Текст книги "Астрономия. Популярные лекции"

Автор книги: Владимир Сурдин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 16 страниц)

Рис.5.1. «Маринер-9», первый искусственный спутник Марса (NASA).

Прошло еще несколько лет, и у Марса появился первый искусственный спутник – «Mariner-9» (рис. <Номер главы>.1). Он вышел на орбиту, стал летать вокруг планеты, сделал несколько тысяч фотографий, cфотографировал почти всю поверхность – и мы впервые увидели Марс целиком. Он оказался довольно интересен, по меньшей мере для геологов. Так что надо было сажать туда аппарат.

Рис.5.2. Одна из первых фотографий марсианской поверхности с близкого расстояния (NASA).

Значит, следующий шаг – посадка на планету. Как известно, отечественная электроника не очень надежна: советские аппараты по пути портились и до Марса не долетали. Тогда решили разом запускать по нескольку аппаратов, чтобы долетел хотя бы один из них. И вот в 1971 г. наша страна запустила сразу три таких зонда, по конструкции не очень удачных, но в их составе был посадочный аппарат, капсула для посадки на Марс (рис. 5.3). И один из зондов таки долетел – и даже сел! Так что первая посадка была на Марс была наша, отечественная, инженеры здорово постарались. Конструкция у посадочного аппарата была прочная, на борту у него был первый в истории марсоход; механическая лапка мягко опускала его на грунт, и он должен был ходить по поверхности Марса – не ездить на колесах, а именно ходить, как шагающий экскаватор. Блютусов и вайфаев в ту пору не было, связь с базовой станцией была по проводу – т. е. марсоход должен был ходить, привязанный на проводе, так что далеко бы он в любом случае не ушел. Но насколько далеко он ушел – никто не знает, потому что после выпуска антенн станция проработала всего 10 секунд, потом сигнал по неизвестной причине поступать перестал. Так что никаких научных данных с поверхности мы тогда не получили.

Рис.5.3. «Марс-3» (СССР), первый аппарат, совершивший мягкую посадку на Марс.

С тех пор многие страны, прежде всего СССР и США, стали запускать роботов. Удачных экспедиций было немного: половина автоматических аппаратов не долетела (даже в один конец), так что дело это непростое. Американские и европейские зонды были более удачными. Недавно к Марсу прилетел индийский аппарат – и ведь работает до сих пор, уже третий год, хотя техника стран третьего мира нам казалась чем-то второразрядным. Тем не менее индийцы первый раз запустили межпланетный аппарат, и им это удалось. А японцам – не удалось, их космический зонд добрался до Марса, но затормозить не смог и на орбиту не вышел.

Итак, для геологов Марс оказался очень интересным. Планета небольшая, сила тяжести там почти втрое меньше, чем на Земле. Ведь сила тяжести выравнивает поверхность (по закону Архимеда), и когда гравитация слабая, разница высот может быть весьма значительной. Поэтому на малых планетах и горы могут вырастать выше, и каньоны образовываться глубже. Так, на Земле максимальная высота гор – около 9 км, а на Марсе – 26 км, хотя плотность и твердость пород примерно одинакова. На нашей планете более высоких гор не построить: даже если на Эверест наложить кирпичей, выше он не станет – избыточной массой гора продавит свое основание.

Рис.5.4. Долины Маринера. Снимок представляет собой мозаику из 102 кадров, полученных орбитальным аппаратом «Викинг-1» (NASA, 1980).

Марсианские каньоны тоже очень глубоки, до 10 км (рис. 5.4). Один из самых глубоких назвали Долинами «Маринера» – того самого, который впервые сделал его снимок. Длиной он около 4000 км, ширина – почти 800 км, глубина – около 7 км. Правда, на Земле самое глубокое место – Марианская впадина – примерно такой же глубины, но это благодаря тому, что она заполнена водой.

Рис.5.5. Облака в атмосфере и полярные шапки Марса (космический телескоп «Хаббл», NASA, ESA).

