Космонавтика

Исследования венеры

Одна из главных задач космических исследований - создание научной теории эволюции тел Солнечной системы, что позволит в рамках сравнительной планетологии не только выяснить, как образовалась Земля, но и дать прогноз ее дальнейшего существования. Наибольший интерес с этой точки зрения представляют Марс и Венера.

Если с проектами изучения Красной планеты отечественным ученым и конструкторам как-то не везло, то Утреннюю звезду - в смысле ее познания - по праву называют "Русской". Именно о ней, а точнее, о первых подступах к разгадке ее тайн рассказал директор Института космических исследований РАН, член-корреспондент Лев Зеленый в общероссийском научно-техническом журнале "Полет".

Венера - ближайшая наша космическая соседка. Когда она, двигаясь по своей орбите, проходит между Землей и Солнцем, расстояние до нее становится минимальным - около 40 млн. км. Утренняя звезда лишь немного меньше земного шара по массе и размерам, а тепла от светила получает столько же.

Сходство основных характеристик Земли и Венеры с космогонической точки зрения в общем понятно: согласно современным научным представлениям, все планеты Солнечной системы возникли из первичной туманности, сконденсировавшейся из межзвездного вещества, процесс затвердевания которого протекал так, что большая часть массы (99,9%) собралась в центре. Здесь образовалось Солнце, остальная материя сжалась в уплотненный диск, вобравший в себя твердые частицы различных размеров. Сталкиваясь, они объединялись, создавая зародыши в виде планетоземов, за сотни миллионов лет превратившиеся в полноценные планеты. Такое развитие закончилось около 5 млрд. лет назад.

Земля и Венера расположились в середине пояса из четырех самых близких к Солнцу, более плотных, но меньших планет. А поскольку их массы и размеры почти одинаковы, предполагалось, что они схожи по химическому составу и внутреннему строению. Исходя из данных соображений, многие астрономы еще 50 - 60 лет назад полагали: атмосфера и основные признаки поверхностей этих планет тоже сильно не отличаются. Более того, некоторые ученые не исключали возможность существования жизни на Венере.

Первые сведения о физических характеристиках атмосферы Утренней звезды земляне получили в 1920-х годах при помощи телескопов с инфракрасными радиометрами. Удалось оценить температуру верхней границы ее облаков.

Следующим шагом стало открытие на ней полос поглощения углекислого газа. Появились предположения, будто они составляют лишь малую часть атмосферы. Затем ученые обнаружили тепловое радиоизлучение Венеры, показавшее, что ее поверхность и нижние слои газообразной оболочки очень горячие. Кстати, первоначально высказывались сомнения в правильности интерпретации этих измерений. Однако они были окончательно развеяны после знаменательного полета "Венеры-4" (1967 г.), когда отечественная автоматическая станция послала на Землю сигналы с этой планеты. С тех пор начался новый этап в исследованиях Утренней звезды - ее изучение при помощи космических аппаратов "Венера-6" (1969 г.), "Венера-7" (1970 г.), "Венера-8" (1972 г.).

В результате этих блистательных экспедиций удалось установить главные характеристики атмосферы планеты - основные ее составляющие: углекислый газ и азот; давление у поверхности около 90 атм, температура вблизи поверхности 735 К (с ростом высоты до 55 км она уменьшается). Стало очевидно: несмотря на сходство Земли и Венеры по определяющим планетным характеристикам, венерианская атмосфера совсем не похожа на земную.

Вообще-то в газообразной оболочке планет все взаимосвязано. Возьмем, например, химический состав нижней атмосферы. Он зависит от того, какие газы могут "улетать" в межпланетное пространство из верхней атмосферы в результате термической диссипации, а плотность и химический состав частиц в облаках - от присутствия в ней газовых составляющих, способных конденсироваться. И хотя таких элементов может быть очень мало - сотые и тысячные доли процента, тем не менее этого достаточно для образования частиц. В то же время даже малые составляющие способны повысить температуру атмосферы на сотни градусов, если они сильно поглощают излучение в инфракрасной области спектра. И еще. Скорость и направление ветра зависят от разницы температур в различных областях планеты, однако они, в свою очередь, сглаживаются атмосферными движениями.

