Значимость миссии MAVEN. Эволюция атмосферы и летучих веществ на Марсе

Технический перевод статьи журнала ROOM, №2 декабрь 2014

Дженет Лахманн (Janet G. Luhmann), Лаборатория изучения космоса, Калифорнийский университет в Беркли, Калифорния, США

Первое сосредоточено на более глубоком понимании Солнечной системы и нашего места в ней. Как так вышло, что Земля стала тем, чем является, со всеми её особенностями, способствующими развитию разумной жизни и передовых технологий? Почему такого не случилось с соседней планетой – Марсом?

Другое основано на стремлении человека исследовать, используя для этого все необходимые ресурсы.

В прошлом человечеству предстояло найти, освоить и заселить новые континенты. В ХХ веке такие задачи вышли за пределы Земли, это началось с полёта «Аполлона» на Луну. Теперь Марс – это «новая Луна», на нём сконцентрированы интересы и начинания людей. Почему? Потому что эта планета наиболее доступна для нашего наблюдения с использованием телескопов и автоматики; это прекрасный объект для изучения планет земной группы и эволюции ранних форм жизни; и это вторая после Земли планета, где мог бы долгое время находиться человек. Это, а также сочетание жажды приключений, вдохновения и политики привели к нынешнему шквалу отправляемых на Марс орбитальных спутников и марсоходов, которые сделали Марс наиболее понимаемой планетой после Земли.

Космическое пространство Марса было впервые посещено автоматическими станциями, облетевшими планету по орбитальной траектории, и орбитальными спутниками. Они определили, что его поверхность по большей части холодная, сухая и бесплодная, как следует из снимков крупным планом.

«Приливы и отливы» полярного ледяного покрытия в течение года намекают на сезонные перемены в атмосфере Марса. Дистанционное зондирование, орбитальная динамика и радиосвязь с космическими аппаратами помогли измерить толщину газовой атмосферы по уровню давления подобной стратосферным слоям атмосферы Земли. Также было установлено, что Марс не имеет радиационных поясов. Его взаимодействие с космической средой похоже скорее на кометы или Венеру, где планетарная атмосфера открыта для любого воздействия Солнца или галактики.

Ранние исследования касались свойств поверхности и атмосферы Марса, его поверхность и неглубокие слои недр были исследованы с помощью радара и изображений с высоким разрешением. Распределение его внутренней массы и топография были нанесены на карту с помощью гравиметрических приборов и лазерных альтиметров с орбитальных спутников.

В поисках потенциально заселённых участков посадочные модули и марсоходы осуществили в нескольких местах глубокий анализ грунта, в то же время фиксируя погоду на поверхности. Эти последние наблюдения вместе с дистанционным зондированием, производимым с орбитальных аппаратов, имеют целью исследование атмосферы и её вариаций, включая пыльные бури и ветры, которые влияют на особенности поверхности.

В дополнение к проведению первых экспериментов по обнаружению жизни космические аппараты «Викинг» середины 70-х годов, приземлившись на Марс, получили первые образцы атмосферы и ионосферы. Тем не менее, несмотря на десятилетия исследования Марса, его атмосфера выше слоя, граничащего с поверхностью, осталась мало изученной, несмотря на многочисленные попытки начать специальной проект, чтобы заполнить этот пробел в знаниях.

Зачем нам нужны знания о верхних слоях атмосферы Марса? Первая причина состоит в том, что это помогло бы реконструировать историю атмосферы Марса, в частности воды – недостающего звена в поиске жизни где бы то ни было. Те, кто исследует образование Солнечной системы, в частности формирование планет земной группы – Меркурия, Венеры, Земли и Марса, часто полагают, что как минимум три последние сформировались со схожей структурой внутри солнечной туманности около 4.5 миллиарда лет назад.

