В 1956 г. к измерению температур был применен новый метод-радиоастрономический. Марс, как и всякое нагретое тело, испускает не только инфракрасное излучение, но и более длинноволновое, лежащее в радиодиапазоне. Его принято называть тепловым радиоизлучением, в отличие от нетеплового, связанного с различными электромагнитными и плазменными процессами. Измеряя поток теплового радиоизлучения, можно определить температуру планеты.
Первые такие измерения выполнили К. Майер, Т. Мак Каллаф и Р. Слонейкер в 1956 г. Они получили среднюю температуру поверхности Марса 218 °К, т. е. заметно ниже, чем по инфракрасному излучению. Из многочисленных последующих измерений лишь два-три дали столь же высокие значения, как измеренные по инфракрасному излучению, а большинство значений средней температуры поверхности Марса по радиоизмерениям заключено в пределах от 162 до 225 °К. Измерения, проведенные в последние годы с космических кораблей, показали, что на Марсе могут наблюдаться и еще более низкие температуры, доходящие до 140 °К-ниже точки замерзания углекислого газа. Это открытие имело важнейшее значение для суждения о природе полярных шапок Марса.
Многочисленные ряды измерений радиотемператур Марса выполнены советскими учеными А. Д. Кузьминым, Ю. Н. Вегухновской, Б. Я, Лосовским, Б. Г. Кутузой и другими. Во время великого противостояния 1971 г., по их измерениям, средняя температура Марса составляла 198 °К.
Нужно иметь в виду, что радиоизмерения по самой природе радиоволн могут относиться не к поверхности, а к некоторому слою на глубине в десятки сантиметров и более. Радиоволны способны проникать сквозь слой почвы толщиной в несколько раз большей, чем длина волны. Поэтому сантиметровые волны дают нам температуру слоя, лежащего на большей глубине, чем миллиметровые, а дециметровые-еще более глубокого.
Советские ученые Ю. Н. Ветухновская, А. Д. Кузьмин и Б. Я. Лосовский выполнили анализ распределения температуры поверхности Марса с глубиной и нашли, что когда Марс далек от Солнца, температура сначала
43
падает с глубиной (иногда на 15-20^), а потом начинает расти. Минимальная температура соответствует глубине около метра. Во время великого противостояния, когда Марс расположен ближе к Солнцу, слоя с минимальной температурой уже не существует, температура быстро достигает почти постоянного значения, сохраняющегося до глубин в 5-6 м.
Неудивительно, что радиотемпературы оказались ниже дневных инфракрасных. Последние относятся к самой поверхности Марса, где днем всегда теплее, чем на той глубине, о которой нам рассказывают радиоволны. Но и инфракрасные температуры, как мы видели, показывают большое различие и значительные суточные и сезонные колебания. Причина этого состоит в том, что атмосфера Марса сильно разрежена и неспособна удерживать тепло, накопленное в теплое время года и суток. Водяной пар, лучше всего сохраняющий и передающий тепло, присутствует там в ничтожных количествах. Поэтому климат Марса так суров.
Многие ученые, используя измеренные температуры планеты и теорию климата, пытались построить карты изотерм (линий равной температуры) для Марса, как это делают метеорологи для Земли. Однако ошибкой этих исследователей (С. Гесс, Ф. Джиффорд) было то, что все использованные ими температуры были дневные, т. е. наибольшие из возможных. Поэтому к таким картам надо относиться с некоторой осторожностью. Тем не менее за последние годы'климатология Марса сделала немалые успехи и скоро мы, вероятно, будем иметь столь же подробные сведения о климате различных районов на Марсе, как и на нашей Земле.
Различие температур дня и ночи, полярных и тропических районов, зимы и лета приводит к возникновению ветров, имеющих подчас скорости 40-50 м/сек. Система воздушной циркуляции на Марсе изучается сейчас различными методами многими учеными. Важный вклад в развитие теории циркуляции марсианской атмосферы внес советский ученый, специалист по физике атмосферы Г. С. Голицын. Он показал, при каких условиях в атмосфере Марса могут возникать ветры, имеющие силу урагана, и формироваться смерчи. А к чему могут привести сильные ветры, мы скоро узнаем.