Словом, понять, как устроена и работает конкретная атмосферная "машина", можно лишь на основании комплексных исследований. Поэтому возможности первых отечественных автоматических станций серии "Венера" вскоре перестали удовлетворять: на них не хватало места для размещения сложных научных приборов, слишком мало передавалось информации по каналам связи.

С 1975 г. вступили в строй станции второго поколения ("Венера-9" и последующие) с посадкой спускаемых аппаратов на поверхность планеты и работой там в течение достаточно продолжительного времени, а также проведением соответствующих исследований после отделения аппаратов с орбиты искусственных спутников Утренней звезды и пролетных траекторий. "Венера-15 - 16" в 1980-е годы с близкого расстояния выполнила радиолокационную съемку поверхности нашей соседки.

Отсутствие у Венеры магнитного поля обозначило очень интересную проблему: как выяснить взаимодействие проводящего немагнитного тела, которым является эта планета, со сверхзвуковым потоком солнечной плазмы. И отечественным специалистам первым удалось доказать: у Утренней звезды, как и у Земли, "отрастает" магнитный "хвост". Только у нашей планеты он образован из силовых линий земного магнитного поля, а у Венеры - из тех же линий солнечного ветра. Обтекая ее, они погружаются в газовую оболочку и набирают тяжелые ионосферные ионы (в основном кислорода и углекислого газа). В результате Венера приобретает "хвост", в котором направление магнитного поля определяется поперечной компонентой поля солнечного ветра, что и отличает его от такового Земли.

Далее. Самая сложная задача в изучении Утренней звезды выпала на долю автоматических станций "Вега-1" и "Вега-2", использовавшихся в 1984 - 1986 гг. для встречи с кометой Галлея. Однако прежде чем отправиться к ней, они взяли курс на Венеру. Спускаемые на планету модули станции состояли из двух частей: классического посадочного аппарата и совершенно нового средства - аэростатного зонда.

В отличие от первого, дающего вертикальный профиль (разрез) метеорологических характеристик атмосферы, второй, плавающий на той или иной высоте, перемещается со скоростью ветра и позволяет получить горизонтальный профиль, а также изучить динамику атмосферы. И выяснилось: вся Венера охвачена мощной зональной, т.е. направленной вдоль широты, циркуляцией. На высотах 60 - 70 км скорость ветра составляет - 100 м/с. По мере приближения к поверхности планеты она уменьшается и на высоте менее 10 км становится равной - 1 м/с. Длительные аэростатные измерения (на экваториальных широтах они выполнялись на высоте порядка 54 км) показали, что скорость ветра на нашей ближайшей соседке в среднем около 70 м/с. Такая мощная циркуляция на медленно вращающейся планете - явление трудно объяснимое, как и многие другие открытия, сделанные с помощью автоматических аппаратов. Единственным реальным способом найти ответы на вновь возникшие вопросы было дальнейшее накопление информации о Венере, проведение более тонких экспериментов. Однако направив к ней 18 беспилотных станций, отечественная космическая наука решила обратить свои взоры на Марс...

Возвратом к "забытой" планете стала европейская станция "Венера-Экспресс" (2005 г.), продолжившая исследования атмосферы, околопланетной плазмы и поверхности Утренней звезды. Российские специалисты были привлечены к этому проекту на самых ранних этапах его подготовки, они внесли значительный вклад в разработку научной программы и аппаратуры (на станции функционировали семь отечественных приборов).

"Венера-Экспресс" впервые получила детальные изображения южного полярного вихря над поверхностью планеты (к своему удивлению ученые обнаружили, что он двойной: четко видны два "глаза" урагана) и одного из элементов динамики атмосферы - так называемого южного полярного диполя. В предыдущих миссиях, в частности "Венеры-16", его изучали лишь над северным полушарием. А теперь установлено: подобное образование возникает и над южным.

Станция также впервые выполнила мониторинг планеты в окнах прозрачности в ближней инфракрасной области спектра. При этом выявлены структуры, относящиеся к различным высотам в атмосфере. Они еще ждут своего объяснения. Кроме того, на южной стороне Венеры замечена оптически плотная дымка. Ранее такое явление, подверженное временным вариациям, наблюдалось только на дневной ее стороне.

