МАРАФОН-2002

Проф. Б.И.Лучков,
МИФИ, г. Москва

Водные ресурсы Марса

Ad astra per aspera et per ludum.

В середине 1960-х гг. романтиков и ученых постигло сильное разочарование. Полувековая мечта о высокоразвитой марсианской цивилизации, бесспорное свидетельство которой, казалось бы, предоставляла сеть каналов, покрывавших планету, рухнула в одночасье при получении точных фотографий этой планеты с американских «Маринеров» и наших «Марсов». Каналы оказались оптической иллюзией несовершенных земных телескопов и восторженных поклонников Аэлит. Сопоставление результатов космической съемки с картами Скиапарелли, Ловелла и их последователей показало, что за каналы принимались цепочки кратеров, разломов и других деталей поверхности, не носящих на себе никаких рукотворных следов.

Чуть позже посадочные аппараты «Викингов» (1976 г.) показали истинную панораму Красной планеты. Безжизненная пустыня, покрытая кратерами, натеками лавы, песком и камнями. Унылый бесплодный ландшафт. Не только не видно следов разумной деятельности – нет никаких указаний на какие-либо, пусть самые примитивные, формы жизни. Все попытки найти в марсианском грунте реакции, сопутствующие микроорганизмам, на которые так богаты земные пробы, где бы – в пустынях, на высокогорье, в приполярных районах – их ни брать, окончились неудачей. Марс не несет в себе семян жизни, по крайней мере до глубины 10–20 см, с которой брались пробы.

Космические исследования приносили все новые факты бесплодности планеты, оказавшейся так разительно непохожей на Землю. Очень разреженная атмосфера (в 150 раз менее плотная, чем земная), с крайне малым содержанием кислорода (около 1%). Кислород, выделяемый растениями в процессе фотосинтеза, – важный качественный тест на биоактивность планеты. На Марсе кислорода крайне мало. Зато много углекислоты (вторая сторона той же медали – низкой биологической активности), газообразной – в атмосфере, ледяной – на полярных шапках. Ничтожно количество водяного пара в редких марсианских облаках и туманах, изредка наблюдаемых в ущельях. Практически замершая сейсмическая и вулканическая активность – указание на отсутствие заметных масс горячей магмы вблизи поверхности. Близко к нулю магнитное поле, свидетельствующее о слабых электрических токах в расплавленном ядре. Все не как у нас! И это при том, что Марс, четвертая планета Солнечной системы, ближайшая наша соседка и, по-видимому, кровная сестра Земли, получает от Солнца не намного меньше тепла и света (всего только в два раза). Правда, ее масса и сила тяжести на поверхности заметно меньше земных (в 10 и 2,5 раза соответственно).

Что привело к такому разительному несходству космических сестер? Результат ли это разных эволюционных путей развития, заложенных изначально, или следствие катастрофы, постигшей Марс и оборвавшей его «земной путь»? Какую роль играла возможная в прошлом биологическая жизнь планеты?

Извечный вопрос «Есть ли жизнь на Марсе?», оставаясь без ответа, дополнился новым: была ли на Марсе жизнь?

Следы воды

Интерес к Марсу не угасал. Для планетологии каждая планета уникальна, т.к. дает новые возможности проверки космогонических моделей, а ближайшая – еще и более доступна для исследований. К Марсу посылались все новые корабли, но в отличие от других планет марсианская программа шла с большими потерями. Неудачно закончились наши «Фобос-1» и «Фобос-2», с которыми по небрежности была потеряна связь. Не сошел с околоземной орбиты и был затоплен в Тихом океане «Марс-96», на котором погибла уникальная аппаратура, готовившаяся для посадки на планету и забора проб грунта с глубины 2–3 м (приборы-кроты). Погибли при маневре и посадке американские «Mars Observer», «Mars Climate Orbiter», «Mars Polar Lander».

