От луны до марса что обозначает
Единственный в мире ученый-геолог, побывавший на нашем естественном спутнике, дает ценные советы тем, кому предстоит в будущем посетить Красную планету
Cорок лет назад, в июле 1969 г.. на поверхность Луны впервые ступило живое существо. Не высадятся ли люди и на Марс еще лет через сорок? Президент США Барак Обама подтвердил широкий круг целей космических экспедиций, обозначенный в 2004 г. его предшественником: к 2010 г. вывести из эксплуатации шаттлы, разработать новую линию ракет под названием Ares, к 2020 г. вернуться на Луну и. возможно, к середине 2030-х гг. высадиться на Марсе. Этой программе присвоено название Constellation («Созвездие»).
Сегодня политиков волнует не столько Марс, сколько пауза между прекращением полетов шаттлов и первым полетом по программе Ares, в течение которой США будут зависеть в деле запуска астронавтов на орбиту от России или частных компаний. Если вначале предполагалось, что эта пауза продлится два года, то сегодня говорят уже о шести годах, и администрация Обамы заявила, что бывшему руководителю аэрокосмической программы Норману Огастину (Norman Augustine) поручено пересмотреть всю программу, чтобы выяснить, как можно скорректировать график ее выполнения.
Хотя до полетов на Марс еще очень далеко, NASA все же разрабатывает космический аппарат с прицелом на будущие межпланетные полеты. Его создатели руководствуются опытом Харрисона Шмитта, которым он делится в приведенной ниже статье. Над длинной узкой долиной Тавр-Литтров громоздятся горы, высота которых больше, чем у стен Большого Каньона в Колорадо. Яркое Солнце, ярче, чем где-либо на Земле, освещает покрытое кратерами дно долины и крутые склоны гор. резко контрастирующие с совершенно черным небом. В ходе завершения программы Apollo в 1972 г. мы с Джином Сернаном (Eugene Cernan) три дня изучали эту долину, возраст которой составляет около 4 млрд лет. а также несколько более молодые вулканические скалы и частично заполняющий долину вулканический пепел. Это был первый и пока единственный случай, когда геолог мог изучать другой мир непосредственно на месте. Сегодня США, Европейский Союз. Россия и другие международные партнеры планируют экспедиции на Марс для проведения полевых исследований, возможно, уже в первой трети текущего столетия. Что будет новым, а что знакомым для первых геологов, которые шагнут навстречу красному восходу?
Большинство отчетов об экспедициях в рамках программы Apollo , сосредоточиваются на их исторической значимости и технических достижениях, обеспечивших осуществление этих экспедиций, но их участники помнят и о человеческой стороне дела: пешем передвижении по поверхности Луны, откалывании образцов пород геологическим молотком, перетаскивании камней и определении своего местоположения в чуждых условиях. Принципы и методы полевых исследований, которые мы применяли, знакомы любому геологу. Основы не менялись.
Целью были, как обычно, докумен тирование и изобразительная фик сация структуры, относительного возраста и изменений особеннос тей местности, чтобы получить ос нования для предположений об их происхождении и ресурсах, кото рые могли бы когда-либо обеспечить возможность существования циви лизации в этих местах.
Факт проведения работ вне Зем ли не меняет принципов планиро вания и осуществления экспеди ции, в частности способов сбора и документирования образцов. Соб людение этих принципов становит ся даже более важным, поскольку повторное посещение того же места оказывается гораздо менее вероят ным. В частности, для полного осоз нания научной и общечеловеческой ценности результатов исследований неизменной остается необходимость присутствия человека с его опытом и воображением.
При анализе каждого нового объек та мы основываемся на опыте изуче ния предшествующего объекта, как уже более двух веков поступают гео логи на Земле. Мы должны постоян но задаваться вопросами сходства и различия. Как будут соотноситься геологическое строение Марса, его доступность, стратегия исследова ний и оптимальный состав команды с опытом, полученным в ходе выпол нения программы Apollo ?
Полевые работы на Луне
Геологические особенности Земли сформировались в результате исклю чительно сложных воздействий. Зем ная кора, магма, вода и атмосфера взаимодействуют между собой; оке анические и континентальные пли ты разламываются и сталкивают ся; на Землю падают тела из космо са; ландшафт изменяет и биосфера, включая человека. А в случае Луны влияния в течение последних четы рех миллиардов лет были в основном внешними и ограничивались ударами метеоритов и воздействием час тиц солнечного ветра, обладающих большими энергиями.