Марсианские материки и "моря"
Вопрос о природе марсианских материков (светлых областей) и "морей" (темных пятен) встал перед астрономами давно. Сначала в их распоряжении не было ничего, кроме визуальных наблюдений. Потом были развиты более объективные методы фотографической фотометрии, позволяющие измерять отражательную способность (альбедо) и методы колориметрии, дающие возможность получать цветовые характеристики поверхности планет, в частности, марсианских материков и "морей". Большая заслуга в развитии этих методов принадлежит советским астрономам-фотометристам В. Г. Фесенкову, Н. П. Барабашову, В. В. Шаронову, 1-1. Н. Сытинской и др.
Мы помним, что еще Г. А. Тихон в 1909 г. применил фотографирование Марса со светофильтрами, открыв свои три эффекта, два из которых непосредственно относились к цветовым свойствам марсианских образований, Но выводы Тихова основывались на чисто качественном сравнении снимков,
Значительно более совершенный метод состоит в построении (по измерениям с пятью-шестью светофильтрами) кривой спектральной отражательной способности марсианских образований. Еще более надежный способ получить такую кривую - снять и измерить спектр избранной области планеты. Такой способ называется спектрофотометрическим. Он позволяет выявить мелкие, но иногда очень важные детали на спектральной кривой, по которым можно судить о присутствии или отсутствии того или иного вещества в наружном покрове^ планеты.
Первые кривые спектральной отражательной способности материков и "мерей" Марса по фотографиям со светофильтрами получил 1-1. П. Барабашов в 1933 г., а *Х по спектру-Е. Л. Кринов в 1935 г. В дальнейшем такие исследования были выполнены Н. Н. Сытинской и систематически проводились на Харьковской обсерватории под рукоЕОЛСТЕОМ Н. П. Барабашова. Материки Марса по своим спектральным характеристикам очень напоминали пески среднеазиатских пустынь (рис. 8), Представление о материках Марса как о песчаных пустынях получило широкое распространение.
4&
Чтобы иметь возможность охарактеризовать цвет небесного тела одним числом, астрономы давно уже ввели понятия показателя цвета и цветового изб ы тк а. Первая величина показывает, насколько изучаемый объект краснее (показатель цвета положителен) или синее (показатель отрицателен), чем белые звезды спектрального класса АО. Вторая величина-цветовой избыток-дает такое же сравнение с цветом Солнца.
Поскольку Марс, как и всякая планета, светит отраженным светом Солнца, даже в случае, если бы он сам был белый, его цвет казался бы нам желтоватым, соответствующим цвету Солнца. Показатель цвета Солнца равен +0,5, поэтому целесообразно использовать понятие цветового избытка, равного разности показателей цвета планеты и Солнца. Для Марса он равен примерно +1,0. Эта величина и характеризует собственный цвет планеты или ее деталей.
Во время великого противостояния 1956 г. В. В. Шаронов определил значения цветового избытка отдельно для материков и морей Марса, получив +1,09 и +0,89 соответственно. Таким образом, не только материки, но и моря оказались красноватыми по отношению к белому экрану. Их зеленоватый оттенок, представлявшийся при визуальных наблюдениях, был лишь кажущимся, вызванным эффектом цветового контраста с еще более красными морями.
В. В. Шаронов сравнил цветовые свойства мате?1:\^в Марса и песков земных пустынь. Оказалось, что марсианские покровы в среднем гораздо краснее земных песков, хотя самые красные образцы тех и других имеют примерно одинаковый цветовой избыток (+1,20). Но среди песков земных пустынь есть и очень белесые (+0,20), а в материках Марса цветовой избыток не бывает меньше +1,0, в морях же он не меньше +0,82.
Такую интенсивно красноватую окраску имеют гидраты окислов железа. Тщательные измерения поляризации света материков, выполненные в 1948-1951 гг. О. Дольфюсом, показали, что их поверхность имеет те же свойства, что и лимонит (Ре^Оз -пН^О), один из бурых железняков, мелкий порошок которого известен под названием охры. Колориметрические наблюдения В. В. Шаронова подтверждали этот вывод. Наконец в середине 60-х годов исследование спектральной отражательной способности материков Марса в видимых и инфракрасных лучах вплоть до длины волны 3 микрона позволило советскому астроному В. И. Морозу и группе американских ученых независимо прийти к тому же выводу.
