...Жить просто — нельзя)
^Кить надо с увлечением!
С. 77.
КОРОЛЕВ
Сумма технологий
и космические исследования
Первые годы космической эры стали грандиозной, по существу, фантастической эпопеей человеческого дерзновения,
небывалой по размаху и неповторимой по своим научно-техническим результатам...
Первый искусственный спутник Земли, полет к Луне и передача на Землю фотографий ее невидимой стороны, мягкая
посадка на поверхность Луны, спутники Луны, полеты к Марсу и Венере, плавный спуск в атмосфере Венеры автоматических аппаратов и посадка на поверхность планеты, полет
человека в космос, выход его в открытое космическое пространство, автоматическая стыковка космических кораблей и
их совместный полет вокруг Земли, облет автоматическими
аппаратами Луны и их возвращение при входе в атмосферу
Земли со Еггорой космической скоростью, создание пилотируемой космической станции, облет Луны человеком, высадка человека Земли на поверхность Луны, доставка лунного
грунта с Луны на Землю автоматическими средствами, создание «на Луне первого транспортного корабля-лунохода.
Ни одна эпоха не знала такого величественного взлета
науки и техники! Можно с уверенностью сказать, что жизнь,
возникшая на Земле, -неистребимой силой своего развития
сделала нашу планету не только колыбелью Разума, но, преодолев земные масштабы, в ближайшие десятилетия распространится на другие планеты и (это не фантастическая мечта) сделает их подлинными континентами человеческой деятельности. Каждый этан развития человечества — это определенная сумма технологий, но в целом — бесконечный ряд
развития: от первобытного топора до...* преобразования Солнечной системы, открытия новых солнечных систем, управления термоядерной энергией Солнц, создания планетарных
континентов.
Когда впервые на земной космодром была доставлена
первая космическая ракета, когда был дан ее первый старт,
и в космосе появился первый искусственный спутник Земли,— с этого момента люди, создавшие ракету и спутник, уже
не принадлежали только Земле — их Разум ворвался в просторы Вселенной, с этого момента началась новая история
3
Солнечной системы, -новый этап ее развития* но уже с участием человека, рожденного на Земле. Во взаимосвязь Земли
с остальными телами Солнечной сисгемы, которая управлялась до" этого только собственными законами движения, вошел новый могучий фактор — человеческий Разум со всей
суммой технологий, накопленной до этого предшествующей
историей человеческого развития. С этого момента изменилась масштабность Земли, изменилось взаимоотношение человека и Вселенной. В этом, по существу, — величайшее значение запуска первого искусственного спутника
Земли.
Иолеты в космос — неистребимая мечта человека. Проходили века мучительных раздумий об окружающем мире и
Вселенной. Без телескопов и какой-либо техники, еще не зная
законов движения и излучения, только на основе визуальных
наблюдений планет и звезд великие пионеры науки о Вселенной закладывали основы материалистического миропонимания. И нередко могучий свет истины вспыхивал вместе со
страшными кострами инквизиции, на которых сжигались следопыты человечества. На пути развития науки стояли мрачные силы средневековья, поставившие себе на службу авторитет Птолемея и Аристотеля. И только гений Коперника и
Галилея положил начало подлинному изучению космоса.
Исследования движения планет привели сначала к открытию описательных законов Кеплера, а затем к знаменитому закону тяготения Ньютона. В борьбе с природой человек стал находить все новые источники энергии. Мускульная
сила уступила место энергии пара, электричества, а в наши
дни—гигантской энергии расщепленного атома. Величественные перспективы открывались перед человечеством. Человек
смело шел в неизведомое, открывая на Земле новые материки, моря, океаны, а в небе — новые планеты, созвездия, туманности, проникал все глубже в тайны мироздания. И or
1наивны$ мечтаний, окутанных преданиями, человек, вооруженный могучими знаниями законов природы, пришел к осознанию возможности полетов в космос.
Перед учеными и инженерами встала задача изыскания
путей осуществления этой дерзновенной мечты человечества,
'Мы теперь знаем, почему так упорно, несмотря на трудности и даже жертвы, человек стремился к проникновению в
космос, поняли какую роль играет изучение космического
•пространства в развитии науки, какие практические возможности открываются перед человечеством в использовании
космоса.
Наши земные представления часто оказываются совер*
шенно недостаточными для правильного понимания окружающего нар мира, В космосе протекают процессы, огромные
4
по своим масштабам н временя, начиная от термоядерных
реакций, создающих энергию звезда до рождения новых миров. Открытие радиогалактик, квазаров и пульсаров, энергия которых выделяется в виде электромагнитного излучения, потоков релятивистских частиц, магнитных полей большой напряженности — все это говорит о том, что во Вселенной происходят какие-то совершенно новые превращения материи и энергии. Можно с уверенностью сказать, что изучение состояния материи в новых физических условиях, проявляющихся, например, при взрывах сверхновых звезд и других образованиях Вселенной, окажет огромное влияние на
развитие науки и техники. В космосе физики находят все новые и новые лаборатории природы, где можно наблюдать
процессы, еще не воспроизводимые на Земле. В недрах некоторых звезд вещество имеет плотность в миллион раз большую, чём самое плотное из встречающихся на Земле, а з
межпланетном пространстве плотность газа в миллиард раз
меньше, чем в условиях самого лучшего лабораторного вакуума. Только в глубинах космоса способны рождаться частицы, обладающие энергией, в сотни миллионов раз превышающей ту, которукх можно получить на современном ускорителе.
