Но Вокулер наряду с другими авторами приписывал фиолетовому слою способность не только рассеивать, но и поглощать солнечный свет. Он так и назвал его: поглощающий высотный слой. Это, отмечал Шаронов, противоречило как фотометрическим наблюдениям, выполненным в СССР, так и многим другим фактам.
Приведем некоторые из них. Если частицы фиэлетового слоя достаточно крупные, то они будут рассеивать не только сине-фиолетовые, но и лучи других цветов, что, однако, не наблюдается. Если же этот слой обладает сильным поглощением фиолетовых лучей, то он не сможет создать яркую дымку рассеянного света, а его сгущения выступали бы на диске Марса в виде темных пятен, а не светлых облаков, которые наблюдаются в действительности, особенно вблизи терминатора (границы дня и ночи на Марсе).
Неясно было и из чего могут состоять частицы фиолетового слоя. Чехословацкий астроном Ф. Линк полагал, что это метеорные частицы, американец С. Гесс, - что это кристаллы углекислоты (002), его соотечественник Дж. Койпер считал их кристаллами льда, француз Э. Шацман-капельками воды. Однако гипотеза Линка не объясняла быстрых прояснений фиолетового слоя. Более обоснованной казалась точка зрения С. Гесса, объяснявшего эти прояснения испарением кристаллов СОа при вероятных повышениях температуры. Правда, трудно было объяснить, почему оно происходит сразу на целом полушарии планеты.
Многие ученые продолжали отстаивать точку зрения о наличии в атмосфере Марса истинного поглощения света. Ирландский астроном (эстонец по национальности) Э. Эпик предложил двуслойную модель: нижний слой, обладающий истинным поглощением, создает непрозрачность в фиолетовых лучах, а верхний слой производит рассеяние света, создает посветление вблизи лимба и яркие облака. В качестве вещества, создающего поглощение, назывались углерод и его полимеры (Сг,Сз,...,Сп), недокись углерода (0302), двуокись азота (NOa) и некоторые другие. Но признаков этих веществ не удалось обнаружить спектроскопически.
В 1969 г. выяснилось, что на снимках американских космических аппаратов "Маринер-6" и "Маринер-7", полученных в синих лучах, никакой дымки не видно, и поверхность Марса видна не хуже, чем в красных лучах. Но фиолетовый слой, если он существует, должен был Хбыть одинаково непрозрачным для приборов, находящихся на Земле и в космосе.
Сторонники гипотезы фиолетового слоя не сдавались. Э. Эпик, например, заявил, что все дело в недоразумении: синий фильтр "Маринеров" имел эффективную длину волны 469 ммк, на которой обычно явление синей дымки не наблюдается: оно становится заметным на более коротких длинах волн. В своей работе 1973 г. Эпик продолжал настаивать на истинном поглощении света атмосферой Марса, но приписал его частичкам пыли, поднимаемым и удерживаемым вертикальными токами в атмосфере. Их размеры, по Эпику, не превосходят одного микрона. Таким образом, речь идет не о "синей" или "фиолетовой", а скорее, о "красной" или даже "черной" дымке, так как ее альбедо (отражающая способность) в фиолетовых лучах крайне низкое (0,04)*).
В 1972 г. проблемой фиолетового слоя занялся американский астроном Д. Томпсон. Изучив всю имевшуюся литературу по этой проблеме (более 120 работ) и использовав фотографическую коллекцию Международного планетного патруля, Томпсон пришел к простому и неожиданному выводу. Никакого фиолетового слоя,
*) Альбедо в астрономии называется отношение количества отраженного планетой света к количеству солнечного света, падаюлцего на нее.
тающего или рассеивающего, нет. Вид Марса в фиолетовых лучах-это его нормальный вид, без всякой дымки. Просто в этих лучах контрасты между морями и материками слишком малы и мы их не различаем. Более того, из наблюдений в ультрафиолетовых лучах выяснилось, что в этих лучах все выглядит "наоборот"-моря кажутся светлее материков. Эти явления объясняются исключительно цветовыми особенностями пород, слагающих марсианские моря и материки, и атмосфера тут не при чем.
