Зонд-разведчик «Венера-экспресс»
Ни одно другое небесное тело на ночном небосводе не светит столь ярко как Венера, которую в зависимости от времени года величают то Утренней, то Вечерней Звездой. Хотя свое название планета Венера получила в честь римской богини любви, условия жизни на ней совсем не райские. Во-первых, на Венере царит адская жара – средняя температура составляет 470 градусов Цельсия, во вторых, атмосферное давление там в 90 раз выше земного, а в верхних слоях атмосферы непрерывно бушуют ураганы. Планетологи в шутку называют Венеру адом на небесах.
Почему же наиболее близкая к Земле по типу планета, превратилась в необитаемую пустыню? Отчего поверхность планеты состоит практически исключительно из двуокиси углерода, а облака из взвешенных капелек серной кислоты? Несмотря на то, что Венеру уже не раз посещали как американские, так и советские зонды-разведчики, ответы на эти вопросы пока не найдены – вторая от солнца планета по-прежнему стойко хранит свои секреты. И вот теперь европейцы решили нанести визит вежливости Венере в надежде проникнуть под густую вуаль облаков, до последнего времени плотным покровом закрывающую таинственную незнакомку от нескромных взглядов исследователей. О ходе этой миссии и пойдет рассказ в сегодняшнем выпуске передачи «Наука и техника».
В ноябре 2005 года с российского космодрома Байконур в Казахстане стартовала ракета «Союз» с европейским зондом «Венера-экспресс» на борту. Зонд-разведчик, проведя в пути около пяти месяцев, и пролетев в общей сложности 400 миллионов километров, 12 апреля был захвачен гравитационным полем Венеры. Для осуществления этого сложного маневра спутник развернул свои дюзы в направлении полета и в течение часа тормозил двигателями, израсходовав при этом 90 процентов имевшегося на борту ракетного топлива. За ходом выполнения этого маневра инженерами из центра управления полетами европейского космического агентства ЕСА в Дармштате наблюдал журналист Дирк Лоренцен:
Торможение в космосе – дело не простое. Зонду Венера-Экспресс нужно было снизить свою крейсерскую скорость с 29 тысяч до 24 с половиной тысяч километров в час. Для этого он развернулся на 180 градусов и в течение долгих 50-ти минут тормозил двигателями. В ходе торможения зонд сжег 90 процентов имевшегося на борту топлива, в результате чего он не только снизил скорость, но и потерял достаточно большую массу, чтобы позволило ему попасть в поле притяжения Венеры.
На рабочую орбиту «Венера-экспресс» выйдет в начале мая, после того, как в курс спутника будут внесены соответствующие коррективы. Только тогда зонд сможет непосредственно приступить к выполнению программы научных исследований. Период обращения "Венеры-Экспресс" по орбите составит 24 часа. Из них 16 часов будет отведено научным наблюдениям и экспериментам. Остальные 8 часов "Венера-Экспресс" станет передавать данные на Землю и получать "задание" на следующий день. Работа с аппаратом будет вестись через антенну дальней космической связи, специально построенную Европейским Космическим Агентством для миссии "Венера-Экспресс". Равный земным суткам орбитальный период "Венеры-Экспресс" позволит наземным службам поддерживать регулярные сеансы связи без необходимости сверхурочных работ. Миссия "Венера-Экспресс" рассчитана на три земных года. Из-за очень медленного вращения Венеры вокруг собственной оси за это время на ней пройдет лишь около четырех суток, а научные приборы станции смогут четырежды исследовать суточный цикл.
Концептуально «Венера-Экспресс» практически не отличается от своего старшего брата – марсианского орбитального спутника «Марс-Экспресс». Только направление полета было изменено. На этот раз мы летим к солнцу.
Объясняет Дэвид Саусвуд – научный директор европейского космического агентства. Изменения в конструкции венерианского аппарата связаны в основном с тем, что он будет работать в два раза ближе к Солнцу, чем его марсианский предшественник. Вчетверо больший поток солнечного излучения у Венеры заставил конструкторов изменить внешнюю тепловую изоляцию аппарата. "Золотое" покрытие "Венеры-Экспресс" будет отражать бОльшую долю солнечного излучения, предохраняя станцию от перегрева. Задача теплового покрытия у марсианского экспресса была прямо противоположной - сохранить тепло. Второе изменение, также связанное с полетом во внутреннюю часть Солнечной системы, касается конструкции панелей солнечных батарей. На "Венере-Экспресс" длина панелей уменьшена вдвое и вместо кремния использован арсенид галия, который в этих условиях обладает лучшими характеристиками.
