Снимок поверхности Венеры, полученный советской посадочной станцией "Венера". Камни имеют красноватый цвет, что объясняется своеобразным освещением в протяженной атмосфере планеты.
«Аэрокосмическая техника» 1991 №2, сс.85-90
1) Aerospase America, 1990, No. 8, pp. 34 — 37. Перевод Л. В. Самсоненко.
© American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1990. Все права сохраняются.
Где же Венера сбилась с пути, по которому пошла Земля? Венера всего на четверть расстояния между Солнцем и Землей ближе к Солнцу, чем Земля, имеет массу, составляющую 80% массы Земли, только на 5% меньший, чем у Земли, диаметр и почти такой же внутренний состав. Но в какой-то точке эволюционного пути их дороги разошлись.
Земля стала планетой с океанами, заполненными водой, азотно-кислородной атмосферой и умеренными температурами. Венера оказалась иссушенным миром, с атмосферой из углекислого газа, в 90 раз более плотной, чем земная, и температурой поверхности 480° С — более горячей, чем на Меркурии. Поверхность земного шара четко подразделяется на океанское ложе и континенты, возвышающиеся на несколько километров, в то время как рельеф Венеры выражен гораздо слабее. У Земли довольно сильное собственное магнитное поле; у Венеры оно отсутствует.
Снимок поверхности Венеры, полученный советской посадочной станцией "Венера". Камни имеют красноватый цвет, что объясняется своеобразным освещением в протяженной атмосфере планеты. |
Пока ученые могут лишь строить догадки о причинах столь разительных различий. Возможно, "Магеллан" с помощью радиолокатора, обладающего разрешением в несколько сот метров, снимет карту покрытой облаками Венеры, точность такой карты окажется почти в 10 раз более высокой, чем неполных карт планеты, снятых советскими станциями "Венера" 15 и 16, а также построенных с помощью наземных радиолокационных измерений. Такое разрешение окажется достаточным для обнаружения следов недавнего вулканизма и признаков наличия воды на Венере в прошлом, а также понимания тех процессов, благодаря которым сформировалась поверхность планеты.
При таких дерзких устремлениях "Магеллан" остается достаточно скромно оснащенным оборудованием космическим аппаратом. Радиолокационная система для картографирования — его единственный научный инструмент, и на 70% этот космический аппарат собран из запасных частей, оставшихся от предыдущих межпланетных зондов. Антенна диаметром 3,7 м с высоким усилением выполняет двойную функцию, действуя и в качестве картографического радиолокатора, и транслятора данных на Землю. Эта антенна досталась в наследство от "Вояджера", как и основная конструкция, наряду с двигателями малой тяги. Система обработки данных и команд, компьютер системы стабилизации и блоки питания остались от космического аппарата "Галилео", а антенна с умеренным коэффициентом усиления — от "Маринера 9"..
"Скудные бюджетные ассигнования наложили жесткие ограничения на работу специалистов, планировавших полет "Магеллана", — заявил С. Саундерс, один из научных сотрудников этого проекта. — Чтобы можно было использовать верхнюю ступень с двигателями малой тяги для запуска аппаратов с борта "Шаттла", а также "вписаться" в график полетов шаттлов, "Магеллан" для достижения Венеры вынужден был проделать дальний путь, примерно полтора оборота вокруг Солнца за 15 месяцев, по сравнению с кратчайшим перелетом примерно за пол-оборота вокруг Солнца.
Более существенно то, что "Магеллан" не имеет достаточного запаса топлива для маневра с целью выхода на круговую орбиту вокруг Венеры, идеальную для картографирования. Вместо этого аппарата должен выйти на эллиптическую орбиту, с тем чтобы выполнять съемку в течение 37 мин вблизи периансиса и передавать данные на Землю в остальную часть трехчасового периода обращения аппарата. Поскольку для передачи данных "Магеллану" требуется определенное время, он сможет выполнять картографирование полосы, вытянутой с севера на юг, на каждом витке вокруг Венеры, поочередно то дальше к северу, то к югу. В результате съемка полярных районов планеты в первые восемь месяцев вообще не будет проводиться.