Как и у нашей планеты, у Марса есть две полярные шапки (рис. 5.5). Весной солнышко пригревает (до –80 °C), полярная шапка под его лучами начинает интенсивно таять, так как она в основном состоит из двуокиси углерода. Он испаряется в атмосферу и замерзает на другом полюсе, который в тени. В результате огромное количество CO₂ устремляется через всю планету по меридианам из одного полушария в другое, этот ветер поднимает массу пыли и тем самым вызывает пылевую бурю: хотя атмосфера Марса разреженная и сила тяжести на его поверхности небольшая, даже такая атмосфера может создать мощный воздушный поток, который способен поднять пыль (рис. 5.6). И так повторяется дважды в год (марсианский, который почти вдвое длиннее земного). «Маринеру-9» в этом отношении не повезло: он подлетел, начал фотографировать а тут вдруг бах – пылевая буря. Прошло лишь полтора месяца с начала весны – и пыль, поднятая ветром, заволокла всю поверхность. Четыре земных месяца зонд дожидался окончания пылевой бури, чтобы продолжить свою работу.

Рис.5.6. Два снимка Марса, полученные в 2001 г. аппаратом «Mars Global Surveyor». Слева – фото, сделанное в конце июня (четко видна поверхность планеты), справа – в июле, когда Марс был окутан пылевой бурей (NASA/JPL/MSSS).

Сегодня вокруг Марса работает много зондов. Самый совершенный из них – американская (NASA) межпланетная станция Mars Reconnaissance Orbiter (MRO, рис. 5.7). У нее мощный фотографический комплекс с большим телеобъективом, который позволяет получать фотоснимки поверхности планеты с линейным разрешением в четверть метра (т. е. детали такого размера могут быть различимы): например, на его снимках видны следы колес марсоходов. Эта орбитальная станция по радиоканалу передает информацию на Землю, причем не только собственную, но также ретранслирует с поверхности планеты сигналы марсоходов, когда пролетает над ними.

Рис.5.7. Межпланетная станция Mars Reconnaissance Orbiter. Рисунок NASA.

Карты марсианского рельефа на сегодня более детальны, чем карты земной поверхности. На нашей планете мешают облака, вечнозеленые тропические леса. Кроме того, две трети поверхности нашей планеты покрыты водой, сквозь которую не видно ничего на дне. А на Марсе воды нет, облаков мало, зелени нет, поэтому его внешний вид мы знаем идеально. И даже внутри кое-что прощупали. Физикам известно, что любая волна проникает внутрь тела на расстояние порядка длины этой волны. MRO имеет в распоряжении радиолокаторы, в том числе и длинноволновые (порядка километра). И его снимки Марса показывают много интересных деталей. Как правило, эти детали узнаваемы и имеют аналоги в земном рельефе. Например, вот следы таяния полярной шапки (рис. 5.8); на ледниках Эльбруса точно такие же слои, для геологов очень знакомые структуры.

Рис.5.8. Марсианский ледник в процессе таяния (NASA).

Рис.5.9. Удивительный марсианский рельеф. Размер изображения по диагонали – около 1 км.

Рис.5.10. Дюны из черного базальтового песка в марсианском кратере Проктор (NASA).

Казалось бы, а что может быть на Марсе не такое, как на Земле? Но вот эта картина (рис. 5.9) – не очень знакомая: похоже на чешую или черепицу. Интересно, что скажут специалисты-геологи: есть ли такое у нас? Или вот (рис. 5.10) – песчаные дюны: ветер дует, песок переносится. Но тут светлый песок отделился от темного: дюны из черного песка, а подстилающая поверхность – из более светлого. На спутниковых снимках Земли такого сочетания мне видеть не приходилось, хотя черный песок есть на Канарских островах, это вулканическое вещество: лежишь на пляже – ты белый, а он черный. Еще пример космической съемки с орбиты (рис. 5.11): из красноватого песка вроде бы торчат кустики.

Рис.5.11. Темные оползни на Марсе, сверху напоминающие живые растения.

