Взлёт 2006 03

Притяжение Марса часть 3

Владимир ЩЕРБАКОВ

В предыдущих номерах нашего журнала (см. «Взлёт» №11/2005, с. 44-47, №12/2005, с. 44-47) мы уже рассказали об основных целях и некоторых технических нюансах очередной американской научной экспедиции по исследованию Марса. Напомним, она началась 12 августа прошлого года, когда с космодрома на мысе Канаверал с помощью ракеты-носителя «Атлас V» в космос была выведена автоматическая межпланетная станция MRO (Mars Reconnaissance Orbiter). Ее встреча с Марсом запланирована на 10 марта этого года. После прибытия к месту своего назначения орбитальный модуль MRO начнет реализацию основной научной задачи экспедиции – подробное исследование атмосферы и поверхности Марса. Особую надежду американские ученые возлагают при этом именно на последнее – изучение поверхности и приповерхностных слоев Красной планеты. Судя по набору научной аппаратуры, размещенной на борту орбитального модуля, исследования будут проводиться в широком диапазоне: от ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов волн до ультракоротковолновых радиоволн. Хотя принимающие участие в программе специалисты с сожалением констатируют тот факт, что ограниченность по времени работы (функционирования) станции, а также относительно ограниченные объем памяти бортового компьютера и пропускная способность системы связи с наземным центром управления все же не позволят провести подробное изучение всей поверхности Марса. С другой стороны, уникальные открытия могут быть сделаны когда угодно и в любом районе этой до сих пор во многом загадочной для нас планеты.

Для более эффективного использования высокоточной и высокочувствительной аппаратуры орбитального модуля MRO специалистами НАСА была разработана следующая трехуровневая стратегия проведения научных исследований: ежедневный мониторинг всей доступной площади поверхности планеты (уровень «малого разрешения»), изучение отдельных регионов и уже затем – подробное изучение наиболее перспективных объектов или небольших по площади районов (уровень «высокого разрешения»).

Орбитальный модуль MRO несет на борту шесть основных комплектов научной аппаратуры и два дополнительных комплекса, которые предназначены для выполнения отдельных экспериментов. Кроме того, имеется специализированный навигационный и ретрансляционный комплекс.

Научно-исследовательское оборудование предназначено для проведения в течение двух лет основного рабочего периода восьми различных программ исследований Марса. Последние сгруппированы по трем направлениям, соответствующим вышеупомянутой стратегии научных исследований: глобальное картографирование по верхности планеты, изучение отдельных регионов и подробное, высокоточное исследование нескольких районов на поверхности Красной планеты, представляющих наибольший интерес для ученых.

Для решения вышеописанных задач на орбитальном модуле установлены:

– оптическая камера высокого разрешения HiRISE;

– малогабаритный видовой спектрометр CRISM;

– контекстная фотокамера CTX (Context Camera);

– радиолокационная станция SHARAD;

– станция MCS для зондирования атмосферы планеты;

– цветная камера MARCI.

HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment – «научный эксперимент с выполнением съемки с высоким разрешением») считается основной научной аппаратурой MRO и предназначена для выполнения фотосъемки малых и сверхмалых объектов на поверхности планеты (наименьший размер различимого объекта составит всего 1 м), а также определения геологического состава каньонов, кратеров и выступов породы на поверхности Марса. Уникальность «эксперимента» заключается в том, что прибор подобного уровня никогда ранее на автоматических межпланетных станциях не устанавливался.

Для более красочного описания возможностей данной камеры специалисты НАСА используют такое сравнение: по их утверждению разрешение HiRISE настолько высоко, что позволит получить четкое изображение объекта размером с кухонный стол при выполнении фотосъемки участка поверхности Марса шириной 6 км. Говоря же техническим языком, съемка с 300-км высоты будет давать при полосе захвата шириной 6 км разрешение 30 см.