Вероятнее всего атмосфера этих планет первоначально состояла в основном из газов, выделяющихся из орбитальных твёрдых веществ, куски которых сталкивались и слипались друг с другом, формируя более крупные космические тела, что приводило к внутреннему сжатию и нагреванию по мере того, как накапливалось всё больше материала. Вдобавок, кометная «бомбардировка» могла доставить воду и другие «летучие» вещества в виде льда на уже сформировавшиеся планеты. Также в их атмосферу вносила свой вклад вулканическая активность. В этих «ранних» атмосферах преобладал водород, но поглощение повышенной ультрафиолетовой радиации молодого Солнца могло вытеснить его нагреванием и радиационным давлением.

Остальной оригинальный состав атмосферных газов, вероятно, был одинаков, так как Венера, Земля и Марс, в отличие от Меркурия, достаточно далеки от Солнца, чтобы сохранить, по крайней мере, самые тяжёлые компоненты, такие как диоксид углерода.

История того, как Земля избавляется от азота и её богатой кислородом теперешней атмосферы, разворачивается до сих пор – с образованием органического материала, высвобождающего большую часть кислорода. Большая часть диоксида углерода на Земле превратилась в карбонатные породы (известняк, к примеру) из-за присутствия на её поверхности жидкой воды. Реакция между газом CO₂ и жидкой водой – это ключ к процессу.

На Венере, возможно, не было такого количества воды, которого было бы достаточно для такого процесса, из-за близости к Солнцу и связанных с этим высоких температур.

Марс, с другой стороны, оказался слишком холодным, вода там сохраняется только в виде льда. Вдобавок к более дальнему расстоянию от Солнца на 50%, его меньший размер и масса, а следовательно, более низкий уровень гравитации, делает его менее эффективным в сохранении покрова из газов, нежели его более массивные «сёстры».

Тем не менее особенности поверхности Марса позволяют предположить, что там некогда было такое количество жидкой воды, которого было достаточно для того, чтобы образовывать каналы и оставлять высохший ил. Это может значить, что его атмосфера была более насыщенной, чем на данный момент, и вместе с тем там было значительно больше воды, чем в настоящее время обнаруживается как на поверхности (включая полярный ледяной покров), так и в атмосфере. Наличие «ранней воды» (early water), насколько нам известно, связано также с возможным развитием ранних форм жизни, что делает вопрос об эволюции атмосферы Марса центральным при поиске жизни где бы то ни было во Вселенной.

Исследование судьбы ранней воды Марса требует знания как существующих планетарных ресурсов, всё ещё присутствующих на Марсе или внутри него, так и процессов потери истинной атмосферы, точнее, её исчезновения в космосе.

Следы того, что осталось на поверхности Марса и в поверхностных слоях его недр, особенно заметны на полярных шапках и в скоплении льда под поверхностью, а это позволяет предположить, что этих остатков недостаточно для оценки ранней воды и атмосферы. Некоторые гипотезы ссылаются на катастрофические эпизоды утечки атмосферы, во время которых удары комет или астероидов вырывали существенные куски атмосферы вплоть до конца эпохи, когда планеты ещё формировались.

Существующая информация об изотопах газов его атмосферы, обогащённой более тяжёлыми массами, позволяет предположить роль гравитации в этой задаче, хотя химия и ресурсы также могут быть причиной такого изобилия. В то же время мы знаем по предыдущим наблюдениям окружающего Марс пространства и по такой же сухой Венере, что непрерывная утечка атмосферы с этих планет происходит и сейчас.

Проблема в том, что предполагаемые темпы этой утечки, как правило, слишком медленные в сравнении с тем, что было бы необходимо для устранения в течение миллиарда лет объёма кислорода, сопоставимого по размеру с океаном. Фактически на Земле утечка атмосферы происходит такими же темпами в наше время во внешних потоках ионизированных газов на высоких широтах, где работают процессы ускорения зоны полярных сияний. Но объём атмосферы на Земле во много раз больше, чем на Марсе.

Очевидно, утечку атмосферы нельзя назвать простым или постоянным процессом, особенно если рассматривать его с точки зрения миллиардов лет истории Солнечной системы. Существуют теории, предполагающие связь между присутствием глобального планетарного магнитного поля, которого на Марсе на данный момент больше нет, но которое есть на Земле, и сохранения на планете атмосферы и воды в течение долгого времени.  

