Добрый день. Я решил начать публиковать мою книгу про исследование Венеры в веб формате. Это первая часть из опубликованного (первая глава). Если все будет хорошо, то попробую выложить книгу целиком. Если же здесь решат, что это не формат, готов все удалить. Поехали!
Несколько таинственных линий
За двадцатый век наши представления о Венере изменились кардинально. Благодаря совместным усилиям учёных многих стран с нашей ближайшей спутницы был сорван ореол неизвестности. История изучения Утренней Звезды напоминает хороший детектив.
У неё есть завязка, запутанный клубок тайн, кульминация и развязка. Свидетели, которые указывали в неверном направлении, и факты, которые изначально не воспринимались всерьёз. Что же послужило первым шагом к разгадке тайн нашей соседки?
Если посмотреть на картину в целом, современная история изучения Венеры – история, с которой началось понимание того, что же собой представляет планета, – началась в апреле 1932 года, в чистую и ясную ночь. На юго-западе Калифорнии есть красивая горная цепь – Сан-Габриэль. Одной из её достопримечательностей является высокогорная астрономическая обсерватория Маунт-Вилсон. Она располагается на высоте около 1740 метров над уровнем моря. На момент описываемых событий на её основном телескопе был смонтирован новенький инфракрасный спектрограф, и сотрудники обсерватории проводили бессонные ночи, получая спектральные характеристики небесных тел. Очередной эксперимент, поставленный астрономами Теодором Данхэмом и Уолтером Адамсом, был направлен на поиск воды в атмосфере Венеры. Для увеличения точности решили ограничиться изучением небольшой полосы спектра в ближней инфракрасной области.
К тому моменту спектрометрическая теория была хорошо разработана и успешно применялась как на Земле, так и для изучения ярких астрономических объектов вроде Солнца. Более того, ещё в XIX веке удалось выявить полосы поглощения аммиака у Юпитера и других планет-гигантов. А вот в определении состава атмосфер ближайших к нам Венеры или Марса она пока не могла помочь. Слишком слабым был сигнал с других планет, слишком легко было спутать его с линиями, возникшими в короносфере Солнца или атмосфере Земли. Но в эту чистую и ясную весеннюю ночь успех наконец-то пришёл. Впрочем, и здесь не обошлось без случайности, удачи. Зная об эксперименте, Кеннет Миз, глава Kodak Research Laboratories, передал экспериментаторам набор специально изготовленных фотографических пластинок. Одна партия сенсибилизированных контрастных пластинок оказалась особенно удачной, отличаясь высокой чувствительностью, высокой контрастностью и замечательной разрешающей способностью. Не существовало других эмульсий данного типа, которые хотя бы наполовину соответствовали этим параметрам. Именно благодаря им и было сделано открытие.
После проявки пластинки следы поглощения воды найти не удалось, зато совершенно чётко проступили линии поглощения какого-то газа (рис. 21). Неизвестного газа. Подобных линий не было в справочниках. Никто не видел его в земных экспериментах, но этот газ явственно проступил в атмосфере Венеры.
К счастью, спектральный анализ основывается не только на сравнении полученных полос с уже известными. Он основан на фундаментальных свойствах вещества, и даже по расположению линий можно многое сказать о молекуле, вызвавшей поглощение. Неизвестный газ по своим характеристикам оказался похож на обычную углекислоту.
Возникал новый вопрос – почему этих линий не было видно в обычных экспериментах? Одним из вариантов ответа было то, что линии поглощения в этом диапазоне очень слабы и плохо видны при тех концентрациях СО2, с которыми обычно работают. Для проверки этой гипотезы в обсерватории Маунт-Вилсон изготовили герметичную трубу длиной 21 метр. Воздух из трубы был выкачан, и под давлением в неё стали закачивать двуокись углерода.
Вплоть до 10 атмосфер поглощения в изучаемом диапазоне не наблюдалось. При ещё большем увеличении давления появилась очень слабая и размытая линия, чрезвычайно близкая к линии, наблюдаемой в спектре Венеры. Гипотеза получила подтверждение – поглощение вызывал углекислый газ. Теперь нужно было определить его концентрацию. Необходимо отметить, что спектрометрический метод не может прямо оценить процентное содержание газа в атмосфере. Относительно легко оценить так называемую приведённую толщину газового слоя. Эта полностью условная величина введена для упрощения расчётов. Предположим, что газ вдруг перестал расширяться и во всех точках имеет постоянное давление в 1 атмосферу. Какой высоты будет слой газа, обеспечивающий данное поглощение? Или такой пример: если взять за основу эксперимент с трубой, но предположить, что труба не может выдержать давления более одной атмосферы, то какой длины потребуется труба для обеспечения заданного поглощения? Вот длина этой трубы и была бы численно равна приведённой толщине газового слоя. Эксперимент с трубой позволил определить минимальное значение – не менее 400 метров. Уточнённые оценки, сделанные по данной спектрограмме, показали ещё более эффектный результат – 3,2 км. Это очень большая величина. Для сравнения: весь воздушный океан Земли соответствует приведённой толщине 8,5 км, а приведённая толщина углекислого газа в земной атмосфере – всего 220 см.