Марс вдвое меньше Земли, но все равно площадь поверхности планеты огромна, а марсоходы излазили в сумме лишь около 10 км² и ничего подобного не обнаруживали.

Марсианская вода

В полярной шапке вода, конечно, есть, но по тому, как интенсивно шапка тает под солнцем, мы понимаем, что ее там очень мало, в основном вещество шапки – это двуокись углерода, которая при низком марсианском давлении испаряется при –120 °C. Однако мы видим следы водных потоков, явные речные русла, сеть притоков, размытые овраги (рис. 5.12): что-то там все же текло! Судя по всему, на Марсе было даже море, целый океан: в северном полушарии планеты поверхность очень ровная, вся выглажена, как у нас морское дно, и она ниже среднего уровня высоты метров на триста. Но куда вся эта вода делась? Наверное, часть замерзла, а часть испарилась. Но не вся же? Или вся?

Итак, следов течения много, но жидкой воды нигде не видно. А дело в том, что чистой жидкой воды на поверхности Марса быть не может. В прошлом давление марсианской атмосферы, по-видимому, было довольно высоким, но в нашу эпоху в среднем оно в 160 раз меньше земного – около 0,006 атм (на вершине горы Олимп 0,003 атм, а в долине Эллада 0,016 атм). А поскольку атмосфера Марса в основном состоит из углекислого газа, парциальное давление водяного пара в ней еще значительно меньше, т. е. существенно ниже давления, определяющего так называемую тройную точку на фазовой диаграмме воды, в которой сходятся линии плавления льда и испарения жидкой воды. При давлении ниже, чем у тройной точки, чистая вода при любой температуре может устойчиво пребывать лишь в двух агрегатных состояниях – льда и пара. Лед мы видим в полярных шапках, пар тоже есть – о его присутствии в атмосфере говорят облака. А жидкой воды нет. Правда, на снимках с орбиты на некоторых склонах гор и оврагов видны следы «ручейков». Возможно, иногда под лучами весеннего солнца из слоев вечной мерзлоты вытекают крепкие рассолы перхлоратов, температура замерзания которых существенно ниже, чем у чистой воды: вот их следы и обнаружены. Но постоянных водных потоков нет. Значит, часть воды замерзла и лежит в вечных полярных шапках и слоях вечной мерзлоты, а другая часть испарилась и улетела в космос. Но почему она улетела? Ведь с Земли-то вода практически не улетает!

Рис.5.12. Следы водной эрозии на Марсе. Вероятно, весной лед тает и вода стекает по склону, быстро испаряясь. Источник: NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona.

Рис.5.13. Вероятно, по весне вода оттаивает из обнажившегося ледника и стекает в моментально замерзающее озерцо (источник: Malin Space Science Systems, MGS, JPL, NASA).

У нашей планеты есть магнитное поле, которое довольно надежно защищает нас от потоков солнечной плазмы. Из-за магнитного поля этот солнечный ветер с атмосферой Земли практически не взаимодействует: заряженные частицы плазмы облетают Землю вдоль силовых линий поля и уходят вдаль. А у Марса нет магнитного поля: ядро Марса застыло, и в нем нет конвективных потоков электропроводящего материала, которые создавали бы магнитное поле. И солнечный ветер постепенно сносит атмосферу Марса (и воду в ней) за собой, так что к настоящему времени она уже почти полностью потеряна. Солнце высушило Марс.

Рис.5.14. Вероятно, по весне вода оттаивает из обнажившегося ледника и стекает в моментально замерзающее озерцо (источник: Malin Space Science Systems, MGS, JPL, NASA).

