вернёмся в библиотеку?

«Земля и Вселенная» 1993 №4



«Марс Обсервер»: возвращение к Красной Планете
АРДЕН Л. АЛБИ,
профессор
Калифорнийский Технологический Институт США

15 лет назад два американских космических аппарата «Викинг» достигли окрестностей Марса (Земля и Вселенная, 19, с.) и, перейдя на орбиту вокруг планеты, начали самую полную в истории космонавтики программу ее изучения. Данные этих четырехлетних исследований до сих пор обрабатываются американскими специалистами, и до конца этой работы еще далеко. Тем не менее, ученые планируют новые и новые проекты. 25 сентября

1992 г. в США запущен «Наблюдатель Марса» — «Mars Observer», предназначенный для дистанционных наблюдений планеты.

В 1994 г. в России стартует «Марс-94», в программу которого войдут не только наблюдения с орбиты, но и конкретные измерения на поверхности Марса, и запуск воздушных шаров в его атмосфере. Что еще рассчитывают узнать ученые? Рассказывает об этом научный координатор проекта «Марс Обсервер».


МАРС. ИМЕЮЩИЕСЯ ДАННЫЕ И ПРОБЛЕМЫ


Последние приготовления КА «Марс Обсервер» к установке на ракету-носитель. Космический центр им. Кеннеди, Флорида, США

Марс — наиболее тщательно изученная, за исключением Земли, планета Солнечной системы. Более 20 космических аппаратов было направлено к нему, причем последние из них — советские станции «Фобос-2» — достигли планеты в 1989 г. Основной целью всех этих исследований было получение данных, которые помогли бы понять происхождение и эволюцию Марса и сравнить ее с историей ближайших соседей планеты — Землей и Венерой. Перечисленные планеты, принадлежащие к земной группе, сформировались в одной области Солнечной системы в одно и то же время, но затем в своем развитии прошли весьма различные пути. И теперь, например, атмосферное давление у поверхности Венеры в 90 раз больше, чем у поверхности Земли, а у Марса не достигает и сотой доли этого значения. В атмосферах и Венеры, и Марса преобладает углекислый газ, делая их особенно интересными, ведь этот газ часто связывают с изменением климата Земли.

Хотя марсианская атмосфера более разрежена по сравнению с земной, она все же содержит вполне измеримое количество водяных паров. Временами относительная влажность здесь достигает 100 %, что приводит к появлению водяных облаков, туманов и инея вдобавок к тем же образованиям из углекислого газа. И все же в настоящее время на Марсе не идут дожди, поскольку атмосферное давление слишком низко и вода не может оставаться в жидком состоянии. Известно, что помимо водяного пара в атмосфере вода на Марсе существует и в обширной постоянной северной полярной шапке. Нужно отметить, что меньшая по размерам постоянная южная полярная шапка даже в летний период в южном полушарии покрыта инеем из углекислоты и не может быть источником воды, наблюдающейся в атмосфере. В известном смысле, мы можем говорить об атмосферах Венеры, Земли и Марса как о необъятных лабораториях, где можно наблюдать результаты естественных атмосферных экспериментов.

Существуют веские доказательства (в основном это открытие очень крупных каналов, как бы вырытых бурными потоками, или слабо связанных между собой сетей из «дренажных канав») того, что вода присутствовала в марсианской атмосфере в прошлом. Что же случилось с ней затем? Некоторые соображения дают основания полагать, что часть находится под поверхностью планеты в замерзшем состоянии и сейчас, когда как остальная в виде пара была унесена из атмосферы в процессе ее эрозии солнечным ветром. Выяснить историю существования воды на Марсе — одна из основных задач проекта «Марс Обсервер». Если удастся понять поведение атмосферы в настоящее время, мы сможем более уверенно экстраполировать его на прошлое, чтобы разобраться в том, какие же условия царили на Марсе в предыдущие эпохи.


На этом мозаичном изображении, поступившем с борта КА «Викинг», хорошо заметно различие между сильно кратерированными нагорьями (вверху слева) южного полушария и северными равнинами (справа). В центре видна Долина Мангалы (Mangala Vallis), возможно, образованная потоками некогда существовавшей на Марсе воды, размер снимка примерно 1000Х1000 км, координаты его центра — 6° ю. ш. и 150° з. д.

