Сравнительному анализу планет земной группы посвятил свое выступление на заседании Президиума Российской академии наук заместитель директора Института космических исследований РАН доктор физико-математических наук Олег Кораблев. Особое внимание докладчик уделил новым результатам исследования Марса и Венеры, полученным при помощи российских приборов на космических аппаратах Mars Express и Venus Express.
Олег Игоревич рассказал, что из планет земной группы атмосферами обладают Венера, Земля и Марс. Безатмосферными небесными телами считаются Меркурий и Луна, хотя разреженные атмосферы обнаружены и там, и там. Планеты земной группы состоят преимущественно из минералов и содержат льды и летучие примеси, из которых сформированы их атмосферы, полярные шапки и т.д. Процессы в атмосферах Венеры и Марса можно напрямую сравнивать с аналогичными процессами на Земле.
Заведующий отделом физики планет ИКИ РАН представил коллегам гипотезы и факты о далеком прошлом планет. Считается, сказал он, что Солнце, планеты и их атмосферы сконденсировались около 4,6 млрд лет назад из примитивной солнечной туманности. Затем соединения минералов и льдов превратились в планеты. По расстоянию от Солнца все три планеты земной группы попадают в так называемую обитаемую зону.
Вероятно, что в процессе формирования Венера, Земля и Марс получили приблизительно одинаковые запасы воды. В дальнейшем вода на планетах либо замерзла и частично улетучилась (Марс), либо была практически полностью потеряна в результате катастрофического парникового эффекта (Венера). Земля сохранила большую часть своих запасов благодаря удачному расположению.
Скорее всего, на разных стадиях эволюции планет преобладали различные факторы. Экспериментальной основой для проверки гипотез являются наличие и изотопные отношения “тяжелых” инертных газов (Ne, Ar, Xe, Kr), тщательно измеренные на Земле. Измерить количество этих газов дистанционно невозможно, а данные, полученные на поверхностях Марса и Венеры с помощью масс-спектрометров (в том числе на американской станции “Викинг-1” и советских “Венера-13” и “Венера-14”), по мнению ученого, пока недостаточно точны.
Обилие благородных газов (гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радиоактивный радон (Rn) присутствуют в составе воздуха и некоторых горных пород) на планетах отличает их от Солнца и метеоритов и подтверждает гипотезу однородности первичного состава планет земной группы. При этом только климат Земли подходит для жизни развитых организмов. Единого объяснения того, как сформировались и эволюционировали атмосферы планет земной группы, пока тоже не существует.
Олег Кораблев напомнил, что Земля, Марс и Венера сильно отличаются друг от друга по температурам и давлению на поверхности планет. Так, давление на поверхности Венеры составляет в среднем 92 бара, а температура ее поверхности — плюс 462 градуса Цельсия, на Марсе — 0,006 бар и минус 63 градуса Цельсия соответственно. На нашей планете величина атмосферного давления составляет 1 бар, а поверхность в среднем прогревается до 14 градусов Цельсия. Атмосферы Марса и Венеры состоят преимущественно из CО2, тогда как на Земле этот газ практически полностью связан в коре в виде карбонатов.
Венера хотя и находится ближе к Солнцу, чем Земля, но из-за высокого альбедо (отражательной способности поверхности) получает от светила гораздо меньше энергии.
Полная масса углекислотной (97% CО2) атмосферы Венеры примерно в 100 раз больше земной. Вся оставшаяся на планете вода сосредоточена в атмосфере, а ее количество соответствует слою жидкости глубиной всего около 1 см. Для сравнения, средняя глубина океана Земли — почти 3 км. В нижней атмосфере нет ни суточных, ни сезонных вариаций; температурные профили на разных широтах практически не различаются. Причина этого — большая тепловая инерция атмосферы. Вблизи полюсов тепловое излучение увеличивается, на высоте 60-65 км наблюдается “холодный” воротник, отделяющий “горячий” полярный диполь от низких широт.