Но уже в 1970 г., по образному выражению профес" сора Д. Я. Мартынова, "эра лимонита" кончилась. Лимонит сказался лишь небольшой добавкой к обычным силикато-глиноземным породам, своеобразной пудрой, окрашивающей эти породы в интенсивно-красноватый цвет. О том, как это удалось выяснить, мы расскажем ниже.
Какова же была природа "морей" Марса? В том, что они не являются настоящими морями, никаких сомнений не было. Альбедо земных морей очень мало, гораздо меньше, чем у "морей" Марса. Всякий, кто летал над морем, знает, что сверху оно кажется темным.
Правда, морс способно как зеркало отражать прямые лучи Солнца, и в направлении отраженного луча мы видим яркие блики. Но подобных бликов от "морей" Марса никто не наблюдал, хотя можно было заранее рассчитать, когда именно и от каких "морей" они могли бы быть видны. Для этого нужно, чтобы выполнилось хорошо известное условие: угол падения должен быть равен углу отражения,
Еще в 60-х годах прошлого века французский астроном Э. Лиэ, наблюдая сезонные изменения интенсивности и окраски "морей", предложил гипотезу, что "моря"- это области, покрытые растительностью. Действительно, весной и особенно летом (марсианским, разумеется) моря Марса темнеют и приобретают зеленовато-голубоватую окраску. Осенью она становится коричнево-бурой, а зимой сероватый. Это напоминало весеннее распускание и осеннее увядание растительности. Еще интереснее было то, что по весеннему полушарию Марса проходила как бы волна потемнения, начинавшаяся от границ тающей полярной шапки и распространявшаяся к экватору по мере ее таяния. Возникла стройная гипотеза о том, что талые воды, образующиеся при таянии полярной шапки (в том, что шапки состоят из замерзшей воды, никто тогда не сомневался), увлажняют почву и это создает благоприятные условия для распускания растительности.
Но гипотеза нуждалась в проверке. Ученые предложили два способа гакой проверки. Во-первых, надо было поискать в спектре "морей" Марса темную полосу хлорофилла-красящего вещества (пигмента) земных растений, расположенную в красной части спектра. В начале нашего столетия такие поиски были предприняты на обсерватории Ловелла во Флагстаффе В. Слайфером, а затем на других обсерваториях мира. Увы, поиски оказались безрезультатными.
Второй путь состоял в следующем. Тогда же, в начале века, американский физик Р. Вуд изготовил пластинки, чувствительные к ближним инфракрасным лучам, и получил множество снимков различных пейзажей в этих лучах. Растения на этих снимках казались белыми, как бы осыпанными снегом. Причина этого "эффекта Вуда" состояла в том, что растения хорошо отражают инфракрасные лучи. Другими словами, их
48
ральная отражательная способность в этих лучах весьма высока.
Как мы помним, еще У. Райт в 1924 г. получил снимки Марса в инфракрасных лучах. Если бы темные области Марса ("моря") были покрыты растительностью, на этих снимках они бы выглядели белыми или по крайней мере светлыми. Но как на снимках Рай га, так и на всех последующих, полученных в инфракрасных лучах, "моря" выглядели еще более темными, чем в зеленых или красных лучах. Эффект Вуда у них отсутствовал.
С середины 40-х годов нашего столетия растительную гипотезу горячо защищал и развивал член-корреспондент Академии наук СССР Г. А. Тихов. Он организовал в Алма-Ате специальное учреждение-Сектор астроботаники Академии наук Казахской ССР, которое занялось исследованием и сравнением спектральных свойств "морей" Марса и земных растений.