А как же "синие просветления", которые Вокулер четверть века назад считал самым сильным доказательством существования фиолетового слоя? Томпсон и Бойс тщательно проанализировали все случаи их наблюдений и пришли к выводу, что и здесь все обстоит наоборот. Никакого "просветления" не происходит, но в районе материков происходит осаждение чего-то вроде инея или же над ними (по метеорологическим причинам) образуется слой светлой дымки. Независимо от американских астрономов почти к такому же выводу пришла В. В. Прокофьева (Крымская астрофизическая обсерватория), объяснившая "синие прояснения" подъемом пыли с поверхности планеты над материками. Мелкие частицы пыли надолго остаются в нижних слоях атмосферы и несколько повышают яркость материков в синей области спектра. Контрасты между морями и материками в синих и фиолетовых лучах возрастают, и нам кажется, что атмосфера планеты "просветлела".
Так неожиданно разрешилась загадка фиолетового слоя и "синих просветлений".
Из чего состоит атмосфера Марса?
В 1947 г. Дж. Койпер впервые применил к изучению планет инфракрасный спектрометр-прибор, в котором приемником радиации служило фотосопротивление иэ сернистого свинца (PbS). Фотосопротивление двигалось вдоль спектра, а соединенный с ним самописец записывал непосредственно распределение энергии в спектре планеты.
Уже первые записи инфракрасных спектров Марса и Луны показали, что у первого значительно усилена полоса 002 на длине волны 1,6 микрона. Таким образом,
удалось установить присутствие этого газа (ранее обнаруженного в спектре Венеры) и в атмосфере Марса.
Однако установка Койпера имела весьма низкую разрешающую способность: с ее помощью нельзя было различить тонкие спектральные детали, так нужные астрономам для анализа состава атмосфер планет, притом анализа не только качественного (вещество имеется в атмосфере планеты), но и количественного (вещество содержится в таком-то количестве) .Как это ни странно, но ни сам Койпер, ни другие ученые не попытались в течение почти 10 лет усовершенствовать новый метод. Расцвет инфракрасной спектрометрии планет начался уже после 1960 г.
В 1964 г. американские астрономы X. Спинрад, Г. Мюнч и Л. Каплан по структуре линий, входящих в полосу 002 на длине волны 8700 ангстрем, получили количество 002 55 м-атм при температуре поверхности 230 °К. Приведенное число означает, что углекислый газ атмосферы Марса при нормальном давлении в 1 атмосферу мог бы образовать столб в 55 метров. На Земле содержание углекислого газа составляет лишь 2,4 м-атм. Более поздние исследования дали для оценки
-ния 002 значения от 54 до 90 м-атм, а в среднем 70 м-атм.
Какую же долю составляет углекислый газ в атмосфере Марса? На Земле эта доля весьма невелика, только 0,03%, на Венере же на долю 002 приходится 97% массы атмосферы. Что касается Марса, то первоначально углекислому газу отводилась скромная роль второстепенной компоненты марсианской атмосферы. Вокулер в 1954 г. "уделял" ему лишь 2% объема атмосферы, С. Гесс в 1961 г.-и того меньше, 1,3%. В модели Т. Оуэна и Дж. Койпера (1964 г.) на долю 002 приходится уже 14% объема атмосферы Марса. ^ Дело в том, что оценка содержания того или иного еЬза в атмосфере планеты зависит не только от интенсивности его линий в спектре, но и от принимаемого в
Хтечете общего давления у поверхности. Фотометрические наблюдения, как мы видели выше, не дают необходимой точности в определении давления и долго да"вё^1 преувеличенные значения. -Причиной этого была
Хййл^н другие аэрозоли, содержащиеся в атмосфере пла"leеfi4h создававшие дополнительное рассеяние света.
Но если мы примем завышенное значение давления атмосферы у поверхности, то' наблюдаемую интенсивность спектральных линий может создать меньшее количество углекислого газа. В качестве примера приведем расчеты Спинрада, Мюнча и Каплана 1964 г. Они рассматривали три модели с тремя разными значениями полного давления. Вот что у них получилось:
Однако в последние годы спектроскописты научились раздельно определять полное газовое давление и содержание 002, используя то обстоятельство, что давление по-разному влияет на интенсивность сильных и слабых линий данного газа.