На Венере наблюдается суперротация: атмосфера (выше 50-60 км) вращается с периодом четверо суток в ту же сторону, что и твердое тело (период 243 суток). Суперротация была обнаружена при наблюдениях с Земли в ближнем УФ-диапазоне. Механизм, заставляющий вращаться атмосферу, до конца не ясен. Воздушные массы поднимаются с экватора и в области верхней границы облаков движутся к высоким широтам. Обратная ветвь, вероятно, проходит ниже высоты 60 км. Как организована циркуляция под облаками, не известно.
В прошлом именно изучение Венеры было единственной областью фундаментальных космических исследований, где наша страна имела безусловный приоритет. Российская промышленность накопила уникальный опыт создания посадочных аппаратов для работы на этой планете. Новый проект, предусматривающий посадку на Венеру, с запуском после 2024 года, может войти в Федеральную космическую программу на 2016-2025 годы.
Марс, как и наша планета, имеет ледяные полярные шапки (состав льда полярных шапок неоднороден и зависит от сезона, зимой образуется лед из двуокиси углерода, летом на поверхности шапок обнажается обычный водяной лей). По косвенным свидетельствам наличия в прошлом жидкой воды на Марсе, в том числе геологическим (размеры и количество русел и т.д.), получены оценки глубины исходного океана на Марсе — 0,5-1 км.
Была ли, есть ли жизнь на Марсе — вопрос, который интересует всех. Поиск органики стал одной из главных задач первых экспедиций на эту планету, а прямое обнаружение жизни — главной целью посадочных аппаратов. В экспедиции Viking на двух посадочных аппаратах были несколько раз проведены три вида анализов на различных образцах грунта. Хотя чувствительность этих измерений была невелика и допускались различные трактовки, специалисты пришли к выводу, что результаты экспериментов по обнаружению жизни были отрицательными.
Такие заключения привели к существенному переосмыслению дальнейших исследований Марса. Главным вопросом стал не поиск жизни, а подтверждение возможности ее существования на Марсе, если не в современную эпоху, то на ранней стадии развития планеты. На многие годы на первое место вышли геологические исследования.
Лишь через десятилетия для поиска живых форм были разработаны новые системы жидкостной экстракции, примененные на посадочном аппарате Phoenix (2007) и на ровере Curiosity (2011). Но Phoenix органику не нашел, а на Curiosity эта система не сработала. И все же один из приборов Curiosity в конце концов обнаружил следы разрушенной космическими лучами органики в марсианском грунте. Примером новой программы, нацеленной на экзобиологию, может служить планируемый к запуску в 2018 году ровер миссии ExoMars. Аппарат оснастят буровым устройством, позволяющим достичь глубины 2 м в грунте.
Косвенным свидетельством жизни на Марсе, причем не ископаемой, а современной, является наличие метана в атмосфере. В 2004 году о его обнаружении заявили сразу три независимые группы. Наиболее вероятной гипотезой сегодня признается наличие на поверхности Марса разреженных колоний микроорганизмов-метаногенов. Общее количество биомассы на планете, необходимое для поддержания фонового содержания метана, очень мало. Оно не превышает 20 тонн, что, при равномерном распределении в грунте на глубине до 100 м, соответствует совершенно стерильным, по земным меркам, условиям.
Наряду с биологическим происхождением рассматривается возможность выхода в атмосферу ископаемого метана, образовавшегося в результате давних магматических или биологических процессов на Марсе. Обнаружение метана инициировало огромное количество гипотез о его происхождении.
Значение этого открытия таково, что к 2010 году был поставлен вопрос о специальной орбитальной миссии, посвященной малым атмосферным составляющим. Так родился проект Trace Gas Orbiter — первая часть проекта ExoMars, реализуемого совместно Роскосмосом и Европейским космическим агентством. Предполагается, что российский прибор ACS на борту запущенного в рамках проекта аппарата не только прольет свет на тайну метана, но и продолжит мониторинг климата Марса, ведущийся непрерывно с 1997 года, отметил Олег Игоревич.
