Поперёк трассы (по дальности) расстояние даёт время прихода эха: «Магеллан» посылал импульсы по 26,5 мкс с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) в полосе 2,26 МГц, что после обработки разделяет эхо-сигналы через 88 м по наклонной дальности [4]. На поверхности это превращается в 88 м ÷ sin(угла падения).

Вдоль трассы (по азимуту) выручает эффект Доплера. Когда аппарат пролетает над точкой, её эхо сначала повышает тон, затем понижает, как гудок проходящего поезда. Записав сотни эхо-сигналов и рассортировав их по доплеровскому сдвигу на Земле, получают эквивалент гораздо более длинной антенны — синтезированную апертуру длиной от сотен метров до километра с лишним, собранную из эхо-сигналов на пролёте [3]. Снимки «Магеллана» достигали 120 м вдоль трассы. В принципе более длинная апертура дала бы ещё лучше, но радиолокатор «Магеллана» работал короткими пачками импульсов ради экономии данных, а остаток доплеровской полосы тратил на усреднение минимум по четырём независимым «взглядам» (некогерентным накоплениям), чтобы приглушить зернистый спекл-шум радиолокатора [3][4]. Выберите ниже широту и пройдите по одному витку съёмки первого цикла.

Почти полярная орбита «Магеллана» оставалась почти неподвижной в пространстве, а Венера медленно поворачивалась под ней — один оборот за 243 суток, в обратную сторону [5]. На каждом витке радиолокатор записывал полосу шириной около 25 км и длиной 16 000 км от северного полюса далеко на юг, а затем поворачивал антенну к Земле, чтобы передать записи [3]. За 3,26 часа Венера поворачивается на экваторе всего примерно на 21 км, поэтому каждая новая полоса немного перекрывает предыдущую; справочник указывает среднее перекрытие около 5 км [3]. Один оборот планеты занимает около 1790 витков — это полный цикл полос [4].

Первый цикл, с 15 сентября 1990 по 15 мая 1991 года, охватил 83,7% поверхности — а целью была карта 70%. Пропуски дали южный полюс, недоступный радиолокатору, смотревшему влево, и верхнее соединение, когда Венера с Земли была за Солнцем и 110 из 1790 витков не дали данных [4]. Второй цикл, со взглядом вправо, поднял охват до 96% к 15 января 1992 года, а третий, под новыми углами для стереосъёмки, — до 98% к 13 сентября 1992 года [1][2]. Всего «Магеллан» передал около 1200 гигабит — больше, чем все предыдущие планетные миссии NASA вместе [1].

Карта показала мир вулканов: не менее 85% поверхности покрыто вулканическими потоками, есть длинные лавовые каналы и плоские «блинообразные» купола, но нет следов дрейфа континентов [1]. Сильнее всего поразили ударные кратеры. К витку 2578, когда было отснято 89% Венеры, Шабер с коллегами каталогизировали 842 кратера поперечником от 1,5 до 280 км [8]; когда было отснято около 98%, каталог вырос до 912 [16]. Для целой планеты это очень мало, а мелких особенно немного: плотная атмосфера отсеивает небольшие тела ещё до удара о поверхность [8].

Два факта превратили кратеры в загадку. Их расположение статистически неотличимо от случайного — гипотезу полной пространственной случайности отвергнуть нельзя [9], — и большинство из них свежие: 62% нетронуты, лишь 4% частично залиты лавой [8]. Сравнение их числа с ожидаемой частотой ударов даёт средний возраст поверхности всего около 0,5 миллиарда лет [8][9] — примерно десятую часть возраста Солнечной системы. Одно толкование: большая часть Венеры обновилась за геологически короткое время и с тех пор спокойнее; другое — непрерывное обновление по участкам; Филлипс с коллегами смоделировали оба крайних случая [9]. Загадка в том, что непрерывное обновление по участкам должно было бы оставить много полузасыпанных кратеров и районы явно разного возраста, а их почти нет. Спор продолжается, а сам возраст опирается на оценку численности астероидов, пересекающих орбиту Венеры [8]; более поздний обзор называет среднее значение ближе к 0,75 млрд лет [18]. Разбросайте кратеры сами:

Для съёмки нужна была вытянутая эллиптическая орбита, а для карты гравитационного поля Венеры — низкая, почти круговая: притяжение скрытых масс заметно только вблизи. Чтобы опустить апоцентр с 8467 до 541 км, нужно торможение около 1,2 км/с. Даже всех 132,5 кг гидразина, залитых при запуске [3], хватило бы лишь примерно на четверть, а оставшегося на борту к 1993 году топлива было по меньшей мере в десять раз меньше нужного [6]. Поэтому в мае 1993 года специалисты по управлению полётом опустили перицентр примерно до 140 км, в верхние слои атмосферы [17], и позволили сопротивлению воздуха делать работу, виток за витком. «Магеллан» вовсе не был рассчитан на вход в атмосферу [7].

За 70 суток, к 3 августа 1993 года, более 700 проходов через атмосферу сжали орбиту до 541 × 197 км — апоцентр опустился почти на 8000 км при малом расходе топлива [6][7]. Впервые космический аппарат с помощью аэроторможения существенно изменил форму своей орбиты у другой планеты [7]. Позже то же самое у Марса проделал Mars Global Surveyor [14], а EnVision ЕКА планирует 11 месяцев аэроторможения у Венеры [11]. Гравиметрические циклы с новой орбиты продолжались до 13 октября 1994 года, когда «Магеллан» направили глубже в атмосферу для её измерения, и связь с ним была потеряна [1].

«Магеллан» стал первым планетным аппаратом, запущенным с шаттла, и первым за почти одиннадцать лет запуском США в дальний космос; его служебный модуль собрали из запасных частей «Вояджера», «Галилео», «Улисса» и «Маринера-9» [1][3]. Спустя более трёх десятилетий его снимки, высотометрия и гравиметрия всё ещё служат глобальной основой для изучения Венеры: в 2023 году Херрик и Хенсли нашли вулканическое жерло площадью около 2,2 км², изменившее форму за восемь месяцев между двумя снимками «Магеллана», — по их мнению, свидетельство продолжающегося вулканизма [12].

Следующие карты снова планируют делать радиолокатором. VERITAS NASA должен снимать с разрешением около 30 м на пиксель, минимум втрое резче, запуск не ранее 2031 года, будущее миссии под вопросом [10]; EnVision ЕКА планирует запуск в ноябре 2031 года [11]. Пока они не полетели, картой Венеры остаются полосы «Магеллана».