Диаметр основного зеркала входящего в состав камеры кассегреновского телескопа равен 50 см, а поле зрения составляет 1,15°. В фокальной плоскости камеры (ее масса – 66 кг) установлен комплект из 14 детекторов (по 2040х128 пикселей), имеющих разные светофильтры. Десять детекторов с красными светофильтрами (550-850 нм) образуют с малыми перекрытиями линию шириной 20 264 пикселей. Изображение формируется за счет интегрирования во времени 128 последовательных сигналов для каждой точки поверхности (шаг по времени соответствует скорости движения на орбите). Особенностью камеры является наличие еще и двух пар детекторов с сине-зелеными фильтрами (400-600 нм) и фильтром ближнего инфракрасного диапазона (800-1000 нм).

«Марсианский разведчик» над Красной планетой. Серебристый «круг» вверху – антенна направленного действия, основное средство связи с Землей и другими аппаратами. За ней, длинная узкая горизонтальная «черта» – это антенна станции SHARAD. По центру видна укрытая в черный защитный кожух камера высокого разрешения HiRISE. Слева от нее – желтого цвета ретрансляционный комплекс «Электра», а справа – контекстная камера CTX Слева: Станция MRO полностью собрана и установлена на ракету-носитель, стартовый комплекс №41, космодром на мысе Канаверал, штат Флорида

Получение конечного цветного изображения будет достигаться путем совмещения фотоизображений, выполненных с использованием трех разных фильтров. Кроме того, для получения трехмерных изображений наиболее важных объектов будет производиться фотосъемка последних под разным углом (на разных витках модуля на орбите). При этом разрешение таких «объемных» снимков по высоте составит около 25 см (!). По словам специалистов НАСА, данная фотокамера обеспечивает наилучшее с своем классе качество изображения благодаря достигнутому беспрецедентно высокому соотношению «сигнал-шум» (не менее 100) – результат применения новейших технологий в данной области. Объем запоминающего устройства камеры – 28 гигабайт. За два года работы (основной рабочий период) камера передаст на Землю до тысячи снимков с максимальным разрешением и около 9000 изображений более общего плана.

Одними из потенциальных объектов для фотосъемки с использованием данной аппаратуры являются валуны и мелкая галька на дне образований, предположительно являющихся каналами, оставленными потоками воды. Наличие таких объектов, по мнению специалистов НАСА, может свидетельствовать о том, что данные «каналы» действительно являются следствием воздействия потока воды, а не сползающих ледников или потоков вулканической лавы.

С помощью данной камеры будет также выполнена подробная фотосъемка районов полярных «шапок» Марса. В первую очередь ученых интересуют особенности строения слоистой структуры этих шапок, которая предположительно является следствием циклических изменений марсианского климата, а толщина слоев может дать представление о длительности того или иного климатического цикла.

Любопытно, что в одном изображении (снимке) этой мощной камеры может содержаться до 800-1200 мегапикселей, и передача такой «фотки» на Землю займет от 4 до 48 часов (!).

Научным руководителем группы специалистов, закрепленных за данной аппаратурой, является доктор Альфред Мак-Ивен (Dr. Alfred McEwen) из расположенного в г. Тусон Университета штата Аризона (The University of Arizona). Сборка камеры, стоимость которой составляет около 40 млн долл., по заказу университета была выполнена специалистами компании «Болл Аэроспейс» (Ball Aerospace), расположенной в г. Боулдер (Колорадо).

Малогабаритный видовой спектрометр CRISM (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars) установлен на борту орбитального модуля фактически с одной целью – осуществлять поиск объектов (минеральных образований – карбонатов, солей и т.п.), имеющих следы воздействия воды. Для этого будет проводиться спектральный анализ наиболее перспективных с данной точки зрения объектов. В американской специализированной печати утверждается, что в данном спектрометре разработчикам удалось достичь точности на порядок выше по сравнению с аналогичными приборами, устанавливавшимися на отправляемых к Марсу станциях ранее.

