Марсианская вода

Долина Узбой на Марсе представляет собой длинный канал, который переходит в кратер Холдена. Изображение получено с космического аппарата TGO в мае 2018 года с помощью аппарата CaSSIS.

Возможно, уже скоро появятся невероятно детальные карты распределения грунтовой воды на Марсе и планетологи уточнят состав марсианской атмосферы. В этом может помочь информация, которая будет собрана в ходе миссии «ЭкзоМарс-2016». О результатах, полученных в космическом эксперименте за восемь месяцев прошлого года, рассказали участники проекта — сотрудники Института космических исследований РАН (ИКИ РАН) — на недавно состоявшемся заседании Совета РАН по космосу.

 

«ЭкзоМарс-2016» — совместный российско-европейский проект, стартовавший в марте 2016 года. Космический аппарат состоял из двух блоков: спускаемого на поверхность «Schiaparelli» и орбитального TGO (Trace Gas Orbiter). Посадочный модуль «Schiaparelli» должен был отработать вход в атмосферу, провести измерения электрических полей и атмосферной пыли, но разбился из-за сбоя в измерительной системе. А вот TGO успешно вышел на орбиту и начал сбор данных в апреле 2018 года.

 

TGO включает четыре прибора — два российских и два европейских. Оба наших прибора созданы в ИКИ РАН и уже около года передают данные на Землю. Комплекс ACS (Atmospheric Chemistry Suite) предназначен для исследования химии и структуры атмосферы Марса, а прибор FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector) изучает распределение и количество водяного льда в верхнем слое марсианского грунта. Европейский прибор NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery), включающий три спектрометра (два инфракрасных и один ультрафиолетовый), как и российский ACS, предназначен для уточнения газового состава марсианской атмосферы — их данные дополняют друг друга. Другая европейская разработка — камера высокого разрешения CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System) — способна делать цветные и стереографические фотографии поверхности Марса высокого качества —4,5м на пиксель.

 

Интерес к атмосфере Марса понятен: процессы в газовой оболочке планеты служат ключом к её истории. Например, оценивая механизмы потери водяного пара, можно сделать предположение об изначальном количестве воды на планете. А метан в атмосфере может оказаться следом биологической активности — на Земле этот газ образуется в результате жизнедеятельности организмов.

 

Прибор ACS измеряет концентрации малых составляющих атмосферы очень точно— на триллион зафиксированных частиц ошибиться может только в одной. «Начинку» прибора составляют блок электроники и три ИК-спектрометра. Когда солнечный свет проходит через марсианскую атмосферу, часть его энергии тратится на взаимодействие с молекулами составляющих её газов и аэрозольных частиц — спектр света при этом изменяется, что фиксируется прибором. По этому спектру можно определить вещества в атмосфере, их концентрации и распределение по высоте. Спектрометры работают в разных областях инфракрасного излучения и регистрируют соответственно разные химические вещества. В числе прочих измеряется профиль водяного пара, то есть вертикальное распределение концентрации Н20 в атмосфере от поверхности планеты до высоты около 100 км — подобно тому, как если бы разрезать торт и посмотреть, где сконцентрировалась клубничная начинка, а где её совсем мало.

 

Если распределить всю существующую сегодня на Марсе воду ровным слоем по поверхности планеты, то получится сплошной океан глубиной около 30 км. Но так было не всегда: по разным оценкам миллионы лет назад эта глубина могла составлять от 200 до 1500 км. Дело в том, что в прошлом Марс лишился большей части своей атмосферы, а вместе с ней и воды. Потери газов продолжаются до сих пор. Наблюдая, как водяной пар улетучивается в космос сегодня, можно сделать предположения о том, сколько его было сотни, тысячи, миллионы лет назад. Такие оценки «водяного» прошлого Марса будут сравниваться с другими расчётами. Так, о количестве воды, которое когда-то было на планете, можно судить по руслам рек, протекавших в прошлом. Ещё один способ оценки — по концентрации водорода и его тяжёлого изотопа дейтерия. Соотношение этих веществ зависит от температуры, поэтому может отражать динамику атмосферы. Этот параметр тоже измеряет прибор ACS — уже получены первые профили отношения дейтерия к водороду.
 

Если ACS исследуетявления, происходящие выше уровня поверхности Марса, то прибор FREND «копает» вглубь. Благодаря нейтронному детектору заглянуть в слой грунта можно с орбиты: космические лучи проникают под поверхность и взаимодействуют с веществом планеты. В результате таких реакций могут «вылетать» нейтроны, FREND измеряет их энергию, по которой можно судить о водородсодержащих соединениях в грунте. Исходя из предположения, что в приповерхностном слое грунта водород находится именно в воде, FREND определяет количество водяного льда на глубине до двух метров.

 

По данным сканирования уже составлены карты, значительно более точные, чем предыдущие: различимы детали размером до 200 км вместо 600 км на картах, полученных ранее. Первые наблюдения грунтового льда были сделаны прибором HEND (High Energy Neutron Detector) — прототипом FRENDa, изучавшим Красную планету в составе миссии «Марс Одиссей» с 2001 года. Но если HEND регистрировал нейтроны от горизонта до горизонта, то в новый прибор добавлен коллиматор — устройство, ограничивающее поток нейтронов. (Что-то вроде защитного стакана, который практически полностью поглощает «лишние» нейтроны вне поля зрения инструмента.)

 

В планах исследователей — достичь точности карт 60 км. Подобная информация не только дополнит общую картину распределения марсианской воды, но и поможет выбрать места посадки следующих спускаемых аппаратов. К тому же для будущих пилотируемых марсианских миссий важно знать местонахождение основных запасов воды.

Больше всего льда на Красной планете находится в районах северного и южного полюсов — в зоне вечной мерзлоты. На юге граница вечной мерзлоты более выраженная, а на севере менее чёткая, с выступающими к югу «ледяными языками». Также на составленной карте видны обширные «пятна» грунтового льда в районе экватора, происхождение которых пока непонятно: на первый взгляд климатические условия в этом районе способствуют испарению ледяных запасов. Высокое разрешение карт даст возможность понять наблюдаемые явления и искать их связь с геоморфологическими особенностями Марса.

 

Сейчас результаты, полученные в ходе миссии «ЭкзоМарс» с апреля по сентябрь 2018 года, готовятся к публикации, в их числе — профили кислорода (собраны впервые в истории изучения Марса) и концентрации пыли в атмосфере, а также данные о радиационной обстановке в окрестности космического аппарата на межпланетной орбите и на орбите вокруг Марса. Судя по радиационным данным, суммарная доза, которую получит экипаж марсианской экспедиции, может быть слишком большой и нести угрозу здоровью космонавтов.
 

На 2020 год запланирован запуск второго этапа проекта «ЭкзоМарс-2020»: к Марсу полетят автоматический марсоход и посадочная платформа, которые продолжат исследовать поверхность и атмосферу планеты.