В космосе с особой силой проявляются сложные взаимодействия частиц материи с магнитными полями, что послужило основанием для развития новой области физики — космической магнитогидродинамики. Совместные движения материи и магнитного поля, движение в пространстве сгустков
заряженных частиц, неразрывно связанных с магнитными
полями, как бы «вмороженных» в сгусток, особые магнито*
гидродинамические волны — все эти явления дают богатый
материал для понимания физики космоса и открывают широкие перспективы использования их при создании новых
источников энергии — плазменных двигателей, с помощью которых возможно дальнейшее проникновение в глубины Вселенной.
Более полувека физики изучают космичес?кие лучи, представляющие собой поток различных частиц, высоких и сверхвысоких энергий. Они несут огромную информацию о микромире и макромире. Действительно, давление и плотность
анергии космических лучей (их энергия в единице объема)
.в нашей звездной системе сравнимы с давлением и плогностыб энергии магнитных полей и с плотностью кинетической энергии движущегося межзвездного газа. Поэтому космические лучи играют важную роль в изучении эволюции нашей Галактики. В радиогалактиках давление космических
лучей больше д а р е н и я й плотности энергии магнитного поля, вследствие чего на определенном этапе происходят как
ft* взрывы в радногалактиках с огромным выбросом газа
ft
в космических лучей. Все это явления огромных масштабов
и колоссальной энергии. Вместе с тем космические лучи —
типичный объект микромира, так как они состоят из элементарных частиц (протонов, электронов, у - к в а н т о в Ь и з я Я е Р
различных химических элементов, ускоренных до очень больших энергий. Физика высоких энергий, или, как ее называют, физика элементарных частиц, обязана своим рождением
именно космическим лучам.
Характер взаимодействия частиц при сверхвысоких энергиях имеет фундаментальное значение в проблеме изучения
истории Вселенной в связи с открытием в центрах галактик
материи, концентрирующей в себе огромный запас энергии.
Наличие двух аспектов в проблеме космических лучей привело к появлению двух направлений в физике космических
лучей — ядернофизического и космофизического. Однако несмотря на то, что ученым уже сравнительно давно стала ясна роль космических лучей в изучении глубинных явлений
природы, до самого последнего времени не удавалось полностью использовать всю потенциальную мощь этого средства исследований в различных областях науки. Дело в том,
что проведение соответствующих экспериментов в наземных
условиях требует очень длительных отрезков времени, исчисляемых иногда годами. Это время значительно сокращается,
если эксперименты проводить либо на больших высотах в атмосфере Земли, либо за ее пределами с применением тяжелой научной аппаратуры.
Одна из важнейших проблем изучения космоса — энергетика космических процессов. Следует подчеркнуть, что эта
проблема, помимо своего фундаментального научного значения, имеет огромное практическое значение. Как пишет академик А. Б. Северный, «...современная космическая физика
ставит задачу раскрыть сущность процессов, которые приводят к сверхмощному выделению энергии в космических объектах, таких, как Солнце, звезды, ядра гигантских звездных
систем — галактик...
Долгое время загадки энергетики космоса не удавалось
решить, пока не было выдвинуто предположение, что в основе энерговыделения звезд лежат термоядерные реакции, которые неизбежно должны возникнуть в раскаленной, в основном водородной, массе звезды и поддерживать ее нагрев на
постоянном уровне. Так почти четверть века назад развилось
представление о звездах как о гигантских самоподдерживающихся термоядерных реакторах. Раскрытие одной из тайн
космоса положило основу для современных работ физиков
над управляемыми термоядерными реакциями...»
Недавно астрономы открыли в отдаленных районах Вселенной ряд одиночных, по светящихся с фантастической ярй
костью «маяков». Онл назвали эти образования квазизвездами, или квазарами. Квазары свидетельствуют о возможном
наличии в мире новой силы, настолько огромной, что ее трудно представить. О природа квазаров высказываются различные точки зрения. Несомненно одно, что это чудо космоса
(«ужасный икс» — как говорят о нем физики и астрономы)
сыграет революционную роль в понимании многих процессов,
происходящих во Вселенной, и подобно открытию термоядерных реакций, окажет существенное влияние на развитие современной физики и технический прогресс.человеческого об*
щества.
Огромное научное и практическое значение имеет изучение планет и ближайшего к нам небесного тела — Луны. Раскрытие общих закономерностей в эволюции планет Солнечной системы, их образовании, изучение поверхности и атмосфер планет позволит глубже понять природу Земли с
це^ъю улучшения жизна людей.
В вопросе о происхождении планет существует много неясных вопросов. Вместе с тем только развитие космической
техники позволит накопить необходимый экспериментальный
материал для создания правильной количественной теории
образования Солнечной системы.
Проблему исследований Луны можно разбить в основном
на три категории:
а) структура лунных недр и процессы, протекающие в
лунных «недрах;
б) 'строение, состав поверхности Луны и их преобразование;
в) история и эволюция, в результате которых формирб*
валась современная поверхность Лу«ы.
Перечисленные категории относятся ко всем объектам
Солнечной системы планетных щ субпланетных размеров. Чт0
касается. Луны, особый интерес представляют процессы, относящиеся не только к ее поверхности, но являющиеся общими для Солнечной системы. В первую очередь это относится к проблеме взаимодействия солнечного ветра с плане*
тами и телами Солнечной системы,
В этой связи чрезвычайно важно выделить четыре : основ*
ные проблемы:
- а) взаимодействие солнечной плазмы с планетами, имею*
щими магнитное поле и атмосферу (Земля, Юпитер);
б) взаимодействие солнечной плазмы с планетами, име*
ющими- атмоеферу, но . при отсутствии магнитного поля (Be*
нера, Марс);
в), взаимодействие солнечной плазмы с небесными тела*
' м и , не «имеющими ни атмосферы, т магнитного Щ)ля (Луна
« Другие спутники планет);
г
. г) взаимодействие солнечной плазмы с хвостами комет.