Спектрометр CRISM, в состав которого входит телескоп с апертурой 10 см и полем зрения 2° (соответствует полосе на поверхности Марса шириной 10 км), будет работать в двух режимах – наблюдения и «высокой точности» – сначала обследуется большой район и определяются наиболее перспективные места для высокоточного исследования, которое после этого и производится. В первом случае американцы хотят «отщелкать» всю планету с разрешением 100-200 м при задействовании 70 спектральных каналов и выявить несколько тысяч наиболее перспективных объектов. В отношении последних затем будет сделан спектральный портрет в высокоточном режиме – 18 м и 544 спектральных канала. Рабочий диапазон – от 370 (фиолетовый) до 3940 нм (ближний инфракрасный).

Спектрометр, который смонтирован на специальном универсальном шарнире, также планируется использовать для изучения сезонных изменений в составе частиц марсианских пыли и льда, находящихся во взвешенном состоянии в атмосфере Марса.

Руководитель группы – доктор Скотт Мерчи (Dr. Scott Murchie) из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Гопкинса (The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory), г. Лорел (недалеко от Вашингтона, штат Мэриленд). Изготовлен спектрометр там же.

Панхроматическая контекстная камера CTX (Context Camera) предназначена для выполнения панорамной фотосъемки поверхности Марса с целью облегчения последующей привязки «точечных» фотографий, сделанных мощными камерами HiRISE и CRISM.

Утверждается, что камера позволит делать с высоты 400 км фотоснимки районов поверхности Марса до 40 км по диагонали. Разрешение камеры – 6 м/пикс. Предполагается, что данная аппаратура за время экспедиции сможет выполнить в наилучшем разрешении, достаточном для детального исследования морфологии и стратиграфии перспективных с научной точки зрения объектов, фотосъемку не менее 15% поверхности планеты. Фотокамера – панхроматическая, выдает черно-белые снимки, и имеет поле зрения 5,8°. Регистрирующее устройство представлено в виде линейки из 5000 элементов.

Руководитель группы – доктор Майкл Малин (Dr. Michael Malin). Аппаратура предоставлена возглавляемой им компанией «Малин Спейс Сайенс Системз» (Malin Space Science Systems), г. Сан-Диего, штат Калифорния.

Радиолокационная станция для зондирования подповерхностного слоя Марса SHARAD (Shallow Subsurface Radar). Данная аппаратура предназначена, как можно понять из названия, для зондирования верхнего слоя поверхности Красной планеты, что позволит определить наличие скоплений льда, различных пород и, если есть, жидкой воды. Глубина зондирования – до 1 км (пространственное разрешение составит 0,3-3 км). При этом радар в состоянии достаточно точно разделять подповерхностные слои толщиной не менее 10 м.

Ученые планируют в первую очередь проверить те области планеты, где аппаратура станции «Марс Одиссей» (Mars Odyssey, запущена в апреле 2001 г.) обнаружила в приповерхностном слое аномалии, предположительно являющиеся скоплениями водяного льда. Однако, «Одиссей» смог прозондировать только небольшой верхний слой грунта глубиной не более 1 м.

SHARAD способен также с высокой степенью вероятности отличать скопления водяного льда от слоев собственно воды. В случае, если он обнаружит грунтовую воду, руководство НАСА может назначить данные районы в качестве мест исследований – либо с использованием марсоходов, либо же в ходе пилотируемых экспедиций.

Данную аппаратуру планируется использовать и для составления карты марсианских каналов, и для изучения внутренней структуры полярных шапок Марса, а также для определения глубины залегания скальных пород в отдельных районах планеты. Радиолокатор будет использоваться в тесном взаимодействии с другой научной аппаратурой орбитального модуля для более точной интерпретации получаемых с его помощью данных.

Наиболее перспективным районом определен район Меридиани Планум (Meridiani Planum), где совершил посадку американский марсоход «Оппотьюнити» (Opportunity).

Конструктивно антенна радиолокатора включает два излучателя длиной по 5 м, которые направлены в сторону от трассы полета модуля. Согласно опубликованной информации, SHARAD будет посылать импульсы длительностью 85 мс в диапазоне от 15 до 25 МГц (мощность 10 Вт). Преимущественно его планируется использовать на ночной стороне планеты. Раскрытие антенны станции будет произведено после окончания аэродинамического торможения модуля MRO и выхода его на заданную орбиту.

