Обсуждены результаты исследований атмосферы, поверхности и верхнего слоя грунта Марса на основе предварительного анализа данных измерений при помощи аппаратуры, установленной на орбитальном и спускаемом аппаратах АМС «Викинг-1, -2». Полученные результаты содержат обширную информацию о структурных параметрах и составе атмосферы. Большое число изображений с орбиты и поверхности планеты позволило значительно углубить существующие представления об особенностях структуры и минералогии поверхности Марса. Впервые получен обширный комплекс данных прямых измерений на поверхности планеты, характеризующих свойства поверхности и нижних слоев атмосферы. Рассмотренные результаты имеют важное значение для понимания закономерностей погоды и климата на Марсе, открывают новые перспективы с точки зрения сравнительной метеорологии планет.

The results of investigations of the atmosphere, the surface and the upper layer of the soil of Mars are discussed on the basis of a preliminary analysis of measurement data obtained with the help of instrumentation installed on the orbital and descent vehicles Viking-1, -2. The results obtained contain comprehensive information on the structural parameters and composition of the atmosphere. Numerous images from the orbit and the planet's surface made it possible to improve essentially the existing notion of the structure and minerology of the Martian surface. For the first time, a comprehensive complex of data of direct observations on the surface of the planet has been obtained which characterizes the properties of the surface and the lower atmosphere. The results considered are of great importance for understanding the weather and climate-forming processes on Mars; they open up new perspectives from the point of view of the comparative meteorology of planets.

20807-231 K069(02)-77

Б3 № 52-77(005)

© Гидрометеоиздат, 1977 г.

Опыт исследований планет показал, что наиболее перспективным является комплексное применение наземных средств наблюдений, а также автоматических межпланетных станций (АМС), состоящих из орбитального аппарата (ОА), который выводится на орбиту искусственного спутника планеты, и спускаемого аппарата (СА), используемого для вертикального зондирования при спуске СА через атмосферу и прямых измерений параметров атмосферы и грунта после посадки СА. Несомненный приоритет принадлежит прямым измерениям при помощи аппаратуры, устанавливаемой на СА, что было блестяще продемонстрировано еще данными АМС «Венера-4». Успешный запуск АМС «Венера-9» и «Венера-10» и связанный с ним вывод на орбиты двух искусственных спутников Венеры, а также посадка двух СА явились первым примером комплексных исследований Венеры при помощи летательных аппаратов, функционирующих в режиме искусственных спутников и спускаемых аппаратов, совершивших посадку на поверхности планеты [7, 10]. Осуществление программы АМС «Викинг-1» и «Викинг-2» явилось продолжением аналогичного направления исследований с целью получения новых данных об атмосфере и поверхности Марса.

Получение обширной новой информации о свойствах атмосфер и поверхностей Венеры и Марса открывает широкие перспективы с точки зрения решения задач сравнительной метеорологии планет [8, 9]. В этой связи сопоставление данных по Венере и Марсу является особенно интересным. Это касается, в частности, данных о составе атмосфер.

Составленная Коннеллом [73] табл. 1 характеризует современные данные о составе атмосферы Марса и надоблачной атмосферы Венеры, для которых характерны преобладание углекислого газа и его фотодиссоциация (в атмосфере Марса — вплоть до поверхности планеты, а на Венере — выше уровня верхней границы облаков). Заметим при этом, что, хотя COS пока еще не был обнаружен, его присутствие является очень вероятным.

При диссоциации СО₂ на СО и О₂ отношение концентрации этих двух компонент должно быть равно двум. Фактически оно составляет около 0,5 на Марсе (это можно объяснить избытком О₂, возникающим в результате фотолиза водяного пара, который сопровождается диссипацией атомарного водорода) и превосходит 50 на Венере. Последнее требует присутствия на Венере источников молекулярного кислорода.

На обеих планетах наиболее вероятными реакциями образования кислорода являются:

Помимо указанных, на Венере возможны еще и две следующие реакции, продуцирующие кислород:

Интересно, что это именно те реакции, которые привлекли за последнее время большое внимание в связи с проблемой антропогенных воздействий на слой земного атмосферного озона. Малое содержание СО и О₂ в атмосферах Марса и Венеры составляет до сих пор не решенную проблему.

Основной для Марса и Венеры является проблема стабильности углекислотной атмосферы. Преобладающее мнение состоит в том что рекомбинация СО₂ катализируется нечетным водородом НО_х = Н + ОН + НО₂+Н₂О₂. При этом главной является реакция

Каталитический цикл завершается восстановлением гидроксила в результате двух реакций:

Достаточно надежные выводы по рассматриваемому вопросу затрудняет отсутствие адекватных данных о скоростях реакций.

Главным источником молекулярного водорода на обеих планетах является, по-видимому, реакция

Альтернативным является предположение, что верхняя атмосфера состоит главным образом из атомов кислорода, которое требует разработки модели взаимодействия с солнечным ветром для обеспечения согласия с ионосферными данными и выявления процесса, обусловливающего большую нетепловую диссипацию атомов водорода. Такого рода предположение можно согласовать с данными по свечению верхней атмосферы. Для обеих планет остается нерешенной проблема теплового баланса термосфер.

Важные результаты в этом направлении получены М. Н. Изаковым и С. К. Морозовым [3, 4]. На основе численного интегрирования системы гидродинамических уравнений с учетом источника тепла за счет поглощения солнечной ультрафиолетовой радиации и стоков тепла, обусловленных инфракрасным излучением атмосферы и отводом тепла теплопроводностью в нижние слои атмосферы, в работе [4] построена модель суточных вариаций температуры, плотности и ветров в экваториальной зоне Марса в период равноденствия.

Основным упрощением модели является рассмотрение двухмерной термосферы лишь в экваториальной плоскости при пренебрежении меридиональным растеканием. Поскольку рассматривается сравнительно тонкий слой атмосферы (75—200 км), для этого слоя приняты постоянные значения ускорения силы тяжести, теплоемкости, теплопроводности и вязкости, взятые для высоты, соответствующей середине слоя. Предполагается, что термосфера состоит из чистого углекислого газа, но получены также оценки с учетом присутствия 25% аргона.

Вычисления показали, что марсианская мезопауза располагается на высотах 90—100 км, где находится максимум стока тепла за счет радиационного выхолаживания и температура составляет около 150 К. Вертикальный профиль температуры становится примерно изотермическим на высотах более 170 км на дневной и 140 км — ночной стороне планеты. На высоте 200 км плотность изменяется в суточном ходе в 5 раз, а температура — от 280 до 430 К. Последнее хорошо соответствует наблюдаемой температуре около 340 К при той же умеренно высокой солнечной активности, рассмотренной в расчетах.

При отсутствии горизонтального переноса нагревание атмосферы происходит от восхода до захода Солнца, тогда как ветры несколько уменьшают амплитуду солнечно обусловленных вариаций температуры и сдвигают как максимум, так и минимум на более раннее время. Уменьшение амплитуды суточного хода температуры (примерно в 1,5 раза) вызывают и вертикальные движения, что, по-видимому, обусловлено влиянием адиабатического нагревания и охлаждения. Для поля ветра характерно наличие ночью горизонтальной составляющей (порядка 100 м/с), направленной в основном в сторону вращения планеты, а днем (при скорости до 150 м/с) — в противоположную сторону. Учет наличия аргона привел к изменению температуры, достигающей 20 К.

Выше упомянуты лишь некоторые аспекты исследований состава и физики верхних атмосфер Венеры и Марса, выявляющие необходимость дальнейшего изучения состава и строения атмосфер при помощи наиболее надежных средств прямых измерений. Обратимся теперь к детальному обсуждению предварительных результатов, полученных при помощи АМС «Викинг-1, -2».

Осуществлению двух миссий по программе АМС «Викинг» целью которой были исследования атмосферы и поверхности Марса путем вывода двух орбитальных аппаратов на орбиты искусственных спутников Марса (ИСМ) и посадка двух спускаемых аппаратов (СА) на поверхность планеты, предшествовали длительные поиски наиболее подходящих районов посадки.

Поиски мест посадки для АМС «Викинг-1, -2» были тесно связаны с общей проблемой топографии поверхности Марса. Билле и Феррари [19] на основе использования данных радиорефракционных, наземных радарных, спектральных и оптических измерений, а также применения методики Фурье-анализа (учтены гармоники вплоть до двенадцатой) определили основные параметры глобальной топографии Марса. Согласно [19], средний радиус планеты составляет 3389,91 ±0,009 км, а средняя плотность равна 3,9332±0,0018 г/см³. Центр фигуры Марса смещен относительно центра масс на 2,92±0,25 км. Топографическая сплющенность составляет (—3,994±0,077) ·10^-3 и равна сплющенности, обусловленной гравитационными факторами и вращением планеты, если принять угловую скорость вращения 77 580 с (21 ч 33 мин), которая сильно отличается от наблюдаемой угловой скорости, что свидетельствует о значительном нарушении гидростатического равновесия. Этот факт побуждает выразить сомнения относительно надежности всех полученных ранее оценок момента инерции Марса, поскольку они основаны на использовании уравнения Дарвина—Радау, предполагающего гидростатическое равновесие.

Радарные наземные наблюдения Марса в сантиметровом диапазоне, выполненные в мае — июле 1976 г., позволили получить сведения о шероховатости и отражательной способности марсианской поверхности для трех потенциальных мест посадки спускаемого аппарата АМС «Викинг-1» [107]. Шероховатость характеризуется распределением углов наклона элементов поверхности с горизонтальной протяженностью порядка 1—10 м. Данные измерений отражательной способности служат индикатором плотности поверхностного слоя грунта толщиной порядка нескольких сантиметров.

Результаты, полученные в работе [107], показали, что шероховатость поверхности в точке посадки СА «Викинг-1» (47,5° з. д., 22,4° с. ш.) больше средней, а отражательная способность близка к средней. Определение свойств поверхности в точке с координатами 43,4° з. д., 23,4° с. ш. привело к выводу, что этому участку соответствуют аномальные радарные характеристики, указывающие на очень сильную мелкомасштабную шероховатость и (или) очень низкую плотность грунта. Малое отношение сигнала к шуму по данным наблюдений первоначально предполагавшейся основной точки посадки (34° з. д., 19,5° с. ш.) свидетельствует о том, что этот участок обладает шероховатостью, которая по крайней мере вдвое превышает среднюю. Поскольку радарные данные связаны с большим пространственным осреднением, важное значение имеет их совместное использование вместе с изображениями, характеризующими детальную структуру рельефа поверхности.

