Глава 13
Викинги и дальше
После довольно мрачного пейзажа,
показанного пролётными Маринерами, изображения Маринера-9, "наиболее захватывающие
из когда-либо полученных в планетарном исследовании," дали весьма необходимый
стимул изучению Марса. Но какой бы ни была успешной разведка Маринера-9, она
проводилась с орбиты, и одной вещи, которую она не могла делать, был поиск жизни
на поверхности. Мы быстро пройдём мимо нескольких российских космических кораблей,
включая две посадочных ступени, которые послали назад уныло скудные результаты
в 1974 году, и повернёмся к событиям 1975 - 76, в год, который будут навсегда
помнить в летописи исследований Марса.
Этот великий проект
начался девяноста восемью годами позже незабываемых телескопических исследований
Скиапарелли, давших деталям поверхности их очаровывающие имена, включая Хрис
(Землю Золота). 20 августа и 8 сентября 1975 года два космических корабля «Викинг»
стартовали к Марсу с Мыса Канаверал во Флориде. Хотя это было далеко от единственной
цели в движении на Марс, поиск жизни конечно стал доминирующей темой заданий
Викинга.
Каждый космический корабль состоял из орбитального аппарата и компонента посадочной
ступени. Орбитальные аппараты были оборудованы более сложной телевизионной системой
камер, чем на борту Маринера-9, и каждый нес приборы, чтобы измерить состав,
давление, температуру и содержание водяного пара в марсианской атмосфере. Их
главной целью, однако, по крайней мере первоначально, было разведать подходящие
посадочные площадки и затем обеспечивать радиосвязь между посадочными ступенями
на поверхности и Землёй. Только после того, как эти задачи были закончены, орбитальные
аппараты мог быть сэкономлены, чтобы выполнить другие исследования.
Без топлива каждая посадочная ступень весила приблизительно 600 килограммов.
В дополнение к миниатюрной лаборатории, нужной, чтобы выполнить существенные
биологические эксперименты, посадочные ступени несли телевизионные камеры и
множество чувствительных метеорологических и сейсмологических устройств.
Предполагаемые посадочные площадки были выбраны заранее. Первая посадочная ступень
должна была приземлиться в месте, в котором один из самых больших каналов оттока,
долина Маджа, выходил на равнину Хрис, так как это местоположение, как думали,
предлагало лучшую надежду относительно обнаружения водного и поверхностного
льда — и следовательно органических молекул, если какие-нибудь из них присутствовали.
Вторая посадочная ступень должна была сесть в Кидонии (Cydonia), около места,
до которого доходит северная полярная шапка в своём максимальном расширении,
снова благоприятный участок для воды.
Полеты поперек межпланетного космоса были беспрецедентны. Викинг-1, на самом
деле запущенный вторым, перешёл на орбиту вокруг Марса 19 июня 1976 года. Его
орбита была эллипс с периапсисом 1513 километров и апоапсисом 33000 километров;
каждый виток занимал 24.66 часов — период был синхронизирован с вращением планеты
так, чтобы орбитальный аппарат мог занимать постоянное положение над предназначенной
посадочной площадкой. Первоначально планировщики полета надеялись, что первое
приземление будет предпринято 4 июля 1976 года, в двухсотую годовщину подписания
Американской Декларации Независимости, но фотографии орбитального аппарата показывали,
что участок посадки на равнине Хрис был более неровным, чем ожидалось. Не было
никакого выбора, кроме как смотреть в другом месте, и со временем приемлемое
гладкое местоположение было найдено — оно лежало дальше на запад в пределах
той же равнины Хрис — приземление отложили до 20 июля (по совпадению, седьмая
годовщина первого приземления Аполлона на Луну).
Тем ранним утром — 1:50 утра по времени Лаборатории Реактивного движения в Пасадене,
Калифорния — посадочная ступень Викинга-1 с приложенной конусовидной алюминиевой
аэрооболочкой гладко отделилась от орбитального аппарата и начала спуск к поверхности.
На части траектории спуска космический корабль разгонялся до 16000 километров
в час, и поскольку Марс, в отличие от Луны, имеет атмосферу, трение о воздух
не могло игнорироваться, поэтому капсула была оборудована тепловым экраном.
На более поздних стадиях спуска, когда посадочная ступень достигла высоты 6
километров над Марсом, парашют развертывался. В этой точке аэрооболочка была
выброшена за борт, и опоры посадочной ступени были выдвинуты. Меньше чем минуту
спустя, когда аппарат достиг высоты 1200 метров, парашют были отстёгнут и тормозные
ракеты были отстрелены, чтобы замедлить аппарат на последней части спуска. Непосредственно
перед тем, как опереться на поверхность, посадочная ступень путешествовала со
скоростью только 10 километров в час.
Ученые на Земле не знали её судьбу в течение ещё девятнадцати минут, времени,
требуемого для сигналов радио, чтобы путешествовать эти 342 миллиона километров
между Марсом и Землей. К счастью, посадочная ступень как раз разминулась с валуном,
достаточно большим, чтобы потерпеть крушение, и уладилась благополучно на поверхности
— точное местоположение было 22.5° N, 48° W на равнине Хрис. На снимках, сделанных
орбитальным аппаратом с соответствующим разрешением, на поверхности ничего не
было видно, кроме ударных кратеров и гребнистых складок — местность мало чем
отличалась от одной из широких серых равнин Луны.
