ВЕНЕРА - НЕПОХОЖАЯ СЕСТРА ЗЕМЛИ
Венера - вторая от Солнца планета, наша соседка по Солнечной системе - долгое время считалась "сестрой" Земли. Обе планеты имеют близкие размер и массу и сформировались в соседних областях протопланетной туманности. Однако на этом аналогии заканчиваются. Уже первые полеты к Венере показали, что перед нами экзотический мир, совершенно не похожий на Землю, процессы формирования которого до сих пор во многом остаются загадкой. На поверхности планеты господствует адская жара (460 градусов Цельсия) и чудовищное давление (90 атмосфер). Поверхность скрыта от наблюдателя 20-километровой толщей сернокислотных облаков, неизвестные примеси в которых придают планете желтоватый оттенок. Атмосфера Венеры от поверхности до верхней границы облаков вращается вокруг планеты со скоростью, достигающей 150 метров в секунду, совершая полный оборот всего за четверо суток. Это явление получило название суперротации. Физический механизм, поддерживающий этот планетарный вихрь, до сих пор не получил надежного объяснения. Мощная атмосфера Венеры состоит из двуокиси углерода (96,5%) и азота (3,5%). Малые газовые составляющие (SO2, H2O, HCl, COS, CO), присутствующие в атмосфере в количестве сотых долей процента и менее, создают сложнейшую химическую систему, к пониманию которой ученые сейчас только подходят. У верхней границы облаков на высоте около 70 километров фотохимические реакции под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца приводят к образованию мельчайших частиц серной кислоты, которые, постепенно оседая, формируют облачный слой, один из самых мощных в Солнечной системе. В подоблачной атмосфере происходит термическое разложение серной кислоты. Здесь вплоть до поверхности господствуют термохимические реакции между серосодержащими и углеродсодержащими компонентами. По-видимому, поверхность оказывает сильное каталитическое влияние на химию нижней атмосферы. Однако это лишь догадка, так как состав самой поверхности пока практически неизвестен. Одна из главных загадок - наличие в атмосфере планеты значительных количеств двуокиси серы SO2. Из малых составляющих атмосферы этот газ наиболее обилен, что противоречит результатам химических моделей, которые предсказывают быстрое связывание SO2 минералами поверхности. Его большое содержание может косвенно свидетельствовать о работе активных вулканов, которые постоянно пополняют запасы двуокиси серы в атмосфере, однако пока нет убедительного доказательства их наличия на планете.
Поверхность Венеры - одна из самых молодых в Солнечной системе. Малое количество метеоритных кратеров и их равномерное распределение по поверхности позволили сделать вывод, что около 500 миллионов лет назад - срок в геологическом отношении небольшой - Венера испытала вспышку вулканической активности, которая привела к глобальному "омоложению" поверхности. Таким образом, сегодня мы видим поверхность, залитую сравнительно молодыми лавами. Причины такого глобального катаклизма остаются загадкой.
Другая интереснейшая особенность Венеры заключается в ее тепловом балансе. Венера - "королева" парникового эффекта (повышения температуры поверхности планеты вследствие того, что атмосфера препятствует излучению тепловой энергии в космос). Атмосферные газы (CO2, H2O и другие), обладающие определенными оптическими свойствами, "запирают" в нижней атмосфере полученную от Солнца энергию, что приводит к разогреву поверхности до высоких температур. На Венере парниковый эффект составляет почти 500(!) градусов Цельсия. Для сравнения: на Земле действие атмосферного "парника" повышает температуру поверхности только на 30-40 градусов. Таким образом на нашей планете парниковый эффект поддерживает комфортные условия для биосферы. Однако антропогенное воздействие на климат, приводящее к увеличению количества двуокиси углерода и, как следствие, к глобальному потеплению, в принципе способно нарушить хрупкое природное равновесие. Исследование парникового эффекта на Венере, где до сих пор не ясны детали этого механизма и роль отдельных газов и облаков, поможет нам лучше понять эволюцию климата на Земле.
