Что потребуется, чтобы исследовать Венеру?

Венера – вторая по счету планета Солнечной системы. Она является третьим по яркости космическим объектом после Солнца и Луны. Первые астрономы видели в планете красоту из-за такой светимости и назвали ее женским именем. Венера окутана плотным слоем облаков, которые скрывают ее поверхность и делают планету загадочной. Поэтому в эру космонавтики совершалось множество полетов на Венеру.

Происхождение Венеры

Впервые планету обнаружил Галилео Галилей в 1610 году через оптический телескоп. Он же и установил, что она меняет фазы. Чуть позже, в 1639 году, англичанин Джереми Хоррокс стал первым наблюдателем прохождения этого космического тела по диску Солнца. Плотную атмосферу планеты открыл М. В. Ломоносов 6 июня 1761 года. Он увидел небольшое сияние во время движения Венеры по диску нашей звезды. Ломоносов посчитал, что этот отблеск был вызван из-за преломления солнечных лучей в атмосфере планеты.

Считается, что Солнечная система образовалась из протопланетной туманности. В центре собиралось больше всего частиц – там возникло Солнце. Солнечный ветер отталкивал лёгкие элементы, такие как водород и гелий, из которых сформировались газовые гиганты. Из более тяжёлых частиц, находящихся к ближе Солнцу, образовались Меркурий, Венера, Земля и Марс. Атмосферы планет создавались за счёт вулканов, выбросы которых и определяли состав газовой оболочки. Но до сих пор неясно, почему Венера обращается вокруг своей оси в противоположную сторону от других планет нашей системы. Также остаётся загадкой отсутствие спутников и плотная атмосфера этого шара.

Что потребуется, чтобы исследовать Венеру?

«Если вы хотите, чтобы грешники жарились в собственном соку, Венера — самое подходящее для них место», — сказал в 1976 году заместитель директора Центра управления космическими полетами Советского Союза В.С. Авдуевский, после того, как советские посадочные станции Венера 9 и 10 передали на Землю мрачные фотографии с поверхности и показания различных датчиков.

Сегодня потенциальные исследователи Венеры говорят, что у них есть технология, позволяющая справиться с этими условиями. «Существует мнение, что Венера — очень трудное место для исследований», — говорит профессор Дарби Дьяр из колледжа Маунт-Холиок в Южном Хэдли, Массачусетс. «Все знают о высоких давлениях и температурах на Венере, поэтому люди думают, что у нас нет технологий, чтобы выжить на ней. Правда в том, что мы работаем над этим».

И исследователи активно развивают технологии, бросающие вызов Венере, при этом также соперничают за финансовую поддержку, необходимую, чтобы создать космическую миссию с нуля. В 2020 году пять венерианских проектов — в том числе и орбитальный аппарат: зонд, который должен будет изучать атмосферу планеты, медленно в нее погружаясь, а также наземные аппараты, которые должны узнать состав пород Венеры, испаряя их лазером — не смогли получить в НАСА зеленый свет. Но все они считались технологически готовыми к работе, а «лазерная» команда даже получила финансирование для развития технологии.

«Процесс отбора миссий в НАСА является весьма жестким», — говорит Томас Зурбучен, помощник администратора по космическим миссиям НАСА в Вашингтоне, округ Колумбия. «Венера, так называемый двойник Земли, является очень занятной планетой, привлекая к себе огромный интерес научного сообщества … Исследователи Венеры должны принять участие в будущих миссиях».

Посещение Венеры

Издалека Венера и Земля были бы похожими при поиске планет, на которых возможна жизнь. Обе они примерно одинакового размера и массы, причем Венера находится близко к пригодной для жизни зоне вокруг Солнца, где температуры обеспечивают существование жидкой воды на поверхности планеты. «Нам нужно понять, что заставило эту планету идти по пути Венеры, а не по пути Земли», — говорит астробиолог Дэвид Гринспун из Планетарного научного института, Вашингтон, округ Колумбия.

