Mars Odyssey приступает к выполнению миссии
На прошлой неделе авиадиспетчеры Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния, вздохнули с облегчением. Хотя в 1999 году они потеряли два последних космических корабля, отправившихся к Марсу, их нынешняя миссия на Красную планету завершилась рискованным маневром, используя трение марсианской атмосферы, чтобы выйти на назначенную орбиту на высоте 400 километров над поверхностью. В начале следующего месяца, если все пойдет по плану, корабль Mars Odyssey начнет двухлетнее исследование состава марсианской поверхности, поиск приповерхностных отложений воды и изучение радиационного фона планеты.
Odyssey приступает к своей миссии в то время, когда вопросы о прошлых и настоящих условиях на планете, в том числе о содержании воды и способности приютить жизнь, кажутся более загадочными, чем когда-либо.
«Мы находимся в состоянии максимального замешательства», - говорит геолог-планетолог Дэвид А. Пейдж из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Каналы или каналы?
Люди связывают Марс с водой с тех пор, как итальянский астроном Джованни Скиаперелли в 1887 году посмотрел в телескоп и увидел на поверхности Марса узор из линейных отметин. Он назвал их canali, итальянское слово, обозначающее каналы, но это слово было ошибочно переведено на английский язык как каналы.
Особенности, которые увидел Скиаперелли, оказались артефактами его телескопа. Но начиная с 1970-х годов «Маринер-9» и несколько более поздних миссий НАСА вернули изображения, которые возродили сомнительные представления о Красной планете. На некоторых снимках видны извилистые сети долин, напоминающие высохшие русла рек. На других изображениях видны особенности, которые, кажется, были вырезаны в марсианском ландшафте в результате катастрофического излияния воды. Эти данные убедили большинство ученых-планетологов в том, что когда-то Марс был более влажным и, следовательно, теплее, чем сейчас. Многие подозревают, что одни регионы были затоплены океанами, а другие - реками. Все это поддерживает идею о том, что когда-то на Красной планете могла процветать жизнь.
Если в далеком прошлом и были океаны, вода каким-то образом исчезла из поля зрения. Возможно, он ушел под землю или испарился в космосе. На протяжении десятилетий данные космических аппаратов указывали на то, что современный Марс со средней температурой поверхности -60°C и поверхностным давлением менее одной сотой земной, практически неактивен в течение миллиардов лет.
Новые изображения и другие наблюдения, сделанные космическим аппаратом Mars Global Surveyor, показали, что Марс - это не просто замерзшая пустыня. Скорее, планета претерпевает драматические изменения как в локальном, так и в глобальном масштабе.
Снимки крупным планом, сделанные Surveyor, который вращается вокруг Марса с 1997 года, намекают на то, что в некоторых из самых холодных регионов планеты вода недавно устремилась на поверхность (SN: 01.07.00, стр. 5: Марсианские утечки: Намеки на современную воду). Новые измерения, о которых сообщалось в декабре прошлого года, предполагают, что планета может претерпевать изменение климата, которое может значительно нагреть ее.
Ученые надеются, что Mars Odyssey вместе с флотилией других орбитальных кораблей и марсоходов, которые будут запущены в течение следующих 5 лет, начнет разгадывать некоторые загадки Красной планеты. Первоначально Odyssey планировалось иметь собственный посадочный модуль и марсоход, но НАСА решило отказаться от этого плана после последовательных потерь марсианского климатического орбитального аппарата и марсианского полярного посадочного модуля в 1999 году.
«Основная тема: где вода сегодня и где она была в прошлом?» - говорит Джонатан И. Лунин из Аризонского университета в Тусоне. «Была ли вода настолько обильна, что могла изменить химический состав минералов на поверхности?»
Космический корабль Odyssey оснащен несколькими устройствами, которые будут исследовать Красную планету по-новому. Гамма-спектрометр зафиксирует содержание химических элементов на поверхности, составив глобальную карту состава марсианской коры. Спектрометр также оснащен двумя детекторами нейтронов, которые будут искать водород - аналог воды - на глубине до 1 метра.
