Миссия «Венера-Д», как и многие исследовательские космические проекты России, уходит корнями в прошлое. После успешных посадок на Венеру в 80-х годах станций, проживших на поверхности до двух часов, появилась идея долгоживущей станции, но на время она была забыта из-за работы над проектом ВЕГА. В 2003 году миссия «Венера-Д» была предложена для включения в Федеральную космическую программу России Василием Ивановичем Морозом — одним из основателей советской планетологии. Однако по ряду причин миссия не была реализована. В 2013 году была создана Объединенная научная рабочая группа ИКИ/Роскосмос–НАСА по проекту «Венера-Д». Целями группы были детальное изучение этого проекта, сопоставление научных задач с дорожной картой изучения Венеры НАСА и выявление областей для потенциального вклада НАСА.
Почему Венера?
Венера — планета-близнец Земли. Близкие радиус и масса, разумно ожидать увидеть тот же состав поверхности. При образовании обе планеты получили одинаковый состав протопланетного материала. Но с какого-то этапа своего развития они пошли разными эволюционными путями, и в результате мы имеем две планеты с поразительно непохожим климатом: комфортные условия на Земле и «адские» — на Венере.
Каким-то образом Венера лишилась воды. Современное соотношение дейтерия и водорода на Венере в 150 раз выше, чем на Земле. Значит, легкий изотоп первого элемента периодической таблицы исчез с поверхности и из атмосферы в ходе какого-то процесса. Стало быть, ушла обычная вода. Этот наблюдательный факт — главный аргумент в пользу того, что когда-то на Венере были обширные океаны или океан. Но как именно Венера лишилась воды — до сих пор не существует окончательного ответа.
Состав атмосфер Венеры, Марса и Земли
«Поскольку на Венере почти нет воды, там не действует водная эрозия. К тому же там нет и выветривания. Рельеф и геология на этой планете связаны с деятельностью вулканизма и тектоники. Поэтому рельеф на Венере стабилен долгое время. В период от 1 миллиарда до 500 миллионов лет назад там происходили мощные вулканические извержения. Потоки лавы накрывали обширные поверхности. Какую-то часть их ломало тектоническими силами. Однако тектоника венерианской поверхности такова, что есть предположение о единой целостной литосферной плите, в отличие от нескольких литосферных плит на Земле», — рассказывает член рабочей группы по проекту «Венера-Д», заведующий лабораторией сравнительной планетологии ГЕОХИ РАН Михаил Иванов.
Вид Венеры с центром в 0° восточной долготы
На заре той геологической истории Венеры, которую можно отследить сегодня, уже существовали обширные высокогорные плато высотой примерно 1–2 км. В некоторых местах они поднимаются до 6 км, есть на Венере и горная цепь, подобная земным, — плато Лакшми. Вокруг этого плато находится оторочка из высоких гор — до 11 км. В основном же Венера — достаточно плоская планета. Поэтому не залитыми лавовыми потоками остались лишь гористые участки поверхности, и именно они могут хранить историю об эволюции.
Венера очень важна для человечества в связи с процессом глобального потепления на Земле, поскольку это естественная лаборатория для изучения парникового эффекта. Температура на поверхности — 460℃, давление — почти 100 атмосфер, причем на 96,5% атмосфера состоит из СО2 — одного из парниковых газов. Изучение Венеры важно и для понимания устройства экзопланет, так как открываемые «землеподобные» экзопланеты похожи скорее на Венеру, чем на Землю. Атмосфера Венеры совершает полный оборот очень быстро — всего за 4 дня. При этом сама планета медленно вращается вокруг своей оси: один год на Венере длится 224 земных дня, а солнечные сутки составляют 117 земных суток. Получается, что период обращения атмосферы в 60 раз быстрее периода обращения планеты. Это явление называется суперротацией.
Судьба проекта
«Индекс «Д» в названии миссии «Венера-Д» означает «долгоживущая». Но когда мы начали работать над этим проектом, быстро стало понятно, что высокотемпературной электроники, которая сможет действительно долго проработать на поверхности Венеры, у нас нет. Поэтому основным элементом миссии решено было сделать посадочный аппарат типа «Венера-ВЕГА», который изготавливался НПО им. Лавочкина. Стоит отметить, что в НАСА не запускали исследовательские миссии к Венере с начала 1990-х. Оказалось, что научные задачи проекта «Венера-Д» согласуются с дорожной картой исследования Венеры, прорабатываемой НАСА. Американское агентство предлагает дополнить проект своими аппаратами и научными приборами. Миссия получается очень сложной и дорогостоящей, но когда она осуществляется совместно двумя агентствами, это удешевляет ее для каждой из сторон», — говорит сопредседатель рабочей группы по миссии «Венера-Д» с Российской стороны, заведующий лабораторией спектроскопии планетных атмосфер ИКИ РАН Людмила Засова.
