«Техника-молодежи» 2005 г №9, с. 2-7

TOP SCIENCE КОПНЕМ МАРС ПОГЛУБЖЕ Анатолий ХЛЫСТОВ, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник ГАИШ МГУ Не одно столетие человечество взирало с надеждой на Марс. Изучение возможности существования жизни на этой планете сменялось от всеобщей эйфории к всеобщему разочарованию. Сегодня, подводя итоги исследованиям Марса с помощью роботов, можно сделать вывод, что эта программа себя практически исчерпала. Дальнейший прорыв в наших знаниях о жизни на Марсе могут дать только пилотируемые экспедиции. Многие исследователи Красной планеты сейчас считают, что человек, выйдя на марсианские просторы и вооружившись даже самыми простыми инструментами, сделает больше, чем любой сложный спускаемый аппарат. Если космические державы объединят свои усилия, это может случиться совсем скоро. Кирка и лопата, возможно, наконец, поставят точку в ответе на извечные вопросы — есть ли жизнь на Марсе, нет ли жизни на Марсе? И если она была, что же там произошло?

МАРСИАНЕ

Приступая в 1877 г. к сугубо научной задаче — составлению полной карты Марса, итальянский астроном Джованни В. Скиапарелли не предполагал, что вскоре он выпустит из бутылки (точнее, из трубы телескопа) бессмертного джинна под названием «Жизнь на Марсе». Через три года, в 1880 г., Скиапарелли опубликовал свою первую карту, на которой, кроме «морей», как это было на картах 1870 г. французского астронома К. Фламмариона, были нанесены многочисленные детали в виде линий. В опубликованной на итальянском языке работе эти детали были названы canali, что можно перевести и как «каналы», и как «протоки», и как «русла» (рек). Однако в переводах этой работы на другие языки и в многочисленных комментариях к ней осталось только одно значение — каналы, т.е. искусственные сооружения. Это и послужило основанием для захватывающей воображение гипотезы о населенности Марса разумными существами, построившими гигантскую сеть оросительных каналов.

Какое громадное влияние оказало открытие Дж. Скиапарелли на современников, какая эйфория царила в обществе, можно понять на примере одного только абзаца из книги К. Фламмариона «Популярная астрономия» (С.-Петербург, 1902): «...В настоящее время мы настолько познакомились с географией Марса, что можем с большой уверенностью чертить карты этой планеты; указать, где расположены населенные местности, мы, конечно, еще не в состоянии, но рано или поздно, вероятно, и это удастся достигнуть с помощью более усовершенствованных телескопов».

Следует отметить, что сам Дж. Скиапарелли не считал предположение о существовании разумной жизни на Марсе научно обоснованным, что, впрочем, нисколько не охлаждало пыл многочисленных сторонников этой гипотезы. К их числу следует, в первую очередь, отнести Персивала Ловелла, успешного американского предпринимателя, выпускника Гарвардского университета, с детских лет интересовавшегося астрономией. Под влиянием работ Дж. Скиапарелли, он в 1893 — 1894 гг. построил хорошо оборудованную обсерваторию, специально предназначенную для планетных исследований и сразу же приступил к систематическим наблюдениям Марса. По материалам 10 лет наблюдений он составил самую точную по тем временам карту Марса, с нанесенными на нее 160 «каналами». Эта работа убедила даже самых упрямых скептиков в том, что «марсиане» действительно существуют.

МАРСОБОТАНИКИ

О том, что на Марсе может быть растительность, казалось, говорили наблюдения выдающегося английского астронома В.Гершеля. Еще в конце XVIII в. он заметил, что белые полярные шапки Марса меняют свои размеры со сменой сезона, испаряясь летом и намерзая зимой. При этом летом из полярных областей в умеренные широты распространяется «волна потемнения» участков поверхности, что можно рассматривать как появление растительности.

