Возвращение на Венеру. Интервью с ведущим научным сотрудником ИКИ РАН Людмилой Засовой

Венера… Свое имя она получила в честь богини красоты, желания и процветания. Однако в научном сообществе ее чаще называют зловещим близнецом Земли. Удушливая атмосфера из углекислого газа, облака из серной кислоты, температура 470° C и давление в 90 раз больше земного — условия, которые, казалось бы, совсем не подходят для проведения научных экспериментов. Между тем советские посадочные аппараты могли проработать около двух часов на поверхности Венеры, в течение которых научные приборы передавали ценнейшую информацию об этой планете. Но вот уже почти 40 лет как о прямых измерениях в атмосфере и на поверхности соседки Земли забыли, отдав предпочтение исследованиям более «сговорчивого» Марса. В 2029–2031 г. Россия (так же, как NASA и ЕSA) снова вернется на Венеру. Чего ожидать от миссии «Венера долгоживущая»? Приоткроет ли она тайны нашей зловещей соседки, что станет возможным только при прямых измерениях в атмосфере и на поверхности? Рассказывает ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Людмила Засова.

— Венеру и Землю называли сестрами. Что у них общего, а что кардинально отличает одну планету от другой?

— Действительно, эти две планеты часто называют сестрами или близнецами. Каждый из нас невооруженным глазом мог видеть Венеру как яркую звезду на закате или перед восходом Солнца. Это та самая «вечерняя» и «утренняя звезда».

В каком-то смысле Земля и Венера — планеты-сестры. У них практически одинаковые размер, масса и плотность. Обе планеты получают одинаковое количество энергии от Солнца; хотя Венера расположена ближе к светилу, ее облачный слой отражает около 80% поступающей энергии. Пожалуй, на этом сходства и заканчиваются.

Венера — это «адский» близнец Земли. Ведь температура поверхности Венеры оценивается в 470º C, а давление — в 92 атмосферы, как если бы вы погрузились в океан на километр. Условия, в общем-то, очень суровые. Вдобавок ко всему Венера расположена близко к Солнцу, при этом собственного магнитного поля у планеты нет.

Еще одна уникальная особенность Венеры — суперротация атмосферы. В прошлом веке астрономы пришли к выводу, что верхние слои плотного облачного слоя Венеры движутся намного быстрее ее поверхности — примерно в 60 раз. Так, период вращения планеты составляет 243 земных дня, тогда как атмосфера на верхней границе облаков (70 км) совершает полный оборот всего за четверо суток.

На Венере практически нет воды. Если взять всю воду в атмосфере Венеры и осадить на поверхность, то получится слой в 3 см. Для сравнения: на Земле вся вода, включая океаны, создаст слой в 3 км.

Считается, что Венера и Земля образовались из одного протопланетного материала. Но в процессе эволюции каждая из планет прошла свой путь. Исследование возможных причин продолжается по сей день. Среди основных причин выделяют, конечно, отсутствие магнитного поля и близость Венеры к Солнцу.

— А что говорит научное сообщество по поводу медленного вращения Венеры?

— Медленное вращение Венеры не вполне понятно. Вероятно, дело в том, что она расположена близко к Солнцу, пытающемуся затормозить вращение планеты своим приливным воздействием. Например, медленное вращение Меркурия объясняется тем, что оно происходит синхронно с Солнцем. Поэтому он всегда обращен к Солнцу одной стороной. Звезда пытается заставить и Венеру вращаться синхронно.

Но это не объясняет, почему Венера вращается вокруг своей оси в обратную сторону. Согласно современным предположениям, основная причина заключается в том, что Венера и Земля находятся в состоянии приливного резонанса. Это подтверждает один любопытный факт. Венера вращается таким образом, что делает полный оборот вокруг своей оси три раза за 729 земных суток. А Земля за это время делает ровно два оборота вокруг Солнца, то есть во время максимального сближения с Венерой (в нижнем соединении) соседка всегда обращена к Земле той же самой стороной.

Другие ученые связывают обратное вращение с термическими приливами — градиентом давления, возникающим из-за неравномерного нагрева планеты Солнцем. Однако однозначного ответа пока нет.

На самом деле мы очень мало знаем о Венере. И, хотя это ближайшая к нам планета, Венера остается планетой «инкогнито».

— А с чем это может быть связано? Почему, например, Марсу уделялось и уделяется больше внимания?

— Дело в том, что у Марса слабая атмосфера. Она позволяет разглядеть поверхность планеты, всегда вызывающей повышенный интерес ученых и общества в целом. Да и условия на поверхности значительно ближе к земным, чем у Венеры. Вспомните, как в XIX в. были открыты так называемые марсианские каналы и многие посчитали, что на Марсе есть жизнь. Когда появились более совершенные телескопы, оказалось, что никаких каналов там нет. Поверхность Марса гористая, она испещрена кратерами.