Но есть надежда, что не вся вода высохла. Часть замерзла и осталась под поверхностью. Раньше мы могли лишь догадываться об этом, а теперь есть наглядные свидетельства. Вот край каньона (рис. 5.13): видны какие-то струйки, потоки. Может быть, это водяной лед из слоев мерзлоты тает по весне? Или, может быть, это струйки песка? Но песок осыпáлся бы и с поверхности, а тут бороздки начинаются с глубины около 100 м. Значит, скорее всего, это оттаивает слой мерзлоты. По весне ручейки скатываются вниз – и что мы тут видим? Везде поверхность щербатая, а здесь абсолютно ровная, застывшая, как каток. Если, как выяснилось, каналов марсиане не делают, то вот такие ванны для сбора весенних ручьев они, видимо, все-таки строят – иначе кто же сделал этот бортик? Его построила сама природа: вода, замерзая, надстраивает такие стенки. Похожее явление есть в Памуккале (Турция): когда вода испаряется, соли из рассола выпадают в этом месте и постепенно образуют такие стенки.

Рис.5.15. В марсианской полярной шапке различимы два слоя: вокруг внутренней части из вечного водяного льда зимой образуется кольцо из затвердевшей углекислоты (граница отмечена стрелками).

Американцы в октябре 2015 г. видели с орбиты тоже лишь следы текшего рассола. На фотографии, полученной зондом «Mars Reconnaissance Orbiter» (рис. 5.14), разным цветом обозначен разный химический состав; вдоль «ручейков» обнаружены перхлораты. Скорее всего, это следы воды, которая содержала растворимые соли хлорной кислоты. СМИ нам преподнесли это открытие в духе «Ура! Там есть вода, должна быть жизнь». Но подумайте, могла ли в такой воде быть жизнь? Ведь соли окисленного хлора – это мерзкая вещь, убийственная для белковой жизни. Ими унитазы чистят в целях дезинфекции, потому что они всё разъедают. Где-то в Калифорнии есть ядовитое озеро с похожим химическим составом, и микробы там приспособились, но одно дело приспособиться, а другое – зарождение жизни в такой среде. Лично у меня эта информация энтузиазма не вызывает.

Замерзшая вода, скорее всего, осела в полярной шапке. На фото (рис. 5.15) видна четкая граница между внешней и внутренней частями шапки. По весне внешняя тает, а внутренняя на протяжении всего лета сохраняется. Вероятнее всего, наружное кольцо – углекислота, а во внутреннем круге лежит вода в виде вечного льда, который не тает и не возгоняется, потому что там круглый год низкая температура. Чтобы это проверить, в 2009 г. NASA забросило туда зонд «Phoenix» (рис. 5.16), он сел на внешнее кольцо летом, т. е. во время полярного дня, полгода работал, а как только солнце зашло – замерз. Но кое-что полезное сделать он успел. Вот внешний вид полярной области Марса в сравнении с канадской тундрой (рис. 5.17): различий почти нет, структура поверхности одинакова, потому что летом грунт оттаивает, зимой замерзает – и возникающие при этом конвективные потоки вещества приводят к формированию полигональных структур наподобие пчелиных сот.

Рис.5.16. Американский зонд Phoenix был посажен внутри области зимней полярной шапки (рисунок NASA).

Рис.5.17. При неоднократном оттаивании и последующем замерзании полярного грунта на Марсе (слева) и на Земле (справа) образуются похожие структуры.

У зонда «Phoenix» был манипулятор, чтобы копать ямки (рис. 5.18), и кое-что интересное он для нас накопал. Выкопал ковшиком канавку, а там – что-то белое: может быть, соль, может быть, вода, может быть, CO₂. Но через несколько дней, в течение которых солнце пригревало канавку, картина стала иной: совсем немного белого вещества испарилось (рис. 5.19). Значит, лед? Скорее всего, так. Потому что углекислота испарилась бы полностью, а соль осталась бы вся. Таким образом, на глубине всего 10 см докопались до водяного льда. Для будущих космонавтов это весьма приятное открытие: если мучит жажда, то взял лопату, копнул – и вот тебе вода. Растопил ее – и пей, если не боишься перхлоратов. Но в полярных районах их, скорее всего, нет, потому что они осаждаются, когда вода высыхает, а на полюса летит водяной пар без солей, при конденсации которого получается чистый лед, практически дистиллят, подобно тому как у нас дождевая вода совсем пресная.