Исследование этих эффектов важно для изучения как самих небесных тел, так и их ближайших окрестностей.
Изучение Луны имеет особое значение еще и потому, что
древние горные породы и отложения на ее поверхности могут служить основой для хронологии событий, относящихся
к образованию или аккреции планет Земной группы (Земля,
Марс, Венера).
Основной целью исследования Луны является изучение
Прошлого нашей планеты и Солнечной системы. Главным моментом во временной перспективе является обнаружение
стратиграфической последовательности, порядка, в котором
накладывались отложения прошлого. Трудность наземной регистрации обусловлена тем, что в результате активного горообразования, эрозии и воздействия осадочных пород какие-либо остатки раннего периода образования Земли оказались разрушенными. В настоящее время нам не известно
почти ничего конкретного о первом миллиарде лет истории
Земли.
Луна представляет собой интерес для исследования истории Солнечной системы по двум причинам. Во-первых, поверхность Луны может быть одним из нескольких мест, где
сохранились и поддаются расшифровке наиболее ранние
стратиграфические свидетельства. Во-вторых, вследствие близости Луны к Земле возможно гораздо более детальное изучение геологии Луны при затрате одинаковых усилий, чем
Изучение геологии другой ближайшей планеты земной группы. События, зарегистрированные на Луне, видимо, имеют
большую степень корреляции с земными, чем события истории на других планетах. С этой точки зрения история Луны/
-по-видимому, должна напоминать историю Земли. Изучение
происхождения Луны позволит выяснить окончательно вопрос об общности эволюционной истории Земли и Луны. Поскольку геологические процессы, изменяющие поверхность
!
Луны, Действуют, вероятно, гораздо медленнее, чем геологические процессы на Земле, часть лунной стратиграфической
Э В О Л Ю Ц И И отражает раннюю
историю Солнечной системы,
которая никогда не может быть обнаружена на Земле. Временные изменения, сохраненные в лунных слоях, относятся,
к ряду процессов Солнечной системы.
Решение проблемы происхождения планетных тел будет
значительно облегчено изучением изначальной или очень
древней поверхности- одного из тел Солнечной системы, химического и изотопного состава или даже интенсивности ста-,
рых магнитных полей в Солнечной системе посредством лэлеомагнитных измерений на древних магматических породах.
Многие основные рроблем^, Земли могут быть решены
8
сравнением Земли с Луной. Д о настоящего времени нет полной ясности в химической эволюции коры Земли, усложненной в результате преобразования поверхностными водами.
Луна может служить в этом отношении примером незавершенной эволюции. Возможно Луна представляет наилучшее
место для того, чтобы посмотреть, как выглядит ранняя k j pa. Процессы горообразования на Земле поняты лишь частично, поскольку тектонически активные области покрыты
океанами или толстыми осадочными породами.
Применительно к Луне тектоническая деформация поверх-,
ности может быть изучена без маскировочного эффекта, эрозии, образования осадочных пород или океанов. Аналогич*
ным образом вулканические продукты, загрязненные на Земле прохождением через химически преобразованные поверх-,
ностные отложения, на Луне должны быть свободными от таких эффектов. Луна является вторым после Земли относительно крупным телом -Солнечной системы, которое может
быть изучено непосредственно человеком. Кроме удовлетворения естественного интереса к составу и истории Луны, ее
изучение дает возможность понять основные проблемы мор-,
фологии Земли и планет Солнечной системы. Изучение фигуры Луны, распределения вещества внутри нее, теплового пэ*.
тока из недр Луны и магнитного поля расширит наши знания о составе и истории системы Земля—Луна.
>
Если Луна, как ближайшее к Земле небесное тело, пред-:
ставляет исключительный интерес с точки зрения истории и
эволюции Солнечной системы, изучения ранней стадии ее
формирования, состава и геологического строения, то планеты Солнечной системы наряду с уже рассмотренными вопро?
сами имеют важнейшее значение с точки зрения изучения
формирования гидросферы и атмосферы, условия возникновения мощнейшего геологического фактора — жизненных про*
цессов.
В этом отношении Марс является наиболее удивительной
планетой, давно волнующей человеческое воображение возможностью существования там жизни, может быть в самом
неожиданном виде. И если действительно там будут открыты
живые организмы, то без Преувеличения можно сказать, ч т
их изучение станет проблемой века! Открытие «новой /точки
'жизни послужит первой биологической связью Земли с другими планетами, человек Земли сможет оказать существенное влияние на дальнейшее развитие внеземной жизни и на
формы ее существование. Однако научная сложность реше 1, где а л —проводимость
с1
'Луны.
Механизм образования ударной волны связан с тем, что
силовые линии не могут проникнуть внутрь небесного тела и
-у поверхности образуется наведенное магнитное поле, кото,рое не позволяет рекомбинироваться частицам солнеч-ного
ветра на лунной поверхности. Если подставить необходимые
числовые значения, мы получим для аА значение, при котором возможно
образование ударной волны:
10 _ в
(ОМ'СМ)-1.
Во втором случае плазма солнечного ветра поглощается
поверхностью тела, а силовые линии магнитного поля плазмы проходят в глубь тела, з а д е р ж и в а я ^ на проводящем ядр е и образуя наведенную магнитосферу внутри слоя со слабой проводимостью. В связи с этим необходимо было решить
вопрос о реальном существовании ударной волны у Луны,
{14
В концё\марта 1966 г. был запущен первый искусственный спутник \ Л у н ы — космическая станция «Луна-10». Разрешающая способность трехкомпонентного
магнитометра»
установленного на станции, составляла ~ 1 у по каждой компоненте. Результаты измерений показали (как в случае, когда Луна находилась внутри магнитного шлейфа Земли, так
и вне его), что Луйл не имеет собственного поля дипольной
природы, а также, что измеренное поле имеет регулярный
характер. Величина п ^ л я ~ 10—15 у достигалась только для
поперечной составляющей магнитного поля — В ± (Долгиноа
и др.).
