Июнь 2000 г.
© В.Н.Жарков, В.И.Мороз
Почему Марс?
В.Н. Жарков, В.И. Мороз
Владимир Наумович Жарков, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Объединенного института физики Земли им.О.Ю.Шмидта РАН. Область научных интересов — физика высоких давлений, физика планетных недр, космогония, теория фигуры и собственных колебаний Земли и других планет. Лауреат премии им.О.Ю.Шмидта АН СССР (1980).Василий Иванович Мороз, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом физики планет и малых тел Солнечной системы Института космических исследований РАН, заслуженный деятель науки Российской федерации, лауреат Государственной премии СССР (1985). Область научных интересов — физика планет и инфракрасная астрономия. Научный руководитель ряда экспериментов на космических аппаратах “Марс-2, -З, -5”, “Венера-9—15”, “Вега-1 и -2” и “Фобос-2”.
На вопрос, зачем мы изучаем историю своей страны, В.О.Ключевский ответил: чтобы лучше понять самих себя. На вопрос, почему мы изучаем Солнечную систему, можно ответить: чтобы понять свое место в ней и во Вселенной. Центральная задача планетных исследований — создание научной теории образования и эволюции тел Солнечной системы (планет, спутников, комет и астероидов). Особо следует выделить проблему построения теории образования и эволюции Земли, способной дать прогноз дальнейшего ее развития. Это можно сделать только в рамках сравнительной планетологии (Жарков В.Н. От физики Земли к сравнительной планетологии // Природа. 1998. №12. С.86—97).
Марс с данной точки зрения представляет исключительный интерес. Не удивительно, что в исследованиях Солнечной системы космическими аппаратами ему уделялось большое внимание. Перечень марсианских миссий выглядит весьма внушительно: пролетные аппараты “Маринер-4 (1965), -6, -7 (1969)”, “Марс-4” (1974); искусственные спутники “Маринер-9” (1971), “Марс-2 и -3 (1971), -5 (1974)”, “Фобос-2” (1989), “Марс-Глобал-Сервейер” (1997, продолжает работать и сейчас); посадочные аппараты “Марс-6” (1974), “Викинг-1 и -2” (1976), “Марс-Патфайндер” с марсоходом “Соджорнер” (1997). Полученные результаты легли в основу современных представлений о поверхности, внутреннем строении и атмосфере Марса.
Бум, который в настоящее время наблюдается в науке о Марсе, связан, с одной стороны, с надеждой получить информацию о том, как формировалась Земля, о ранней эпохе ее развития, с другой — выяснить, действительно ли на раннем Марсе были условия для возникновения биологической активности.
Важную роль играет изучение SNC метеоритов, которые, считается, представляют собой куски марсианской коры. Данные, полученные в миссии “Марс-Патфайндер” (J.Geophys. Res. 1999. V.104. №E4. P. 8521—9096; Первые шаги на Марсе // Природа. 1998. №3. C.46—72), этому не противоречат. На основе анализа изотопных систем Sm—Nd и Hf—W в SNC метеоритах показано, что дифференциация Марса — образование ядра и выделение коры — произошла в течение первых 100 млн лет, т.е. очень быстро (Harper C.L. Nyquist L.A., Bansal B. et al. // Nature. 1995. V.367. P.213—217; Lee D.C., Halliday A.N. // Ibid. 1997. V.388. P.854—857). Это можно рассматривать как прямое указание на эффективно горячее происхождение планеты.
Следующий вопрос, который подогревает интерес к изучению Марса: существуют ли доказательства биологической активности на Красной планете? Анализ бурных событий в этой области за последние несколько лет дан в статье А.Треймана (Treiman A. // EOS. 1999. V.80. №18. P.205—209).
Роль метеоритной бомбардировки
Постепенно становится ясно, что заключительная катастрофическая метеоритная бомбардировка — одна из важнейших эпох в истории Луны, Земли и Марса. На Луне следы этой бомбардировки сохранились в виде гигантских круговых морей и крупных кратеров. На Земле они полностью стерты. Марс занимает промежуточное положение: на нем можно обнаружить некоторые последствия таких событий. Например, в Южном полушарии — это гигантские кратерные бассейны Эллада и Аргир. А в Северном — следы гигантских круговых кратеров стерты последующими геологическими процессами. На Луне круговые моря представляют собой масконы — понижения, характеризующиеся положительными гравитационными аномалиями, которые свидетельствуют о концентрации массы вблизи поверхности. По аналогии бассейн Исидис в Северном полушарии Марса скорее всего представляет собой реликт кругового моря. Более надежно следы описываемых событий смогут быть выявлены при широкомасштабных исследованиях Марса с помощью космических аппаратов, абсолютного датирования, создания и нормировки кратерной временно€й шкалы.
Наибольшее изменение в истории Марса, видимо, связано с тем, что катастрофическая бомбардировка по существу разрушила имевшуюся в то время плотную атмосферу планеты и теплый влажный климат сменился климатом близким к современному.