Большой вклад в дело исследования вопроса о наличии растительности на Марсе внес наш соотечественник Гавриил Адрианович Тихов (1875 — 1960), чл.-корр. АН СССР, основатель новой науки — астроботаники, посвятивший 40 лет своей жизни исследованиям Красной планеты. Сравнивая спектры земных растений и марсианской поверхности, он получил некоторые сходства в их характеристиках, что послужило основанием для вывода о существовании растительности на Марсе. Сейчас кажется невероятным, но в 1961 г. известные американские астрономы У. Келлог и К. Саган в своей книге «Атмосферы Марса и Венеры» писали: «В последние годы появились другие наблюдения, более убедительно указывающие на существование живых организмов на планете. В то время, когда водяные пары переносятся через атмосферу Марса вследствие таяния одной полярной шапки и образования другой, в темных областях наблюдаются сезонные изменения. Такие изменения могут быть истолкованы как сезонный рост и увядание марсианской растительности». Как видим, к началу 60-х гг. XX в. со времен Гершеля ничего не изменилось.

КТО «СКЛЕПАЛ» ФОБОС?

Немалую лепту в вопрос о реальности марсиан внес еще один наш соотечественник, известный астрофизик И.С. Шкловский. В 1959 г., находясь под большим впечатлением от полетов первых искусственных спутников Земли, запущенных в СССР, он обратил внимание на то, что открытое в 1945 г. американским астрономом Б. Шарплессом так называемое вековое ускорение спутника Марса Фобоса можно теоретически объяснить только в предположении, что Фобос не есть сплошное тело, а представляет собой пустотелую конструкцию. Наблюдательные факты, казалось, неопровержимо говорили в пользу того, что Фобос — искусственный спутник Марса, т.е. является творением рук марсиан.

Исторический скачок в исследованиях Марса произошел в июле 1965 г., когда американский космический аппарат «Маринер-4» прошел на расстоянии всего 10 тыс. км от Марса и передал качественные фотографии его поверхности. На фотографиях были видны многочисленные кратеры и безжизненная каменистая пустыня. И никаких каналов, никаких следов растительности. Комментируя эти фотографии, один наш астроном, обладающий специфическим чувством юмора, заметил, что теперь книгу Г.А. Тихова «Шестьдесят лет у телескопа» (1959) следует читать «Шестьдесят лет в трубу».

Летом 1969 г. сразу два зонда — «Маринер-6» и «Маринер-7» — прошли на расстоянии 3400 км от Марса и передали еще более детальные изображения его поверхности, напоминающей унылый лунный ландшафт.

В 1971 г. Марс стал обладателем первого искусственного спутника, сделанного руками землян: на орбиту вокруг Марса вышел «Маринер-9». В рамках подготовки будущих миссий с посадкой на поверхность Марса, этот зонд провел подробное картирование поверхности с великолепным для того времени разрешением около 100 м. Впервые с близкого расстояния были получены первые снимки спутников Марса — Фобоса и Деймоса, которые оказались каменистыми телами. Говорят, после опубликования этих снимков, И.С. Шкловскому, автору гипотезы об искусственных спутниках Марса, от одного из его знакомых пришла телеграмма, в которой тот писал, что очень тщательно изучил фотографии Фобоса, но никаких заклепок на нем не обнаружил. Так «Маринер-9» похоронил еще один миф о марсианах.

Исследования физических условий в марсианской атмосфере показали, что давление у поверхности Марса очень низкое (примерно 1 % земного). Хорошо известно, что при таком давлении жидкая вода мгновенно закипает. Таким образом, «Маринер-9» не оставил никакой надежды на существование жидкой воды где-либо на поверхности Марса. А поскольку для возникновения и развития жизни обязательно нужна вода, как считают многие биологи, шансы найти на Марсе хоть что-то живое стали совсем призрачными.

Итак, после 1971 г. вопрос о поиске на Марсе разумной жизни, животных или растений уже не возникал, а отсутствие жидкой воды ставило под сомнение целесообразность поисков даже простейших форм жизни. Однако к этому времени биологи обнаружили, что на Земле некоторые простейшие бактерии могут долгое время существовать и при отсутствии воды. Это открытие возродило новые надежды на возможность обнаружения простейших форм жизни даже в жесточайших условиях Марса.

И вот, в конце 1975 г. два американских аппарата — «Викинг-1» и «Викинг-2», посадочные модули которых были оснащены одинаковыми миниатюрными биологическими лабораториями для поиска жизни, легли на курс к Марсу. В июле — сентябре 1976 г. оба аппарата вышли на орбиты вокруг Марса, провели фоторазведку для выбора места посадки, а затем посадочные модули совершили мягкую посадку в Северном полушарии на расстоянии 7400 км друг от друга (один на Равнине Хриса, а другой на Равнине Утопия). Оба аппарата успешно провели заборы проб грунта, с которыми биологические лаборатории провели все запланированные биологические эксперименты. И оба аппарата дали одинаково обескураживающие результаты: никаких признаков жизни в пробах марсианского грунта не было обнаружено.

