Как новые космические аппараты помогут нам разгадать тайны Красной планеты
Николас Бут и Элизабет Хауэлл
Красная планета надёжно хранит свои секреты. Потребовались годы исследований, чтобы открыть некоторые из их, но на смену им пришли новые, еще более загадочные. Если изучение Марса непосредственно за последние пять десятилетий и научило нас чему-то, так это тому, что даже сегодня, после интенсивного изучения с орбиты, с поверхности, а теперь и непосредственно под поверхностью – Красная планета все еще может преподносить сюрпризы.
Марс – это ледяная, иссушенная пустыня, на которой постоянные вихри пыли подвергают разрушительному воздействию чувствительные приборы. Хуже того, поломки и отказы механизмов вызывают головную боль у тех, кто послал вместо себя роботов. Тем не менее, большинство исследователей не отказались бы от этого ни за что на свете.
“Это было удивительное путешествие”, – говорит доктор Анна Хорлстон, сейсмолог из Бристольского университета. Мой кабинет выходит окнами на юг, и с наступлением темноты я могла видеть восход Марса в окно ранним вечером. И тогда я смотрю на экран, на извилистые кривые, и знаю, что они пришли оттуда.”
Эти линии представляют собой осуществление одного из сокровенных желаний исследователей Марса, красноречивое свидетельство сейсмической активности. Космический аппарат НАСА InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) впервые составил подробные карты внутренних областей Марса. Долгое время считалось, что Красная планета имеет небольшое ядро и больше похожа на Луну по своей активности и, конечно, не так сейсмически активна, как Земля. С момента посадки InSight в ноябре 2018 года было выявлено более 450 марсотрясений. Остаточное тепло глубоко внутри все еще вызывает небольшие сейсмические волны.
“Мы охарактеризовали эти сигналы как высокочастотные или низкочастотные”, – отмечает Хорлстон. Более высокочастотные остаются чрезвычайно загадочными. Более низкие частоты связаны с более крупными событиями, некоторые из которых произошли в разломе на поверхности, называемом Cerberus Fossae. Наблюдения показывают, что разломы в Cerberus Fossae, происходят там, где высвобождается энергия на глубине – и, возможно, под самими разломами. Некоторые из исследователей считают, что причиной является лава, возраст которой составляет всего 10 миллионов лет. Вопрос о том, сколько тепла все еще излучается наружу из ядра, которое, по-видимому, перестало разогреваться в начале марсианской эволюции, остается одной из величайших тайн, которые еще предстоит раскрыть.”
InSight собирает много статистики: чем больше наблюдений сделано, тем выше точность выводов. Однако большую часть 2020 года посадочная площадка в Элизиуме Планития была подвержена воздействию ветров, что мешало проведению многих высокочувствительных измерений, необходимых для идентификации марсотрясений. Хуже всего был кумулятивный эффект от мелкой пыли, которая кружится вокруг. “На солнечных панелях скопилось много пыли”, – говорит Хорлстон – “Мы знали, что потеряем энергию в ходе миссии, но у нас больше пыли, чем мы предполагали.
По мере того как в местную атмосферу поступало все больше пыли, количество солнечного света уменьшалось. Хуже того, солнечные панели космического аппарата, которые обеспечивают его энергией, были закрыты. Миссия сейчас буквально работает на половине мощности, которую она имела сразу после высадки. Это означает, что в 2021 году исследовательской группе InSight придётся находить равновесие. Некоторые приборы, возможно, придется выборочно отключать из-за ограничений мощности. Например, манипулятор спускаемого аппарата должен быть остановлен весной 2019 года. На самом деле он провел большую часть своего первого года на Марсе, будучи использованным, чтобы черпать, царапать, подталкивать, тыкать и толкать.Установленный на InSight тепловой зонд, предназначенный для бурения в поверхность и проведения измерений, – просто не смог погрузиться в поверхность. Даже сейчас никто точно не знает, в чем была проблема.
Красная планета часто придерживается закона Мерфи. Зонд смог бы работать везде на Красной Планете, где были посадки. Теперь, когда он, наконец, начал выполнять свою работу, стало не хватать энергии. Пылевые смерчи были замечены и на других посадочных площадках, когда они проносятся мимо и действуют на солнечные батареи как пылесосы. В случае с InSight дело обстоит не так. Сейчас он, по сути, впадает в зимнюю спячку.