И все же постепенно исследователи Марса разгадывали одну тайну за другой. Оказалось, что вода в прошлом на Марсе была, и даже в немалом количестве. Картографирование планеты, успешно проведенное КА «Mars Global Serveyer» (MGS), дало снимки марсианской поверхности со следами высохших водных потоков протяженностью в сотни километров в равнинной и горной местностях. Пример – система Ниргал, русло высохшей реки с разветвленной сетью притоков. В северном, равнинном полушарии Марса существовал, по-видимому, древний океан, береговая линия которого оставила следы, достаточно уверенно прослеживаемые на космических снимках.

Марс все же не совсем погасшая планета. Его огромные вулканы (наибольший – Олимп – высотой 27 км, основанием 550 км и диаметром кратера 60 км) проявляют некоторую активность, являясь источниками тепла и вулканических газов. Климатические условия вблизи них не столь суровы, как в целом на планете. Магнитное поле тоже существует, но в отличие от земного имеет не дипольный характер, а сложную структуру из локальных петель. Возможно, это проявление остаточного магнетизма пород – сохранившийся реликт прежнего, нормального поля планеты. Местами поле столь же велико, как у нас, хотя в целом сегодняшняя марсианская магнитосфера уступает земной по объему и величине.

Марсианские полярные шапки, более мощные, чем земные, в основном состоят из углекислого льда. Их картографирование, проведенное с высокой точностью лазерным альтиметром MGS (± 5 м!), открыло настоящее «царство» Снежной королевы – со сверкающими вершинами, глубокими трещинами и бескрайними снежными полями. Заветная цель будущих полярных путешественников! Но воды ни в какой форме, как показали спектрометрические исследования, там не оказалось. Однако она может быть «спрятана» у подножия полярных шапок, где в условиях вечной мерзлоты ею пропитаны породы и, возможно, заполнены огромные подземные резервуары. Ведь и на Земле существуют большие скрытые запасы воды (даже, говорят, под Сахарой).

Обнаружение грунтовых марсианских вод стало одной из главных задач настоящих исследований. От ее решения зависит ответ на многие марсианские вопросы, включая возможность существования жизни. Ближайшая программа NASA так и называется – «За водой».

Климат раннего Марса

По многим свидетельствам, происхождение планет земной группы (Меркурия, Венеры, Земли, Марса) однотипное. И пути развития их во многом должны быть схожи. Следы воды на поверхности Марса подтверждают это сходство. Эти планеты – «горячего» происхождения: их недра первоначально были сильно разогреты и частично расплавлены. Океан горячей магмы мог прорывать слой коры и вырываться на поверхность. Геологические структуры современного Марса сохраняют следы первичного этапа, полностью исчезнувшего на Земле, и одна из главных задач исследования – получить сведения о марсианских структурах для уточнения теории развития земной группы планет.

Все говорит о том, что климат раннего Марса был значительно более теплым и влажным, чем сейчас. Он, конечно, не был теплым в земном понимании: среднегодовая температура не поднималась выше нуля (на Земле она +15 °С). Океан был покрыт ледяной коркой, равнинные реки текли подо льдом. По-видимому, большую роль в те далекие времена играл парниковый эффект, вызываемый атмосферным СО₂, который компенсировал недостаток получаемого тепла вследствие меньшей дозы солнечной энергии. И все же климат раннего Марса был достаточно комфортным для развития живых организмов.

Изменение климата модель связывает с катастрофической метеоритной бомбардировкой, произошедшей 3–4 млрд лет назад (ее следы хорошо видны на Луне; на Земле столь древние породы не сохранились из-за непрекращающейся вулканической и сейсмической деятельности). Метеориты разрушили атмосферу, что привело к необратимому переходу от влажно-теплого к теперешнему холодно-сухому Марсу.

Такой сценарий развития не исключает возможность зарождения жизни в марсианском океане приблизительно в то же время, когда она возникла в первичном океане Земли (около 3,5 млрд лет назад).