Выполненный в работе [31] анализ полученного с АМС «Маринер-9» изображения высокого разрешения области Chryse, где планировалась посадка СА АМС «Викинг-1», обнаружил не выявленные ранее на Марсе формы рельефа. Следы выветривания, наличие расчлененных и скульптурированных склонов, линейных гребней в форме террас свидетельствуют о значительной эоловой трансформации плоскогорий и мез. Каналы, которые «вытекают» из бассейна Chryse и имеют более крупные размеры, нерепрезентативны по сравнению с типичными каналами флювиального происхождения, поскольку в этом случае первоначальные структуры рельефа сильно искажены под влиянием ветровой эрозии. Присутствие кратеров указывает на то, что эоловая трансформация флювиальных форм рельефа произошла сотни миллионов лет назад. На отдельных участках поверхности наблюдается высокая концентрация малых кратеров.

Анализ наиболее подходящих мест для посадки спускаемого аппарата АМС «Викинг» (для каждого СА выбирались основная и запасная точки), начатый на основе использования наземных радарных данных и изображений поверхности Марса, которые были получены при помощи АМС «Маринер-9», был завершен в июне—июле 1976 г. с использованием изображений с орбитального аппарата «Викинг-1». Рассмотрение всей совокупности данных наблюдений привело к выводу, что основная точка посадки «Викинга-1» в районе Chryse более изменчива в геологическом отношении и более опасна, чем предполагалось первоначально.

Это вынудило предпринять поиски другой точки, которая была окончательно выбрана на 47,5° з. д. и 22,4° с. ш. на основе компромисса между выбором характеристик места посадки по данным анализа изображений с орбиты и наземным радарным данным, характеризующим шероховатость марсианской поверхности и плотность верхнего слоя грунта. Окончательно выбранная точка посадки находится на расстоянии около 900 км к северо-западу от первоначальной основной точки. В работе [71] подробно описаны данные наблюдений всех исследовавшихся точек посадки и характеристики их рельефа.

Данные доплеровского радиослежения со спускаемого аппарата АМС «Викинг-1» за первые несколько суток функционирования СА позволили осуществить предварительное определение координат СА на поверхности Марса (22,27° с. ш., 48,00° з. д.), радиуса планеты в точке посадки (3389,5 км) и ориентации оси вращения Марса относительно среднего экватора Земли: прямое восхождение равно 317,35°±0,06°, а склонение 52,71 ±0,1° [78].

АМС «Викинг-1 и 2» были запущены 20 августа и 5 сентября 1975 г. соответственно. 19 июня и 7 августа 1976 г. эти АМС были выведены на орбиты ИСМ. Периапсис орбиты АМС «Викинг-1» (период обращения равен 24,6 часа, а угол наклона 37,74°) располагался вблизи точки посадки спускаемого аппарата с координатами 19,5° с. ш., 34° з. д. Расстояние орбитального аппарата (ОА) от центра планеты в периапсисе составляет 4900 км, а в апоапсисе — 36 000 км. Синхронная орбита обеспечивает прохождение ОА над СА на каждом витке на расстоянии около 1500 км, что позволяет принимать данные со спускаемого аппарата в течение промежутка времени до 40 мин. Принимаемая информация запоминается и вскоре после этого передается на Землю. Продолжительность ежедневных сеансов связи со спускаемым аппаратом составляет около одного часа, а передача научных данных, получаемых при помощи аппаратуры ОА, происходит почти непрерывно.

Потребовалось четыре недели для телевизионной съемки поверхности Марса с орбиты и анализа результатов съемки (а также наземных радарных данных) прежде, чем было принято решение о посадке СА, которая была совершена в бассейне Chryse Planitia в точке с координатами 22,5° с. ш., 48,0° з. д. 20 июля 1976 г. в 11 ч 53 мин по среднему Гринвичскому времени (рис. 1)¹. Сразу после посадки были получены два панорамных изображения поверхности, принятые на Земле примерно через час [103]. В этот момент местное время составляло примерно 16 ч, а время года соответствовало лету северного полушария спустя 7 марсианских суток после дня летнего равноденствия.

¹ Автор выражает признательность директору Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института Д-ру Б. Муррэю за предоставление воспроизведенных далее фотографий Марса.

Таблица 2 характеризует всю совокупность научных экспериментов. Соффен и Снайдер [103] детально описали особенности конструкции орбитальных отсеков АМС «Викинг», которые представляют собой усовершенствованную модификацию АМС «Маринер», а также конструкцию СА. Охарактеризовано функционирование АМС по мере их движения к Марсу, а также упомянуто об основных особенностях научной аппаратуры.

Как отметили Мазурский и Крабилл [72], поиск места посадки для спускаемого аппарата АМС «Викинг-2» был более продолжительным, чем в случае АМС «Викинг-1». Еще с орбитального аппарата АМС «Викинг-1» была исследована поверхность Марса общей площадью около 4,5 млн. км². По этим данным оказалось возможным выбрать два места посадки в районах Cydonia (B1) и Capri (C1), расположенных на 44° ю. ш. и 5° с. ш. соответственно. При этом полоса широт В (40— 50° с. ш.) рассматривалась как наиболее интересная в силу других, чем в точке посадки СА «Викинг-1», геологических условий, более высоких содержания водяного пара в атмосфере и температуры поверхности, возможности существования вечной мерзлоты.

Попытки найти по данным «Викинга-1» в районе В1 достаточно гладкую поверхность в форме эллипса размером 100 X 260 км («посадочный эллипс») не привели к успеху в силу преобладания изрезанного рельефа с большим числом кратеров. Поэтому выбор места посадки был продолжен после вывода на орбиту ИСМ «Викинг-2». С этой целью получены телевизионные изображения и выполнены измерения инфракрасного теплового излучения обширных площадей в районах Arcadia и Utopia Pianitia (B3), где наблюдается равнинный рельеф с большим числом «ударных» кратеров, но в некоторых секторах имеют место участки, сглаженные под влиянием ветровой эрозии и покрытые «мантией» осадочных пород.

Данные измерений теплового излучения позволили оценить тепловую инерцию и размер зерен материала, формирующего поверхность, а также определить содержание водяного пара в толще атмосферы. Все это привело к окончательному выбору в качестве места посадки района Utopia Pianitia примерно в 200 км к западу от крупного (диаметром около 100 км) кратера Mie. Успешная посадка совершена 3 сентября 1976 г. в 3 ч 58 мин 20 с после полудня (по Тихоокеанскому дневному времени) в точке с координатами 47,89° с. ш., 225,86° з. д.

Благополучная посадка спускаемых аппаратов АМС «Викинг-1, -2» и успешное функционирование научной аппаратуры позволили выполнить почти всю намеченную программу исследований [104]. В частности, с СА «Викинг-1» за первые полтора месяца после посадки получено более 300 изображений поверхности и неба. 7 августа 1976 г. на орбиту искусственного спутника Марса (ИСМ) была выведена АМС «Викинг-2». Период обращения ИСМ составляет 27,42 ч при периапсисе 1501 км и апоапсисе около 33 000 км. Угол наклона орбиты к плоскости экватора равен 55°. Периапсис был расположен первоначально вблизи точки с координатами 46° с. ш., 320° з. д., а затем на 18-м витке был совершен маневр с переводом периапсиса в точку 48° с. ш., 226° з. д. СА совершил посадку в точке 48° с. гл., 228° з. д.

Радиорефракционные наблюдения позволили определить радиус Марса и некоторые параметры атмосферы, а измерения на СА — свойства поверхности [79]. Ареоцентрические долготы, широты и радиусы Марса для точек посадки спускаемых аппаратов «Викинг-1, -2» оказались равными соответственно: 22,272°± ±0,006 с. ш., 47,94°±0,2° з. д. и 3389,38±0,8 км; 47,669°± ±0,006° с. ш., 225,7Г±0,2° з. д. и 3381,88±0,22 км. Соответствующие ареографические широты равны 22,483° с. ш. и 47,968° с. ш. Сидерическая скорость вращения Марса равна 350,891986°± 0,000 012°/сут, что соответствует 24 ч 37 мин 22,663 ±0,004 с. Для эпохи 1950,0 значения прямого восхождения α₀ и склонения σ₀ оси вращения Марса, определенные относительно средного положения земного экватора и точек равноденствия, составляют: α₀ = 317,340°± 0,006°; σ₀ = 52,710°±0,004°. Столь высокая точность свидетельствует о возможности слежения за движениями оси вращения.

Доплеровские радиорефракционные измерения, относящиеся к району Vastitas Borealis (63—69° с. ш.; 80—121° з. д.), дали значения атмосферного давления и температуры у поверхности, варьирующие в пределах 6,5—7,5 мбар (±0,5 мбар); 210— 180 К (±10 К), при планетоцентрическом расстоянии 3377— 3376 км (±1 км). Анализ условий распространения сигналов передатчика спускаемого аппарата «Викинг-1» (частота 400 МГц) привел к выводу, что относительная диэлектрическая постоянная грунта вблизи СА равна 3,5±0,5, а электропроводность варьирует в пределах 10^-3—10^-5 мо/м. Это соответствует данным для пемзы или туфа.

Анализ изображений поверхности Марса с орбитального и спускаемого аппаратов указывает на многочисленные следы вулканизма, водной и ветровой эрозии и осаждения мелкодисперсного материала на поверхности. Число кратеров на различных равнинах примерно в 10 раз меньше, чем на Луне. Сохранение мелких кратеров свидетельствует о медленных процессах ветровой эрозии.

На рис. 2 приведен пример монтажа изображений поверхности, иллюстрирующий присутствие потоков лавы, разделенных разломами, которые образуют гребни. Обращает на себя внимание большое количество рассеянных по рассматриваемому участку поверхности метеоритных кратеров. Отчетливо выделяются изогнутые «русла рек».

Интересным ареологическим образованием является вулканическое плато (одно из предполагавшихся мест посадки АМС «Викинг-2» — В2), изображенное на рис. 3. Поверхность планеты изборождена здесь многими разломами. Заметны небольшие каналы, имеющие больший возраст, чем разломы. Различный вид метеоритных кратеров также указывает на разнообразие их возрастов.

Значительно моложе других ареологических образований оказалось дно каньона Vallis Marinaris, указывая на современность происходящих там процессов. Морфология продуктов вулканических извержений выявляет, что они возникли в результате растекания по поверхности, а не баллистического выброса как на Луне или Меркурии. Северные равнины представляют собой обширные районы многоугольных структур, напоминающих наблюдаемые в арктических районах Земли. Вблизи СА «Викинг-1» наблюдается большое количество камней разнообразных форм, цвета, текстуры и размеров. Все камни покрыты слоем мелкой красной пыли.

Выполненный ранее Мазурским [70] анализ телевизионных изображений поверхности Марса с АМС «Маринер» привел к выводу о существовании пяти типов каналов на Марсе: 1) широких каналов, 2) извилистых каналов среднего размера, 3) разветвленных сетей малых каналов, 4) совокупности пересекающихся прямолинейных желобов, 5) отчетливых каналов, возникающих в центрах вулканов. Каналы первых четырех типов обнаруживают признаки водной эрозии. Их извилистые русла и разветвляющиеся притоки, сглаженные профили и форма дна, указывающая на существование протоков, побуждают предположить, что эти каналы являются высохшими руслами рек.