Руководитель научной группы – доктор Роберто Сью (Dr. Roberto Seu) из римского университета «Ла Сапьенца» (La Sapienza).

Головным подрядчиком по контракту для исполнения заказа на сборку радара Итальянское космическое агентство (ASI) определило римскую компанию «Алениа Спацио» (Alenia Spazio). Со своей стороны НАСА также назначило для работы с SHARAD группу специалистов во главе с доктором Роджером Филипсом (Dr. Roger Philips) из Вашингтонского университета (The Washington University), Сент-Луис.

Станция MCS (Mars Climate Sounder) представляет собой по большому счету типичный метеозонд и предназначена для проведения зондирования атмосферы планеты. Она будет набирать информацию, которая позволит изучить вертикальные вариации температуры, содержание водяного пара, льда и пыли в атмосфере в масштабе планеты для составления карты суточных, сезонных и ежегодных изменений.

Станция будет проводить зондирование марсианской атмосферы (в видимом и инфракрасном диапазонах) в вертикальном и горизонтальном направлении, что даст возможность составить полную картину того, как вышеуказанные элементы распределены по высоте и в зависимости от районов Марса. При осуществлении сканирования в направлении «горизонт» MCS будет способен определять состояние атмосферы до высоты 80 км (отсчет от поверхности планеты) в слоях толщиной до 5 км. По результатам наблюдений ежедневно будет составляться трехмерная метеокарта – для дневного и ночного времени суток. Данные, полученные с помощью этого прибора, позволят ученым НАСА более четко понять структуру марсианской атмосферы, определить ее точный состав и выявить особенности климата и погодных аномалий на планете. Это поможет также более подробно изучить характер взаимодействия солнечных лучей (солнечной энергии) с атмосферой и поверхностью Марса, а также получить представление о сезонном перераспределении содержащегося в атмосфере Марса водяного пара над различными районами планеты.

Особый интерес, по словам представителей НАСА, представляют полярные области Марса, где по тому, какое количество солнечной энергии поглощается поверхностью планеты, можно будет составить представление о том, какой объем углекислого газа здесь выделяется в течение года.

Вверху: Сборка камеры высокого разрешения HiRISE

Вид снизу на орбитальный модуль MRO. Запечатлен момент использования станции SHARAD, которая должна «заглянуть» под поверхность Марса

Работа метеозонда MCS. Используя 9 каналов спектра, станция вначале обращает свой «взор» в сторону космоса, через атмосферу Марса, в результате чего ученые получают вертикальный «профиль» – замеры по высоте выполняются от поверхности до высоты 80 км, с шагом 5 км. Затем станция разворачивается в сторону поверхности планеты и проводит еще один сеанс измерений. На основе полученных измерений составляются трехмерные суточные карты погоды в масштабах всей планеты – отдельно для дневного и ночного времени суток. По итогам измерений, проводимых на протяжении целого марсианского года, можно будет получить практически полное представление о марсианской погоде и климате. Со временем специалисты НАСА надеются даже создать группу для прогноза погоды на Марсе

В опубликованном НАСА отчете утверждается, что MCS представляет собой вариант приборов аналогичного назначения (типа PMIRR), которые были установлены на утраченных (погибших) марсианских станциях «Марс Обзервер» (Mars Observer) и «Марс Климат Орбитер» (Mars Climate Orbiter). Однако на этот раз аппарат получился менее тяжелым и более компактным. Он состоит из двух телескопов с апертурой 4 см, которые размещены в едином корпусе, что позволяет наводить последний как на горизонт, так и в надир без переориентации самого орбитального модуля.

Имеющиеся в составе прибора детекторы регистрируют интенсивность излучения в девяти диапазонах: одном широкополосном в диапазоне частот от 300 до 3000 нм, а остальные восемь – в тепловом инфракрасном диапазоне в пределах от 12 до 50 мкм.

