宇宙通信工学(８)
電波科学観測
水野英一
人工探査機を使って宇宙探査を行うには観測目的に応じた観測機器を積み込んでおかなければなりません。典型的な惑星探査機のひとつといえる米国のボイジャー２号を例にとると，可視光カメラ・赤外分光器・磁場・プラズマ測定装置・宇宙線検出器など10種類もの観測装置が積まれています。何もボイジャーに限らず１度で巨額の費用を要する科学探査機の宿命として可能な限りいろんな事を観測する努力のあらわれでもあります。その中にあってボイジャー２号の場合，観測装置より１つ多い11種類の科学探査計画が実行されました。11−10＝１。残り１つは何か？実は特定の観測装置ではなく，人工探査機と地球の間で情報を伝達するために使用する電波を利用した惑星探査が行われたのです。その一見『おまけ』のような探査手法を，電波を利用した科学探査という意味で『電波科学』といいます。一見地味な手法であり，あまりご存じの方も多くないと思いますが，この探査機が通過した木星・土星・天王星・海王星では惑星大気の温度・気圧がどの様に分布しているか，また土星や天王星のリングの微細構造など，科学的に極めて貴重かつ今の所他の観測手段では得られないデータを得ることができたのです。
ボイジャー２号が最後に立ち寄った海王星
地球から離れて太陽系に飛び立つ人工探査機を考えましょう。探査機は地球との間で電波を使い情報のやりとりをしなければなりません。ところで電波が伝わってくる途中にはこれら情報伝達を担う電波に影響を与える，言い換えれば変調をかけるものが存在します。例えば太陽プラズマ・太陽や惑星の磁場／重力場・惑星大気・惑星電離層などです。それらの電波への影響は様々な形となって現れます。例えばプラズマや大気は真空中と較べて屈折率が僅かに異なるため電波が通る光路長を変化させます。一般に太陽プラズマや惑星大気などは外側に向かうほど希薄になっていくのでその中を電波が通るとちょうどレンズを通る光のように屈折され，その結果電波が探査機から発射されてから地球に到達するまでの時間が変化する，いいかえれば位相変調を受けることになります。惑星，例えば先ほどのボイジャー２号の場合，写真の海王星の大気中をうまく電波が通るように探査機が地球から見て惑星の裏側を通りました。この時最大７度位の屈折効果が確認されています。太陽プラズマ中を電波が通って来る場合にも同じ現象が起きますが，こちらの場合むしろプラズマの局所的な密度ゆらぎにより電波が地球に届く頃には波面が乱されてしまいます。これは上のレンズと光の例になぞらえるならば，陽炎(かげろう)のようなものだといえるでしょう(電波のシンチレーションとと呼ばれています)。実際に受信した電波を調べるとその位相や振幅，電波のやってくる方角がゆらいで見えます。
ＩＳＡＳニュース 1996.8 No.185