Полет АМС "Маринер-4" в 1965 г. позволил определить давление у поверхности другим, более точным методом - методом радиозатмения. Этот метод будет нами описан ниже, а пока сообщим лишь полученные им значения давления: от 5 до 9 мб (в разных точках). Еще точнее удалось определить давление по полетам "Маринера-6" и "Маринера-7" в 1969 г.: от 3,8 до 7,0 мб. "Маринер-9" в 1971-1972 гг. дал интервал давлений от 1 до 9 мб, в среднем 6 мб. Близкие результаты дали полеты советских АМС "Марс" в 1971-1974 гг. Таким образом, стало ясно, что углекислый газ является основной компонентой атмосферы Марса (как и атмосферы Венеры). На его долю приходится не менее 60% состава марсианской атмосферы. Как мы увидим дальше, этот вывод получил косвенное подтверждение в ходе советских исследований на станции "Марс-6" в 1974 г.
Какие же еще газы содержатся в атмосфере планеты? В ее верхних слоях под действием ультрафиолетовых лучей Солнца углекислый газ должен диссоциировать, разлагаясь на окись углерода (СО) и атомарный кислород. Попытка У. Синтона в 1959 г. обнаружить СО в атмосфере Марса не дала результата-он оценил лишь
верхний предел ее содержания: 10 см-атм. Лишь 10 лет спустя французские ученые супруги Пьер и Жанина Конн, применив новый метод инфракрасной спектроскопии, получивший названье фурье-спектроскопии, смогли, при участии Л. Каплана, оценить содержание СО в атмосфере Марса, равное 5,6 см-атм, что соответствует 0,08% по объему.
Метод фурье-спектроскопии заслуживает того, чтобы описать его хотя бы в принципе. Обычный метод инфракрасной спектроскопии страдает тем недостатком, что спектр записывается последовательно, и изменение содержания водяного пара или углекислого газа в земной атмосфере на пути луча за время записи может исказить результат. Фурье-спектрометр весь спектр записывает одновременно. В основе метода лежит использование интерферометра Майкельсона, в котором луч света от светила разделяется на две части, проходящие пути разной длины. Когда оба луча соединяются, они интерферируют (взаимодействуют) между собой, взаимно усиливая или ослабляя друг друга, в зависимости от того, в какой фазе придут световые колебания в обоих лучах. Если разность фаз равна нулю, интенсивности обоих лучей складываются; если она равна 180°, они в сумме дадут нулевую интенсивность. Но в приборе длину пути одного из лучей можно плавно менять, и тогда результирующая интенсивность будет тоже плавно меняться, выписывая кривую, называемую интерферограммой. Однако в этой кривой уже заложен весь спектр, так как разность хода лучей измеряется в единицах длины волны, а длины волн меняются вдоль спектра. Чтобы упростить дело, ненужные участки спектра отрезают с помощью светофильтров. Остается превратить интерферограмму в кривую распределения интенсивности по спект- Г"? ру-его регистрограмму. Это делается с помощью математической операции, называемой преобразованием Фурье, по имени французского математика Ж. Фурье, который вывел формулы этого преобразования еще в я. 1811 г., за 150 лет до применения описанного метода в астрономии.
Метод фурье-спектроскопии дал потрясающую точность и высокую степень разрешения мелких деталей спектра, в 100 раз превосходящую все, что было возможно до того.
Малое количество окиси углерода в атмосфере Марса (равно как и атомарного кислорода) объясняется тем, что процесс диссоциации молекул 002 на атом кислорода О и молекулу СО уравновешивается обратным процессом: рекомбинацией СО и О обратно в молекулу СОа.
Длительное время основной компонентой марсианской атмосферы считался азот, однако никаких доводов в пользу этого, за исключением аналогии с земной атмосферой, не было. Не найдены полосы азота в спектре Марса и до сих пор. Впрочем, надо учитывать, что они лежат в далекой ультрафиолетовой части спектра, не наблюдаемой с Земли. Во всяком случае, о содержании азота в марсианской атмосфере мы сейчас ничего сказать не можем, за исключением того, что оно невелико (верхний предел 5%).
