 |
Вечерняя и утренняя звезда
|
|
|
|
Это иной мир, он не для людей.
Ли Бо. Вопрос и ответ в горах, Китай, династия Тан (ок. 730 г.)
Можно увидеть, как она блистает в сумерках и преследует закатное солнце. Заметив ее, люди стали загадывать желание. Иногда оно сбывалось.
Еще ее можно разглядеть на востоке на самой заре, ускользающую от восходящего солнца. В этих двух ипостасях, будучи ярче всех остальных небесных светил, кроме Солнца и Луны, она была известна как вечерняя и утренняя звезда. Наши предки не догадывались, что это планета, причем одна и та же, никогда не удаляющаяся от Солнца, поскольку ее орбита ближе к Солнцу, чем земная. Перед самым закатом или сразу после восхода ее иногда можно заметить рядом с каким-нибудь пушистым белым облачком, а затем, сравнив Венеру и это облако, обнаружить, что планета окрашена в бледный лимонно-желтый цвет.
Разглядывая эту планету в телескоп – даже в большой, даже в самый крупный оптический телескоп на Земле, – совершенно невозможно различить на ней какие-либо детали. Целыми месяцами вы будете наблюдать безликий диск, методично переходящий из фазы в фазу, подобно Луне: молодая Венера, полная Венера, серповидная Венера, новая Венера. Вы не увидите ни намека на континенты или океаны.
Первые астрономы, рассматривавшие Венеру в телескоп, сразу распознали, что исследуют мир, окутанный облаками. Эти облака, как мы сегодня знаем, состоят из капель концентрированной серной кислоты, а их желтоватый оттенок обусловлен небольшими примесями чистой серы. Они расположены высоко над поверхностью. В обычном свете совершенно невозможно рассмотреть этот ландшафт, лежащий примерно в 50 км под верхушками облаков. На протяжении веков нам оставалось только строить об этом догадки.
|
|
|
Можно предположить, что при гораздо более высоком разрешении удалось бы заметить просветы в облаках и день за днем мелкими фрагментами рассматривать этот таинственный мир, обычно скрытый от нашего взора. Тогда с догадками было бы покончено. Земля обычно покрыта облаками примерно наполовину. На ранних этапах исследования Венеры не было никаких причин полагать, что на ней 100 %-ная облачность. Если бы облака покрывали ее на 90 % или даже на 99 %, то мы бы многое узнали, всматриваясь в такие движущиеся просветы.
В 1960 и 1961 гг. были снаряжены «Маринер-1» и «Маринер-2» – первые американские космические аппараты для посещения Венеры. Некоторые ученые, и я в том числе, полагали, что на зонды можно будет установить видеокамеры, при помощи которых удастся передать изображения по радио на Землю. Именно такая технология использовалась несколько лет спустя, когда аппараты «Рейнджер-7, 8 и 9» сфотографировали Луну, прежде чем разбиться при посадке. Последние кадры запечатлели уже практически прямое попадание в кратер Альфонс. Но время на миссию к Венере было ограничено, а видеокамеры оказались тяжелыми. Некоторые специалисты настаивали, что эти камеры – не полноценные научные приборы, а халтура, показуха, игра на публику, что они не позволят ответить даже на единственный четко поставленный научный вопрос. Про себя я думал, не является ли таким вопросом поиск просвета в облаках. Я настаивал, что видеокамеры могли бы дать ответы и на такие вопросы, которые кажутся слишком тупыми, чтобы их ставить. Аргументировал, что картинки – единственный способ донести до общества, которое, в конце концов, оплачивает наши расходы, насколько захватывающими могут быть автоматические миссии. Как бы то ни было, от видеокамер отказались, и последующие экспедиции как минимум отчасти подтвердили для данной конкретной планеты следующее утверждение: даже при фотографировании в видимом световом спектре с высоким разрешением при близких пролетах мимо Венеры в ее тучах не удается обнаружить никаких просветов, как и на Титане[43]. В этих мирах постоянно сохраняется сплошная облачность.
|
|
|
В ультрафиолетовом спектре детали просматриваются, но только благодаря небольшим просветам в высотных облаках, которые расположены гораздо выше основного облачного слоя. Высотные облака несутся вокруг планеты гораздо быстрее, чем вращается она сама: это так называемая суперротация. В ультрафиолетовом спектре увидеть поверхность оказывается еще сложнее.