На Луне эпоха катастроф началась примерно 4.1 млрд лет назад (такой возраст имеет гигантский кратерный бассейн Аиткен с диаметром примерно 2250 км, расположенный у Южного полюса Луны), а закончилась около 3.8 млрд лет назад (дата образования Моря Восточного). Катастрофическая метеоритная бомбардировка завершила формирование лика Луны.
Данные, полученные космическими аппаратами серии “Аполлон”, привели к важным выводам: Луна и планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) имеют горячее происхождение, т.е. в конце процесса формирования их недра были сильно разогреты и, возможно, частично расплавлены. Факт быстрого образования мощной коры на Луне привел к становлению новой идеи, согласно которой планеты земной группы в заключительной фазе своего формирования проходили через стадию “океана магмы”. Под “океаном магмы” понимается частично расплавленный мощный наружный слой. Он перемешивается падающими планетезималями — телами астероидных размеров. Измерение абсолютного возраста лунных пород, доставленных на Землю, позволило создать временную кратерную шкалу — определение возраста поверхности по плотности расположенных на ней кратеров.
Пока на Земле не обнаружено следов катастрофической метеоритной бомбардировки (Appel P.W.U., Moorbath S. // Ibid. №23. P.257—264). Несмотря на то что Земля как планета сформировалась примерно 4.5 млрд лет назад, наиболее древние образцы горных пород, отобранные in situ, имеют возраст около 3.8 млрд лет. Древнейшие следы биологической активности на 50—100 млн лет моложе. Наиболее древние (3.4—3.5 млрд лет) ископаемые с клеточным строением встречаются в осадочных породах Южной Африки и Западной Австралии. На Земле эпоха от 4.5 до 3.8 млрд лет, от которой на поверхности не осталось следов, изучается с помощью изотопного анализа образцов горных пород, извлеченных из мантии, и атмосферных газов. Эти исследования указывают на то, что уже 4.4—4.3 млрд лет тому назад химическая дифференциация и дегазация Земли практически были завершены.
Тепловой поток из планетных недр характеризует основной масштаб внутренней энергетики планеты. По оценкам, теплопотери из земных недр первые 0.6 млрд лет были более чем в пять раз выше современных. Это означает, что, не располагая данными о жизни планеты в то время, мы не можем судить о начальной ее эволюции, которая по своему масштабу эквивалентна эволюции за последние 3 млрд лет.
Данные о ранней Земле можно получить, рассматривая эволюцию лунной орбиты ( Жарков В.Н. // Астрон. вестн. 2000. Т.34. №1. С.1—12). До эпохи катастрофической бомбардировки Луна отодвигалась от Земли за счет приливного трения в теле Земли. Такая ситуация соответствует планете, покрытой водной оболочкой — глобальным океаном. Катастрофическая бомбардировка привела к возникновению и росту континентального сегмента Земли, появлению мелководья, разрушение приливных волн на котором сопровождается сильным ростом приливного трения. Таким образом, после эпохи катастрофической бомбардировки отодвигание Луны от Земли связано с трением океанских приливов.
а б в г Гипсометрические карты полушарий поверхности Марса (с поворотом на 90°), построенные по данным измерений при помощи лазерного альтиметра на космическом аппарате “Марс-Глобал-Сервейер”. Красным цветом отмечены положительные высоты (до 10 км); розовым и бело-розовым — максимальные (более 10 км); зеленым и синим — отрицательные. Карты а, б и г хорошо демонстрируют явление дихотомии в геологическом строении поверхности Марса: северная половина планеты в среднем значительно ниже южной. Не исключено, что несколько миллиардов лет назад северная низменность была покрыта океаном. Анализ данных лазерной альтиметрии детально показал форму его береговой линии. На карте а (внизу) хорошо виден бассейн Эллада. На карте в, в левой части, выделяется плоскогорье Фарсида с четырьмя гигантскими потухшими вулканами — горами Олимп (вблизи края), Аскрийская (верхняя из тройки), Павлина и Арсия; в правой части прослеживается долина Маринеров — тектонический разлом протяженностью около 5000 км.Мы уже отмечали, что поверхность Марса хранит следы событий, которые происходили в зоне планет земной группы до эпохи катастрофической бомбардировки. Одна из важнейших задач исследования Марса — сбор данных о ранней эпохе его развития, которые также помогут продвинуться в разработке теории ранней Земли.