После завершения этого — главного, эксперимента, орбитальные блоки еще в течение нескольких лет проводили съемку поверхности Марса и изучали условия в его атмосфере. Были получены доказательства наличия водяного льда в северной полярной шапке и следы водяного пара в атмосфере, состоящей на 95% из углекислого газа. Сделан вывод, что глубокие и длинные каньоны, долины и образования, похожие на высохшие русла рек, образовались в далеком прошлом в результате выхода на поверхность больших масс подпочвенных вод. Это были интересные научные результаты, но они уже не могли развеять то уныние и разочарование, которое охватило землян после ознакомления с биологическими результатами миссии.

ГДЕ ПЛЕСКАЛИСЬ ОКЕАНЫ

Видимое изображение Западного полушария Марса и схема с каналами Скиапарелли

И вдруг, 25 июля 1976 г., блеснул новый яркий луч надежды: на снимке области Цидония ученые обнаружили что-то очень похожее на женское лицо, получившее название «Марсианский сфинкс» (диаметр около 1,5 км), а в нескольких километрах от него — целый «Город пирамид» с дорогами и полуразрушенными строениями, окружающими городскую площадь. Анонимные специалисты провели компьютерную обработку «лица сфинкса», после чего стали видны даже зубы во рту и слеза в уголке одного глаза. Эта сенсация сразу стала новостью номер один во всем мире и, несмотря на неоднократные заявления ученых о том, что «сфинкс» и «пирамиды» — это игра света и теней на марсианских скалах, держала в напряжении землян до 5 апреля 1998 г., когда очередной исследователь Марса — «Марс Глобал Сервейор» провел повторное фотографирование Цидонии со значительно лучшим разрешением (2 м против 43 м на первых снимках). Новые снимки, специально полученные при различных высотах Солнца над горизонтом Марса, показывали только бесформенные нагромождения камней.

Последовавшая после «Викингов» миссия «Марс Пасфайндер» с первым марсоходом «Соджорнер» (1997) позволила сделать важный вывод о том, что когда-то на Марсе была плотная атмосфера, на планете было тепло и существовали большие водные бассейны. Следовательно, были все условия для зарождения жизни. Встал вопрос, как объяснить исчезновение воды, атмосферы, а вместе с ними и гипотетической жизни.

С помощью высоких научных технологий «пропавшую» марсианскую воду вскоре удалось найти. Это сделал в мае 2002 г. российский нейтронный детектор, установленный на американской АМС «Марс — Одиссей».

Наш российский нейтронный датчик, установленный на американской АМС «Марс — Одиссей», обнаружил водород на глубине до 1 м

Когда космические лучи из межпланетного пространства достигают поверхности Марса, они взаимодействуют с верхним слоем почвы, в результате чего часть нейтронов рассеивается обратно в космос. Но если в почве имеется водород, то происходит сильное поглощение нейтронов. Детектор нейтронов по уменьшению рассеянного потока нейтронов может определить содержание водорода в почве. А так как вода содержит водород, тем самым мы получаем информацию о наличии воды до глубины примерно 1 м. На таких глубинах в условиях Марса вода существует только в виде льда. «Марс — Одиссей» обнаружил таким способом наличие водяного льда в полярных шапках Марса, подтвердив результаты «Викингов». Но настоящей сенсацией явилось обнаружение громадных залежей льда в средних широтах и в экваториальной зоне планеты. Подушка из песка и пыли надежно укрывает лед от таяния, и он может сохраняться миллионы лет. Так что у будущих колонистов Марса проблем с водой не возникнет.