Другой прибор, тепловизионная система визуализации (THEMIS), представляет собой комбинацию камеры и теплового инфракрасного спектрометра. Используя инфракрасные детекторы, он будет определять содержание минералов в поверхностных породах в пространственном масштабе в одну пятидесятую меньше, чем когда-либо ранее. Минералы, химически измененные потоком воды, должны быть легко обнаружены таким образом. Прибор также будет составлять ежедневные карты температуры поверхности Марса, предоставляя информацию об обмене водой и углекислым газом между атмосферой планеты и ее полярными шапками. На картах могут быть отмечены признаки активных гидротермальных систем, таких как тепло, выделяемое извергающимися вулканами.
Третье устройство, Mars Radiation Experiment (MARIE), предназначено для измерения радиации у поверхности планеты и начала оценки того, как люди-исследователи могут безопасно работать в марсианской среде. Однако из-за компьютерного сбоя MARIE прекратила передачу данных во время путешествия на Марс, и НАСА не будет пытаться повторно активировать датчик, пока Odyssey не начнет свою картографическую миссию в следующем месяце.
Сюрпризы и парадоксы
Приборы на борту Mars Global Surveyor выявили множество сюрпризов и парадоксов о планете. Лазерный высотомер, который перестал работать в августе прошлого года, измерял высоту гор с точностью до сантиметра. Отражая лазерный луч от марсианского ландшафта, альтиметр обнаружил следы долин, вырезанных водой, и огромных бассейнов, которые, возможно, когда-то содержали в семь раз больше воды, чем Средиземное море (SN: 12/9/00, стр. 372).
С другой стороны, термоэмиссионный спектрометр Surveyor не обнаружил никаких признаков минералов, измененных водой, на поверхности Марса. По мнению геологов, отступающие океаны на Марсе, скорее всего, оставили после себя обилие таких минералов. Тем не менее, другие эксперты считают, что такие отложения могли покрываться смещающимся покровом пыли на протяжении миллионов лет, что затрудняло их идентификацию с орбиты без камеры с очень высоким разрешением, отмечает Джеймс Б. Гарвин, ведущий научный сотрудник по исследованию Марса в штаб-квартире НАСА в 2018 году. Вашингтон.
Магнитометр Surveyor выявил характер магнитного поля, который некоторые ученые интерпретируют как свидетельство тектонической активности Красной планеты: куски коры планеты могли скользить друг под другом, тот же глобальный процесс, который сформировал земную континенты.
Камера космического корабля с высоким разрешением, которая сделала более 100 000 снимков Марса, преподнесла свои сюрпризы. Камера сделала крупный план около 1 процента поверхности планеты, выявляя детали размером до 1,5 метра в поперечнике. При анализе нескольких из этих изображений исследователи выявили сотни недавно образовавшихся оврагов, что свидетельствует о том, что вода хлынула на поверхность относительно недавно. Любопытно, что овраги находятся на склонах крутых скал в некоторых из самых холодных мест Марса, где вода должна быть ледяной, а не жидкой.
Хотя вода, достигающая марсианской поверхности, не будет оставаться жидкой долгое время, тепло из недр планеты может растопить ледяной резервуар на несколько сотен метров под поверхностью, отмечает геолог Майкл С. Малин, построивший Сюрвейерская камера. Он и Кеннет С. Эджетт, оба из компании Malin Space Science Systems в Сан-Диего, предполагают, что когда вода достигает холодной поверхности, она замерзает и образует ледяную плотину, которая блокирует просачивание жидкой воды под собой.
Согласно их модели, давление жидкости в конце концов становится настолько большим, что она прорывает плотину и хлынет на поверхность с достаточной силой и объемом, чтобы создать овраги перед замерзанием и испарением.
Другие ученые утверждают, что вода, которой может не хватать как в атмосфере, так и на поверхности, не создавала оврагов. Вместо этого они утверждают, что углекислый газ, самый распространенный компонент атмосферы, сделал свое дело.