В течение последнего десятилетия Венеру посетили несколько космических миссий, в том числе зонд Venus Express Европейского космического агентства, находившийся на орбите планеты с 2006 по 2014 год, и зонд Акацуки Японского космического агентства, находящийся вблизи Венеры с декабря 2020 года. Но, несмотря на десятки предполагаемых миссий, охватывающих почти 30 лет, никакой из космических аппаратов НАСА не посетил близнеца Земли после того, как межпланетная станция Магеллан завершила свою миссию, погрузившись в атмосферу Венеры в 1994 году и сгорев. И никакие космические аппараты вообще не приземлились на венерианскую поверхность с 1985 года.

Одним из очевидных барьеров для прямого наблюдения за поверхностью Венеры является ее плотная атмосфера, которая на недавних фотографиях, присланных зондом Акацуки, делает планету похожей на шарик из гладкого, молочного цвета, мрамора. Атмосфера на 96,5% состоит из углекислого газа, что не позволяет увидеть поверхность планеты почти во всем диапазоне длин волн. Еще в 2011 году астрономы считали невозможным использовать спектроскопию — метод, который разбивает свет от объекта на спектр из разных длин волн, что позволило бы, находясь на орбите, показать, из чего состоит поверхность Венеры.

Но оказывается, что атмосфера Венеры прозрачна, по крайней мере, для пяти длин волн, которые могут помочь идентифицировать различные минералы на поверхности планеты. Venus Express доказал, что этот метод работает: глядя на снимки планеты, полученные на одной такой длине волны, которая попадает в инфракрасную область, астрономы смогли увидеть яркие (что означает горячие) точки, которые могут быть признаками активных вулканических процессов. Дьяр говорит, что спутник, который использует для получения снимков еще и другие четыре длины волны, мог бы сделать еще больше открытий.

Приземленная правда

Чтобы по-настоящему изучить поверхность Венеры, ученые хотят туда добраться. Но в поисках безопасного места посадки мешает непрозрачная атмосфера. Самая лучшая карта поверхности Венеры, основанная на радиолокационных данных зонда Магеллан, имеет слишком низкое разрешение, чтобы показать скалы или склоны, которые могут опрокинуть посадочный модуль, говорит Джеймс Гарвин из Центра космических полетов имени Годдарда в НАСА, Гринбелт, штат Мэриленд.

Гарвин и его коллеги тестируют технологию компьютерного зрения под названием «Структура в движении», которая может помочь создать посадочному модулю карту поверхности, пока он спускается в атмосфере. Быстрый анализ большого числа изображений неподвижных объектов, полученных под разными углами, когда модуль спускается, может создать трехмерную визуализацию поверхности.

Испытания с вертолета над карьером в штате Мэриленд показало, что технология может получать изображения валунов размером менее полуметра — диаметром с баскетбольное кольцо. «С помощью фотографий, отснятых на GoPro, мы сделали небольшие красивые топографические карты, — говорит Гарвин. — Мы можем сделать это на Венере даже с ее дрянной атмосферой, которая настолько мутная, что вы даже не предполагаете, что это сработает». Он планирует представить результаты эксперимента в марте в Вудлендсе, штат Техас, на Лунной и Планетарной научной конференции.

Как только посадочный модуль доберется до поверхности Венеры, ему предстоит следующая задача: выжить. Первые посадочные модули на Венере, советские космические корабли «Венера» в 1970-х и 80-х годах, продержались около часа каждый. Рекордом была запись, сделанная станцией Венера-13 в 1982 году — ее продолжительность составляла целых два часа и семь минут. Температура на поверхности планеты составляет около 460 °C, а давление на ней примерно в 90 раз выше, чем на уровне моря на Земле (это как на глубине 900 метров в океане —
прим. перев.
), поэтому космический аппарат имеет совсем немного времени до того, как какой-либо его важный компонент расплавится, измельчится или коррозирует в кислой атмосфере.