В Советском Союзе исследования Венеры были весьма успешными, а вот с Марсом не сложилось, хотя первую успешную посадку на Марс совершила именно советская станция «Марс-3». Однако научной информации было получено мало из-за ее очень короткого времени жизни. К сожалению, в новейшей истории России до сих пор не было ни одного космического запуска ни к Венере, ни к Марсу.

Если говорить о Венере, то эта планета сложна для исследований. Все, что можно разглядеть в телескоп, — это плотный однородный облачный слой. До 70-х гг. ХХ в. мы не знали состава облачного слоя, который наблюдали в телескоп. Неожиданностью оказалось то, что Венера покрыта облачным слоем, состоящим в основном из водного раствора серной кислоты с концентрацией 75–80%, причем на всех широтах.

По сути, Венеру открыли благодаря космическим аппаратам. Только представьте: высокая температура на поверхности, агрессивный облачный слой — и при этом еще в прошлом веке десять советских аппаратов благополучно сели на поверхность.

Конечно, это была сложная задача и решалась она постепенно. В 1960-е гг. космическая станция «Венера-4» впервые вошла в атмосферу Венеры, а за ней «Венера-5» и «Венера-6». Однако в те годы ученые и инженеры не подозревали, что на планете такое высокое давление — почти 100 атмосфер, поэтому первые «Венеры» были просто раздавлены на разных высотах от 40 до 20 км. До поверхности первой добралась АМС «Венера-7» (в 1970 г.).

— Известно, что на Венере наблюдается очень сильный парниковый эффект. Почему там сложились подобные климатические условия?

— Как я уже говорила, Венера расположена близко к Солнцу. При формировании Солнца в его недрах запустилась ядерная реакция превращения водорода в гелий. Светимость звезды возрастала. При этом Солнце излучало энергии на 20–30% меньше, чем сегодня. В тот период Венера находилась в так называемой зоне обитаемости, то есть была, с нашей точки зрения, вполне пригодной для жизни. Считается, что на Венере в первые 2 млрд лет, вероятно, был океан, где могла зародиться жизнь.

Со временем Венера постепенно разогревалась. Океан испарялся, создавая в атмосфере парниковый эффект. Под действием солнечного излучения молекулы воды распадались на водород и кислород. Из-за отсутствия у Венеры магнитного поля солнечный ветер буквально сдувал атмосферные составляющие.  

Процесс диссипации атмосферы происходит и сейчас. Измерения на аппарате Европейского космического агентства «Венера-экспресс» показали, что продолжается уход воды с Венеры: соотношение уходящих атомов водорода и кислорода равняется 2 : 1, как и должно быть при расщеплении молекул воды. При этом, как удалось выяснить, на Венере отношение атомов дейтерия (тяжелого водорода) к атомам обычного водорода в 150–200 раз выше, чем на Земле. Это говорит о том, что Венера отдала в космос почти весь свой легкий водород, поскольку тяжелый легче удерживается гравитационным полем планеты из-за более низкой скорости теплового движения молекул.

Таким образом, вода постепенно уходила в космос, а в атмосфере накапливался углекислый газ, который выделялся в результате вулканической активности, запуская сильный парниковый эффект, наблюдаемый нами сегодня.

Важно упомянуть еще один интересный аспект, связанный с климатом на Венере. На планете, вероятно, отсутствует тектоника плит, поэтому внутреннее тепло планеты выделяется главным образом за счет извержения вулканов. За последний миллиард лет Венера прошла эпоху гигантских извержений, когда в атмосферу выделилось огромное количество серных соединений, CO₂ и других элементов.

Поскольку в атмосфере Венеры практически не осталось воды, нет процессов выветривания, осадков, которые разрушают рельеф, поверхность можно изучать в историческом аспекте. В эпоху гигантских вулканических извержений в течение последних 500–700 млн лет лавой было залито 80% поверхности Венеры. Не залитыми остались только гористые районы — тессеры. Считается, что в их составе сохранились породы, образовавшиеся в период, когда на поверхности еще была вода.

— На каждой из планет земной группы ученые пытаются найти биомаркеры, свидетельства жизни. Найдены ли они на Венере?

— В 2021 г. научное сообщество захлестнула эйфория, когда на Венере в облачном слое обнаружили фосфин — бесцветный ядовитый газ, который может иметь биологическое происхождение. Например, на Земле его выделяют в процессе жизнедеятельности некоторые бактерии. Считается, что условия, пригодные для жизни микроорганизмов на Венере, могут в настоящее время существовать в облаках планеты. Атмосфера содержит серную кислоту высокой концентрации, небольшое количество воды, хлор, серу, фосфор и другие элементы, которые бактерии могли использовать для питания.

Если бы подтвердилось присутствие фосфина, это действительно можно было бы считать косвенным свидетельством наличия жизни анаэробных бактерий. Хотя существование других возможных источников происхождения фосфина также не исключено.

Любопытно, что в атмосфере Венеры наблюдаются обширные области неправильной формы, видимые только в ультрафиолетовом спектре, связанные с так называемым неизвестным УФ-поглотителем (неизвестным, потому что в течение полувека так и не удалось отождествить его состав). Интересно, что на Земле есть бактерии, живущие в естественных кислотных источниках, и области концентрации этих бактерий имеют похожий спектр поглощения в УФ, что наводит на мысли о возможной биологической природе УФ-поглотителя на Венере.

