Венеру рассмотрят со всех сторон

Вот она какая, Венера, «самая страшная планета в Солнечной системе»! Быков понял, что движение цветных теней, такие незначительные на расстоянии в несколько тысяч километров, есть не что иное, как чудовищные по мощности и скорости изменения в атмосфере.

А. и Б. Стругацкие, «Страна багровых туч»

Объединенная научная рабочая группа по проекту «Венера-Д» была создана в 2013 году. Однако в 2014-м, когда она еще, по сути, не приступила к работе, ее деятельность была остановлена из-за санкций со стороны США. Но уже в следующем году после встречи делегаций РАН и Национальной академии наук США работу возобновили.

С российской стороны в состав группы входят представители «Роскосмоса», Института космических исследований (ИКИ) РАН, Геохи РАН, НПО имени С. А. Лавочкина и ЦНИИмаш. С американской — представители штаб-квартиры и научных центров NASA, университетов и исследовательских центров. ИКИ отвечает в первую очередь за формулирование научных задач и рекомендации по выбору элементов миссии и научной аппаратуры для их решения.

В результате работы группы проработана и предложена для оценки «Роскосмосу» и NASA концепция миссии, состоящая из двух базовых элементов: орбитального и посадочного аппаратов. Оба аппарата — российские.

Научные данные будут передаваться на орбитальный аппарат, а с него — на Землю. Для приема будут использованы российские станции, работающие в Х-диапазоне радиоспектра. Обсуждается также возможность использования американских станций Ка-диапазона, которые позволят многократно увеличить объем передаваемой информации. У нас в России таких станций пока нет.

На данном этапе планируется участие в проекте научных организаций Японии и ряда европейских стран. Япония готова предоставить для орбитального аппарата инфракрасную и ультрафиолетовую камеры (сейчас подобные камеры работают на японской межпланетной станции «Акацуки»), Италия — два картирующих спектрометра (один из которых, VIRTIS, работал на миссии «Венера-Экспресс»), Германия — камеру для наблюдения поверхности на ночной стороне Венеры в ближнем инфракрасном диапазоне спектра, что важно для поиска возможной термальной и вулканической активности.

Эта сложная и беспрецедентная по научным задачам и составу аппаратов космическая миссия может быть запущена с космодрома Восточный с помощью ракеты «Ангара-5». На траекторию полета к Венере предполагается вывести 6,5–7 тонн груза. в зависимости от «окна старта», который намечен на 2026, 2027, 2029 или 2031 год.

Младший научный сотрудник ИКИ РАН, участник научной рабочей группы (JSDT) по проекту “Венера-Д” Дмитрий Горинов

ИКИ РАН

«Проект “Венера-Д” направлен на комплексное исследование Венеры как сложной физической системы, поэтому его научные задачи охватывают все возможные области — от недр планеты до магнитного поля, — рассказал “Стимулу” младший научный сотрудник ИКИ РАН, участник научной рабочей группы (JSDT) по проекту “Венера-Д” Дмитрий Горинов. — В первую очередь мы сформулировали задачи для базовых элементов миссии — орбитального и посадочного аппаратов. Для их решения мы собираем комплекс самых современных научных приборов со всего мира, отдавая приоритет российским инструментам. Нужно понимать, что на данном этапе список приборов не утвержден окончательно, какая-то часть приборов может быть сокращена либо могут быть добавлены новые».

Орбитальный и спускаемый аппараты

Орбитальный аппарат должен исследовать атмосферу Венеры — динамику, структуру, состав, характеристики облачного слоя, ионосферу и магнитосферу. Кроме атмосферы на ночной стороне предполагается анализировать излучение поверхности и искать следы вулканической активности.

На орбитальном аппарате будет установлен комплекс приборов для исследования космической плазмы, предназначенный для изучения ионосферы и магнитосферы Венеры.

Несколько спектрометров от ИК до УФ-диапазона будут исследовать вертикальную структуру атмосферы, ее состав, анализировать атмосферные свечения. С помощью УФ и ИК-камер высокого разрешения ученые рассчитывают улучшить понимание динамики венерианской атмосферы, приблизиться к решению проблемы суперротации и к созданию моделей общей циркуляции.

«Суперротацией в общем смысле является эффект, при котором атмосфера совершает оборот вокруг оси планеты быстрее, чем это делает сама планета, — поясняет Дмитрий Горинов. — В случае Венеры эффект суперротации крайне велик: слои атмосферы на верхней границе облачного слоя (около 70 километров) совершают полный оборот за четверо земных суток, а сама Венера — за 243 суток. Пока не существует полного физического объяснения того, как планета способна поддерживать столь быстро вращающуюся атмосферу. Исследование возможных причин этого феномена — одна из главных задач проекта “Венера-Д”».

