Зачем томские географы и геологи создают самую подробную карту соседней планеты

Ее называют утренней звездой. На небе это самый яркий объект после Солнца. До Венеры пытались дотянуться разными способами: писатели — силой фантазии, ученые — космическими аппаратами. Но за последнее время громких миссий на ближайшую к Земле планету не было.

Все потому, что научное сообщество тщательно готовится и изучает природу одновременно похожей и непохожей на Землю Венеры. В частности, в Томском госуниверситете (ТГУ) международная группа геологов и географов работает над самой подробной картой ее поверхности. Насколько это сложно, чем интересен рельеф этой планеты и похож ли он на земной?

Черно-белая планета

Май 1989-го. Американский космический шаттл Atlantis совершает свой четвертый полет в рамках экспедиции STS-30. Вместе с ним в космос летит зонд «Магеллан», который скоро отправится в долгое (больше года) путешествие до орбиты Венеры. С собой у «Магеллана» радиолокатор с синтезированной апертурой (SAR) для картирования поверхности соседней к Земле планеты. Из-за плотной атмосферы съемка поверхности на фотокамеру невозможна, поэтому в моменты сближения космический аппарат посылает к Венере электромагнитные волны и принимает их отражение, чтобы затем построить двухмерную картинку. Через пять лет «Магеллан» завершит свою миссию, «сфотографировав» 98% поверхности Венеры. Сейчас на основе снимков «Магеллана» научные сотрудники лаборатории геохронологии и геодинамики ТГУ создают самую подробную карту этой планеты в масштабе 1:500000.

Ранее карту поверхности Венеры картировали многие географы в разных масштабах. Кто-то работал над отдельными четырехугольными участками с наиболее интересными особенностями рельефа. В свое время планету поделили на 62 сектора по точкам пересечения меридианов и параллелей и исследовали вулканы, тессеры, разломы в конкретных секторах. Но в 2011 году геологи Михаил Иванов из Института Вернадского (ГЕОХИ) и Джеймс Хэд из Брауновского университета на основе изображений «Магеллана» и ранних советских миссий «Венера-15/16» составили первую глобальную карту поверхности Венеры в масштабе 1:10 млн. На снимках она черно-белая, и гладкие поверхности на ней радарно-темные, а шероховатые — радарно-светлые. Впоследствии другие ученые картировали участки в масштабе 1:5 млн, но первая глобальная карта ответила на многие вопросы о природе геологических процессов планеты, о ее тектонике, типичных структурах рельефа и так далее.

«У них (Иванова и Хэда) была задача описать общую поверхность Венеры, ее состояние и закономерности рельефа,— рассказывает Вадим Рожин, аспирант кафедры географии ТГУ. — Это как с любой новой наукой или территорией — все начинается с малого, сперва исследуют основные части. Если брать изучение поверхности, то начинают с мегарельефа и структур планетарного масштаба. А мы сейчас занимаемся макро- и мезорельефом. Снимки используем те же самые, которые прислал “Магеллан”, но наша карта более детальная. И в отличие от наших предшественников, у нас другая задача: подробное дешифрирование и картография поверхности Венеры».

Планета лавовых полей

Венеру иногда называют сестрой Земли — настолько эти планеты похожи по массе, размерам, плотности поверхности. У обоих миров есть атмосфера и примерно одинаковая сила тяжести (8,88 м/c^2 на Венере и 9,81 м/с^2 на Земле). Но во всем остальном Венера противоположность Земли. Во-первых, на ней пока не зафиксировали признаков жизни (недавние сообщения о некой концентрации фосфина в венерианском воздухе оказались ошибочны, фосфин был земного происхождения). Во-вторых, атмосфера Венеры крайне сурова: облака серной кислоты, водяной пар вечно сносит солнечным ветром, 96% атмосферы составляет углекислый газ, температура в среднем достигает 467°C, а давление у поверхности в 93 раза выше, чем на Земле. И в-третьих, почти вся поверхность Венеры состоит из полей лавы.

