Марс до 1963 Г. — представления ловелла

 

Полярные шапки

Увеличение и уменьшение полярных шапок Марса земные наблюдатели считали доказательством наличия на этой планете атмосферы, но ее качественный и количественный состав долгое время оставался неизвестным. Диоксид углерода, который, как мы теперь знаем, является основной составляющей марсианской атмосферы, впервые был обнаружен на Марсе в 1947 г. известным американским астрономом, голландцем по происхождению, Джерардом П. Кюйпером (1905–1973). В своем исследовании Кюйпер воспользовался методом инфракрасной спектроскопии. При спектроскопическом изучении планет солнечный свет, отраженный планетой, собирается телескопом, а затем с помощью призмы или решетки разлагается в характеристический спектр, в данном случае — в спектр инфракрасного излучения. Далее полученный спектр сравнивают с аналогичным спектром, например Луны или, в зависимости от необходимости, другой части той же планеты. Различные соединения поглощают свет разных длин волн, что делает возможным их химическую идентификацию. Сравнивая спектр планеты, имеющей атмосферу, со спектром Луны, у которой атмосфера отсутствует, и учитывая при этом поглощение света в земной атмосфере, можно получить истинный спектр исследуемой атмосферы. Поскольку количество поглощенной энергии зависит от массы поглощающего вещества, такой спектр несет не только качественную, но и количественную информацию. Таким образом, по спектру можно не только установить, какой газ находится на пути света, поглощая его, но и определить концентрацию этого газа.

 

Рис. 7. Карта Марса с каналами, составленная в 1907 г. Ловеллом Названия различных районов были даны еще Скиапарелли. (Фотография Ловелловской обсерватории.)

 

Рис. 8. Эта фотография, сделанная в 1911 г., объясняет, почему так трудно изучать Марс с Земли. Как здесь видно, Марс появляется из-за Луны над затемненной частью ее поверхности. Хотя в это время он был относительно близок к Земле, по своим размерам казался не больше самого маленького лунного кратера. (Фотография Ловелловской обсерватории.)

 

Область длин волн, лежащая за красным концом видимого спектра, называется инфракрасным (ИК-) излучением. В этой спектральной области находятся линии поглощения многих химических соединений. Сопоставив спектр отраженного ИК-излучения Марса с аналогичным спектром Луны, Кюйпер обнаружил, что в марсианском спектре ослаблены линии, соответствующие некоторым длинам волн вблизи 1,6 мкм (микрон: 1 мкм = 10^-6 м). Известно, что эта область длин волн соответствует полосе поглощения диоксида углерода. Кюйпер оценил, что количество СО2 над исследуемой областью марсианской поверхности в два раза больше, чем над такой же (по площади) областью Земли. Исходя из этого, он вычислил, какое давление создает на Марсе диоксид углерода, приняв во внимание, что сила тяготения на этой планете слабее, чем на Земле. Он получил, что атмосферное давление на Марсе равно 0,26 мм Hg (ртутного столба), или 0,35 мбар[14]. Кюйпер ошибся: его результат оказался примерно в 16 раз ниже истинного значения. Эта ошибка имела важные последствия, так как позволила Кюйперу утверждать, что полярные шапки на Марсе не могут состоять из замерзшего диоксида углерода (сухого льда). Если бы давление диоксида углерода было столь низким, как следовало из расчетов Кюйпера, то для вымораживания этого газа из атмосферы потребовалась бы нереально низкая температура. Несколькими годами позже выяснилось, что Кюйпер неправильно рассчитал давление СО2: однако это открытие не повлияло на общий ход событий.

Единственным другим веществом, из которого могли бы состоять марсианские полярные шапки, является вода в замерзшем состоянии: лед, снег или иней: однако поиски в атмосфере Марса паров воды, предпринятые различными астрономами, оказались безуспешными. Поэтому Кюйпер продолжал изучать северную полярную шапку непосредственно методом ИК-спектроскопии. Вследствие малых размеров шапки анализ результатов наблюдений вызывал немалые трудности, но, видоизменяя спектрометр так, чтобы повысить его чувствительность, и многократно повторяя наблюдения, Кюйпер в конце концов убедил себя в том, что "марсианские полярные шапки состоят не из СО2, а почти несомненно из Н2О, замерзшей при низкой температуре". Нота осторожности, звучащая во второй части этого заключения, связана с тем, что спектр отражения марсианской полярной шапки не полностью соответствовал спектру земного снега, полученному Кюйпером.