В 1967 г. на орбиту вокруг Луны был выведен американский спутник «Зксплорер-35». В это же время в межпланетном пространстве работали ранее запущенные американские
космические аппараты — «Эксплорер-33» и «Эксплорер : 34».
Одновременные измерения на трех космических аппаратах
подтвердили результат «Луны-2» и «Луны-10»> что ударная
волна у Луны не образуется, плазма солнечного ветра поглощается поверхностью Луны, а магнитные силовые линии
свободно проходят через тело Луны. При этом было показано, что фронты флуктуации магнитного поля при прохождении существенно не искажаются. При этих условиях удалось показать, что средняя проводимость Луны а с р ~ Ш ~ 8 - ^
-М0~7 (ом* см)-К
" 1
Экспериментальное исследование магнетизма планеты Венеры началось в декабре 1962 г., когда космический аппарат
«Маринер-2» прошел на расстоянии 41 ООО км от ..центра ренеры. Измерения на «Маринер-2» не обнаружили существенных изменений магнитного поля, которые можно было бы
связать с присутствием планеты.
В июне—октябре 1967 г. был осуществлен выдающийся
полет к планете Венера космической станции «Венера-4**
Магнитные измерения на станции «Венера-4» проводились
вплоть до расстояний 200 км от поверхности планету. Диапазон измерений поля магнетометра составлял + 5 6 V
трем компонентам и чувствительностью ~ 1,6 у. Станция
«Венера-4» приблизилась к планете с ночной сторону„ близко от линии терминатора (граница день—ночь) и экватора.
С расстояний ~ 38 ООО до 6300 км до центра Венеры данные
об измерении магнитного поля поступали каждые 7 сек.
.Характер изменения магнитного поля ма припланетном
участке можно представить следующим образом: на расстоянии ~ 38000 км (момент начала измерения) поле составл я е т е 18 Y» что существенно превышает значение межпланетного поля в магнитоепокойные дни. На расстоянии
28000 км от центра Венеры напряженность магнитного поля
ynajja до ~ 14 у. Характер поля на нрипланетном участке
38000—28000 км был регулярным, само поле мало менялось
по направлению. На участке полета между 28 000 и 6300 км
характер поля резко изменился: было отмечено два максимума в напряженности поля — 32у на расстоянии 23000 км
и ~ 30 у на расстоянии — 15 000 км, поле Сильно турбулизировано. На конечном участке измерения,/т. е. на расстоянии 6300 км, значение поля оказалось равным ~ 18у — таким же, как и на расстоянии 38 000 км. /
Существенной особенностью появления максимумов напряженности магнитного поля является то, что они совпали
с резким увеличением концентрации плазмы. Анализ магнитных измерений на припланетном участке полета космической станции «Венера-4» позволил установить:
1. Планета Венера н,е обладает собственным дипольным
магнитным полем. Отношение дипольного момента Земли к
дипольному моменту Векеры равно М 3 ~ 1 0 4 М в .
2. При взаимодействии солнечной плазмы с планетой Венера возникает «ударная» волна, т. е. планета оказывает возмущающее действие в межпланетной среде.
Механизм образования ударной волны у планеты Венер!
при обтекании тела планеты плазмой солнечного ветра может быть связан с двумя физическими особенностями (при
отсутствии у планеты собственного магнитного поля):
внутри Венеры имеется ядро с высокой проводимостью.
В этом случае, как показали приближенные расчеты (К. И.
Грингауз и др.), для образования ударной волны вблизи лобовой точки достаточно, чтобы толщина проврдящей оболочки была бы в 10 раз меньшей проводящей оболочки Земли;
. Венера обладает ионосферой с высокой проводимостью.
• Как показали американские измерения на дневной стороне Венеры на высоте ~ 140 км обнаружен главный максимум электронной концентрации с
(5-^-6) • 105 см~3. Поэтому второе предположение является вполне достаточным для
образования ударной волны.
Расчеты положения фронта ударной волны в газодинамическом приближении после полетов космических станций
«Венера-6» и «Маринер-5» проводились для различных чиатуру' ria 'разяйчйых уро&йях. При принимаемом в настоящее времй радиусе Венеры г ё =6050 ю и , noctfeftWire данные
измерений на «Маринер-5» относятся к высоте 38 км йад по^
верхностью планеты.
После того как были сопоставлены полученные результаты со значением о радиусе поверхности Венеры (данные
«Маринер-5» были строго привязаны к гравитационному
центру планеты), стало ясно, что последние измерения со
станции «Венера-4» относятся не к поверхности планеты, а
к высоте 25—30 км «ад ее поверхностью, что, по-виднмоМу,
являлось следствием ложной отметки высотомером высоты
28 км на высотах 50—60 км.
Верхнюю часть полученного профиля рефракции можно
связать с электронной концентрацией по формуле:
*
л=—40,3* 106
г
где f — радиочастота, гц.
Таким образом удалось построить распределение электронной концентрации в дневной ионосфере Венеры.
На автоматических станциях «Венера-4, 5, 6» проводилось измерение воды в атмосфере Венеры, которое оказалось
равным: 6—11 мг/л (при давлении 2—0,6 ат). Расчет толщины облачного слоя показывает, что он составляет около
15 км. До высоты над уровнем конденсации ~ 7 км облака^
ио-видимому, состоят из капелек воды, выше — из кристаллов льда. Максимум водности облаков с о с т а в л я е т ~ 2,4 г/мг
лри температуре от —5 до —25° С и располагается на 5—
.10 км выше уровня конденсации. Верхняя граница облаков
размыта. (А. П. Виноградов и др.).