«Эти поля выглядят однородными и серыми, а на них встречаются извилистые гряды — структуры сжатия, которые напоминают морщины на коже,— объясняет Данил Малышев, младший научный сотрудник лаборатории сравнительной планетологии Института ГЕОХИ (несколько лет назад Данил закончил магистратуру в ТГУ, где работал над новой картой Венеры).— На Земле аналогов таким структурам нет (только на Луне и Марсе), и никто до конца не понимает, как они образовались. Самым древним типом поверхности на Венере считается тессера. Когда-то это были такие же лавовые поля, которые в результате интенсивной тектонической активности изменили свой облик до неузнаваемости. Они покрылись сложными системами гряд и борозд. Их посчитали самыми древними, потому что во время картирования увидели, что их подтапливают лавовые потоки и равнины».

Вулканов на Венере очень много. Согласно прошлогодним подсчетам, объектов вулканического происхождения на планете больше 85 тыс. 99% из них — это щитовые вулканы диаметром до пяти километров. Они бывают крутосклонными и представляют собой круглые куполообразные сооружения застывшей лавы, которые нередко друг на друга наслаиваются — сверху похожи на потрескавшиеся блины из магмы. На Земле щитовые вулканы можно встретить в Исландии или на Гавайях. Типичных стратовулканов (как Этна или Везувий), которые больше напоминают горы из-за своей конической формы, на Венере нет. Считается, что эксплозивный тип извержения, характерный для стратовулканов, на этой планете невозможен из-за экстремально высокого давления.

«На Земле, когда магма поднимается к поверхности, где давление ниже, чем в недрах, она вскипает, высвобождаются газы — и случается взрыв с выбросом лавы или пепла. А на Венере, из-за того что разница в давлениях в недрах и на поверхности небольшая, взрыв не происходит. Там и механизм подвода магмы, возможно, другой. Большинство земных вулканов сосредоточены на стыках тектонических плит в Тихоокеанском огненном кольце, в зонах субдукции. И главным агентом плавления породы выступает вода. Но на Венере тектоники плит не наблюдается, и, вероятнее всего, там внутриплитный магматизм»,— говорит Данил Малышев.

Такой механизм подвода магмы заключается в том, что вдали от зон субдукции мантийный плюм в виде капель поднимается в кору, где образуется очаг, и ищет выхода на поверхность. Это как с водой и маслом — менее плотное вещество стремится вверх. Земные внутриплитные вулканы встречаются на Гавайях или на Африканском континенте.

Пятнистый регион

Сотрудники научной группы в ТГУ картируют поверхность Венеры с 2020 года. Тогда в университете на деньги мегагранта организовали лабораторию геохронологии и геодинамики, которая занимается датировкой пород и изучением Венеры. Один из экспертов лаборатории — Ричард Эрнст, профессор геологии, работающий на два университета — Томский и Карлтонский в Канаде. Он познакомился с Россией еще в 1970-е, через четверть века — с Сибирью, а потом его пригласили работать в ТГУ. Под его началом создали международную команду по исследованию поверхности Венеры — в ее составе исследователи из Марокко, Канады, Бразилии и других стран. Одной из первых в России, кто начал работу по этому проекту, стала Екатерина Антропова.

«Я выполняю геологическое картирование вулканических и тектонических структур, описываю стратиграфическую последовательность и предлагаю модели геологического развития, — поясняет Екатерина Антропова, младший научный сотрудник лаборатории геохронологии и геодинамики ТГУ. — А импактные события — это важная часть геологической истории любого региона. Я все четыре года работаю над одной областью — Регион Фебы (Phoebe Regio) и его окрестности,— и мое первое исследование было посвящено так называемым пятнам (splotches). Они появляются в результате взаимодействия космических тел с плотной атмосферой Венеры. Ударная волна от такого воздушного взрыва достигает поверхности, и ее мелкозернистый материал переотлагается, поэтому мы видим на снимках радарно-яркое кольцо и радарно-темный центр».