Изображения, полученные при максимально высоком пространственном разрешении, свидетельствуют о большом сходстве структуры дна марсианских каналов и речных протоков и перекатов на Земле. Каналы пятого типа имеют, по-видимому, вулканическое происхождение. Некоторые из них выходят из кратеров вулканов, а другие располагаются вдоль каналов в форме валов, напоминающих потоки лавы, или возникают в полях лавы и образуют извилистые каналы без притоков или протоков.

Все исследованные каналы пятого типа, за исключением двух случаев, могут быть определенно интерпретированы как потоки лавы. Исключения составляют случаи структур, объединяющих в себе характерные черты каналов обеих групп и, по-видимому, имеющих комбинированное происхождение. По степени вырождения каналов в результате появления в их руслах небольших кратеров, оползней и других признаков «стирания» характерного рельефа каналов в работе [70] приближенно оценен их возраст. Очень старые каналы «вырождены» в такой мере, что их трудно различать.

Взвешенные в марсианской атмосфере частицы пыли придают небу розовый цвет и определяют большую оптическую толщину атмосферы. Атмосфера является хорошо перемешанной. Масс-спектрометрические измерения состава атмосферы обнаружили значения отношений концентрации изотопов азота и аргона, которые отличаются от наблюдаемых в земной атмосфере и свидетельствуют о специфичности эволюции атмосферы Марса. Измерения содержания водяного пара выявили наличие пространственно-временной изменчивости. Высокое содержание водяного пара характерно для северных полярных районов летом. Измерения температуры в южных полярных районах указывают на вероятность конденсации летучих компонентов атмосферы.

Элементный анализ образцов грунта показал, что грунт представляет собой гидратированные минералы с высоким содержанием железа, являющиеся по своей природе базальтовыми. Значительная часть материала поверхности (5—10%) является магнитной. Анализ двух образцов грунта не обнаружил органических соединений. Предел обнаружения составляет 10—100 частей на миллиард. Биологический эксперимент дал неопределенные результаты, но был очень полезен с точки зрения химии поверхности. Рассмотрим теперь результаты отдельных исследований более обстоятельно.

После трех месяцев функционирования АМС «Викинг» стало ясно [115], что оказались решенными три следующих вопроса, которые долгое время оставались открытыми: происхождение марсианских каналов, природа полярных шапок, состав атмосферы в геологическом прошлом. Анализ структуры рельефа в ряде районов на изображениях, полученных с орбитальных аппаратов (ОА) «Викинг» с полной определенностью свидетельствует об их флювиальном происхождении, причем нет никакой альтернативы для гипотезы о том, что жидкостью, ответственной за формирование каналов, была вода. Вероятнее всего, что вода появлялась на поверхности не в результате дождей, а вследствие просачивания из грунта или таяния подповерхностного льда.

По мнению Мазурского, существует три типа каналов различного происхождения: 1) каналы сложной структуры с притоками, появившиеся под влиянием дождя; 2) большие каналы, образовавшиеся в результате выхода на поверхность грунтовых вод из подземных озер геотермального происхождения; 3) небольшие каналы, являющиеся результатом медленного просачивания подпочвенных вод. Поскольку таяние подповерхностного льда естественно связать с вулканической активностью, предполагается, что в процессе эволюции Марса было несколько периодов формирования каналов, связанных с усилением вулканической активности.

Данные спектроскопических измерений с ОА указывают на возрастание содержания водяного пара в атмосфере с широтой до максимального значения над полюсом, что свидетельствует о наличии в области полярной шапки водного льда. Этот вывод подтверждается результатами ИК измерений, которые привели к столь высокой температуре поверхности (205 К), что должно происходить испарение углекислотного льда. Следует считать, что зимой (соответственно, южного и северного полушарий) на полюсах аккумулируется большое количество сухого льда и размеры полярной шапки возрастают, тогда как летом происходит таяние и уменьшение размеров полярных шапок за счет испарения сухого льда.

Остается пока неясным, как много водного льда аккумулировано полярными шапками. Возможно, что толщина льда составляет несколько сотен метров, что достаточно для образования глобального слоя воды толщиной около 0,5 м при полном таянии льда. Вода может существовать в форме вечной мерзлоты и вне полярных шапок.

Измерения состава марсианской атмосферы со спускаемых аппаратов «Викинг» привели к значениям концентрации азота и благородных газов, которые свидетельствуют о возможности существования в прошлом гораздо более плотной углекислотной атмосферы. Данные об аргоне свидетельствуют о том, что атмосферное давление у поверхности могло достигать 100 мбар, а данные об азоте допускают давление до 1000 мбар. По-видимому, первая оценка является более достоверной, чем вторая.

В течение первых 30 витков на орбите вокруг Марса при помощи двух телевизионных камер, установленных на АМС «Викинг-1», получено около 1000 изображений поверхности планеты, которые имеют разрешение от 100 м до немногим более 1 км [25]. Поскольку основной задачей, решавшейся в течение рассматриваемого периода, был выбор места посадки СА, а в качестве возможных мест посадки изучались участки в районе Chryse Planitia, Cydonia и вблизи Capri Chasma, большая часть изображений относится к упомянутым районам. Использование шести светофильтров позволило получить изображения в шести участках спектра и поэтому располагать возможностью составления цветных изображений.

Наличие перекрывающихся изображений высокой разрешающей способности дало возможность детально проанализировать особенности рельефа поверхности в рассматриваемых районах и, в частности, выявить существование флювиальных и эоловых форм рельефа [25]. Так, например, в бассейне Chryse Planitia над содержащими небольшие кратеры равнинами, которые представляют собой, по-видимому, потоки лавы базальтового состава, возвышаются плато со струеобразными структурами (рис. 4).

Значительная эродированность материала плато и формы рельефа позволяют предположить флювиальное происхождение наблюдаемых структур рельефа. В пользу такой гипотезы говорит и регулярная террасированность многих плато, что могло быть связано с прогрессировавшим понижением флювиальных уровней.

Анализ форм рельефа в районе Cydonia указывает на очень сложную историю его формирования под влиянием вулканических, тектонических, эоловых и, возможно, перигляционных процессов. Все это привело к большому разнообразию форм рельефа.

Интересный пример рельефа флювиального происхождения представлен на рис. 5, где изображен крупнейший канал района Chryse.

Следы на дне канала указывают, по-видимому, направление потока воды. Под влиянием водной и ветровой эрозии формы рельефа островов оказались изрезанными и расслоенными. Можно различить семислойную структуру.

Изучение изображений, относящихся к району близ Capri Chasma — ветви системы экваториального каньона, выявляет наличие относительно гладких равнинных участков, расположенных между многочисленными кратерами с плоским дном (рис. 6). Наиболее впечатляющим является вид самого каньона, на стенах которого заметны ясные следы оползней. Стены каньона высотой до 2 км обнаруживают присутствие нескольких стратиграфических единиц, претерпевших процессы дифференциальной эрозии. Для верхних слоев характерно присутствие крупных блоков породы, тогда как нижние слои имеют вид «текучего» материала со слабым сцеплением частиц. Большая часть дна каньона лишена каких-либо характерных структурных особенностей, что свидетельствует о его относительно молодом возрасте. Присутствие ярких полос и полей дюн указывает на активное влияние эоловых процессов. По-видимому, постепенное разрушение стен каньона и влияние ветровой эрозии обусловили расширение каньона.

Ярким примером эолового рельефа являются изображенные на рис. 7 гигантские песчаные дюны, расположенные в нескольких градусах широты к югу от экватора. Отдельные дюны имеют поперечник до 500 м. По-видимому, они сформированы ветром, дующим с запада (нижний левый угол). На востоке (правый верхний угол) дюны вплотную подступают к стенам каньона. Вероятно, стены образовались главным образом в результате оползней, размельченные продукты которых удаляются ветром, что приводит к постепенному расширению каньона.

Анализ изображения северной части рассматриваемого района подтверждает вывод, сделанный по данным «Маринера-9» о том, что существует тесная связь между флювиальными чертами и хаотической структурой рельефа (рис. 8). Это вытекает, в частности, из того, что участку хаотического рельефа с поперечником около 50 км (в правой части рис. 8) предшествуют серии флювиальных структур рельефа, протянувшихся на расстоянии примерно 400 км.

Изображения кратеров выявляют существование на Марсе свежих кратеров (чего не было замечено раньше), структура которых отлична от структуры кратеров Луны или Меркурия (ранее предполагалось подобие кратеров Марса и Меркурия, определяемое близкими значениями ускорения силы тяжести) [27]. Свежие кратеры окружены крутыми откосами и гребнями, за пределами которых в некоторых случаях располагаются лучеобразные структуры рельефа и скопления вторичных кратеров (существование значительного количества малых кратеров свидетельствует о медленных процессах эрозии на Марсе).

Лучеобразные структуры являются индикатором распространения продуктов извержения (рис. 9). Наблюдаются четыре типа изменяющихся структур рельефа: 1) яркие полосы, связанные с кратерами; 2) яркие полосы, приуроченные к небольшим холмам; 3) темные полосы, связанные с кратерами; 4) поля песчаных дюн.

Сопоставление с перекрывающимися изображениями с «Маринера-9» (1972) выявило значительно большее количество деталей рельефа, но обнаружило лишь очень слабые изменения структур рельефа за пятилетний срок. Так, например, в некоторых местах появились новые яркие полосы или увеличился размер темных полос. Отмечается совпадение направлений темных струй и ветрового потока. По-видимому, яркие полосы являются более устойчивыми, чем темные, и не подвержены влиянию слабых ветров.

Большой интерес представляет изображение тающей северной полярной шапки (рис. 10) по данным АМС «Викинг-2», полученным за несколько дней до посадки СА. В середине лета в северном полушарии Марса полярная шапка сократилась в результате таяния до минимальных размеров. Яркие белые полосы на рис. 10, становящиеся более слитными по направлению к северу (верхняя часть рисунка), представляют собой, по-видимому, как лед из твердой углекислоты, так и водный лед.

Свободные от льда темные полосы располагаются в форме спиралей, сходящихся к центру полярной шапки. Возможно, что отсутствие здесь льда обусловлено влиянием ветров, дующих от центра полярной шапки. Южная граница полярной шапки располагается около 82° с. ш., а Северный полюс находится у заметного в правой верхней части фотографии края диска планеты.

30 сентября 1976 г. АМС «Викинг-2» (В-2) перешла на орбиту с углом наклона 75°, что позволило получать изображения всего северного полярного района Марса при благоприятных условиях солнечного освещения. Осуществленный в работе [32] анализ примерно 700 изображений высокой разрешающей способности, полученных в октябре 1976 г., подтвердил сделанные ранее выводы о наличии в областях полярных шапок протяженных слоистых отложений, покрытых главным образом отложениями многолетних льдов. Неоднородности расслоения указывают на сложную эволюцию климата в период формирования отложений. Впервые обнаружены опоясывающие полюс скопления дюн, состоящие из очень темных материалов.

