Венерианские «грозы» Леонида Ксанфомалити
В нашей Солнечной системе Земля — «оазис», в котором сложились благоприятные условия для возникновения и развития жизни. Но какой была наша планета пару миллиардов лет назад? Какой она будет через сотни-тысячи-миллионы лет? Чтобы попытаться это понять, можно посмотреть на космических соседей Земли — холодный Марс и горячую Венеру. Насколько своеобразны инопланетные стихии? Бывают ли там, например, грозы?
Венерианские молнии — предмет многолетних исследований доктора физико-математических наук Леонида Васильевича Ксанфомалити (1932—2019). Читателям «Науки и жизни» он хорошо знаком. Леонид Васильевич был блестящим популяризатором! Рассказывал на страницах журнала об астрономической обсерватории «Пик Терскол» («Астрономическая обсерватория на склоне Эльбруса», № 11, 2004 г.), об исследованиях Титана («Экспедиция “Гюйгенс” к Титану, спутнику Сатурна», № 3, 2005 г.), о проблемах космологии («Тёмная Вселенная. Сюрприз космологии к 100-летию открытия Эйнштейна», № 5, 2005 г.), экзопланетах («Планетные системы звёзд», № 11, 2006 г.), марсианских водоёмах прошлого («Горные потоки и бассейны на Марсе», № 9, 2009 г.), кометах («Разрушение небесных айсбергов», № 6, 2011 г.) и даже о «кошачьей» физике («Мой кот в зеркале школьной физики», № 8, 2007 г.). Но, конечно, самой запоминающейся стала дерзкая гипотеза о возможности существования жизни на поверхности Венеры — о ней читатели журнала узнали одними из первых («Жизнь, кажется, нашли. Но не там, где искали», №№ 5, 6, 2012 г.).
Итак, могут ли возникать электрические разряды в атмосфере других планет? Ответ на этот вопрос был получен 21 декабря 1978 года — космический аппарат «Венера-12» впервые зарегистрировал радиочастотные сигналы в венерианской атмосфере. Открыл её, напомним, М. В. Ломоносов — в 1761 году. В 1956 году американские исследователи установили, что Венера излучает в радиодиапазоне, и предположили, что всплески радиошумов вызваны молниями в атмосфере планеты. Но, как выяснилось, радиоизлучение исходит главным образом от сильно нагретой поверхности планеты, а также от горячих нижних слоёв тропосферы — и к электрическим разрядам отношения не имеет. Оптическим излучением молний пытались объяснить иногда наблюдавшееся пепельное свечение ночной стороны Венеры (первую спектрограмму такого свечения в 1954 году получил пулковский астроном Н. А. Козырев), однако, как показывали расчёты, молний для этого должно быть очень много — в тысячу раз больше, чем на Земле.
Чтобы однозначно ответить на вопрос, бушуют ли на Венере грозы и сверкают ли там молнии, надо было погрузиться в венерианскую атмосферу…
В 1961 году был дан старт советской космической программе по изучению Венеры. Спускаемые аппараты обнаружили могучие ветры, существующие на уровне облачного слоя планеты (50—70 километров от поверхности). А мощным турбулентным движениям должны сопутствовать процессы накопления в облаках электрических зарядов. Ввиду значительной высоты венерианских облаков вероятность разрядов, достигающих поверхности, сразу представлялась небольшой, но хорошо известные на Земле разряды «облако — облако» вполне могли бы возникать.
Анализ состава венерианской атмосферы, начатый аппаратом «Венера-4» в 1967 году, поставил вопрос о происхождении некоторых малых её составляющих. Теоретически они могли быть сгенерированы молниями. Доказано, что в канале молнии проистекает целая россыпь химических реакций, и был даже предложен своеобразный индикатор молний — оксид азота NO.
Для прямой регистрации электрических разрядов в атмосфере требовалась специальная аппаратура. И в 1976 году разработкой прибора «Гроза» для миссий «Венера-11» и «Венера-12» занялся заведующий лабораторией инфракрасной радиометрии и фотометрии Института космических исследований (ИКИ) Академии наук CCCР Леонид Ксанфомалити. Это был миниатюрный (масса всего 650 г) радиоприёмник-спектроанализатор длинных и сверхдлинных волн, способный работать при температуре до 500°C. Детектору предстояло зарегистрировать разряды от молний, микрофону — акустические сигналы, которые можно было бы интерпретировать как сопровождающий молнии гром. Электронику и частично оптику для своих приборов Ксанфомалити, большой радиолюбитель (в юности работал в радиомастерской), создавал самостоятельно.
Тем временем стало известно о теоретических выкладках американского исследователя Т. Хары: он рассмотрел условия, которые приводят к возникновению электрических разрядов в атмосферах, и пришёл к выводу, что они выполняются на Венере и Юпитере. Юпитерианские молнии тысячекилометровой протяжённости в 1979 году обнаружит «Вояджер-1».
Операция «Гроза»
21 декабря 1978 года десантный аппарат «Венера-12» начал спуск в венерианской атмосфере. Через 9 минут после включения «Грозы», на высоте 60 километров, был зарегистрирован первый пакет импульсов примерно из сотни разрядов, ещё через 8 минут — второй.
По мере снижения аппарата амплитуда радиошумов стала падать, а после посадки снизилась до уровня шумов самого приёмника. За все 110 минут работы аппарата на поверхности была зарегистрирована лишь одна большая группа импульсов — на 32-й минуте с момента посадки.