Так как в течение коротких периодов Венера оказывается за Солнцем (при наблюдении с Земли), связь с Землей будет прерываться. Вызванные этим разрывы в данных будут восполнены в последующие восемь месяцев. Венера совершает всего один оборот вокруг оси за 243 дня, т. е. за немного больший промежуток, чем венерианский год — 224 дня, так что в течение каждого 8-месячного венерианского "дня" под радиолокатором "Магеллана" пройдет вся поверхность планеты. По расчетам Саундерса через два венерианских дня, т. е. 16 земных месяцев, будет снято на карту 98% поверхности Венеры.
Высокое разрешение аппаратуры "Магеллана" определяется применением бортового радиолокатора с синтезируемой апертурой (САР). При диаметре антенны 3,7 м и рабочей частоте 2,385 ГГц обеспечивается разрешение 10 км. Метод синтеза апертуры, основанный на использовании перемещения космического корабля, приводит как бы к значительному увеличению размеров антенны.
Антенна излучает короткие импульсы длительностью всего 26 мкс каждый. В интервалах между импульсами осуществляется регистрация момента поступления отраженного сигнала, его амплитуды и частоты.
Момент поступления отраженного сигнала от точки поверхности планеты определяет ее расстояние от космического аппарата, а частота принятого сигнала даст относительную скорость этой точки. Дело в том, что данной скорости будет соответствовать известный сдвиг частоты возвращающегося сигнала. Объединение данных о расстоянии и доплеровском сдвиге частоты позволяет нанести на карту точку, от которой отразился сигнал принятой амплитуды. Таким путем строится карта интенсивности отраженных от поверхности планеты сигналов.
Однако однократная съемка не дает однозначной интерпретации, поскольку высота точек поверхности при этом не измеряется. Точка, возвышающаяся над поверхностью, окажется ближе к космическому аппарату, и ее измеренная дальность будет меньше, что исказит карту. Но при следующих съемках те же участки поверхности будут обозреваться под другими углами, давая возможность построить стереоскопическую карту, которая позволит правильно определить местоположения и высоты точек поверхности.
 Импульсы радиолокатора "Магеллана" могут проникать сквозь толстые ядовитые облака Венеры, чтобы наконец дать нам возможность пристально взглянуть на поверхность планеты. |
 "Магеллан" на рабочих испытаниях, в которых моделируются максимальный шум и вибрации, возникающие при запуске КЛАМИ "Спейс шаттл". |
В интервале между посылкой и приемом радиолокационного сигнала антенна будет действовать в качестве пассивного радиометра, принимая естественное радиоизлучение, испускаемое планетой. Значения радиояркости планеты помогут определению состава ее поверхности.
Для измерения высоты и угла возвышения аппарата можно использовать небольшую рупорную антенну, которая будет направлена прямо вниз, в то время как с помощью антенны САР осуществляется боковой обзор. Сам по себе космический аппарат тоже представляет собой научный инструмент, поскольку его орбита будет тщательно измеряться с Земли для определения гравитационного поля Венеры. Любые небольшие аномалии этого поля, вызванные находящимися над поверхностью планеты местными концентрациями масс, будут проявляться в виде малых вариаций орбиты космического аппарата.
Такой небольшой набор инструментов все же может много рассказать нам о том, почему же Венера так отличается от Земли. Эти различия начинаются глубоко в недрах планеты. На Земле геологическая эволюция определяется движениями огромных плит земной коры. Как считают специалисты, в настоящее время нет
 На этих снимках горы Св. Елены с помощью "Магеллана" видно гораздо больше деталей (вверху), чем с аппаратурой аппарата "Венеры" (в середине) или "Пионера" (внизу). |
Одновременно "Магеллан" помог бы узнать, существуют ли на Венере какие-либо массивы материкового типа. Земные материки сложены более легкими породами коры, большая часть которой уже смыта в океаны и отложилась там в виде осадков. Подобные карты Венеры помогут определить, отличается ли сколько-нибудь существенно кора возвышенностей от коры низин или же, что представляется более вероятным, у Венеры существует кора лишь одного типа.