На всей рассматриваемой части планеты площадью около 800 тыс. км² не найдено свежих ударных кратеров, но встречаются круговые структуры размером 2—8 км, которые могут быть остатками ударных кратеров, что следует рассматривать как свидетельство быстрой эрозии отложений. Данные В-2 указывают на существование трех типов геологических структур: 1) слоистых отложений в центральном полярном районе; 2) прилегающей к нему зоны дюн; 3) покрытой кратерами плоской поверхности, которая является, по-видимому, стратиграфической «подложкой» двух первых геологических структур.

Многолетняя полярная шапка, которая, согласно данным инфракрасных измерений с В-2, состоит из водного льда, располагается главным образом в пределах периметра слоистых образований. Следует думать, что эрозия слоистых отложений является причиной наблюдаемых на изображениях террасированных склонов. Большая протяженность террас указывает на то, что они отображают существование непрерывных тонких слоев протяженностью порядка тысяч квадратных километров. Наиболее вероятным механизмом образования слоев является оседание пыли из атмосферы, на которое, по-видимому, оказывают влияние распределение ледяного покрова и модуляция климатическими изменениями, связанными с вариациями параметров орбиты Марса.

Наличие дюн, протянувшихся как в долготном, так и поперечном ему направлениях; дюн, гребни которых расположены как регулярно и не изменяют направление на расстояниях более 100 км, так и изменчивых от точки к точке, свидетельствует об особенностях поля ветра. Нестабильные формы дюн отображают большую изменчивость среднего направления и скорости ветра в соответствующих районах. По-видимому, дюны образуются из части материала слоистых отложений, который подвергался ветровой эрозии. Следует при этом предположить, что составляющая отложения осевшая атмосферная пыль подвергалась аккреции, в процессе которой образовались более крупные агломераты, имеющие достаточно большие размеры для участия в процессе сальтации, играющем важную роль при образовании дюн (возможно, однако, что сальтация не имеет на Марсе столь существенного значения, как на Земле).

В работе [32] обсуждены наблюдаемые соотношения между распределениями многолетних льдов, дюн и слоистых отложений, анализ которых позволяет высказать предположения относительно происхождения этих природных образований. За время наблюдений ледяного покрова полярной шапки с В-2 не было замечено каких-либо изменений в распределении льдов. Вывод о том, что эти льды имеют водную природу побуждает пересмотреть высказанные ранее предположения о факторах, определяющих их годовой ход. По-видимому, изменчивый ледяной покров представляет собой очень тонкий слой льда (это предположение требует дальнейшей проверки).

Каттс с соавторами [32] предложили два вероятных варианта геологической эволюции полярной зоны, обусловленной различными изменениями климата. Один из вариантов климата связан с мелкомасштабным расслоением, отражающим наличие регулярной короткопериодической изменчивости. Для второго типа климата характерна долгопериодичность изменений (превосходящая периодичность изменений первого типа на два—три порядка величины) и отсутствие регулярности вариаций. Подобный климат выражается в более радикальных изменениях, следствием которых может быть переход от режима формирования слоистых отложений к режиму эрозии.

Пока что нет никаких доказательств того, что изменения полярного климата связаны с теми предполагаемыми вариациями климата, которые сопровождают образование марсианских каналов. По-видимому, первые являются гораздо более слабо выраженными, чем мощные вариации температуры и давления, необходимые для флювиальной активности в экваториальной зоне. Известно также, что марсианские каналы являются очень старыми, тогда как процессы эрозии в полярных районах — современными. Хотя нельзя полностью исключить возможность того, что формирование слоистых отложений происходило одновременно с образованием каналов, но даже и в этом случае эрозия отложений имела место позднее.

Вероятно, слоистые отложения могли играть важную роль в эволюции летучих компонентов на Марсе. Так, например, большая часть воды, выделенной твердой оболочкой с момента ее образования, могла в смеси с пылью сформировать льды полярных областей. Интересно, что события, наиболее близкие к современной эволюции полярных областей, остаются самыми не ясными (процессы формирования слоистых отложений, дюн и др.).

Анализ изображений позволяет выявить многочисленные явления, происходящие в атмосфере. Изображения, полученные при подходе АМС к Марсу, показали, что в южном полушарии атмосфера была достаточно ясной, тогда как в северном полушарии на всех долготах имели место слои дымки, затруднявшие наблюдения поверхности. Основной целью интерпретации изображений с точки зрения атмосферных явлений было изучение запыленности атмосферы в зоне посадки СА. Изображения края диска планеты выявляют присутствие многослойной дымки на высотах до 25 км. Единичной оптической толщине (вдоль луча зрения по направлению к горизонту) соответствует высота, равная 15 км.

Обнаружено несколько форм дискретных облаков (их следует отличать от региональной диффузной дымки): классические белые облака в области Tharsis; диффузные яркие облака, состоящие из отдельных пятен, размером порядка нескольких километров; экваториальные облака (типичные облака, состоящие из конденсата и имеющие, по-видимому, конвективную природу); протяженные волнообразные облака, которые наблюдаются в околополуденные часы в зоне экватора и состоят, по-видимому, из льда (длина волны облаков составляет около 10 км).

Волнообразные облака могут служить индикатором направления ветра и условий устойчивости атмосферы. Иногда наблюдаются яркие пятна, которые можно интерпретировать как туман или изморозь из водного льда на поверхности (скорее всего это туман). Изображения, полученные в течение первой фазы функционирования АМС «Викинг-1», не выявляют присутствия пылевых облаков. Примером могут служить облака, хорошо проявляющиеся на рис. 11, относящемся к району гигантского вулкана Olympus Moris, высота которого достигает 24 км, поперечник кальдеры (вулканического кратера) — 80 км, а основания вулкана — примерно 800 км. По-видимому, эти облака состоят из водного льда и образуются при адиабатическом выхолаживании воздуха, поднимающегося вдоль склона. Максимальная высота верхней границы облаков составляет около 19 км.

Облака наиболее развиты к западу от вулкана (левая часть фотографии). Отчетливо проявляющаяся система волнообразных облаков протянулась на расстоянии нескольких сотен километров (левый верхний угол изображения). В левом верхнем углу фотографии ясно виден край диска планеты, а также заметны расположенные в атмосфере слои дымки.

По-видимому, наблюдаемые облака состоят преимущественно из водного льда и сформировались в результате конденсации водяного пара в атмосфере при выхолаживании воздуха, поднимающегося вдоль склонов вулкана. Как показали выполненные ранее наблюдения с Земли, облака в этом случае становятся заметными в послеполуденное время и обладают отчетливым годовым ходом: их можно наблюдать преимущественно весной и летом в северном полушарии.

С орбитального аппарата (ОА) «Викинг» впервые получены данные, позволяющие построить цветные изображения и определить колориметрические характеристики различных участков поверхности планеты [102]. Телевизионные камеры ОА снабжены набором светофильтров для видимой области спектра 0,35— 0,65 мкм. Применяя фиолетовый (0,45±0,02 мкм), зеленый (0,53±0,04 мкм) и красный (0,59±0,03 мкм) фильтры, удалось построить три цветных изображения. Анализ этих изображений, а также многоканальных изображений для нескольких спектральных интервалов показал большую информативность таких данных с точки зрения различения разнообразных природных образований (мелкозернистые и скалистые грунты и др.) и выявления их связей с локальной ареоморфологией и процессами трансформации поверхности.

Красно-фиолетовое отношение оказалось очень чувствительным индикатором атмосферной дымки и облаков, особенно вблизи терминатора. Зелено-красное отношение характеризует главным образом изменчивость материала поверхности планеты. Сопоставление двух колориметрических отношений открывает возможность различения эффектов атмосферы и поверхности.

Колориметрические данные подтверждают выводы наземных наблюдений, согласно которым яркие участки поверхности Марса являются более красными, чем темные участки. Последние могут быть разделены по меньшей мере на два класса, один из которых характеризуется примерно на 10% большей яркостью в фиолетовом участке спектра. Более голубые темные участки поверхности связаны с темными «струями», исходящими из бывших кратеров. Более красные темные участки располагаются в зоне экваториальных равнин.

Две камеры, установленные на СА «Викинг-1», позволили получить первые изображения поверхности Марса со спускаемого аппарата [82]. Идентичные камеры представляют собой многоканальные сканирующие радиометры, основанные на системе оптико-механического сканирования. Совокупность 12 кремниевых фотодиодов обеспечивает четыре широкодиапазонных канала с переменным фокусом для получения изображений очень высокого разрешения, один широкодиапазонный канал для быстрого обзора, шесть узкополосных (около 0,1 мкм) каналов для получения многоспектральных изображений (цветных и в близкой ИК области спектра) и один узкополосный канал для сканирования Солнца. Мгновенное поле зрения равно 0,04° в случае четырех каналов очень высокого разрешения и 0,12° для остальных каналов. Ширина поля зрения охватывает углы + 40 и -60° относительно горизонта и диапазон 0—342,5° по азимуту. Изображения запоминаются бортовым магнитофоном.

Анализ изображений района посадки, полученных с орбитального отсека, показал, что этот район может быть охарактеризован как топографически гладкий (рис. 12). По-видимому, формирование наблюдаемого здесь рельефа было обусловлено совокупностью флювиальных процессов, вулканизма, метеорных ударов, ветровой эрозии и переноса, химического выветривания. На основе анализа изображений, полученных со спускаемого аппарата, в работе [82] детально описаны особенности поверхности Марса вблизи точки посадки — мелкодисперсного грунта с размерами частиц порядка десятых долей миллиметра, покрытого многочисленными кусками горных пород, которые имеют резко очерченные грани. На одном из панорамных изображений виден участок, занятый небольшими песчаными дюнами и пересекающей их полосой темных камней.

Изображение высокой пространственной разрешающей способности, приведенное на рис. 13, характеризует детали морфологии поверхности Марса, покрытого камнями разнообразных размеров и форм. Обращает на себя внимание отсутствие явно выраженных следов трансформации поверхности ветром. В частности, — пыль, осевшая при посадке на опору СА, осталась неизмененной в течение двух суток после первого подобного изображения, принятого со спускаемого аппарата. Указанное стрелкой зачерненное пятно на поверхности обусловлено оседанием частиц при ударе о поверхность сброшенного со спускаемого аппарата защитного цилиндрического покрытия рычага для взятия проб грунта (это покрытие находится в данном случае вне поля зрения).

Рассеянные по поверхности куски горных пород имеют самые разнообразные формы и размеры. Построение распределения числа камней по размерам обнаружило сходство с аналогичными данными для Луны (кратер Тихо). Наблюдаются россыпи гравия, указывающие на влияние ветровой эрозии и следы воздействия на горные породы. «Хвосты» мелкозернистого материала позволяют оценить направление ветра.