У Луны нет атмосферы, поэтому ее поверхность открыта воздейс твию космического вакуума. Метеориты и кометы, иногда размером всего с пылинку, летящие со ско ростью несколько километров в се кунду, бомбардируют и изменяют горные породы, их обломки, стекло и пыль. Этот процесс сформировал то, что считается лунным грунтом; покрывающий самые древние вулканические потоки и более старые формы, образованные бомбардировкой, слой мелких и частично стекло видных обломков, называемых лун ным реголитом, толщина которого достигает нескольких метров. По этому полевые исследования Луны требуют от геолога способности ви деть вглубь. Чтобы выявить грани цы раздела или контакты пород, мне нужно было представить себе, как постепенное формирование и рас пространение реголита в результа те бомбардировки расширило и ос лабило первоначальные контрасты цвета и структуры минералов.
Так, в долине Тавр-Литтров на Луне я изучал контраст между тем ными мелкозернистыми натеками базальта и более древними обло мочными породами, которые назы вают ударными брекчиями. Когда он формировался, он должен был быть четким: резкой границей двух типов пород. Однако космическое воздействие в течение 3,8 млрд лет размыло его на несколько сотен мет ров. В других местах граница меж ду отложениями пылевой лавины и темным реголитом размылась
за 100 млн лет со времени сошест вия этой лавины всего на несколько десятков метров. Понимая процес сы, активно изменявшие эти кон тактные зоны, я смог установить их первоначальное положение. Таким же образом и на Земле геолог дол жен определять, как земные про цессы выветривания затушевыва ют или скрывают места контакта и структуры нижележащих пород.
Для идентификации разных ти пов пород в открытых глыбах при полевых исследованиях на Луне не обходимо понимание эффектов не прерывной микрометеоритной бом бардировки. Когда о поверхность ударяются частицы, имеющие очень большую скорость, они обра зуют локализованную высокотем пературную плазму и плавят породу в точке удара. Выброшенная плазма и расплавленная порода переоткла дываются на близлежащих поверх ностях, образуя на всем камне тон кую коричневатую патину, содержа щую чрезвычайно мелкие частицы железа. Как на Земле в засушливых зонах геологу нужно видеть сквозь «загар пустыни» — налет на поверх ности скал и камней, так и мне приходилось быстро просматривать об разцы и понимать, что может ле жать под этой патиной, до того как раскалывать камень молотком.
Мелкие ударные лунки, проры вающие лунную патину, содержат стекло разных цветов, характеризу ющее различия химического соста ва подвергшихся ударам минералов. Там. где ямка возникла на белом ми нерале (например, плагиоклазовом полевом шпате, основном компонен те вулканических пород), в ней образуется светло-серое стекло с чет ким белым пятнышком, вызванным паукообразным растрескиванием структуры минерала. Там, где удар пришелся на минерал, богатый же лезом или магнием, стекло получа ется зеленым. Знание этих процес сов позволило мне определять со став пород на глаз.
Что найдут исследователи на Марсе ?
На Красной планете специалисты ожидают увидеть влияния, похожие как на земные, так и на лунные, т.к. она имеет промежуточный размер. И действительно, наши углубляю щиеся знания о рельефе Марса уже подтверждают существование этих смешанных процессов. Со време ни получения первых снимков, сделанных орбитальными фотокамера ми и марсианской станцией Viking . мы знаем, что геологические формы Марса образовались в результате совместного воздействия внутрен них и внешних влияний.
В отличие от Луны. Марс имеет атмосферу, хотя и разреженную — давление на его поверхности состав ляет около 1% давления на уровне моря на Земле. Существование этой атмосферы изменяет общую геоло гическую картину, которую иссле дователи должны будут оценить, чтобы идентифицировать и про анализировать нижележащие по роды. Атмосфера Марса «отфильтро вывает» мелкие метеориты и ядра комет — те. которые могли бы обра зовать кратер диаметром меньше 30 м. Поэтому поверхность не пок рыта продуктами ударного распыления, как на Луне, а в качестве основ ного мигрирующего материала вы ступает переносимая ветром пыль. Эта пыль возникает вследствие раз ных причин: ветровой эрозии пород, обвалов и оползней, ударов и хими ческих реакций. Она образует рых лые дюны, которые исследователям, возможно, нужно будет огибать, как приходится обходить глубокие снежные заносы на земных равни нах и горных перевалах. Ведь мар соходы Spirit и Opportunity времена ми застревали в пыли.