В 1940 году астроном Руперт Вильдт сделал ещё один шаг. Он рассмотрел окна поглощения и излучения СО2 и, зная коэффициент отражения Венеры по телескопическим наблюдениям, получил, что температура на поверхности может достигать 135° С. По сути, именно он и является автором теории парникового эффекта, но в те годы его статья прошла практически незамеченной. Вторую жизнь она получила в 1952 году, когда Джерард Койпер готовил к переизданию свою книгу «Атмосферы Земли и планет». Найдя эту статью, он заново пересмотрел расчёты и, используя более современные данные по Венере, вывел, что температура должна составить около 77° С.
В 1956 году было проведено первое наблюдения собственного радиоизлучения Венеры МакКлауфом, Майером и Слонейкером в диапазоне 3,15 см на 15-метровом радиотелескопе Морской исследовательской лаборатории США. Результат всех поразил. По полученному результату температура Венеры оказалась порядка 287° С для теневой стороны планеты, что заметно превышало любые другие расчёты и измерения. Решили изменить длину радиоволны на 9,4 см.
Было проведено два наблюдения и получены показатели – 157° С и 467° С соответственно. Следующий эксперимент, проведённый Гибсоном и МакИваном в январе 1958 года, на длине волны 8,6 мм дал температуру 137° С 160° С. Но когда в сентябре 1959 года Кузьмин и Саломонович решили провести подобный эксперимент на только что запущенном в строй советском 22-метровом радиотелескопе, для 8 мм получили заметно более «холодный» результат – 42° С.
Данные радиолокации пришлись весьма вовремя. К концу 50-х годов XX века спектроскопические методы изучения Венеры испытывали кризис. К тому моменту были известны несколько десятков линий поглощения в атмосфере Венере, но все они принадлежали углекислоте. Никаких других газов долго не удавалось выявить.
Сообщения об открытии новых газов в венерианской атмосфере порой вспыхивали, как искорки, но быстро перегорали. Например, советский астроном Козырев в 1954 году при изучении пепельного света Венеры получил большое число новых линий поглощения, американский астроном Ньюкирк подтвердил его данные. Часть линий Козырев отождествил с линиями сильно ионизированного азота, и если бы это оказалось правдой, то стало бы первым открытием азота в атмосфере другой планеты. Потом часть линий пытались объяснить ионизированным кислородом. В результате выяснилось, что это была ионизированная углекислота.
Самое неприятное, что никак не удавалось уверенно доказать наличие в атмосфере Венеры воды. Все наблюдения, направленные на это, показывали либо отрицательный результат, либо концентрацию, которую могли дать и следы влаги в земной атмосфере. Причём её нельзя было выявить даже косвенными методами. Например, под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца вода и углекислота могли образовать формальдегид, но выявить формальдегид в атмосфере Венеры тоже не удалось. Или такой факт: высокое содержание углекислоты указывало на то, что в атмосфере Венеры нарушено так называемое равновесие по Юри. В условиях Земли углекислый газ активно связывается мировым океаном, преобразуясь в осадочные породы. Причём вода служит катализатором в этом процессе. И если на планете есть вода, то должно быть куда меньше угле кислого газа. Тем не менее облака над Венерой при хорошем телескопе были видны прекрасно, и если они состояли не из воды, то тогда из чего? Может, всё-таки из воды, но её не удаётся точно выявить из-за влаги в атмосфере Земли, воздействующей на показания спектрографа?
С этой ситуацией нужно было что-то делать. Скажем, попробовать так поставить эксперимент, чтобы вода из земной атмосферы не могла влиять на результат. В 1959 году была предпринята весьма занятная попытка. В 50-х годах научно-исследовательский центр ВМС США проводил обширную программу по запуску пилотируемых стратостатов (рис. 22). Изначально в полётах производилось изучение атмосферы Земли, но группа учёных из Университета Джона Хопкинса предложила проект получения инфракрасных спектров Марса и Венеры – для поиска на них воды. Предложение было принято, и началась работа. На стратостат установили специально модифицированный телескоп со спектрографом. Предварительное наведение должен был осуществлять человек, затем наведение телескопа на планету контролировалось специальной автоматической следящей системой. Первая попытка состоялась в 1958 году, её целью был Марс. Из-за неисправной оболочки стратостата полёт пришлось отложить, и возможность изучить Марс в этом году была потеряна. В 1959 году пришла очередь Венеры.