Здесь он опять ошибся: меняющиеся в зависимости от сезона части шапок действительно образованы из замерзшего диоксида углерода, а не из воды, но эту ошибку обнаружили лишь почти через 20 лет. Напротив, неправильный вывод Кюйпера, казалось бы, подтверждался результатами Одуэна Дольфуса из Парижской обсерватории, который использовал другой метод, основанный на поляризации отраженного света. Обычный неполяризованный солнечный свет представляет собой электромагнитные волны, в которых векторы электрического и магнитного полей колеблются во всех направлениях в плоскости, перпендикулярной направлению распространения светового луча. Однако у света, который отражается, рассеивается или проходит через некоторые специфические вещества, эти колебания происходят в строго определенном направлении. В таком случае говорят, что свет поляризован. Степень поляризации отраженного света зависит от угла зрения, а также от структуры, прозрачности и других физических свойств отражающей поверхности. Дольфус, обладавший большим опытом исследования планет методом измерения поляризации света, решил применить его и для изучения марсианских полярных шапок.

Как и Кюйпер, Дольфус отмечал, что размеры шапок невелики и потому их исследование связано с трудностями. Однако ему удалось сделать несколько измерений, и он обнаружил, что поляризационный эффект оказался намного меньше, чем при аналогичных измерениях на Земле поляризации света, отраженного от лежащих на горных склонах льда, инея и снега, наблюдаемых под тем же углом зрения. Затем Дольфус провел серию лабораторных экспериментов. Они показали, что эффект поляризации, вызванный слоем инея, имел сходство с эффектом поляризации, обусловленным марсианскими полярными шапками, при двух условиях: во-первых, если иней осаждался на холодной поверхности при низком атмосферном давлении (как и должно было происходить на Марсе), и, во-вторых, если при этом он частично возгонялся, т. е. испарялся в твердом состоянии, под воздействием дуговой лампы. Подобное, вероятно, могло происходить с марсианскими полярными шапками под влиянием солнечного излучения. На основании этих результатов Дольфус пришел к выводу, что полярные шапки, по всей видимости, образованы инеем.

Дольфус не проводил сравнительных экспериментов с твердым диоксидом углерода, но явное совпадение его результатов с данными Кюйпера убедило многих исследователей Марса, что вопрос о природе полярных шапок решен. Далее мы цитируем заключение комиссии специалистов, многие из которых впоследствии сделали важный вклад в наши представления о Марсе. Эта комиссия была назначена Советом по космическим исследованиям, созданным для консультаций НАСА на ранних этапах разработки программы по изучению планет. Приведенная цитата дает представление о взглядах ученых.

 

Инфракрасные спектры света, отраженного от полярных шапок, убедительно свидетельствуют, что эти образования на Марсе состоят не из замерзшего диоксида углерода единственного поддающегося конденсации соединения, наличие которого, кроме воды, можно было бы ожидать; спектры отражения также вполне согласуются с предположением, что полярные шапки образованы льдом… Данные по изучению поляризации пока- зывают, что полярные шапки состоят из инея…

 

Далее в своем докладе эта же комиссия настаивала на выводах, подобных тем, к которым 63 года назад, в 1898 г., пришел Ловелл. По ее мнению:

 

… так как полярные шапки состоят из замерзшей воды, их сезонные изменения прямо указывают на то, что в атмосфере Марса присутствуют пары воды. С учетом чередующегося изменения размеров полярных шапок в противоположных полушариях циркуляция нижних слоев атмосферы должна быть такова, чтобы обеспечивать перемещение водяных паров из одного полушария в другое.

 

Атмосферное давление

Ряд взаимосвязанных ошибок послужил причиной возникновения неправильного представления о другом важнейшем параметре — атмосферном давлении. И опять это вызвано стремлением приписать Марсу большее сходство с Землей, чем есть на самом деле. Во времена Ловелла марсианское атмосферное давление измеряли двумя основными методами — фотометрии и поляриметрии. Как известно, молекулы газа рассеивают свет. В частности, именно этим объясняется голубой цвет неба: атмосфера рассеивает падающий солнечный свет равномерно во всех направлениях, но поскольку свет с более короткими длинами волн (синяя область спектра) рассеивается гораздо сильнее, чем длинноволновый (красная область), мы видим небо голубым. Поскольку рассеяние света атмосферой влияет на яркость поверхности планеты, измерение яркости на различных длинах волн и при различной плотности атмосферы (что достигается наблюдением планеты под разными углами) может служить средством для оценки величины атмосферного давления. Кроме того, поскольку рассеянный свет поляризован, измерение степени поляризации дает возможность проверить полученные результаты.