В пределах двадцати пяти секунд от прибытия посадочной ступени одна из телевизионных
камер начала просматривать поверхность. Сканирование первой картины заняло пять
минут и затем, конечно, ещё девятнадцать минут, чтобы передать от ретранслятора
орбитального аппарата до Земли. Поле обзора, которое лежало только в 1.5-2 метрах
от камеры, было усыпано камнями до 10 сантиметров в поперечнике. Поверхность
была очевидно весьма плотной; часть одной из опор аппарата была видима, и она
проникла меньше чем на 4 сантиметра в марсианский грунт.
Немедленно после посылки назад этого изображения, та же самая камера начала
фотографировать 300° панораму, чтобы показать пейзаж вокруг космического корабля.
Снова изображение показывало камни различных размеров, большей частью угловатых
по форме и грубо изъеденных — вся эта область была очевидно полем лавы, и камни,
казалось, были базальтовыми. Это был волнующий момент; абоненты на Земле чувствовали,
как будто они фактически стояли на марсианской поверхности. Другая панорама,
принятая второй телевизионной камерой, включила 60° сектор, который был скрыт
от первой камеры телом космического корабля; она показала почти сахарское пространство
к северо-востоку с большими дюнными наносами мелкозернистых материалов. Очевидно,
эоловые процессы были важны.
Телескопические наблюдатели долго были очарованы неотразимыми, частично иллюзорными
цветами Марса, и группе обработчиков картинок с Викинга также пришлось потрудиться,
получая правильные цвета Марса. Они делали цветные изображения, смешивая фотографии,
полученные через трёхцветное колесо (колесо, содержащее синие, зеленые, и красные
фильтры), но калибровка была неуверенная, и самые ранние опубликованные изображения
показывали марсианский пейзаж как очень пикантный оранжево-красный. При этом
марсианскому небу — удивительно яркому и довольно неромантично описанному, как
"подобное задымленному дню в Лос-Анджелесе" — давался синеватый оттенок,
который устрашающе напоминал земной. Позже кто-то предложил, что атмосфера была
вероятно слишком тонка для молекулярного (Рэлеевского) рассеивания, чтобы произвести
синий цвет неба, и что вместо этого яркость неба должна быть из-за взвеси тонкой
красноватой пыли, которая делала бы небо лососево-розовым — и так это и стало
в более поздних изображениях (хотя должен признать, что я никогда не считал
этот эффект весьма правдоподобным). В этом случае, группа обработчиков картинок
Викинга, кажется, согнулась слишком далеко в другом направлении, избегая создавать
иллюзию подобного Земле Марса. Раз количество пыли в марсианской атмосфере чрезвычайно
переменное, диапазон цвета неба в разное время бывает от лососево-розового к
желтому, к светло-голубому, темно-синему и пурпурному. Так как изображения,
возвращенные посадочной ступенью Викинга сразу после посадки показали очень
чёткие тени, отбрасываемые камнями, атмосфера была тогда довольно чиста. Как
ни странно, после всех неприятностей, связанных с этим, небо, кажется, будет
синим в конце концов!
После того, как волнение от рассмотрения первых изображений марсианской поверхности
спадало, внимание направилось к существенным биологическим экспериментам. Вопрос
о том, как обнаруживать гипотетические организмы на Марсе, тщательно рассматривался
биологами команды Викинга (увы, представления Ловелла о мозговитых Марсианах
давно были отвергнуты; никто не ожидал найти что-нибудь более сложное, чем непритязательные
микробы). Биологи разработали три эксперимента, описанные ниже, для проверки
на присутствие жизни.
1. Пиролитический эксперимент. Крошечный образец (0.1 г) марсианского грунта
сначала выкапывается рычажной рукой посадочной ступени, затем помещается внутри
испытательной камеры. Камера заполняется диоксидом углерода и угарный газом,
помеченными радиоактивным изотопом углерод-14, смесь облучается под лампой в
течение нескольких дней, потом всё нагревается, чтобы разрушить (пиролизом)
любые присутствующие органические соединения. Наконец, через камеру пропускают
водород, чтобы вымыть продукты пиролиза в газовый хроматограф и массовый спектрограф,
способный к обнаружению углерода-14. Так как любые присутствующие организмы
должны выполнять метаболические процессы, в течение которых они будут ассимилировать
углерод-14 из газа в камере, обнаружение углерода-14 хроматографом было бы положительным
результатом, хотя само по себе это не было бы окончательным доказательством,
так как первый пик радиоактивности мог бы одинаково хорошо быть из-за химических
процессов, не вовлекающих живые организмы. Чтобы исключать эту последнюю возможность,
другие образцы (взятые в качестве контроля) стерилизовались, нагреваясь прежде,
чем источник углерода-14 впущен.
2. Эксперимент выпуска метки. Снова образец марсианского материала помещается
в камеру, и сырой питательный материал, содержащий углерод-14 добавляется. Любой
присутствующий марсианский организм будет поглощать питательный материал и испускать
помеченный углеродом-14 газ, который будет зарегистрирован датчиком.