Лунин, его коллега из Аризоны Тимоти Д. Суиндл и Дональд С. Масселуайт из Космического центра НАСА имени Джонсона в Хьюстоне утверждают, что углекислый газ из марсианской атмосферы просачивается в поры горных пород на крутых склонах. скалы и конденсируется там в лед в течение зимы. По их мнению, на обнаженной поверхности скал также образуется дополнительный замерзший углекислый газ, закрывающий их, как крышка.
Весной углекислый газ внутри горных пород нагревается и расширяется, превращаясь в жидкость по мере того, как под крышкой растет давление. При этом крышка начинает испаряться и прорывается нижележащая жидкость.
Но не жидкий углекислый газ образует овраги, согласно модели, описанной Луниным и его коллегами в июльском 2001 г. Geophysical Research Letters. Они утверждают, что жидкий углекислый газ, который прорывается наружу, быстро испаряется и охлаждается, образуя снег, взвешенный в шлейфе углекислого газа, который еще недостаточно остыл, чтобы конденсироваться. Взвешенный материал соединяется с каменными обломками, образуя суспензию, которая течет как жидкость и прорезает овраги.
Поскольку углекислый газ должен сжижаться и быстро вырываться через крышку, модель требует, чтобы овраги возникали на склонах утесов, подверженных резким перепадам температуры между зимой и весной. Если Surveyor или Odyssey обнаружат признаки оврагов на плоской местности, которые не подвержены таким колебаниям, у модели могут возникнуть проблемы.
Хотя у Odyssey нет разрешения для обнаружения приповерхностных вод под отдельными оврагами, его широкий обзор все же может пролить свет на происхождение оврагов. Если, например, данные с корабля покажут, что овраги, как правило, лежат в районах с большими запасами подземных вод, теория Малина и Эджетта, основанная на воде, получит поддержку.
Одиссей ищет воду косвенно. Его нейтронные спектрометры могут идентифицировать места на Марсе, где нейтроны, рассеянные от поверхности, имеют в среднем более низкую энергию, чем в других областях. Поскольку столкновения с водородом, самым легким элементом, наиболее эффективно поглощают энергию нейтронов, дефицит энергии указывает на присутствие водорода. Большая часть водорода связана с водой.
«Мой прогноз состоит в том, что мы увидим концентрацию водорода во всех масштабах на Марсе, и мы все будем чесать бороды, пытаясь понять, что они означают», - говорит Гарвин. «В некоторых случаях это будет указывать на погребенный подземный лед; в других случаях - интригующие резервуары водоносных или водородосодержащих минералов».
Более высокое разрешение
THEMIS также может играть роль в определении происхождения оврагов. Система, которая имеет гораздо более высокое разрешение, чем аналогичный инструмент на Surveyor, может увеличивать масштаб отдельных оврагов и исследовать минералы в поверхностных породах. Если недавний поток воды образовал овраги, он оставил бы после себя водные отложения минералов, которые могли бы иметь уникальную инфракрасную сигнатуру.
Даже если овраги были высечены водой, эти особенности могут указывать лишь на ничтожное количество современной воды на Красной планете, предупреждает Гарвин из штаб-квартиры НАСА. Геодезист, возможно, сначала заметил овраги просто потому, что эти особенности более открыты, чем другие формы рельефа, вырезанные водой, или потому, что аппарат еще не исследовал большую часть планеты в таких же мельчайших деталях, предполагает он..
В качестве альтернативы, отмечает он, овраги могут указывать на последние места на Марсе, где еще есть резервуары с жидкой водой. В других местах вода, возможно, давно исчезла.