Цветные изображения показывают, что типичный для поверхности Марса красноватый оттенок, напоминающий земной лимонит, имеют валуны, камни и мелкие частицы грунта. Спектрометрические измерения показали, однако, что лимонит не может быть основным компонентом марсианской пыли. Возможно, что цвет поверхности Марса определяется образованием лимонита на поверхности горных пород в результате их окисления и гидратации. Если эта гипотеза справедлива, то процесс окрашивания должен был произойти в геологическом прошлом, когда в атмосфере Марса было значительно больше кислорода и водяного пара.

Через 25 с после посадки СА «Викинг-2» на поверхность Марса в районе Utopia Planitia (47,89° с. ш., 225,86° з. д.) 3 сентября 1976 г. в 09 ч 48 мин 58 с местного марсианского времени начала функционировать панорамная камера СА. Анализ полученных изображений (за время до 5 ноября 1976 г. получено около 575 изображений) показал [84], что участок поверхности в районе посадки представляет собой плоскую каменистую красноватую пустыню, рассеченную сравнительно свободными от камней ложбинами (шириной около 1 м и глубиной 15 см), которые, по-видимому, образуют сетку в форме многоугольника.

Вероятны по крайней мере четыре процесса, которые могут быть ответственны за образование ложбин: растрескивание лавы в результате сжатия при ее охлаждении; тепловое расширение и сжатие мерзлого грунта, которое, по-видимому, сопровождается таянием; растрескивание при высыхании насыщенных водой глинистых минералов; флювиальные процессы (последнее, однако, мало вероятно).

Горизонт является исключительно плоским, не выявляя какого-либо крупного рельефа. К востоку от СА видно плато, совпадающее с направлением «языка» продуктов выброса из кратера вулкана Mie. Камни в месте посадки «Викинга-2» являются, как правило, более пористыми, чем на участке «Викинга-1». Хотя пористость камней естественнее всего истолковать как результат их вулканического происхождения, могут быть предложены и другие объяснения (например, влияние ветровой эрозии).

По сравнению с камнями близ «Викинга-1», характеризуемыми разнообразием альбедо, формы и текстуры, камни на месте посадки «Викинга-2» имеют близкие значения альбедо и сходную пористую текстуру. Выходов коренных пород не обнаружено. Мелкие частицы грунта на обоих участках посадки имеют очень небольшие размеры (≤ 100 мкм) и, по-видимому, образуют поверхностную корку.

Анализ панорамных изображений указывает на сравнимую яркость марсианского неба и поверхности. Отношение r наблюдаемой яркости неба на угловом расстоянии от Солнца 90° и угловой высоте 15° к вычисленной яркости диффузно отражающей марсианской поверхности (с учетом расстояния от Марса до Солнца) при нормальном падении солнечных лучей дает r ≈ 0,2 для панорамы, полученной вскоре после посадки СА (эффективная длина волны составляет в данном случае 0,73 мкм). В случае релеевского рассеяния расчет дает яркость неба, которая эквивалентна лишь 0,003 наблюдаемого r.

Таким образом, наблюдаемая яркость неба полностью определяется влиянием пылевого аэрозоля. Приближенный расчет приводит к оптической толщине атмосферы, равной 0,2, что эквивалентно типичным континентальным условиям на Земле. Колор-индекс С, равный отношению r для красных и голубых лучей, составляет около 1,9÷2,5 и свидетельствует о значительно более сильном рассеянии красного света, что и определяет оттенки цвета неба от оранжевых до розовых. Наиболее вероятными компонентами аэрозоля являются поднятые ветром частицы грунта и кристаллы льда, образующиеся при сублимации водяного пара в атмосфере. Существование ледяных кристаллов в атмосфере Марса было обнаружено Н. А. Козыревым [6] еще в 1954 г. С учетом вклада отражения поверхностью ледяные частицы обусловливают С≈1,1. Поэтому с точки зрения цвета неба более вероятно, что аэрозоль состоит из частиц грунта с нижним пределом размеров около 0,1 мкм, которые должны сильно поглощать в голубых лучах и рассеивать — в красных. Подобный аэрозоль следует рассматривать как глобальный фоновый, ввиду его большой устойчивости от дня к дню и отсутствию пыльных бурь в период наблюдений.

В случае «Викинга-2» яркость неба также сравнима с яркостью поверхности планеты и почти полностью определяется вкладом аэрозольного рассеяния [84]. Оптическая толщина атмосферы оказалась, однако, меньшей, составляя около 0,25 на длине волны 0,67 мкм, чем это было в случае «Викинга-1» (0,35). После оседания облака пыли, поднятого при посадке СА, не наблюдалось каких-либо изменений ландшафта, кроме тех, которые были связаны с взятием проб грунта. Это согласуется с данными о слабости ветра.

Предпринятый в работах [54а, 110] анализ поля изофот, построенных по данным АМС «Маринер-9» для фазового угла около 60°, выявил, что поле излучения Марса не может быть описано на основе использования функции Миннарта, а также предположений изотропного или релеевского рассеяния. Наблюдаемое поле изофот согласуется с расчетным лишь в случае сильно вытянутых вперед индикатрис рассеяния, вычисленных по формулам Ми и модели полубесконечного пылевого облака, характеризуемого значительной изменчивостью оптических свойств и микроструктуры частиц. Подобной модели соответствуют умеренно поглощающие частицы минералов, размеры которых не должны значительно превышать 1 мкм. Достаточно хорошее согласие с наблюдениями получается и в случае модели пылевого облака конечной оптической толщины, ограниченного снизу ламбертовой отражающей поверхностью.

Произведенная в работах [93, 94] обработка ультрафиолетовых спектров Марса, зарегистрированных с АМС «Маринер-9» в период пыльной бури 1971 г., с целью определения произведения яркости рассеянного света (индикатрисы рассеяния) на альбедо однократного рассеяния показала, что показатель поглощения пылевых частиц (определенный путем исключения влияния индикатрисы рассеяния на основе использования расчетных данных) возрастает с уменьшением длины волны в диапазоне 350—210 нм, но резко уменьшается в области более коротких волн. Структура спектра характеризуется наличием «плеча» на участке длин волн 240—250 нм.

Поскольку отмеченные особенности спектра поглощения пыли хорошо соответствуют структуре спектра двуокиси титана (анатаз), авторы [93] предполагают, что этот минерал входит в состав пыли и, следовательно, марсианского грунта. Отсутствие селективности в спектре анатаза для интервала 500—400 нм согласуется с данными наблюдений Марса в видимой и инфракрасной областях спектра. Высокий показатель преломления двуокиси титана может объяснить сильное лучепреломление марсианской пыли. По-видимому, доля содержания частиц из анатаза составляет несколько процентов.

Присутствие большого количества поглощающих пылевых частиц означает их сильное влияние на тепловой режим атмосферы, в результате чего вертикальный градиент температуры в верхней тропосфере может быть меньше адиабатического, а развитие конвекции днем ограничивается более тонким слоем атмосферы, чем при отсутствии пыли. В значительной толще атмосферы может существенно проявляться суточный ход температуры, порождающий соответствующие изменения давления и ветра.

Обнаружение яркого неба побуждает сделать вывод о необходимости пересмотра полученных ранее с Земли, во время пролета или с орбитальных АМС, данных о фотометрических характеристиках поверхности Марса. На это указывает и тот факт, что, если по данным съемки с орбитального отсека альбедо окрестности места посадки выше среднего, то данные СА приводят к противоположному выводу. Предварительный анализ изображений поверхности со спускаемого аппарата за первые десять суток не выявил каких-либо изменений, обусловленных ветром, что следует объяснить сравнительной слабостью ветра. Не обнаружено также и каких-либо следов жизни.

Установленная на орбитальном аппарате АМС «Викинг» аппаратура для теплового картирования (АТК) поверхности и атмосферы планеты состоит из четырех телескопов, каждый из которых представляет собой семиканальный радиометр [56]. АТК предназначена для измерений теплового излучения марсианской поверхности в четырех диапазонах длин волн: 6,1—8,3; 8,3—9,8; 9,8—12,5; 17,7—24 мкм. Измерения в пределах каждого из первых двух диапазонов осуществляются при помощи трех датчиков, а третьего и четвертого — семи датчиков. Датчик для интервала в 14,56—15,41 мкм в центре полосы углекислого газа использован для определения температуры стратосферы. Семь датчиков для диапазона 0,3—3,0 мкм позволяют измерять отраженную солнечную радиацию.

Наличие V-образно расположенных датчиков и высокой пространственной разрешающей способности (поле зрения составляет 5,2 мрад) позволило осуществить по данным АТК «Викинга-1» построение тепловых карт Марса за период наблюдений с 3-го по 22-й виток (22 июня—11 июля 1976 г.). Когда АМС проходит участок орбиты от апоапсиса до точки, находящейся в 2 ч от периапсиса, удается получить данные для всего диска планеты, представляющего собой преимущественно ее ночную сторону. Поле теплового излучения выявляет в этом случае широтные вариации радиационной температуры, обусловленные особенностями инсоляции в рассматриваемое время года (лето северного полушария), и быстрый подъем температуры поверхности после восхода Солнца. Так, например, по данным для 29 июня 1976 г. радиационная температура для диапазона 17,7— 24 мкм варьирует от более 240 К в полдень на экваторе до менее 140 К вблизи Южного полюса. Значительные неоднородности поля температуры поверхности приурочены к особенностям рельефа.

Наблюдения южной полярной шапки с АМС «Маринер-7» позволили сделать вывод, что сезонные полярные шапки состоят главным образом из сухого льда. Однако состав остаточных полярных шапок подвергался длительной дискуссии. Изобилие флювиальных форм рельефа на Марсе позволяет считать, что марсианская атмосфера была в прошлом гораздо более плотной и постоянные резервуары СО₂ в виде отложений сухого льда в полярных шапках могли способствовать периодическим перестройкам атмосферы и, в частности, служить холодной «ловушкой», которая сильно влияет на динамику водяного пара.

Убедительным свидетельством отсутствия сухого льда было обнаружение в полярных районах температур поверхности, которые существенно превосходят температуру конденсации (148 К) углекислого газа при среднем давлении 6,1 мбар. Отсюда следует, что углекислый газ может быть «сконденсирован» в форме углекислотноводного клатрата СО₂·6Н₂О при эффективной плотности СО₂, равной 0,33 г/см³, что может происходить при температуре на 5 К выше, чем точка конденсации чистого СО₂. Если же температура выше 155 К, то это означает невозможность существования сухого льда на поверхности Марса.

ИК измерения в интервалах 18—24 мкм и 10—13 мкм, осуществленные с борта АМС «Викинг-2» в районе Северного полюса поздним летом (31 августа 1976 г.), выявили соответствие между структурой полей излучения в видимой и ИК областях спектра [57]. Если яркостные температуры больших темных участков Г2о = 235 К, то остальная часть остаточной полярной шапки имела температуру, близкую к 205 К, а ее альбедо составляет около 43%. Сравнительно низкое альбедо льда указывает на его загрязненность. Почти для всех точек справедливо соотношение T₂₀ = 240—146(A — 0,2) ± 5 К, где А — альбедо поверхности.