Внешне венерианский зонд напоминает здоровый холодильник – эдакий куб полтора на полтора.На выдвижных крыльях, размах которых составляет 8 метров, расположены панели солнечных батарей, питающие приборы электроэнергией. Всего на зонде Венера-экспресс имеется 7 научно-исследовательских инструментов, с помощью которых спутник с безопасного расстояния будет исследовать поверхность Венеры.
Пять из них унаследованы от прошлых космических миссий Европейского Космического Агентства: марсианского орбитального аппарата "Марс-Экс-пресс" и кометного зонда "Розетта". Эти приборы вполне соответствуют требованиям миссии и в состоянии выполнить научные задачи по исследованию Венеры. Говорит Томас Ширман (Thomas Schirmann), главный инженер проекта «Венера-Экспресс»:
Инфракрасные камеры на борту зонда помогут нам узнать много нового относительно атмосферы Венеры. Аналогичные приборы использовались при осуществлении миссий «Марс-экспресс» и «Розетта». Они хорошо себя зарекомендовали и поэтому мы решили использовать их для полета к Венере.
Мощная атмосфера Венеры на 96 с половиной процентов состоит из двуокиси углерода. Другие составляющие присутствующие в атмосфере в количестве сотых долей процента, создают сложнейшую химическую систему. У верхней границы облаков на высоте около 70 километров фотохимические реакции под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца приводят к образованию мельчайших частиц серной кислоты, которые, постепенно оседая, формируют облачный слой, один из самых мощных в Солнечной системе. В подоблачном слое атмосферы происходит разложение серной кислоты. Здесь вплоть до поверхности господствуют термохимические реакции между серосодержащими и углеродсодержащими компонентами.
Одна из главных загадок - наличие в атмосфере планеты значительных объемов двуокиси серы. Это противоречит результатам химических моделей, которые предсказывают быстрое связывание двуокиси серы минералами поверхности. Большое содержание этого газа может косвенно свидетельствовать о работе вулканов, которые постоянно пополняют запасы двуокиси серы в атмосфере.
Спектрометр инфракрасного излучения на борту зонда «Венера-Экспресс» поможет ученым отличить действующие вулканы от потухших, а также составить температурную карту всей поверхности планеты, которая является одной из самых молодых в Солнечной системе. Относительно небольшое количество метеоритных кратеров позволили сделать вывод, что около 500 миллионов лет назад - срок в геологическом отношении относительно небольшой - Венера испытала вспышку вулканической активности, которая привела к "омоложению" поверхности.
Причины катаклизма остаются загадкой, прояснить которую призвана созданная специально для зонда "Венера-Экспресс" миниатюрная цифровая четырехканальная камера. Эта фотокамера была разработана специалистами из института планетологии имени Макса Планка и является единственным принципиально новым измерительным инструментом на борту спутника.
Наша камера имеет четыре оптических канала. Голубой ультрафиолетовый канал для проведения фотосъемки верхнего слоя венерианских облаков, где какой-то до сих пор неизвестный нам элемент поглощает половину солнечного света. Кроме того, там есть канал для фиксации диффузного свечения в видимом спектре. Плюс два инфракрасных фильтра – один для съемки излучения исходящего от поверхности на ночной стороне Венеры, другой для измерения поглощения света водяными парами в атмосфере.
Говорит Войчек Маркевич (Wojciech Markewiechz) руководитель проекта в институте планетологии имени Макса Планка.
В 80-х годах пошлого столетия было сделано удивительное открытие, которое сделало миссию зонда «Венера-экспресс» технически осуществимой. Тогда астрономы обнаружили свечение ночной стороны Венеры в определенных участках инфракрасного спектра. Оказалось, что при столь высоких температурах тепловое излучение поверхности становится существенным и пробивается сквозь облака в узких спектральных интервалах между полосами поглощения атмосферных газов, которые получили название "окна прозрачности". Это открытие дало уникальную возможность исследовать подоблачную атмосферу Венеры с орбиты, что ранее могли делать только посадочные зонды с весьма ограниченными возможностями.
В задачи приборов зонда «Венера-экспресс» входит изучение структуры, состава и динамики надоблачной атмосферы. С высокой точностью и хорошим пространственным разрешением будут исследованы температура верхней атмосферы, концентрация и распределение водяного пара и двуокиси серы, из которых образуются частицы облачного слоя. Наблюдение движения деталей облаков в ультрафиолете позволит определить скорость и направление ветра у верхней границы облаков на высоте 70 километров и восстановить картину общей циркуляции атмосферы. Атмосфера Венеры от поверхности до верхней границы облаков вращается вокруг планеты со скоростью, достигающей 150 метров в секунду, совершая полный оборот всего за четверо суток. Это явление получило название суперротации.
