От Луны до Марса

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, документирование и изобразительная фиксация структуры, относительного возраста и изменений особенностей местности, чтобы получить основания для предположений об их происхождении и ресурсах, которые могли бы когда-либо обеспечить возможность существования цивилизации в этих местах.

Факт проведения работ вне Земли не меняет принципов планирования и осуществления экспедиции, в частности способов сбора и документирования образцов. Соблюдение этих принципов становится даже более важным, поскольку повторное посещение того же места оказывается гораздо менее вероятным. В частности, для полного осознания научной и общечеловеческой ценности результатов исследований неизменной остается необходимость присутствия человека с его опытом и воображением.

При анализе каждого нового объекта мы основываемся на опыте изучения предшествующего объекта, как уже более двух веков поступают геологи на Земле. Мы должны постоянно задаваться вопросами сходства и различия. Как будут соотноситься геологическое строение Марса, его доступность, стратегия исследований и оптимальный состав команды с опытом, полученным в ходе выполнения программы Apollo?

Полевые работы на Луне

Геологические особенности Земли сформировались в результате исключительно сложных воздействий. Земная кора, магма, вода и атмосфера взаимодействуют между собой; океанические и континентальные плиты разламываются и сталкиваются; на Землю падают тела из космоса; ландшафт изменяет и биосфера, включая человека. А в случае Луны влияния в течение последних четырех миллиардов лет были в основном внешними и ограничивались ударами метеоритов и воздействием частиц солнечного ветра, обладающих большими энергиями.

У Луны нет атмосферы, поэтому ее поверхность открыта воздействию космического вакуума. Метеориты и кометы, иногда размером всего с пылинку, летящие со скоростью несколько километров в секунду, 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 стекловидных обломков, называемых лунным реголитом, толщина которого достигает нескольких метров. Поэтому полевые исследования Луны требуют от геолога способности видеть вглубь. Чтобы выявить границы раздела или контакты пород, мне нужно было представить себе, как постепенное формирование и распространение реголита в результате бомбардировки расширило и ослабило первоначальные контрасты цвета и структуры минералов.

Так, в долине Тавр-Литтров на Луне я изучал контраст между темными мелкозернистыми натеками базальта и более древними обломочными породами, которые называют 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 метров. В других местах граница между отложениями пылевой лавины и   темным   реголитом   размылась

за 100 млн лет со времени сошествия этой лавины всего на несколько десятков метров. Понимая процессы, активно изменявшие эти контактные зоны, я смог установить их первоначальное положение. Таким же образом и на Земле геолог должен определять, как земные процессы выветривания затушевывают или скрывают места контакта и структуры нижележащих пород.

Для идентификации разных типов пород в открытых глыбах при полевых исследованиях на Луне необходимо понимание эффектов непрерывной микрометеоритной бомбардировки. Когда о поверхность ударяются частицы, имеющие очень большую скорость, они образуют локализованную высокотемпературную плазму и плавят породу в точке удара. Выброшенная плазма и расплавленная порода переоткладываются на близлежащих поверхностях, образуя на всем камне тонкую коричневатую патину, содержащую чрезвычайно мелкие частицы железа. Как на Земле в засушливых зонах геологу нужно видеть сквозь «загар пустыни» — налет на поверхности скал и камней, так и мне приходилось быстро просматривать образцы и понимать, что может лежать под этой патиной, до того как раскалывать камень молотком.

Мелкие ударные лунки, прорывающие лунную патину, содержат стекло разных цветов, характеризующее различия химического состава подвергшихся ударам минералов. Там. где ямка возникла на белом минерале (например, плагиоклазовом полевом шпате, основном компоненте вулканических пород), в ней образуется светло-серое стекло с четким белым пятнышком, вызванным паукообразным растрескиванием структуры минерала. Там, где удар пришелся на минерал, богатый железом или магнием, стекло получается зеленым. Знание этих процессов позволило мне определять состав 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 углубляющиеся знания о рельефе Марса уже подтверждают существование этих смешанных процессов. Со времени получения первых снимков, сделанных орбитальными фотокамерами и марсианской станцией Viking. мы знаем, что геологические формы Марса образовались в результате совместного воздействия внутренних и внешних влияний.

В отличие от Луны. Марс имеет атмосферу, хотя и разреженную — давление на его поверхности составляет около 1% давления на уровне моря на Земле. Существование этой атмосферы изменяет общую геологическую картину, которую исследователи должны будут оценить, чтобы идентифицировать и проанализировать нижележащие породы. Атмосфера Марса «отфильтровывает» мелкие метеориты и ядра комет — те. которые могли бы образовать кратер диаметром меньше 30 м. Поэтому поверхность не покрыта продуктами ударного распыления, как на Луне, а в качестве основного мигрирующего материала выступает переносимая ветром пыль. Эта пыль возникает вследствие разных причин: ветровой эрозии пород, обвалов и оползней, ударов и химических реакций. Она образует рыхлые дюны, которые исследователям, возможно, нужно будет огибать, как приходится обходить глубокие снежные заносы на земных равнинах и горных перевалах. Ведь марсоходы Spirit и Opportunity временами застревали в пыли.

Несмотря на фильтрующий эффект атмосферы, поверхностные и подповерхностные структуры большинства обнаженных марсианских образований сформированы в основном ударными воздействиями. Первым геологам придется расшифровать выбросы, разломы и ударные модификации пород. Однако не все породы связаны с ударными процессами. Во многих рифтовых долинах и в других регионах преобладают слоистые породы, напоминающие осадочные или вулканические пласты. Реголит ударного происхождения покрывает не всю поверхность, и многие обнажения подстилающих марсианских пород доступны для обычного геологического изучения и взятия образцов.