Когда выяснилось, что венерианская атмосфера гораздо толще, чем земная (насколько сейчас известно, давление на поверхности Венеры в 90 раз выше, чем на Земле), немедленно стало очевидно, что в обычном видимом спектре мы, вероятно, не сможем увидеть поверхность, даже если в облаках и будут просветы. Да, те крупицы света, которым, возможно, удается пробиться через плотную атмосферу и достичь венерианского грунта, должны отражаться обратно; но фотоны будут настолько перемешаны из-за многократного рассеяния молекул в нижних слоях атмосферы, что никакого изображения деталей поверхности не сохранится. Эффект можно сравнить с «белой мглой» во время полярной бури. Однако это явление, заключающееся в интенсивном рэлеевском рассеянии, быстро сходит на нет с увеличением длины волны. Удалось легко рассчитать, что в ближнем инфракрасном спектре поверхность будет видна, если в облаках найдутся просветы или если облака окажутся прозрачными.
Итак, в 1970 г. мы с Джимом Поллаком и Дэйвом Моррисоном отправились в обсерваторию Макдональд Техасского университета и попытались рассмотреть Венеру в ближнем инфракрасном спектре. Мы «гиперсенсибилизировали» наши эмульсии: обработали старые добрые стеклянные фотопластинки[44]аммиаком, иногда нагревали их или кратко засвечивали, а затем устанавливали в телескоп и ловили на эти пластинки отраженный свет Венеры. Через некоторое время подвалы обсерватории Макдональд провоняли аммиаком. Мы сделали много снимков. Ни на одном из них детали не просматривались. Мы решили, что либо не продвинулись достаточно глубоко в инфракрасный спектр, либо облака Венеры оказались матовыми и непроницаемы для ближнего ИК.
|
|
|
Более 20 лет спустя зонд «Галилео» во время близкого пролета мимо Венеры исследовал ее с высоким разрешением и чувствительностью, причем в несколько более длинных инфракрасных волнах, чем мы могли получить при помощи наших грубых эмульсионных пластинок. «Галилео» сфотографировал огромные горные хребты. Но мы уже знали об их существовании; ранее они были обнаружены при помощи мощной технологии – радара. Радиоволны беспрепятственно проникают через облака и плотную атмосферу Венеры, отражаются от поверхности, а затем возвращаются на Землю, где их улавливают и собирают из них картинку. Первый проект был реализован прежде всего при помощи наземного радара на станции слежения Голдстоун в пустыне Мохаве (этот радар принадлежит ЛРД), а также в обсерватории Аресибо на острове Пуэрто-Рико (ее эксплуатирует Корнеллский университет).
Затем американский аппарат «Пионер-12», советские «Венера-15» и «Венера-16», а также американская миссия «Магеллан» вывели радиотелескопы на околовенерианские орбиты и картографировали планету от полюса до полюса. Каждый из зондов отправлял на поверхность сигнал радара, а затем улавливал его отражение. Путем проверки отражательной способности каждого участка и того, сколько времени уходило на возвращение сигнала (от гор – меньше, от долин – больше), медленно и кропотливо вычерчивалась подробная карта всей поверхности.
Нам открылся мир, чей уникальный рельеф сформировался в основном под действием лавовых потоков (в меньшей степени – ветра); об этом пойдет речь в следующей главе. Облака и атмосфера Венеры теперь стали для нас прозрачны, а затем и в этот мир проникли отважные роботы-исследователи с Земли. Опыт, приобретенный на Венере, теперь применяется и в других экспедициях – в особенности к Титану, чья загадочная поверхность укрыта некогда непроницаемыми для нас облаками. Радар же помогает нам догадаться, что может находиться под ними.
|
|
|
ДОЛГО СЧИТАЛОСЬ, ЧТО ВЕНЕРА И ЗЕМЛЯ ПОХОЖИ как две сестры. Венера – ближайшая к Земле планета. Их массы, размеры, плотность и гравитация почти одинаковы. Венера несколько ближе к Солнцу, чем Земля, но ее яркие облака отражают больше солнечного света, чем наши. В качестве первых гипотез легко было предположить, что под непроницаемыми облаками Венера очень напоминает Землю. В ранних научных теориях на Венере ожидалось найти, в частности: зловонные болота, кишащие чудовищными амфибиями, напоминающими фауну земного каменноугольного периода; мир-пустыню; планетарный нефтяной океан; океан минеральной воды, из которого кое-где выступают известняковые острова. Пусть в основе этих «моделей» Венеры и лежали определенные научные данные (первая версия относится к началу XX в., вторая – к 1930-м гг., последние две – к середине 1950-х гг.), их можно было считать в лучшем случае научными фантазиями, жестко ограниченными из-за скудости имеющихся данных.