Первые прямые данные об атмосфере Марса были получены в 1965 г., когда космический корабль «Маринер-4» пролетел мимо планеты. В качестве метода измерения использовалось радиозатмение космического корабля диском Марса на частоте — 2100 Мгц. Затмение «Маринера-4» продолжалось около часа. На Земле во время завода и восхода
точно регистрировались изменения фазы радиосигнала, проходящего через атмосферу Марса. Измерения во время захода и восхода значительно отличались между собой.
В концё июля — начале августа 1969 г., как мы уже упоминали, совершили пролет мимо Марса космические аппараты «Мари'нер-6» и «Маринер-7». Космические аппараты про»летели мимо Марса на высоте 3425 км. Наблюдения проводились как на дневной, так на ночной сторонах планеты, при
этом проводились широкие спектроскопические и радиоизмерения. Спектроскопические измерения верхних слоев атмосферы Марса в ультрафиолетовом диапазоне дозволили обна£6
ружить углекислый газ, окись углерода, небольшие колите!*'
ства кислорода и водорода. Эти обстоятельства свидетельствуют в пользу гипотезы об отсутствии жизни на Марсе*
Температура экзосферы планеты оказалась порядка 400—
500° К.
На «Маринер-7» в ультрафиолетовом диапазоне обнаружено резкое увеличение яркости полярной шапки. Этот факт,
имеет большое значение, так как он говорит о том, что ультрафиолетовая радиация, по-видимому, проникает до поверхности Марса и что отсутствует среда (пыль, облака), которые могли бы поглощать радиацию.
Спектрометрические измерения в ИК-Диапазоне также показали наличие в атмосфере Марса углекислого газа, который, по-видимому,, является главной газовой компонентой.
Кроме того, обнаружены спектры твердой углекислоты к
водяного пара, коюрый проявляет себя в виде ледяного ту, мана.
Измерения температуры поверхности Марса в ИК-Диаплзоне показали, что на экваторе днем она можег достигать
значения 24° С. Поверхностная температура от дня к ночя
совершает перепады от 15—20° С в полдень до —100° С
ночью. Минимальная температура Южной полярной шапкн
~ . 1 5 0 ° К . Отсюда можно сделать предположение, что марсианские полярные шапки состоят из замерзшей углекислоты,
так как для диапазона давлений: 2-^9,5 мбар температура замерзания СО2 колеблется в пределах 140—150° К.
На космических аппаратах «Маринер-6, 7» также был
применен метод радиозатмения. Прием радиосигналов осуществлялся одновременно на 63-метровые антенны в Австралии и в США (Калифорнии и Западной Виргинии). Эксперимент проводился на длине волны 12,5 см с когерентной
ретрансляцией . сигнала с Земли и относительной стабильностью наземного передатчика 10~12. Результаты измерений
интерпретировались в предположении сферически-симметричной атмосферы планеты. По полученному профилю рефракции для нижней части атмосферы Марса получены данные о
температуре и давлении, считая, что атмосфера целиком состоит из углекислого газа. При этом было определено значение экваториального радиуса Марса г = 3 3 9 3 ± 6 км. ,Пэ
этим данным получено значение атмосферного давления у поверхности Марса в пределах: 3,5-^-9 мбар при среднем значении 6,5 мбар. Температура у поверхности достигает значе/
ния ~ 260° К.. Полученные значения достаточно хорошо со*
гласуются с ранее полученными данными на «Маринер а -4»,.
Я
Ионосфера Венеры и Марса
Изучение ионосферы планет Солнечной системы имеет
принципиальное значение не толЬко для понимания происхождения атмосфер планет в целом, но важно также с точки зрения обеспечения надежной радиосвязи с Космическими
аппаратами, совершающими полеты к планетам/Достижение
планет Марса и Венеры космическими аппаратами «Маринер-4, 5, 6, 7» и «Венера-4, 5, 6» дали огромный материал
для изучения планетных ионосфер и сравнения их с земной ионосферой. При изучении ионосфер планет было использовано два метода: радиозатменный и регистрация ионной
составляющей при помощи плазменных зондов. По данным
радиозатмения космического аппарата «Маринер-4» планетой
получено распределение электронной концентрации в дневной и ночной ионосфере Марса. При этом оказалось:
1. Максимум электронной концентрации в дневной ионосфере Марса на средних широтах находится на высоте
126 км и равен Ne~9l O ^ l O 5 см~3.
2. Шкалу высот электронов над максимумом можно считать прймерно постоянной и равной 20—25 км.
3. Наблюдается небольшой вторичный максимум на высоте около 20—25 км ниже главного максимума.
4. Электронная концентрация в ночной ионосфере Марса
,не превышает 104 см~ъ.
Эти результаты получены одночастотным методом. В этом
случае в силу специфики самих измерений в нижней части
атмосферы не удается однозначно разделить вклады, которые вносятся в величину показателя преломления нейтральными и заряженными частицами. Поэтому профили электронной концентрации ионосферы Марса, полученные в данном
эксперименте, следует рассматривать как усредненную картину. Возможно, что локальные измерения будут отличаться
от построенных профилей. Профили электронной концентраций, построенные по радиоизмерениям «Маринер-6, 7», зафиксировали в марсианской ионосфере максимум электронной концентрации Л ^ ~ 1 , 5 - 1 0 5 см~3 на высоте 130 км, что на
50%' превышает величину максимума, полученную «Маринеpoitf-4». По-видимому, в данном случае сказались разные 1 периоды солнечной активности. Плазменная температура ионосферы на высотах 130—190 км оказалась равной 400-г
^500° К.