В конце ноября 1959 года стратостат с пилотом Россом и наблюдателем Муром достиг высоты 24 км. На этой высоте количество водяных паров в атмосфере Земли не превышало 0,1% от общего значения. Росс и Мур направили телескоп на цель и смогли получить несколько инфракрасных спектров Венеры. Задача оказалась непростой. Колебания гондолы порой были так резки, что приходилось полностью прекращать работу. По мнению постановщиков эксперимента, даже то, что удалось получить хоть какие-то результаты, было само по себе удивительно. Но результат имелся: получилось выявить несколько линий поглощения воды. К сожалению, разброс значений оказался слишком велик, что ставило под большие сомнения полученные данные.
Также в 1959 году произошло ещё одно знаменательное событие, благодаря которому появился ещё один кусочек в венерианской мозаике: так называемое покрытие (затмение) Венерой одной из ярчайших звёзд на небе – Регула (Альфа Льва). Такие затмения происходят крайне редко. В XX веке на тот момент было зафиксировано всего три подобных события. Покрытие Венерой Регула было рассчитано заранее, и крупные обсерватории готовились к нему. Большой удачей явилось то, что во многих пунктах наблюдения была хорошая погода. Как известно, когда звезда подходит к самому краю планетного диска, её свет начинает ослабляться. При этом ослабление вызывается не рассеиванием, а рефракцией света. Проходя через атмосферу Венеры, свет отклоняется от прямой траектории. Зная физические основы рефракции, можно очень точно вычислить параметры верхней атмосферы планеты. Правда, есть одно «но»: эти данные могут дать только некий коэффициент (абсолютную плотность атмосферы), связанный как с температурой, так и с молекулярным весом газа, вызывающим рефракцию. И только точно зная состав атмосферы, можно без особого труда вычислить её температуру и плотность на той высоте, на которой происходило покрытие.
В качестве основного газа атмосферы Венеры был принят азот; взяв его молярную массу, получили распределение плотности и температуры в верхних слоях. Эти данные вошли в первые модели атмосферы Венеры.
Автоматические межпланетные аппараты могли при правильном использовании дать ответы на многие загадки. Для оценки текущих знаний и анализа экспериментов Совет по исследованию космического пространства Национальной Академии наук США 24 июля 1960 года решил провести специальную конференцию по обсуждению параметров атмосфер Марса и Венеры. Именно к этим планетам в первую очередь предстояло отправить земные аппараты. Ввиду важности вопроса также было решено провести в Пасадене дополнительную конференцию в конце декабря 1960 года – начале февраля 1961 года. Эта конференция, на которой присутствовал весь цвет американских планетологов, интересна тем, что по докладам, прозвучавшим на ней, хорошо видны представления о планетах в начале космической эры. По Марсу особых сомнений не возникало, чего нельзя сказать о Венере. Конференция наглядно выявила: непротиворечивой теории, описывающей структуру венерианской атмосферы, нет! Каждый планетолог отстаивал свою версию, и ни одна гипотеза не была свободна от внутренних проблем. Среди научных предположений порой были весьма занятные. В частности, хотелось бы упомянуть об очень экстравагантной теории доктора Хойла. По ней Венера была покрыта океаном, в котором вода находилась под громадным слоем нефти.
И эта гипотеза тоже была хорошо проработана и неплохо объясняла часть имеющихся данных.
Основными на тот момент можно считать три теории структуры атмосферы Венеры. Все они были разработаны для объяснения высокой радиояркостной температуры, полученной радиоастрономами. Здесь нужно чётко понимать, о чём шла речь. До той поры имелось всего восемь точек на графике радиоизлучения Венеры в зависимости от длины волны. Точность этих измерений, к сожалению, была низка из-за собственных шумов приёмника, эксперименты проводились на пределе чувствительности приборов. Но они в целом показывали, что излучение Венеры на разных частотах радиоизлучения различно.
В миллиметровом диапазоне температура была относительно невелика, градусов 50–70 по Цельсию, но могла существенно превышать значение 300° С в сантиметровом диапазоне. Нужно было понять, откуда идёт это излучение. Для объяснения вырисовывающейся картины были разработаны два типа гипотез: горячего низа и холодного верха и, соответственно, горячего верха и холодного низа (рис. 23).
Под горячим низом подразумевалась поверхность планеты. И именно она, по теории первого типа, была раскалена до чудовищных температур; холодное излучение шло с более высоких слоёв атмосферы – например, от облаков. Классическим представителем первого типа была парниковая гипотеза. Её весьма тщательно проработал Карл Саган. Углекислый газ сам по себе, казалось бы, не мог вызвать такой нагрев, это выходило из расчётов Вильдта и Койпера. Карл Саган тщательно повторил расчёты и показал, что поглощение только в углекислоте никак не могло объяснить экспериментальные данные. Но если добавить в атмосферу Венеры хоть немного водяных паров – всё менялось. Водяной пар очень хороший парниковый газ. Он мог задержать излучение в инфракрасном диапазоне, что и вызывало сильный нагрев поверхности.
Парниковая гипотеза рисовала весьма скучный мир. Температура на поверхности – более 300° С, давление могло достигать нескольких атмосфер. На Венере должно быть сухо, безветренно, темно и жарко. Солнце можно было бы наблюдать только в виде красноватого диска. Надежд на венерианскую жизнь парниковая гипотеза почти не оставляла. На начало 1960-х годов именно она была проработана лучше любой другой, хотя и у неё имелось несколько недостатков.
Например, тот факт, что с водой на Венере были проблемы. Эрнст Эпик раскритиковал парниковую гипотезу и предложил свою. Он назвал её эолосферной, в честь Эола – древнегреческого бога ветра. Дело в том, что поляриметрическая кривая облаков была похожа куда больше на кривую пыли, нежели воды. Согласно этой гипотезе, облака, которые все наблюдали, были не облаками, а грандиозной пылевой бурей, охватившей всю планету. Она закрывала поверхность Венеры гигантской мантией, а за счёт трения песчинок о поверхность повышалась температура.
Впрочем, при расчёте данных по давлению и температуре на поверхности Венеры они оказывались похожи на результаты, получаемые при парниковой гипотезе. Так же, как и в парниковой гипотезе, получалось, что температура на поверхности – более 300° С, давление до 4-х атмосфер. Сухо, но очень пыльно и ветрено. Увы, обе эти теории не оставляли надежд на наличие на Венере жизни.
Впрочем, была ещё теория «горячего верха» – ионосферная. По ней более низкая температура принадлежала поверхности, а высокая – вызывалась излучением ионосферы планеты. В этом случае на Венере действительно была бы вполне сносная температура – около 27-ми градусов Цельсия. А вполне возможно, и жизнь. Во многом эта гипотеза основывалось на более раннем предположении, построенном на теории возникновения планет в Солнечной системе.
Венера представлялась облачным двойником Земли, находящимся в той ситуации, которая сложилась на нашей планете миллионы лет назад, в каменноугольный период. Тёплый и влажный климат с изобилием влаги, пасмурным небом и органическим миром, похожим на тот, что был в конце палеозойской эры. Там, думали романтически настроенные учёные, растут тропические сады и гуляют предки динозавров. Затерянный мир, который ждёт своих профессоров Челленджеров. Ведь это была целая неизведанная планета! Писатели и художники изображали будоражащий воображение мир во всем полноцветии красок.
В 1961 году в СССР вышел художественный фильм «Планета Бурь» режиссёра Павла Клушанцева (рис. 24). Клушанцев был очень успешным режиссером-документалистом и отличался дотошным научным подходом. Это был его единственный художественный фильм по одноимённой повести Александра Казанцева. В начале фильма он честно предупреждал зрителей: «Научные сведения о планете Венера скудны и противоречивы. Лишь фантазия способна заглянуть в неоткрытый мир. Он может оказаться и не таким, как в нашем фильме. Но мы верим в грядущий подвиг советских людей, которые воочию увидят планету бурь».
В кинокартине зрители увидели инопланетные пейзажи, подводные путешествия, агрессивную флору и фауну. Они путешествовали и спасались вместе с героями от вулкана… И не было тогда на всей нашей планете человека, который мог уверенно доказать, что это не так. Три предположения. Три разных мира. Ни одна гипотеза не могла вместить в себя все имеющиеся данные. Каждая из них хорошо объясняла одни факты и полностью опровергалась другими. Нужны были более детальные данные, чтобы понять, какая из гипотез верна.
Это фрагмент моей книги «Венера. Неукротимая планета». Также сейчас идет сбор на мою новую книгу. Его можно поддержать здесь.
Автор: Шубин Павел