Еще одна замечательная особенность Венеры состоит в том, что она, в отличие от Земли, не имеет магнитного поля и не защищена от воздействия солнечного ветра - потока заряженных частиц - "магнитным щитом". Поэтому энергичные частицы солнечной плазмы вторгаются в верхние слои атмосферы и разрушают ее, унося в космос различные газы. Таким образом происходит интенсивная потеря вещества планеты. Пока этот процесс исследован только теоретически, и необходимы точные измерения потоков солнечной плазмы и атмосферных газов у верхней границы атмосферы, чтобы понять особенности эволюции Венеры.
НАУЧНАЯ АППАРАТУРА "ВЕНЕРЫ-ЭКСПРЕСС"
В состав научной аппаратуры космической станции "Венера-Экпресс" входят семь приборов. Пять из них унаследованы от прошлых космических миссий ЕКА: марсианского орбитального аппарата "Марс-Экс-пресс" и кометного зонда "Розетта". Оказалось, что эти приборы вполне соответствуют требованиям миссии и в состоянии выполнить научные задачи у Венеры. Кроме того, специально для "Венеры-Экспресс" были сконструированы и изготовлены еще два прибора: миниатюрная числовая фотокамера и магнетометр.
Планетный фурье-спектрометр ПФС, инфракрасный картирующий спектрометр ВИРТИС, спектрометр для наблюдения солнечных и звездных затмений СПИКАВ и четырехканальная камера ВМК составляют мощный фотографический и спектрометрический комплекс станции. В его задачи входит изучение структуры, состава и динамики надоблачной атмосферы. С высокой точностью и хорошим пространственным разрешением будут исследованы температура верхней атмосферы, концентрация и распределение водяного пара и двуокиси серы, из которых образуются частицы облачного слоя. Наблюдение движения деталей облаков в ультрафиолете позволит определить скорость и направление ветра у верхней границы облаков на высоте 70 километров и восстановить картину общей циркуляции атмосферы.
Методика исследования структуры верхней атмосферы в солнечных и звездных затмениях, дающая очень высокую чувствительность при анализе состава верхней атмосферы и впервые примененная на марсианских аппаратах, будет использована на "Венере-Экспресс" для зондирования надоблачной дымки и верхней атмосферы вплоть до высот 200 километров.
В 1980-х годах сделали удивительное открытие. Наземные астрономы обнаружили свечение ночной стороны Венеры в определенных участках инфракрасного спектра. Оказалось, что при столь высокой температуре тепловое излучение поверхности становится существенным и пробивается сквозь облака в узких спектральных интервалах между полосами поглощения атмосферных газов (так называемых "окнах прозрачности"). Это открытие дало уникальную возможность исследовать подоблачную атмосферу Венеры с орбиты, на что ранее были способны только посадочные зонды с весьма ограниченными возможностями. "Венера-Экспресс" сможет в полную силу использовать новый метод зондирования. Оптические приборы измерят спектры в "окнах прозрачности" и, таким образом, позволят определить состав подоблачной атмосферы на ночной стороне. Они также будут наблюдать неоднородности облачного слоя и их перемещение по диску планеты, что поможет сделать выводы о динамике облачного слоя и атмосферы на высотах 50-60 километров. Эти наблюдения дадут также важные количественные оценки теплового баланса планеты и неоднородностей парникового эффекта.
Совершенно особенным оказалось "окно прозрачности" на длине волны около 1 микрона. В нем с орбиты через мощный слой облаков видна… поверхность! Разница в температуре поверхности, связанная с разницей высот, порождает контрасты яркости, которые и будут наблюдаться с орбиты. Есть надежда, что удастся обнаружить вулканические извержения, если они сопровождаются излиянием раскаленной лавы. Оговоримся, что подобные наблюдения через рассеивающий облачный слой сильно ограничены в пространственном разрешении: оно не будет превышать 50 километров. Такое ограничение легко понять, если представить себе, что улицу из комнаты разглядывают через матовое стекло, когда различимы лишь силуэты снаружи, но трудно увидеть мелкие детали.