3. Газовый обменный эксперимент (обычно известный как опыт "суп цыплёнка").
В начале эксперимента атмосфера в пределах камеры состоит из диоксида углерода
и инертных газов гелия и криптона; питательный материал и водяной пар добавляются
к образцу грунта. Внезапно найдя себя в воде и богатой питательным веществом
окружающей среде, марсианские организмы ответят энергичным всплеском метаболизма,
заканчивающегося внезапным наращиванием давления газов в камере.
Кроме этих трех экспериментов, масс-спектрограф был предназначен, чтобы делать
чувствительные измерения в прямой попытке обнаружить органические материалы
по Марсу.
Будучи достаточно однозначными в теории, эксперименты произвели запутывающие
результаты. Пиролитический эксперимент показал два пика, и сначала результаты
были слабо положительными; однако, более поздние попытки повторить эффект были
неудачны. Эксперимент выпуска метки показал немедленное и потрясающее повышение
уровня радиоактивности углерода-14 немедленно после того, как питательное вещество
было впрыснуто в камеру. Эти данные, казалось, свидетельствовали о наличии жизни
так ясно, что команда эксперимента немедленно помчались наружу и заказала бутылку
шампанского. "Суп цыпленка" эксперимент также произвел драматические
и неожиданные результаты: когда образцы были увлажнены, был внезапный выброс
кислорода — явление, которое никогда не происходило в более ранних испытаниях
с земными образцами. Однако, был очень слабый ответ, когда питательный материал
был добавлен.
В целом, согласие состояло в том, что наблюдаемые химические реакции были вызваны
не организмами некоторого вида, а высокоокисленным веществом в ржаво-красной
марсианской почве, возможно пероксидом или супероксидом железа. Некоторые из
органических соединений в питательном веществе могли быть чувствительны к окислителям.
Та же самая экзотическая химия может объяснять выделение больших количеств кислорода,
когда водяной пар был добавлен в ходе газово-обменного эксперимента. Факт, что
масс-спектрограф не сумел идентифицировать никаких органических соединений (за
исключением некоторых известных примесей типа метилхлорида и фреона-E), по-видимому,
довольно уверенно опровергает биологическое объяснение результатов. С другой
стороны, данные эксперимента выпуска метки остаются спорными, и маленькое меньшинство
ученых все ещё утверждает, что результаты Викинга — положительное свидетельство
существования микроорганизмов на Марсе. Последнее слово здесь ещё впереди.
Хватит о результатах с места посадки Викинга-1. Тем временем, конечно, Викинг-2
продвигался; он перешёл на орбиту вокруг Марса 7 августа, но так как эксперименты
Викинга-1 были тогда в полном размахе, приземление было отсрочено до 3 сентября.
Снова были изменения в последнюю минуту. Первоначальный участок в Кидонии был
слишком неровный, и посадочная ступень была направлена к дополнительному участку
на равнине Утопия, лежащей среди обширных северных равнин. Несмотря на кратковременную
нехватку мощности в орбитальном аппарате, что привело ко временной потере главной
линии связи, посадочная ступень Викинга-2 приземлилась благополучно в точке
с координатами 48° N, 225.7° W, в 7400 километрах к северо-востоку от места,
где посадочная ступень Викинга-1 уже опиралась на поверхность.
На первой панораме, полученной из Утопии, горизонт выглядел сильно наклонённым
вправо; одна из опор посадочной ступени упокоилась на валуне, наклоняя космический
корабль на угол 8°. Хотя фотографии с орбитального аппарата показывали, что
здесь будет область дюн, Утопия смотрелась не меньшим нагромождением камней,
чем участок посадки Викинга-1. Были различия, конечно. В отличие от довольно
различных форм камней равнины Хрис, камни Утопии в среднем были больше размером
и более равномерно распределенными по поверхности, без лишённых камней участков
или больших наносов, и это создавало особенно монотонное впечатление. Наиболее
поразительной особенностью камней, кроме их однородного размера и распределения,
было их обширное выщербливание. Они смотрелись весьма подобно земным пузырчато-пористым
вулканическим камням, в которых ямки формируются, когда полости создаются вокруг
маленьких газовых пузырьков в вулканической лаве.
Участок на равнине Хрис был слабо всхолмленной равниной, зато Утопия, оказалось,
была замечательно плоской, возможно из-за близости точки посадки к 90-километровому
астероидному кратеру Ми (Mie), чей край лежал в 170 километрах к востоку от
посадочной площадки. Фотографии с орбитального аппарата показывали, что широкий
лепесток выброшенного материала от Ми находился прямо к юго-востоку от участка.
Эоловые процессы были снова очевидны, но наносы были меньше, чем на Хрис, они
проявлялись только на участах между кластерами камней как маленькие хвосты за
камнями. Наконец, Викинг-2 выполнил тот же самый набор биологических экспериментов,
и они тоже не дали определённых свидетельств в пользу или — для меньшинства
ученых — против существования органической жизни.