Несмотря на фильтрующий эф фект атмосферы, поверхностные и подповерхностные структуры большинства обнаженных марсианских образований сформирова ны в основном ударными воздействиями. Первым геологам придется расшифровать выбросы, разломы и ударные модификации пород. Однако не все породы связаны с удар ными процессами. Во многих рифтовых долинах и в других регионах преобладают слоистые породы, на поминающие осадочные или вулканические пласты. Реголит ударного происхождения покрывает не всю поверхность, и многие обнажения подстилающих марсианских пород доступны для обычного геологичес кого изучения и взятия образцов.
На Луне воды нет. но на Марсе жидкая вода сформировала неко торые ландшафты и образовала но вые минералы. Лабораторные иссле дования лунных пород не выявили в них минералов, содержащих воду, но орбитальные датчики и анализы марсианских минералов, проведен ные роботами, обнаружили на Мар се разнообразные водосодержащие глины и сульфаты, возможно, осажденные из воды. Более того, в отли чие от Луны, породы которой содер жат неокисленное металлическое железо, на Марсе есть обширные от ложения окисленного железа (гема тита Fe 2 O . J , что также свидетельс твует о воздействии жидкой воды . Марсианский гео лог должен быть готов интерпре тировать гораздо более широкий спектр минералов, чем тот, с кото рым мы столкнулись на Луне. Кроме того, вода переносит материал. Она создает долины, а некоторые удары метеоритов, по-видимому, растап ливают подповерхностный лед, со здавая грязевые потоки.
В результате марсианский рего лит обычно состоит из ударных вы бросов и обломков, принесенных грязевыми потоками и паводками, с прослойками принесенной ветрами пыли. В полярных областях он содержит также водяной лед и твер дый диоксид углерода (СО2) в виде инея, что недавно подтвердил по садочный аппарат Phoenix . Лунный реголит намного менее сложен.
Вследствие этих отличий Марса от Луны перед марсианскими геоло гами в поле встанут новые трудно сти. Им все равно понадобится спо собность видеть вглубь, но здесь она должна быть больше похожей на ту, какая нужна на Земле, где приходит ся учитывать эффекты переноса ма териалов под действием ветра, воды и силы тяжести. В некоторых отно шениях исследования могут оказать ся более легкими, чем на Луне. Сним ки с Марса показывают, что хотя мелкая переносимая ветром пыль образует на многих породах очень тонкое покрытие, похожее на патину, но ветер часто очищает поверхность, так что пылевой налет не будет серь езно мешать визуальной идентифи кации пород и минералов.
Несомненным сходством с лунны ми условиями исследований будет наличие зрительных искажений. В вакууме и в разреженной атмос фере наш мозг обычно недооценива ет расстояния. С подобной проблемой люди сталкиваются в условиях очень прозрачного воздуха в земных пустынях и горах. Отсутствие таких привычных объектов, как дома, де ревья, кусты, вышки ЛЭП и т.п., усу губляет проблему. Впервые ее отме тил Нил Армстронг после посадки Apollo 11 на Луну. Я научился вно сить поправки, сравнивая настоя щую длину моей тени с кажущейся: оценка дистанции в результате по вышалась примерно на 50%.
Шутки с глазами играет и поверхностная пыль. На Луне она вызыва ла интенсивное обратное рассеива ние света при взгляде прямо со сто роны Солнца. Это так называемый эффект нимба, который наблюда ется и на Земле: он виден как яркое размытое пятно, когда смотришь на свою тень на снегу или на тень самолета при полете над лиственным лесом или пашней. На Марсе астро навты также столкнутся с этим яв лением. Обратное рассеивание дает некоторое количество света в тени, тогда как при взгляде в сторону Сол нца тени освещаются лишь слабым светом, отраженным от других эле ментов рельефа. Для каждого сним ка нам приходилось регулировать диафрагму фотокамер в зависимос ти от ориентации по отношению к Солнцу. В фото- и видеокамерах для будущих исследований нужно будет предусмотреть автоматичес кое приспособление к условиям ос вещения.
На Луне я чувствовал себя очень лег ко. Я объясняю это чувство комфор та сильной мотивацией, хорошей подготовкой и высоким доверием к команде поддержки на Земле. Но от Земли до Луны можно долететь всего за трое с половиной суток, а до Марса, с использованием ракетных двигателей на обычном химическом топливе, — в лучшем случае за семь- восемь месяцев. Даже если это будут двигатели на ядерном топливе или иные, что позволит сократить дли тельность путешествия благода ря непрерывному ускорению и тор можению корабля, все равно полет займет несколько месяцев. Благо даря такой изолированности мар сианской команды она будет в го раздо большей степени зависеть от собственных сил и возможностей, чем лунная.
