Карл Саган - Голубая точка. Космическое будущее человечества
В ультрафиолетовом спектре детали просматриваются, но только благодаря небольшим просветам в высотных облаках, которые расположены гораздо выше основного облачного слоя. Высотные облака несутся вокруг планеты гораздо быстрее, чем вращается она сама: это так называемая суперротация. В ультрафиолетовом спектре увидеть поверхность оказывается еще сложнее.
Когда выяснилось, что венерианская атмосфера гораздо толще, чем земная (насколько сейчас известно, давление на поверхности Венеры в 90 раз выше, чем на Земле), немедленно стало очевидно, что в обычном видимом спектре мы, вероятно, не сможем увидеть поверхность, даже если в облаках и будут просветы. Да, те крупицы света, которым, возможно, удается пробиться через плотную атмосферу и достичь венерианского грунта, должны отражаться обратно; но фотоны будут настолько перемешаны из-за многократного рассеяния молекул в нижних слоях атмосферы, что никакого изображения деталей поверхности не сохранится. Эффект можно сравнить с «белой мглой» во время полярной бури. Однако это явление, заключающееся в интенсивном рэлеевском рассеянии, быстро сходит на нет с увеличением длины волны. Удалось легко рассчитать, что в ближнем инфракрасном спектре поверхность будет видна, если в облаках найдутся просветы или если облака окажутся прозрачными.
Итак, в 1970 г. мы с Джимом Поллаком и Дэйвом Моррисоном отправились в обсерваторию Макдональд Техасского университета и попытались рассмотреть Венеру в ближнем инфракрасном спектре. Мы «гиперсенсибилизировали» наши эмульсии: обработали старые добрые стеклянные фотопластинки[44] аммиаком, иногда нагревали их или кратко засвечивали, а затем устанавливали в телескоп и ловили на эти пластинки отраженный свет Венеры. Через некоторое время подвалы обсерватории Макдональд провоняли аммиаком. Мы сделали много снимков. Ни на одном из них детали не просматривались. Мы решили, что либо не продвинулись достаточно глубоко в инфракрасный спектр, либо облака Венеры оказались матовыми и непроницаемы для ближнего ИК.
Более 20 лет спустя зонд «Галилео» во время близкого пролета мимо Венеры исследовал ее с высоким разрешением и чувствительностью, причем в несколько более длинных инфракрасных волнах, чем мы могли получить при помощи наших грубых эмульсионных пластинок. «Галилео» сфотографировал огромные горные хребты. Но мы уже знали об их существовании; ранее они были обнаружены при помощи мощной технологии – радара. Радиоволны беспрепятственно проникают через облака и плотную атмосферу Венеры, отражаются от поверхности, а затем возвращаются на Землю, где их улавливают и собирают из них картинку. Первый проект был реализован прежде всего при помощи наземного радара на станции слежения Голдстоун в пустыне Мохаве (этот радар принадлежит ЛРД), а также в обсерватории Аресибо на острове Пуэрто-Рико (ее эксплуатирует Корнеллский университет).
Затем американский аппарат «Пионер-12», советские «Венера-15» и «Венера-16», а также американская миссия «Магеллан» вывели радиотелескопы на околовенерианские орбиты и картографировали планету от полюса до полюса. Каждый из зондов отправлял на поверхность сигнал радара, а затем улавливал его отражение. Путем проверки отражательной способности каждого участка и того, сколько времени уходило на возвращение сигнала (от гор – меньше, от долин – больше), медленно и кропотливо вычерчивалась подробная карта всей поверхности.
Нам открылся мир, чей уникальный рельеф сформировался в основном под действием лавовых потоков (в меньшей степени – ветра); об этом пойдет речь в следующей главе. Облака и атмосфера Венеры теперь стали для нас прозрачны, а затем и в этот мир проникли отважные роботы-исследователи с Земли. Опыт, приобретенный на Венере, теперь применяется и в других экспедициях – в особенности к Титану, чья загадочная поверхность укрыта некогда непроницаемыми для нас облаками. Радар же помогает нам догадаться, что может находиться под ними.