Если данные "Магеллана" подтвердят отсутствие проявлений тектоники плит на Венере, то это послужит веским доводом в пользу отличного от земного механизма выделения тепла из недр планеты, а тем самым и формирования различных форм ее поверхности. Результаты предыдущих полетов указали на наличие более высоких значений силы тяжести над приподнятыми областями поверхности. Это свидетельствует о том, что венерианские возвышенности поддерживаются поднимающимися из недр планеты потоками вещества, в то время как на Земле более легкая кора плавает на более тяжелых породах мантии.
Путем сравнения карт, на которых отражены признаки растяжения или сжатия коры, а также гравиметрических карт недр планеты, ученые смогут попытаться выявить внутреннюю циркуляцию вещества в недрах Венеры, а также силы, которые определяют фигуру планеты. Например, с помощью "Магеллана" можно было бы проверить теорию, согласно которой Венера, как и Марс, имеет много "горячих пятен" на поверхности, где вещество мантии поднимается из недр планеты, однако глобальная система медленно перемещающихся плит коры на Венере отсутствует.
Знание динамики недр Венеры могло бы помочь найти путь к решению еще одной ее загадки, а именно почему у этой планеты нет магнитного поля? Хотя у Венеры, как и у Земли, недра сильно разогреты, у нее отсутствует измеримое магнитное поле. На Земле циркуляция в железо-никелевом ядре образует гигантскую динамо-машину; генерируемые ею токи создают земное магнитное поле. Возможно, что какая-то, но гораздо менее упорядоченная циркуляция существует и в недрах Венеры.
Объяснение "пропажи" магнитного поля Венеры может оказаться особенно важным для понимания физики этой планеты. Многие ученые предполагают, что именно отсутствие магнитного поля позволяет понять исчезновение воды как на Венере, так и на Марсе. Дело в том, что "солнечный ветер" — поток частиц высоких энергий от Солнца, — проникая достаточно близко к поверхности планеты, "выметает" молекулы водорода, которые выносятся в верхние слои атмосферы. Собственное магнитное поле Земли отражает поток солнечного ветра и предотвращает отток водорода в межпланетное пространство, что обеспечивает постоянное присутствие воды на планете.
 Специалисты проверяют радиолокационную антенну "Магеллана", отличающуюся высоким коэффициентом усиления. |
Независимо от правильности этого объяснения многие специалисты убеждены, что отсутствие воды на Венере является критическим фактором, определяющим все ее основные отличия от Земли. "Не ждите существования на Венере процессов, связанных с водой, которые происходят на Земле, таких, как осадкообразование или быстрая эрозия, — комментирует Саундерс. На Венере не проявились колоссальные способности воды перемещать громадные массы вещества, и это может объяснить отсутствие на Венере тектоники плит". На планете, где нет воды или какого-либо другого фактора быстрой эрозии, осадочные породы, из которых формируются материки, образоваться не могут. В свою очередь материки уже не могут быть источником формирования направленных вверх потоков вещества в мантии и объединения их в глобальную систему тектоники плит.
Отсутствие воды почти наверняка является основной причиной наиболее важных различий между Венерой и Землей. Обширная и плотная атмосфера Венеры, состоящая из углекислого газа, превращает ее поверхность в раскаленную печь. На Земле углекислый газ выделяется в атмосферу при вулканических процессах, но затем связывается в таких процессах неорганической природы, как выветривание и осадкообразование, а также растворение в воде морей и океанов. Живые организмы уже давно оказались критическим фактором ускорения этих процессов. Например, водные организмы включают углекислый кальций в состав своих раковин и скелетов, которые затем выпадают на дно и образуют мощные осадочные отложения.
Но все эти процессы как в органической, так и в неорганической природе происходят только при наличии воды. На Венере, где воды нет, углекислый газ просто накапливается в атмосфере. Поэтому для истории Венеры критическим является вопрос, существовала ли когда-либо вода на ее поверхности, потом почему-то исчезнувшая, или вода там отсутствовала всегда.
Наличие на Марсе явных следов водной эрозии свидетельствует, что некогда на этой планете существовали потоки воды. На Венере также могла быть вода, поскольку нынешнее отношение водород/дейтерий указывает на крупномасштабную потерю водорода. Карты, полученные "Магелланом", позволят подтвердить существование (или, наоборот, отсутствие) древних высохших русел или береговых линий уже исчезнувших озер или морей.
Если наблюдения "Магеллана" подтвердят, что на Венере никогда не было жидкой воды, то астрономам придется искать объяснение этому факту в более давних по времени и более фундаментальных различиях между Землей и Венерой, а не в последующей эволюции этих планет. Согласно одной из гипотез, вода просто не могла накапливаться на планете, столь близкой к Солнцу. Другая гипотеза основана на том, что медленное вращение вокруг оси Венеры не позволяет сформироваться ее защитному магнитному полю.
Облачный слой Венеры охраняет и другие секреты планеты, которые сможет приоткрыть "Магеллан". Существует ли вулканическая активность на Венере? Во время предыдущих полетов были обнаружены слабые намеки, что да, существует. Измерения двуокиси серы в венерианской атмосфере показали резкое уменьшение ее содержания с 1979 г., что, по-видимому, указывает на произошедший в конце 70-х гг. вулканический выброс на Венере типа взрыва Кракатау на Земле; после этого выброса в атмосферу частицы двуокиси серы медленно опускаются на поверхность. Но планетологи задают себе вопрос, как же вулканические явления взрывного типа могли произойти в плотной атмосфере Венеры?
Если бы крупномасштабные вулканические явления произошли в период картографирования планеты, то "Магеллан" мог бы обнаружить их непосредственно. Разрешение его аппаратуры позволило бы, например, обнаружить, что гора Св. Елены на Земле потеряла вершину. Несколько менее наглядным свидетельством вулканической активности стало бы обнаружение "Магелланом" очень молодых не подвергшихся эрозии и не покрытых кратерами лавовых потоков. Обнаружение же вулканических явлений взрывного типа в древних кратерах, а не в более молодых, указало бы, что атмосфера Венеры в прошлом была менее плотной, чем сейчас. Исследование мелких деталей на поверхности планеты с помощью съемок "Магеллана" открыло бы ученым возраст поверхности Венеры. Более старые участки поверхности всегда обильнее покрыты кратерами ударного типа. Исследование особенностей процессов эрозии, таких, как образование ветровых дюн, помогло бы понять, насколько быстро разрушаются формы рельефа. Сводя воедино все эти признаки, ученые смогли бы приближенно определить возраст поверхности Венеры как относительный, так и в абсолютных единицах. Возможно, этот возраст окажется гораздо больше того характерного периода в 200 млн. лет, за который существенно меняется земная кора.
Объединение подсчетов кратеров на Венере с оценками возраста отдельных областей поверхности позволит вывести скорость кратерообразования в "средние века" истории Солнечной системы. "Облик "древних" объектов, подобных Луне, свидетельствует о том, что вскоре после формирования Солнечной системы условия оказались достаточно похожими, — объясняет Саундерс. — На Земле мы можем вычислить современные скорости кратерообразования, а Венера может дать данные о промежуточных эпохах".
Чтобы ответить на все эти интригующие вопросы, "Магеллану" понадобится больше одного или двух 8-месячных периодов съемок Венеры. Хотя формально эта научная миссия закончится после одного 8-месячного цикла, а съемка полной карты поверхности Венеры в основном завершится после двух циклов, Саундерс . надеется, что картографирование будет продолжаться 5-6 циклов и даже больше. В третьем цикле особое внимание будет уделено специальным исследованиям, включающим гравиметрическую и радиолокационную съемку, а также получению карт с высоким разрешением путем объединения изображений одного и того же объекта, снятых с разных орбит. В последующих циклах гравиметрические съемки будут расширены на большую часть планеты.
Когда основные запланированные работы по картографированию Венеры будут закончены, наземная команда "Магеллана" может попытаться выполнить рискованный маневр и вывести "Магеллан" на более близкую к круговой орбиту вокруг планеты. Если будут представлены необходимые средства, то обслуживающая команда начнет тормозить корабль за счет прохождения его через верхние слои венерианской атмосферы, с тем чтобы снизить апоапсис орбиты и тем самым приблизить орбиту к круговой. На круговой орбите можно будет снять карты полярных областей планеты с высоким разрешением; до сих пор эти области снимались только с больших высот, а следовательно, с малым разрешением.
В настоящее время специалисты с нетерпением ждут начала систематических облетов планеты, что произойдет в начале сентября 1990 г.
с American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1990. Все права сохраняются.
1) Aerospace America, 1990, No. 11, p. 4. Перевод Л. В. Самсоненко.
Тот факт, что каждый космический полет содержит элемент риска, — не новость для персонала Лаборатории реактивного движения в Калифорнии, которая организует и осуществляет большинство национальных программ по полетам к планетам. Лучший пример — "Вояджер 2", запущенный в 1977 г. и сейчас находящийся на пути за пределы Солнечной системы после поразительно успешных встреч-пролетов с Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном.
Напомню читателям, что программное обеспечение работы "Вояджера 1" на орбите оказалось серьзно поврежденным после запуска, и инженеры Лаборатории реактивного движения не покладая рук трудились много часов для ликвидации возникших неполадок. Но в горячке работы по устранению повреждений у "Вояджера 1" был упущен из поля зрения "Вояджер 2". О нем забыли до такой степени, что компьютерная память аппарата сделала вывод, что фактически в нем никто не нуждается, и отключила главный радиопередатчик. Когда инженеры Лаборатории осознали, что произошло, они обратились к резервному передатчику, который обеспечил надежную четкую связь. Основное радиооборудование больше не заработало, тогда как резервная система проработала все последующие 12 лет, во многом благодаря трепетному вниманию всех сотрудников Лаборатории реактивного движения.
Перед другой дилеммой оказался космический аппарат "Магеллан" в конце суток 10 августа 1990 г. спустя восемь часов после вывода на орбиту вокруг Венеры с помощью ракетного двигателя на твердом топливе. Когда отработавший двигатель был сброшен, до сих пор не объясненный "заброс" электрического напряжения вынудил бортовой компьютер обратиться по неверному адресу в памяти. Обнаружив, что вызов в собственную память был неправильным, компьютер отключился от нормального обслуживания жизнедеятельности космического аппарата и сорвался в режим самосохранения, гарантирующий, что компьютер больше не будет подвергаться любым самоповреждениям. Но когда компьютер перешел в этот режим, он каким-то образом привел аппарат во вращение, которое увело антенну от направления на Землю. В результате радиолокационное картографирование поверхности Венеры с 15 августа до 22 сентября не проводилось.
Пока "Магеллан" молча делал виток за витком, инженеры Лаборатории опять круглые сутки трудились над выяснением причин отказа и их ликвидацией. Закодированные команды, переданные космическому аппарату, требовали от него отыскать определенную звезду, что помогло бы ориентировать аппарат на Землю. Поиски этой звезды привели к наведению аппарата на неверную звезду, что заставило компьютер обратиться к следующему набору команд. Они состояли в том, чтобы ожидать команды с Земли, и если ни одна команда в течение 18 часов не поступит (так в результате и случилось), то начать сканирование планеты Земля каждые четыре часа до тех пор, пока не будет принята команда. Вновь обретенный 23 августа космический аппарат был немедленно переведен в режим "глубокого сна", пока специалисты решали, что же делать дальше.
Их первое решение состояло в том, чтобы обойти главную память компьютера и обратиться прямо к резервной памяти. Следующее решение сводилось к новому набору программных команд для резервного запоминающего устройства, чтобы изменить отклик космического аппарата на любой новый заброс электрического напряжения. После этого были направлены новые команды для "адресного указателя" компьютера, которые перевели компьютер из состояния, соответствующего одному решению задачи, к следующему решению. Последующие команды требовали от компьютера, чтобы он не обращался к своей собственной памяти в начале поиска решения. Наконец, последнее решение наземной команды состояло в возобновлении съемки Венеры.
После начала съемок "Магеллан" успел завершить 236 оборотов вокруг Венеры, 232 из которых дали первоклассные радиолокационные изображения поверхности Венеры. После этого аппарат был переведен в "крейсерский" режим, и его радиолокатор был отключен. Это никак не связано с неполадками на борту. Просто "Магеллан" и Венера оказались так близко к Солнцу, что сигналы космического аппарата "тонули" бы в солнечных радиошумах. Перерыв продлится до 13 ноября, когда съемки Венеры возобновятся. Не так уж плохо для космического аппарата, связь с которым была потеряна на 23 дня!