Посадочные ступени первоначально были разработаны, чтобы функционировать в течение
только девяноста дней. Фактически, все четыре космических корабля — эти две
посадочных ступени и два орбитальных аппарата — продолжили работать намного
дольше, чем ожидалось. Орбитальный аппарат Викинга-2 передавал данные до 25
июля 1978 года; посадочная ступень Викинга-2 (VL2)— до 11 апреля 1980 года;
орбитальный аппарат Викинга-1 — до 7 августа 1980 года. Самый долгие наблюдения
велись посадочной ступенью Викинга-1, позже переименованной в Мемориальную Станцию
Мутча (ММS) в чести геолога и руководителя группы приземления Тимоти Мутча,
который упал до смерти в 1980 году при восхождении в высоких Гималаях; контакт
с которой поддерживался до 13 ноября 1982 года, общим количеством 6.4 земных,
или 3.4 марсианских лет.
Кроме данных, полученных в биологических экспериментах, посадочные ступени собрали
огромное количество полезной информации о поверхностных условиях на Марсе. Среди
других вещей, они развернули метеорологический бум с датчиками температуры,
давления и ветра, которые эффективно служили как in situ метеорологические станции
в течение трех марсианских лет.
Сразу после посадки стояло раннее лето в северном полушарии, и атмосфера была
почти без пыли. Суточный цикл изменений температуры повторялся почти одинаково
от одного соль (марсианских суток) до следующего; на месте посадки Викинга-1
суточный температурный диапазон был 50°C, с минимумом на рассвете -83°C и максимумом
в начале полдня -33°C. (Помните, это были марсианские тропики!) В более северном
месте посадки Викинга-2 было на пять-десять градусов холоднее. Кстати, поскольку
тонкий марсианский воздух не имеет фактически никакой теплоёмкости, температура
воздуха приблизительно на двадцать градусов меньше, чем температура поверхности
грунта.
Очевидно, Марс — очень холодное место, марсианские температуры очень далеки
от температур юга Англии, которые Персиваль Ловелл предсказывал. Измерения температур
с посадочных ступеней были добавлены таковыми с орбитальных аппаратов. Самые
высокие температуры, найденные в некоторых "оазисах" южного полушария,
достигали 22°C в начале полдня в разгар лета, но даже в этом случае, температура
всё ещё резко падала до -53°C ночью.
Атмосферное давление в районе Викинга-1 летом было 6.7 миллибар; для Викинга-2,
из-за его более низкого размещения, давление было слегка выше, 7.4 миллибар.
Ветры на обоих участках были очень легки, со скоростями 2 метров в секунду ночью
и до 7 метров в секунду в течение дня.
Позже эти две станции сделали запись существенных сезонных изменений. В середине
осени сезонная шапка развилась по северной полярной шапке, и штормы начали приходить
регулярно с севера от посадочных площадок, причиняя колебания в давлениях и
ветрах, особенно на более северной станции Викинг-2. В начале 1977 года глобальный
шторм пыли произошел; его начало было объявлено на полученных орбитальным аппаратом
в феврале изображениях, которые показали обширное облако, циркулирующее на возвышенностях
борозд Кларитас (Claritas Fossae), к западу от плато Солнца. В пределах нескольких
дней этот шторм вырос до глобальных размеров. Посадочные ступени зарегистрировали,
что в течение пылевого шторма марсианская атмосфера стала гораздо менее прозрачной;
суточный температурный диапазон резко сузился от пятидесяти градусов до приблизительно
десяти градусов, и скорость ветра поднялась значительно —действительно, в пределах
первого часа по прибытии шторма к месту посадки Викинга-1 она увеличилась до
17 метров в секунду, с порывами до 26 метров в секунду. Однако, никакого видимого
переноса материала ветром на любом участке не наблюдалось, только постепенное
просветление и потеря контраста поверхностного материала.
Пыль стала медленно оседать в течение следующих нескольких недель, и когда это
случилось, тонкое покрытие из водного льда сформировалось на камнях на участке
посадки Викинга-2. В мае 1977 года развился второй глобальный шторм пыли; правильный
беспылевой сезонный цикл изменений давления и температуры не был восстановлен
до конца 1977 года.
Атмосферное давление на двух участках также показывало сезонные изменения. Величины
поднялись от 6.7 миллибар у Викинга-1 и 7.4 миллибар у Викинга-2 летом до 8.8
миллибар и 10 миллибар зимой. Это поведение ожидалось на основе поведения сезонных
полярных шапок. Вспомните, что атмосфера Марса — на 95 процентов диоксид углерода,
и что сезонные шапки формируются на полюсах, когда диоксид углерода выпадает
в виде снега на поверхность. Из-за более длинных зим южного полушария, южная
сезонная шапка становится гораздо более обширной, чем её северная копия, и включает
большее количество диоксида углерода из атмосферы; наоборот, в течение короткого,
но горячего лета южного полушария, большая часть этого диоксида углерода сублимирует
снова, производя чистый перевыпуск больших количеств диоксида углерода в атмосферу.
Примерно 30 процентов марсианской атмосферы циклически проходит через сезонные
полярные шапки таким образом, и с этим связан драматический эффект на сезонные
направления ветра.