Ожидается, что современные миссии не смогут прожить сильно дольше: один час минимум, пять часов по оптимистичным предположениям и 24 часа «в ваших самых смелых мечтах», — говорит Дьяр. Но команда в Исследовательском центре НАСА в Гленн, Кливленд, разрабатывает посадочный модуль, который сможет прожить месяцы. «Мы постараемся выжить на поверхности Венеры», — говорит инженер Тибор Кремич из НАСА.

Вместо того, чтобы использовать большой радиатор для поглощения тепла или всеми силами охлаждать станцию, предлагаемый посадочный аппарат, получивший название LLISSE (Long-Lived In-Situ Solar System Explorer — долгоживущий исследователь Солнечной системы), будет использовать простую электронику из карбида кремния, которая сможет выдержать температуры Венеры. «Они, конечно, не Pentium, но все же смогут обеспечить разумную функциональность», — говорит инженер-программист НАСА Гэри Хантер (видно он имеет ввиду Pentium начала нулевых, которые были топовыми процессорами — прим. перев.

)

Группа проверила эти схемы в камере моделирования Венеры под названием GEER (Glenn Extreme Environment Rig — установка для модулирования экстремальной среды). «Представьте себе гигантский термос, но со стенками толщиной в 6 сантиметров», — говорит Кремик. Схемы по-прежнему работали после 21,7 дней в моделируемой атмосфере Венеры, сообщил Филипп Нейдек из НАСА. Увы — расписание экспериментов положило конец опыту, но по словам Хантера — схемы могли прожить дольше:

В конечном итоге, команда хочет построить прототип посадочного модуля, который сможет проработать 60 дней. На Венере это будет достаточно долго, чтобы он мог действовать как метеостанция, отслеживая изменения в атмосфере с течением времени. «Это никогда не было сделано раньше», — говорит Кремич.

Изучение поверхности

Это представляет собой следующую задачу: ученые должны выяснить, как интерпретировать полученные с поверхности Венеры результаты. Скалы взаимодействуют с атмосферой Венеры иначе, чем с атмосферой Земли или Марса. Минералоги идентифицируют породы на основе света, который они отражают и излучают, но высокая температура и давление могут смещать длину волны так, чтобы она зависела от кристаллической структуры минерала. Даже когда ученые получат данные о венерианских породах, интерпретация может быть сложной. «Мы даже не знаем, что искать», — говорит Дьяр.

Текущие эксперименты на GEER помогают установить базовый уровень. Ученые могут оставлять камни и другие материалы в камере на нескольких месяцев, чтобы посмотреть, что с ними происходит. Дьяр и ее коллеги проводят аналогичные эксперименты в высокотемпературной камере в Институте планетарных исследований в Берлине. «Мы пытаемся понять физику того, что происходит на поверхности Венеры, чтобы мы могли быть лучше подготовлены, когда нам придется исследовать полученные результаты», — говорит Кремич.

Температурный тест

Моделируя условия, подобные таковым на Венере, исследователи из Германии работают над тем, как лучше собирать и интерпретировать данные будущей миссии на планету. Слева на картинке находится стакан из нержавеющей стали, в котором располагается диск с минералами размером с хоккейную шайбу. Когда температура внутри камеры увеличивается до 480 градусов, металл начинает светиться. Это свечение мешает анализировать состав минералов на основе света, который они излучают. Справа на картинке виден стакан из нового вида керамики, которые едва заметен при тех же условиях, поэтому он меньше вмешивается в анализ:

Двум концепциям миссий на Венеру в НАСА не дали зеленый свет. Первая из них, VISAGE (Venus In-Situ Atmospheric and Geochemical Explorer — Венерианский атмосферный и геохимический исследователь) предлагает поместить измельченные порошкообразные породы в камеру внутри посадочного устройства, в которой поддерживаются земные условия, и изучить их там.

Второй концепт — VICI (Venus In-situ Composition Investigations — Венерианский исследователь состава) — использует другой подход: стрельба по камням с помощью лазера и анализ образовавшейся пыли. Ровер Curiosity на Марсе использует эту технологию, но плотность атмосферы Венеры может затруднить понимание результатов. Команда тестирует технику в камере моделирования Венеры в Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико. «Мы убеждены, что это сработает», — говорит главный конструктор VICI Лори Глазз в НАСА. «Нам просто нужно еще поработать, чтобы убедить остальную часть сообщества».