Изучение ионосферы Вейёры проводилось на космическом
аппарате «Маринер-5» и автоматических станциях серии «Венер1а»! На Станциях «Венера» изучение иойной составляющей
осуществлялось с помощью плоских и полусферических трех1
электродных ловушек! заряженных частиц. В силу'тогоу что
2*
диапазон измеряемых величин был значительно завышен,,
удалось" получить только верхние пределы ионной 'концентрации в ночной ионосфере Венеры, которая нигде не превышала ~ 5 • 104 см~г. Измерения малых концентраций дали
возможность установить верхний предел ~ 103 см~г .па высотах > 3 0 0 км. Полученные профили электронной концентрации радиозатменным методом выявили следующую структуру ионосферы: на дневной стороне имеется максимум концентрации ~ 5-^6 • 105 см~г на высоте около 140 км, имеется
также дополнительный максимум на .высоте ~ 15 км ниже
главного. Если считать основной газовой составляющей углекислый газ, то шкала высот выше главного максимума составит ~ 13 км, что соответствует Г ~ 3 0 0 ° К , при этом намечается рост шкалы высот с ростом высоты.
Модели атмосфер Венеры и Марса
Д а полетов космических аппаратов к планетам Марса и
Венеры различными авторами были построены модели атмосфер планет, однако все они основывались на чисто гипотетических предположениях о химическом составе атмосфер и их структурных параметрах. Прямые измерения основных компонент атмосферы Марса и Венеры, а также температуры и давления позголили впервые количественно рассчитать ряд новых моделей атмосфер. В настоящее время
во всех моделях как для Марса, так и для Венеры основной
компонентой принимается углекислый газ.
После полета космического корабля «Маринер-4» Чемберлен (Англия) и Клиоре (США) предложили модель верхней атмосферы Марса с областью Е (Е — область ионизации атмосферы солнечными рентгеновскими лучами).
На рис. 1 представлен температурный профиль и профиль
концентрации по Чемберлену. При построении профилен
принято, что диссоциация углекислоты пренебрежимо мала
и происходит полное перемешивание, электронная температура экзосферы Г = 4 1 0 ° К . Согласно модели Чемберлена в области термосферы (область, где температура возрастает с
высотой) отсутствуют области ионизации Fi и F2> что согласуется с предварительным анализом 1 радиозатменных данных
«Маринера-4». (Клиоре и др.).
В модели Джонсона температура у поверхности Марса
принимается ~ 210° К, давление— 8 мбар, главный максимум ионизации аналогичен слою F 2 в ионосфере Земли, основным ионом в максимуме и над ним является 0 + . На рис. 2
представлен профиль температуры согласно модели Джонсона. Температурный профиль ссрответствует трехслойной структуре .модели (тррпосфера, стратосфера, изотермическая тер29
g'
о.
9В
вдосфера). Модель Джонсона подвергалась критике со стороны Чембердена, который указал, что наличие слоя F2, преобладание иона 0+ ц низкая температура изотермической термосферы не могут быть согласованы с данными «МЪрннера-4».
Совершенно иной температурный профиль получен в модели Гросса, Мак-Говерна и Расула (рис. 3), в основу котоА*"
Рис. 3.
Температура Верхней агшпосферы Марса
рой положена температура поверхности— 200°К, давление
у поверхности ~ 8 мбар. В нижней атмосфере имеет место
лучистое равновесие вплоть до высоты 80 км с эффективной
диссоциацией углекислого газа. JJ отличие от модели Джонсона температура экзосферы оказалась равной 550±150°К,
на высоте 80 км имеет место температурный максимум — мезопауза. Чемберлен указал, что если ионизация атомов кислорода происходит радиацией далекого ультрафиалета, то
максимум ионизации
должен располагаться выше 125 км,
что «е согласуется с данными «Маринер-4:».
Мак-Элроем была предложена интересная модель атмосферы Марса, состоящая из чистого углекислого газа и находящаяся в термодинамическом равновесия. Мак-Элрой принял, что давление у поверхности равно ~ 6,3 мбар, температура у поверх«остн~
Учитывалось, это .солнечна»
31
радиация поглощается в ближней инфракрасной и ультра*
фиолетовой областях спектра, перераспределение лр.ддцаддо
происходит за счет молекулярной теплопроводности и лучи*
стого переноса в полосе углекислого газа Х=15 мкм.
Температурный градиент до высоты ~ 50 км менее 1°/кЩ
далее температура растет, на высоте 200 км начинается не*
реход в экзосферу с температурой Г = 487°К. Температурный
профиль и профиль концентрации показаны на рис. 4. Как
отмечает сам Мак-Элрой, его модель не может достаточно
хорошо объяснить экспериментальный максимум ионизации
в атмосфере Марса.
h,KM
ЮО
200
300
Г, *К
Рис. 4.
Советский астрофизик В. И. Мороз построил три модели
атмосферы Марса: минимальную, среднюю и максимальную.За исходные данные для построения моделей были приняты
начальные значения, представленные в табл. 1.