Стоит рассмотреть различное поведение обеих шапок детальнее. Южная сезонная
шапка в её максимальном расширении имеет примерно круговую форму с центром на
полюсе и достигает широты 60° S на большей части периметра (и даже несколько
дальше, до приблизительно 50° S, в пределах бассейна Аргир; среди других известных
анклавов —большой бассейн Эллада, который в течение зимы покрыт углекислотным
снегом). При отступлении шапки она развивает трещины и становится неправильной
по контуру. В разгар лета, большая полуостровная секция шапки, расположенная
приблизительно под 70° S и 330° W, отделяется, формируя отдельный остров Novissima
Thyle (как Скиапарелли назвал это), или Горы Митчелла. Фотографии с космических
кораблей не показывают никаких гор, однако, только наклонённый на юг склон,
на котором снег продолжает задерживаться; он состоит частично из краевого хребта
большого ударного бассейна с центром приблизительно в 6° от полюса. Дальнейшее
отступление шапки обнажает лежащий под ней остаточный колпак из углекислотного
льда, который сохраняется в течение всего лета. Его высоко характерный "вихревой"
рельеф произведён неравным удалением снега ветром вдоль склонов долин. Пока
остаточный колпак остается, температура буферизирована точкой замерзания углекислого
газа (-125°C при давлении у поверхности 6.1 миллибар), значительно ниже температуры
сублимации воды.
Северная полярная шапка ведёт себя совсем по-другому. Ранней весной она покрывает
собой самую большую площадь, до приблизительно 65° N широты. Она также показывает
трещины и анклавы, когда отступает, хотя, потому что ландшафт более равнинный,
чем на юге, здесь нет ничего сопоставимого с горами Митчелла. Дюны опоясывают
регион между 75° и 85° N, формируя кольцо вокруг шапки. Северная сезонная шапка
меньше и темнее, чем южная — главным образом потому, что она расширяется в течение
части марсианского года, когда в общем большее количество пыли в атмосфере,
которая выпадает с углекислотным снегом на поверхность. Она также сублимируется
более эффективно, и исчезает полностью с летним солнцестоянием, оставляя после
себя подстилающую остаточную шапку, которая в отличие от южной состоит не из
замороженного диоксида углерода, а из водного льда — одна из неожиданностей,
открытых Викингами. Вся вода, содержащаяся в ней, вероятно покрыла бы Марс до
глубины от 10 до 40 метров, если распределить её равномерн по поверхности. После
того, как углекислотный снег исчезает, остаточная северная шапка больше не буферизирована
температурой замерзания диоксида углерода, как южная полярная шапка, и летом
может достигать температуры столь высокой, как -68°C, что даёт возможность водяному
льду испаряться. Эти температуры совместимы с наблюдением больших количеств
водяного пара в северном полушарии в это время.
Атмосфера Марса тонкая, холодная, и сухая, как кость. Чем-то она напоминает
стратосферу Земли, хотя по крайней мере с одним важным различием — в стратосфере
относительная влажность очень низка, а атмосфера Марса почти насыщенная. Насыщающие
давления водяного пара для некоторых типичных для Марса температур следующие:
-69°C 0.0031 миллибар
-40°C 0.128 миллибар
-30°C 0.380 миллибар
-20°C 1.046 миллибар
-10°C 2.587 миллибар
Таким образом, при -69°C водяной пар составляет просто 0.04 процента атмосферы
(при суммарном атмосферном давлении 715 миллибар), и при более низких температурах
максимальное содержание воды исчезающе мало; результат — то, что нижние слои
атмосферы легко пересыщаются и с готовностью вызывают облака.
Водяной пар — небольшая примесь в марсианской атмосфере. Главный компонент,
конечно, — углекислый газ, который имеет тенденцию замерзать на больших высотах,
образуя туман мельчайших кристаллов. Как уже отмечено, количество диоксида углерода
варьирует в зависимости от сезона примерно на 30 процентов. Принимая за стандарт
атмосферное давление 7.5 миллибар, следующие величины для состава марсианской
атмосферы были получены измерениями с посадочной ступени Викинга: диоксид углерода
— 95.32 процентов; азот — 2.7 процента; аргон — 1.6 процент; кислород — 0.13
процентов; угарный газ — 0.7 процентов; водяной пар — 0.03 процента; инертные
газы, следы других веществ.
Такая тонкая атмосфера может тем не менее транспортировать существенные количества
песка и пыли. Орбитальные аппараты Викингов отметили много деталей, сформированных
ветром, включая обширные поля дюн, особенно около южной полярной шапки; разрушенные
ветром холмы, или ярданги; и полосы поднятой пыли, светлой и темной. Действительно,
как отметил В. А. Фирсофф, "темноватые области, замеченные в отдаленных
представлениях Марса, распадаются в крупных планах в рои тёмных `полос` и `пятен.'
Полосы — удлиненные детали 10 или более км длиной, часто в форме `хвостов кратера',
которые могут быть комето - или веерообразными или напоминать пламя свечи, включая
ее центральную и периферийную штриховку. Пятна нерегулярны или округлены, часто
найдены в пределах кратеров, центрально или на стороне, и могут `вымыть` стены."