Радиоволны предоставляют другую возможность проникнуть в глубины венерианской атмосферы. Этот метод использовался ранее как на наземных телескопах, так и на космических аппаратах, которые составили полную карту поверхности Венеры. "Венера-Экспресс" применит служебную радиосистему космического аппарата для зондирования структуры атмосферы и ионосферы Венеры, а также для радиолокационного зондирования поверхности. Основное внимание будет уделено высокогорным областям, которые в наблюдениях радара на американском спутнике "Магеллан" дали аномально сильное отражение.
Взаимодействие верхней атмосферы планеты с набегающим солнечным ветром и процессы эрозии атмосферы исследует эксперимент АСПЕРА, который зарегистрирует плотность и потоки молекул, ионов и электронов вблизи планеты. Напряженность магнитного поля, принесенного солнечной плазмой, измерит высокочувствительный магнетометр.
КОСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ "ВЕНЕРА-ЭКСПРЕСС"
Аппарат "Венера-Экспресс" представляет собой модифицированный вариант спутника "Марс-Экспресс", который вот уже около двух лет успешно работает на орбите Марса. Изменения в конструкции венерианского аппарата связаны в основном с тем, что он будет работать в два раза ближе к Солнцу, чем его марсианский предшественник. Вчетверо больший поток солнечного излучения у Венеры заставил конструкторов изменить внешнюю тепловую изоляцию аппарата. "Золотое" покрытие "Венеры-Экспресс" должно отражать бoльшую долю солнечного излучения, предохраняя станцию от перегрева. Задача теплового покрытия у марсианского экспресса была прямо противоположной - сохранить тепло. Второе изменение, также связанное с полетом во внутреннюю часть Солнечной системы, касается конструкции панелей солнечных батарей. На "Венере-Экспресс" длина панелей уменьшена вдвое и вместо кремния использован арсенид галия, который в этих условиях обладает лучшими характеристиками.
Изменения коснулись также размещения и обслуживания научной аппаратуры. Для половины приборов, унаследованных от "Марс-Экспресса", модификации были минимальными. Аппаратуру же, пришедшую из проекта "Розетта", и вновь созданные приборы пришлось заново размещать на космическом аппарате.
Станция "Венера-Экспресс", как и ее марсианский прототип, была сконструирована и построена большой кооперацией европейских фирм под руководством аэрокосмического консорциума "Астриум". В разработке и изготовлении научной аппаратуры принимали участие десятки научных институтов Европы и Соединенных Штатов Америки. Российские ученые и специалисты также внесли большой вклад в научную и техническую подготовку отдельных экспериментов и всего проекта в целом.
Благодаря использованию наследия проектов "Марс-Экспресс" и "Розетта" космический аппарат "Венера-Экспресс" подготовили к полету в рекордно короткий срок. Меньше чем за четыре года с момента принятия решения о миссии станция была модифицирована, собрана и прошла предстартовые испытания. Стоимость проекта составила немногим более 200 миллионов евро, что сравнимо со стоимостью голливудского фильма. Интересно, что слиток чистого золота, равный по весу аппарату "Венера-Экс-пресс" - а это около 500 килограммов, - стоил бы в несколько десятков раз меньше: высокие технологии и интеллектуальный труд стоят дороже "желтого металла".
ПРОГРАММА ИССЛЕДОВАНИЙ
Аппарат "Венера-Экспресс" был запущен утром 9 ноября 2005 года российской ракетой-носите лем "Союз" с космодрома Байконур и выведен на траекторию межпланетного перелета к Венере также российским разгонным блоком "Фрегат". В начале апреля 2006 года станция достигнет окрестностей Венеры и 11 апреля перейдет на орбиту искусственного спутника планеты. После дополнительных коррекций будет сформирована рабочая орбита с перицентром высотой около 250 километров в районе Северного полюса планеты. В апоцентре орбиты "Венера-Экспресс" станет удаляться от планеты на расстояние около 66 тысяч километров. Такая эллиптическая орбита спутника позволит сочетать наблюдения Северного полушария с близкого расстояния и с высоким разрешением и обзорные наблюдения Южного полушария издалека, когда весь диск планеты находится в поле зрения оптических приборов. Это особенно важно для задач метеорологии и общей динамики атмосферы. Кроме того, сильно вытянутая орбита позволит плазменным приборам зондировать процессы взаимодействия солнечного ветра с атмосферой в широком диапазоне расстояний до планеты.