Система Ниргал – пример русла высохшей марсианской реки протяженностью около 1000 км

Марсианский метеорит

Останки палеобактерий и продуктов их жизнедеятельности обнаружены в метеорите ALH-84001, найденном несколько лет назад в Антарктиде. Это действительно камень с Марса, залетевший на Землю несколько тысяч лет назад, о чем однозначно говорит состав адсорбированного в нем газа. По элементному и изотопному анализам он полностью совпал с составом марсианской атмосферы, хорошо изученной «Марсами» и «Викингами». Так же бесспорно, что найденные при просмотре срезов камня в электронный микроскоп углеродно-кремниевые образования не были занесены извне (например, во время его долгого пребывания на Земле): их число возрастает с глубиной. Долгий спор о том, представляют ли они на самом деле следы жизнедеятельности микроорганизмов, похоже, склоняется в пользу «жизни». Во-первых, вокруг этих реликтов дополнительно найдены кристаллы веществ, вырабатываемых бактериями и не существующих в неживой природе. Во-вторых, магнитный анализ срезов показал, что температура внутри камня при его выбросе с поверхности Марса (в результате падения астероида) не так высока и не могла вызвать расплавление породы и образование наблюдаемых микроскопических структур. Этот результат крайне важен и в другом отношении: семена жизни могут таким образом мигрировать с населенной планеты, не опасаясь термического «обжаривания» при вылете с нее. Марсианские органические останки меньше земных палеобактерий. Однако это не аргумент против них. Формы жизни могут быть многообразны даже на уровне первичных организмов. Очевидно, эволюционные пути на всех этапах развития жизни быстро разветвляются.

Итак, 1,5 млрд лет назад (это возраст марсианского метеорита) жизнь на Марсе в самой первичной форме была. Существовала ли она затем в других формах? Сохранилась ли она в каком-либо виде сейчас?

Космический зонд «Mars Odyssey»

Новый посланец, разработанный в НАСА (США), 24 октября 2001 г. завершил перелет к Красной планете и стал ее спутником. Общий вид корабля:

Его масса 700 кг, из них 44 кг научной аппаратуры. Малая масса и размеры по сравнению с околоземными спутниками типичны для марсианских кораблей и связаны с необходимостью преодоления земного тяготения, длительным перелетом и выходом на марсианскую орбиту. Научная миссия рассчитана на 2,5 года исследований планеты. Состав научной аппаратуры: фотокамеры видимого и инфракрасного диапазонов, дозиметр, гамма-спектрометр, нейтронные детекторы. Один из последних – детектор нейтронов высоких энергий (High Energy Neutron Detector – HEND) – создан в ИКИ РАН под руководством доктора физ.-мат. наук И.Г.Митрофанова. Главная цель HEND – получение нейтронного изображения Марса в разных интервалах энергий, анализ которого предоставит сведения о поверхностном составе марсианских пород и, в частности, может выявить глубинные запасы воды и льда.

Нейтроны вырываются из ядер в результате бомбардировки марсианской поверхности космическими лучами (тонкая атмосфера не препятствует проникновению этих лучей в глубь грунта). Возникающий поток быстрых нейтронов испытывает два типа взаимодействий: упругое рассеяние, при котором нейтроны теряют энергию до тепловой (0,01–1 эВ) и замедляются, и захват ядрами среды с возбуждением и последующим испусканием характеристического гамма-излучения, строго индивидуального для каждого элемента. Возникает лес гамма-линий, измерение которых германиевым спектрометом (Gamma Rays Spectrometer – GRS) даст сведения о составе марсианских пород. Совместные данные HEND и GRS позволят однозначно интерпретировать полученные результаты.

Независимая задача детектора HEND – сопоставление потоков нейтронов разных энергий. В состав детектора входят три пропорциональных счетчика, регистрирующих соответственно тепловые (0,4–1 эВ), промежуточные (1 эВ–1 кэВ) и быстрые (1 кэВ–1 МэВ ) нейтроны, и дополнительные счетчики быстрых нейтронов (1–10 МэВ). Замедление нейтронов в основном происходит на легких ядрах и наиболее эффективно в водороде. Поэтому там, где много водородсодержащего вещества (в условиях Марса это подземная вода или лед), поток тепловых нейтронов будет доминировать над потоком быстрых нейтронов, а там, где водорода нет, будут преобладать нейтроны высоких энергий. Детектор, облетающий Марс по круговой орбите, сканирует его поверхностный слой глубиной до нескольких метров в нейтронном свете. Расчеты показывают, что при выбранной орбите (высота 400 км, период обращения 2 ч) пространственное разрешение нейтронной карты планеты будет около 300 км, что для первого поиска является достаточно хорошей точностью. Угол наклона орбиты 93° обеспечивает обзор всей поверхности с обязательным прохождением над полярными шапками.