Разреженность марсианской атмосферы — большое преимущество для множества экспериментов по дистанционному зондированию планеты, поскольку не возникает никаких препятствий при наблюдении ее поверхности с орбиты. Эта разреженность даже дает некоторые преимущества при таких измерениях как гамма-спектроскопия, невозможная на земной орбите из-за поглощения гамма-лучей более плотной земной атмосферой. К счастью, измерение свойств поверхности можно выполнять с орбиты, поскольку, хотя Марс и меньше Земли, площадь его поверхности (144X106 км2) приближается к площади целого земного континента. В течение долгого времени данные, полученные дистанционно, видимо, будут оставаться единственной информацией о многих регионах Марса.

Поскольку часть поверхности планеты сильно кратерирована, напоминая лунную (и сохраняет наглядную информацию о процессах, последовавших за периодом ее ранней бомбардировки, последовавшей за формированием планеты около 4 млрд лет назад), ее изучение очень важно для понимания эволюции планет земной группы. На Земле же следы этой ранней бомбардировки или уничтожены, или сильно изменены. Образование морского дна и последующие тектонические изменения разрушили большую часть следов ранней океанической коры Земли, а эрозия континентов значительно помогла этому. Тектоника коры, похоже, совсем отсутствует на Марсе и поэтому эрозионные процессы здесь гораздо менее эффективны. Таким образом, исследование эволюции Марса позволит более уверенно заглянуть в раннюю историю Земли.

КЛЮЧЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОЕКТА

Проект «Марс Обсервер» основан на ряде новшеств, касающихся самого космического аппарата и его научной программы. Орбита аппарата подобна орбитам спутников «Лэндсат», «Спот» и «НОАА», ведущих наблюдения с Земли. Низкая, почти круговая, полярная и солнечно-синхронная, она позволяет значительно расширить возможность съемки. Небольшая высота полета (400±25 км) поможет достичь высокого пространственного разрешения и хорошего отношения сигнал/шум. Близкая к круговой орбита (эксцентриситет меньше 0,01) — почти равномерного пространственного разрешения на всех широтах и долготах.


На этом изображении, также переданном «Викингом», — область северного полюса Марса. Остатки полярной шапки покрыты слоями отложений, а более темная область, окружающая ее, — песчаные дюны. Диаметр изображения — 1500 км
Околополярная (i = 93°) орбита даст возможность наблюдать все широты и долготы планеты и явится основным условием для проведения глобального картографирования, а солнечно-синхронная — повторять наблюдения при одних и тех же условиях освещенности поверхности (положение Солнца при этом в снимаемой точке соответствует 14 ч местного времени). Эта орбита также удобна, когда для охлаждения приемников требуется работа радиаторов. Период будущей орбиты КА составит 118 мин. Она обеспечит двукратную съемку 13-ти долгот Марса за марсианские сутки и строится таким образом, что ее проекция на поверхности планеты (трасса) не будет повторяться от витка к витку. Это позволит произвести съемку всей планеты. Трассы, почти повторяясь с 7-и 26-дневными интервалами, обеспечат однородное покрытие съемкой всей планеты через эти интервалы. Через один марсианский год среднее расстояние между снятыми полосами на экваторе планеты составит около трех километров.

С конца 1993 г. аппарат будет постоянно ориентирован на точку надира (т. е. находящуюся прямо под ним по направлению к центру масс планеты). Это можно сделать, придав аппарату вращение с периодом, равным периоду обращения вокруг планеты. Таким образом, его приборам предстоит «смотреть» всегда в одном направлении — к поверхности планеты. Подобная ориентация сохранится до окончания полного цикла картографирования, т. е один марсианский год. Все данные, получаемые от приборов, запишутся бортовыми магнитофонами, а «сброс» на Землю записанной информации будет производиться ежедневно. Данные же экспериментов, ведущихся в режиме скоростной передачи информации, будут передаваться в реальном масштабе времени. В тех исследованиях, где потребуется вести наблюдения одновременно в нескольких направлениях, таких, например, как зондирование атмосферы, когда нужно «смотреть» и в надир, и на лимб планеты, предусмотрено применение движущихся электронных или механических зеркал.