ДОЛГО СЧИТАЛОСЬ, ЧТО ВЕНЕРА И ЗЕМЛЯ ПОХОЖИ как две сестры. Венера – ближайшая к Земле планета. Их массы, размеры, плотность и гравитация почти одинаковы. Венера несколько ближе к Солнцу, чем Земля, но ее яркие облака отражают больше солнечного света, чем наши. В качестве первых гипотез легко было предположить, что под непроницаемыми облаками Венера очень напоминает Землю. В ранних научных теориях на Венере ожидалось найти, в частности: зловонные болота, кишащие чудовищными амфибиями, напоминающими фауну земного каменноугольного периода; мир-пустыню; планетарный нефтяной океан; океан минеральной воды, из которого кое-где выступают известняковые острова. Пусть в основе этих «моделей» Венеры и лежали определенные научные данные (первая версия относится к началу XX в., вторая – к 1930-м гг., последние две – к середине 1950-х гг.), их можно было считать в лучшем случае научными фантазиями, жестко ограниченными из-за скудости имеющихся данных.
Затем в 1956 г. появился доклад, опубликованный в The Astrophysical Journal Корнеллом Майером и его коллегами. Они исследовали Венеру при помощи только что изготовленного радиотелескопа, сконструированного в рамках засекреченного проекта. Телескоп был установлен на крыше здания Научно-исследовательской лаборатории ВМФ США в Вашингтоне, округ Колумбия. Затем они измерили поток радиоволн, попадающих с Венеры на Землю. Это был не радар: речь не шла об отражении радиоволн от Венеры. Ученые просто слушали радиоволны, которые сама Венера испускает в космическое пространство. Оказалось, что Венера гораздо ярче, чем далекие звезды и галактики, на фоне которых она расположена. Само по себе это было неудивительно: любой объект, температура которого выше абсолютного нуля (–273 ℃), испускает излучение в электромагнитном спектре, в том числе в радиодиапазоне. Например, человек излучает радиоволны, фактическая или «яркостная» температура которых равна около 35 ℃. Если бы вы находились в среде холоднее вашего тела, то чувствительный радиотелескоп мог бы уловить слабые радиоволны, которые вы испускаете во всех направлениях. Каждый из нас – источник радиопомех.
Настоящий сюрприз, открытый Майером, заключался в том, что яркостная температура Венеры превышает 300 ℃, что гораздо выше температуры поверхности Земли или температуры венерианских облаков, измеренной в инфракрасном спектре. В некоторых районах Венеры температура казалась как минимум на 200 ℃ выше точки кипения воды. Что бы это могло значить?
Вскоре появилась масса объяснений. Я отстаивал точку зрения, что высокая яркостная температура в радиодиапазоне прямо свидетельствует, что у Венеры горячая поверхность и что причина высоких температур заключается в мощном парниковом эффекте, возникающем под действием углекислого газа и паров воды. При этом часть солнечного света проникает через облака и разогревает поверхность, но планете крайне сложно излучать это тепло обратно в космос, поскольку и углекислый газ, и водяной пар сильно задерживают инфракрасные лучи. Углекислый газ поглощает излучение в инфракрасном спектре и на уровне более длинных волн, но, по-видимому, в его спектре существуют «окна» между полосами поглощения, и через эти «окна» поверхность вполне могла бы сбрасывать излишки тепла в космос. Однако водяной пар поглощает излучение на тех участках инфракрасного спектра, которые частично перекрывают «окна» в спектре поглощения двуокиси углерода. Мне казалось, что два эти газа вместе вполне могут захватывать практически все инфракрасное излучение, даже если водяного пара там очень мало. Представьте себе две изгороди из штакетника, установленные так, что дощечки одной случайно перекрывают щели в другой.
Существует и другая, принципиально иная категория объяснений, согласно которым высокая яркостная температура Венеры никак не связана с ее поверхностью. Условия на поверхности все-таки могли быть умеренными, щадящими, пригодными для жизни. Предполагалось, что в атмосфере Венеры или в окружающей ее магнитосфере может быть область, активно излучающая радиоволны в пространство. Считалось, что между каплями воды в облаках Венеры могут возникать электрические разряды. Обсуждалась гипотеза о тлеющих разрядах, в ходе которых на восходе и закате происходит рекомбинация ионов и электронов в верхних слоях атмосферы. Некоторые ученые высказывались и в пользу очень плотной ионосферы, где радиоволны могли возникать под действием взаимного ускорения свободных электронов – так называемого «свободно-свободного излучения». (Один из сторонников этой идеи даже предположил, что требуемая для этого высокая ионизация вызвана в 10 000 раз большей радиоактивностью на Венере, чем на Земле, возможно, из-за недавно происходившей там ядерной войны.) Причем в свете открытия излучения, испускаемого магнитосферой Юпитера, было естественно предположить, что радиоволны возникают в огромном облаке заряженных частиц, которые могли быть захвачены неким гипотетическим и очень сильным магнитным полем Венеры.
