Поиски жизни в Солнечной системе - Норман Хоровиц

Эпиграф перед началом этой главы взят из книги сотрудника Ловелла и отражает состояние вопроса на 1962 г. Оптимизм, который сквозит в заявлении Слайфера, в 1962 г. был действительно оправдан. К сожалению, полученные вскоре новые результаты покажут его необоснованность и позволят отнести нарисованную Ловеллом картину планеты с прорытыми марсианами каналами или без оных к области чистой фантазии. За несколько лет научные представления о планете в корне изменятся. Возвышению и падению в наши дни представлений Ловелла о Марсе посвящена остальная часть этой главы.

Увеличение и уменьшение полярных шапок Марса земные наблюдатели считали доказательством наличия на этой планете атмосферы, но ее качественный и количественный состав долгое время оставался неизвестным. Диоксид углерода, который, как мы теперь знаем, является основной составляющей марсианской атмосферы, впервые был обнаружен на Марсе в 1947 г. известным американским астрономом, голландцем по происхождению, Джерардом П. Кюйпером (1905–1973). В своем исследовании Кюйпер воспользовался методом инфракрасной спектроскопии. При спектроскопическом изучении планет солнечный свет, отраженный планетой, собирается телескопом, а затем с помощью призмы или решетки разлагается в характеристический спектр, в данном случае — в спектр инфракрасного излучения. Далее полученный спектр сравнивают с аналогичным спектром, например Луны или, в зависимости от необходимости, другой части той же планеты. Различные соединения поглощают свет разных длин волн, что делает возможным их химическую идентификацию. Сравнивая спектр планеты, имеющей атмосферу, со спектром Луны, у которой атмосфера отсутствует, и учитывая при этом поглощение света в земной атмосфере, можно получить истинный спектр исследуемой атмосферы. Поскольку количество поглощенной энергии зависит от массы поглощающего вещества, такой спектр несет не только качественную, но и количественную информацию. Таким образом, по спектру можно не только установить, какой газ находится на пути света, поглощая его, но и определить концентрацию этого газа.

Рис. 7. Карта Марса с каналами, составленная в 1907 г. Ловеллом Названия различных районов были даны еще Скиапарелли. (Фотография Ловелловской обсерватории.)

Рис. 8. Эта фотография, сделанная в 1911 г., объясняет, почему так трудно изучать Марс с Земли. Как здесь видно, Марс появляется из-за Луны над затемненной частью ее поверхности. Хотя в это время он был относительно близок к Земле, по своим размерам казался не больше самого маленького лунного кратера. (Фотография Ловелловской обсерватории.)

Область длин волн, лежащая за красным концом видимого спектра, называется инфракрасным (ИК-) излучением. В этой спектральной области находятся линии поглощения многих химических соединений. Сопоставив спектр отраженного ИК-излучения Марса с аналогичным спектром Луны, Кюйпер обнаружил, что в марсианском спектре ослаблены линии, соответствующие некоторым длинам волн вблизи 1,6 мкм (микрон: 1 мкм = 10^-6 м). Известно, что эта область длин волн соответствует полосе поглощения диоксида углерода. Кюйпер оценил, что количество СО2 над исследуемой областью марсианской поверхности в два раза больше, чем над такой же (по площади) областью Земли. Исходя из этого, он вычислил, какое давление создает на Марсе диоксид углерода, приняв во внимание, что сила тяготения на этой планете слабее, чем на Земле. Он получил, что атмосферное давление на Марсе равно 0,26 мм Hg (ртутного столба), или 0,35 мбар[14]. Кюйпер ошибся: его результат оказался примерно в 16 раз ниже истинного значения. Эта ошибка имела важные последствия, так как позволила Кюйперу утверждать, что полярные шапки на Марсе не могут состоять из замерзшего диоксида углерода (сухого льда). Если бы давление диоксида углерода было столь низким, как следовало из расчетов Кюйпера, то для вымораживания этого газа из атмосферы потребовалась бы нереально низкая температура. Несколькими годами позже выяснилось, что Кюйпер неправильно рассчитал давление СО2: однако это открытие не повлияло на общий ход событий.