Следы разорвавшихся болидов не единственные импактные структуры (то есть образованные в результате падения космического тела) на Венере — есть еще и кратеры. Но в ходе работы выяснилось, что «пятна» распространены по планете случайно, а в Регионе Фебы их больше всего. Как подчеркивают геологи, анализ импактных структур позволяет понять возраст поверхности Венеры (чем их больше, тем старше планета), потому что их форма может меняться в ходе различных процессов.

Лавовые провинции

Однако таких факторов перемен на Венере меньше, чем на Земле. Во-первых, ветры у ее поверхности слабые, и поэтому эоловые процессы влияют на образование рельефа незначительно. Во-вторых, на Венере нет воды (по крайней мере пока не нашли и вряд ли найдут в будущем), а значит, и нет эрозии, то есть породы почти не разрушаются со временем. В-третьих, у «сестры Земли» нет тектоники плит — вернее, ее не наблюдают сейчас, как и плитных границ. Но есть так называемая плюм-тектоника, которая происходит из-за движения мантийных плюмов. Поэтому самый вероятный тип магматизма там — внутриплитный. И это позволяет исследователям предположить, что те самые лавовые поля на Венере — это крупные изверженные провинции (КИП).

«Это очень обширные излияния лавы, случившиеся за короткий срок — несколько миллионов лет. Отличные пример — Сибирские траппы, которые образовались в период Великого пермо-триасового вымирания 250 млн лет назад. Но есть проблема: на Земле активная эрозия. То есть все, что когда-то вышло на поверхность, разрушается ветром, водой и живыми организмами. Поэтому оценить в полной мере, насколько обширными были извержения, сложно. Но на Венере эрозии нет. И благодаря этому планета становится некой моделью, где лавовые потоки хорошо сохраняются: магма как излилась, так и осталась практически нетронутой. И их можно сравнивать с земными. Это шанс понять, как могло быть в самом начале земной истории»,— рассказывает Данил Малышев.

Действительно, современное понимание реальных масштабов крупных извержений прошлого далеко не полное. К примеру, оценки площади древних лавовых потоков в Сибири варьируются от 2,6 до 7 млн квадратных километров (это самая крупная изверженная провинция в мире). Для сравнения: площадь Австралии — 7,6 млн квадратных километров. Такие исследования несут в себе не только научный, но и прикладной смысл. На территории КИП нередко залегают месторождения руд платиновой группы. Например, под Норильском в районе Талнах находятся самые большие залежи палладия, а в Бушвелдском комплексе, образованном чуть больше двух миллиардов лет назад (сейчас это территория ЮАР), добывают платину (50% мировых запасов), иридий, железо, хром, титан и много других металлов.

Венцы и грабены

Фотографии «Магеллана» хотя и наиболее ценные, но не первые снимки Венеры. Впервые люди увидели ее поверхность благодаря советским аппаратам «Венера-9» и «Венера-10». Эта пара прилетела туда осенью 1975 года. На месте они проанализировали породу, которая оказалась базальтовой, а это означало, что на планете шли вулканические процессы. Первые цветные фотографии получил вновь советский зонд «Венера-14», отправленный к Венере в 1981 году вместе с близнецом «Венера-13». Но если возвращаться к разговору о рельефе, то следующая пара аппаратов — «Венера-15» и «Венера-16» — обнаружила на поверхности ранее неизвестные структуры: короны и тессеры.

«По-русски короны сначала назвали венцами. Это крупные структуры (до 2500 км в диаметре) кольцевой формы с обрамлением, состоящим из борозд и иногда гряд. Их главное отличие от вулканов состоит в том, что короны растут не вверх, а вниз, то есть проседают. Никто до конца не знает, как они образовались, ведь в Солнечной системе они нигде больше не встречаются. Но, возможно, когда-то в этих местах к поверхности подступила магма — и поверхность поднялась. А когда магма отступила, поверхность просела»,— поясняет Данил Малышев.