Руководитель научной группы – доктор Дэниэл Мак-Клиз (Dr. Daniel McCleese) из Лаборатории реактивного движения (ЛРД) НАСА (Пасадена, штат Калифорния). Собран прибор также в ЛРД, но при содействии инженеров и ученых из британских университетов (Оксфордского, Кардиффа и Ридина).

Цветная камера MARCI (Mars Color Imager) предназначена в основном для изучения облаков в атмосфере и пыльных бурь на поверхности Марса и выполнения ежедневного мониторинга поверхности и атмосферы планеты в глобальном масштабе. Она в состоянии делать цветные снимки и вести наблюдение в ультрафиолетовом диапазоне.

По заявлению представителей НАСА, данную аппаратуру планируется использовать и для изучения вариаций озона в атмосфере Красной планеты (озон и водяной пар – это антагонисты: если в одном месте больше озона, то там имеется меньшее количество воды и наоборот). Использование цветовых фильтров пяти видимых диапазонов – 425, 550, 600, 650 и 725 нм – позволит ученым определять состав облаков. Ультрафиолетовые фильтры (два – 250 и 320 нм) планируется использовать для получения данных об изменениях в количественном составе озона в атмосфере.

Конструктивно данный научный прибор состоит из двух камер – широкоугольной и узконаправленной. Широкоугольная камера имеет поле зрения 180°, что позволяет получать на одном снимке изображение всей видимой части поверхности Марса. При этом разрешение может быть установлено в диапазоне от 1 до 10 км.

Фактически MARCI – это копия камеры аналогичного назначения, которая была установлена на борту станции «Марс Климат Орбитер», которая была потеряна американцами и свою задачу не выполнила. Отличие нынешнего прибора заключается в наличии уже упоминавшегося широкоугольного объектива типа «рыбий глаз», который позволит компенсировать развороты орбитального модуля, необходимые для наведения основных научных приборов на интересующие ученых НАСА объекты.

Руководитель группы – уже упоминавшийся доктор Майкл Малин. Аппаратура предоставлена возглавляемой им компанией «Малин Спейс Сайенс Системз» из Сан-Диего.

Еще два научных исследования, которые будут проведены с помощью орбитального модуля MRO, не потребовали установки каких-либо дополнительных приборов и аппаратуры. Дело в том, что в качестве научного прибора в этих случаях используется непосредственно сам аппарат – то есть орбитальный модуль.

Первый научный эксперимент связан с гравитационными исследованиями (Gravity Field Investigation Package). Его суть будет заключаться в исследовании параметров гравитационного поля изучаемой планеты на основе величины того возмущения, которое оно будет оказывать на сам орбитальный модуль при его нахождении на орбите Марса. Это позволит получить информацию о распределении вещества на и под поверхностью планеты.

Как отмечают американские исследователи, данные, полученные в ходе гравитационных исследований предыдущими марсианскими станциями, выявили районные (региональные) вариации в гравитационном поле планеты, что вызвано различиями в толщине коры, сезонными изменениями толщины полярных шапок и другими факторами.

Учитывая тот факт, что MRO будет находиться на орбите, которая на 30% ниже, чем орбиты предыдущих работавших у Марса орбитальных станций «Марс Глобал Сервайер» и «Марс Одиссей» (Mars Global Surveyor и Mars Odyssey), полученные данные будут более полными, и в результате гравитационное поле планеты будет картировано более детально.

В частности, ученых НАСА весьма интересует вопрос утоньшения коры под рифтовой зоной Долины Маринера (Valles Marineris). Запланировано также составление карты распределения вулканических пород (веществ) в районах крупных вулканов, имеющихся на поверхности Марса, и изучение характера ударных воздействий на поверхностные структуры Марса в древнюю эпоху в свете изменения формы и структуры коры планеты.