Несмотря на это, я не думаю, что психологические аспекты станут большой проблемой. Осознание, что на обратный путь понадобят ся как минимум несколько меся цев по сравнению с немногими дня ми для возвращения с Луны, может плохо повлиять на некоторых лю дей, но исследователи на Земле пре одолевали и эту, и более серьезные трудности. В прежние времена ис катели приключений часто попадали в ситуации, когда вернуться домой им было почти так же труд но, как будет первым марсианским командам, и при этом они не имели никаких средств связи. Мотивация участников экспедиций на Марс, их подготовка, уверенность в своей ко манде и инстинкт самосохранения останутся такими же, какие были у участников экспедиций по про грамме Apollo . Каждый будет очень занят работой на космическом корабле и его обслуживанием, науч ными исследованиями, физичес кими упражнениями, тренингами на симуляторах с целью подготов ки к будущим задачам, обновлени ем планов исследований и другими делами. И если история космичес ких полетов может служить каким- то показателем, то главной психо логической трудностью для членов команды должно оказаться выде ление личного свободного времени для отдыха. Тем, кто будет планировать экспедицию, следует иметь это в виду.
Первоочередным ограничением эффективности исследований на Марсе станет необходимость носить скафандр, в котором поддержива ется нужное давление. Скафандр Apollo 7 LB , который мы надевали во время исследований в долине Тавр- Литтров на Луне, позволил нам про делать удивительно большую рабо ту «в поле» в очень неблагоприятных условиях. Давление в нем поддержи валось на уровне 0.255 бар, т.е. около четверти атмосферного давления на уровне моря на Земле. При необ ходимости я мог пробежать несколь ко миль «лыжным стилем» в стабильном темпе со скоростью почти 10 км/ч. С нашим снаряжением мы, работая командой, могли довольно быстро собирать образцы, фотографировать их и складывать в мешок. Примерно за 18 часов работы мы собрали около 113 кг образов пород и реголита. И все же я хотел бы, что бы скафандр обеспечивал намного лучшую подвижность ног. корпу са и рук, чем Apollo 7 LB . Что рабо тало очень плохо и вызывало боль шую усталость и травмы, так это перчатки скафандра. Для последу ющих полетов на Луну и полетов на Марс их нужно будет как-то усовер шенствовать. Подвижность пальцев была очень ограниченной, а пред плечья уставали уже через полча са работы. Было такое ощущение, словно я постоянно сжимаю тен нисный мяч. После восьмичасово го отдыха болезненных ощущений в мышцах не оставалось — это одно из преимуществ более эффективной работы сердечно-сосудистой систе мы в условиях вшестеро меньшей силы тяжести. Но после трех похо дов продолжительностью от восьми до девяти часов я очень сомневался, что смогу еще что-то сделать натер тыми руками с травмированными пальцами, — и это было результатом плохой конструкции перчаток.
Возможно, космические скафан дры будут модифицированы таким образом, что перчатки или их экви валенты позволят работать почти так же свободно, как без них, а сам скафандр станет почти столь же гибким, как обычный лыжный кос тюм. Вероятно, планировать мар шруты помогут полевые помощни ки-роботы. Кроме того, из опыта астронавтов, построивших Между народную космическую станцию (МКС), мы сегодня знаем методы фи зической подготовки, обеспечивающие превосходное состояние мышц рук для длительной нагрузки. Дру гие новые процедуры и оборудова ние должны еще повысить эффективность исследований.
Политическая срочность и пробный характер первых планов и разрабо ток по программе Apollo давали мало возможностей для регулярного под бора опытных полевых геологов в качестве членов лунных экспедиций. NASA выбирало в первую оче редь опытных летчиков-испытате лей и военных летчиков. Все члены команд должны были иметь хорошее образование, опыт и уверенно поль зоваться оборудованием и метода ми, необходимыми для выполнения полета. Места для геолога-пассажи ра не предусматривалось. Только один полевой геолог оказался обу ченным летному делу — это был я.
С возвратом к подготовке лунных экспедиций в рамках программы Constellation на ближайшие десять лет или около того это положение должно измениться. Профессио нальных полевых геологов необхо димо включить в состав всех экспе диций на Луну, создавая этим прецедент для путешествий на Марс. Как и случае нескольких последних экспедиций по программе Apollo , все члены команд и групп их рабо чей поддержки должны быть как можно лучше знакомы с реальной геологической проблематикой. Оп тимальной для первых экспедиций будет команда из четырех человек: двух профессиональных пилотов, прошедших дополнительную под готовку в качестве полевых геоло гов и инженеров по системам (как и в экипажах кораблей Apollo ); одно го профессионального полевого гео лога, дополнительно подготовленно го как пилот, инженера по системам и полевого биолога: одного профес сионального полевого биолога с до полнительной квалификацией вра ча и полевого геолога.