Трудность, однако, состоит в том, что характер рассеяния света зависит не только от его длины волны и плотности атмосферы, но и от состава последней, а также наличия или отсутствия в ней пыли и других взвешенных частиц. Чтобы обойти это и другие препятствия, обусловленные, например, поляризацией света при отражении от поверхности планеты, исследователям до 1963 г. приходилось при расчете атмосферного давления делать некоторые неподдающиеся проверке допущения. В результате, по словам Клода Мишо и Рэя Ньюберна из Лаборатории реактивного движения, "каждый новый исследователь, ссылаясь на "произвольные допущения" своих предшественников, выдвигал новый набор своих собственных".

Несмотря на все трудности, со времен Ловелла было предпринято не менее десяти попыток использовать фотометрический и поляриметрический методы для определения величины давления на поверхности Марса. Результаты этих обычно вполне согласующихся друг с другом измерений были проанализированы французским астрономом Жераром де Вокулёром в его широко известной книге о Марсе. английское издание которой появилось в 1954 г. Де Вокулёр пришел к выводу, что наиболее вероятное значение атмосферного давления у поверхности Марса равно 85 ± 4 мбар. (Эта цифра прекрасно совпадала с величиной, ранее полученной Ловеллом: в своей книге "Марс и жизнь на нем", опубликованной в 1908 г., Ловелл, используя фотометрический метод, оценил величину давления в 64 мм Hg, что равно 85 мбар!) После повторной проверки данных упомянутая выше комиссия экспертов пришла к следующему заключению: "Вряд ли истинное значение давления на поверхности [Марса] отличается от 85 мбар больше чем в 2 раза". В действительности же истинное значение поверхностного давления отличается от 85 мбар более чем в 10 раз!

 

 

Растительность

Убежденность Ловелла в том. что темные области на поверхности Марса покрыты растительностью, основывалась на голубовато-зеленой окраске, которая, как показывали наблюдения, изменялась со сменой сезонов. Весной это, как говорил Ловелл, "весеннее движение", или "волна позеленения", начинающееся у края темной полосы, окружающей полярную шапку, перемещалось вдоль каналов по направлению к экватору и дальше. По оценке Ловелла, скорость распространения "волны позеленения" составляла 51 милю (82 км) в день. Согласно его схеме, волна усиления окраски свидетельствовала о развитии растительности в период, когда в низких широтах в достатке появлялась вода, что было связано с ее регулярным перемещением в атмосфере планеты от одного полюса к другому. Ловелл понимал, что направление движения "волны потемнения" (как ее стали называть) противоположно тому, что наблюдается на Земле, где весенний рост растительности, начинаясь в умеренных широтах, распространяется к полюсу. Но он был убежден. что именно этого следует ожидать на планете, где жизнь существует в условиях дефицита воды.

Наблюдения Марса в телескоп, проведенные уже после смерти Ловелла, подтвердили наличие темной полосы вокруг полярной шапки и сезонных изменений в окраске морей. В настоящее время эти явления принято объяснять перемещением облаков пыли ветрами, направление которых изменяется в зависимости от сезона. Возможно, что темная полоса вокруг полярной шапки-это просто оптический эффект, обусловленный появлением слоя замерзшего диоксида углерода, который обнажается в результате возгонки лежащего на нем инея. Однако на протяжении десятилетий после смерти Ловелла господствовала гипотеза о существовании па Марсе растительности, и к 1960 г. казалось, что она скоро будет окончательно доказана.

История этого вопроса берет свое начало в 1947–1948 гг., когда Дж. П. Кюйпер, утверждавший, что марсианские полярные шапки состоят из водяного льда, обратил внимание на то, что он назвал "зелеными областями" Марса. Он собирался сравнить спектр света, отраженного от этих областей, со спектрами света, отраженного от поверхностей, покрытых высшими растениями, лишайниками и мхами. Лишайники представляют собой симбиозы грибов и водорослей. Они имеют зеленый или зеленоватый цвет и, подобно высшим растениям, осуществляют фотосинтез с помощью хлорофилла. Обладая чрезвычайной выносливостью, эти организмы населяют холодные, сухие, малоблагоприятные для жизни места, где редко встречаются другие виды.

