У него нет солнечных батарей, антенн, камер и бортового компьютера. Он не передаёт радиосигналы и не фотографирует планету. Внешне LAGEOS-1 напоминает большой металлический мяч, покрытый блестящими вставками. Тем не менее этот необычный спутник уже полвека помогает учёным изучать движение земной коры, вращение Земли и её гравитационное поле.
Секрет его долголетия — в простоте. LAGEOS-1 не измеряет Землю самостоятельно: он служит точной мишенью для лазеров, установленных на её поверхности.
Космический прибор без электроники
LAGEOS-1 был разработан NASA и запущен 4 мая 1976 года. Его название происходит от английского LAser GEOdynamics Satellite — «лазерный геодинамический спутник».
Это шар диаметром около 60 сантиметров и массой примерно 407 килограммов. Он движется по почти круговой орбите на высоте около 5900 километров, совершая один оборот вокруг Земли приблизительно за 225 минут.
На поверхности спутника размещены 426 уголковых отражателей. Большинство изготовлено из плавленого кварца, а четыре — из германия для экспериментальных измерений в инфракрасном диапазоне. На борту нет источника питания, средств связи или движущихся механизмов: это полностью пассивный аппарат. [1]
Такая конструкция выбрана не ради необычного внешнего вида. Для геодезических наблюдений нужен объект, движение которого можно как можно точнее рассчитать. Относительно небольшая площадь поверхности при большой массе уменьшает влияние негравитационных воздействий — например, давления солнечного света. Высокая орбита позволяет свести к минимуму атмосферное торможение.
Как работает лазерная линейка
Принцип измерений легко представить. Наземная станция посылает к спутнику короткий лазерный импульс. Часть света попадает на отражатели и возвращается обратно. Аппаратура фиксирует время между отправкой импульса и приёмом отражённого сигнала.
Зная скорость света, можно определить расстояние:
расстояние = скорость света × время прохождения сигнала / 2.
Деление на два необходимо потому, что свет проходит путь дважды: от станции до спутника и обратно.
Уголковые отражатели отличаются от обычного плоского зеркала. Их оптическая геометрия позволяет возвращать падающий свет почти в направлении источника в пределах рабочего угла. Поэтому спутнику не требуется постоянно ориентировать зеркало на конкретную станцию.
На практике измерения сложнее школьной формулы. Нужно учитывать прохождение света через атмосферу, движение спутника, характеристики аппаратуры и расположение отражателей относительно центра масс. Но основа остаётся прежней: чрезвычайно точное измерение времени превращается в чрезвычайно точное измерение расстояния.
Сам LAGEOS-1 при этом ничего не записывает и не вычисляет. Вся измерительная работа происходит на Земле.
Что можно узнать о планете, наблюдая за шаром
На первый взгляд лазерная станция определяет только расстояние до движущейся точки. Однако многолетние наблюдения из разных частей мира позволяют решать гораздо более широкие задачи.
Движение земной коры
Материки не неподвижны: литосферные плиты перемещаются на сантиметры в год. Вместе с ними движутся и установленные на поверхности измерительные станции.
Сопоставляя длительные ряды наблюдений, учёные уточняют координаты станций и их изменение во времени. Эти данные помогают исследовать тектонические движения и деформации земной коры. При этом LAGEOS-1 не является прибором для прямого предсказания землетрясений.
Вращение Земли
Наша планета вращается не совершенно равномерно. Продолжительность суток немного меняется, а положение оси вращения относительно земной поверхности испытывает колебания.
Лазерные наблюдения помогают определять параметры вращения Земли. Это важно для точного согласования земных и небесных систем координат.
Гравитационное поле и центр масс
Земля не является идеальным однородным шаром. Неравномерное распределение вещества влияет на движение спутников.
Анализируя орбиту LAGEOS-1, исследователи получают сведения о гравитационном поле планеты. Лазерная дальнометрия также помогает отслеживать небольшие изменения положения центра масс всей системы Земли, включающей океаны и атмосферу. [2]
Единая система координат
Наблюдения LAGEOS-1 и других лазерных спутников участвуют в построении высокоточной земной системы отсчёта. Она необходима, чтобы сопоставлять измерения, выполненные в разных странах и в разные десятилетия.
Такая общая координатная основа особенно важна при изучении медленных процессов: движения континентов, деформации поверхности и изменения уровня моря.
Почему он работает десятилетиями
Большинство спутников стареет из-за деградации электроники, износа механизмов или исчерпания топлива. У LAGEOS-1 многих подобных ограничений просто нет.
Ему не требуется электричество, а для отражения лазерного импульса не нужен работающий процессор. Пока орбита остаётся пригодной для наблюдений, а отражатели сохраняют свои свойства, аппарат может выполнять свою задачу.
Это не означает полной неуязвимости: космическая среда воздействует и на пассивные объекты. Однако простота конструкции обеспечила миссии исключительную долговечность.
В 1992 году к нему присоединился LAGEOS-2, созданный при участии Итальянского космического агентства и NASA. Наблюдения двух спутников расширили возможности геодинамических исследований. [2]
Послание в далёкое будущее
Внутри LAGEOS-1 находится необычный груз — две одинаковые пластины из нержавеющей стали с посланием, разработанным Карлом Саганом.
На них изображены числа в двоичной системе, схема движения Земли вокруг Солнца и три карты нашей планеты:
- 268 миллионов лет назад, когда материки были объединены в единый массив;
- в эпоху запуска спутника, с современным расположением континентов;
- через 8,4 миллиона лет, с предполагаемым будущим расположением суши.
Последняя дата связана с очень приблизительной оценкой времени существования LAGEOS-1 на орбите. Это не точный прогноз его возвращения на Землю и не гарантия сохранности аппарата на протяжении миллионов лет.
Смысл послания прост: если в далёком будущем кто-нибудь обнаружит спутник, карты могут помочь понять, в какую эпоху его отправили в космос. Аппарат, созданный для измерения движения материков, сам стал своеобразной капсулой геологического времени. [3]
Большая наука в простой форме
LAGEOS-1 показывает, что ценность космического аппарата определяется не только сложностью оборудования. Иногда наиболее удачное решение — убрать всё лишнее и оставить надёжный объект с хорошо известными свойствами.
Металлический шар не видит Землю и не передаёт научные данные. Но свет, возвращающийся от его отражателей, помогает людям замечать изменения, слишком медленные и малые для повседневного восприятия.
Его задача — быть предсказуемой точкой в космосе, относительно которой становится видна изменчивая Земля.
Источники
- NASA Earthdata — Laser Geodetic Satellite-1.
- NASA Science — LAGEOS.
- International Laser Ranging Service — LAGEOS: характеристики и памятная пластина.
***