Посадочный аппарат будет оснащен системами сбора образцов атмосферы и грунта, которые внутри аппарата будут распределять образцы между несколькими приборами для минералогического и элементного анализа. Панорамные камеры понадобятся для съемки местности вокруг зоны посадки. Спектрометры изучат излучательные свойства и состав атмосферы при спуске.

На посадочном аппарате, который, как планируется, проработает на поверхности Венеры два-три часа, будет установлена малая долгоживущая станция NASA, которая продолжит работу в течение 60 земных суток, после того как основной посадочный аппарат перестанет функционировать. Эта станция будет оснащена метеокомплексом для долговременных измерений на поверхности, а также измерителями концентрации некоторых атмосферных составляющих.

Долгоживущая станция LLISSE (Long Lived In-situ Solar System Explorer) строится на элементах высокотемпературной электроники. Ее отдельные блоки уже доказали свою способность функционировать на протяжении десятков дней в венерианских экстремальных условиях по результатам испытаний в Исследовательском центре имени Джона Гленна. Научная аппаратура долгоживущей станции гораздо проще приборов посадочного аппарата, поэтому ее реализация на высокотемпературной электронике представляется возможной.

«Условия на поверхности Венеры известны нам по измерениям, проведенным советскими посадочными аппаратами “Венера” и “Вега”, — поясняет Дмитрий Горинов. — Они радикально отличаются от земных условий — температура около 470 градусов Цельсия и давление 90 атмосфер, как на дне океана. Кроме того, основной газовой составляющей атмосферы является углекислый газ (около 97 процентов). В таких условиях обычная электроника не способна функционировать. Ожидается, что вследствие быстрого нагрева она выйдет из строя через три часа».

По словам Дмитрия Горинова, взаимодействие атмосферы и поверхности Венеры изучено пока слабо. Предполагается, что из-за почти полного отсутствия воды атмосфера вблизи поверхности весьма химически активна. Особый интерес представляет выветривание поверхности при реакциях с серосодержащими газами. Сера при этих процессах должна уходить в поверхностный материал, но в таком случае ее баланс в атмосфере (так называемый цикл серы) должен восполняться за счет другого механизма. В роли этого неизвестного механизма может выступать вулканическая активность. Измерения концентрации соединений серы и их вариаций, а также состава поверхности смогут помочь восполнить этот пробел в понимании Венеры как физической системы.

Еще один интересный эффект влияния поверхности на атмосферу — стационарные гравитационные волны, возникающие при взаимодействии приповерхностных ветров с крупными возвышенностями. Такие волны распространяются вверх и могут влиять на циркуляцию атмосферы до высоты 100 км.

Дополнительные элементы

Возможно также включение в миссию и дополнительных элементов. К потенциально возможным дополнительным элементам относятся, во-первых, две более сложные станции для изучения сейсмики и атмосферы (предложенные NASA), способные прожить в условиях Венеры 120 суток. Сейчас все модели внутреннего строения Венеры при отсутствии иных экспериментальных данных строятся на основе изучения сейсмических явлений на Земле. Эти станции, если они войдут в состав миссии, — прорывной для науки инструмент. Каждая из них весит 60 килограммов. Они будут отделяться заранее и отдельно входить в атмосферу, независимо от российского спускаемого аппарата.

Второй возможный дополнительный элемент, тоже предложенный NASA, — атмосферная платформа, то есть летательный аппарат, плавающий в атмосфере Венеры. Было предложено семь типов платформ, после обсуждения в специально созданной NASA рабочей группе был выбран вариант аэростата с переменной высотой плавания. Его планируется оборудовать флуоресцентным микроскопом для поиска следов белковых соединений в пробах воздуха.

В облачном слое Венеры, как предполагают ученые, могут существовать примитивные бактерии. Температура и давление в нижнем облачном слое на Венере мало отличаются от условий на поверхности Земли. Сам облачный слой планеты расположен на высоте 50–70 км и состоит из капель серной кислоты с содержанием воды 15–25%. Ранее исследователи обнаружили, что в этой зоне существует так называемый неизвестный ультрафиолетовый поглотитель. Он отвечает за поглощение половины солнечной энергии, поступающей на Венеру.

Третье возможное дополнение — два российских субспутника, которые будут наблюдать Венеру один с дневной, другой с ночной стороны. Основная цель — исследовать плазму солнечного ветра и ее взаимодействие с планетой.