— Что ученые говорят о будущем планеты? Существуют ли эволюционные модели Венеры?

— О будущем Венеры говорить сложно. Все планеты Солнечной системы представлены для нас в одном экземпляре, каждая по-своему уникальна. На сегодня открыто множество экзопланет вблизи других звезд, находящихся в так называемой зоне обитаемости, которые как раз больше похожи на Венеру, чем на Землю. Конечно, любая планета со временем меняется.

Если рассуждать глобально в контексте миллиардов лет, будущее Венеры, как, впрочем, и Земли, печально. Солнце медленно, но неуклонно увеличивает мощность своего излучения и раздувается. Через 5–6 млрд лет оно раздуется до гигантского размера, поглощая Меркурий, Венеру и разогревая Землю и Марс.

— Что нам дает изучение Венеры с точки зрения понимания земных процессов?

— Почему мы так хотим понять, как на Венере возник очень сильный парниковый эффект? Мы хотим разобраться, от чего зависит климат на планете земного типа. Например, нам важно понять, что может произойти с температурой на Земле. Не ожидает ли нас судьба Венеры? Ведь концентрация углекислого газа и связанный с ним парниковый эффект в нашей атмосфере непрерывно возрастают. Климатические изменения на Венере позволят лучше спрогнозировать будущее климата на Земле.

— Поговорим подробнее о задачах проекта «Венера долгоживущая». На какие вопросы она должна дать ответы? На каком этапе сейчас находится миссия?

— Прямо сейчас идет завершающая фаза этапа технического предложения (ТП) или фаза А в терминах NASA. Проект «Венера-Д» прошел научно-исследовательскую стадию и перешел к опытно-конструкторской разработке. В техническом предложении содержится информация о составе комплекса «Венеры-Д», научной аппаратуре, ее детальное описание, соответствующее габаритам, весу и задачам проекта.

Проект нацелен на создание орбитального аппарата с мощным комплексом научной аппаратуры, посадочного аппарата типа «Вега», который в 1970-х гг. показал себя как идеальная машина для доставки научной аппаратуры на поверхность планеты и обеспечения ее работы в течение двух часов. Это очень хорошо для подобного сложного комплекса научных приборов.

При работе над техническим предложением мы запрашивали циклограмму работы приборов и спрашивали у экспериментаторов, достаточно ли им будет двух часов для получения важных научных результатов. Коллеги согласились, что этого хватит для получения основной информации.

Важно отметить, что на Венеру 40 лет не садился ни один посадочный аппарат, а до этого — исключительно советские. Исследования проводились только с орбиты. А для понимания происхождения и эволюции планеты необходимо производить прямые измерения в атмосфере и на поверхности.

На «Венере-Д» будут установлены приборы, которые будут измерять и состав атмосферы на спуске. Это позволит изучить содержание летучих и инертных газов и их изотопов, состав облачных аэрозольных частиц и элементов, которые могли бы сигнализировать о наличии жизни в атмосфере Венеры.

Другая интересная задача связана с изучением минералогического состава Венеры. Для этого планируется включить в состав посадочного аппарата бурильную установку. Это тоже вызов для наших инженеров, ведь установка должна бурить грунт при давлении 100 атмосфер и высокой температуре. Полученный материал будет доставлен внутрь аппарата и распределен между четырьмя экспериментами на борту.

Орбитальный аппарат в свою очередь будет изучать состав атмосферы, облаков, природу УФ-поглотителя и исследовать излучение поверхности с орбиты. Современные методы обработки данных позволяют измерять скорость ветра на разных высотах в атмосфере. Это очень сложная методика, но она значима в контексте исследования динамики и причин суперротации, о которой мы говорили.

— Планы действительно масштабные.

— Да, и мы надеемся, что все они реализуются.

— Но времени уже осталось немного.

— Да, запуск запланирован на 2029 г. Предполагается, что на траекторию к Венере с помощью ракеты «Ангара-5» будет выведено 4,8 т полезного груза.

— Каким вы видите российское возвращение на Венеру?

— Это будет первая миссия из серии проектов. В перспективе «Роскосмос» планирует доставить образцы грунта Венеры на Землю. Но этого следует ожидать не раньше середины 2030-х гг. Будет ли это реализовано, сказать сложно, ведь все упирается в финансирование.

— Но возвращаться точно нужно?

— Конечно, все-таки Венера наша ближайшая соседка и во многом близнец Земли. Кроме того, ее изучение поможет нам понять, какие ключевые факторы повлияли на современное состояние ее климата и какое это может иметь отношение к эволюции климата на Земле. Интересно также, почему большинство открываемых землеподобных по размеру экзопланет похожи на Венеру. Стоит ли рассматривать это как неизбежный этап эволюции планеты при определенных условиях? А Земля с катастрофическими климатическими изменениями — не движется ли она в этом плане в сторону Венеры?

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.