Тёмные полосы ("лоскутные полосы"), которые найдены в большом изобилии
в некоторых областях, вроде Большого Сирта, развиваются, когда камни обдувают
очень сильные ветры; легкие полосы состоят из тончайшего песка, унесенного преобладающими
ветрами. Ясно, крупные детали, видимые с Земли, представляют объединённое представление
этих маленьких деталей. Изменения, наблюдаемые в них, включая сезонную "волну
затемнения" (если она существует), могут быть связаны, как предложено Карлом
Саганом и другими, с "дополнительным смещением и дефляцией пыли, имеющей
хорошо различимый контраст с лежащим ниже материалом".
Эти рассуждения о ветре приводят нас наконец к знаменитым пылевым бурям Марса.
Облака пыли, вызванные поднимающимися потоками тёплого воздуха, несущих пыль
с поверхности высоко в атмосферу, имеют тенденцию возникать преимущественно
в некоторых областях; в южном полушарии активные области включают периметр южной
полярной шапки, Элладу, Геллеспонт-Noachis, и борозды Кларитас - плато Солнца;
в северном полушарии активные области — Хрис-Ацидалия, равнина Исиды - Большой
Сирт и уступы Цербера (Cerberus). Обычно пыль возникает в нескольких пунктах
на планете сразу; действительно, видимое движение облака может быть частично
иллюзорно, потому что маленькие штормы имеют тенденцию формироваться одновременно
и затем объединять друг с другом. Штормы могут остаться мимолетными и ограниченными,
или они могут распространяться через широтный коридор вокруг всей планеты (глобальные
штормы). Самые большие штормы — глобальные, подобно бурям 1956 и 1971 годов.
Глобальный шторм произошел в 1973 году, и два в течение 1977 года, когда посадочные
ступени Викингов были на планете; ещё один, кажется, развился в 1982 году, когда
задание Викинга подошло к концу. Эти массивные штормы (окружающие планету, или
глобальные) всегда происходят во время южной весны и лета, когда Марс — около
перигелия (Ls = 251°), хотя фактический интервал — довольно широкий, их начало
наблюдалось от Ls = 204° до 310°.
Среди факторов, критических к вызову развития сильных штормов, наиболее важен
факт, что увеличивается нагревание около перигелия, что в свою очередь производит
более сильные ветры. Снова, атмосферное давление на 30 процентов больше в течение
весны и лета южного полушария, чем зимой, вследствие выпуска больших количеств
углекислого газа из сезонной полярной шапки, а это непосредственно увеличивает
способность атмосферы нести пыль. Наконец, так как области, где облака пыли
вообще развиваются — области склонов, или, в случае полярной шапки, высоких
температурных градиентов — топографические факторы далее усиливают поверхностные
ветры; вот почему локальные облака имеют тенденцию вообще возникать в тех же
самых областях. Однажды поднятая, взвешенная пыль становится главным поглотителем
как солнечного света, так и тепла, повторно излучаемого с поверхности; она —
определённо гораздо более эффективный поглотитель, чем тонкий, холодный марсианский
воздух.
Пылевые штормы на Марсе — пример так называемого хаотического явления. Механизмы
положительной обратной связи усиливают начальное волнение, но взаимодействие
этих факторов непредсказуемо — оно может вести к крупномасштабным штормам, но
результат не будет неизбежным. (Должны, очевидно, быть механизмы отрицательной
обратной связи также, которые ослабляют деятельность пылевых штормов в конечном
счете, но в настоящее время они даже менее удовлетворительно поняты, чем механизмы
положительной обратной связи.)
Вообще, пыль транспортируется с тёмных гористых областей южного полушария, которые
содержат многочисленные камни и обнажения, где активная эрозия имеет место,
в яркие "пустыни" северного полушария, типа Фарсиды, Аравии и Элизиума,
которые содержат существенные отложения тонкой пыли. Северная полярная шапка
— также важное хранилище пыли.
Даже тонкое покрытие пыли достаточно, чтобы объяснить многие из долго-наблюдаемых
изменений в Марсианских деталях альбедо. В конце главного сезона пылевых штормов
(весной и летом южного полушария), объекты на поверхности часто показывают уменьшенный
контраст из-за длительного присутствия тонкой пыли в атмосфере и смещения тонкого
слоя пыли на поверхности. К середине южной осени (северная весна), атмосфера
очищается снова, и классические объекты альбедо типа Большого Сирта — всегда
ослабевающие сразу после начала глобальной пыльной бури, становятся снова ясно
видны. Большинство драматических изменений отдельных деталей можно объяснять
таким образом; например, отмеченные изменения в озере Солнца, детали альбедо,
на месте которой расположено Плато Солнца, наблюдались после штормов 1956 и
1973 годов.
Какое-то время казалось, что большой пылевой шторм должен развиться каждый раз,
когда Марс проходит перигелий, но мы теперь знаем, что вещи не так просты —действительно,
не было глобальных штормов с 1982 года, хотя были региональные помрачения. Существенно,
что в 1969 году остаточная шапка диоксида углерода вокруг Южного полюса, кажется,
исчезла полностью, и большие количества водяного пара были обнаружены в течение
лета южного полушария. Эти необычно теплые условия предшествовали развитию больших
штормов 1971 и 1973 годов. В течение 1980-ых и 1990-ых, по контрасту, Марс очевидно
был намного более холоден; космический телескоп Хаббла показал тонкие облака-циррусы
над обширными областями планеты в 1995 году, но фактически никакой пыли. Вполне
может быть, что большие штормы 1956 и 1971 годов были высоко аномальными событиями,
и что обычные условия на Марсе больше похожи на те, что были замечены в недавние
годы.