Эти условия выбирались таким образом, чтобы на любом
уровне (по высоте) максимальная и минимальная модели
давали максимум и минимум массовой плотности,
32
Таблица Г
Физические параметры
Давление у поверхности, мб
Химический состав
Эффективная температура
верхности, °К
Средний молекулярный вес
же уровня диссоциации СОг
Средний молекулярный вес
ше уровня диссоциации
Градиент
температуры
уровнем диссоциации [°/км
Максимальная модель
Средняя
модель
Минимальная модель
20
10% с о 2
90% N 2
10
50% С 0 2
25% N 2
25%. Аг
5
100% СО*
270
250
225
29,6
39
44
26
27
22
1
2
0
понивынад
Далее предполагается, что нижняя часть атмосферы полностью перемешана, распределение температуры определяется лучистым переносом в полосах С0 2 , уровень диссоциация
С 0 2 соответствует уровню фотохимического равновесия, который расположен- выше уровня колебательной релаксации
полосы СО2 Л. = 15 мкм. В земной верхней атмосфере температура определяется балансом между потоком ультрафиолетового излучения и-потоком тепла, возникающего за счет поглощенной энергии, которая отводится, вниз через теплопроводность. В тепловом балансе марсианской атмосферы важную роль играет еще один процесс: излучение в молекулярных полосах СОг. В связи с этим принимается, что температура на уровне фотохимического равновесия определяется
условием равенства поглощенной энергии ультрафиолетового
излучения и энергии, излучённой в полосах СО2.
Во всех трех моделях были рассчитаны как функции высоты: температура, давление, численная концентрация, плотность, локальная шкала высот для давления. Профили температуры и плотности, соответствующие трем моделям, представлены на рис. 5.
Конвективные процессы в моделях В. И. Мороза имеют
место в нижнем слое толщиной 5—7 км, где градиент температуры адиабатический. Конвективная зона в нижней атмосфере Марса рассчитывалась Эммануэлем для различных
широт (экватор, 30°, 60°, полюс). Высота конвективной зоны
растет с уменьшением широты, при этом она поднимается
выше 10 км только на экваторе. Для всех широт температура оказывается одинаковой ( ~ 1 6 3 °К) на высоте ~ 60 км.
Все рассмотренные модели не могут пока дать однозначного ответа: какому типу ионосферных слоев D, Е или F ь F 2
(но аналогии с земными) можно отнести ионосферный слой
в атмосфере Марса (рис. 6). Эта трудность связана прежде
33
всего'-t отсутствием данных о нейтральном составе атмосфер
- ры в области ионосферных высот. Поэтому приходится cTp(V
ить модель нейтральной атмосферы при различных предположениях, описывающих полученное распределение электродной концентрации. Если, например, предположить, что в Атмосфере имеет место фотохимическое равновесие, то электронный профиль можно описать моделями типа земных слоев D% Е или Fi. Если, предположить, что в силу сильной раз-
Рис. s.
fiocapege/wuue электронной
г&щен/ирацш(пе)
6 еатосфере
flastca,
Рис, &
реженности атмосферы на ионосферных высотах диффузия
\молекул становится существенным процессом, то выше некоторого уровня атмосферный кислород должен стать основной компонентой, так как он значительно легче, чем СО,
N 2 0 2 И С0 2 . В ЭТОМ случае максимум ионизации в ионосфере
Марса можно считать подобным слою F 2 . Отсюда видно, что
окончательный выбор модели Марса представляет известные
трудности.
Прямые измерения в верхней атмосфере планеты Венера
не обнаружили значительной концентрации атомов кислорода. Это позволяет предположить, что максимум ионизации
подобен образованию земных слоев F! или F 2 с основным
ионом СО 2 мкм, а для кристаллических пород — только при XI мкм. Теплопроводность порошка с q—1,265 г/см*
оказалась равной— 1 , 7 Ы 0 ~ 3 вт/м° К при 205° К; 2,07- 10 s
при 299° К и 2,42 • Ю - 3 при 404° К. Поглощатёлъные /свойства лунных пород исследовались в инфракрасном диапазоне
волн К 2—2000 мкм.
Проведены измерения удельной теплоемкости и- .теплопроводности образцов. Теплоемкость брекчий оказалась равной
0,20±0,02 /сал ••г^;1 • ° К - 1 , а теплопроводность для мелкораздррбленного вещества — 2,5 > Ю-6."'.'кал* см-1 •' R ~ *"• 'сёк-1, у
кристаллических пород и брекчий.— (0,5-Ь2,0) • 1 0 / 3 ; / с а л х |
49
что значительно ниже, чем у аем.нък, пород. При атмосферном давлении и температуре 0° удедьиая
теплопроводность и тепловая инерция у мелкозернистой. пузырчатой кристаллической породы оказались равными соответственно: 3,87 -Ю-* кол/см. сек. град. н 22
см2-секшХ
Хград/кал, брекчии — 1,66* Ю~3 и 40. Удельная теплоемкость
ири температуре от 90 до 350° К для пузырчатой базальтопэдобной породы и мелкораздробленного материала оказались
весьма близкими: от 0,06 кал. • г* 1 *град~х при 7 — 90° К до
0,2 кал • г'1 • гра&~1 при 7 = 3 5 0 ° К. Отсюда для комбинации
параметров у=(кРс)~1Г* где к — теплопроводность, 9 — плотность, с — теплоемкость, получены значения от 34,33 при
7 = 1 0 0 ° К до 19,41 при Г = 3 5 0 ° К для базальтовой породы и
от 1543 до 898 для мелкораэдробленного материала.
Изучение упругих свойств лунных пород очень в а ж н о , с
точки зрения внутреннего строения Луны. Глубинное изучение Лу-ны возможно, например, путем изучения распространения сейсмических колебаний, их скоростей, которые выражаются через коэффициент упругости:
(Ь+2ц.)
X
=
(tap — упругие постоянные). На лунных образцах были измерены скорости продольных (Р) и поперечных
(S) упругих волн при давлениях до 5 кбар. Результаты измерений представлены в табл. 5.
Таблица
Как показали измерения, при давлениях м е н ь щ е Д 2 кбар
очень велик коэффициент: затухания для сейсмических волн
(Q=10).