Рис.5.18. Панель солнечной батареи и ковш «экскаватора» зонда Phoenix, расположенный на роботизированной руке-манипуляторе аппарата. Источник: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/Texas AM University.

Рис.5.19. В марсианском грунте под растаявшей летом полярной шапкой было обнаружено белое вещество. Через несколько земных дней очень небольшая его часть растаяла.

Итак, вода на Марсе есть, но на вопрос о наличии жизни ответить гораздо сложнее. Дело не только в химии: на поверхности планеты очень мощная радиация, а жизнь ее «не любит».

Рис.5.20. Марсоход Sojourner определяет химический состав марсианского камня при помощи альфа-спектрометра. Фото сделано с посадочной платформы PathFinder.

Для геологического исследования Марса на него в 1997 г. опустился марсоход «PathFinder» (NASA) с небольшим марсоходом «Sojourner» (рис. 5.20). Колесики у него были маленькие, так что далеко уйти по пересеченной местности он не мог, но и в доступной ему окрестности хорошо поработал. Он прижимал свои приборы (альфа– и гамма-спектрометры) к камешкам и анализировал химический состав горных пород.

Рис.5.21. Геологические марсоходы Spirit и Opportunity были отправлены на Марс в 2003 г. (рисунок NASA).

Другие два геологических марсохода – «Spirit» и «Opportunity» (рис. 5.21). Первый из них проработал 6 лет, потом увяз в песчаных дюнах и вышел из строя, а второй работает уже 12 лет без ремонта, хотя на столь долгий срок никто не надеялся – хотя бы потому, что питается он исключительно солнечной энергией, и пылевые бури должны были засыпать солнечные панели, лишив аппарат электричества. Так оно и произошло – но потом дунул сильный ветер, очистил фотоэлементы от пыли, и они снова начали функционировать. И так случалось уже несколько раз, так что ветер на Марсе оказался очень полезным.

Рис.5.22. Марсианский «внедорожник» Curiosity, работающий на ядерном топливе. «Автопортрет» аппарата, снятый его собственной камерой (штанга камеры не видна благодаря комбинации нескольких кадров).

Самое лучшее, что мы (точнее, NASA) имеем сегодня на Марсе, – огромная машина «Curiosity» (рис. 5.22), посаженная в 2012 г. Внедорожник с 21-дюймовыми колесами, весом почти в тонну (на Земле), с великолепным источником питания: у него нет солнечных батарей, зато есть ядерный реактор, в котором плутоний-238, распадаясь, греет термоэлементы, и они в результате эффекта Пельтье дают электричество. Этого ядерного источника энергии хватит на десятки лет. Для отбора образцов у аппарата есть манипулятор – штанга двухметровой длины. Но это не предел расстояния, на котором он может анализировать материалы. У него есть уникальная штука – инфракрасный лазер, который «стреляет» многоджоулевыми импульсами, испаряя породу. Раскаленный пар (точнее, облачко плазмы) излучает, телескоп собирает это излучение, спектрометр его анализирует. Таким образом, этот аппарат может издали сканировать своим «лучевым оружием» вертикальную стенку в тех местах, куда «рука» не дотягивается.

В его арсенале имеется и один российский прибор, сделанный в Институте космических исследований (Москва). Это нейтронный детектор для поиска воды под поверхностью Марса. Встроенный в него источник испускает поток нейтронов, который проникает в грунт на глубину более метра. Если нейтроны встречают на пути атомы водорода (которые входят в состав молекулы воды), то они ими рассеиваются и обратно не «отскакивают». Если же легких ядер там нет, то нейтроны частично отражаются назад.

Рис.5.23. В атмосфере Марса обнаружен метан в концентрации до 0,003 %.