В настоящее время поверхность Марса бороздят два марсохода — «Спирит» и «Оппортюнити» (пока их ресурс не исчерпан), а на орбите вокруг Марса трудится «Марс Экспресс». Они наносят дополнительные штрихи на портрет Марса. Так, «Оппортюнити», впервые дал сведения о том, что на плато Меридиана когда-то было очень много чрезвычайно соленой воды. Скорее всего, там плескался настоящий марсианский океан. «Марс Экспресс» также подарил несколько сенсаций. Первой стало обнаружение в атмосфере Марса метана и короткоживущего продукта его распада — формальдегида. Теперь ученые гадают, что является источником метана — действующие в настоящее время вулканы или гнилостные бактерии, живущие сейчас. По-видимому, придется остановиться на первом варианте, т.к. по заявлению немецкого планетолога Герберта Нойкума, сделанному им на экспресс-конференции в Европейском Центре космических исследований (ESTEC) в феврале 2005 г., «Марс Экспресс» обнаружил вблизи Северного полюса Марса совсем юные вулканы, высотой всего 600 м, которые, «весьма вероятно, и сегодня еще активны». Заметим, что почти годом ранее, анализируя имеющиеся в то время материалы наблюдений Марса, мы впервые сделали вывод о возможной слабой вулканической активности на Марсе в настоящее время (см. «ТМ», №4, 2004 г.).

КОМЕТА АТАКУЕТ.

Комета атакует Юпитер

Итак, уже в 1997 г. стало ясно, что миллиарды лет назад на Марсе было тепло и влажно, имелась плотная атмосфера и были моря, реки и озера. Какие же процессы привели Марс к состоянию мертвой планеты? Попробуем, опираясь только на наблюдательные факты, найти объяснение этому загадочному феномену.

Начнем с того, что в июле 1994 г. в Солнечной системе произошло грандиозное астрономическое событие, в котором земляне, к счастью, принимали участие только в качестве сторонних наблюдателей. Комета Шумейкера-Леви-9, которая двумя годами ранее имела неосторожность слишком близко подойти к Юпитеру и была разорвана его тяготением на 11 крупных и более десятка мелких фрагментов, снова вернулась к Юпитеру и рухнула на его поверхность. При подлете к Юпитеру комета наблюдалась как ниточка жемчуга из 21 бусинки. Средний размер «бусинок» был около 2 км, а растянулись они в пространстве на сотни тысяч километров, и поэтому падали на Юпитер строго по очереди с 16 по 22 июля. По наблюдениям с Земли, самый крупный, 3-километровый фрагмент, вошел в атмосферу Юпитера 18 июля со скоростью 60 км/с и вызвал взрыв, мощностью около 6 млн мегатонн в тротиловом эквиваленте, что в 600 раз больше суммарного арсенала взрывчатых веществ всех стран мира. Многие земные обсерватории наблюдали огненный шар размером несколько тысяч километров, поднявшийся над облачностью Юпитера. Если бы на пути кометы оказался не гигант Юпитер (его масса в 318 раз больше земной), а Земля, то последствия такого столкновения были бы катастрофическими.

Котлообразная впадина (кальдера) вулкана Олимп с крутыми склонами и плоским дном. Ее глубина достигает 3 км, а диаметр — 100 км

Выстраивание обломков кометы в виде «ниточки жемчуга» навели астрономов на мысль, что ударные кратеры на небесных телах иногда могут выстраиваться в виде цепочек. Действительно, такие цепочки, за 15 лет до описываемого события, были обнаружены на спутниках Юпитера Ганимеде (3 цепочки) и Каллисто (13 цепочек), где одна из цепочек состоит из 25 кратеров, растянувшихся на 620 км.

Если посмотреть на глобус Марса, то сразу бросается в глаза, что гигантские вулканы — Гора Арсия, Гора Павлина и Гора Аскрийская — находятся практически на одной прямой и расстояния между ними («шаг цепочки») почти одинаковые. Иными словами, мы имеем здесь случай идеальной цепочки вулканов ударного происхождения, возникших в результате пробоя коры Марса упавшими обломками какой-то кометы. Эта цепочка пересекает экватор под углом около 45° и направлена с юго-востока на северо-запад. Если цепочку продолжить в северо-западном направлении еще на один шаг, то мы попадем на компактную область из трех сравнительно небольших вулканов — Купол Урана, Патера Урана и Керавнский Купол. По-видимому, четвертый обломок кометы распался в атмосфере Марса на три осколка.