Асимметричные полярные шапки Марса и цикл пылевых штормов весной-летом южного
полушария отражают текущее положение его оси и эксцентриситет его орбиты. В
настоящее время наклон оси Марса к плоскости орбиты — 25.2° от перпендикуляра
—почти те же самые земные 23.5 °. Текущее сходство, однако, является явным совпадением.
И Земля и Марс выпирают слегка по экватору из-за центробежной силы их вращения.
Гравитационное притяжение Солнцем этой экваториальной выпуклости заставляет
наклоны осей и Земли, и Марса изменяться через какое-то время. Наклон оси Земли
в значительной степени стабилизируется присутствием Луны, и поэтому изменяется
в пределах только четырёх градусов. Марс, который испытывает недостаток большого
и массивного спутника, колеблется в гораздо более экстремальных пределах — в
текущую эпоху наклон его оси изменяется от 15° до 35° с периодом 120000 лет,
причём современная величина наклона лежит близко к середине. Положение оси вращения
также колеблется, или прецессирует, точно так же как вершина волчка, с периодом
173000 лет (по сравнению с 25800 годами для Земли). Это — эффект, который на
Земле вызывает известную прецессию равноденствий.
Сами орбиты планет медленно поворачиваются в космосе, что приводит к постепенному
изменению положения перигелия. Как объединенный эффект прецессии оси вращения
и перемещения перигелия, полюс Марса, наклонённый к Солнцу в перигелии, сменяется
другим каждые 25500 лет, — то есть, получается 51000-летний цикл. Орбиты также
изменяют форму с течением времени, и снова наиболее критические изменения принадлежат
Марсу — эксцентриситет его орбиты (равный теперь 0.093) варьирует между 0.00
и 0.13 в течение 2 миллионов лет, в то время как таковой Земли (теперь 0.017)
никогда не превышает 0.05.
Периодические колебания наклона оси Земли и эксцентриситета и прецессии её орбиты
вызывают так называемые циклы Миланковича, названные по имени сербского астронома
М. Миланковича, в 1938 предложившего, что такие циклы могут частично объяснять
ледниковые периоды. Мы знаем, например, что в течение последних 3 миллионов
лет, значительная часть Северного Полушария была охвачена льдом, причём последний
максимум оледенения произошёл 18000 лет назад — действительно, мы возможно не
полностью вышли из него. Были подобные эпизоды повсюду на протяжении истории
Земли. Хотя другие факторы могут также играть роль — например, дрейф континентальной
массы по полюсу, кажется, является необходимым предварительным условием обширного
замораживания, и большие падения астероидов также могут быть важны, потому что
они могут поднимать большие количества пыли и таким образом уменьшать приходящую
солнечную радиацию, вообще соглашаются, что эффекты циклов Миланковича на климате
Земли далеки от незначительных. На Марсе, который испытывает недостаток сглаживающих
колебания климата океанов и переносит гораздо большее количество критических
изменений в своём наклоне оси и эксцентриситете орбиты, они могут быть даже
более решающими.
На Марсе наиболее важный цикл изменений климата — 51000-летний цикл, вызванный
объединенным эффектом прецессии оси и перемещения перигелия. Хотя в настоящее
время южное полушарие наклонено к Солнцу в перигелии, через 25500 лет это будет
северное полушарие вместо этого. Северное полушарие будет тогда иметь короткие,
горячие лета, и так как время появления глобальных пылевых штормов ясно связано
с прохождением Марса через перигелий, деятельность пылевых бурь возможно переместится
главным образом к весне и лету северного полушария. Большие количества тонкой
пыли, в настоящее время отложившиеся в северном полушарии в областях типа Фарсиды,
Аравии и Элизиума будут перераспределены к южному полушарию, и накопление пыли
в южной полярной шапке превысит накопление в северной. Асимметрия полярных шапок
будет изменена наоборот, и большой сезонный колпак углекислотного снега сформируется
над Северным полюсом вместо Южного.
Действительно, есть определенное свидетельство для таких климатических циклов
на Марсе в слоистых отложениях, или слоистом ландшафте, полярных областей, обнаруженных
Маринером-9 в случае Южного полюса и хорошо зарегистрированных на изображениях
орбитального аппарата Викинга-2 для Северного полюса. Этот слоистый ландшафт
покрывает большую часть областей за широтами 80° — в южном полушарии он находится
в регионе древнего усыпанного кратерами ландшафта; в северном полушарии, в области
гладких равнин. Слои, как думают, состоят из чередующихся страт пыли и льда
(или смесей пыли и льда в изменяющихся пропорциях). Возможно, эти слои служат
летописью изменений в транспортировке воде и пыли или удалении полярных областей
в течение различных периодов.
Наиболее интересные климатические условия найдены при крайних значениях наклона
оси. Детальные вычисления показали, что наклон оси Марса располагался между
13° и 47° за последние десять миллионов лет (так как наклон изменяется хаотически,
он неотъемлемо непредсказуем в течение знаменательно более длинные периодов).