Миссия позволит исследователям решить еще одну важную часть марсианской головоломки. Сама атмосфера очень сухая, холодная и разреженная, и считается остатком гораздо более плотной атмосферы. Понимание того, как она деградировала, остается основной тайной марсианского климата.
Орбитальный аппарат Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN) изучал, как внутренняя часть планеты соотносится с тем, как солнечный ветер взаимодействует с самыми внешними слоями атмосферы.
“MAVEN предназначен для того, чтобы изучить нынешнее состояние верхних слоёв атмосферы , чтобы понять причины почему она улетучивается в космос”, – говорит ведущий научный сотрудник миссии профессор Брюс Якоски из Университета Колорадо. “Главная цель миссии состоит в том, чтобы определить роль, которую потеря атмосферы в космосе играет в изменении климата с течением времени.”
Солнечный ветер избирательно действует на внешние слои атмосферы. “Суть в том, что космические потери космосе составили самый большой вынос газа из атмосферы и были движущим фактором изменения климата около 3,7 миллиарда лет назад.”
Обнаружив первое полярное сияние в верхних слоях атмосферы, MAVEN также показал, как солнечные бури способствовали этому процессу. Они, возможно, были достаточно сильными, чтобы быть определяющим фактором в общем уровне потерь в далёком прошлом. “Солнечные бури были сильнее и происходили чаще на заре истории”, – говорит Якоски. – Возможно, они и повлияли на общий уровень потерь.”
Орбитальные миссии также обнаружили, что верхние слои атмосферы намного “резвее”, чем считалось ранее. Орбитальный аппарат “Надежда”, запущенный в июле 2020 года Объединенными Арабскими Эмиратами (ОАЭ), – дополнит это понимание. Приборы “Надежды” дополнят данные, полученные другими миссиями и помогут устранить пробелы в понимании явлений.
Совсем недавно приборы на борту космического аппарата Trace Gas Orbiter наблюдали, как мельчайшие количества водяного пара на Марсе достигали больших высот в больших количествах во время глобальных пылевых бурь. Вопрос о том, как именно локальные пыльные бури “становятся глобальными”, остается еще одной загадкой.
“Возможно, пылевые бури на Марсе в основном хаотичны”, – говорит доктор Клэр Ньюман, специалист по атмосфере в Aeolis Research в Калифорнии, которая работает в нескольких текущих миссиях. “Небольшая ежегодная разница в наличии поверхностной пыли или местных поверхностных ветров может вылиться в глобальный шторм или кончиться вообще ничем.”
Миссия “Надежда”, которая должна прибыть на Марс 9 февраля, изучит связь между нижней и верхней атмосферой – обмен атмосферной энергией и массой. “Это было выделено в наблюдениях MAVEN как важное”, – отмечает Якоски.
“Надежда”, проводя одновременные наблюдения за нижней и верхней атмосферой и используя измерения параметров нижней атмосферы,поможет лучше понять динамику атмосферы и передачу энергии.”
Прогноз для марсианских метеорологов выглядит неплохо. InSight располагает самыми совершенными метеорологическими приборами, когда-либо отправлявшимися на Марс.На сегодняшний день закон Мерфи принес неудачу в получении достоверных измерений ветра на более ранних участках.“Ветер имеет решающее значение для многих вещей на Марсе”, – отмечает Ньюман.
“Это включает в себя то, как поверхность разрушается и изменяется с течением времени.” Ученые, изучающие атмосферу, также нуждаются в измерениях ветра, чтобы проверить свое понимание того, как локализованные потоки воздействуют на общую глобальную циркуляцию на планете. Она также замечает: “Обладание самой высокой скоростью получения данных о давлении – до 20 измерений в секунду на InSight – также открыло целый новый мир в изучении изменений турбулентности.” Основная область интереса – это то, как различные слои в атмосфере соединяются друг с другом. “Мы уже давно знаем, что не совсем понимаем, как пыль, поднявшись с поверхности, в конечном итоге создает высокогорные слои пыли, даже в “ясный” сезон, когда не происходит крупных пылевых бурь.”
Такие измерения также помогут понять, как эволюционировал климат на Марсе. То, как изменилась марсианская атмосфера, неразрывно связано с вопросом о воде. Самые поразительные открытия последних лет были получены от камней, которые оторвались от поверхности Марса в далёком прошлом. Как бы удивительно это ни звучало, примерно полтонны вещества с Красной Планеты прибывает сюда на Землю каждый год. В частности, один замечательный метеорит приземлился в пустыне Сахара в 2011 году и известен как “Черная красавица” тем, кто исследовал его различные фрагменты.