Некоторые исследователи Марса предположили, что обширная область на северных равнинах Марса может быть осадком того, что когда-то было большим водоемом. Два года назад исследователи сообщили, что лазерный высотомер Surveyor показал необычно плоскую местность. Джеймс Хед из Университета Брауна в Провиденсе, штат Род-Айленд, и его коллеги говорят, что плоскостность убедительно свидетельствует о том, что сотни миллионов лет назад здесь находился океан или озеро. Тем не менее, камера Surveyor не обнаружила следов береговой линии на краю региона. Гарвин отмечает, что на Земле стоячие водоемы, которые испарились, оставляют после себя предательское «кольцо ванны», границу между местом, где когда-то была вода, и прилегающими формами рельефа, которые не были под водой.
Составляя карты элементов и минералов в марсианской коре, Odyssey может помочь разобраться в кажущейся противоречивой информации от Surveyor. «Mars Odyssey - важный следующий шаг в понимании истории марсианской воды и обнаружении потенциальных мест, где недавно была вода», - говорит Лунин.
В конечном счете, для поиска воды могут потребоваться детекторы радаров, которые будут летать на борту двух направляющихся к Марсу кораблей - итальянской миссии, запуск которой запланирован на 2003 год, и миссии НАСА, которая должна стартовать в 2005 году. НАСА также приступило к разработке вездеходов, способных взбираться на крутые скалы, где находятся овраги. Эти роботы-вездеходы, значительно крупнее и мобильнее, чем марсоход размером с фургон, доставленный Mars Pathfinder в 1997 году, могут искать прямые доказательства недавней активности, связанной с водой.
Испаряющиеся ледяные шапки
Наблюдения, проведенные Odyssey и Surveyor, могут также пролить свет на поразительные выводы о современном марсианском климате, опубликованные в журнале Science от 7 декабря 2001 года. Используя камеру Surveyor, Малин и его коллеги обнаружили, что в течение полного марсианского года - примерно 2 земных года - стенки ям в южной полярной ледяной шапке отступали на 1-3 метра. Крышка в основном состоит из замороженного углекислого газа, и резкое уменьшение размеров предполагает, что большое количество материала испарилось в марсианскую атмосферу.
Если эта тенденция сохранится, вес марсианской атмосферы может увеличиваться примерно на 1 процент за десятилетие, по оценкам команды Малина. При более высоком атмосферном давлении вода с большей вероятностью останется жидкой на поверхности. Более того, со временем планета может стать значительно теплее и влажнее, возможно, вернувшись к условиям, существовавшим намного раньше в истории планеты.
Действительно, теоретики подсчитали, что за сотни тысяч лет ось вращения Марса может наклониться на целых 50 градусов. Если это так, то совсем другие климатические условия могли позволить когда-то в далеком прошлом иметь значительное количество жидкой воды на поверхности планеты.
Новые результаты также предполагают, что углеродный цикл мог быть таким же активным в недавнем прошлом, как и в течение прошлого марсианского года. По словам Малина, если активность вызвала повышение атмосферного давления на планете, это сделало бы «более вероятным, что в последнее время вода присутствовала в виде жидкости у поверхности». Он и его коллеги отмечают, что овраги могут быть видимыми указателями такого происшествия.
Если окружающая среда на Марсе изменилась так сильно и так быстро, как показывают снимки Surveyor, то несколько космических кораблей и спускаемых аппаратов, отправляющихся исследовать Красную планету в течение следующих нескольких лет, также смогут обнаружить признаки быстрые изменения.
Полагаясь на Odyssey в качестве водного разведчика, два космических корабля будут нести новейшие высокотехнологичные лозоходные удочки. Как в миссии Mars Express итальянского космического агентства, так и в миссии NASA Mars Reconnaissance будет использоваться радар, способный искать воду, скрытую на глубине до километра под поверхностью.
Возможность существования таких резервуаров открывает самую волнующую проблему из всех. Если на Марсе периодически происходят циклы замерзания и оттаивания, погребенные залежи льда «предположительно могут быть местами, которые могут быть убежищем для жизни», - говорит Лунин..
«Сейчас мы не знаем, так это или нет, но теперь я настроен оптимистично, у нас будут некоторые ответы в течение следующего десятилетия».