В 2013 году была создана объединенная рабочая группа Роскосмос/ИКИ–НАСА по проекту «Венера-Д». С тех пор идет совместная работа по проработке миссии. К сожалению, после 2014 года проект «Венера-Д» был исключен из Федеральной космической программы России. Он был фактически закрыт. Но в 2015 году работа над проектом возобновилась, и в августе 2018 года в Москве прошла уже восьмая встреча рабочей группы.
Снимок поверхности посадочным аппаратом «Венеры-13». Источник: http://mentallandscape.com
Снимок поверхности посадочным аппаратом «Венеры-14». Источник: http://mentallandscape.com.jpg
На сегодня в состав проекта входят орбитальный и посадочный аппараты (Роскосмос), последний проживет на поверхности около двух-трех часов. Также на поверхность Венеры будет спущена долгоживущая станция (НАСА) — она проработает на поверхности не менее 60 суток благодаря высокотемпературной электронике, которая сможет работать при 500℃. Предполагается включить еще 1–4 долгоживущих станции, некоторые из которых проработают на поверхности до 120 дней (НАСА). Возможно также включение аэростатного зонда с контролируемой высотой плавания.
В планы ученых входит создание воздушной платформы для более точного исследования атмосферы Венеры. Речь идет либо об атмосферном баллоне с переменной высотой, либо о большом баллоне размером до 7 метров. Также прорабатывалась концепция надувного «самолета» на солнечных батареях с размахом крыльев до 30 м, способного свободно перемещаться в облачном слое.
Предполагаемый запуск межпланетной космической станции намечен на интервал с 2026 по 2031 год. В это время будет четыре подходящих момента для запуска станции: в 2026, 2028, 2029 и 2031 годах, когда в пути от Земли до Венеры придется преодолеть наименьшее расстояние, что связано с относительным движением двух планет.
Научные задачи
«Венера — планета загадок. Это определение очень подходит для нее. Суперротация; загадочный “неизвестный” ультрафиолетовый поглотитель, ответственный за темные полосы в атмосфере планеты, которые видны в УФ-диапазоне. У планеты отсутствует собственное магнитное поле. Воды на Венере на пять порядков меньше, чем на Земле, хотя при образовании они получили близкое количество воды. В первый миллиард лет после формирования планет Солнце было менее ярким, Венера тогда находилась в обитаемой зоне, и на ней мог быть океан. Она могла быть первой планетой в Солнечной системе, на которой возникла жизнь, поскольку на Земле тогда было еще слишком холодно. Примерно 500–700 млн лет назад на Венере был период гигантских вулканических извержений, и 80% поверхности было залито лавой. Поэтому интересно исследовать области поверхности, где можно обнаружить выход древнего материала — вероятнее всего, это горные районы, так называемые тессеры», — продолжает Людмила Засова.
Впрочем, ученые признают, что в настоящее время наличие жизни на поверхности Венеры маловероятно. Но признаки жизни есть шанс обнаружить в облачном слое, поскольку на высоте 50 км — в нижнем облачном слое — примерно земные условия. Там есть вода, так как облака состоят из капелек серной кислоты, в которых содержится около 20% воды. На Земле известен целый ряд бактерий, способных жить в концентрированном растворе кислоты. И аппаратуру для обнаружения признаков жизни в рамках миссии «Венера-Д» планируется установить на спускаемом модуле.
Полученная аппаратом Mariner 10 фотография ВенерыПолученная аппаратом Mariner 10 фотография Венеры в ультрафиолетовом диапазоне
Основными же задачами миссии «Венера-Д», согласно публикуемым отчетам, являются объяснение причин суперротации атмосферы, изучение и отождествление ультрафиолетового поглотителя и описание эволюции атмосферы.
Место посадки
«При выборе места посадки в первую очередь нужно соблюсти условия безопасности, чтобы посадочный аппарат не разбился. Второе: нужно выбрать место, которое будет наиболее представительным для изучения поверхности Венеры, поскольку мы имеем одну точку опробования на долгие годы. В-третьих, поскольку мы собираемся мерить состав пород на поверхности, мы должны попасть в такую местность, которая не будет сложена из разных типов пород. Иначе интерпретировать состав поверхности будет очень сложно», — рассказывает Михаил Иванов.