Ожидается, что полученные данные дадут представление о незаметных пока незначительных изменениях в распределении массы различных пород в поверхностном слое планеты, возникающих вследствие истекания углекислого газа из поверхностного слоя Марса (и наоборот – его возвращения обратно и аккумулирования его там в виде так называемого «сухого льда»). Ученые также надеются, что проводимые в ходе данного эксперимента гравитационные измерения позволят определить количество «водяного» снега, оседаемого в зимнее время на поверхность планеты в высоких широтах.

Научный руководитель группы – доктор Мария Зубер (Dr. Maria Zuber) из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology), Кембридж. В работе также принимают участие специалисты из входящего в состав НАСА американского Центра космических полетов Годдарда (NASA's Goddard Space Flight Center), Гринбельт, штат Мэриленд.

Второй эксперимент – это исследование структуры атмосферы Марса (Atmospheric Structure Investigation), в ходе которого по измерениям акселерометров станции в период аэродинамического торможения будет выполнено изучение вертикальной структуры верхнего слоя марсианской атмосферы. Это позволит оценить ее плотность в зависимости от высоты, выявить динамику и произвести расчет профилей давления и температуры. Последнее даст ученым возможность оценить эффективность процесса потери воды в ходе фотодиссоциации на водород и кислород.

Исследование структуры атмосферы будет проходить, согласно предварительным расчетам специалистов НАСА, в течение не менее 500 орбитальных витков станции, на высотах от 95 до 200 км. Ожидается, что полученные в ходе данного эксперимента научные данные приоткроют частично и завесу над тайной исчезновения воды с Марса. В настоящее время рассматриваются различные варианты. Например, под воздействием солнечной радиации мог произойти распад молекул воды на атомы водорода и кислорода с последующим уходом первого в открытый космос, либо же часть воды все же сохранилась – но только под верхним слоем грунта планеты. Рассматриваемый здесь научный эксперимент позволит дать ответ на вопрос о возможности первого варианта.

Ранее аналогичные эксперименты уже проводились – при помощи станций «Марс Глобал Сервайер» и «Марс Одиссей», и также в ходе их аэродинамического торможения. При этом в первом случае измерения показали, что даже при возникновении пылевой бури средней интенсивности в южном полушарии происходило немедленное троекратное возрастание плотности верхних слоев атмосферы в северном полушарии. Тогда же ученые также зафиксировали наличие гигантских волн плотности атмосферы планетарного масштаба, которые могли при определенных условиях вызвать гибель орбитальной станции, если она находилась на не достаточно высокой орбите. Наблюдения позволили также специалистам НАСА разработать специальную методику по проведению безопасного аэродинамического торможения межпланетных станций у Марса.

В ходе аэродинамического торможения станции «Марс Одиссей» учеными было обнаружено такое явление, как «зимнее полярное потепление» в районе северного полюса Марса. Оказалось, что зимой в северном полушарии температура в верхних слоях атмосферы на 100°С больше, чем ожидалось. В ходе аэродинамического торможения нынешней станции MRO ученые предполагают наблюдать аналогичный температурный эффект зимнего периода в верхних слоях атмосферы в районе южного полюса Марса.

В пресс-релизе НАСА, посвященном данной программе, указывается, что на борту MRO установлено новое электронное оборудование компании «Ханиуэлл» (Honeywell), которое позволит получить более чем в 100 раз лучшие показатели по отношению «сигнал-шум», чем это было достигнуто на станции «Марс Одиссей». Это, в свою очередь, позволит проводить измерения на более высоких орбитах, чем ранее, давая тем самым возможность более полного изучения окружающей среды (в том числе и на предмет получения подтверждения возможности «истекания» атомов водорода в открытый космос, о чем говорилось немного выше).

Научный руководитель группы по данному эксперименту – доктор Джеральд Китинг (Dr. Gerald Keating) из Университета Джорджа Вашингтона (George Washington University), Вашингтон.

Что касается навигационного и ретрансляционного комплекса «Электра», то о нем мы рассказывали ранее – во второй части нашего материала.

Модуль MRO над поверхностью Марса