Поиски органического вещества показали, что. его содержание не превышает, ~ 10-4%-г1О;-.5%. В изученных материалах не обнаружено каквд-лнбо объектов, представляющих
биологический интерес., ., '
,
.
. .
. Сформулируем кратко выводы,: к которьщ пррщмц.аирр^
,10
«канские ученые на основе предварительного анализа лунных
пород, доставленных на Землю экипажем космического корабля «Аполлон-11».
1. По минералогическому составу и структуре лунные
породы делятся на две группы:
а) тонко- и среднезернистые кристаллические породы изверженного происхождения. Изверженные породы являются
базальтами, состоящими из пироксена, плагиоклаза, ильменита, оливина и кристабалита. Кристаллизация этих пород
•происходила в очень сухих сильно восстановительных условиях (Р ~ 10~33 ат). Температурный интервал, кристаллизации 1210—1060°. Кристаллизация изверженных пород происходила от 3-10 9 до 4» 109 лет назад, породы находились на
глубине не более 1 метра от поверхности в период от 20-Ю 6
«до 160 • 106 лет. Кристаллические породы по минеральному к
валовому химическому составу несколько отличаются от любых земных пород и метеоритов.
б) брекчии со сложной историей.
2. На поверхности Луны происходят процессы эрозии.
Скорость поверхностной эрозии камней оценивается в
10~7 см^год. Не обнаружено никаких признаков водной эрозии. Таким образом, потребуются многие миллионы лет, чтобы, например, космический корабль на Луне превратился в
пыль.
3. Отсутствуют вторичные водосодержащие минералы,
т. е. с момента образования пород в месте посадки корабля
«Аполлон-11» воды никогда не было.
4. На лунные породы и тонкий материал имело место воздействие ударного метаморфизма.
5. Почти во всех лунных породах отмечены следы бомбардировки их поверхности небольшими частицами.
6. Тонкий материал и брекчии содержат в достаточном
количестве благородные газы, захваченные из солнечного ветра.
7. Изучение треков ядерных частиц и наведенной радиоактивности образцов показывает, что бомбардировкалунной
поверхности частицами солнечного ветра (а также галактическими космическими лучами) была равномерной без заметных вариаций в течение длительного периода времени.
8. Радиационный возраст пород >- 10 • 106 лет на глубине
нескольких сантиметров и ^ 500 • 10б лет на глубине 1—
2 метра.
9. Все исследованные породы и грунт по своему химическому 'составу очень сходны между собой.
10. По набору элементов лунные породы мало отличаются от земных пород и метеоритов, однако по составу существуют значительные различия: лунные породы обогащены
2*
элементами, образующими тугоплавкие соединения и обедне*
ны щелочами.
11. Концентрации ур^на и тория близки к таковым в земных базальтах. Однако отношение к а л и й / у р а н 2 4 0 0 - 3 2 0 0
необычайно низок для лунных пород по сравнению с хондритами (45 000) и с земными породами (10000). Можно предполагать постоянную величину этого отношения для Луны в
целом.
12. Содержание углерода в образцах (50-^25) 10~6 г/г.
13. Не обнаружено никаких признаков биологического материала в лунных породах,
14. По своим механическим характеристикам лунные породы очень близки к тем, что были получены ранее с помощью автоматических аппаратов.
15. Теплопроводность пылевого слоя оказалась* примерно в 1000 раз меньше, чем коренных пород.
16. Изучены оптические, электромагнитные, теплофизические свойства лунного вещества. Установлена принципиальная возможность образования сейсмического волновода в
верхних слоях Луны.
Какие наиболее существенные открытия и выводы были
сделаны на основе полученных результатов:
1. Открытие эрозийных процессов на Луне.
2. Отсутствие аналогов среди земных пород лунныад по-*
родам по их химическому составу.
3. Установление древнего возраста изверженных лунных
пород, т. е. некоторые лунные породы кристаллизовались
раньше древнейших земных пород.
19 ноября 1969 г. в районе Океана Бурь совершил посадку космический корабль «Аполлон-12» примерно в 120 км
к юго-востоку от кратера
Лалсберг с координатами
23°34'з. д. и 2°45'ю. ш.
' '
Место посадки находится на широком луче кратера Коперник.
Во время пребывания на Луне космонавты собрали 45 кг
образцов лунных пород, которые затем на Земле были подвергнуты физическому, химическому, минералогическому и
биологическому анализу.
Основной вывод, к которому пришли американские ученые, сводится к следующему: свойства лунных пород, доставленные из Моря Спокойствия, в основном совпадают со
свойствами лунных пород, доставленных из Океана Бурь, за
исключением:
1. Кристаллические породы из Океана Бурь характеризуются более широкими вариациями как по структуре, так и
минералогическому составу.
2. Изверженные породы из Океана Бурь, по-видимому^
52
являюгся частями едино» интрузивной серии, либо представ*
ляют рад аналогичных серий,
3, Относительное содержание брекчии в Океане Бурь ниже, чем из Моря Спокойствия., та* же как мощность реголита в Океане Бурь вдвое меньше, чем в Море Спокойствия,
В то же время стратификация реголита из Океана Бурь более сложна.
4.. Углерода содержимся больше в брекчиях и мелкораздробленном материале, чем в кристаллических породах.
5. Количество органического
материала
оч&нь мало
X
1992
»
1992
»
X
—
1989
X
2155
»
—
2076
»
ся все дальше и дальше проникнуть а глубины Вселенной,
ибо, ,как сказал Р. Тагор, «...кажется, будто Истина появляется с ее последним словом: а последнее слово порождает,
новое».
Только,с вершин нрвого человечество видит среди «сесод«
ня» c^o^j,великое «:завтра».
СОДЕРЖАНИЕ
Сумма технологий и космические исследования