Это вряд ли Розеттский камень, скорее смесь материалов, которые взорвались и сплавились вместе на поверхности Марса. Анализ показал, что он состоит из нагромождения фрагментов – “безнадежного беспорядка” по одной из оценок – которые сплавлялись вместе в разное время на протяжении геологической истории планеты. “Идея в том, что этот метеорит состоит из брекчии”, – говорит доктор Джейн Макартур из Манчестерского университета, которая изучала его для своей докторской диссертации. – То есть он состоит из множества осколков в мелкозернистой матрице.”
Падение метеоритов можно описать как единственный бесплатный сыр в планетарной астрономии. Если продолжить эту аналогию, исследователи понятия не имеют, кто был технологом, какие ингредиенты использовались или даже в какую смену он был сделан. Что касается “Черной Красавицы”, то мы пытаемся распутать все составные части, – говорит Макартур.
Метеорит необычен тем, что явно состоит из горных пород, которые были находились вблизи поверхности, а не глубоко внутри. Таким образом, “Черная Красавица” показывает, как кора и атмосфера взаимодействовали с течением времени. В некоторых местах его самый молодой материал – примерно 1,5 миллиарда лет – содержит в десять раз больше воды, чем другие марсианские метеориты. Если верить эому, можно предположить, что в недавнем прошлом на Красной планете было гораздо больше воды, чем считалось ранее. Но есть ли сегодня на Марсе жидкая вода?
Если и есть, то она уже давно замерзла под поверхностью планеты в обширном водоносном горизонте. До сих пор вывод о наличии подповерхностного льда был сделан на основе радиолокационных измерений, проводимых с орбиты. Радиолокационные сигналы проникают под поверхность, и их отражение указывает на наличие льда в нескольких местах. В частности, летом 2018 года было сделано открытие большого озера под южным полюсом. То, что ведущий ученый, доктор Елена Петтинелли из Университета Рома Тре назвала “аномально яркими подповерхностными отражениями”, наблюдалось с помощью радара на орбитальном аппарате “Марс Экспресс”.
Теперь, два года спустя, большее число измерений, сделанных этим же прибором помогли уточнить наблюдения. В общей сложности 134 ‘профиля“, как команда называет радиолокационные наблюдения,”пересекаются друг с другом и охватывают большую площадь”. В центре того, что они называют озером, теперь используется другая аналитическая техника. Это, как отмечает команда, точно такая же процедура, используемая для поиска подповерхностной воды под земными ледяными щитами в полярных регионах.
“Мы проанализировали радиолокационные сигналы в поисках специфических особенностей, которые на наземных радарах связаны с присутствием жидкой воды у основания ледяных щитов”, – говорит Петтинелли. Этот новый подход предполагает, что подледниковые талые воды образовались в других местах Марса в древнем прошлом, когда климат был более мягким.
Выводы противоречивы. Некоторые считают, что наблюдения больше связаны с тем, как методикой получения сигналов радаром. Другие считают, что вода покрыта мелким льдом и, возможно, представляет собой подповерхностный слой с высоким обилием подземных вод. Вода должна быть соленой и горячей, чтобы оставаться теплой.
Итальянская команда признает, что в настоящее время нет никакого объяснения каким-либо подземным источникам тепла на Марсе, в отличие от Антарктиды, где находится несколько подземных озер, температура воды в которых поддерживается выше точки замерзания. Сверхсолёная вода также могла оставаться незамерзающей. “Мы думаем, что перхлоратные соли, которые повсеместно распространены на Марсе, могут помочь сохранить воду жидкой, – говорит Петтинелли. – Мы тщательно проверим такие данные, чтобы найти другие возможные доказательства присутствия водоемов.”
Все эти вопросы разрешатся в следующем десятилетии, когда космические агентства попытаются доставить образцы с Марса. Красная планета, несомненно, сложный мир – не менее сложный, чем наш, хотя на ней нет ни тектоники плит, ни океана. “Марс также является отличным местом для изучения планетарных процессов, которые говорят нам о пригодности для жизни и потенциале жизни, эволюции климата и атмосферы, а также эволюции планеты земной группы в течение первого миллиарда лет её существования”, – заключает Якоски. – Это замечательная планета, и нам еще многое предстоит исследовать, чтобы найти ответы на главные вопросы.”
(All About Space № 113)