Есть вода!

Истошный крик юнги «Земля-я-я!» с мачты «Святой Марии» возвестил открытие Колумбом Нового Света с его совершенно новым миром живой и неживой природы. Такой же яростный крик «Вода-а-а!» раздался недавно на 5-м этаже здания ИКИ при получении первых результатов работы детектора HEND, как возможная прелюдия к открытию неизвестного затерянного мира.

Первая, еще далекая от совершенства, карта Марса в нейтронном свете показана ниже. Вблизи южной полярной шапки, в поясе от –30° до –50°, наблюдается обширный район избытка тепловых нейтронов. С большой вероятностью мы видим проявление скрытого резервуара марсианской воды. Окончательное заключение и действительные размеры водного бассейна будут выявлены позднее, при накоплении и уточнении результатов измерений.

Отдельные очаги тепловых нейтронов видны и в других местах планеты, даже в районе экватора. Что они представляют собой, пока неясно. Возможно, это месторождения марсианской нефти (которая тоже содержит много водорода и является хорошим замедлителем нейтронов), и недурно бы взять патент на открытие. С марсианскими нефтедолларами российская наука могла бы выйти из нынешнего финансового тупика. Земная-то нефть истощается и, кто знает, не придется ли завозить ее с Марса.

А если спуститься с заоблачных высот на твердую научную почву, то обнаруженные аномалии нейтронных карт Марса, несомненно, сулят новый захватывающий этап исследований планеты. Скрытые грунтовые запасы воды там все же есть, и это открытие вселяет надежду на возможность в ближайшем будущем обнаружить новые формы жизни на этой загадочной планете.

Первая карта Марса в нейтронном свете (надтепловые нейтроны: 0,4 эВ–100 кэВ).
Кружками обведены области с избытком тепловых нейтронов

Еще один интересный (и тревожный) результат. Поверхность Марса, по данным бортового дозиметра, сильно радиоактивна. Это следствие той же незащищенности планеты от космических лучей и образования потоков нейтронов в верхних слоях грунта. Становится понятным отсутствие каких-либо форм жизни в поверхностном слое, где проводились первые поиски. Там жизнь подавлена радиацией. Если она где-то и может существовать, то только заэкранированная, глубоко под землей. Однако некоторые биологи считают, что «марсианская доза» не так велика, чтобы убить все жизненные формы (существует же биосфера в зоне Чернобыля!). И все же миллиардолетняя привычка (а точнее, эволюция) могла загнать марсианских обитателей глубоко под землю.

Активность Марса надо учитывать при планировании пилотируемой космической экспедиции (ориентировочно – в 20-е гг. нашего столетия), с высадкой космонавтов на его поверхность. Хотя эта активность не больше, чем на Луне, зато длительность экспедиции будет не неделя, как во время лунных визитов «Аполлонов», а несколько месяцев, и в случае солнечной вспышки, когда интенсивность космических лучей и потоков солнечной плазмы резко возрастает, наведенная радиоактивность станет очень опасной.

Марс, хотя и является лучшей резервной планетой в Солнечной системе, где человек может находиться с использованием сравнительно простых средств жизнеобеспечения, конечно же, не сравнить с нашей родной Землей. Жизнь поселенцев на Марсе будет намного более суровой, чем в радиационной Чернобыльской зоне. И изучать Марс надо главным образом для того, чтобы знать, что с ним в прошлом случилось, и не дать Земле свернуть на «марсианский» путь.

.