Путешествие на Венеру: как исследовали самую яркую планету

Поскольку Венера обращается между Землей и Солнцем, она, подобно Меркурию, меняет свой облик от тонкого серпика до полного диска. Люди с очень хорошим зрением могут различать фазы Венеры даже простым глазом, и они великолепно видны даже в самые слабенькие телескопы. Поэтому не приходится удивляться, что в октябре 1610 года их наблюдал Галилей. Впрочем, он и не сомневался, что обнаружит их, поскольку наличие фаз у любой внутренней планеты однозначно следует из теории Коперника.

Прохождение Венеры по диску Солнца в 1761 году позволило сделать первый по-настоящему нетривиальный вклад в наши знания об этой планете. Наблюдавший его Ломоносов заметил, что, когда венерианский диск покидал солнечный, на краю последнего возник и тут же исчез ярко светящийся выброс (Ломоносов назвал его пупырем). Михайло Васильевич совершенно правильно объяснил это явление наличием у Венеры «знатной воздушной атмосферы», преломляющей солнечные лучи. Европейские астрономы игнорировали это открытие до тех пор, пока в конце XVIII века его не подтвердили первооткрыватель Урана Уильям Гершель и астроном-любитель из Бремена Иоганн Шретер.

Положение, когда проекция Венеры на плоскость земной орбиты попадает на линию, соединяющую Землю и Солнце, называется соединением. Венера находится в верхнем соединении, когда Солнце оказывается между ней и Землей, и в нижнем, когда она сама вклинивается между ними. В нижнем соединении дистанция между планетами сокращается до 42 млн километров, а в верхнем увеличивается до 258 млн. Интервал между последовательными верхними и нижними соединениями называется синодическим периодом Венеры. В среднем он равен 584 земным суткам, хотя отклонения в ту или иную сторону доходят до сотни часов.

Телескопические наблюдения всегда давали столь нечеткие картинки поверхности Венеры, что любые попытки определить с их помощью продолжительность суток этой планеты ни разу не увенчались успехом (по этой же причине картография Венеры стала возможной лишь после того, как у нее появились искусственные спутники с радиолокационным оборудованием, хотя кое-что удалось сделать и наземным радиотелескопам).

А такие попытки предпринимались практически всеми астрономами, интересовавшимися этой планетой. Первым из них оказался великий Джованни Кассини, который изучал Венеру еще до переезда в Париж в своей обсерватории в Болонье. В 1667 году он объявил, что венерианские сутки почти равны земным — 23 часа 21 минута. За следующие 300 лет астрономы-телескописты сделали более сотни подобных оценок — увы, ошибочных.

Делу помогла радиолокация Венеры, да и то не сразу. Первые опыты такого рода были проведены в США (1958) и Великобритании (1959) — но без особого успеха. В мае 1961 года советские газеты сообщили, что группа сотрудников Института радиотехники и электроники АН СССР под руководством академика Котельникова с помощью межпланетного радара установила, что Венера делает один оборот вокруг своей оси приблизительно за 11 суток. Как и множество других, эта оценка оказалась чрезвычайно заниженной. Лишь спустя год радиофизики из Калифорнийского технологического института Голдстайн и Карпентер получили почти правильную величину — 240 земных суток. В последующие годы она неоднократно уточнялась, и сейчас продолжительность венерианских суток считают равной 243 земным (так что сутки Венеры длиннее ее года!). Тогда же было установлено, что Венера обращается вокруг своей оси не с запада на восток, как Земля, а с востока на запад. Если смотреть со стороны северного полюса Солнца, окажется, что Венера вращается по часовой стрелке, а не против нее, как Земля и остальные планеты (за исключением Урана, у которого ось собственного вращения почти параллельна орбитальной плоскости). Поскольку Венера, как и все планеты, обращается вокруг Солнца против часовой стрелки, ее орбитальная и осевая угловые скорости противоположны по знаку. Такое движение называется ретроградным.