Другая интереснейшая особенность Венеры заключается в ее тепловом балансе. Венера - "королева" парникового эффекта. Атмосферные газы, обладающие определенными оптическими свойствами, "запирают" в нижней атмосфере полученную от Солнца энергию, что приводит к разогреву поверхности до высоких температур. На Венере парниковый эффект составляет 470 градусов Цельсия. Для сравнения: на Земле действие атмосферного "парника" повышает температуру поверхности всего на 30-40 градусов. Таким образом на нашей планете парниковый эффект поддерживает комфортные условия для существования биосферы. Однако антропогенное воздействие на климат, приводящее к увеличению количества двуокиси углерода и глобальному потеплению, в принципе способно нарушить природное равновесие. Исследование парникового эффекта на Венере, где до сих пор не ясны детали этого механизма и роль отдельных газов и облаков, поможет нам лучше понять эволюцию климата на Земле.
Существует теория, согласно которой некогда на Венере климат не слишком отличался от земного, и что условия на планете были вполне благоприятны для жизни. Однако мощная вулканическая деятельность привела к возникновению парникового эффекта, в результате которого атмосфера планеты нагрелась, а все живое погибло. Как все было на самом деле – пока неизвестно. Однако ученые надеются, что миссия зонда «Венера-экспресс», над созданием которого работали 25 компаний из 14 европейских государств, поможет найти ответ на этот вопрос. Говорит Дэвид Саусвуд (David Southwood), научный директор европейского космического агентства ESA.
В ранний период существования Солнечной системы планеты Венера, Земля и Марс не слишком отличались друг от друга. Однако в последствии климат на Венере катастрофически изменился. И сегодня она не обитаема. Изучение процессов, происходящие в атмосфере этой планеты, чрезвычайно важно для понимания хода развития земной атмосферы.
Еще одна замечательная особенность Венеры состоит в том, что она, в отличие от Земли, не имеет магнитного поля и не защищена от воздействия солнечного ветра - потока заряженных частиц - "магнитным щитом". Поэтому энергичные частицы солнечной плазмы вторгаются в верхние слои атмосферы и разрушают ее, унося в космос различные газы. Таким образом, происходит интенсивная потеря вещества планеты. Пока этот процесс исследован только теоретически, и необходимы точные измерения потоков солнечной плазмы и атмосферных газов у верхней границы атмосферы, чтобы понять особенности эволюции Венеры.
Нас интересуют особенности развития любых планет, вне зависимости от их пригодности для обитания. В конце концов, Европейское космическое агентство запланировало миссию также и на Луну, где не только нет никакой жизни, но и даже атмосфера отсутствует. Это, однако, не означает, что Луна нас более не интересует, поскольку наша задача состоит в том, чтобы лучше понять ход формирования планет, в особенности наиболее близких к нашей Земле.
Интерес к Венере проявляют сегодня также и ученые по другую сторону океана.
В 2010 году к Венере полетит космический аппарат под названием "Планета-С", разрабатываемый японскими специалистами. Программа исследований этого зонда во многом дополнит наблюдения "Венеры-Экспресс". Он станет работать на экваториальной орбите и выполнять детальные метеорологические исследования при помощи пяти фотокамер, настроенных на различные спектральные диапазоны.
Венера-Экспресс" и "Планета-С" проведут комплексные дистанционные исследования Венеры и дадут полный обзор происходящих на планете явлений и процессов. Дальнейшее проникновение в глубь тайн "утренней звезды" потребует исследований на месте, в которые войдут детальный химический анализ атмосферных газов и минералов поверхности в разных точках планеты; исследования изотопного состава, что особенно важно для понимания эволюции Венеры и Солнечной системы в целом; исследование атмосферной динамики и сейсмические измерения. Выполнение этих научных задач в будущем потребует миссий, включающих посадочные аппараты, возможно, с длительным временем жизни на поверхности, мобильных летающих лабораторий, размещенных на баллонах, и, в конце концов, возврата образцов грунта и атмосферы с Венеры. Соответствующие планы рассматриваются американскими учеными. Говорит Дэн Раски (Dan Rasky) из исследовательского центра НАСА в Калифорнии.
Американское космическое агентство проигрывает различные сценарии возвращения на Венеру. В настоящее время мы работаем над созданием посадочного модуля.
Однако проведение исследований непосредственно на поверхности Венеры может оказаться делом намного более сложным, нежели высадка роверов на Марс. Рекорд выживания на Венере, где атмосферное давление в 90 раз превышает земное, а температура достигает 490 градусов Цельсия, в свое время поставил советский спутник, продержавшийся в негостеприимной атмосфере планеты всего лишь 110 минут. Трудно себе представить, что за столь короткий промежуток времени можно будет провести комплексные исследования, необходимые для понимания истории формирования Венеры.