Проблема раннего Солнца и эволюция планет земной группы
Светимость раннего Солнца была примерно на 30% меньше современной. Это заключение получено на основе детальных численных моделирований эволюции звезд. Когда температура в центре звезды достигнет значений, при которых начинаются термоядерные реакции и превращение водорода в гелий, Солнце вступает на главную эволюционную ветвь звездной последовательности. “Горение” водорода приводит к выигрышу объема, т.е. происходит сжатие вещества, сопровождаемое увеличением температуры. Скорости термоядерных реакций быстро повышаются с ростом температуры. Все это приводит к подъему температуры излучающей поверхности звезды и увеличению ее площади. Расчет как раз и показывает, что в эпоху (4.6 млрд лет тому назад) выхода Солнца на главную последовательность его светимость была примерно на 25—30% меньше современной. Рост светимости Солнца со временем может быть приблизительно описан линейным законом.
Низкая светимость молодого Солнца означает, казалось бы, что температура поверхности ранней Земли и Марса должна быть существенно меньше современной. Между тем имеются данные, согласно которым на Земле в архее был теплый влажный климат. Что касается Марса, то и в этом случае имеются аргументы в пользу теплого влажного климата (Carr M.N. Global history of water and climate // Abst. 5-th Intern. Mars Conf. Pasadena, 1999). В ту эпоху и атмосфера была намного плотнее современной. Кратеры диаметром в несколько десятков километров на территориях старше 3.5—3.8 млрд лет обнаруживают разный возраст. В раннюю эпоху (до заключительной тяжелой бомбардировки планеты, разрушившей плотную атмосферу) скорость эрозии кратеров составляла примерно 10 мкм в год. Эрозия кратеров, образовавшихся в более поздние эпохи, напротив, резко уменьшилась — до 0.01 мкм в год.
Предполагается, что относительно теплый климат на Земле и Марсе в ранние эпохи обеспечивался парниковым эффектом в их атмосферах, который создавался углекислым газом при небольшой примеси водяного пара (Мороз В.И. Физика планеты Марс. М., 1978). Впервые эту модель предложили и количественно анализировали Л.М.Мухин и В.И.Мороз (Мухин Л.М., Мороз В.И. // Письма в Астрон. журн. 1977. Т.3. С.78; Мороз В.И., Мухин Л.М. // Космич. исслед. 1978. T.15. C.901).
Лишь позднее ее стали рассматривать западные исследователи (Каstings J.F., Toon O.B. Climate evolution on the terrestrial planets // Origin and Evolution of Planetary and Satellite Atmospheres / Eds S.K.Atreya, J.B.Pollack, M.S.Matthews. Tucson, 1989; Forget F., Pierrenhumbert R.T. Warming of early Mars and Earth with CO2 clouds ice clouds // Planetary Systems, the long view / Eds L.M.Celnikier, J.Tran Thank Van. 1998. P.299—302) — без ссылок на наши работы.
Напомним, что парниковый эффект играет огромную роль в формировании климата современной Земли, поддерживая среднюю температуру ее поверхности на 38 К выше эффективной (т.е. соответствующей равновесию планетарного уходящего и солнечного приходящего излучений). На современном Марсе парниковый эффект тоже есть, но гораздо более слабый, всего около 4 К.
Даже при давлении около 6 мбар углекислый газ обеспечивает некоторое увеличение температуры поверхности — благодаря мощной полосе поглощения вблизи длины волны 15 мкм, что частично блокирует выход теплового инфракрасного излучения. Однако эта полоса в спектре не широкая, а другие полосы CO2 поглощают намного слабее. Кроме того, увеличение толщи атмосферы приводит к увеличению альбедо планеты, что еще более уменьшает солнечный поток, приходящий на поверхность. Чтобы поднять температуру Марса на 100 К и компенсировать эффект низкой светимости молодого Солнца, необходимо атмосферное давление примерно в 5 бар. Реальность этой оценки вызывает сомнения по двум причинам: конденсация углекислого газа изымает часть его из газовой фазы и, если на поверхности появляется жидкая вода, то она резко активизирует превращение силикатов в карбонаты (процесс Юри), также забирая CO2 из атмосферы.
Одно из возможных решений предложили Ф.Форже и Р.Пиренхумберт. Они показали, что облака, состоящие из частиц конденсированного CO2, при определенных условиях (достаточно крупных частицах) отражают вниз значительную долю теплового излучения, усиливая парниковый эффект. Это позволяет уменьшить оценку давления до 300 мбар. Что касается второй трудности (процесс Юри), то от нее можно освободиться, допустив, что температура поверхности Марса не поднималась выше 0°С, и водные бассейны на раннем Марсе были покрыты льдом. Накопление CO2 идет до тех пор, пока температура поверхности не достигает точки таяния, а потом прекращается. Если это объяснение правильно, то океан, который, как предполагается, покрывал когда-то часть Северного полушария, был замерзшим. Так что слова о теплом и влажном климате раннего Марса надо понимать условно: он, вероятно, был более теплым и влажным, чем сейчас, но более холодным, чем на современной Земле.