Первые сведения о составе венерианского воздуха были получены ровно за четверть века до начала космической эры. В 1932 году американские астрономы Уолтер Сидни Адамс и Теодор Данэм воспользовались для этой цели спектрографом, установленным на крупнейшем в мире 250-сантиметровом телескопе обсерватории Маунт-Вильсон. Они убедительно доказали, что газовое окружение Венеры в основном состоит из двуокиси углерода. Степень нагрева верхнего слоя венерианских облаков впервые измерили еще раньше, причем на этом же телескопе. Эдисон Петтит и Сет Николсон с помощью болометров выяснили, что его температура колеблется между 33−38°C. Эти измерения оказались до удивления точными, и в дальнейшем их достоверность неоднократно подтверждалась.

Прочие данные были получены уже с космических аппаратов. Сейчас мы знаем, что венерианский воздух на 96,5% состоит из углекислоты и на 3,5% — из азота. Остальные компоненты (двуокись серы, аргон, пары воды, окись углерода, гелий, совсем недавно обнаруженные зондом Venus Express гидроксильные группы) присутствуют лишь в небольших количествах. Тем не менее атмосферной серы вполне достаточно для формирования облаков, накрывающих планету, состоящих из двуокиси серы и аэрозольной серной кислоты.

Нижний слой венерианской атмосферы почти неподвижен, зато в тропосфере скорость ветра превышает 100 м/с. Эти бури сливаются в единый ураганный поток, который огибает планету за четверо земных суток. Он движется в сторону ее вращения (с востока на запад) и переносит плотные тучи, которые циркулируют вокруг планеты с такой же скоростью (это явление называется суперротацией).

До середины XX века с Венерой были связаны очень большие ожидания. До начала космических исследований этой планеты ученые надеялись найти на ней природные условия, очень близкие к земным, или, точнее говоря, к тем, которые Земля проходила в процессе своей эволюции. Для этого были несомненные основания. Обе планеты сходны по многим критериям.

Их размеры практически совпадают — экваториальный радиус Венеры равен 6051,8, Земли — 6378,1 км. Разница между полярными радиусами и того меньше — 6051,8 и 6356,8 км (Венера — почти идеальный шар, в то время как наша планета несколько сплюснута у полюсов). Средняя плотность венерианского вещества составляет 95% от плотности земного (5234 и 5515 кг/м3). Ускорение свободного падения на поверхности Венеры равно 8,87 м/с^2, лишь на 10% меньше земного. И Венера и Земля обращаются вокруг Солнца практически по правильным окружностям, лежащим почти в одной плоскости, эксцентриситеты их орбит равны соответственно 0,0067 и 0,0167. Более того, это единственные твердые околосолнечные планеты, обладающие плотной атмосферой. Венера в космических масштабах расстояний находится рядом с Землей, хотя, как показали дальнейшие исследования, это различие в расстоянии от Солнца оказалось для нее фатальным. Можно было предполагать, что и по своему возрасту Венера и Земля достаточно близки, а значит, и эволюционировали сходным образом. В научно-популярных журналах писали, что Венера проходит своего рода каменноугольный период в своей эволюции, что она покрыта океанами и полна экзотической растительности.

Но с конца 1950-х эти представления стали меняться. С помощью радиотелескопов астрономы измерили так называемую яркостную температуру Венеры, и она оказалась существенно выше ожидаемой — на сотни градусов. В отличие от других планет земной группы — Марса и Меркурия, — поверхность Венеры окутана плотным облачным слоем. Поэтому было не ясно, что именно является источником такой высокой температуры. Появились несколько моделей, некоторые из них связывали эту температуру с поверхностью под облаками, другие объясняли ее свойствами ионосферы. Две эти альтернативные точки зрения сильно подогревали интерес к исследованиям Венеры. Все прояснилось в 1962 году, когда американский Mariner 2 с расстояния 35 000 км измерил яркостную температуру Венеры (более 400°С) и обнаружил так называемое потемнение к краю диска планеты (за счет большей толщины атмосферы по краям). А это означало, что вероятнее всего температура связана с поверхностью планеты.