Самое интересное открытие в поисках жизни на Марсе – то, что в 2009 г. наземные телескопы обнаружили в атмосфере планеты спектральные линии метана (рис. 5.23). Метан – это продукт либо вулканических извержений, либо жизнедеятельности каких-то организмов (у нас, например, крупный рогатый скот его выделяет в больших объемах). Но марсианские вулканы давно замерзли и ничего из себя уже не выбрасывают. Значит, остается единственной вторая гипотеза. Правда, ни одной коровы на Марсе пока не замечено, но это могут быть микроорганизмы, разлагающие органические материалы, – скорее всего, микробы, которые зарылись глубоко в грунт, чтобы радиация их не убила. На нашей планете от солнечной и космической радиации защищает атмосфера, поэтому, чтобы сделать простую оценку глубины, на которой достигается хорошая защита от радиации, можно мысленно сжать всю толщу земной атмосферы до плотности грунта – получится несколько метров, меньше пяти.

Рис.5.24. Почти круглые отверстия в марсианской поверхности, диаметром от 100 до 250 м, сфотографированные орбитальными аппаратами Mars Odyssey и Mars Global Surveyor (NASA). Съемки в инфракрасном диапазоне, показывающие разность дневных и ночных температур, подтверждают предположение, что они могут быть входами в подземные полости. Источник: NASA/JPL-Caltech/ASU/USGS.

Рис.5.25. Один из провалов в марсианском грунте, возможно, карстовой природы (NASA / Jet Propulsion Laboratory / University of Arizona).

И ведь с искусственных спутников Марса уже обнаружены входы в марсианские пещеры (рис. 5.24, 5.25). Эти дырки-шахты, вертикальные колодцы, довольно широкие, размером со стадион, на льду выделяются очень контрастно. По-видимому, они имеют карстовое происхождение.

Рис.5.26. Карстовый провал в земном грунте (Гватемала, 2010 г.).

На нашей планете тоже встречаются такие входы в подземелье (рис. 5.26); недавно такую воронку обнаружили на Таймыре. Карстовые явления на Земле – это когда вода вымывает в глубинном слое грунт, образуется сеть пещер, потом где-то обваливается «крыша» и таким образом получается вход в пещеру. Вулканическая лава тоже могла проплавить внутренние горизонты. А в пещерах условия для жизни очень хорошие. Есть одна такая пещера во Франции (рис. 5.27): на поверхности жизни почти нет – одни туристы, но внутри жизнь просто буйствует, потому что там и влажность выше, и температура стабильнее (нет суточных перепадов), и радиация еще меньше, чем наверху. Отверстие диаметром метров 60 сначала уходит вертикально вниз до глубины 70 м, потом ход становится горизонтальным. Это обычный карстовый коридор, в котором обвалился потолок. Есть надежда, что и на Марсе явление то же самое, т. е. под грунтом имеются пустые пространства, и они наиболее благоприятны для развития жизни. Но изучить их не представляется возможным, потому что роботов-спелеологов пока не создали: роботы могут лишь бегать по поверхности и летать в атмосфере.

Рис.5.27. Схематичный продольный разрез пещеры Gouffre de Padirac (Франция).

Рис.5.28. Карстовая пещера Gouffre de Padirac (Франция). На стенах колодца буйствует жизнь. Фото В. Г. Сурдина.

Внутри пещеры. Диаметр этого колодца примерно соответствует марсианским. Но их происхождение может быть разным: на Земле «работает» вода, а на Марсе могла действовать вулканическая лава. Фото В. Г. Сурдина.

Рис.5.29. Конечно, для существования жизни пещеры не обязательны, живые организмы могут обитать и в грунте. Так, все пространство земной коры до глубины в 3 км населено микробами (глубже температура становится выше 100 °С и закипает вода). По оценкам специалистов, полная биомасса микробов под поверхностью земли должна намного превышать массу всех существ на поверхности (на суше и в воде) – включая китов, слонов, людей и др. Можно сказать, что земная жизнь (как и марсианская, если она есть) сосредоточена в основном в глубине плотного грунта.

Рис.5.30. На этом снимке, сделанном марсоходом «Curiosity», отчетливо видны следы действия воды. Марсоход находится на дне бывшего водоема.