Период обращения "Венеры-Экспресс" по орбите составит 24 часа. Из них 16 часов будет отведено научным наблюдениям и экспериментам. Остальные 8 часов "Венера-Экспресс" станет передавать данные на Землю и получать "задание" на следующий день. Работа с аппаратом будет вестись через антенну дальней космической связи, специально построенную ЕКА для миссии "Венера-Экспресс". Равный земным суткам орбитальный период "Венеры-Экспресс" позволит наземным службам поддерживать регулярные сеансы связи без необходимости сверхурочных работ.
Космический аппарат "Венера-Экспресс" имеет очень гибкую систему ориентации, что создает большие удобства для работы научной аппаратуры. Вблизи планеты, когда космический аппарат начнет двигаться со скоростью около 9 километров в секунду, система ориентации станет поддерживать направление оси оптических приборов в надир (точку, противоположную зениту), что обеспечит полный и детальный обзор Северного полушария. При наблюдении издалека аппарат с высокой точностью сохранит заданное положение в пространстве, обеспечивая видимость планеты оптическими приборами в течение длительного времени. Это позволит отснять движение облаков и получить полную картину атмосферной циркуляции. Для исследования вертикальной структуры атмосферы и облачного слоя будут применяться наблюдения лимба (атмосферы планеты в проходящем свете Солнца и звезд), а также солнечных и звездных затмений. Такие наблюдения проведут около Венеры впервые. Для обеспечения радиозатменного эксперимента потребуется ювелирная точность наведения "Венеры-Экспресс". Например, в момент захода Земли за венерианский горизонт аппарат должен скомпенсировать сложное движение радиолуча в атмосфере планеты, вызванное рефракцией, чтобы сохранить радиоконтакт с наземной антенной.
Миссия "Венера-Экспресс" рассчитана на три земных года. Из-за очень медленного вращения Венеры вокруг собственной оси за это время на ней пройдет лишь около четырех суток, а научные приборы станции смогут четырежды исследовать суточный цикл. Суммарный объем информации, который планирует передать "Венера-Экс-пресс" за это время, превысит 1 терабит.
БУДУЩИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕНЕРЫ
"Венера-Экспресс" открывает новую эру в исследовании нашей загадочной соседки. За ней в 2010 году должен последовать космический аппарат под названием "Планета-С", разрабатываемый японскими специалистами. Программа исследований этого зонда во многом дополнит наблюдения "Венеры-Экспресс". Он станет работать на экваториальной орбите и выполнять детальные метеорологические исследования при помощи пяти фотокамер, настроенных на различные спектральные диапазоны.
"Венера-Экспресс" и "Планета-С" проведут комплексные дистанционные исследования Венеры и дадут полный обзор происходящих на планете явлений и процессов. Дальнейшее проникновение в глубь тайн "утренней звезды" потребует исследований на месте, в которые войдут детальный химический анализ атмосферных газов и минералов поверхности в разных точках планеты; исследования изотопного состава, что особенно важно для понимания эволюции Венеры и Солнечной системы в целом; исследование атмосферной динамики и сейсмические измерения. Выполнение этих научных задач в будущем потребует миссий, включающих посадочные аппараты, возможно, с длительным временем жизни на поверхности, мобильных летающих лабораторий, размещенных на баллонах, и, в конце концов, возврата образцов грунта и атмосферы с Венеры.
ЛИТЕРАТУРА
Брандт Дж., Холл П. Астрофизика Солнечной системы. - М., 1967.
Криволуцкий А. Е. Голубая планета. - М., 1985.
Морозов В. И. Физика планет. - М., 1967.
Шаронов В. В. Планета Венера. - М.. 1965.