Несомненно, что в состав атмосферы Марса входит инертный газ аргон, составляющий 1 % нашей атмосферы. На Земле аргон является продуктом радиоактивного распада изотопа калия К*°, имеющего период полураспада 1,3 млрд. лет. Если доля радиоактивного калия в коре Марса такая же, как и в земной коре, то в атмосфере Марса его должно быть довольно много, и он вполне может занимать там второе место по обилию после углекислого газа. Но обнаружить аргон спектроскопически пока нельзя по той же причине, что и азот: полосы его с Земли не наблюдаемы,
В 1976 г. приборы спускаемых аппаратов американских станций "Викинг" показали, что в атмосфере Марса содержится около 1-2% аргона и 2-3% азота, а 95% приходится на долю углекислого газа.
Особенно много усилий предпринимали астрономы с начала XX в., чтобы обнаружить два газа, важных для жизни на любой планете: кислород и водяной пар. В 1900-х годах В. Слайфер и Ф, Бери на обсерватории Ловелла пытались обнаружить оба газа по усилению их полос в спектре Марса по сравнению со спектром Луны, находящейся на той же высоте над горизонтом (это необходимо для того, чтобы поглощение в земной атмосфере было в обоих случаях одинаковым). Американским ученым показалось, что полосы усилены, и они даже объявили, что кислород и водяной пар обнаружены.
Начиная с середины 20-х годов поисками кислорода в атмосфере Марса занялись астрономы обсерватории Маунт Вилсои в США У. Адаме и Т. Дэнхем. Они использовали для этой пели эффект Доплера; при приближении планеты к нам все линии в ее спектре сдвигаются к фиолетовому концу, при ее удалении-к красному концу. В 1934 г. наблюдения проводились на крупнейшем в то время телескопе мира- 100-дюймовом рефлекторе, снабженном дифракционным спектрографом. Были выбраны моменты, когда Марс приближался к Земле со скоростью 14 км/сек и когда он удалялся со скоростью 12,5 км/сек. Детальная обработка спектрограмм не обнаружила даже небольшого изменения профилей теллурических линий кислорода, которые можно было бы приписать марсианской компоненте. Отсюда Дэнхем сделал вывод, что количество кислорода в атмосфере Марса не может превышать 0,15% от его содержания в атмосфере Земли. В переводе на абсолютные единицы это давало как верхний предел 2,5 м-атм.
Длительное время оценка Дэнхема была единственной. Она вошла во все учебники и популярные книги по астрономии того времени. Но, увы, многие трактовали ее превратно, утверждая, что Дэнхем обнаружил кислород на Марсе в количестве 2,5 м-атм. На самом деле он его не обнаружил и на основании этого вывел свою оценку верхнего предела содержания этого газа,
Спустя двадцать лет, в 1956 г., американский астроном Р. Ри^^дсон на том же 100-дюймовом телескопе обсерватории Маунт Вилйон и супруги Кисе и Корлисс на горизонтальном телескопе со спектрографом (Гавайские острова) повторили попытку обнаружить кислород и водяной пар в спектре Марса и снова получили отрицательный результат. В 1964 г. X. Спинрад, Г. Мюнч и Л. Каплан, повысив точность наблюдений, получили (из тех же соображений, что и Т. Дэнхем за 30 лет до них) верхний предел содержания кислорода 70 см-атм.
Лишь в 1968 г. М Белтону и Д. Хантену удалось обнаружить в атмосфере Марса признаки молекулярного кислорода по полосе А в красной части спектра. Они оценили его содержание в 20 см-атм, т. е. в 8000 раз меньше, чем в земной атмосфере. Если эта оценка верна, то доля кислорода в марсианской атмосфере составляет 0,3%.
В конце 1971 г. две группы американских астрономов независимо измерили содержание молекулярного кислорода в атмосфере Марса по появлению доплеровских "спутников" у полосы А. Количество кислорода было найдено 10 см-атм или 0,13% по отношению к СОа. Одновременно "Маринер-9" обнаружил линии атомарного кислорода в ультрафиолетовой части спектра.
