Поиск внеземной воды

Освоение будущих космических территорий может стать проще и безопаснее, если в недрах ближайших космических тел удастся обнаружить воду или водяной лед в количествах, достаточных для бытового и технического использования. Наземные и космические эксперименты последнего времени внушают определенный оптимизм, указывая на присутствие в верхних слоях грунта Луны и Марса определенного количество льда.

Традиционным методом исследования внеземного грунта является изучение кернов, добытых бурильными установками космических посадочных аппаратов. В процессе работы бурильные инструменты неизбежно нагреваются, что в условиях вакуума приводит к быстрому испарению воды и льда. Таким образом в руки исследователей попадают обезвоженные образцы.
Бесконтактные дистанционные методы поиска внеземной воды лишены указанных недостатков. Эксперименты в этой области могут осуществляться в различных областях спектра. Для того, чтобы получать надежные оценки, необходимо не только выбирать оптимальные методики измерений, но и проводить исследования различными инструментами, сопоставляя затем полученные результаты.

Авторы данной работы ограничились рассмотрением лишь радиофизических методов дистанционного обнаружения внеземного льда в верхнем слое грунта. Первое место среди подобных исследований занимают эксперименты с использованием радиолокаторов разных видов. Радиолокация позволяет проводить измерения параметров весьма удаленных объектов, при этом сам локатор может быть расположен как на Земле, так и на борту космического орбитального аппарата или посадочного модуля.
Можно отметить два метода радиолокационных измерений: локация с анализом поляризационных свойств отраженного сигнала и подповерхностная импульсная или частотная радиолокация. Вплотную к радиолокационным методам исследований примыкает метод становления магнитного поля при использовании индукционного возбудителя.
Общей проблемой радиолокационных методов является трудность обнаружения малых количеств льда. Этого недостатка лишен метод диэлектрической спектроскопии. При этом используется тот факт, что на низких частотах лед обладает диэлектрической проницаемостью, значительно большей, чем у остальных компонентов грунта. Недостатком метода является очень большой импеданс измерительных зондов, что затрудняет выполнение измерений.
Весьма распространенным методом дистанционных исследований грунтов является пассивная СВЧ радиометрия, когда регистрируется естественное тепловое излучение, приходящее из глубины грунта. Степень затухания СВЧ излучения в грунте зависит от частоты, на которой проводятся измерения, поэтому наиболее распространены СВЧ радиометры-спектрометры, работающих на нескольких частотах. При этом удается оценить физические температуры, которые имеет грунт на разных глубинах.
Пассивной СВЧ радиометрии присущи примерно те же недостатки, что и радиолокации. В основном, это невозможность детектирования малых количеств льда. Однако СВЧ радиометр позволяет измерять распределение температур в глубине грунта. Подобное распределение зависит от тепловых свойств грунта, а они, в свою очередь, очень сильно зависят от степени смерзания частиц грунта между собой. Даже очень небольшие количества льда способны в несколько раз увеличить теплопроводность грунта, что легко может быть зафиксировано СВЧ радиометром-спектрометром.
В поле зрения антенны СВЧ радиометра могут попасть крупные камни и осколки скал в глубине грунта. Эти включения могут существенно исказить как тепловые, так и электромагнитные поля в грунте, что затруднит последующую интерпретацию данных измерений. Маломощный радиолокатор-скаттерометр способен обнаружить подобные объекты в грунте, эти данные могут быть использованы для коррекции результатов измерений СВЧ радиометра-спектрометра. Представляется целесообразным объединение радиометра и скаттерометра в единый прибор, который может быть установлен на борту космических аппаратов - как спускаемых фиксированных, так и автономных самоходных.