По аэродинамическим причинам при спуске «десантник» вращался, и пока ещё нельзя было полностью исключить вероятность того, что слабые разряды образовывались в результате трибоэлектрического эффекта. Через четыре дня, 25 декабря, к планете должна была приблизиться «Венера-11»…
Одиннадцатый «десантник» опускался по точно такой же трассе, почти в тот же район планеты. Но насколько отличалась регистрируемая прибором картина! Напряжённость поля была гораздо выше. В этот день разыгралась сильнейшая электрическая буря, каждую секунду — по 20—30 разрядов. Через несколько минут буря утихла, но на очереди была следующая. Все сомнения рассеялись. Ксанфомалити писал: «Удалось показать, что низкочастотные радиошумы связаны с происходящими в атмосфере электрическими процессами. Атмосферные помехи, которые были первыми радиосигналами, зарегистрированными радиоприёмником А. С. Попова на Земле, существуют и на Венере!»1
1 Ксанфомалити Л. В. Новые исследования Венеры // Земля и Вселенная. 1979. № 4. С. 12.
Обработка данных оказалась весьма трудоёмкой. В результате удалось найти угловые размеры источника — всего 5°, затем — энергию разрядов для разных вариантов расположения источника. Напряжённость электромагнитного поля лучше всего соответствовала условию, когда источник с энергией, типичной для земной молнии (1015 эрг), удалён на 1700 километров от аппарата. Это очень далеко. Сильная рефракция, определяемая высокой плотностью венерианской атмосферы, увеличивает дальность наблюдения на 15—20% по сравнению с Землёй. Но и в таком случае необходимо было допустить, что венерианские грозы дают в десятки раз больше молний, чем земные.
Источником радиошумов оказалась область с горизонтальной протяжённостью около 100 километров и толщиной всего 1—2 километра, расположенная на высоте 60—70 километров (облачный слой).
«Гроза» зарегистрировала множество импульсов, похожих на атмосферики — электромагнитные волны низкой частоты, появляющиеся в земной атмосфере при разряде молний. 28 декабря 1978-го похожие импульсы зарегистрировал американский орбитальный аппарат «Пионер-Венера-1».
Советские и американские исследования планировались и осуществлялись независимо, однако идентичные научные цели диктовали проведение сходных экспериментов. Но в отличие от «Грозы», установленной на спускаемом аппарате, американский детектор OEFD работал на спутнике, орбита которого проходила выше основных слоёв ионосферы. Так что преимущество «Грозы» было в том, что наблюдения проводились в самом волноводе «поверхность — ионосфера», тогда как OEFD был экранирован от него нижними слоями ионосферы.
Из-за этого OEFD фиксировал лишь малую часть явлений, но даже таким методом удалось собрать обширный материал. В дальнейшем американцы смогли привязать принятые импульсы к конкретным точкам на планете — орбитальный аппарат проработал до 1982 года, периодически оказываясь над разными районами Венеры. Именно несколько лет работы OEFD полностью подтвердили открытие Ксанфомалити.
Руководителем эксперимента OEFD был физик-теоретик Фредерик (Фред) Л. Скарф, один из ведущих мировых специалистов в области плазмы. С момента открытия венерианских молний он контактировал с коллегами из СССР почти десять лет. Скарф был одним из пяти американских учёных, которые продолжили сотрудничать с советской космической программой даже после того, как NASA было запрещено принимать в ней непосредственное участие. Ксанфомалити и Скарф подружились. Началось с того, что телетайп отстучал сообщение из Лос-Анджелеса: «Поздравляю вас с открытием гроз на Венере на три дня раньше, чем открыл их я». Затем было личное знакомство, совместные статьи, главы в коллективных монографиях.
В июле 1988 года 57-летний Скарф прилетел в Москву на конференцию, посвящённую запуску советской автоматической межпланетной станции (АМС) «Фобос-2». Скарф участвовал в подготовке научной программы «Фобосов», на аппаратах были установлены его приборы. К сожалению, эта поездка закончилась трагически. Скарф буквально рухнул на пол в стенах ИКИ и был срочно доставлен в одну из московских больниц, где 17 июля скончался. Ксанфомалити чтил память об американском друге — постоянно упоминал его в своих книгах, статьях, интервью.
…Природа электрической активности в атмосфере Венеры требовала дальнейшего изучения. На Земле наибольшие заряды накапливаются в облаках с каплями переохлаждённой воды или в облаках из ледяных кристалликов. Если же облако состоит целиком из жидких капелек одинакового состава (как в случае сернокислотных облаков Венеры), то напряжённость поля должна быть небольшой. Многие исследователи вообще сомневались в возможности накопления заряда в среде, содержащей аэрозоль из сильного электролита — серной кислоты. Кроме того, дело не только в качестве аэрозоля, но и в его количестве, ведь полная масса аэрозолей в облаках Венеры существенно меньше, чем в земных.
В 1979 году Ксанфомалити предположил, что электрическая активность венерианской атмосферы может иметь с грозами, в чисто земном их понимании, лишь внешнее сходство в виде электрических разрядов. А в 1980-м американский астроном Т. А. Крофт, выполнив собственный анализ результатов эксперимента «Гроза» и особенностей распространения радиоволн в плотной венерианской атмосфере, заявил, что, судя по всему, разряды происходят ниже 30 километров, то есть километров на 20 ниже границы облачного слоя.
Ксанфомалити принялся за модификацию своего прибора. В результате была создана «Гроза-2», установленная на десантных аппаратах «Венера-13» и «Венера-14». 1 и 5 марта 1982 года в ходе спуска тринадцатого и четырнадцатого «десантников» в венерианской атмосфере были снова обнаружены многочисленные электрические разряды. Почти все события отмечались, когда аппараты находились ниже уровня 30 километров.