Затем в 1956 г. появился доклад, опубликованный в The Astrophysical Journal Корнеллом Майером и его коллегами. Они исследовали Венеру при помощи только что изготовленного радиотелескопа, сконструированного в рамках засекреченного проекта. Телескоп был установлен на крыше здания Научно-исследовательской лаборатории ВМФ США в Вашингтоне, округ Колумбия. Затем они измерили поток радиоволн, попадающих с Венеры на Землю. Это был не радар: речь не шла об отражении радиоволн от Венеры. Ученые просто слушали радиоволны, которые сама Венера испускает в космическое пространство. Оказалось, что Венера гораздо ярче, чем далекие звезды и галактики, на фоне которых она расположена. Само по себе это было неудивительно: любой объект, температура которого выше абсолютного нуля (–273 ℃), испускает излучение в электромагнитном спектре, в том числе в радиодиапазоне. Например, человек излучает радиоволны, фактическая или «яркостная» температура которых равна около 35 ℃. Если бы вы находились в среде холоднее вашего тела, то чувствительный радиотелескоп мог бы уловить слабые радиоволны, которые вы испускаете во всех направлениях. Каждый из нас – источник радиопомех.
Настоящий сюрприз, открытый Майером, заключался в том, что яркостная температура Венеры превышает 300 ℃, что гораздо выше температуры поверхности Земли или температуры венерианских облаков, измеренной в инфракрасном спектре. В некоторых районах Венеры температура казалась как минимум на 200 ℃ выше точки кипения воды. Что бы это могло значить?
Вскоре появилась масса объяснений. Я отстаивал точку зрения, что высокая яркостная температура в радиодиапазоне прямо свидетельствует, что у Венеры горячая поверхность и что причина высоких температур заключается в мощном парниковом эффекте, возникающем под действием углекислого газа и паров воды. При этом часть солнечного света проникает через облака и разогревает поверхность, но планете крайне сложно излучать это тепло обратно в космос, поскольку и углекислый газ, и водяной пар сильно задерживают инфракрасные лучи. Углекислый газ поглощает излучение в инфракрасном спектре и на уровне более длинных волн, но, по-видимому, в его спектре существуют «окна» между полосами поглощения, и через эти «окна» поверхность вполне могла бы сбрасывать излишки тепла в космос. Однако водяной пар поглощает излучение на тех участках инфракрасного спектра, которые частично перекрывают «окна» в спектре поглощения двуокиси углерода. Мне казалось, что два эти газа вместе вполне могут захватывать практически все инфракрасное излучение, даже если водяного пара там очень мало. Представьте себе две изгороди из штакетника, установленные так, что дощечки одной случайно перекрывают щели в другой.
|
|
|
Существует и другая, принципиально иная категория объяснений, согласно которым высокая яркостная температура Венеры никак не связана с ее поверхностью. Условия на поверхности все-таки могли быть умеренными, щадящими, пригодными для жизни. Предполагалось, что в атмосфере Венеры или в окружающей ее магнитосфере может быть область, активно излучающая радиоволны в пространство. Считалось, что между каплями воды в облаках Венеры могут возникать электрические разряды. Обсуждалась гипотеза о тлеющих разрядах, в ходе которых на восходе и закате происходит рекомбинация ионов и электронов в верхних слоях атмосферы. Некоторые ученые высказывались и в пользу очень плотной ионосферы, где радиоволны могли возникать под действием взаимного ускорения свободных электронов – так называемого «свободно-свободного излучения». (Один из сторонников этой идеи даже предположил, что требуемая для этого высокая ионизация вызвана в 10 000 раз большей радиоактивностью на Венере, чем на Земле, возможно, из-за недавно происходившей там ядерной войны.) Причем в свете открытия излучения, испускаемого магнитосферой Юпитера, было естественно предположить, что радиоволны возникают в огромном облаке заряженных частиц, которые могли быть захвачены неким гипотетическим и очень сильным магнитным полем Венеры.
В серии научных работ, которые я опубликовал в середине 1960-х гг. (многие из них – совместно с Джимом Поллаком[45]), были критически проанализированы эти симбиотические модели, допускающие сосуществование горячей области интенсивного излучения и прохладной поверхности. К тому времени у нас появились еще две новые важные подсказки: радиоспектр Венеры и данные «Маринера-2», согласно которым радиоизлучение в центре венерианского диска было более выраженным, чем по краям. К 1967 г. мы могли с определенной уверенностью исключить альтернативные модели и прийти к выводу, что на поверхности Венеры царит палящая жара и температура далека от земной – там более 400 ℃. Но наши аргументы строились на основе умозаключений и содержали множество промежуточных этапов. Очень хотелось получить непосредственные измерения.