Космогонический аспект
Считается, что исследования Марса внесут крупный вклад в решение проблемы образования Солнечной системы (Zharkov V.N. // Geophys. Monograph 74, IUGG Am. Geophys. Union. 1993. V.14. P.7—17). Марс — планета земной группы. По массе он в 10 раз меньше Земли, но по оценке распределения в Солнечной системе нелетучей компоненты (силикатов, сплавов железа и никеля) должен быть больше Земли примерно в два раза. Малая масса Марса объясняется эффектом Юпитера.
Первым из планет образовался Юпитер. Благодаря мощному гравитационному полю ранний Юпитер разбросал оставшиеся прототела из своей зоны питания. Прототела, а также резонансные взаимодействия разрушили зону питания планеты, которая могла бы сформироваться в поясе астероидов, и уменьшили количество прототел в зоне питания молодого Марса, приостановив его рост. Именно поэтому масса Марса оказалась на порядок меньше. Сильно кратерированное его Южное полушарие сложено очень древними породами. Не исключено, что, узнав возраст марсианской коры, мы сможем оценить время формирования Юпитера — важнейшего неизвестного параметра в современной космогонии.
Влияние Юпитера привело к перемешиванию прототел из различных зон питания растущих планет земной группы. В этом смысле образование Земли и Марса было многокомпонентным. На основе анализа картины распространенности элементов в мантии Земли и в SNC метеоритах была выдвинута идея о том, что планеты этой группы сформировались из планетезималей с разной степенью окисленности. Г.Дрейбус и Х.Вэнке (Dreibus G., Waenke H. Origin and evolution of planetary and satellite atmospheres / Eds S.K.Atreya, J.B.Pollack, M.S.Mattehews. Tucson, 1989. P.268—288) предложили (как первое приближение) модель аккумуляции планет земной группы, состав которых рассматривается в виде некоторой смеси компонент А и Б. Прототела, состоящие из сильно восстановленного вещества компоненты А, заполняли зону питания формирующейся Земли. В компоненте Б вещество сильно окислено и содержит все элементы (включая летучие) с отношениями, как у хондритов класса С1. Из компоненты Б состояли прототела зоны, где в настоящее время расположен пояс астероидов.
Дрейбус и Вэнке пришли к заключению, что компоненты А и Б в Марсе смешаны в отношении 60:40, а в Земле — 85:15, и аккумуляция Марса шла почти однородно, в противоположность химически неоднородной аккумуляции Земли. В наших работах также показано, что именно в строении Марса должна ярче всего проявиться двухкомпонентность (Жарков В.Н. // Астрон. вестн. 1996. Т.30. №6. С.514—524).
Модель внутреннего строения Марса
При моделировании внутреннего строения планет на первых шагах разрабатывается сферически симметричная модель, когда плотность r(r) и давление p(r) зависят только от радиуса. В дальнейшем необходимо построить региональные модели наружных слоев. Для Марса сейсмические данные отсутствуют, и, чтобы их получить, нужно создать обширную сейсмическую сеть на поверхности планеты. В наше время для понимания внутреннего строения Марса используется химическая модель (ВД), предложенная Вэнке и Дрейбус.
Был построен набор моделей (Жарков В.Н., Гудкова Т.В. // Там же. 1998. Т.32. №5. C.403—412), удовлетворяющих данным о средней плотности r0 = 3.94 г/см3 и приведенном моменте инерции (I), который удалось определить в результате космической миссии “Марс-Патфайндер” (Folkner W.M., Yoder C.F., Yuan D.N. et al. // Science. 1997. V.278. P.1749—1751),
I = (A+B+C)/3MR2 = 0.3658±0.0017,
где А и В — главные экваториальные моменты инерции, а C — полярный; М = 6.43х1026 г — масса, R = 3390 км — средний радиус планеты.
Глобальная модель получилась путем соединения моделей коры, силикатной мантии и ядра, предложенных разными исследователями (Бабейко А.Ю., Жарков В.Н. // Астрон. вестн. 1997. T.31. №5. C.404—412; Bertka C.M., Fei Y. A profile of Martian mineralogy and density up to core-mantle boundary // 29-th Lunar and Planet Sci. Conf. Houston, 1998. P.107—108). Когда будут получены более детальные данные, каждая из этих моделей поможет решить ряд фундаментальных вопросов. Модель коры должна дать ответ на содержание в ней воды и карбонатов и, таким образом, приблизить нас к решению проблемы ранней плотной атмосферы, состоящей из СО2 и Н2О, которые обеспечивали парниковый эффект и теплый, влажный климат на молодом Марсе. Модели мантии и ядра позволят конкретизировать процесс образования планет земной группы. Кроме того, модель ядра сможет объяснить генерацию магнитного поля на раннем Марсе, причем ядро, судя по огромным значениям полосовых магнитных аномалий, должно было находиться в состоянии развитой конвекции.
Основной дискуссионный вопрос — это насколько космохимическая модель (ВД), дающая массовое отношение Fe/Si = 1.71, может соответствовать современным представлениям о внутреннем строении планеты. Крупный шаг вперед будет сделан, когда с достаточной точностью удастся определить радиус ядра. Хотя практически никто не сомневается, что ядро Марса жидкое, это также требует проверки.