При минимальной величине, 13°, постоянные колпаки диоксида углерода должны формироваться
на обоих полюсах, и планета должна войти в глубокое оледенение. С большей частью
атмосферы, изъятой из обращения, поверхностное давление должно понизиться до
меньше чем 1 миллибар, когда был бы слишком небольшой воздух, чтобы поддержать
пыль, и деятельность пылевых штормов должна прекратиться в целом. При максимальной
величине, 47°, оба полюса теряли бы свои шапки из льда диоксида углерода каждое
лето. Это, очевидно, является наиболее интересным случаем, начиная с полярных
температур, больше не буферизированных к точке замерзания диоксида углерода,
повысившихся бы заметно. Большее количество водяного пара было бы выпущено в
атмосферу, таким образом производя дальнейшее нагревание вследствие парникового
эффекта.
Парниковый эффект — результат того, что некоторые газы, типа диоксида углерода
и водяного пара, прозрачны в видимом свете, но настоятельно поглощают инфракрасный.
Таким образом свет может проникать через атмосферу, но оказывается заманен в
ловушку, когда пытается повторно излучиться как теплота с поверхности. В результате
планета нагревается. На Земле парниковые газы присутствуют в очень маленьких
количествах —диоксид углерода, например, представляет только 0.0003 полной массы
атмосферы Земли. Однако, несмотря на небольшое количество этих газов, они играют
главную роль в определении температуры Земли. В настоящее время средняя глобальная
температура — 15°C, на тридцать пять градусов более тепла, что это было бы без
парникового эффекта; хотя это звучит скромным, это очень существенно, так как
без этого океаны Земли замерзнули бы. Очевидно, можно получить также избыток
хорошей вещи — на Венере, например, которая имеет массивную атмосферу, составленную
на 97 процентов из диоксида углерода, парниковый эффект продолжил зловещую эффективность;
глобальная температура — 500°C, так что поверхность достаточно горяча, чтобы
плавить свинец. (Это может представлять предостерегающий рассказ Земле, где
количества этих газов росли постепенно в течение последней сотни лет или около
вследствие человеческих действий на планете. Мы конечно не хотим закончиться
подобно Венере!) На Марсе, с его очень разреженной атмосферой, парниковый эффект
(даже с помощью пыли) увеличивает глобальную температуру на простые семь градусов,
до -50°C, которая слишком холодна, чтобы сформировалась жидкая вода где-нибудь
на поверхности.
Когда наклон оси Марса достигает самой большой величины, полярные шапки из диоксида
углерода могут сублимироваться полностью. В такие времена атмосфера Марса была
бы гораздо более массивна, чем теперь, так, чтобы парниковый эффект мог бы увеличить
глобальную температуру ещё на 30°C — всё ещё недостаточно, чтобы позволить жидкой
воде существовать на поверхности. И все же, вода очевидно текла на поверхности
Марса, вероятно неоднократно, поэтому некоторый другой механизм должен быть
вовлечен. Вспомните, что сети долин найдены почти полностью в старом, усыпанном
кратерами Нойском ландшафте, но каналы оттока более молоды, появились в Гесперийскую
и Амазонскую эры. Крупнейшие из них выходят на широкие северные равнины, где
донные отложения, береговые линии и другие объекты, связанные со стоячей водой
были экспериментально идентифицированы. Очевидно, северные равнины периодически
наводнялись большим океаном, Oceanus Borealis.Так как изменения в марсианской
атмосфере, кажется, недостаточны для объяснения этих эпизодов наводнения, может
быть немного сомнения, что их произвели гидротермальные процессы — другими словами,
теплота, произведенная в недрах Марса непосредственно.
Мы теперь знаем много о текущих условиях на Марсе (см. приложение 3), и из того,
что мы знаем, предполагаем, что там вероятно нет жизни. Его окружающая среда
резка в экстремальном значении: холод, почти безвоздушный, сухой вне наиболее
сухих пустынь Земли. Но из всех препятствий жизни, как мы знаем это, кажется,
что недостаток воды вероятно наиболее важен.
И все же Марс не всегда был столь же сух, как теперь, и есть по крайней мере
шанс, что жизнь могла бы получить начало в течение более мягких периодов его
истории. Хотя почти наверняка Марс теперь не местожительство жизни, вопросы
о его прошлом всё ещё часто посещают нас, и они весьма далеки от решения.
Детали остаются неуверенными; что является ясным — что там, кажется, были интервалы,
в которых планета была более тепла и более влажна, чем обычные холодные, сухие
пост-Нойские условия — краткие подобные оазису промежутки, в которых сама жизнь
могла бы получить плацдарм. Самые последние эпизоды наводнений, действительно,
возможно, произошли в пределах прошлых несколько сот миллионов лет. Неизбежно,
увы, вода просачивалась назад в реголит снова, была связана как грунтовая вода
и вечная мерзлота; диоксид углерода также осаждался, и снова холодные, сухие
условия возвращались.
c 1996 Аризонский Пульт Регентов
назад на главную страницу
Сайт управляется системой
uCoz