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, Н. Н. Сытинской и др.

Мы помним, что еще Г. А. Тихов 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 "морей" Марса по фотографиям со светофильтрами получил Н. П. Барабашов в 1933 г., а по спектру - Е. Л. Кринов в 1935 г. В дальнейшем такие исследования были выполнены Н. Н. Сытинской и систематически проводились на Харьковской обсерватории под руководством 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.

Рис. 8. Кривые спектральной отражательной способности материков Марса и песков земных пустынь (по Н. Н. Сытинской и Е. Л. Кринову)

Чтобы иметь возможность охарактеризовать цвет небесного тела одним числом, астрономы давно уже ввели понятия показателя цвета и цветового избытка. 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 материков 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 (Fe₂G₃·nH₂О), 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 профессора Д. Я. Мартынова, "эра лимонита" кончилась. Лимонит оказался 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, море 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 сероватой. 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 такой 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 спектральная 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 Райта, 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 открытие в 1956-1958 гг. американским ученым У. Синтоном в спектре "морей" Марса трех полос 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 природе "морей" Марса располагали астрономы в докосмический период.

Колориметрические наблюдения Н. П. Барабашова, 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).

Рис. 9. Кривые спектральной отражательной способности 'морей' Марса: БК - Н. П. Барабашов и И. К. Коваль, К - И. К. Коваль, Д - О. Дольфюс

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 порошков. Поведение поляризационных кривых в разных участках спектра зависит и от состава вещества поверхности (рис. 10).

Рис. 10. Поляризационные кривые для материков Марса (♂) и порошков минералов, Гм - гематит, Л+Г - смесь лимонита и гетита (по О. Дольфюсу)

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.

Этим 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 наблюдений Дольфюса, поляризации "морей". Наибольшие отклонения от "средней" поляризационной кривой наступали весной и держались до конца лета соответствующего полушария.

Как только ни пытались астрономы объяснить сезонные изменения в "морях". Шведский астроном Сванте Аррениус еще в 1911 г. предложил гипотезу о том, что "моря" Марса подобны земным такырам - глинистым пустыням, покрытым соляными корками. При увлажнении они намокают и темнеют. Но, как показал Дольфюс, кривая поляризации для такыров резко отличается от наблюдаемой на Марсе.

В 1947 г. французский астроном А. Довилье изучил ряд кристаллических минералов, приобретающих определенную окраску под действием ультрафиолетовых лучей и теряющих ее при увлажнении парами воды. Дольфюс отклонил гипотезу Довилье по тем же причинам; к тому же максимум потемнения не совпадал с максимальным содержанием водяных паров в атмосфере Марса.

Уже в 1965 г. польский астроном Р. Смолуховский предложил иной вариант гипотезы Довилье: породы в "морях" окрашиваются солнечными ультрафиолетовыми лучами, причем степень этого окрашивания зависит от температуры и возрастает в теплое время года. Этот механизм не противоречит данным поляриметрии, но требует резких усилений контрастов "морей" с материками в периоды хромосферных вспышек на Солнце, чего не наблюдается.

Американский астроном Д. Мак Лафлин в 1954 г. предложил "вулканическую" гипотезу, согласно которой "моря" сложены вулканическим пеплом, выбрасываемым при извержениях и рассеиваемых ветрами, дующими в постоянных направлениях. Предположение Мак Лафлина об активном вулканизме на Марсе (поддержанное советским астрономом С. К. Всехсвятским) получило полное подтверждение в ходе космических полетов последних лет, его предположение о наличии на планете отложений вулканического пепла - тоже, но не в таких масштабах, как это предполагал Мак Лафлин.

Американский астроном Дж. Койпер в 1957 г. выдвинул предположение, что темные области на Марсе - это поля застывшей лавы, аналогичные лунным "морям" и (какое предвидение!) темным пятнам на Меркурии^*. Причину сезонных перемен в их окраске Койпер видел в том, что воздушные течения, имеющие сезонный характер, в одни сезоны наносят пыль и песок на поверхность лавы, а в другие - сдувают их.

^* (Фотографирование поверхности Меркурия с близкого расстояния американской космической станцией "Маринер-10" в марте 1974 г. показало, что он очень похож на Луну, хотя площадь лавовых "морей" на нем значительно меньше.)

Критикуя гипотезу Койпера с точки зрения ее соответствия наблюдениям, Дольфюс выдвинул два возражения: во-первых, поляриметрия не показала существенных различий в гладкости материков и "морей"; во-вторых, у гладких поверхностей типа застывшей лавы поляризационная кривая имеет иной вид, чем у "морей" Марса.

С лавовыми покровами Койпера получилось так же, как с отложениями пепла Мак Лафлина: фотографии с космических аппаратов показали, что они действительно имеются в различных местах поверхности Марса, но вовсе не устилают сплошь территорию марсианских "морей".

Наконец, в 1967 г. американские астрономы Дж. Поллак и К. Саган предложили оригинальную гипотезу "сдувания", удовлетворявшую всем фотометрическим и поляриметрическим наблюдениям и не требовавшую наличия в морях каких-то особых покровов. Идея этой гипотезы состоит в том, что "моря" лежат в среднем выше материков и на них будут оседать более крупные зерна пыли (100-200 микрон), чем в светлых областях. Это и порождает различие в светлоте (слой мелкой пыли всегда светлее). Весной и летом изменение метеорологических условий вызывает в свою очередь измерение скорости зональных ветров и, как следствие, увеличение среднего размера частиц в темных областях и их потемнение. Однако гипотеза Поллака и Сагана не получила подтверждения в ходе исследований марсианского рельефа: "моря" оказались вовсе не возвышенностями, а скорее областями, переходными от возвышенностей к низинам. О дальнейших попытках выяснить природу "морей" мы расскажем ниже.