Если неизвестная комета, как и комета Шумейкера-Леви-9, состояла из десятков фрагментов и «бомбардировала» Марс в течение нескольких суток (марсианские сутки равны примерно 24 ч), то на Марсе должны были остаться несколько цепочек вулканов, расположенных также под углом 45° к экватору, но смещенных друг относительно друга по долготе вследствие вращения Марса вокруг своей оси (суточное вращение). Действительно, кроме упомянутой выше, мы нашли еще 4 цепочки вулканов (даем названия вулканов в цепочках в направлении с юго-востока на северо-запад):

Гора Олимп (самый крупный вулкан на Марсе), Патера Альба;

Скиапарелли, Анри, Кассини;

Бакхойзен, Фложерг, Тихонравов;

Шеберле, Гюйгенс.

Получается, что неизвестная комета состояла не менее, чем из 14 фрагментов, то есть, она была примерно такая, как комета Шумейкера-Леви-9.

Итак, миллиард или более лет назад, на Марс, окруженный плотной атмосферой и покрытый обширными морями, на эту вполне благополучную планету с теплым климатом, вполне пригодным для жизни, с неба, в течение нескольких страшных суток, в шлейфах пламени, с ужасным гулом и грохотом, стали падать камни километровых размеров. Можно предположить, что взрывы, сопровождавшие падение этих «бомб», на суше образовывали воронки, глубиной до 10 км, поскольку примерно такую глубину имеет известная кольцевая структура, оставшаяся на Земле от падения небольшого астероида в районе Юкатана.

Цепочки вулканов на глобусе Марса. Линии идут в одном направлении примерно под одним углом к экватору — возможная «работа» комет (а, б, с,)

В настоящее время, согласно исследованиям «Глобал Сервейор», толщина коры Марса варьирует от 80 км в южном полушарии, до 35 км в северном. Однако магнитные исследования того же «Глобал Сервейора» указывают на то, что миллиарды лет назад Марс имел магнитное поле, похожее на земное. Согласно современной теории планетарного динамо, магнитное поле может возникнуть только при наличии жидкого металлического ядра, а это предполагает очень высокие температуры в недрах планеты. Понятно, что из-за высоких температур кора Марса в те времена была значительно тоньше. Факт образования цепочек вулканов в результате падения фрагментов кометы позволяет сделать заключение, что толщина коры в местах падения не превышала тогда 10 км.

Итак, упавшие на Марс фрагменты кометы проломили его кору, и из недр Марса под громадным давлением одновременно забили десятки километровых фонтанов раскаленной магмы. В атмосфере Марса заклубились смерчи из сотен миллионов тонн выброшенной из воронок пыли, вулканического пепла, пемзы, шлаков и паров воды, фрагменты кометы, упавшие в моря, породили там километровые цунами, сметавшие все на своем пути на сотни километров в глубь материков. Весь Марс сотрясали катастрофические землетрясения, в результате которых возникли гигантские разломы типа Долины Маринера, Лабиринта Ночи и множества каньонов. Но это еще не было «концом света» для Марса.

«КОМЕТНАЯ ЗИМА» С ЯДЕРНОЙ ПОДОПЛЕКОЙ

Мы довольно подробно можем описать дальнейшее развитие событий на Марсе в те далекие времена, благодаря еще одному масштабному событию, произошедшему в Солнечной системе в конце 1971 г. и описанному нами в предыдущей работе (см. «ТМ», №4, 2004 г.).

Напомним, что в ноябре 1971 г. на орбиту вокруг Марса вышел первый искусственный спутник Марса — американская АМС «Маринер-9», а в декабре на поверхность Марса совершил мягкую посадку советский аппарат «Марс-3». Этим аппаратам пришлось начинать свою работу в условиях мощнейшей пылевой бури, продолжавшейся почти два месяца. Такое невезение обернулось ценнейшим открытием: оказалось, что пылевая буря создала необычную инверсию температуры — вынесенная в высокие слои атмосферы пыль блокировала солнечные лучи, в результате чего поверхность Марса остыла на целых 30°. а температура верхних слоев воздуха увеличилась за счет нагретых Солнцем пылинок.

Карл Саган, руководитель американской марсианской программы, тут же «примерил» это открытие для земных проблем. Это было время самого разгара «холодной войны» между СССР и США, и ученые по обе стороны Атлантики искали возможности предотвращения ядерной войны. Основываясь на результатах марсианских экспериментов, К. Саган с группой известных математиков построил компьютерную модель, описывающую изменение климата на Земле в случае возникновения полномасштабной ядерной войны.