Собственно, почти вся информация об атмосфере, поверхности и внутреннем устройстве Венеры была получена с помощью космических аппаратов. Первые две попытки исследования Венеры предпринял Советский Союз, причем еще до полета Юрия Гагарина. 4 февраля 1961 года с Тюратама ушел в космос 645-килограммовый венерианский зонд, посаженный на почти шеститонную орбитальную платформу. Тандем вышел на околоземную орбиту, откуда зонд должен был направиться к Венере и врезаться в ее поверхность. Однако двигатели зонда не сработали, и 26 февраля он вместе с платформой сгорел в земной атмосфере. А 12 февраля из Тюратама запустили автоматическую станцию «Венера-1». По всей вероятности, в мае 1962 года она прошла в сотне тысяч километров от планеты-цели и превратилась в рукотворный спутник Солнца. Однако связь с ней пропала через неделю после запуска, когда станция отдалилась от Земли на 1,5 млн километров. Летом 1962 года последовало еще два неудачных запуска, американский и советский. Пятым по счету аппаратом стал американский Mariner 2, тот самый, который похоронил гипотезу о венерианских морях.

В начале 1960-х всеми космическими программами, в том числе и лунно-планетными исследованиями, занимались в ОКБ-1 под руководством Сергея Павловича Королева. Но первые запуски автоматических межпланетных станций не увенчались успехом: опыта в конструировании космических аппаратов было слишком мало. В 1965 году были запущены «Венера-2», пролетный аппарат, и «Венера-3», атмосферный зонд, который должен был «воткнуться» в поверхность планеты. Аппараты летели в сторону Солнца, интенсивность солнечного облучения росла по мере приближения к цели, и за время полета электроника вышла из строя. Аппараты достигли Венеры, но никаких данных не передали. Тем не менее сам по себе этот факт был очень значимым — надо было предельно точно рассчитать траекторию, чтобы аппарат произвел рандеву с планетой.

В 1965 году было принято решение разделить космические программы по направлениям. Королев продолжил заниматься пилотируемыми программами — орбитальной и лунной, а беспилотная лунно-планетная тематика по инициативе Келдыша и Королева была передана ОКБ им. С.А. Лавочкина, которое в то время возглавлял Георгий Николаевич Бабакин. Вся техническая документация, переданная из ОКБ-1, подверглась строжайшей ревизии, были найдены недочеты, целый ряд систем был переработан. Результаты не заставили себя ждать — первый же запуск в рамках лунной программы Е6, произведенный в середине 1966 года, привел к успеху «Луны-9», с мягкой посадкой, с раскрытыми лепестками, с очень оригинальной идеей сместить центр тяжести для большей устойчивости (аппарат называли «Ванька-встанька»). Были получены первые панорамы Луны, изучены механические свойства грунта, затем запущен первый искусственный спутник Луны — «Луна-10», а за ним последовала целая серия успешных запусков.

Однако ученым была интересна не только Луна, но и Венера. Но тут возникла проблема. Если о температуре можно было сделать хоть какие-то предположения по ранее полученным данным, то о давлении никаких выводов сделать было нельзя. Диапазон возможных значений давления по различным оценкам колебался от 0,5 атм до нескольких сотен, глубина атмосферы была неизвестна. Бабакин долго обсуждал этот вопрос с Келдышем и руководством Института космических исследований (ИКИ). В конце концов Бабакин принял волевое конструкторское решение: «Будем рассчитывать спускаемый аппарат на 15 атм!» 18 октября 1967 года спускаемый аппарат станции «Венера-4» начал парашютный спуск. Сразу после раскрытия антенны радиовысотомер выдал отметку 26 км (потом оказалось, что реальная высота в этот момент составляла около 60 км). Во время парашютного спуска аппарат производил измерения давления и температуры атмосферы, а также анализировал ее состав. При достижении давления 18 атм и температуры 260 °C аппарат был раздавлен, что было ошибочно интерпретировано как момент посадки (реальная высота составляла порядка 28 км). Ошибка радиовысотомера быстро выяснилась, было очень досадно, но эта миссия дала возможность оценить температуру и давление на поверхности — около 100 атм и 450 °C. Был уточнен и химический состав атмосферы.

Атмосферные зонды «Венера-5» и «Венера-6», рассчитанные на давление в 25 атм, в 1969 году подтвердили и уточнили данные о составе и параметрах венерианской атмосферы. На основе этих данных была сконструирована следующая станция — «Венера-7». Несмотря на то что при посадке отказал телеметрический коммутатор, а парашютная система сработала в нештатном режиме, аппарат впервые совершил мягкую посадку на ночную сторону планеты и впервые передал точные данные о давлении и температуре на поверхности. А в 1972 году, уже после смерти Бабакина, была запущена «Венера-8». Все системы работали абсолютно безукоризненно. Аппарат совершил мягкую посадку на поверхность планеты, причем впервые на дневной стороне, вблизи терминатора. Впервые стали известны данные по характеру поверхностных пород, и это было очень крупное достижение. «Венера-8» также впервые измерила освещенность: оказалось, что даже на дневной стороне планеты царят сумерки из-за рассеяния солнечного света в облаках и плотной атмосферы.