В Лаборатории реактивного движения НАСА построена модель гравитационного поля “Mars 50 c”, в которой разложение гравитационного потенциала по сферическим функциям доведено до 50-й гармоники (Konopliv A.S., Siogren W.L. The JPL Mars gravity field. Mars 50 c. Based upon Viking and Mariner 9 Doppler tracking data // JPL publ. 1995. V.95. №5). В этой модели пики гравитационных аномалий 2387, 1646, 1221 и 1547 мгал (1 гал=1 см/с2) относятся к гигантским щитовым вулканам — Олимпу, Арсии, Павлине и горе Аскрийской соответственно. Наибольшие гравитационные аномалии на Земле порядка 100 мгал. Гигантские, по земным меркам, значения гравитационных аномалий Марса указывают на то, что последний имеет мощную литосферу, около 500 км, которая выдерживает нагрузки от таких структур. Наружный слой Марса достаточно холодный, что можно рассматривать как косвенное указание на существование “океана магмы” в его начальном развитии, во время которого произошло заметное обеднение мантии радиоактивными источниками тепла из-за их выноса в кору.
На сегодняшний день информационное обеспечение науки о Марсе основано на данных о поверхности планеты и ее атмосфере. Геофизические зондирования (сейсмические, электромагнитные) планетных недр добавят третье измерение. Как кульминация исследований Марса при помощи автоматов, экспедиция с участием человека проведет эксперименты с активной и пассивной сейсмикой, бурение и измерение теплового потока, что позволит приступить к построению вещественных моделей наружных слоев планеты и реальной гидрогеологической модели криолитосферы.
Модель внутреннего строения Марса,
удовлетворяющая всем имеющимся на сегодняшний день данным.Многообразие марсианской проблематики
Марс — планета, наиболее похожая на Землю. Но кроме того, что он меньше по массе и размеру, много различий также в характеристиках коры, поверхности и атмосферы, в истории воды. Геологические процессы здесь исключительно разнообразны, и их изучение позволит обогатить геологические аспекты сравнительной планетологии.
На поверхности Марса выделяется плоскогорье Фарсида, приподнятое на 4 км и занимающее около 15% площади планеты. На нем расположены гигантские щитовые вулканы, один из которых — гора Олимп — крупнейший в Солнечной системе. Поверхность Марса характеризуется дихотомией: Южное полушарие, более древнее и испещренное кратерами, приподнято, а Северное, равнинное, несколько опущено. В промежутке расположена обширная переходная зона. От Фарсиды на восток протягивается гигантская рифтовая система — Долина Маринеров.
Гора Олимп — самый большой вулкан среди известных на планетах Солнечной системы.
Трехмерная реконструкция на основе анализа изображений,
полученных космическими аппаратами “Викинг-1 и -2”.Большой прогресс в изучении марсианской поверхности достигнут при помощи лазерного альтиметра и фотографической камеры высокого разрешения на борту “Марс-Глобал-Сервейера”. Оказалось, что слоистость верхней коры характерна для всей планеты. В долине Маринеров она прослежена до глубины ~10 км.
В отличие от Земли, развивающейся главным образом при господстве механизмов плитной тектоники, эволюция Марса происходит в режиме плюмовой тектоники. Один гигантский мантийный плюм создал Фарсиду, а другой, менее мощный, — Элизий. Считается, что тектоника плит на Земле связана с присутствием воды. На Марсе (в отличие от Венеры) также есть вода, но тем не менее развитие планеты пошло скорее всего по линии тектоники плюмов, а не плит. Несомненно, изучение Марса внесет важный вклад в понимание механизма возникновения тектоники плит на Земле.
Причиной более низкого уровня рельефа Северного полушария может быть то, что активность процессов плитной тектоники, локализованных в Северном полушарии, снизилась из-за недостатка энергии в недрах планеты и последующего ее охлаждения. Эта гипотеза, предложенная Н.Слипом (Sleep N.H. // J. Geophys. Res., 1994. V. 99. №E3. P.5639—5655), критиковалась М.Прайсом и К.Танака (Prais M.J., Tanaka K.L. The martian Northern plains did not result from plate tectonics // 26-th Lunar and Planet Sci. Conf. Houston, 1995. P.1147—1148), так что вопрос остался пока нерешенным.
Неожиданное открытие сделано “Марс-Глобал-Сервейером” и касается характеристик магнитного поля планеты. Результаты предшествующих измерений (на наших аппаратах “Марс-3 и -5”, “Фобос-2”) трудно интерпретировались, хотя был сделан вывод о том, что планета имеет слабое собственное магнитное поле. Сложности связаны с работой наших искусственных спутников на эллиптических орбитах с высоким перицентром. “Марс-Глобал-Сервейер” был выведен на почти круговую и более близкую к поверхности орбиту. Проведенные магнитные измерения (Connerney, J.E.P., Acuсa M.H., Wasilewski P. et al. // Science. 1999. V.284. P.794—798) подтвердили, что магнитное поле у Марса есть, но оно не дипольное и состоит из локальных очагов. Самые сильные из них с индукцией до 1500 гамм (1 гамм = 10–5 гаусс) расположены в Южном полушарии.