Глобальные климатические изменения на Марсе, по мнению О.Кораблева, вызывают особый интерес, поскольку связаны, в первую очередь, с возможностью возникновения там биосферы в прошлые эпохи. Прекрасно сохранившаяся древняя кора планеты позволяет заглянуть в эпохи, следы которых давно стерлись на Земле.
Изучение природных процессов на Венере и Марсе методами “сравнительной климатологии” (этот термин ввел советский геохимик и планетолог Кирилл Флоренский) показывает, что при увеличении Солнечного потока Земля в будущем не застрахована от участи Венеры. Исследования пылевых бурь на Марсе помогли в свое время советскому же ученому Георгию Голицыну предсказать возможность возникновения и особенности “ядерной зимы”.
Олег Кораблев отметил, что после распада СССР советские исследовательские спутники на Марс и Венеру не летали (АМС “Фобос-Грунт” осенью 2011 года на межпланетную траекторию не вышла и сгорела в атмосфере), но сегодня Россия на паритетных началах участвует в масштабных проектах. Одним из них и должна стать совместная миссия Роскосмоса и Европейского космического агентства ExoМars, запланированная на 2016-2018 годы.
Олег Игоревич обозначил главные аспекты изучения планет земной группы. Климатические системы Венеры, Земли и Марса “разошлись” очень рано. В процессе эволюции Марс и Венера испытывали резкие изменения климата. Марс сохранил геологические следы ранних эпох. Ответ на вопрос, как Марс потерял атмосферу, остается открытым. В сравнении с климатом Земли условия на Венере и Марсе — пример экстремальных/экзотических состояний. И человечество все еще далеко от обнаружения жизни на Марсе.
По мнению академика Михаила Марова, Землю надо изучать вместе с соседями — Венерой и Марсом — двумя “предельными” (по вариантам развития. — А.С.) моделями эволюции Земли — и “проецировать наше понимание природных условий на Земле на процессы, происходящие на Марсе и Венере”.
Михаил Яковлевич с горечью отметил, что со второй половины 1980-х страна утратила лидерство в изучении Луны, Венеры и Марса. “30 лет мы не летаем к планетам, спустя 50 лет после успешных посадок советских аппаратов на Луну, сегодня на ее поверхность сесть не можем — полностью утратили технологии”, — сказал он. А Луна, как и Венера с Марсом, содержит в себе исключительно много информации об эволюции Солнечной системы и, возможно, даже вещество соседних звездных систем. Ученый обратил внимание на появление новых игроков с амбициозными космическими проектами: Япония, Китай, Индия, даже Арабские Эмираты, — и призвал вернуть позиции России в изучении Солнечной системы.
По мнению Михаила Марова, несмотря на коллапс в планетарных исследованиях, Россия по-прежнему обладает высоким научным потенциалом в соответствующей области: есть ученые с высокой квалификацией, есть коллективы, сохранилось умение делать высококачественные научные приборы. “Мы можем гордиться целым рядом результатов, например нейтронными спектрометрами, благодаря которым ученые полностью изменили свое представление о Луне, — сказал он. — Найдено довольно заметное количество воды в полярных областях Луны: сегодня мы говорим о спутнике Земли как о влажном теле. Благодаря этим спектрометрам мы знаем, как распределена вода в поверхностном слое Марса, каким сезонным изменениям она подвержена”.
Директор Института физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН член-корреспондент Игорь Мохов подчеркнул, что исследования планет земной группы исключительно важны для изучения меняющегося климата Земли и вообще с точки зрения понимания планеты, на которой живем.
На снимке: Модель автоматической межпланетной станции “Венера-3” в Институте космических исследований РАН. АМС стала первым земным аппаратом, достигшим поверхности другой планеты. Это произошло 1 марта 1966 года.
Андрей СУББОТИН
Фото автора
Нет комментариев