Астрофизики меняют Марс

Астрофизики меняют Марс

После смерти Персиваля Лоуэлла ведущим наблюдателем обсерватории Флагстафф стал Весто Слайфер. Он был поклонником идей своего увлекающегося патрона, верил в искусственное происхождение каналов Марса и с 1905 года по 1964 сделал свыше 100 тысяч фотографий красной планеты, на которых видны тонкие прямые линии. Примечательно, что карта Слайфера, испещренная «каналами» Лоуэлла, была принята за основу американскими Военно-воздушным силами, специалисты которых разрабатывали в конце 1950-х проект космического корабля для полета на Марс.

Но среди других астрономов, изучавших соседнюю планету, все более крепло убеждение, что наблюдаемые каналы имеют скорее естественное, чем искусственное происхождение: например, это могут быть глубокие расселины в коре. В любом случае факт наличия или отсутствия каналов не отвечал на главный вопрос: есть на Марсе жизнь или он бесплоден, как Луна? Чтобы ответить на него, следовало получить достоверные данные об атмосфере Марса и прежде всего установить, имеются ли там кислород и водяные пары. Кроме того, установленная величина высоты атмосферы Марса позволила бы сделать вывод о среднем давлении и температуре у поверхности.

Согласно кинетической теории газов, Марс должен иметь разреженную атмосферу. Из-за того, что его притяжение намного меньше земного, любые газовые молекулы, которые достигают скорости 5 км/с, со временем улетят в космос. Марс, как ожидалось, должен был потерять весь водород, но сохранил более тяжелые газы типа азота, кислорода и водяного пара. Их соотношение предполагалось таким же, как и на Земле: 78 % на азот, 21 % на кислород и 1 % на другие газы, включая аргон и водяной пар.

В течение Великого противостояния 1909 года молодой сотрудник Пулковской обсерватории Гавриил Тихов сделал серию снимков Марса, используя различные светофильтры. В частности, он установил: резкость деталей на диске планеты постепенно снижается к краю, что, по мнению Тихова, свидетельствовало о наличии плотной атмосферы. Действительно, атмосфера планеты независимо от состава должна рассеивать солнечные лучи, а интенсивность рассеянного света изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Поэтому зеленые лучи должны рассеиваться атмосферой сильнее, чем красные, а детали поверхности будут замываться рассеянным светом атмосферы. Еще сильнее должны рассеиваться синие и фиолетовые лучи; в еще большей степени – ультрафиолетовые. Астрономы попытались проверить открытие Тихова во время следующего Великого противостояния 1924 года, когда американский астроном Уильям Райт получил с помощью рефлектора обсерватории Лик серию снимков Марса во всех лучах спектра от инфракрасных до ультрафиолетовых. Вскоре такую же серию снимков сделал и другой американец Фрэнк Росс.

Снимки Райта и Росса не только подтверждали результаты Тихова, но и позволили обнаружить два новых эффекта. Во-первых, в синих, фиолетовых и ультрафиолетовых лучах никакие детали поверхности не просматривались, а были видны только полярные шапки. Во-вторых, диаметр диска Марса в фиолетовых лучах был заметно больше, чем в красных. Их открытие не стало столь же громкой публичной сенсацией, как открытие марсианских каналов, но в научных кругах оно вызвало не менее горячие споры, чем вопрос о каналах.

Разность диаметров диска Марса в ультрафиолетовых и инфракрасных лучах на снимках Райта и Росса достигала от 200 до 300 км. Если это результат рассеяния солнечных лучей в атмосфере Марса, то ее высота должна быть равна половине от названной величины: от 100 до 150 км. Отсюда Уильям Райт сделал вывод, что Марс окружен плотной и протяженной атмосферой. Однако непосредственные наблюдения показывали, что атмосфера прозрачна. Получалось противоречие: если бы Марс обладал очень плотной атмосферой, то она казалась бы нам молочно-белой, примерно как атмосфера Венеры.

Некоторые ученые пытались объяснить эффект Райта несовершенством фотографических методов, и в 1926 году астроному пришлось повторить опыт. Росс, используя аналогичное оборудование, сфотографировал Юпитер, Венеру и искусственные модели планет, показав, что для этих планет и моделей эффект Райта не наблюдается.

Дискуссия продолжалась. Теоретическое исследование процесса рассеяния света в атмосфере планеты, выполненное в том же 1926 году советским астрономом Василием Фесенковым, показало, что при любых предположениях о строении атмосферы Марса разность видимых радиусов планеты в фиолетовых и красных лучах не может превысить 35 км, но никак не 100 или 150 км. Тогда Уильям Райт предложил новое объяснение своему эффекту. Атмосфера Марса может быть очень разреженной и прозрачной, но на некоторой высоте (скажем, 100 км) в ней находится слой каких-то частиц в виде мглы или дымки, рассеивающий фиолетовые лучи. Он получил название «фиолетового слоя» или «голубой дымки». Этот феномен долгое время мучил астрономов, но в конце концов получил объяснение, что таким образом проявляются уникальные фотометрические свойства марсианской поверхности.