Не менее драматичной была история поисков в атмосфере Марса водяного пара. Оптимистичные выводы исследователей 20-х гг. сменились отрицательным результатом Адамса и Дэнхема, которые нашли в 1937- 1941 гг., что верхний предел содержания водяного пара в атмосфере Марса не превосходит 40 микрон осажденной воды. Иначе говоря, если бы весь водяной пар, содержащийся в марсианской атмосфере, пролился дождем на поверхность планеты, то слой осадков составил бы 40 микрон,
Многие ученые пытались подсчитывать содержание водяного пара теоретически, исходя из наличия на Марсе утренних туманов (Г. Юри), скорости испарения полярных шапок и образования ледяных кристаллов (А. Н, Лебединский и Г. И. Салова), геохимических процессов с участием воды (Дж, Адамчик) и др. Результаты получались самые разнообразные: от 1 до 60 микрон осажденной воды.
Слово было за инфракрасной спектроскопией. Пять групп исследователей решали эту задачу в 60-х годах и получили более близкие между собой результаты. Содержание водяного пара по их оценкам колеблется от 5 до 40 микрон осажденной воды, составляя в среднем 15 микрон. Это в 1000 раз меньше, чем содержание паров воды в земной атмосфере.
В дальнейшем удалось установить, что расхождения между результатами отдельных исследователей не случайны, а отражают суточные и сезонные колебания влагосодержания марсианской атмосферы. Наибольшее содержание паров воды в атмосфере наблюдается весной и осенью, наименьшее-летом и зимой. Утром и вечером водяного пара в атмосфере Марса больше, чем днем.
Исследования с помощью советских и американских космических аппаратов типа "Марс" и "Марине?" в 1969-1974 гг. подтвердили и во многом уточнили эти результаты. Об этом мы расскажем ниже.
41
Таким образом, кислород и водяной пар составляют лишь доли процента общего состава марсианской атмосферы, азот-вряд ли более двух-трех процентов, аргон - около одного-двух процентов. Вся остальная часть атмосферы Марса состоит из углекислого газа.
Температурный режим планеты
Первые измерения температуры Марса с помощью термоэлемента, помещенного в фокусе телескопа-рефлектсра, проводились еще в начале 20-х гг. Этот метод основан на том, что излучение планеты резко разделяется на две составляющие: отраженное ею излучение Солнца и собственное излучение планеты, определяемое ее температурой. Практически разделить их нетрудно, так как отраженное излучение сосредоточено в основном в видимом участке спектра, а собственное-в инфракрасном. С помощью фильтров обе составляющие разделяют и по инфракрасной составляющей вычисляют температуру планеты.
Измерения В. Кобленца и К. Лампланда в 1922 г. дали среднюю температуру поверхности Марса 245 °К (-28°С), Э. Петтит и С. Никольсон получили в 1924 г. 260 °К (-13°С). Более низкое значение получили в 1960 г. У. Синтон и Дж. Стронг: 230 °К (-43°С), Нужно иметь, однако, в виду, что в 1960 г. Марс был дальше от Солнца, чем в 1922 и 1924 гг.
Позднее, в 50-е и 60-е гг. были накоплены и обобщены многочисленные измерения температур в различных точках поверхности Марса, в разные сезоны и времена суток. Из этих измерений следовало, что днем на экваторе температура может доходить (в перигелии) до ^. 300 °К (+27 °С), но уже к вечеру она падает до нуля, а ^ к утру до 223 °К (-50 °С). На полюсах температура может колебаться от -)-10°С в период полярного дня до очень низких температур во время полярной ночи. Ка1- ких именно, определить описанным выше методом было невозможно, так как он малочувствителен к низким температурам. Кроме того, ночное полушарие Марса с Земли можно наблюдать лишь частично, а области, где время ближе к полуночи, вовсе ненаблюдаемы. Их температуры были измерены лишь в 1969-1974 гг. с помощью космических аппаратов (см. ниже),