Кюйпер не обнаружил сходства между спектрами света, отраженного от высших растений и лишайников. В то время как в видимой и инфракрасной областях спектра света, отраженного от высших растений, наблюдалось с десяток пиков, чередующихся с провалами, у лишайников соответствующий спектр не имел столь характерных особенностей — он был почти ровным. Подобный спектр получили и при исследовании мхов. По техническим причинам Кюйперу не удалось получить полной спектральной картины зеленых областей Марса: он исследовал лишь отраженный от них свет на четырех различных длинах волн. Он убедился, что эти спектры отличаются от спектров зеленых растений, но весьма сходны со спектрами мхов и лишайников. Однако спектр, лишенный характерных особенностей, вряд ли можно было рассматривать как надежное доказательство существования на Марсе какой-либо формы жизни; поэтому "волне потемнения" дали объяснение небиологического характера. Согласно новой гипотезе, сезонные изменения на Марсе происходят в то время, когда неорганические вещества на его поверхности поглощают из атмосферы водяные пары, которые весной перемещаются по планете, а затем теряют их осенью, когда атмосфера становится сухой. Существует много соединений такого рода, которые меняют цвет при поглощении или потере влаги. Известный английский астроном, эстонец по национальности, Эрнст Опик выступил в 1950 г. против этой гипотезы, указав на то, что пылевые бури — в телескоп они видны как желтые тучи, порой окутывающие всю планету, — давно засыпали бы темные области, будь они просто минеральными отложениями на поверхности. Опик высказал предположение, что, поскольку одни и те же области всегда вновь появляются в поле зрения по окончании марсианских бурь, они, по-видимому, обладают способностью к регенерации.

Проанализировав все эти факты и отдав должное аргументам Опика, Кюйпер пришел к выводу, что в темных областях "имеются очень хорошие" условия для существования жизни. Однако он считал маловероятным, что марсианские лишайники идентичны земным, так как это свидетельствовало бы о параллельной эволюции, что абсолютно исключено, и, кроме того, наши лишайники никогда не меняют цвета осенью.

Суждение Кюйпера в лучшем случае осталось бы только предположением, если бы вскоре оно не было подтверждено поразительным результатом, полученным молодым американским астрономом В. М. Синтоном. Как и Кюйпер, Синтон исследовал отраженный свет Марса, но не во всем диапазоне, а лишь в узком интервале длин волн в инфракрасной области (около 3.5 мкм), где наблюдается сильное поглощение, соответствующее углерод-водородным связям. Поскольку этот тип связей имеется в молекулах всех органических веществ, Синтон считал, что если волна потемнения обусловлена растительной жизнью, то это можно будет обнаружить по поглощению света в указанной области спектра. Изучение спектров отражения лишайников, мхов и сухих листьев подтвердило, что для них действительно характерно поглощение в этом диапазоне. Затем, исследуя в течение четырех ночей отраженный свет Марса, Синтон обнаружил в его спектре полосу поглощения максимумом на волне 3,46 мкм, т. е. точно там же, где и у исследованного ранее растительного материала. Два года спустя, в 1958 г., Синтон повторил свои наблюдения, но с использованием более совершенного 200-дюймового (1 дюйм = 2,54 см) телескопа Маунт-Паломарской обсерватории. На этот раз ученый смог проанализировать отдельно свет, отраженный от темных и от светлых областей Марса. В спектрах темных областей были обнаружены три полосы поглощения вблизи 3,5 мкм, характерные для органических соединений. В спектрах светлых областей поглощение было слабым или вообще отсутствовало. Казалось бы, возможно ли более убедительное подтверждение предположений Ловелла и Кюйпера!

Но обнаруженные Синтоном полосы поглощения не убедили комиссию Совета по космическим исследованиям, которая отметила, что "вероятность того, что эти полосы образуются в результате комбинации спектров неорганических веществ, по-видимому, еще не исследована в достаточной мере". Однако относительно возможности существования жизни на Марсе комиссия сделала такой вывод:

 

В целом представленные доказательства позволяют предположить существование жизни на Марсе. В частности, данные о наличии паров воды именно таковы, каких следовало ожидать для планеты, довольно сухой в настоящее время, но когда-то, вероятно, имевшей значительно больше воды на поверхности. Имеющиеся в нашем распоряжении немногочисленные факты могут свидетельствовать лишь о наличии микроорганизмов, о существовании же крупных организмов и животных, способных к передвижению, достоверных данных не получено.

 

Марс в действительности

 

Атмосферное давление

Снятие с Марса покрова таинственности, к чему мы сейчас приступаем, отражает истину, сформулированную много лет назад двумя учеными-философами Моррисом Коэном и Эрнстом Нагелем: "В общем можно сказать, что наука будет в безопасности до тех пор, пока существуют люди, которые заботятся о корректности используемых ими методов больше, чем о результатах, полученных с их помощью".