Снимок сделан с борта орбитального отсека КА «Викинг» и показывает облака в атмосфере Марса. Приборы на борту КА «Марс Обсервер» будут наблюдать лимб Марса каждые утро и вечер

Масса научных приборов на борту составит 150 кг, а мощность в сети научных приборов — 121 Вт. Постоянный уровень мощности поддержат с помощью солнечных батарей и аккумуляторов в течение всего времени картографирования планеты. Скорость передачи записанной информации зависит от расстояния между Землей и Марсом: во время наибольшего расстояния она составит лишь 3,5X108 бит/сут, во время же максимального сближения достигнет 1,4X109 бит/сут. Каждый из экспериментов управляется микропроцессором, входящим в состав аппаратуры. Весь долгий срок реализации проекта разработчики смогут «командовать» своими приборами дистанционно через центр управления в Лаборатории Реактивного Движения (ЛРД) и через «Сеть дальнего космоса» NASA, оставаясь в своих институтах. Тем же путем данные, получаемые от КА, будут направляться из ЛРД их разработчикам. Собрав вместе разнообразные факторы, касающиеся и орбиты аппарата, и приборов, и проблем управления ими, можно максимально расширить возможности этого скромного (по размерам финансирования) проекта.

Из пяти основных научных целей проекта «Марс Обсервер» три относятся к «гео-наукам», т. е. проведению измерений (гравитационных и магнитных) поверхности и недр, а две посвящены климатическим и атмосферным исследованиям, включающим в себя измерения параметров атмосферы и поверхности планеты. В итоге эти цели оказались такими:

— определить в глобальном масштабе элементарный и минералогический состав поверхностных материалов;

— изучить топографию и гравитационное поле планеты;

— установить природу ее магнитного поля;

— определить время и пространство распределения, насыщенность, источники и оседание летучего материала и пыли в течение всего сезонного цикла;

— исследовать структуру и циркуляцию атмосферы.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ И ПРИБОРНОЕ ОСНАЩЕНИЕ

Каждый из семи экспериментов, отобранных для проекта, направлен на решение одной или нескольких научных задач. Диапазон всех научных приборов вместе перекрывает большую часть электромагнитного спектра, а сами приборы регистрируют разнообразные физические процессы. Помимо высокого спектрального разрешения они обладают и широкими полосами пропускания при различном пространственном разрешении.

Гамма-спектрометр GRS (разработчик В. Бойнтон и др.) сможет фиксировать гамма-излучение, возникающее под марсианской поверхностью и вблизи нее. Высокоэнергичные фотоны этого излучения образуются в процессе естественного распада радиоактивных элементов или же порождаются космическими лучами, взаимодействующими с атомами атмосферы и поверхности. GRS измерит распределение энергии фотонов, а ученые, участвующие в эксперименте, используя полученную информацию, смогут установить количество каждого из элементов в поверхностном материале. В верхнем слое поверхности (порядка метра) предстоит измерить содержание калия, урана, тория, кальция, магния, алюминия, железа и некоторых других. Хотя пространственное разрешение при этом не будет высоким (около 300 км для большинства элементов), гамма-исследования — единственный доступный способ дистанционно определить состав поверхностных пород. В прибор также входит нейтронный спектрометр для измерения интенсивности потока термализованных и нетермализованных нейтронов. В соединении с гамма-спектроскопией эти измерения дадут информацию о распределении углерода и водорода в верхнем слое поверхности. Прибором GRS можно будет получать и гамма-спектры космических источников, если поток гамма-излучения от них достигнет регистрируемого уровня. Используя одновременные измерения гамма-детекторами, расположенными в других частях Солнечной системы, методом триангуляции будет фиксироваться расположение этих гамма-вспышек на небесной сфере.

Магнитометр электронный рефлектометр (MAG/ ER, разработчик А. Акуна), установленный на шестиметровой штанге, позволит обнаружить присутствие и глобального, и локальных магнитных полей Марса. Сейчас эта планета — единственная в Солнечной системе (за исключением Плутона, о котором почти ничего не известно), у которой не установлено наличие магнитного поля. Магнитометр (MAG) способен определить наличие этого поля непосредственно, а рефлектометр (ER) во взаимодействии с ним позволит получить представление о напряженности, причем в областях атмосферы, находящихся ближе к поверхности планеты. Предшествующие исследования Марса показали, что если магнитное поле и присутствует, то оно очень слабое. Это же подтверждено результатами самой последней экспедиции к Марсу — проекта «Фобос» в 1989 г. Задача группы, отвечающей за MAG/ER, состоит в выявлении среди множества природных процессов тех, которые могли бы порождать магнитное поле, а затем выявить среди них тот, который в действительности отвечал бы за это. Основной проблемой здесь станет выделение среди всего массива наблюдательных данных той его части, которая появится в результате воздействия статических и переменных полей, связанных с самим КА.

Камера для наблюдений Марса (Mars Observer Camera, МОС, разработчик М. Малин и др.). Она состоит из двух широкоугольных систем, которые могут фотографировать планету от лимба до лимба, и одной с малым полем зрения (1,4 м в элементе разрешения). Широкоугольные камеры получат изображения всей планеты для регистрации погоды. Эти снимки впервые дадут возможность объективно день за днем оценивать атмосферные явления. Например, обрабатывая статистическую информацию (в зависимости от широты, долготы и времени года), изучать локальные пылевые бури. Это позволит, наконец, оценить их роль в процессе образования подобных явлений глобального масштаба, если, конечно, таковые произойдут за время работы «Марс Обсервера». Эти камеры также передадут на Землю изображения с умеренным (300 м в элементе) разрешением, которые получат путем выделения только центральной части широкоугольных (эта операция будет проводиться на борт аппарата). Система предназначена для передачи выборочных фрагментов изображений тех областей, которые могут оказаться важными при решении ключевых проблем. Даже несмотря на то, что эти данные планируют «сжимать» для передачи, в таком режиме можно изучить лишь несколько десятых процента марсианской поверхности. Поэтому при выборе целей съемки в этом режиме объекты станут определяться с большой разборчивостью. Снимки с очень высоким разрешением — самый критичный способ проверки идея касающихся изменений климата планеты. Существующие версии о том, что поверхность Марса в ее настоящем виде сформирована водой или очень крупными ледниками, можно проверить путем поиска мелкомасштабных образований обычно сопровождающих эти процессы.

Инфракрасный радиометр работающий на модуляции давления (Pressure Module for Infrared Radiometer, PMIRR, разработчик Д. Maкклиз и др.) передаст данные о структуре и динамике атмосферы, изучая лимб Марса в инфракрасной области спектра. Этому прибору предстоит зондировать атмосферу, получая высотные профили температуры, давления, насыщенности водяными парами, запыленности и структуры облачности. Эти данные будут использованы «группой PMIRR» для изучения структуры и циркуляции атмосферы в зависимости от широты, долготы, времени года и высоты над поверхностью. Радиометр может также работать в режиме «зондирования точки надира» для изучения не только атмосферы в этом направлении, но и поверхности планеты. Выбранные для наблюдений длины волн вполне способны обеспечить весь необходимый для исследований диапазон, включая как отраженное от поверхности солнечное, так и собственное излучение планеты.


Схема полета КА «Марс Обсервер»



КА «Марс Обсервер» во время перелета к Марсу (вверху) и в время работы по картографированию планеты. Обратите внимание, что во время перелета некоторые из узлов и агрегатов КА занимают иное положение чем при работе на орбите

Лазерный высотометр «Марс Обсервера» (Mars Observer Laser Altimeter, MOLA, разработчик М. Зубер и др.) работает, излучая импульсы в инфракрасном диапазоне, на длине волны 1,06 мкм. Приняв отраженный от поверхности сигнал и измерив время его прохождения до нее и обратно, можно определить расстояние от КА до поверхности с точностью в несколько метров. Вычтя это значение из расстояния до центра планеты, известного по результатам моделирования орбиты, группа MOLA сможет воссоздать глобальный облик топографии планеты. Импульсы лазера будут излучаться с частотой 10 раз в секунду, а пучок осветит на поверхности область диаметром около 100 м. Хотя топография — это основа для изучения и понимания геофизики и геологии планеты, точность сведений в этой области не превышает одного километра на большей части поверхности. Данные об отражательной способности поверхности на длине волны 1,06 мкм во всех 6Х108 точках измерения станут побочным продуктом этой работы.

Радиокомплекс (Radio Science, RS, разработчик Дж. Тайлер). Разработавшая эти приборы научная группа эксперимента планирует использовать высокостабильный осциллятор, систему теле— и радиосвязи аппарата и оборудование наземных приемных станций для зондирования атмосферы и гравитационного поля Марса. Тщательно фиксируя изменения частоты радиосигнала, поступающего от аппарата во время его движения вокруг Марса, можно определить влияние гравитационного поля планеты на скорость движения КА. Орбита, пролетающая над полюсами, и низкая высота полета аппарата над поверхностью позволят значительно улучшить наши знания о гравитационном поле Марса. Фиксируя моменты «затмений» аппарата Марсом, можно будет точно измерить радиус планеты, получая при этом независимые данные о ее форме. Регистрируя же изменения мощности сигнала перед «затмением», можно с очень высоким вертикальным разрешением построить высотные профили температуры и давления в атмосфере.

В дополнение к этим задачам во время перелета к Марсу можно попытаться провести поиск гравитационных волн в Солнечной системе, продолжив исследования, начатые с помощью КА «Галилео» и «Улисс».

Спектрометр теплового излучения (Thermal Emission Spectrometer, TES, разработчик Ф. Кристенсен и др.), способен регистрировать излучение преимущественно в тепловой инфракрасной области электромагнитного спектра. Природа излучения марсианской поверхности в этом диапазоне зависит от температуры поверхности, ее минералогического состава и других факторов. Участники программы «TES» собираются использовать майкельсоновскую интерферометрию в диапазоне 6 — 50 мкм для создания карты термальных и минералогических образований на поверхности. Прибор также позволит получить данные об образованиях в марсианской атмосфере, включая облака различных типов (из углекислого газа и водяного льда) и запыленности. TES — это третий из экспериментов (после PMIRR и RS), который сможет поставлять информацию об атмосфере Марса. Разница в их результатах поможет сравнить между собой методы получения информации разными способами, не говоря уже о том, что значительно повысится точность данных. В эксперименте TES решено применить матрицу размером 3X2 детектора, которые будут работать во всем диапазоне используемых длин волн. Пространственное разрешение каждого из детекторов — 3 км и за время осуществления проекта вполне возможно картографировать всю поверхность планеты. Подобно прибору PMIRR, TES проведет измерения в самом широком диапазоне длин волн, что может быть особенно интересно для изучения полярных областей.
Проекции полей зрения различных приборов «Марс Обсервер» на поверхности планеты. Слегка наклонные вертикальные линии — трассы КА на поверхности Марса


Циклограмма работы КА «Марс Обсервер»

Ретранслятор марсианского воздушного шара (Mars Balloon Relay, MBR). В дополнение к перечисленным семи приборам, «Марс Обсервер» несет еще одно, восьмое устройство, установленное Французским национальным центром космических исследований (CNES). Центр будет участвовать в исследованиях Марса с помощью пенетраторов и марсоходов, предусмотренных программой российской экспедиции «Марс-94».

Основное оборудование этой программы — приемо-перетдачик, работающий на частоте 400 МГц. Приемники, установленные на находящихся на поверхности Марса станциях проекта «Марс-94», будут непрерывно работать на этой же частоте. Когда мощность сигнала с борта «Обсервера» достигнет порогового значения, показывающего, что КА достаточно близок, чтобы начать прием данных, передатчик наземной станции начнет трансляцию научной информации на борт «Обсервера». Передача продолжится до тех пор, пока КА снова не удалится. Принятая информация останется на борту КА (записанной на жестком носителе), пока не поступит команда о ее передаче на Землю. Хотя такое использование «Марс Обсервера» позволит увеличить поток информации, передаваемой с находящихся на поверхности станций, все же основная часть данных, конечно, будет транслироваться через орбитальный аппарат «Марс-94».

ОРГАНИЗАЦИЯ И НАУЧНЫЙ ПЕРСОНАЛ

Проект «Марс Обсервер» разработан для NASA Лабораторией реактивного движения. Исследовательский центр NASA им. Льюиса по контракту с фирмой «Мартин-Мариетта» произвел запуск РН «Титан III». Центр космических полетов NASA им. Маршалла предоставил верхнюю ступень, построенную «Астронавтической группой» «Мартин-Мариетты». Космический аппарат подготовлен «Астрокосмическим отделением» фирмы «Дженерал Электрик», а сборка научной аппаратуры на КА произведена в июле 1991 — мае 1992.

Семь групп ученых (по каждому из экспериментов) и пять т. н. междисциплинарных экспертов были отобраны из большого числа желающих после объявления NASA об этой возможности в 1985 г. Первоначально в них вошли одиннадцать российских специалистов, а в феврале 1992 еще 32 стали участниками. Общее число специалистов, отобранных NASA, превышает сто человек.

Перевод с английского
А. Ю. Остапенко