Сторонники растительной гипотезы проявили немало изобретательности для ее защиты. Опираясь на примеры высокой приспособляемости земных растений и животных к суровым условиям внешней среды, они доказывали, что и в условиях Марса жизнь возможна. Ставили даже лабораторные эксперименты по выращиванию растений и размножению бактерий в искусственно созданных "марсианских" условиях. Эксперименты дали положительные результаты: растения выдерживали "марсианский" холод и низкое атмосферное давление, бактерии размножались в "марсианской" атмосфере. Правда, при постановке этих экспериментов принималось сильно завышенное значение давления у поверхности-85 миллибар, в 15 раз больше действительного, да и состав атмосферы Марса был тогда неизвестен. Но главное было не в этом.
Получилось так, что вопрос о природе "морей" Марса оказался тесно связанным с проблемой жизни на этой планете. Между тем, это два совершенно разных вопроса. Доказательство возможности жизни в условиях Марса еще не означает, что она там действительно существует.
Вершиной торжества растительной гипотезы явилось Хоткрытие в 1956-1958 гг. американским ученым У. Синтоном в спектре "морей" Марса трех полос
49
в инфракрасной части, соответствующих органическим соединениям (на длинах волн 3,43, 3,56 и 3,65 микрон).
После этого, спустя примерно пять лет, начался закат этой привлекательной, но недостаточно обоснованной гипотезы. Еще в 50-х годах ее раскритиковал известный советский астроном академик В. Г. Фесенков. С тех пор было установлено, что плотность атмосферы Марса в 10-15 раз ниже, чем предполагалось ранее. Содержание кислорода в ней оказалось ничтожным (доли процента). Истинный цвет "морей", согласно
многочисленным измерениям Н. П. Барабашова, И. К. Коваля и их сотрудников, оказался красноватым: они лишь казались зелеными из-за эффекта цветового контраста с более красными материками. На снимках американской космической станции "Маринер-4", подлетевшей к Марсу в июле ' 1965 г. и передавшей ряд изображений его поверхности, "моря" ничем в принципе не отличались от материков (это подтвердили и снимки других космических станций).
Наконец, полосы Синтона-главный аргумент астроботаников-оказались принадлежащими... парам тяжелой воды в земной атмосфере (т. е. воды, в состав которой входит тяжелый водород-дейтерий). Это признал и сам Синтон.
Еще позднее, в 1969 г., растительная гипотеза получила новый сокрушительный удар: полярные шапки Марса оказались состоящими не из воды в виде инея, снега или льда, а из замерзшей углекислоты. Вся стройная картина расцветания растений по мере получения ими живительной влаги от тающей полярной шапки потеряла под собой почву и рухнула.
Отвлечемся от печальной судьбы растительной гипотезы и посмотрим, какими объективными данными о
роде "морей" Марса располагали астрономы в докосмический период.
Колориметрические наблюдения Н. П. Варабашова, И. К. Коваля, В. В, Шаронова, Н, Н. Сытинской показывали, что альбедо "морей" сначала, как и у материков, растет с длиной волны от фиолетовых лучей к красным, хотя и медленнее, чем у материков, но начиная с зеленого участка спектра этот рост замедляется, и поэтому
контраст "морей" с материками в красных лучах значительно возрастает (рис. 9).
Многочисленные поляриметрические наблюдения, проведенные на протяжении многих лет О. Дольфюсом, давали больше возможностей для суждения о природе отражающей поверхности. Дело в том, что характер изменения степени поляризации с углом фазы планеты (или отражающей поверхности) сильно зависит от состава и структуры поверхности. У плотных пород вид кривой отличается от ее вида в случае раздробленных
рошков. Поведение поляризационных кривых в разных участках спектра зависит и от состава вещества поверхности (рис. 10).
Подведя итоги своим многолетним исследованиям, О. Дольфюс сделал вывод, что поверхность марсианских "морей", как и поверхность материков, покрыта мелкораздробленным веществом, однако более темным, чем вещество материков, или же смесью этого вещества с другим, более темным.
5i'UM результатом можно было бы удовлетвориться и заняться подбором подходящего вещества в лабораторных экспериментах, если бы не сезонные изменения альбедо, цвета и, как выяснилось из тех же поляриметрических
Хнаблюдений Дольфюса, поляризации "морей". Наибольшие отклонения от "средней" поляризационной кривой наступали весной и держались до конца лета соответствующего полушария.