В рамках миссии марсохода «Curiosity» был задуман замечательный биологический эксперимент: аппарат должен был выкапывать с глубины песок, засыпать его в баночку, заливать питательным раствором и далее смотреть, насколько активно марсианские микробы будут там размножаться. Но, к сожалению, емкость с этим раствором разбилась при посадке. Это был единственный эксперимент среди запланированных для «Curiosity», который не удалось выполнить. Итак, жизнедеятельность микробов он увидеть не сможет, но у него есть действующий масс-спектрограф, который способен обнаруживать в пробах грунта биомолекулы нуклеиновых кислот и белков, хотя это даст лишь косвенное подтверждение возможности жизни на планете.

Рис.5.31. Панорама горы Шарп – цели исследований марсохода Curiosity. Фото сделано камерой марсохода (NASA).

Но пока «Curiosity» занимается лишь геологией. Посадили его внутри обширного метеоритного кратера около большой (5 км высотой) центральной горы (рис. 5.31). Она сложена осадочными породами, которые наслаивались век за веком, и эту «геологическую летопись» Марса за последние пару миллиардов лет геологи мечтают изучить. Сейчас марсоход уже подъехал к подножию этой горы, и ближайшая его задача – подниматься на нее, пока сможет. Это непросто: марсианские камешки оказались весьма острыми и оставляют дырки в алюминиевых колесах робота. Из-за полученных повреждений движется он небыстро, тем более что ведут его не по прямой, а в обход камней, так что доберется ли он до самой вершины – неизвестно.

Рис.5.32. Марсоход по проекту ExoMars (ESA/Роскосмос), предназначенный для биохимического исследования подповерхностного грунта.

Космонавты на Марс если и полетят когда-нибудь, то не скоро, так что пока будем исследовать его роботами. Очередной проект по исследованию Марса, «ExoMars», изначально задумывался как европейско-американский, но в 2013 г. американцы отказались от него и прекратили финансирование, европейцам (ESA) для его продолжения своих денег не хватило, и они предложили участвовать России. Согласно проекту, Роскосмос предоставляет ракеты, посадочную платформу и некоторые приборы, а ESA создает спутник, спускаемый аппарат «Скиапарелли» и марсоход. Первая часть программы уже реализована. Ракета «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М» 14 марта 2016 г. отправила к Марсу экспедицию, которая 19 октября 2016 г. прибыла к Красной планете. Посадка «Скиапарелли» прошла неудачно – аппарат разбился. Спутник «Trace Gas Orbiter» вышел на орбиту и нормально работает, изучая малые компоненты марсианской атмосферы (особый интерес представляет метан).

В конце 2018 г. на Марс должен опуститься стационарный аппарат «InSight» (NASA), внешне похожий на «Phoenix» (см. с. ), но с более интересным набором приборов. В частности, он должен установить на грунте сейсмометр и, просверлив грунт, опустить на глубину около 5 м датчик для измерения теплового потока из недр планеты.

Вторая часть российско-европейской экспедиции «ExoMars» планировалась на 2018 г., но теперь перенесена на 2020 г. Российская посадочная платформа должна доставить на поверхность шестиколесный марсоход массой 270 кг, оборудованный бурильным станком, способным добыть грунт с глубины 1,5–2,0 м. На марсоходе будет комплект приборов для минерального и химического анализа этого грунта. Специальные методы будут использованы для обнаружения биомаркеров.

Так что ждем новых открытий.

6. Планеты-гиганты, их кольца и планеты-спутники

Гигантские планеты – какие они?

Наша Солнечная система, если иметь в виду ее вещество, состоит из Солнца и четырех планет-гигантов, а еще проще – из Солнца и Юпитера, поскольку масса Юпитера больше, чем всех прочих околосолнечных объектов – планет, комет, астероидов – вместе взятых. Фактически мы живем в двойной системе Солнце—Юпитер, а вся остальная «мелочь» подчиняется их гравитации.