Французский астрофизик Жерар де Вокулер попытался определить оптическую толщину атмосферы Марса. По результатам своих наблюдений 1945 года он пришел к выводу, что давление у поверхности Марса равно 60–70 мм ртутного столба (то есть в 10 раз меньше, чем у поверхности Земли) и соответствует давлению земной атмосферы на уровне 18 км. На основании этих данных он заключил: «Вода может находиться на поверхности Марса в жидком состоянии (температура кипения воды при таком давлении равна +40°)».

Но и это значение оказалось завышенным в пятнадцать раз! Сегодня мы знаем, что оно составляет 4,6 мм ртутного столба. Ученого подвели частицы пыли, постоянно присутствующие в атмосфере Марса и рассеивающие солнечный свет наряду с газовыми молекулами, – их вклад в рассеяние был ошибочно приписан газовой атмосфере.

Что касается состава атмосферы, то к его изучению подошли только в 1947 году, когда американец нидерландского происхождения Джерард Койпер использовал для изучения соседней планеты инфракрасный спектрометр. Первые же записи инфракрасных спектров Марса и Луны показали, что у Марса значительно усилена полоса СО₂. Таким образом, однозначно удалось установить, что в атмосфере присутствует углекислый газ – причем в количествах, заметно превышающих его содержание в атмосфере Земли.

Поначалу углекислому газу отводилась довольно скромная роль «второстепенной компоненты» марсианской атмосферы. Жерар де Вокулер в 1954 году отводил ему лишь 2 % объема атмосферы; американец Лоуэлл Гесс в 1961 году – 1,3 %. В модели Тобайеса Оуэна и Джерарда Койпера 1964 года на долю СО₂ приходилось уже 14 % объема атмосферы Марса. Неуверенность в этих оценках объясняется тем, что содержание того или иного газа в атмосфере планеты зависит не только от интенсивности его линий в спектре, но и от принимаемого в расчетах общего давления у поверхности. Если ученый принимает завышенное значение давления атмосферы, то наблюдаемую интенсивность спектральных линий может, согласно его представлению, создать меньшее количество углекислого газа. Только когда к Марсу добрались первые космические аппараты, стало ясно, что углекислый газ является основным наполнителем атмосферы – 95 %!

Примерно с той же динамикой развивался вопрос о количестве кислорода. Начиная с середины 1920-х годов поисками кислорода на красной планете занялись американские астрономы Уолтер Адамс и Теодор Денхем. Они использовали для этой цели эффект Доплера: при приближении космического объекта к нам все линии в его спектре сдвигаются к фиолетовому концу, при его удалении – к красному концу. Были выбраны моменты, когда Марс приближался к Земле со скоростью 14 км/с и когда он удалялся со скоростью 12,5 км/с. Детальная обработка спектрограмм не обнаружила даже небольшого изменения в линиях кислорода, которые можно было бы приписать марсианской компоненте. Отсюда Денхем сделал вывод, что количество кислорода в атмосфере Марса не может превышать 0,15 % от его содержания в атмосфере Земли – катастрофически малая величина! Примерно в то же самое время было высказано предположение, что весь кислород из атмосферы Марса ушел в окислы, придающие поверхности планеты неповторимый красно-коричневый цвет.

Двадцать лет оценка Теодора Денхема была единственной. Она вошла во все учебники и популярные книги по астрономии того времени. В 1956 году американские астрономы повторили попытку обнаружить кислород в спектре Марса и снова получили отрицательный результат. Лишь в 1968 году удалось найти признаки молекулярного кислорода в красной части спектра. Его содержание оказалось в 8000 раз (!!!) меньше, чем в земной атмосфере. В 1971 году количество молекулярного кислорода пришлось снизить еще вдвое. Для землянина, само существование которого невозможно без кислорода, его все равно что и нет совсем.

Так или иначе, но Марс становился в глазах научного сообщества все более неприветливой и непригодной для жизни планетой. Даже завышенное давление атмосферы давало аналогию с высотой в 18 км над поверхностью Земли (нижняя граница стратосферы), где выживание человека без специального оборудования весьма проблематично. Наличие углекислого газа и полное отсутствие кислорода тоже настраивало на пессимистический лад. И все же надежда умирает последней. Единого мнения по поводу приповерхностной температуры на Марсе не существовало, поэтому оставался последний аргумент: если там имеется вода в жидком состоянии, то существует основа для биохимической эволюции.