Запуск орбитального спутника MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN) был продиктован желанием получить ответы на все эти вопросы, работа над созданием которого начата в 2002 году в рамках программы  NASА Mars Scout. Под руководством главного исследователя проекта Брюса М. Якоски из Лаборатории физики атмосферы космоса (LASP) Университета Колорадо и заместителя руководителя проекта Роберта П. Лина из Лаборатории изучения космоса (SSL) в Калифорнийском университете в Беркли было получено финансирование для реализации проекта и подготовки к запуску спутника в 2013 году с расчётом на прибытие в 2014, когда Марс наиболее доступен с Земли.

В процессе подготовки LASP и SSL присоединился к Центру Космических полётов Годдарда (GSFC) вместе с командой специалистов из the IRAP (Research Institute in Astrophysics and Planetology) в Тулузе. Компания Lockheed-Martin в Литтлтоне (Колорадо) отвечала за оснащение космического аппарата, разработка проекта велась под руководством главного инженера проекта Дэвида Ф. Митчелла и исследователя проекта Джозефа М. Гребовски (оба из GSFC).

Участие Лаборатории реактивных двигателей НАСА (Jet Propulsion Laboratory) включало поддержку навигационных и телекоммуникационных систем для обеспечения ретрансляции данных приборов на Марсе. Запуск спутника был произведён 18 ноября 2013 года с мыса Канаверал (Флорида, США) на ракете Атлас V. Орбита Марса была достигнута 21 сентября 2014 года. Сейчас достижение целей, возложенных на проект MAVEN, зависит от учёных и инженеров.

Задача MAVEN – проверка физики имеющих место (сейчас) процессов утечки атмосферы путём измерений в верхних слоях и в космическом пространстве там, где такая утечка происходит. Часть этого исследования будет состоять в изучении того, что влияет на уровень утечки важных составных частей атмосферы, включая водород, кислород и углекислый газ. Оно включает влияние солнечной активности и «космической погоды» на темпы утечки – фактор, который считают потенциально отсутствующим звеном при обильных потерях атмосферы при более активном молодом Солнце.

Будет также исследовано, чем определяется соотношение изотопов в атмосфере Марса, особенно инертных газов типа аргона. Соотношение изотопов атмосферных газов давно применяется для изучения прошлого, так как соотношения с преобладанием более тяжёлого изотопа, по сравнению с обычным для космического пространства соотношением, считаются бесспорным доказательством наличия процесса (или процессов) утечки.

MAVEN будет проводить необходимые измерения с эллиптической орбиты, а именно: возьмёт образцы атмосферы в нескольких местах на высоты нескольких сотен километров от поверхности Марса и изучит её сверху и изнутри с помощью дистанционного зондирования. Его инструменты включают в себя спектрометр нейтральной и ионной массы (NGIMS), который определяет состав газов, формирующих верхние слои атмосферы, включая её ионизированную часть – ионосферу.

Сюда также входят зонд Ленгмюра и детектор плазменных волн, чтобы измерить концентрацию электронов, а также их колебания (волны), что может рассказать нам о некоторых физических особенностях процесса утечки. Другой прибор распознает состав и энергии ионов, вылетающих наружу, это скажет нам о том, из чего состоит разреженная, как хвост кометы, остаточная атмосфера Марса и куда уходит это вещество.

Некоторые другие инструменты, включая магнитометр, анализатор солнечных ветров и энергетический детектор солнечных частиц, наблюдают за условиями космической среды, которая влияет на процесс утечки. Также влияние солнечного экстремально ультрафиолетового потока – ионизированные волны света, которые известны тем, что отличаются от видимого света одиннадцатилетним циклом солнечной активности, – определяется при помощи детектора EUV.