Среди подходящих типов местности есть обширные пологие лавовые поля, которые покрывают примерно 35–40% поверхности планеты и формировались примерно одинаковым способом. Источником материала для излияния лавы может быть верхняя мантия Венеры. В таком случае эти равнины представляют собой пробу верхней мантии, состав которой очень важно знать для понимания устройства недр планеты.
Фотографии поверхности Венеры. Источник: http://mentallandscape.com
Другой тип местности — это покровы мелкозернистого материала, выброшенного из ударных кратеров. При попадании метеорита в поверхность Венеры он выбрасывает в атмосферу очень большое количество вещества поверхности. Значит, это вещество выбросов представляет собой хорошую пробу верхней коры планеты. Таким образом, перед учеными стоит выбор между двумя типами материала для исследования.
На борту
На орбитальном модуле и на воздушной платформе будут установлены приборы для исследования облачного ультрафиолетового поглотителя, над загадкой которого ученые бьются уже почти полвека. Ультрафиолетовая камера и ультрафиолетовый спектрометр, установленные на орбитальном модуле, и анализатор частиц на воздушной платформе, спускаемой в облачный слой, должны будут пролить свет на природу этого вещества. Ученые возлагают на это загадочное вещество ответственность за еще одну венерианскую особенность — суперротацию атмосферы. Оно поглощает 50% солнечной энергии в очень узком диапазоне высот верхнего облачного слоя — около 10 км.
«Будут установлены и совершенно новые приборы, благодаря которым мы рассчитываем получить стерео-панорамную съемку места посадки во время спуска и микросъемку места забора грунта, который будет изучен приборами внутри гермоотсека», — комментирует член рабочей группы по проекту «Венера-Д», старший научный сотрудник лаборатории спектроскопии планетных атмосфер ИКИ РАН Николай Игнатьев.
Долгоживущие малые станции, которые планируется посадить на поверхность планеты, смогут в течение двух месяцев наблюдать за метеорологией в местах посадки: измерять скорость ветра, плотность и состав атмосферы. Это очень важная часть миссии, потому что состав нижней атмосферы Венеры — слоя толщиной примерно 10 км над поверхностью — практически неизвестен. Скорости ветров, дующих в приповерхностных областях, важны в метеорологическом отношении, так как дадут представление об активности ветрового переноса, о перераспределении материала поверхности ветром и о процессах обмена моментом между атмосферой и поверхностью — ключевом вопросе для понимания суперротации. Возможно, на малые станции будут установлены сейсмометры.
Сейсмозондирование — это единственный способ исследовать структуру планетных недр. В случае сейсмического события ударная волна распространяется с разными скоростями в разных типах вещества, отражается на границах внутренних структур и в результате показывает строение планетных недр. Но для качественного понимания структуры внутреннего строения при помощи сейсмометра нужно много ударных событий. И хотя Венера — довольно сейсмически активная планета, вероятность того, что за отведенные два месяца случится достаточное число сейсмических событий, не очень велика.
Другая важная задача, которая стоит перед исследователями Венеры, — создание верифицированной модели глобальной циркуляции атмосферы, что позволит понять природу суперротации атмосферы на этой планете.
Николай Игнатьев уточняет: «Для моделей общей циркуляции атмосферы нужны скорости нагрева и выхолаживания в атмосфере, то есть нужен суммарный поток излучения. При спуске в атмосферу радиометр сможет измерить поток солнечного излучения или теплового излучения планеты. Необходимы и измерения профиля температуры, который предполагается промерять на дневной и ночной сторонах на высотах от 5 до 100 км, используя также температуру вблизи поверхности, которая будет измеряться долгоживущей станцией. Пока же моделям не хватает наблюдательных данных и понимания механизмов, которые в эти модели должны быть заложены».
Структура атмосферы Венеры
Отдельным вопросом для ученых является эволюция атмосферы Венеры. Для ее изучения потребуются измерения благородных газов и их изотопов. Для этого на орбитальном модуле будет установлен затменный спектрометр, который позволит наблюдать атмосферу планеты на просвет — на Солнце или на звезды. С помощью этого прибора можно будет также измерять поглощение и уточнять отношение содержания «тяжелой» и «легкой» воды на Венере. Измерения же ключевых для эволюции и происхождения атмосферы изотопных соотношений будут производиться на посадочном аппарате.
«Венера-Д» благодаря составу элементов миссии, а также планируемым научным экспериментам является прорывным проектом в изучении Венеры. Сложные современные приборы требуют достаточно длительного времени и значительных средств для разработки и тестирования. Поэтому необходимо начинать финансирование разработки научной аппаратуры как можно скорее», — заключает Людмила Засова.