В 1975 году стартовали два аппарата следующего поколения — «Венера-9» и «Венера-10». Каждая станция состояла из орбитального модуля и спускаемого аппарата, которые несли расширенный по сравнению с предыдущими миссиями комплекс научных приборов. Орбитальные модули стали первыми искусственными спутниками Венеры, а спускаемые аппараты совершили мягкую посадку и впервые передали панорамы поверхности планеты, что, наряду с измерением содержания естественных радиоактивных элементов, позволило сделать вывод о типе поверхностных пород и получить некоторые представления об эволюции планеты. Были также проведены исследования облачного слоя (аппарат спускался сквозь этот слой на парашютах, которые затем отцеплялись для ускорения спуска и уменьшения нагрева аппарата) и спектры поглощения атмосферы. Выяснилось, что до поверхности в основном доходят красный и оранжевый диапазоны, так что венерианский день представляет собой на самом деле оранжевые сумерки.

В 1978 году на планету совершили посадку спускаемые аппараты «Венера-11» и «Венера-12», изучившие в том числе и электрическую активность атмосферы, а в 1982-м «Венера-13» и «Венера-14» передали первые цветные снимки поверхности планеты. Были также впервые получены данные об элементном составе поверхностных пород, что потребовало исключительно сложного эксперимента — нужно было понизить давление и температуру и только после этого подать грунт на измерительную полку (для этого аппараты были оснащены специальным шлюзом). Спускаемый аппарат «Венера-13» проработал на поверхности 127 минут, хотя был рассчитан только на 32. И это в условиях температур свыше 450 °C и давлений порядка 90 атм! В том же 1978 году были запущены две американские станции — орбитальная Pioneer Venus, начавшая радиолокационное картографирование планеты, и Pioneer Venus Multiprobe, которая «отстрелила» четыре атмосферных зонда для анализа состава и параметров атмосферы.

«Венера-15» и «Венера-16» в 1983 году с помощью радиолокации картографировали с орбиты северное полушарие планеты, что позволило оценить структуру (морфологию) поверхности. Позднее американский спутник Magellan, запущенный в 1989 году, в течение нескольких лет провел глобальное картографирование планеты. И наконец, советскую венерианскую космическую программу в 1985 году завершили два посадочных космических аппарата «Вега-1» и «Вега-2» с аналогичной научной нагрузкой. С них также были запущены аэростаты с научными приборами, дрейфовавшие в атмосфере Венеры на высоте 50−60 км.

Венера стала настоящей гордостью советской планетной программы. Большинство данных об этой планете получены именно с помощью советских межпланетных станций, причем эти данные уникальны. Конструкторы очень серьезно подошли к разработке посадочных модулей, которые были способны продолжать работу в столь экстремальных условиях на протяжении времени, необходимого для выполнения научной задачи.

Всего в течение 45 лет — с 1961 по 2005 год — было предпринято 37 попыток отправить космические аппараты к Венере. 19 из них оказались удачными, 18 — неудачными. Еще шесть автоматических станций — американские Mariner 10, Galileo, Cassini и Messenger — по одному или паре раз прошли мимо Венеры по дороге к своим целям (соответственно, к Меркурию, Юпитеру, Сатурну и опять к Меркурию) и передали на Землю немало ценных сведений.