Справедливо полагая, что ядерные удары будут наноситься, в основном, по крупным городам и военным объектам, скрытым, как правило, в лесах, ученые просчитали последствия пожаров от бомбардировок. Оказалось, что за счет циркуляции воздуха в атмосфере, дымы от пожарищ на территории противника уже через три недели окутают весь земной шар. И здесь начнется тот же процесс, как во время пылевой бури на Марсе — температура у поверхности Земли начнет падать, а верхняя атмосфера разогреется. Как показали расчеты, уже через месяц средняя температура Земли понизится на 10°, а через полгода уже на 25°, то есть, станет равной 0°С. В таком климате быстро исчезнут все виды растений, а животные вымрут, лишившись кормовой базы. Через год — другой и человечество, исчерпав запасы продовольствия, прекратит свое существование.

Расчеты по этому сценарию, названному «ядерной зимой», были независимо проведены в СССР и привели к тем же выводам. Стало ясно, что в современной ядерной войне победителей не будет. Символично, что этот научно-обоснованный призыв к миру инициировал Марс — бог войны.

А теперь «примерим» сценарий «ядерной зимы» к Марсу, подвергнувшемуся кометной «бомбардировке». Сотни миллионов тонн пыли, поднятые взрывами обломков кометы в атмосферу, а также громадные массы вулканического пепла от десятков одновременно извергающихся вулканов, создали кромешную тьму в марсианской атмосфере. В качестве бледной иллюстрации к происходившим там событиям, приведем некоторые сведения о самом катастрофическом за всю историю Земли извержении вулкана Кракатау в районе Зондских островов.

В 10 ч утра 27 августа 1883 г. в недрах вулкана произошел колоссальный по мощности взрыв, звук которого был слышен на расстоянии до 5 тыс. км. Из расколовшегося жерла вулкана были выброшены огромные массы обломков пород, пепла газов и пыли, поднявшихся до высоты 70 -80 км. На ближайших островах наступила кромешная тьма, и поднялся ураганный ветер. Ударная волна от взрыва три раза обошла земной шар, а цунами, высотой до 40 м, идущие одна за другой, достигли западных берегов Америки. Пепел покрыл площадь в 1 млн кв. км. Даже в странах Западной Европы прошли дожди с пеплом, а в районе Зондских островов почти целый год выпадали густые осадки в виде пемзы и пепла (см. «ТМ», №3, 2005 г.).

Горные породы Мафусаил на Марсе, слева — холм Кларк, справа вдалеке — холмы Колумбия (фото «Спирита»)	А может он был таким? Долина Маринер в представлении голландского художника Кииса Вииненбоса

Кракатау — это просто карлик, по сравнению с марсианскими вулканами. Когда, согласно нашему сценарию, более десятка вулканов начали извергаться одновременно, кромешная тьма от их дыма и пепла окутала весь Марс, а поднявшиеся ураганные ветры стали поднимать в верхние слои атмосферы дополнительные гигантские массы пыли.

Как и в сценарии «ядерной зимы», это вызвало быстрое падение поверхностной температуры и нижних слоев атмосферы. На первом этапе это привело к стремительной конденсации паров воды в облачном слое и длительным ливневым дождям, следы которых в виде глубоких оврагов и русел рек, сохранились до наших дней.

По мере дальнейшего остывания поверхности, жидкая вода на поверхности стала превращаться в лед, а ураганные ветры постепенно засыпали его пылью и обломками горных пород. На Марсе наступила «кометная зима», и жизнь на поверхности планеты, если она там ранее существовала, навсегда прекратилась.

Одновременно, разогретые верхние слои атмосферы в условиях низкой марсианской гравитации начали «испаряться» в космическое пространство, а быстро затухающая из-за охлаждения поверхности вулканическая активность не смогла восполнить эти потери. В результате, когда пыль и пепел осели на поверхность, Марс пришел к состоянию, которое мы сейчас наблюдаем — он окружен очень разреженной атмосферой с давлением у поверхности всего 0.007 бар (1% земного), средняя температура у поверхности равна — 63°С, а под толстым слоем пыли в виде отдельных обширных пятен прячутся ледяные поля. Вот такой он — «конец света» по-марсиански.