"Деловеллизация" Марса началась с одной-единственной, но исключительной по качеству спектрограммы, полученной на Маунт-Вилсоновской обсерватории в апреле 1963 г., которую затем проанализировали Льюис Каплан. Гвидо Мюнх и Хайрон Спинард, сотрудники Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института. В спектрограмме атмосферы Марса обнаружились полосы поглощения в инфракрасной области, характерные для диоксида углерода и, впервые, для паров воды. Спектр СО2 представлял особый интерес, поскольку в нем были как слабые линии поглощения, ширина которых зависит лишь от содержания в атмосфере СО2, а не от общего атмосферного давления, так и сильные, ширина которых зависит от обоих этих параметров. Таким образом, наконец появилась возможность рассчитать относительное содержание в атмосфере Марса СО2, а также общее атмосферное давление у поверхности. Самое важное заключалось в том, что атмосферное давление теперь можно было вычислить, основываясь только на известных физических законах, не прибегая ни к каким искусственным допущениям, которые ставили бы под сомнение результаты всех предыдущих расчетов.

Анализ спектрограммы, сделанный Капланом, Мюнхом и Спинардом, дал неожиданный результат: атмосферное давление на Марсе оказалось намного ниже, а содержание СО2 — намного выше, чем предполагалось прежде. Так, по наиболее точным оценкам этих ученых, общее атмосферное давление оказалось равным 25 мбар, а давление СО2 — 4 мбар, тогда как ранее они предполагались равными 85 и 2 мбар соответственно. Авторы отмечали большие погрешности в своих вычислениях, обусловленные неопределенностью в результатах некоторых измерений (все расчеты производились на основе всего лишь одной фотографической пластинки), но выразили надежду, что дальнейшие наблюдения позволят уточнить полученные результаты. В конечном счете было показано, что даже 25 мбар — слишком большое значение для атмосферного давления у поверхности Марса.

Статья Каплана, Мюнха и Спинарда, опубликованная в 1964 г., открывает "постловелловскую эру" в изучении Марса. Большие усилия были затрачены на повторные исследования атмосферного давления и состава атмосферы. Это было важно не только потому, что полученные результаты интересны сами по себе, но и по той причине, что без точных данных невозможна разработка космического аппарата для посадки на планету. Когда в 1965 г. Марс в очередной раз оказался на минимальном расстоянии от Земли, его атмосферу тщательно исследовали в телескопы наземных обсерваторий, а также с помощью аппарата "Маринер-4" — первого американского космического корабля, запущенного к Марсу.

Следующую неожиданность в развернувшуюся марсианскую эпопею принесли полные и богатые информацией результаты, полученные "Маринером-4". При этом использовался метод измерения атмосферного давления, совершенно новый для исследований Марса. Прежде всего потребовался точный расчет траектории полета космического аппарата, которая должна была проходить таким образом, что "Маринер-4" на протяжении примерно одного часа дважды заслонялся Марсом. Приблизительно в течение 2 мин, предшествующих действительному заходу аппарата за видимый диск планеты, радиоимпульс, посылаемый "Маринером-4" на Землю, проходил, преломляясь и искривляясь, через марсианскую атмосферу. То же самое происходило 54 мин спустя, когда космический аппарат выходил из-за диска Марса. При приеме это) о радиосигнала на Земле его преломление точно измерялось, а поскольку величина его зависит от плотности атмосферы, был получен полный "профиль" давления с внешнего края атмосферы Марса и до той точки на поверхности, где космический аппарат заходил за диск планеты или появлялся из-за него.

Полученная таким образом величина давления оказалась удивительно низкой: 4–7 мбар в зависимости от температуры атмосферы и реального содержания диоксида углерода (которое к тому времени было точно известно). На Земле атмосферное давление имеет такое значение на высоте около 32 км. Сначала предполагалось, что столь низкие величины давления должны относиться к высоким точкам поверхности Марса, а не ко всей планете в целом. Однако от этой мысли пришлось отказаться. Начиная с 1965 г. было сделано много измерений марсианского давления, которые проводились различными методами и с разных точек наблюдения: от спектроскопических исследований с Земли всей видимой поверхности планеты до локальных измерений, осуществленных с помощью датчиков давления непосредственно на поверхности планеты, куда они были доставлены спускаемыми аппаратами "Викинг". Все полученные результаты хорошо согласуются в том, что средняя величина давления, которая может слегка варьироваться в зависимости от места и времени года, существенно ниже 10 мбар. Оценки, сделанные разными авторами, колеблются в пределах 5–7 мбар, поэтому в качестве разумного приближения можно принять величину атмосферного давления равной 6 мбар. Давление на Равнине Эллада, одном из самых низких районов на Марсе, должно составлять примерно 8,6 мбар, а на вершине горы Олимп, самой высокой точке планеты, — около 0,5 мбар.