Это своего рода магнитные полосы, протягивающиеся с востока на запад, причем соседние полосы намагничены в противоположных направлениях. Найдено 5—6 таких пар. Подобную магнитную структуру обнаруживает океаническое дно Земли, что связано с переполюсовками земного магнитного поля и раздвижением океанического дна. На Земле, по мере удаления от срединно-океанических хребтов, возраст океанического дна увеличивается. Возраст магнитных полос на Марсе не определен. Механизм их образования также не ясен, хотя можно ожидать, что они свидетельствуют о каких-то важных процессах, происходивших на планете в первые 0.5 млрд лет, когда в жидком ядре генерировалось собственное магнитное поле.
На Марсе имеется ряд других крупных геологических структур разных масштабов: гигантские кратерные бассейны, полярные шапки. Особый интерес с точки зрения более поздних эволюционных процессов представляют проявления флювиальных и карстовых процессов, перенос вещества ветром, полярные слоистые образования.
Атмосфера на 95% состоит из диоксида углерода. Давление у поверхности близко к давлению тройной точки воды — 6.1 мбар. И это, возможно, не случайное совпадение. Открытые водоемы не могут существовать на Марсе, однако вода присутствует: следы водяного пара в атмосфере, вода, адсорбированная реголитом, кристаллизационная (в некоторых минералах горных пород), лед в полярных шапках и, возможно, при определенных условиях (в теплых областях в теплое время суток, при соляных добавках) жидкая — в грунтовых порах. Несмотря на то что вода на Марсе “спрятана”, ее роль в современной жизни планеты весьма значительна. Она даже может служить регулятором, поддерживающим содержание диоксида углерода в атмосфере на постоянном уровне.
Ряд особенностей современной поверхности планеты указывает на то, что были эпохи, когда вода играла еще большую роль. Разветвленные долины, весьма напоминающие русла высохших рек (вади), — наиболее яркий пример. Гипотеза о более теплом древнем Марсе с открытыми водоемами — реками, озерами, может быть, морями — и с более плотной атмосферой (на что указывает изотопный состав последней) обсуждается уже более двух десятилетий. Однако многие вопросы еще ждут ответа. Каковы запасы воды? Как они распределяются между разными резервуарами (реголитом, вечной мерзлотой и др.), широтными зонами, геологическими провинциями? Как менялось это распределение со временем (история воды)? Действительно ли была, и если да, то как давно началась и закончилась эпоха теплого и влажного климата; была ли она однократным событием или повторялась?
Система Ниргал — пример русла высохшей марсианской реки
с разветвленной сетью притоков.В сущности речь идет о том, что на Марсе произошла некогда глобальная экологическая катастрофа. Учитывая те изменения в климате Земли, которые происходят на наших глазах вследствие вмешательства индустриальной цивилизации и явно несут Земле угрозу глобальной экологической катастрофы, чрезвычайно важно понять, как и почему это случилось с Марсом. Здесь невозможно ничего сделать при помощи какого-то однократного космического эксперимента. Только серия многочисленных экспедиций разного типа (посадочные аппараты — стационарные и подвижные, спутники, миссии с доставкой вещества и, наконец, крупномасштабные экспедиции с участием человека) позволит накопить сведения, необходимые для воссоздания климатической истории Марса. Это долгий и трудный путь, требующий объединения усилий специалистов из разных стран.
Понять историю марсианского климата невозможно, не зная его современное состояние. Значительная по массе доля атмосферы проходит через процессы конденсации (осенью) и испарения (весной) диоксида углерода в сезонных полярных шапках. Это сопровождается сильным меридиональным переносом. Некоторое (и возможно значительное) количество СО2 не участвует в сезонных процессах, видимо, потому что часть его не успевает испариться из северной полярной шапки, а другая — адсорбирована реголитом. При изменениях наклонения плоскости экватора, распределение диоксида углерода между газовой и твердой фазой варьирует. Парниковый эффект значительно увеличится при соответствующем изменении соотношения фаз. Здесь прослеживается возможная аналогия со сменами периодов оледенений и потеплений на Земле.
Поиски жизни на Марсе
Если у Марса в далеком прошлом были более плотная атмосфера, теплый климат и жидкая вода на поверхности, там могла существовать жизнь. В 1996 г. опубликовано сенсационное сообщение (McKay D.S., Gibson E.K., Thomas-Kerta K.L. et al. // Ibid. 1996. V.273. P.924—930) о находке в одном из SNC метеоритов — ALH84001— возможных свидетельств биологической активности в далеком прошлом. Это известие вызвало громадный интерес не только ученых, но и широкой общественности. В течение последних трех лет велись большие работы по изучению SNC метеоритов, различных аспектов марсианской палеобиосферы, а также возможности жизни в экстремальных условиях на Земле. Тем не менее вопрос остается нерешенным. Возможно, более убедительные свидетельства будут получены позднее (в 2008 г.?), когда планируется доставка образца марсианского грунта на Землю. Скорее же всего решение проблемы будет отложено до полета человека на Марс, когда можно будет сознательно провести отбор вещества из осадочных слоев с детальным описанием места отбора.
Гипотеза о жизни на Марсе пережила долгую и драматическую историю, в которой можно выделить несколько этапов:
— открытие “каналов” и сезонных изменений (конец XIX — начало ХХ в.);Каналы оказались оптическим обманом. Сезонные изменения объясняют сейчас перемещением пыли. Полосы поглощения, как выяснилось, не имели отношения к Марсу. Наконец, результаты биологических экспериментов на “Викингах” были отрицательными (хотя иногда они трактуются и как неопределенные). О ситуации вокруг ALH84001 мы уже упомянули. Тем не менее поиски должны быть продолжены. Обнаружение марсианской биосферы, современной или вымершей, будет одним из величайших открытий в истории науки.— попытки идентификации полос поглощения органических веществ в спектре Марса (50—60-е годы);
— проведение на посадочных аппаратах “Викинг-1 и -2” экспериментов по обнаружению следов жизнедеятельности микроорганизмов, а также сложных органических молекул (1976);
— упомянутые выше исследования метеорита ALH84001.
Фобос и Деймос
Спутники Марса, Фобос и Деймос, открыты американским астрономом Холлом в 1877 г. Это объекты 12-й звездной величины, и наблюдение их в телескоп затрудняется соседством яркого Марса. Плоскости орбит почти совпадают с плоскостью экватора планеты. Вращение — синхронное (к планете всегда обращена одна и та же сторона). Фото- и телевизионные камеры космических аппаратов “Маринер-9”, “Викинг-1 и -2”, “Фобос-2” позволили определить их форму, размеры, строение поверхности. Это были первые малые тела, ставшие доступными для детального исследования. Их происхождение до сих пор не понятно: захваченные ли они астероиды или образовались вместе с Марсом.
Фобос исследован более детально. В 1988 г. к нему отправились космические аппараты “Фобос-1 и -2”. “Фобос-2” сблизился с этим космическим телом и даже стал его искусственным спутником, однако последняя фаза миссии (тесное сближение и высадка малых станций) не удалась. По этой причине не знающие существа дела оценивают всю миссию как неудачную. Это не так. Было получено много новых научных данных как о самом Фобосе, так и о Марсе. Определены масса и плотность Фобоса, уточнены карты поверхности, измерены тепловая инерция и спектр отражения поверхностного слоя. Фобос имеет очень малое альбедо, и ранее предполагалось, что он состоит из углистых хондритов, однако спектры отражения, измеренные “Фобосом-2”, заставляют отказаться от этой гипотезы (Ksanfomality L.V., Moroz V.I. // Icarus. 1995. V.117. P.383—401). Загадочная особенность — борозды на поверхности этого спутника Марса. Возможно, они связаны с глубинными трещинами ударного происхождения. Инфракрасные измерения показали, что на поверхности Фобоса находится раздробленный материал (реголит), похожий на лунный, но, по-видимому, с частицами несколько большего размера. Подозревается существование тороидального пылевого облака (кольца?) на его орбите.
Не исключено, что вещество Фобоса, как и других малых тел Солнечной системы, первично, т.е. сохранилось со времени формирования последней. Поэтому детальные исследования его состава, особенно изотопного, представляются задачей высокого приоритета. Многое можно сделать в прямых измерениях во время посадки, однако самое надежное — доставка вещества на Землю и изучение его в лабораториях. Для решения этой задачи в России приступили к созданию космического аппарата “Фобос-Грунт”. Не будем говорить о сроках реализации, учитывая, что общее положение с финансированием фундаментальных научных исследований (включая космические) в нашей стране пока остается катастрофическим.
Счет 2:4 не в нашу пользу!
Далеко не все в исследованиях Марса получается так, как хотелось бы. За последние 10 лет к Марсу стартовали семь космических аппаратов. Один из них— японский — еще находится в полете. Что же касается остальных шести, то только два сработали успешно — “Марс-Патфайндер” и “Марс-Глобал-Сервейер”. Погибли российский “Марс-96” и американские “Марс-Обсервер” (1992), “Марс-Клаймит-Орбитер” и “Марс-Полар-Лэндер” (1999).
Высокий процент неудач наводит на еретическую мысль: а вдруг на Марсе все-таки существует разумная цивилизация и марсиане решили оказывать организованное сопротивление? Но дело, конечно, не в этом.
Во всяком случае причины двух последних неудач имеют вполне земной корень — это внутренне противоречивое стремление делать все “лучше, дешевле, быстрее”. Именно так НАСА сформулировало в 1992 г. свой подход к организации научных космических проектов. Была создана весьма амбициозная программа исследований Марса, предусматривающая запуск двух космических аппаратов (спутник и посадочный аппарат) в каждое астрономическое окно, т.е. с интервалом примерно два года. Кульминацией должна стать очень сложная миссия с доставкой на Землю образца марсианского вещества (старт в 2005 г., прибытие капсулы с образцом в 2008 г.). На эту программу отведены ресурсы по нашим масштабам громадные, но по американским — в обрез. Стали экономить на вещах, на которых экономить опасно. В результате получилось то, что получилось.
Один из способов экономить ресурсы — международное сотрудничество. Несколько лет велись переговоры о российско-американских полетах “Вместе к Марсу”. Например, рассматривался вариант, в котором наша ракета выводит к Марсу российский посадочный аппарат и американский спутник. Переговоры захлебнулись из-за невозможности с нашей стороны дать в нынешних условиях какие-либо гарантии по срокам. В конце концов все свелось к участию российских ученых в американских миссиях на уровне отдельных экспериментов, как на аппаратах “Марс-Клаймит-Орбитер” и “Марс-Полар-Лэндер”.
Очень серьезное партнерство в будущих исследованиях Марса завязалось между НАСА и КНЕС (французское космическое агентство). Для проекта по доставке вещества КНЕС предоставит ракету “Ариан-5” и выведет на околомарсианскую орбиту спутник для перехвата контейнера с образцом. Вероятно, эта программа будет сдвинута по срокам, но вряд ли отменена.
Европейское космическое агентство развернуло работы над независимым проектом “Марс-Экспресс” — искусственный спутник и посадочный аппарат (старт в 2003 г.). На спутнике будет установлено несколько крупных приборов, взятых из запасного комплекта “Марса-96”. Ответственные за эти эксперименты — ученые Франции, Германии, Италии, Швеции. Но в подготовке работ участвуют также и российские специалисты.
Таким образом, вокруг исследований Марса сложилась широкая международная кооперация. Задумка дальнего прицела — пилотируемая экспедиция на Марс (2020). Россия уже внесла большой вклад в решение этой грандиозной задачи результами уникальных медико-биологических исследований на станции “Мир”.
Требуется запасная планета
Зачем нужно посылать на Марс пилотируемую экспедицию, высаживать на его поверхность космонавтов? Будут ли оправданы риск, огромные затраты ресурсов? Есть ли такие научные задачи, ради которых стоит это делать? Американские пилотируемые полеты на Луну (миссия “Аполлон”) прошли успешно.
Однако всем ясно, что эти программы выполнялись не для науки, а для достижения мощного политического эффекта: доказать всему миру (и самим себе) американское превосходство в освоении космоса. Напомним, что запуск в СССР первого искусственного спутника Земли и полет Ю.А.Гагарина были шоком для всей той части мира, от которой мы были отгорожены железным занавесом.
Хочется верить, что не будет больше ни железного занавеса, ни холодной войны и такие грандиозные затеи, как пилотируемая экспедиция на Марс, будут выполняться с участием специалистов многих стран, включая и Америку, и Россию. Но тогда что же остается — только решение научных задач?
Мы думаем, что в области исследования Солнечной системы не существует такой научной задачи, которая оправдала бы затраты в сотни миллиардов долларов. Но есть задача футурологическая. Космические катастрофы не раз обрушивались на планеты. Около 70 млн лет назад на Земле исчезли динозавры — все и одновременно. Причиной могла быть космическая катастрофа: столкновение нашей планеты с астероидом или кометой. Можно предположить, что подобное событие, если оно произойдет в будущем, приведет к гибели человечества. Чтобы от этого застраховаться, надо иметь в Солнечной системе обитаемые базы с автономным жизнеобеспечением. Лучше всего иметь запасную планету. И наиболее перспективная — Марс.
Если в прошлом там были более плотная атмосфера и теплый климат, то, может быть, в очень отдаленном будущем удастся вернуть Марс в это состояние? Мы видим, что всего за 100 лет антропогенные процессы на Земле оказались достаточными для некоторых изменений состава атмосферы и климата (усиление парникового эффекта). Что же касается других планет, то уже есть в научной литературе термин “terraforming” — искусственное преобразование планетных атмосфер в сторону приближения по свойствам к земной. Есть надежда, что в очень далеком будущем человечество превратит Марс в еще одну обитаемую планету, которая может пригодиться и в случае космической катастрофы. На наш взгляд — это важнейшая мотивация пилотируемых экспедиций на Марс, которые несомненно начнут осуществляться в ХХI в.