Единственным другим веществом, из которого могли бы состоять марсианские полярные шапки, является вода в замерзшем состоянии: лед, снег или иней: однако поиски в атмосфере Марса паров воды, предпринятые различными астрономами, оказались безуспешными. Поэтому Кюйпер продолжал изучать северную полярную шапку непосредственно методом ИК-спектроскопии. Вследствие малых размеров шапки анализ результатов наблюдений вызывал немалые трудности, но, видоизменяя спектрометр так, чтобы повысить его чувствительность, и многократно повторяя наблюдения, Кюйпер в конце концов убедил себя в том, что "марсианские полярные шапки состоят не из СО2, а почти несомненно из Н2О, замерзшей при низкой температуре". Нота осторожности, звучащая во второй части этого заключения, связана с тем, что спектр отражения марсианской полярной шапки не полностью соответствовал спектру земного снега, полученному Кюйпером.

Здесь он опять ошибся: меняющиеся в зависимости от сезона части шапок действительно образованы из замерзшего диоксида углерода, а не из воды, но эту ошибку обнаружили лишь почти через 20 лет. Напротив, неправильный вывод Кюйпера, казалось бы, подтверждался результатами Одуэна Дольфуса из Парижской обсерватории, который использовал другой метод, основанный на поляризации отраженного света. Обычный неполяризованный солнечный свет представляет собой электромагнитные волны, в которых векторы электрического и магнитного полей колеблются во всех направлениях в плоскости, перпендикулярной направлению распространения светового луча. Однако у света, который отражается, рассеивается или проходит через некоторые специфические вещества, эти колебания происходят в строго определенном направлении. В таком случае говорят, что свет поляризован. Степень поляризации отраженного света зависит от угла зрения, а также от структуры, прозрачности и других физических свойств отражающей поверхности. Дольфус, обладавший большим опытом исследования планет методом измерения поляризации света, решил применить его и для изучения марсианских полярных шапок.

Как и Кюйпер, Дольфус отмечал, что размеры шапок невелики и потому их исследование связано с трудностями. Однако ему удалось сделать несколько измерений, и он обнаружил, что поляризационный эффект оказался намного меньше, чем при аналогичных измерениях на Земле поляризации света, отраженного от лежащих на горных склонах льда, инея и снега, наблюдаемых под тем же углом зрения. Затем Дольфус провел серию лабораторных экспериментов. Они показали, что эффект поляризации, вызванный слоем инея, имел сходство с эффектом поляризации, обусловленным марсианскими полярными шапками, при двух условиях: во-первых, если иней осаждался на холодной поверхности при низком атмосферном давлении (как и должно было происходить на Марсе), и, во-вторых, если при этом он частично возгонялся, т. е. испарялся в твердом состоянии, под воздействием дуговой лампы. Подобное, вероятно, могло происходить с марсианскими полярными шапками под влиянием солнечного излучения. На основании этих результатов Дольфус пришел к выводу, что полярные шапки, по всей видимости, образованы инеем.

Дольфус не проводил сравнительных экспериментов с твердым диоксидом углерода, но явное совпадение его результатов с данными Кюйпера убедило многих исследователей Марса, что вопрос о природе полярных шапок решен. Далее мы цитируем заключение комиссии специалистов, многие из которых впоследствии сделали важный вклад в наши представления о Марсе. Эта комиссия была назначена Советом по космическим исследованиям, созданным для консультаций НАСА на ранних этапах разработки программы по изучению планет. Приведенная цитата дает представление о взглядах ученых.

Инфракрасные спектры света, отраженного от полярных шапок, убедительно свидетельствуют, что эти образования на Марсе состоят не из замерзшего диоксида углерода единственного поддающегося конденсации соединения, наличие которого, кроме воды, можно было бы ожидать; спектры отражения также вполне согласуются с предположением, что полярные шапки образованы льдом… Данные по изучению поляризации пока- зывают, что полярные шапки состоят из инея…

Далее в своем докладе эта же комиссия настаивала на выводах, подобных тем, к которым 63 года назад, в 1898 г., пришел Ловелл. По ее мнению:

… так как полярные шапки состоят из замерзшей воды, их сезонные изменения прямо указывают на то, что в атмосфере Марса присутствуют пары воды. С учетом чередующегося изменения размеров полярных шапок в противоположных полушариях циркуляция нижних слоев атмосферы должна быть такова, чтобы обеспечивать перемещение водяных паров из одного полушария в другое.