Следует, таким образом, считать, что остаточная полярная шапка и ее ответвления представляют собой лед с грязевыми включениями, состоящими из осевшей пыли. Высокие температуры полностью исключают возможность того, что постоянная полярная шапка является углекислотной. Возможно, однако, что существует подповерхностный сухой лед. Постоянство ледовых отложений в течение пяти лет указывает на их значительную толщину, которая может варьировать от нескольких сантиметров до 1 км (надежные данные о толщине отсутствуют).

Анализ результатов ИК измерений с орбитальных аппаратов «Викинг» в различные моменты времени днем позволил выполнить расчеты суточного хода температуры на различных глубинах в грунте и сделать прогноз годового хода температуры в местах посадки СА «Викинг» [58]. Хотя положенная в основу расчетов модель однородного грунта с плоской поверхностью не позволяет описать поле яркостной температуры вполне адекватно, расчеты дают значения температуры грунта и его поверхности, которые согласуются с данными наблюдений в пределах 5 К.

Параметрами, входящими в расчетные формулы, являются: альбедо и излучательная способность поверхности, а также тепловая инерция , где k — теплопроводность, ρ — плотность, с — теплоемкость грунта. Тепловая инерция грунта принята равной (9±0,5)·10^-3 и (8±1,5)·10^-3 кал/(см²·с·К) соответственно.

Результаты вычислений обнаружили существенно различный тепловой режим мест посадки спускаемых аппаратов «Викинг-1, -2» (САВ-1, САВ-2). Для места посадки САВ-1 характерен слабый годовой ход температуры, тогда как на участке САВ-2 имеет место резко выраженный годовой ход. Полуденная температура достигает максимума в период, близкий к осеннему равноденствию, но не в середине лета, и имеет вторичный максимум в период весеннего равноденствия. Этот полугодовой ход температуры обусловлен влиянием эксцентриситета орбиты Марса.

Анализ стереоизображений с САВ-1 и САВ-2 показал, что 8,6 и 17% поверхности соответственно покрыто камнями размером 5 см и больше. Исследование изображений для оценки той части теплового излучения, которая обусловлена камнями, дал возможность оценить суточный ход температуры грунта (исключая влияние камней) на различной глубине (до 25 см).

Температура поверхности на участках САВ-1 и САВ-2 варьирует в пределах 183—263 К и 183—268 К соответственно. Амплитуда суточного хода температуры убывает экспоненциально с глубиной при показателе экспоненты, равном 5 см. Температура на глубине 24 см близко соответствует средней температуре поверхности. Расчет максимальной температуры грунта под камнями на участке посадки САВ-2 дал значение, равное 230 К, а минимальной — 201 К. Поскольку период функционирования САВ-2 совпадал со временем наивысших температур, можно считать, что температура грунта в этом случае никогда не превышает 234 К.

Выполненное в работе [56] построение глобальной карты отраженной солнечной радиации привело к оценке среднего ламбертова альбедо поверхности A_L≈0,25, изменчивость которого отчетливо коррелирует с распределением темных и светлых областей марсианской поверхности. Наблюдается усиление яркости, которое следует приписать влиянию утренних приземных туманов или изморози на поверхности. Аномально ярким (A_L≥0,35) оказался район Argyre Planitia, что, по-видимому, обусловлено наличием на поверхности льда из углекислоты (здесь температура поверхности ниже точки сублимации углекислого газа). В районе четырех главных вулканов имеет место усиление градиентов яркости, которое можно объяснить влиянием склонов.

Интересно сопоставить результаты, полученные при помощи ИСМ, с данными наземных наблюдений альбедо Марса. На основе анализа фотографий Марса, полученных в 1971 и 1973 гг. с использованием красного светофильтра, Капен [23, 24] исследовал закономерности пространственно-временной изменчивости альбедо планеты. По данным за 1973 г. рассмотрены шесть примеров регулярного годового хода и один случай вековой изменчивости потемнения. Как правило, трансформация темных деталей Марса в 1973 г. не была следствием пыльной бури 1971 г., а проявилась под влиянием усиления яркости соседних участков. Наблюдения 1975 г. выявили значительные изменения альбедо в районе Sabaeus—Deltoton.

Две серии фотографий, относящиеся к 1971 г. (весна южного полушария) и 1973 г. (лето южного полушария), подверглись фотометрической обработке. В обоих случаях условия геометрии визирования и характеристики изображений были сходными. Были выявлены существенные сезонные различия альбедо светлых и темных участков и обнаружена зависимость годового хода яркости от широты, не соответствующая, однако, классической концепции «волны потемнения». Короткопериодическая изменчивость альбедо наиболее сильно выражена весной, особенно в случае светлых участков. Корреляция между короткопериодической и долгопериодической изменчивостью отсутствует. Для лета южного полушария характерно ослабление относительных контрастов яркости. Не обнаружено какой-либо зависимости от фазового угла в пределах исследованного диапазона фазовых углов.

В работе [59] обсуждены результаты исследования теплового режима и температуры марсианской атмосферы, а также отражательной способности поверхности по данным измерений при помощи аппаратуры теплового картирования, установленной на АМС «Викинг» с целью выявления закономерностей: 1) суточного хода температуры воздуха; 2) поля температуры поверхности в высоких широтах и районах нескольких кратеров; 3) угловой зависимости характеристик излучательных и отражательных свойств поверхности в месте посадки спускаемого аппарата «Викинг-1» (САВ-1).

Интерпретация данных измерений уходящего излучения на длине волны 15 мкм, относящихся к широте места посадки САВ-2 (48° с. ш.), выявила наличие сильной широтной изменчивости температуры в южном полушарии и значительного суточного хода с амплитудой не менее 15 К при максимуме температуры, наступающем примерно через 2,2 часа после полудня — в северных широтах. Этот суточный ход обусловлен главным образом поглощением солнечной радиации взвешенной в атмосфере пылью на высотах до 30 км. Выше 20 км вертикальный профиль температуры имеет волнообразный характер, что следует приписать влиянию тепловых приливов.

Температура вершины вулкана Arsia Mons изменяется в течение суток почти вдвое. Ярко выраженный суточный ход температуры характерен для плоскогорья района Tharsis, что свидетельствует о наличии здесь грунта, обладающего малой тепловой инерцией. Обнаружено, что тепловая инерция материала дна нескольких типичных крупных кратеров выше, чем окружающей местности. Вероятно, это обусловлено селекцией кратерами эолового материала. Яркостная температура в месте посадки САВ-1 уменьшается с ростом угла относительно вертикали. Угловая зависимость интенсивности отраженной солнечной радиации от геометрии поверхности оказалась более сложной, чем ожидалось, что может быть связано с совместным влиянием рассеяния как атмосферой, так и поверхностью. Относящиеся к району Chryse Planitia данные измерений в диапазоне 9,8—12,5 мкм указывают на существование сильного суточного хода температуры поверхности и не согласуются с моделью однородного грунта, обладающего тепловой инерцией 0,009 кал/(см² Xс^½·K) A_L=0,26.

Для получения сведений о физических свойствах марсианского грунта могут быть использованы изображения поверхности, анализ проб грунта и показания ряда инженерных датчиков. Анализ панорамных изображений поверхности выявляет наличие образовавшихся в результате ударов метеоритов кратеров разных размеров, при формировании которых происходил выброс материала горных пород, составляющих поверхностные слои. Наблюдаются ясные признаки ветровой эрозии выброшенного материала.

Первое впечатление состоит в том, что ландшафт марсианской поверхности является промежуточным между ландшафтами лунных морей и земных пустынь, подвергающихся влиянию ветровой эрозии. Изображения поверхности вблизи опор СА содержат следы эрозии, обусловленной работой двух тормозных двигателей СА. Деформация грунта свидетельствует о том, что он является более прочным и (или) плотным, чем «номинальный» лунный грунт. Одна из опор, зафиксированная на изображении, проникла в грунт на глубину около 3,6 см. Устройство для забора проб грунта произвело кратер глубиной 1 см и диаметром 9 см.

В работах [100, 101] обсуждены результаты исследования свойств грунта за первые 36 солов пребывания СА «Викинга-1» и 58 солов — «Викинга-2» на поверхности Марса. Расположение САВ-1 было очень удачным с точки зрения изучения свойств грунта, поскольку одна из его опор находилась на мягком грунте, значительно проникая в глубь грунта, а другая — на жестком материале. Для забора проб были проделаны семь желобов в грунте на участках «песчаных равнин» (мелкозернистый грунт) и «скалистых равнин» (скалистый грунт, покрытый мелкодисперсным материалом). В табл. 3 приведены различные параметры, характеризующие свойства грунта по данным САВ-1 и САВ-2.

Рассматриваемые параметры получены на основе анализа данных о динамике посадки СА, деформации грунта, сдуве частиц ветром и других наблюдений. При планировании посадки СА предполагались разнообразные модели грунта: 1) лёсс, 2) песчаные дюны, 3) грунт типа лунного, 4) гравий, 5) обнаженные скалы. САВ-1 совершил посадку на участке, который обладает чертами всех этих моделей.

Участок поверхности Марса в непосредственной близости от точки посадки САВ-2 покрыт камнями размером до 0,23 X 0,65 м, часть которых погружена в мелкодисперсную породу, и мелкодисперсным реголитом. Этот участок является более однородным, чем поверхность близ САВ-1, состоит из более грубодисперсного материала, обширная его часть покрыта коркой, более заметны следы эрозии, обусловленной работой двигателя мягкой посадки САВ-2.

Неожиданным оказалось отсутствие дюнообразных форм рельефа. При заборе проб грунта с САВ-2 впервые удалось сдвинуть камень и взять пробу мелкодисперсного грунта на участке под камнем, который не подвергался облучению УФ радиацией и процессу ветровой эрозии. В работе [101] детально описаны участки получения проб грунта и операции по взятию проб.

Анализ данных обнаруживает как сходство, так и важные различия свойств грунта на участках посадки САВ-1 и САВ-2. Так, например, во втором случае частота встречаемости камней размером 10 см и больше примерно вдвое выше. Камни близ САВ-2 характеризуются более пористой поверхностью. Благодаря сохранению установленного на опоре № 2 САВ-2 датчика температуры, который предназначался для измерений во время спуска на парашюте, этот датчик использован для оценки температуры (поскольку опора проникла в грунт только на 2,5 см, вероятнее всего, что датчик не находится в контакте с поверхностью), имеющей ярко выраженный суточный ход, близкий к расчетному ходу температуры поверхности, за исключением того периода, когда датчик был затенен. Планируется дальнейшее взятие проб грунта как САВ-1, так и САВ-2, после начала продленной миссии 11 января 1977 г.