Тепловизор на MAVEN улавливает появление верхних слоёв атмосферы Марса рассеянным (отражённым) испускаемым ультрафиолетовым светом, прослеживая изменения в её «поведении», которые могут показывать или даже контролировать темпы утечки. Это сочетание измерений беспрецедентно и позволит узнать, могли ли темпы утечки атмосферы, активные в настоящее время физическими процессами, быть достаточно высокими при интегрировании во времени, а также поможет объяснить потерю атмосферы, которая предположительно была на Марсе.

Такое дело, как создание космического аппарата и его запуск на Марс, полно вызовов и трудностей, но проведение научной миссии, которая в полную меру использует возможности этого достижения, является не менее амбициозной задачей. Результаты проекта MAVEN дадут нам принципиально новую информацию о Земле и подобных ей планетах. Они помогут понять, как сильно сочетание таких факторов, как жидкая вода на поверхности, история его пребывания в Солнечной системе и расстояние от Солнца, масса и размер планеты и, возможно, планетарное магнитное поле, и как они могут повлиять на судьбу этой планеты.

Внесолнечные планетные системы, в которых есть планеты земной группы и которые мы сейчас наблюдаем в больших количествах, совсем не обязательно содержат планеты, схожие с Землёй. Планеты земной группы в нашей Солнечной системе могут дать реальное представление об этом.

Какую важную информацию может дать MAVEN для исследования Марса? Его измерения дадут окончательную характеристику верхних слоёв атмосферы и их изменчивости, а также особенностей космической среды Марса – всё это поможет более эффективно спланировать последующие миссии.

К примеру, в настоящее время есть взаимосвязь между измерениями поверхностной радиации MSL RAD и измерениями солнечных частиц на орбите MAVEN, что позволяет создать модели атмосферного переноса. Более чёткое понимание воздействия на высокие слои атмосферы солнечной активности и поверхностных процессов, включая пыльные бури, сможет улучшить спутниковые расчёты проникновения/захватывания/аэроторможения.

Изменчивость ионосферы может влиять на взаимодействия типа поверхность-грунт, грунт-поверхность и поверхность-поверхность. Ионосферные потоки, генерируемые солнечными ветрами, способны вызвать нежелательные потоки в длинных проводниках (long conductors ) на грунте. От первого, достигнутого средствами роботехники понимания условий на протяжении пути и в его конце, логично перейти к исследованиям, проводимым человеком.

Знания, переворачивающие основы, включая атмосферные модели и влияние космической погоды, полученные в результате измерений MAVEN, послужат точкой опоры для исследователей как изучающих Землю, так и астрофизиков, а также тех, кто полетит на Марс в ближайшие десятилетия. Всё новые знания о прошлом Марса, получаемые учёными Земли, уже сейчас играют большую роль в автоматизированных исследованиях Солнечной системы, а ведь мы не знаем, какие открытия ещё ждут впереди. 

Благодарности

MAVEN в настоящее время находится на орбите Марса, производя измерения, описанные выше, благодаря группе энтузиастов – инженеров, техников, учёных, неустанно трудившихся над этим проектом. Поддержка НАСА стала возможной благодаря отделению планетоведения. Автор благодарит Брюса Якоски и исследователя проекта MAVEN Джозефа Гребовски за то, что они прочитали и прокомментировали эту статью.

Рекомендованная литература

The MAVEN Mission, Space Science Reviews, volume 385, 2015 (for more detailed descriptions of  the spacecraft, the instruments, the science goals, and the mission as a whole).

Visions and Voyages for Planetary Science 2013, 2022, National Academy Press (recent Decadal Survey for NASA Planetary Science)

The Scientific Exploration of Mars, Frederic W. Taylor, Cambridge University Press, 2010 (an introduction to the science of Mars, and the spacecraft and observations that have contributed).

Ссылки на интернет-ресурсы

lasp.colorado.edu/maven/

mars.nasa.gov (NASA’s Mars Exploration Program links)

nasa.gov/maven

www.nasa.gov/exploration/about/isecg/ger-workshop/

mepag.jpl.nasa.gov (NASA Planetary Science Division’s Community Assessment Group for Mars provides ongoing feedback to the mission planning process)

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
MAVEN and the evolution of Mars
 журнал ROOM №2 декабрь 2014