В целом Венера, точнее, ее поверхность довольно однообразна. На ней нет экстремальных пиков и крайне глубоких впадин. Да, самая высокая точка на этой планете — горы Максвелла — достигает 10–11 км, что выше земного Эвереста. Но горы Максвелла нельзя отделить от Земли Иштар, широкой области площадью в 8,5 млн квадратных километров. Перепад высот в среднем незначительный, и склоны пологие, поэтому гор в привычном для землян смысле на Венере мало. Основной тип рельефа — равнины. Однако неверно будет сказать, что ее поверхность плоская — есть и разломы. Эти структуры называют рифтами.

«Это понижение одного участка поверхности относительно другого. Считается, что рифты образуются из-за внедрения магмы в породу под поверхностью (эти интрузивные тела еще называют дайками), что характерно именно для Венеры. Магма врезается, сильно давит и раздвигает породу. От напряжения земля расходится, и получается разлом. Из него иногда лава может изливаться. И в длину они могут достигать десятки километров. Вулкан, который я изучаю — Самодива Монс,— с севера на юг пересекает система рифтов и трещин. Сам вулкан крупный, площадью около 56 тыс. квадратных километров, а в диаметре — 300 километров»,— делится Данил Малышев.

Долгоживущая идея

Увеличение масштаба глобальной карты Венеры — крайне трудоемкое и долгое занятие. У каждого участника международной группы (а это около 40 человек) есть своя область поверхности, над которой он работает. Данил Малышев выбрал вулкан Самодиву Монс, Вадим Рожин — Регион Астериа Реджио, там разнообразный рельеф, лавовые потоки и разломы (в том числе пропасть Гекаты), глубина которых достигает трех-четырех километров, Екатерина Антропова — Регион Фебы, другие члены научной группы изучают другие области. И площади, с которыми работают геологи, отнюдь не маленькие. Как отметил Вадим Рожин, если картировать по одному лавовому потоку в неделю, то ничего не успеешь, ведь это территории размером с Россию.

«Мы, можно сказать, работаем на пределе разрешения. Лучше всего, когда один пиксель вмещает 75 метров поверхности, но у “Магеллана” разрешение 100–200 метров на пиксель. При обработке это, конечно, ужали до 75, но есть и другие проблемы. Например, интерпретируемость снимков. То есть легко начать видеть то, чего на самом деле нет, поэтому картировать надо аккуратно. У Самодивы Монс границы между двумя потоками не всегда видны. Система грабенов, которая ее пересекает, деформирует застывшую лаву, и потом сложно соотнести стороны, определить, где какой поток»,— говорит Данил Малышев.

Однако столь масштабной и длительной работой занимаются не из чистого любопытства, научной страсти или космической романтики. Изучение поверхности Венеры не закончилось успешными высадками в прошлом веке. После 2030 года планируется первая в истории современной России миссия на Венеру — запуск аппарата «Венера-Д», он же «Венера-Долгоживущая». Правда, сначала предполагали стартовать в 2015–2018 годах, но пару лет назад миссию отложили на следующее десятилетие.

Прежде чем отправлять аппарат, необходимо найти наиболее удачное с точки зрения безопасности посадки и ценности наблюдений место. Уже нельзя высаживаться вслепую, как «Венера-9/10». В одной работе 2007 года ученые предложили 16 возможных точек посадки будущего аппарата: девять тессер и семь равнин с разными особенностями. А при масштабе карты 1:500000 этих мест может стать еще больше.

«Если в таком масштабе смотреть на Землю, то можно различить город, дороги. В этом и суть картирования — увидеть больше деталей. Астроном и академик Михаил Маров в одном интервью объяснил, зачем люди изучают другие планеты в Солнечной системе и вне ее: если этим не заниматься, то это все равно что сидеть в своей деревне и довольствоваться этим. Но человека отличает от животного стремление познавать нечто за пределами сферы его чисто животных интересов»,— заключает Данил Малышев.

Андрей Папиш