Предпринятый в работах [82—84] анализ изображений поверхности Марса, полученных со спускаемого аппарата АМС «Викинг-1», выявил ветровую эрозию, проявляющуюся в наличии параллельных полос мелкодисперсного материала на подветренных сторонах крупных камней, которые совпадают по направлению с ветровыми «струями» грунта, обнаруженными на изображениях с орбитального аппарата; в накоплении смешанных мелких частиц (размером 10—100 мкм) в форме полос («сугробов») к северо-востоку от СА, где имеет место повышенная шероховатость поверхности, обусловленная присутствием камней размером 2—3 м. Как правило, полосы имеют высоту порядка десятков сантиметров, ширину около нескольких метров и расположены в направлении, перпендикулярном ветру.

Полосы имеют значительно менее регулярно топографическую конфигурацию, чем земные дюны. Между полосами видна расположенная под слоем мелкозернистого материала скальная порода. По крайней мере в двух местах заметна стратификация полос, указывающая на большую вероятность того, что они образованы процессом дефляции, а не осаждения частиц. Возможно, что полосы появились в результате осаждения частиц в период пыльной бури, а затем подвергались влиянию дефляции. Не исключена, однако, и вероятность того, что они являются древними (это согласуется с выводом об очень медленной эрозии на Марсе) или появились в результате сдувания частиц толстого (порядка нескольких метров) слоя мелкодисперсного материала, покрывавшего всю поверхность рассматриваемого района. Поскольку в апреле 1977 г. ожидается очередная глобальная пыльная буря, наблюдения в этот период должны иметь важное значение для выявления природы полос.

Для мелких частиц, составляющих полосы, характерно сильное сцепление (до 10⁴ дин/см²), что должно оказывать значительное влияние на процесс ветровой эрозии. В связи с этим наиболее легко перемещаемыми должны быть частицы размером 100—200 мкм. Поскольку в полосах доминируют частицы 10—100 мкм, при отсутствии переноса частиц с других участков планеты поверхность в рассматриваемом районе должна быть очень устойчивой даже во время пыльных бурь. Одной из причин отсутствия частиц больше 100 мкм мог быть их перенос в другой район. Другой возможной причиной является разрушение частиц при столкновении.

Изучение процессов переноса и сдувания частиц на поверхности Марса имеет важное значение в связи с решением проблемы происхождения глобальных пыльных бурь [8, 9]. За последние несколько десятилетий глобальные пыльные бури на Марсе возникали в 1956 и 1971 гг. как направленные к востоку вторжения пылевых облаков из зоны утреннего терминатора в области Noachis—Hellas.

В работе [110] высказаны соображения о совокупности условий, которые могут благоприятствовать возникновению пыльных бурь во время прохождения Марсом района перигелия его орбиты.

Исследования эффективности ветровой эрозии привели к выводу, что с точки зрения учета этого фактора наиболее благоприятные условия возникают в зонах высокой плотности воздуха (таких, как наиболее низко расположенные участки области Hellas или северная полярная шапка) в ночное время суток зимой. Если проанализировать влияние состояния устойчивости атмосферы, то оказывается, что дестабилизирующее воздействие пограничного слоя, обусловленное нагреванием поверхности за счет поглощения солнечной радиации, в 2—2,5 раза более эффективно как фактор переноса к поверхности горизонтального компонента количества движения, обусловленного ветром свободной атмосферы, чем перемешивание, связанное с адиабатическими условиями.

Поскольку ночью преобладает устойчивость атмосферы, следует предположить, что наиболее благоприятные условия подъема частиц в воздух осуществляются ранним утром на обращенных к солнцу склонах при ясном небе. Вместе с тем в этот период возникают сильные склоновые ветры, направленные вверх по склону, которые обусловлены температурными контрастами подстилающей поверхности. Наблюдения показали, однако, что первоначальное облако пыльной бури перемещается вниз по склону. На этом основании можно предположить, что первоначальные условия, обеспечивающие триггерный механизм формирования пыльной бури, связаны с наличием гравитационного потока вниз по склону, который аналогичен земной боре. Если применить земные аналоги, то можно исходить из того, что достаточно интенсивным источником холодного воздушного потока является струя полярного воздуха.

Как показал Конрат [30], существенное влияние как фактор, стимулирующий начало глобальной пыльной бури, может оказывать эффект взаимодействия атмосферных приливов и топографии марсианской поверхности. Подобный вывод основан на том, что восстановление поля температуры в марсианской атмосфере по данным измерений уходящего теплового излучения при помощи установленного на АМС «Маринер-9» инфракрасного интерференционного спектрометра (ИКИС) привело к выводу, что в период глобальной пыльной бури 1971—72 гг. отчетливо наблюдались орографически обусловленные возмущения поля температуры, налагающиеся на сильный суточный тепловой прилив.

Так, например, атмосфера теплее над понижениями рельефа и холоднее над горами в утреннее время, а в поздние послеполуденные часы ситуация изменяется на обратную. Эти возмущения возникают в результате обусловленных влиянием топографии дополнительных приливных мод, которые не следуют за Солнцем, являясь результатом кинематического взаимодействия распространяющейся на запад солнечной суточной волны с крупномасштабными особенностями рельефа.

Конрат [30] сделал расчеты в приближении возмущений первого порядка, которые показывают, что орографическая долготная компонента с волновым числом, равным 2, представляет собой сильный источник возмущения. Особенно сильно возбуждается ею мода θ₁^{1, -1}, которая соответствует перемещающейся на восток волне с волновым числом 1 в слое толщиной порядка высоты однородной атмосферы. Фазовая скорость этой волны равна по величине, но противоположна по направлению солнечно обусловленной скорости. В приближении, учитывающем лишь возмущения первого порядка, модуляция тепловых солнечных приливных волн крупномасштабной орографией проявляется в возбуждении волн с долготными волновыми числами, равными сумме или разности волнового числа нулевого порядка и орографического волнового числа. Фазовые скорости этих волн отличаются от скорости солнечно обусловленных приливных волн.

Хорошее согласие расчетных и наблюденных возмущений поля температуры свидетельствует о надежности идентификации основных приливных мод. Полученные результаты соответствуют также сделанному ранее Зуреком [113] выводу о том, что мода θ₁^{1, -1} должна оказываться сильно возбужденной. Оценки приливных компонентов полей ветра вблизи марсианской поверхности выявили существенный вклад топографически обусловленных мод низких широт. Вблизи 30° ю. ш., где имеют место наиболее сильные ветры, амплитуда изменяющегося в течение суток зонального ветра возрастает в некоторых районах до 40 м/с.

Хотя грубость модели определяет предварительность рассмотренных количественных результатов, они несомненно свидетельствуют о возможности обусловленного крупномасштабной топографией усиления ветра, которое может в некоторых районах вносить существенный вклад в инжекцию пыли в атмосферу в периоды пыльных бурь.

Расчеты Конрата [30] обнаружили также наличие орографически обусловленных мод, распространяющихся в вертикальном направлении. Эти моды не оказывают сколько-нибудь значительного влияния на поля температуры и ветра в нижних слоях атмосферы, но приводят к появлению сильного потока энергии вверх от поверхности. Подобные моды являются, таким образом, возможным источником энергии для верхней атмосферы в период пыльной бури. Однако для количественной оценки распространения энергии в верхнюю атмосферу необходимо более детальное моделирование атмосферы, чем рассмотренное выше.

Согласно работам [53, 54, 65], определенный вклад в стимуляцию процесса развития пыльной бури может вносить сальтация (беспорядочные движения частиц вверх и вниз вблизи поверхности в результате соударения с нею падающих частиц). Изучение физики процесса эрозии и первоначального механизма формирования пыльных бурь вызвало большой интерес к исследованиям условий подъема частиц марсианского грунта с поверхности как путем численных экспериментов, так и моделирования в аэродинамических трубах при условиях, эквивалентных марсианским.

В работе [108] выполнены численные эксперименты с использованием двухмерной модели потока, разработанной для исследования подъема частиц с поверхности в земных условиях, в которую были введены эмпирические поправки с целью учета специфики марсианских условий. Подъем и перенос частиц грунта определяются соотношением подъемной силы и силы трения, которые сильно зависят от числа Рейнольдса.

Как на Земле, так и на Марсе, подъемная сила имеет решающее значение для начала процесса сальтации. Эквивалентность теоретического описания этого процесса определяется из условия равенства отношений динамической скорости v_* к пороговой динамической скорости v_*t, определяющей начало сальтации. В табл. 4 приведены значения v_* для Земли и Марса при различных диаметре частиц D (мкм) и плотности частиц ρ_р (г/см³) .

Главная специфика Марса состоит в том, что в этом случае сальтация имеет место в пограничном слое, содержащем вязкий подслой, тогда как для Земли характерен диапазон v_*t, соответствующий переходной зоне. Толщина вязкого подслоя на Марсе составляет около 1 см. Сравнение траекторий частиц на Земле и Марсе при идентичных v_*/v_*t показало, что в условиях Марса траектории выше (до 40%) и длиннее. Отношение длины к высоте траекторий на Марсе значительно выше, а угол соударения с поверхностью существенно меньше (обычно меньше 30°), чем на Земле (5—15°). Максимальная вертикальная составляющая скорости частиц w/v_* равна примерно одной десятой по отношению к земной, а горизонтальная составляющая скорости (вдоль направления ветра) в марсианских условиях значительно больше, что должно обусловливать более интенсивную эрозию. На основе сочетания экспериментальных данных и двухмерной модели в работе [108] получены оценки, относящиеся к трехмерной модели потока при наличии кратера. Полученные оценки показывают, что в этом случае значительно усиливается процесс эрозии на «теневой» стороне кратера. Этот вывод объясняет природу образования «струй» пылевого материала на поверхности вблизи некоторых кратеров.

Рис. 1. Место посадки спускаемого аппарата АМС «Викинг-1». Центр посадочного эллипса на монтаже телевизионных изображений, полученных с АМС «Викинг-1» 9 июля 1976 г.

Рис.2. Мозаика 15 телевизионных изображений, полученных с АМС «Викинг-1» 9 июля 1976 г. при расстоянии до поверхности около 1630 км. Все изображение охватывает площадь 250 X 200 км к западу-северо-западу от места посадки СА. Рис. 3. Два изображения западной части вулканического плато Alba Patera, полученные с АМС «Викинг-2» 15 августа 1976 г. при расстоянии до поверхности около 3950 км. Каждое изображение охватывает площадь 175 X 175 км.

Рис. 4. Монтаж шести изображений района Chryse, полученных 22 июня 1976 г. с АМС «Викинг-1». Отчетливо выявляющиеся меандрирующие каналы побуждают высказать предположение об их флювиальном происхождении.