Сатурн вчетверо меньше Юпитера по массе, но по составу похож на него: он тоже в основном состоит из легких элементов – водорода и гелия в отношении 9 : 1 по количеству атомов. Уран и Нептун еще менее массивны и по составу богаче более тяжелыми элементами – углеродом, кислородом, азотом. Поэтому группу из четырех гигантов обычно делят пополам, на две подгруппы: Юпитер и Сатурн называют газовыми гигантами, а Уран и Нептун – ледяными гигантами. Дело в том, что Уран и Нептун обладают не очень толстой атмосферой, а бóльшая часть их объема – это ледяная мантия, т. е. довольно твердое вещество, а у Юпитера и Сатурна почти весь объем занят газообразной и жидкой «атмосферой». При этом все гиганты имеют железно-каменные ядра, превышающие по массе нашу Землю.

На первый взгляд, планеты-гиганты примитивны, а маленькие планеты земного типа намного интереснее. Но, может быть, это просто потому, что мы пока плохо знаем природу этих четырех гигантов. Например, к двум ледяным гигантам – Урану и Нептуну – за всю историю астрономии приближался лишь зонд «Вояджер-2» (NASA), да и то пролетел, не останавливаясь, мимо них: в 1986 г. – мимо Урана и в 1989 г. – мимо Нептуна. Много ли он мог увидеть и измерить? Можно сказать, что к исследованию ледяных гигантов мы еще по-настоящему не приступали.

Рис.6.1. Относительные размеры планет Солнечной системы.

Газовые гиганты изучены намного детальнее, поскольку кроме пролетных аппаратов («Пионер-10 и 11», «Вояджер-1 и 2», «Улисс», «Кассини», «Новые горизонты», NASA и ESA) рядом с ними длительно работали искусственные спутники: «Галилео» (NASA, 1995–2003) и «Джуно» (NASA, с 2016 г.) исследовали Юпитер, а «Кассини» (NASA и ESA, 2004–2017) изучал Сатурн.

Наиболее глубоко был исследован Юпитер, причем в прямом смысле: в его атмосферу с борта «Галилео» был сброшен зонд, который влетел туда со скоростью 48 км/с, раскрыл парашют и за 1 час опустился на 156 км ниже верхней кромки облаков, где при внешнем давлении 23 атм и температуре 153 °С прекратил передавать данные – по-видимому, из-за перегрева. На траектории спуска он измерил многие параметры атмосферы, включая даже ее изотопный состав. Это заметно обогатило не только планетологию, но и космологию. Ведь гигантские планеты не отпускают от себя вещество, они навечно сохраняют то, из чего родились; особенно это касается Юпитера. У его облачной поверхности вторая космическая скорость составляет 60 км/с: ясно, что ни одной молекуле оттуда никогда не уйти. Поэтому мы думаем, что изотопный состав Юпитера, особенно состав водорода, характерен для самых первых этапов жизни Солнечной системы, а может быть, и Вселенной. И это очень важно: соотношение тяжелого и легкого изотопов водорода показывает, как в первые минуты эволюции нашей Вселенной протекал синтез химических элементов, какие физические условия тогда были.

Рис.6.2. Спускаемый аппарат с зонда «Галилео» в атмосфере Юпитера. Рисунок: Ken Hodges (NASA)

Юпитер быстро вращается – c периодом около 10 часов, а поскольку средняя плотность планеты невелика (1,3 г/см³), центробежная сила заметно деформировала ее тело. Невооруженным глазом видно, что планета сжата вдоль полярной оси. Степень сжатия Юпитера, т. е. относительная разница между его экваториальным и полярным радиусами, составляет (R_экв− R_пол)/R_экв = 0,065. Именно средняя плотность планеты (ρ ∝ M/R³) и суточный период вращения (T) определяют форму ее тела. Как известно, планета – это космическое тело в состоянии гидростатического равновесия. На полюсе действует только сила тяготения (GM/R²), а на экваторе ей противодействует центробежная сила (V²/R = 4π²R²/RT²). Их отношением и определяется форма планеты, поскольку давление в центре планеты не должно зависеть от направления: экваториальная колонка вещества весит столько же, сколько полярная. Отношение этих сил: