Исследования Марса межпланетными космическими аппаратами

Марс – четвёртая от Солнца планета, похожая на Землю, но меньше по величине и холоднее. Наблюдали за Марсом задолго до изобретения телескопа. Измерения его положений на небосводе, проведенные Тихо Браге в конце 16 в. , помогли Кеплеру открыть законы движения планет. В начале 17в. астрономы взглянули на Марс в телескоп: Христиан Гюйгенс и Роберт Гук зарисовали образования неправильной формы на его поверхности, Джованни Кассини открыл белые полярные шапки, а Уильям Гершель подметил их увеличение зимой и сокращение летом. Американский астроном Асаф Холл в 1877 г. (год великого противостояния) разглядел в телескоп мини-луны Марса, а директор Миланской обсерватории Джовании Скиапарелли вычертил карты с прихотливой сетью «каналов», которые заставляют некоторых видеть в них плоды труда разумных существ. Таким энтузиазтом веры в "братьев по разуму" на Марсе стал Персиваль Ловелл. Он построил в штате Аризона (США) специальную обсерваторию и своими выступлениями взбудоражил ученых и публику. "Война миров" Герберта Уэллса и "Аэлита" Алексея Толстого, проекты сигнализации марсианам прожекторами, горящим керосином в траншеях Сахары, геометрическими фигурами в сибирской тундре - марсианский экстаз в начале 20 в. был неописуем. О существовании жизни и растительности на Красной планете говорили такие научные авторитеты, как В. И. Вернадский и Г. А. Тихов.

Прочитав художественные фантастические произведения о Марсе, мне захотелось узнать, как обстоят дела на самом деле.

Актуальность: О пилотируемых полётах на Марс говорили ещё К. Э. Циолковский и С. П. Королёв, вопрос о полёте человека на Красную планету возникает снова и снова. Я считаю, что следующее после Луны космическое тело, куда ступит нога человека, будет именно Марс.

Полёты на Марс

Научно фантастические описания Марса как планеты, населённой высокоразвитыми организмами, утратила всякую правдоподобность с началом космических исследований.

1962 год 1 ноября 1962 года запущен Советский космический аппарат «Марс-1» ( масса 893,5 кг; длина 3,3м; диаметр корпуса 1,1м). Аппарат имел два отсека: орбитальный с основной бортовой аппаратурой, обеспечивающей полёт к Марсу; планетный с научными приборами, предназначенными для исследования Марса. Задачи полёта: исследование космического пространства, проверка радиолинии на межпланетных расстояниях, фотографирование Марса. Сближение с Марсом произошло 19 июня 1963 года. В фототелеглазах «Марса-1» «каналы» рассыпались на серии точек кратеров и русла высохших потоков лавы.

1965 год. Американский космический зонд «Маринер-4» сделал первые чёткие снимки планеты крупным планом. На них виден безжизненный мир, испещрённый кратерами.

1969 год Лунные формы марсианского рельефа подтверждены изображениями, полученными с пролётных аппаратов «Маринер-6и7».

1971год. У орбиты Марса вышли американский «Маринер-9» и советские «Марс-2» и «Марс-3». Исследования Марса с орбиты искусственного спутника целесообразны потому, что планета окружена атмосферой, которая при отсутствии пылевых бурь достаточно прозрачна, чтобы можно было осуществлять наблюдения поверхности Марса. Именно в это время на Марсе разворачивались драматические события: надвигалась глобальная пылевая буря. Сначала на краю диска, скрывая под собой тысячекилометровые просторы планеты, появилась мгла. Потом пылевые облака покрыли весь экваториальный пояс и распространились к полярным областям. Пылевая буря поднимала в атмосферу сотни миллионов тонн пыли. Из космоса планета предстала мутным красноватым диском. Облака пыли, которые окутали всю планету от полюса до полюса, были настолько плотными, что исчезли из виду наиболее заметные детали, например полярные шапки. Представление о том, как выглядел Марс в это время, дают фотографии, сделанные «Марсом-3» и «Маринером-9». Над облачным покровом были видны лишь 4 высочайшие вершины Марса в виде четырёх тёмных пятен. Это гигантские вулканические конусы, из которых вершина горы Олимп является самой высокой из всех пока известных нам гор. Она высоко поднималась над облачным слоем, который достигал высоты 15км. В самый разгар пылевой бури в конце 1971 года вниз ушёл спускаемый аппарат, отделившийся от «Марса-3». Он совершил мягкую посадку. После подготовки программное устройство включило панорамный телефотометр. 20с передавалось изображение из хаотически расположенных тёмных и светлых точек, затем сигнал пропал. О том, что случилось с аппаратом можно только гадать.

Неоднократно отмечалось, что великие противостояния часто оказываются неблагоприятным временем для наблюдения именно из-за пылевых бурь. Конечно сближение с Землёй здесь не при чём. Корреляция периода бурь с великим противостоянием объясняется высокой эксцентричностью орбиты. Это приводит к заметным колебаниям солнечной постоянной. Энергия, получаемая планетой от Солнца, меняется в 1,45 раза. Это неизбежно вызывает изменения интенсивности и даже характера изменения атмосферы.

Во время бури 1971 года первые измерения указали на резкое изменение теплового режима планеты. Мощные пылевые облака практически прекратили приток солнечной энергии к поверхности, и её температура стала быстро падать. Вместе с тем начался разогрев атмосферы за счёт перехвата солнечных лучей пылью в атмосфере.

Рис. Баланс, получаемый Марсом от Солнца при ясном небе (1), во время пылевой бури (2).

Уже в январе 1972 года следы бури исчезли. Так случай предоставил исключительную возможность детально исследовать пылевую бурю: время «жизни» пылевой бури 50-100 суток, высота верхней границы пыле-облачного слоя 7-15 км, в атмосферу было поднято 1 млрд тонн пыли.

Одно из самых интересных явлений, связанных с бурей, - это «антипарниковый» эффект. Марсианские пылевые облака непрозрачны для приходящего излучения и прозрачны для уходящего излучения, что вызывает выстуживание поверхности планеты. Поэтому во время глобальной пылевой бури температура поверхности падает, а атмосфера быстро разогревается. Этот эффект и назван антипарниковым.

Детальное знакомство с поверхностью планеты состоялось в 1972 году после окончания пылевой бури, когда «Маринер-9» приступил к фотографированию. За 10 месяцев работы аппарата была снята практически вся поверхность.

1974 год. Новое качество изучение Марса приобрело в 1973-1974 гг. , когда четыре советских AMС «Марс-4», «Марс-5», «Марс-6» и «Марс-7» практически одновременно достигли окрестностей планеты, завершив важный этап многомесячного космического эксперимента.

«Марс -5»

Станция «Марс-4» провела фотографирование Марса с пролетной траектории. Искусственный спутник Марса станция «Марс-5» передала на Землю новые сведения о планете и окружающем ее пространстве; с орбиты спутника получены высококачественные фотографии марсианской поверхности, в том числе цветные. Спускаемый аппарат станции «Марс-6» совершил посадку на планету, впервые передав на Землю данные о параметрах марсианской атмосферы, полученные во время снижения. АМС «Марс-6» и «Марс-7» исследовали космическое пространство с гелиоцентрической орбиты.

Рельеф Марса резко различен в разных частях планеты. Характерные области с большим количеством кратеров охватывают зону от экватора до широты 400 на севере и до широты 800 на юге. Загадочное отсутствие кратеров в зоне от 40-500 до северного полюса и на равнинах Амазония и Утопия связано с резким различием между северным и южным полушариями. Поверхность северного полушария в среднем на 2 км ниже южного. Это одно из проявлений резкой асимметрии Марса. При среднем диаметре 6775 км его полярный диаметр на 20 км меньше экваториального, причём северный полярный район примерно на 4 км ниже южного. Гравитационные аномалии на Марсе превосходят подобные аномалии на Земле в 17 раз.

В марте 1974 г. спускаемый аппарат «Марс-6», проведя измерения на трассе снижения, прекратил работу вблизи поверхности планеты. Большинство специалистов считает, что отказ аппарата как-то связан с моментом посадки.

1976 год. Две межпланетные лаборатории - "Викинг-1" и "Викинг-2" - стартовали с Земли соответственно 20 августа и 5 сентября 1975 г. Достигнув Марса на удалении 326 млн. км от Земли, "Викинг-1" 19 июня 1976 г. перешел на орбиту спутника Каждые сутки, сближаясь с планетой до расстояния 1400 км, он изучал три потенциальные точки посадки, намеченные по радарным измерениям с Земли и фотографиям "Маринера-9". Задача оказалась непростой. Не желая рисковать уникальной аппаратурой, руководители полетов продолжали поиск месяц, пропустив намеченный первоначально срок посадки 4 июля (день двухсотлетия США). Наконец 20 июля была дана команда к спуску на Равнину Хриса. Еще больше времени занял выбор места посадки "Викинга-2".

При облете Марса проводились фотографирование поверхности и картирование теплового излучения и распределения водяного пара, который после восхода Солнца поднимается кое-где туманом, поддерживая надежды на существование жизни на Марсе. При снижении космических аппаратов было проведено изучение межпланетной плазмы, ионосферы и атмосферы. После посадки получены крупномасштабные черно-белые и цветные панорамы поверхности, изучены механические свойства, химический состав, намагниченность грунта, осуществлены метеорологические и сейсмические наблюдения. По праву центральным был биологический эксперимент. Миниатюрная лаборатория всего в 0,03 м3 содержала 40000 единиц электронного оборудования. Трехметровая "рука" помещала пробы грунта в три инкубационные камеры, где изучались процессы метаболизм. фотосинтеза и газообмена. При постановке эксперимента исходили из того, что живые организмы питаются, дышат и выделяют отработанные продукты, т. е. меняют окружающую среду, как и на Земле.

Увы. Жизнь на Марсе обнаружена не была. «Намеки на присутствие органической жизни», «противоречивые данные», «обескураживающая ситуация» - пестрели газетные полосы осенью 1976 г. Все наблюдаемое можно было объяснить просто химическими, небиологическими процессами. Не удалось обнаружить и остатков ранее существовавших органических молекул. Напрасно грунтозаборник "Викинга" брал пробы из-под камней, чтобы исключить губительное действие ультрафиолетового облучения Солнца. Не, исключено, что на Марсе вообще не может быть жизни, ибо химически активный грунт (активность обусловлена ультрафиолетовым излучением, от которого поверхность Марса не защищена слоем озона, как на Земле) постоянно «дезинфицирует» планету.

Однако большинство ученых придерживается оптимистического мнения, что отрицательный результат этого эксперимента не означает окончательного "нет". Во-первых, эксперимент проводился всего в двух точках огромной планеты. Не исключено, что микроорганизмы сосредоточены в более влажных местах или глубже, в подпочвенных слоях, или как-то по-особому распределены между атмосферой и почвой. Быть может, жизнь на Марсе, процессы, которые изучались, происходят по другим правилам, чем на Земле, и потому процедура исследований оказалась неоптимальной. Словом, нужны новые эксперименты.

1996 год 4 декабря 1996г. с мыса Канаверал стартовала американская ракета-носитель «Дельта». Она подняла в небо космический аппарат «Марс Пасфайндер», к одному из лепестков которого был прикреплен марсоход «Соджорнер». «Пасфайндер» совершил посадку на Марс 4июля 1997 года. После установки устойчивой связи с «Соджорнером» цент управления дал команду спуститься на поверхность Марса. 6 июля спускаемый аппарат передал на Землю изображение, показывающее марсоход, стоящий на марсианском грунте.

Первой целью маршрута был выбран камень, получивший прозвище Барнакл Билл. Развернувшись к камню, «Соджернер» приставил к нему единственный научный инструмент – спектрометр альфа-частиц, протонов и рентгеновского излучения, предназначенный для исследования химического состава марсианского грунта и лежащих на нём камней. Было выяснено, что Барнакл Билл состоит из богатого кремнием минерала андезита, который на Земле обычно входит в состав вулканической лавы.

Открытие на Марсе андезита говорит о том, что внутреннее строение Марса может напоминать строение нашей планеты больше, чем предполагали ранее.

Значительно более крупный камень получил кличку Йоги. Он оказался обычной базальтовой глыбой. Скорость передвижения марсохода составляла примерно 3м в сутки. Он передвигался от камня к камню, определяя их химический состав, в течение четырёх месяцев. (Расчётный срок службы составлял 1 неделю). Но любая техника имеет свой ресурс. Самым уязвимым местом земных автоматов оказалась система энергообеспечения. У марсохода, как говорится сели батарейки. По ночам он начал «терять сознание» и приходил в себя лишь с восходом Солнца, когда солнечные батареи начинали вбирать энергию. Но и они покрылись слоем пыли. Что же удалось сделать: произвести химический анализ грунта, с близкого расстояния получить фотографии камней, наиболее интересные из них изучить.

Всё это помогло учёным восстановить геологическую картину места посадки. Теперь они уверены, что когда-то давным-давно здесь произошло самое настоящее наводнение. Об этом говорит нагромождение булыжников, наклонённых в одну сторону. Возможно, несколько миллиардов лет назад воды на Марсе было больше, чем на Земле. Сейчас же остатки былого водного могущества Красной планеты сосредоточены в области полярных шапок, а большая часть воды либо испарилась, либо ушла глубоко под поверхность.

Космический аппарат «Марс Пасфайндер», переименованный в Мемориальную станцию имени Сагана, передал большой объём информации об атмосфере и климате Марса. Благодаря тому, что измерения метеорологических параметров осуществлялись каждые 4 секунды, удалось обнаружить некоторые краткосрочные скачки атмосферного давления, сопровождающиеся мощными порывами ветра. Цветные снимки восходящего Солнца позволили астрономам впервые увидеть розоватое сумрачное небо Марса.

В этом же 1996 году к Марсу были запущены ещё два аппарата: «Марс-96» остался пленником Земли и бесславно рухнул где-то в Тихом океане; американский «Марс Глобал Сервейер» так и не приступил к выполнению своей основной задачи – глобальному картографированию планеты. Причиной тому стала одна неполадка, случившаяся во время выхода станции на траекторию полёта к Марсу – не до конца раскрылась одна из панелей солнечных батарей. Руководители полёта поначалу решили, что это не очень серьёзная проблема, надеясь на то, что полностью раскрыть панель им удастся во время торможения аппарата в атмосфере Марса. Но Красная планета в очередной раз показала свой коварный нрав: плотность атмосферы Марса оказалась почти в два раза выше, чем предполагали учёны! Как следствие, в результате торможения панель солнечной батареи раскрылась намного больше, чем требовалось, образно говоря «вывихнулась» в обратную сторону. Опасаясь окончательно погубить корабль, специалисты решили временно приостановить снижение «Сервейера» над планетой и отложить начало картографирования Марса на год. За 12 месяцев, проведённых на орбите, аппарат передал на Землю более 2000 изображений поверхности планеты.

Фобос и Деймос

Луны Марса получили имена Фобос и Деймос. Удивительно, что оба спутника находятся почти на круговых орбитах. Удивительно, потому что неправильная форма Фобоса и Деймоса позволяет видеть в них типичные астероиды, в древнейшие времена, захваченные Марсом. Период обращения Фобоса 7 ч 30 мин, Деймоса — 30 ч 18 мин. Среди множества особенностей Фобоса есть и такая: он восходит на западе и заходит на востоке, к тому же по 3 раза в сутки. Фобос представляет собой небесное тело неправильной формы, обколотое со всех сторон ударами метеоритов. Его размеры в двух перпендикулярных направлениях составляют 18 и 22 км. Деймос еще меньше — 10 и 16 км.

Своей большой осью Фобос и Деймос всегда направлены к центру планеты; иначе говоря, они, подобно нашей Луне, всегда обращены к Марсу одной стороной.

Если средняя плотность Фобоса равна 1,8 г/см3 (это значение, вероятно, близко к истине), то его масса составляет 8 • 1018 г. На первый взгляд кажется, что притяжение такого тела должно быть ничтожным. Но это не так. Ускорение свободного падения на среднем уровне его поверхности составляет 0,5 см/с2. Человек, который на Земле весит 60 кг, на Фобосе весил бы только 30 г. И все-таки передвигаться там было бы не опасно: улететь с Фобоса от толчка ногами смог бы только человек, который на Земле может прыгнуть на высоту 2,5 м.

На поверхности Фобоса и Деймоса в виде кратеров сохранились следы многочисленных метеоритных ударов. Диаметр наибольшего из кратеров на Фобосе около 8 км. Трудно понять, как после такого удара он остался цел.

Когда с помощью «Викинга» удалось сделать более подробные снимки Фобоса, были обнаружены странные ряды борозд, идущие вдоль поверхности спутника на большие расстояния. Можно предположить, что такие полосы, опоясывающие Фобос,— это трещины, которые образовались при сильном метеоритном ударе и прошли через все тело. Но скорость разделения частей была недостаточной, чтобы они разошлись навсегда.

Изучение Фобоса и Деймоса очень важно: не исключено, что они сохранились ещё с тех времён, когда не было даже самих планет. Если когда-нибудь удастся доставить образцы грунта с Фобоса и Деймоса, они будут представлять большую ценность для космогонической науки.

19 августа 1998 года «Сервейер» находился на минимальном расстоянии от Фобоса - 1080км. На снимке изображён участок8 на 12 км. В верхней левой части изображения виден кратер Стикни диаметром 10км – один из крупнейших на Фобосе.

Гигантские вулканы

Изучив фотографии, сделанные «Викингами», ученые смогли многое узнать о геологической структуре и истории Марса. Почти 5 миллиардов лет назад, когда возникла Солнечная система, Марс, по всей вероятности, был похож на Луну и Меркурий. В течение первого миллиарда лет Марс и другие планеты подвергались частым ударам метеоритов, оставлявших на их поверхности бесчисленные кратеры.

Когда планеты сформировались, они были значительно более горячими, чем теперь. Марс остыл гораздо быстрее Земли, поскольку он меньше. Нам известно, что в прошлом Марс был достаточно горячим для того, чтобы содержать внутри себя жидкую породу — об этом свидетельствуют многочисленные вулканы.

Вблизи экватора Марса, в районе, называемом Тарсис, расположены вулканы колоссальных размеров. Тарсис — название, которое астрономы дали возвышенности, имеющей 400 км в ширину и около 10 км в высоту. На этом плато расположено четыре вулкана, каждый из которых — просто гигант в сравнении с любым земным вулканом. Такие вулканы называют щитовыми, и состоят они из вытекшей некогда лавы, которая распространилась во все стороны, прежде чем остыть и затвердеть. В результате форма вулканов Тарсиса напоминает скорее лепешки, чем конусы.

Самый грандиозный вулкан Тарсиса, Гора Олимп, возвышается над окружающей местностью на 27 км. У его основания есть скалы высотой 6 км. Лава и осколки породы, осыпавшиеся с Олимпа, покрывают территорию размером с Южную Англию или штат Аризона в США. На вершине этой горы группа обрушившихся кратеров образовала провал, по площади равный городу Лос-Анджелес в США.

Сравнительные размеры вулкана Олимп на Марсе и самых больших вершин на Земле.

Гигантские долины и каньоны

Вблизи вулканов Тарсиса змеиться обширная система каньонов длиной около четверти экватора. Долина Маринер имеет ширину 600 км, а глубина её такова, что гора Эверест целиком опустилась бы на ее дно. Отвесные скалы высятся на тысячи метров, от дна долины до плато наверху. Глубокие, ветвящиеся ущелья когда-то были прорезаны потоками воды, протекавшими по плато и низвергавшимися в виде водопадов в долину. Глыбы, на которых мог бы разместиться крупный город, обрушивались в долину во время грандиозных обвалов. В древние времена на Марсе было много воды, по поверхности этой планеты текли большие реки. Отвесные стены Долины Маринер говорят о том, что весь этот район представляет собой гигантскую трещину или разлом в коре планеты. Подобные долины есть и на Земле — например, Рифтовая долина в Восточной Африке, но масштабы наших долин не идут ни в какое сравнение с марсианскими. Вдали от вулканов и глубоких долин пейзаж переходит в равнину с разбросанными там и сям грудами осколков породы. В этом районе мощные лавовые потоки и гигантские разломы покорежили кору Марса и образовали местность, усыпанную валунами; наверное, они станут немалым препятствием для автоматических средств передвижения при исследовании Марса в будущем столетии. Надо будет так сконструировать эти машины, чтобы они не опрокидывались, наезжая одним колесом на большой камень.

Часть Долины Маринер – на этом отрезке она имеет 100 км в ширину и 8 км в глубину.

Дальнейшее развитие человеческой цивилизации неизбежно потребует освоения новых территорий, использования всё новых и новых природных ресурсов. Не случайно именно Марс выбран в качестве главной цели. Как говорят учёные, он является наилучшим объектом для колонизации. Возможно, через несколько лет произойдёт запуск пилотируемого космического корабля и высадка космонавтов на Марс. Перспективы исследования и освоения Марса многосторонни.

- Велик интерес к нему, например, со стороны геологов. Возможно, изучение Марса помогут ответить им на вопросы, связанные с Землёй.

- Значение поисков жизни на Марсе нельзя не оценить. Их результаты смогут внести не только весомый вклад в науку о происхождении жизни, но и в значительной степени изменить эти представления.

- По оценкам некоторых учёных, к середине 21 века население Земли сильно возрастёт. Для того, чтобы выжить, человечеству придётся решать множество острейших проблем: где взять энергию, пищу, воду, всё новые и новые территории? Едва ли не единственный путь решения этих проблем – колонизация космоса. Самый быстрый и доступный объект для этого – Марс.

Реально ли всё это? Ещё К. Э. Циолковский строил смелые планы расселения человечества в космосе. Успехи современной космической техники позволяют по новому оценить масштабы и сроки освоения космоса, довести до интересных расчётов некоторые проекты ещё вчера казавшиеся делом далёкого будущего.

И в заключении можно привести один необычный снимок, полученный в 1996 г. с планеты Марс

«Счастливое лицо» Наверное марсиане дали нам знать, что они оч6ень счастливы и мы можем быть такими же.