Рис. 5. «Острова» в канале района Areas Valley на двух изображениях высокого пространственного разрешения, полученного с АМС «Викинг-1» 23 июня 1976 г. Изображения получены с интервалом времени 9 с при расстоянии до поверхности, равном 1723 км. Рис. 6. Изображение гигантского экваториального каньона глубиной около 2 км в районе Capri Chastna, полученное с АМС «Викинг-1» 3 июля 1976 г. с расстояния около 2000 км. Размер изображения 70x150 км. Рис. 7. Изображение дюн на дне района Gangis Chasma— Ganges Chasm — ветви системы экваториального каньона Марса, полученное с АМС «Викинг-1» 1 июля 1976 г. с целью выявления возможных мест посадки АМС «Викинг-2». Изображение охватывает площадь 50 X 20 км.

Рис. 8. Мозаика изображений покрытого каналами участка поверхности близ района Capri Chasma, полученных с АМС «Викинг-1» 3 июля 1976 г. с расстояния 2300 км. Площадь изображения составляет около 300X300 км. Возможно, что опускание участка хаотического рельефа в правой части изображения было частично обусловлено таянием подповерхностного льда.

Рис. 9. Изображение свежего молодого кратера диаметром около 30 км, расположенного в районе Lunae Planum (правый нижний угол фотографии). Центр изображения, полученного с АМС «Викинг-1» 11 июля 1976 г. с расстояния 1760 км, расположен в точке 23° с. ш., 52° з. д.

Рис. 10. Монтаж из трех изображений зоны северной полярной шапки, полученных с АМС «Викинг-2» 30 августа 1976 г. при расстоянии до поверхности около 4000 км. Рис. 11. Изображение облачного покрова в области вулкана Olympus Mons, полученное с АМС «Викинг-1» 9 августа 1976 г. с расстояния 8000 км в утреннее время.

	Рис. 12. Изображение поверхности Марса, полученное со спускаемого аппарата АМС «Викинг-1» 6 августа 1976 г. В конце выдвижной стрелы СА установлены метеорологические датчики. Рис. 13. Изображение поверхности Марса вблизи одной из опор спускаемого аппарата СА «Викинг-1». 22 июля 1976 г.

Таблица 4

Пороговые значения динамической скорости на Земле и Марсе

В работе [54] сопоставлены результаты оценки зависимости пороговой динамической скорости от диаметра частиц (10— 10 000 мкм) для условий Земли, Марса и Венеры. В случае учета сил сцепления между частицами всегда имеет место минимум динамической скорости, соответствующий оптимальному диаметру частиц, которые наиболее легко сдуваются ветром. При отсутствии сцепления наблюдается монотонное увеличение динамической скорости с ростом диаметра. Оптимальный диаметр частиц варьирует от 50 мкм на Венере до 75 мкм на Земле и 150 мкм на Марсе. При этом минимальные пороговые значения динамической скорости испытывают скачкообразные изменения примерно на порядок величины: от 2,2 до 20,5 и 250 см/с соответственно.

Частицы, которые имеют диаметр меньше 20; 52 и 250 мкм (соответственно на Венере, Земле и Марсе), оказываются взвешенными в атмосфере при достижении порогового значения скорости. Частицы, обладающие диаметром больше критического, будучи приведены в движение, остаются преимущественно в состоянии сальтации. Они становятся взвешенными лишь в случае, если достигается такое отношение динамической скорости к ее пороговому значению, при котором скорость ветра примерно равна динамической скорости.

Анализ цветных изображений неба в период сумерек (±20 мин по отношению к моменту захода Солнца) свидетельствует о присутствии в атмосфере большого количества красной пыли с размером частиц около 1 мкм. Для эффективной длины волны 0,67 мкм оптическая толщина атмосферы составляет около 0,45. Возможно, что низкая прозрачность и высокая запыленность атмосферы являются следствием кумулятивного эффекта местных пыльных бурь.

Установленный на СА «Викинг-1» рентгеновский флуоресцентный спектрометр позволил осуществить измерения концентрации в марсианском грунте элементов с Z>12, к которым принадлежат наиболее геохимически существенные и целый ряд малых компонентов грунта. В работе [106] приведены результаты анализа взятой на 8 сол первой пробы, выполненного в период 8—30 солов. Основными компонентами грунта оказались железо, кальций, алюминий, кремний и сера. Титан присутствует в малых количествах. Эти результаты согласуются с предположением, что марсианский грунт состоит из смеси обладающих прочным сцеплением частиц мелкозернистого силиката и минералов из окислов со значительной примесью сульфатов (возможно,— гидратированных).

Окислы железа (их минералогическая идентификация пока невозможна) являются, по-видимому, компонентом, ответственным за красноватую окраску поверхности Марса. Если они покрывают зерна силикатов, подобное покрытие должно быть очень тонким (тоньше 2 мкм) или несплошным. Характерные черты спектров свидетельствуют о высокой концентрации железа, относительно малом содержании алюминия, рубидия, стронция и циркония, а также высоком отношении концентраций Са/К.

Предварительная обработка данных привела к следующим значениям относительной весовой концентрации (%): железо 14 ± 2; титан < 1; сера 2—5; Са/К > 5 [106]. Малое содержание стронция, рубидия и циркония по сравнению с земными изверженными породами указывает на то, что исследованный образец грунта, по крайней мере частично, содержит продукты выветривания. По-видимому, сера присутствует главным образом в форме сульфатов (сульфаты кальция, магния, железа или щелочных металлов являются наиболее вероятными), но не исключено и наличие сульфидов. Поскольку полученные данные о составе грунта укладываются в рамки разнообразных минералогических и литологических моделей грунта, необходимы дальнейшие исследования.

Осуществленный при помощи рентгеновского флуоресцентного спектрометра элементный анализ мелкодисперсного компонента марсианского реголита привел к неожиданно сходному химическому составу грунта в далеко удаленных друг от друга (около 6500 км) местах посадки СА «Викинг-1, -2» [29]. Полученные количественные результаты приведены в табл. 5.

Как видно, в составе поверхностного слоя реголита преобладают кремний и железо при значительном содержании магния, алюминия, серы, кальция и титана. Концентрация кремния в форме двуокиси кремния составляет в районе посадки СА «Викинг-1» 45 ±5%, т. е. меньше значений концентрации (60±10%), полученных по данным орбитальной инфракрасной спектроскопии взвешенного в атмосфере материала в период глобальной пыльной бури 1971 г.

Таблица 5 Элементный состав мелкодисперной фракции (размер частиц ≤ 100 мкм) марсианского грунта (в % по весу) в точке посадки «Викинга-1» (S1) и разность концентраций в двух местах посадки (S2—S1) Примечание. * — суммарные концентрации неидентифицированных окислов (О) и не обнаруженных компонентов (X, в том числе Н2О, Na2O, СО2 и NOx). ДО — данные отсутствуют.

Концентрация серы на один—два порядка величины выше, а калия — примерно в 5—8 раз ниже соответствующих средних значений для земных природных образований (почвы, горные породы). Значения концентрации серы близко соответствуют, однако, найденным в хондритных метеоритах, которые обычно рассматриваются как протопланетное вещество. Высокое содержание серы на Марсе налагает ограничения на диапазон и количество возможных соединений, содержащих серу. Можно считать вероятным лишь сульфаты натрия, магния, кальция и железа или сульфид железа (исключая пирит).

Обнаружены следы стронция, иттрия, и, возможно, циркония, которые имеют относительную концентрацию порядка 10^-4. Мелкие камни типа гальки в районе Chryse содержат больше серы, чем мелкодисперсная фракция реголита, и, возможно, являются кусками сцементированной сульфатами поверхностной корки. Ранее было показано, что если предполагать, что красная или оранжевая пигментация реголита является результатом покрытия камней и мелкодисперсных частиц пленкой из геотита или гематита, то толщина такой пленки не должна превосходить 1—2 мкм. Данные табл. 5 определяют необходимость уменьшения максимально возможной толщины пленки до 0,26 мкм, так как в противном случае результаты рентгеновского флуоресцентного анализа на Mg, Al и Si оказались бы значительно искаженными.

Оценка плотности образцов S1 дала значение, равное 1,10±0,15 г/см³. Поскольку приведенный в табл. 5 элементный состав ограничивает плотность диапазоном 2,3—3,2 г/см³, это означает, что пористость частиц составляет около 60± 15%. Забор и анализ последовательных проб грунта привел к выводу, что мелкодисперсная фракция реголита в районе Chryse обладает гораздо более сильной адгезией (слипанием), чем исследованные в лабораторных условиях земные аналоги.

Рассмотренный состав марсианского реголита естественнее всего интерпретируется как результат выветривания мафических (темных) изверженных пород. В работе [16] построена минералогическая модель, согласно которой марсианский мелкодисперсный реголит представляет собой смесь примерно 80% богатых железом глин, около 10% сульфата магния (кизерита ?), 5% карбоната (кальцита) и 5% окислов железа (гематит, магнетит, магемит, гетит ?). В табл. 6 представлены три модели состава реголита в сравнении с данными анализа мелкодисперсной фракции в месте посадки «Викинга-1» (51).

Таблица 6

Модели химического состава мелкодисперсного реголита

Наличие богатых железом глин означает, что для их образования из мафических горных пород на Марсе должно было иметься (или имеется) достаточное количество воды или льда. По-видимому, мафическая природа мелкодисперсного компонента грунта, имеющего глобальное распространение, и горных пород, которые являются источником этого компонента, предотвращает крупномасштабную планетарную дифференциацию, подобную земной.

Установленные на СА «Викинг» комплексы масс-спектрометров (МС) и газовых хроматографов (ГХ) позволили осуществить анализы состава марсианской атмосферы и грунта, причем главной целью был поиск органических компонент. Пробы грунта подогревались в трех небольших печах за 30 с до температуры 200, 350 и 500°С для извлечения летучих компонентов и продуктов пиролиза. МС выполняет повторное и непрерывное сканирование спектра масс т/е в интервале 12—200 (время регистрации каждого масс-спектра составляет 10 с) и имеет динамический диапазон 1 : 10⁷. Каждый спектр воспроизводится как совокупность 3840 точек (чисел).

После посадки СА «Викинг-1» были взяты три пробы грунта на 8, 14, 31-м солах [17, 18]. Проба, полученная на 8-м соле, представляет собой тонкозернистый материал (преимущественно с глубины 4—6 см), перемешанный с материалом поверхности (его доля не превышает 10%). Проба, относящаяся к 14-му солу, была практически идентичной и поэтому не подвергалась анализу. Проба 31-го сола была взята на расстоянии около 3 м от места первой пробы и состоит преимущественно из гранулированного материала поверхности.

Анализ обеих проб при помощи ГХ не обнаружил каких-либо органических компонентов в количествах, превосходящих несколько частей на миллиард. При нагревании до 350 и 500°С выделялись заметные количества воды (от 0,1 до 1%), которая является, по-видимому, составной частью гидратов минералов. Не обнаружено сернистого газа, свободной серы и сероводорода. Полученные результаты исключают возможность какого-либо эффективного современного процесса, продуцирующего органические компоненты (разумеется, общность такого вывода ограничивается фрагментарностью анализа).