В октябре 1967 г. – в десятилетнюю годовщину запуска первого спутника – советская станция «Венера-4» сбросила в облака Венеры спускаемый аппарат. Он передал данные из горячих верхних слоев атмосферы, но до поверхности не добрался. Днем позже мимо Венеры пролетел американский аппарат «Маринер-5», прозондировавший планету в радиодиапазоне на постепенно увеличивающейся глубине и передавший эту информацию на Землю. Темпы затухания сигнала позволили судить о температуре атмосферы. Хотя между данными двух аппаратов наблюдалось некоторое разногласие (позже его удалось разрешить), обе экспедиции не оставляли сомнений, что поверхность Венеры очень горячая.
С тех пор ряд советских зондов серии «Венера» и группа американских аппаратов «Пионер» («Пионер-12» и далее) входили в глубокие слои венерианской атмосферы, садились на саму планету и непосредственно измеряли ее поверхностные и приповерхностные температуры – как правило, просто выдвигая термометр. Оказалось, что эта температура составляет около 470 ℃. C поправкой на такие факторы, как погрешности калибровки наземных радиотелескопов и излучательная способность поверхности, старые радиоастрономические наблюдения хорошо согласовывались с непосредственными измерениями, выполненными космическими аппаратами.
Первые советские посадочные модули были рассчитаны на атмосферу, подобную земной. Они просто расплющились под огромным давлением, как жестяная банка в руке рестлера-чемпиона или субмарина времен Второй мировой войны в желобе Тонга. Впоследствии советские спускаемые аппараты из серии «Венера» были значительно укреплены, как современные подводные лодки, и успешно садились на раскаленный грунт. Когда стало ясно, какова глубина венерианской атмосферы и толщина облаков, советские конструкторы предположили, что поверхность Венеры может быть угольно-черной. Аппараты «Венера-9» и «Венера-10» были оснащены прожекторами. Оказалось, в них не было нужды. До поверхности планеты доходит несколько процентов солнечного света, заливающего облака, и на Венере примерно такая видимость, как в облачный день на Земле.
Думаю, наше долгое неприятие идеи о том, что поверхность Венеры раскалена, можно объяснить нежеланием отказаться от мысли, что ближайшая планета пригодна для жизни, будущих исследований, а в долгосрочной перспективе, пожалуй, даже может быть заселена людьми. Оказывается, там нет никаких палеозойских болот, никакого океана нефти или минеральной воды. В действительности Венера – это душное мрачное пекло. На ней встречаются пустыни, но в основном это мир застывших озер лавы. Наши надежды не оправдались. Сегодня этот мир влечет нас гораздо слабее, чем на заре космической эры, когда практически все казалось возможным и могли подтвердиться даже самые романтические наши представления о Венере.
МНОГИЕ КОСМИЧЕСКИЕ ЭКСПЕДИЦИИ внесли вклад в наши нынешние представления о Венере. Но первым был «Маринер-2». «Маринер-1» отказал на старте и, как скаковая лошадь, сломавшая ногу, был пущен в расход. «Маринер-2» сработал отлично и предоставил важнейшие предварительные радиоданные о венерианском климате. Он исследовал в инфракрасном спектре свойства облаков. На пути от Земли к Венере он открыл и измерил солнечный ветер – поток заряженных частиц, летящих от Солнца. Солнечный ветер наполняет магнитосферы всех планет, встречающихся на его пути, под его действием вырастают хвосты у комет и образуется далекая гелиопауза. «Маринер-2» был первым успешно сработавшим межпланетным зондом, открывшим эру планетных исследований.
Он по-прежнему обращается вокруг Солнца, раз в несколько сотен суток приближаясь к орбите Венеры по более или менее касательной траектории. Всякий раз в этот момент Венера далеко. Но если как следует подождать, то однажды «Маринер-2» вновь пройдет поблизости от Венеры, и гравитация планеты забросит его на какую-то другую орбиту. В конечном итоге «Маринер-2», как какая-нибудь планетезималь далекого прошлого, будет подхвачен другой планетой, или упадет на Солнце, или будет выброшен из Солнечной системы.
До тех пор этот предвестник всех планетных исследований, крошечная искусственная планета, продолжит тихо обращаться вокруг Солнца. Немного напоминает, как если бы «Санта-Мария» – флагманский корабль Колумба с командой призраков на борту, до сих пор продолжал регулярно курсировать по Атлантике между Кадисом и Эспаньолой. В межпланетном вакууме «Маринер-2» должен отлично сохраниться в течение жизни еще многих поколений.
Вот какое желание я бы загадал, глядя на вечернюю и утреннюю звезду: пусть в конце XXI столетия какой-нибудь огромный корабль, идущий на стабильной гравитационной тяге к границам Солнечной системы, захватит этот реликтовый аппарат и поднимет его на борт, чтобы затем «Маринер» занял место в музее ранних космических технологий – на Марсе, а возможно, на Европе или Япете.
Глава 12
|
|
|