На горизонте есть надежда по отправке зонда на Венеру, если его создатели смогут сдержать свои амбиции. В прошлом году НАСА создало программу под названием «мост на Венеру», чтобы узнать, смогут ли какие-либо миссии на Венеру полетать за 200 миллионов долларов или меньше. Эта цифра составляет менее половины стоимости, а в некоторых случаях гораздо меньше половины стоимости недавно предложенных миссий.

«Я твердо убежден в том, что ограничения порождают инновации», — говорит Зурбухен, добавив, что достижения в области технологий означают, что есть способы исследований, которых не было десять лет назад. «Если вы наложите на миссию финансовые ограничения, возможны большие открытия».

Было бы трудно добиться значимого прогресса по научным вопросам, касающимся Венеры, используя небольшие миссии, пишет Дьяр. «Сообщество исследователей Венеры разрывается», — добавляет она. Но может потребоваться несколько разрозненных миссий для понимания Венеры. «Мы получим начинку для пирога за одну поездку, а тесто — за другую».

«Мое любимое высказывание для исследователей Венеры — никогда не отступай, никогда не сдавайся», — говорит Глазз. «Мы продолжаем пытаться».

Миссии на планету

СССР и США отправляли множество миссий с целью изучения планеты. Внесла значительный вклад «Венера» – серия советских автоматических межпланетных станций (АМС). До начала пилотируемых космических исследований считалось, что планета за плотными облаками скрывает океан воды. Поэтому первый аппарат был оснащён системой плавучести. Но оказалось, что на этом космическом теле более жесткие условия – температура превышает 450 градусов по Цельсию, а давление – 90 земных атмосфер. Тогда автоматические межпланетные станции стали изготавливать с учётом этих обстоятельств.

1BA – первые советские АМС, запущенные в 1961 году и не достигшие поверхности планеты. Но эти неудачи имели достижения. Было подтверждено наличие солнечного ветра. Венера-1 – первый аппарат, вошедший в межпланетное пространство и пролетевший рядом с Венерой. 2MB – второе поколение советских АМС. Все из них оказались безуспешными. Далее присоединилась к изучению Венеры США с программой «Маринер». Первая станция Маринер-1 не смогла выйти на орбиту.

Последующие запуски АМС оказались более удачливыми. Маринер-2, пролетевший возле Венеры в 1962 году, первым успешно собрал научную информацию о другой планете. Зонд-1, состоящий в космической программе СССР по изучению Марса, Луны и Венеры, повторил успех Маринера-2. В-2 и «тройка» потеряли управление на подходе к планете. Но во время полета было исследовано солнечное излучение, магнитные поля. Венера-3 стала первым искусственным телом на грунте Венеры.

«Четверка» во время спуска на поверхность был раздавлен давлением. Удалось установить состав атмосферы (96% — углекислый газ) и давление на разных высотах. Обнаружена водородная корона планеты. Маринер-5 стал спутником Венеры, изучил состав облаков и передал значения температуры на Землю. В-5 и В-6 вошли в ночную атмосферу планеты и определили ее химический состав.

Венера-7 первой мягко приземлилась на поверхность исследуемого космического объекта. «Восьмерка» повторила этот успех и собрала пробы грунта. Маринер-10 пролетел возле планеты и подтвердил отсутствие магнитного поля планеты. Также он установил, что атмосфера находится в постоянном движении. Была определена масса космического объекта. «Девятка» и «Десятка» стали первыми АМС, передавшими первые (чёрно-белые) фотографии с поверхности сторонней планеты. Также они стали первыми спутниками Венеры.

Пионер-Венера-1 и Пионер-Венера-2 по программе по изучению космических тел Солнечной системы «Пионер» провели радиолокацию планеты. Обнаружены молнии на определенных местах и «снег» на вершинах гор. Предположительно снежный покров имеет высокую проводимость. Подтверждено наличие парникового эффекта. Обнаружены водяные пары и более высокая концентрация кислорода.