Последний по счету, 670-килограммовый европейский корабль Venus Express, 9 ноября 2005 года был выведен в космос российским ракетным комплексом «Союз-Фрегат» с космодрома в Тюратаме. После 153 дней пути он приблизился к Венере и 6 мая 2006 года вышел на стабильную полярную орбиту с минимальным удалением от планеты в 250 км и максимумом в 66 000 км. Оттуда он изучал Венеру и ее атмосферу с помощью своих инструментов (в основном это различные спектрометры). «К сожалению, один из инструментов, планетный Фурье-спектрометр, отказал, — рассказывает Людмила Засова, заведующий лабораторией планетной спектроскопии Отдела физики планет и малых тел Солнечной системы ИКИ РАН. — Но его задачи частично перекрывает картирующий спектрометр VIRTIS, а с помощью других приборов Venus Express получил множество чрезвычайно интересных данных об атмосфере планеты. Некоторые вещи были для нас настоящей неожиданностью — например, присутствие ионов гидроксила. Но и загадок еще немало».

Восемьдесят процентов венерианской поверхности составляют плоские и холмистые равнины вулканического происхождения. Большая часть остатка приходится на четыре исполинских горных массива — Земля Афродиты, Земля Иштар и уже упомившиеся области Альфа и Бета. Основной материал поверхности — базальтовая лава. Там обнаружено порядка тысячи ударных кратеров диаметром от трех до трехсот километров. Отсутствие кратеров меньшего размера легко объясняется тем, что метеориты, способные их оставить, теряют скорость в атмосфере или просто сгорают. Венера изобилует вулканами, но пока неизвестно, прекратилась ли там активная вулканическая деятельность, а это принципиально для понимания эволюции планеты. Кроме того, несмотря на данные спутника Magellan, ученые пока еще плохо представляют себе геологию Венеры. А геология — это ключ к пониманию внутреннего строения и эволюционных процессов.

Твердое у Венеры ядро или жидкое — пока точно не известно. Во всяком случае, в нем нет круговых потоков электропроводящего вещества, поскольку в противном случае у планеты имелось бы стабильное магнитное поле земного типа. «Магнитная пассивность Венеры пока не нашла общепринятой интерпретации, — объяснил "TechInsider" директор отдела земного магнетизма вашингтонского Института Карнеги Шон Соломон. — Наличие магнитного поля у Земли скорее всего объясняется постепенным отвердеванием пока еще жидкого внешнего ядра нашей планеты. Этот процесс высвобождает тепловую энергию, обеспечивающую конвективные движения ядерного вещества, которые и делают возможным возникновение магнитного поля. Очевидно, что на Венере этого не происходит. Почему — пока не ясно.

Согласно самой правдоподобной гипотезе, венерианское ядро еще не начало отвердевать и поэтому там не рождаются конвективные струи, закручивающиеся благодаря вращению планеты и генерирующие магнитное поле. В противном случае такое поле все-таки должно было возникнуть, хотя по величине оно сильно уступало бы земному, поскольку Венера намного медленней вращается вокруг своей оси. Теоретически можно допустить, что венерианское ядро уже успело охладиться ниже точки кристаллизации его вещества. Такое возможно, но маловероятно. Для этого пришлось бы допустить, что ядро Венеры состоит из почти чистого железа и практически лишено легких примесей, снижающих температуру фазового перехода. Трудно понять, как Венера могла бы обзавестись таким ядром в процессе ее формирования. Поэтому первая гипотеза выглядит предпочтительней».

Почему же Венера столь горяча? Основной моделью разогрева поверхности Венеры считается парниковый эффект. Расчеты показывают, что при перемещении Земли на 10 млн километров ближе к Солнцу парниковый эффект выходит из-под контроля и начинается необратимый разогрев. Это очень зыбкое равновесие, и поэтому специалисты по климату проявляют беспокойство. Пока никто не знает пределов компенсаторных процессов, за которыми начинается действие положительной обратной связи. Существуют модели, в которых на протяжении первых десятков миллионов лет после своего формирования Венера была другой — на ней были океаны, почти такие же, как на Земле. В частности, это подтверждается тем, что атмосфера Венеры обогащена дейтерием. «Более точные измерения изотопного состава атмосферы позволят сделать предположения о том, почему Венера пошла по другому пути, чем Земля и Марс, — говорит Людмила Засова. — Возможно, это удастся выяснить российской миссии ‘Венера-Д', которую планируется запустить после 2025 года». Межпланетная станция будет состоять из орбитального модуля, долгоживущего спускаемого аппарата и атмосферных аэростатных зондов.

Ученые возлагают на следующие полеты к Венере большие надежды. Пока же эта планета ставит гораздо больше вопросов, чем дает ответов.