При такой комплексной подготов ке членов экспедиции ее успех будет зависеть не только от каждого отде льного участника, но и от командной работы. Каждый член экспедиции на Марс должен не только быть способ ным к внесению профессионально го вклада в общую работу, но и абсо лютно соответствовать иерархичес кой структуре команды, чувствовать себя в ней свободно и безусловно ком фортно. Исторический опыт показы вает, что маленькие изолированные команды добиваются наибольшего успеха, когда ими руководит автори тетный опытный лидер.
Исследования Марса будут отли чаться от исследований Луны во мно гих отношениях. Во-первых, посколь ку длительность путешествия будет измеряться не днями, а месяцами, команда должна будет в течение все го полета постоянно тренировать ся в выполнении процедур посадки и орбитального полета. В случае эк спедиций на Apollo мы репетировали посадку на тренажере на Земле, при чем последняя репетиция проводи лась за несколько дней до старта, т.е. меньше чем за неделю до запланированного управляемого спуска на Луну. В случае полета на Марс время от старта до посадки составит около девяти месяцев — слишком большой срок, чтобы можно было обойтись без тренировок в полете.
Во-вторых, осуществление боль шинства традиционных функций управления полетом с Земли бу дет невозможным из-за длительно го времени поступления сигналов (до 22 минут в один конец). Поэтому земному руководству придется ог раничиться теми действиями, ко торые не требуют прямого контак та с командой, например анализом и синтезом данных, планированием на очередную неделю, монито рингом систем и расходуемых ма териалов, планированием обслу живания и развитием программы работ. Функции непосредствен ного управления кораблем и рабо тами на месте астронавты долж ны будут выполнять сами. Напри мер, экспедиция может состоять из двух команд: группы, которая вы садится на Марс, и группы, кото рая останется на орбите для работы в качестве орбитального центра управления. Когда первая группа вер нется на орбиту, вторая может вы садиться в другом месте для иссле дования другого участка.
В такой степени самостоятельнос ти нет ничего нового. Даже в ходе программы Apollo , когда мы плани ровали исследования еще на Земле, пользуясь имевшимися фотосним ками, NASA предоставляло коман дам достаточную свободу для про ведения, если будет возможность, анализа незапланированных объ ектов. Так, в конце второго пери ода исследований в ходе экспеди ции Apollo 17, когда до конца работ на этом участке оставалось всего 30 минут, я заметил оранжевое стек ло на краю кратера Шорти. Не ожи дая указаний от центра управления экспедицией. Джин и я начали опи сывать породу, фотографировать ее и брать образцы. У нас не было вре мени обсуждать этот план с руко водством, но мы сразу поняли, что нужно делать. Точно такой же под ход всегда потребуется и от команды на Марсе, т.к. руководство на Земле получит сведения о новой находке лишь через десятки минут.
Третье отличие от лунных экс педиций будет состоять в том, что ввиду огромных затрат на каждую экспедицию и их огромной истори ческой важности подход к иссле дованиям должен быть полностью ориентирован на успех. Если даже что-либо пойдет не так, астронав ты должны будут продолжать рабо ты и выполнить все поставленные задачи. Например, корабль в идеа ле должен быть готов принять двух участников высадки, если окажется, что одному не справиться. Да лее, при неисправностях в работе систем или программного обеспе чения на этапах входа в атмосферу, спуска или посадки астронав ты должны будут высаживаться на планету, а не возвращаться на орбиту, как предписывалось программой Apollo . Когда группа будет доставле на на Марс, неполадки со временем можно будет устранить, консульти руясь с Землей.
Сегодняшние молодые люди будут иметь счастливую возможность изу чать Красную планету, если их ро дители и деды подготовят им ее. Это будет нелегко. Как и во всем в мире, здесь присутствует риск. Велики будут не только ценность приобре тенных новых знаний, но и потери в случае прекращения работ. Если исследования Марса вновь задер жатся по отношению к уже заплани рованным срокам, то американцам придется плестись в хвосте проек тов других стран. Более того, без последовательных усилий по изуче нию того, как исследовать, а впос ледствии и заселять другие миры, сам факт существования человечества будет поставлен под угро зу ударов астероидов и комет, путе шествующих по Солнечной системе. Любознательность, уроки истории и инстинкт самосохранения требу ют, чтобы мы продолжали двигать ся дальше в космос.
Харрисон Шмитт. В Мире науки. № 9. 2009.
Источник