Венера-12 и ее предшественник регистрировали электрические заряды. В-13 и В-14 передали первые цветные фотографии и записали звук на планете. Они установили, что одним из основных элементов грунта является базальт. Венера-15 и ее последователь проводили радиолокацию планеты.

Вега-1 и Вега-2 по космической программе «Вега» изучили Венеру и комету Галлея. Они исследовали состав атмосферы, которая состоит из серы, фосфора, хлора. Американский Магеллан составил подробную локацию космического объекта. Галилео пролетел мимо на пути к Юпитеру, собрав научные данные. Мессенджер заснял Венеру издалека.

Венера-экспресс была разработана Европейским космическим агентством. Аппарат провёл радиолокацию южного полюса и обнаружил в планете черную воронку, подобную земной на полюсах. Японская Акацуки не смогла выйти на орбиту в 2010 году. Она была повторно запущена в 2020 году с целью изучения атмосферы данного космического тела.

Опубликованы результаты самого полного исследования Венеры

Опубликованы результаты самого подробного исследования венерианской атмосферы, осуществленного при помощи аппарата Venus Express, сообщает Европейское космическое агентство (ESA) в своем пресс-релизе.

Изучение Венеры, ближайшей к Земле планеты, сильно затрудняет постоянный слой облаков, полностью закрывающий саму планету и внутренние слои атмосферы. Запущенный два года назад европейский зонд Venus Express, который был построен при участии России, Японии и США, позволил получить множество новых данных. Основные результаты излагаются в восьми статьях в последнем выпуске Nature.

Были получены подробные данные о структуре атмосферы и динамике процессов в ней, химическом составе атмосферы и происходящих в ней процессах, а также об утечке вещества из атмосферы в космос. Многие данные еще не обработаны: так, чтобы на основе собранных данных установить точный состав атмосферы, необходимо делать поправку на огромное давление (у поверхности — почти сто земных атмосфер) и высокую температуру (более 400 градусов Цельсия), поскольку в таких условиях газы ведут себя совсем не так, как в атмосфере Земли.

Окончательного ответа на основной вопрос — почему планета, которая так похожа на Землю по размеру, положению и, вероятно, раннему периоду своей истории, так сильно сейчас от нее отличается — ученые пока не нашли. Предположительно до какого-то момента планеты развивались примерно одинаково, но потом их пути значительно разошлись.

Аппарат сделал трехмерные снимки атмосферы, в том числе обнаруженного в прошлом году сверхвихря на Южном полюсе. Получены убедительные доказательства того, что на Венере бывают молнии (молнии могут оказать существенное влияние на состав атмосферы — по одной из теорий, жизнь на Земле не могла бы зародиться без атмосферных электрических разрядов).

Установлено, что Венера постоянно теряет воду: планета лишена сильного магнитного поля и потому не защищена от солнечного ветра. Поток заряженных частиц выбивает из атмосферы многие ионы, главным образом H+ и O+ — продукты диссоциации воды, вызванной ультрафиолетовым излучением солнца. Причиной же, по которой Венера лишилась (или, может быть, так и не получила) океанов, является парниковый эффект: из-за сильного нагрева поверхности вода активно испарялась. Эти данные были получены при помощи спектрометра SPICAV/SOIR, разработанного при активном участии российских ученых, сообщает «Интерфакс».

Пока неизвестно, активны ли вулканы на Венере — а это крайне важно для понимания устройства как литосферы, так и атмосферы. На приборе, который должен был отслеживать струи серы, выбрасываемые вулканами, сломалось зеркало, так что следил он только сам за собой. Ученые надеются, что инфракрасный датчик отследил выбросы горячей лавы (если они были), но его показания еще не расшифрованы.

Длительность основной миссии составила примерно 500 земных или двое венерианских суток, в марте 2007 года миссия, как и планировалось, была продлена еще на двое венерианских суток — до мая 2009 года. В целом, заключают ученые, несмотря на все различия, Венера оказалась более похожа на Землю, чем считалось ранее.