И еще. Если на Марсе воду обнаружили в виде подповерхностного льда, то на Венере ее нет вообще. Вероятнее всего, она улетучилась в межпланетное пространство. Об этом свидетельствуют полученные с "Венеры-Экспресс" сведения о содержании дейтерия и водорода в верхней газообразной оболочке планеты (аналогичный показатель для атмосферы Земли в 150 раз меньше).

Какая же информация об Утренней звезде ждет землян в будущем?

В 2010 г. к ней планируется направить автоматический аппарат "Планета-Си" японского космического агентства, который сосредоточится на метеорологических исследованиях этого небесного тела с экваториальной орбиты при помощи мультиспектральной картирующей аппаратуры. Безусловно, данные "Венеры-Экспресс" и "Планеты-Си" станут еще одним важным шагом в понимании физики нашей ближайшей соседки. Однако ограниченность дистанционного зондирования не закроет все неясности. Например, нерешенными останутся вопросы содержания в атмосфере планеты изотопов отдельных благородных газов, а знание их важно для понимания эволюции Венеры и Солнечной системы в целом. Для окончательного разрешения проблем химии и геохимии облачного слоя Утренней звезды необходимы точное измерение профилей содержания на ней малых газовых составляющих и анализ состава аэрозольных частиц. Малоизученными по-прежнему останутся минералогия поверхности, ее взаимодействия с атмосферой, геологическая эволюция и особенно внутреннее строение планеты. Решение этих проблем требует контактных исследований, которые могут быть выполнены на борту посадочных аппаратов (важно, чтобы они являлись "долгоживущими") и с помощью атмосферных лабораторий, размещенных на аэростатах.

Идея длительно существующей станции на поверхности Венеры, в том числе для проведения разного рода измерений, возникла еще в 1980-е годы, вскоре после полетов "Венеры-9" и "Венеры-10". Тогда же у нас в стране выполнили первые конструкторские проработки в этом направлении, но в 1981 - 1982 гг. их приостановили.

В Федеральную космическую программу 2006 - 2015 гг. включен проект "Венера-Д" (Венера долгоживущая). Поисковые работы ведутся с 2007 г., а запускать межпланетную станцию намечено в период с 2016 по 2018 г. Масса космического аппарата составит 1,5 т, спускаемого (десантируемого) модуля - 1 т. Его научная "начинка" должна будет сохранять работоспособность в условиях высокой температуры и сильного давления в течение примерно одного месяца. Для сравнения: посадочные аппараты предыдущих венерианских станций "жили" на поверхности планеты не более 1,5 ч.

Рассматривается вариант совмещения российской миссии "Венера-Д" с европейской программой исследований Утренней звезды. Наиболее благоприятен при этом запуск такой системы с космодрома Куру во французской Гвиане ракетой-носителем "Союз-2" с нашим разгонным блоком "Фрегат". В состав ее полезной нагрузки войдут европейский орбитальный модуль, созданный на базе станции "Венера-Экспресс", новый оригинальный отечественный посадочный аппарат, содержащий долгоживущий элемент с научной "начинкой"; европейский аэростат (возможно, со сбрасываемыми на поверхность небольшими зондами с минимальным набором приборов) для исследований атмосферы планеты.

Поскольку рассматриваемый космический эксперимент станут проводить совместно, то во всех сегментах предполагается обмен местами для размещения научных изделий, т.е. европейские технические устройства могут быть установлены на российском спускаемом аппарате, а наши - на орбитальном модуле и в гондоле аэростата.

Не исключено участие в миссии и небольшого японского низколетающего аэростата, ибо европейский баллон будет предназначен для дрейфа на высотах с достаточно комфортными по температуре и давлению условиями, а японский - для подоблачной зоны, т.е. примерно на высоте 35 км, где атмосфера уже горячая и давление высокое. Сочетание измерений на разных уровнях даст много дополнительной информации.

Словом, интерес ученых к Венере по-прежнему не затухает. Вместе с тем они хорошо понимают: удовлетворить его можно, лишь обогащая друг друга новыми идеями, оригинальными разработками, постоянными контактами, а в конечном счете - объединенными усилиями всех землян.

Диссипация - постепенное улетучивание газов из атмосферы космического тела (например Земли) в окружающее пространство; вызывается беспорядочным тепловым движением атомов и молекул.

Л. ЗЕЛЕНЫЙ
Материал подготовил Ярослав РЕНЬКАС