На Луне воды нет. но на Марсе жидкая вода сформировала некоторые ландшафты и образовала новые минералы. Лабораторные исследования лунных пород не выявили в них минералов, содержащих воду, но орбитальные датчики и анализы марсианских минералов, проведенные роботами, обнаружили на Марсе разнообразные водосодержащие глины и сульфаты, возможно, осажденные из воды. Более того, в отличие от Луны, породы которой содержат неокисленное металлическое железо, на Марсе есть обширные отложения окисленного железа (гематита Fe₂O.J, что также свидетельствует о воздействии жидкой воды. Марсианский геолог должен быть готов интерпретировать гораздо более широкий спектр минералов, чем тот, с которым мы столкнулись на Луне. Кроме того, вода переносит материал. Она создает долины, а некоторые удары метеоритов, по-видимому, растапливают подповерхностный лед, создавая грязевые потоки.

В результате марсианский реголит обычно состоит из ударных выбросов и обломков, принесенных грязевыми потоками и паводками, с прослойками принесенной ветрами пыли. В полярных областях он содержит также водяной лед и твердый диоксид углерода (СО₂) в виде инея, что недавно подтвердил посадочный аппарат Phoenix. Лунный реголит намного менее сложен.

Вследствие этих отличий Марса от Луны перед марсианскими геологами в поле встанут новые трудности. Им все равно понадобится способность видеть вглубь, но здесь она должна быть больше похожей на ту, какая нужна на Земле, где приходится учитывать эффекты переноса материалов под действием ветра, воды и силы тяжести. В некоторых отношениях исследования могут оказаться более легкими, чем на Луне. Снимки 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 серьезно мешать визуальной идентификации пород и минералов.

Несомненным сходством с лунными условиями исследований будет наличие зрительных искажений. В вакууме и в разреженной атмосфере наш мозг обычно недооценивает расстояния. С подобной проблемой люди сталкиваются в условиях очень прозрачного воздуха в земных пустынях и горах. Отсутствие таких привычных объектов, как дома, деревья, кусты, вышки ЛЭП и т.п., усугубляет проблему. Впервые ее отметил Нил Армстронг после посадки Apollo 11 на Луну. Я научился вносить поправки, сравнивая настоящую длину моей тени с кажущейся: оценка дистанции в результате повышалась примерно на 50%.

Шутки с глазами играет и поверхностная пыль. На Луне она вызывала интенсивное обратное рассеивание света при взгляде прямо со стороны Солнца. Это так называемый эффект нимба, который наблюдается 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 астронавты также столкнутся с этим явлением. Обратное рассеивание дает некоторое количество света в тени, тогда как при взгляде в сторону Солнца тени освещаются лишь слабым светом, отраженным от других элементов рельефа. Для каждого снимка нам приходилось регулировать диафрагму фотокамер в зависимости от ориентации по отношению к Солнцу. В фото- и видеокамерах для будущих исследований нужно будет предусмотреть автоматическое приспособление к условиям освещения.

Трудность доступа

На Луне я чувствовал себя очень легко. Я объясняю это чувство комфорта 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 длительность путешествия благодаря непрерывному ускорению и торможению корабля, все равно полет займет несколько месяцев. Благодаря такой изолированности марсианской команды она будет в гораздо 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 понадобятся как минимум несколько месяцев по сравнению с немногими днями для возвращения с Луны, может плохо повлиять на некоторых людей, но исследователи на Земле преодолевали и эту, и более серьезные трудности. В прежние времена искатели приключений часто попадали в ситуации, когда вернуться домой им было почти так же трудно, как будет первым марсианским командам, и при этом они не имели никаких средств связи. Мотивация участников экспедиций на Марс, их подготовка, уверенность в своей команде и инстинкт самосохранения останутся такими же, какие были у участников экспедиций по программе Apollo. Каждый будет очень занят работой на космическом корабле и его обслуживанием, научными исследованиями, физическими упражнениями, тренингами на симуляторах с целью подготовки к будущим задачам, обновлением планов исследований и другими делами. И если история космических полетов может служить каким-то показателем, то главной психологической трудностью для членов команды должно оказаться выделение 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 поддерживается нужное давление. Скафандр Apollo 7LB, который мы надевали во время исследований в долине Тавр-Литтров на Луне, позволил нам проделать удивительно большую работу «в поле» в очень неблагоприятных условиях. Давление в нем поддерживалось на уровне 0.255 бар, т.е. около четверти атмосферного давления на уровне моря на Земле. При необходимости я мог пробежать несколько 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, чтобы скафандр обеспечивал намного лучшую подвижность ног. корпуса и рук, чем Apollo 7LB. Что работало очень плохо и вызывало большую усталость и травмы, так это перчатки скафандра. Для последующих полетов на Луну и полетов на Марс их нужно будет как-то усовершенствовать. Подвижность пальцев была очень ограниченной, а предплечья уставали уже через полчаса работы. Было такое ощущение, словно я постоянно сжимаю теннисный мяч. После восьмичасового отдыха болезненных ощущений в мышцах не оставалось — это одно из преимуществ более эффективной работы сердечно-сосудистой системы в условиях вшестеро меньшей силы тяжести. Но после трех походов продолжительностью от восьми до девяти часов я очень сомневался, что смогу еще что-то сделать натертыми руками с травмированными пальцами, — и это было результатом плохой конструкции перчаток.

Возможно, космические скафандры будут модифицированы таким образом, что перчатки или их эквиваленты позволят работать почти так же свободно, как без них, а сам скафандр станет почти столь же гибким, как обычный лыжный костюм. Вероятно, планировать маршруты помогут полевые помощники-роботы. Кроме того, из опыта астронавтов, построивших Международную космическую станцию (МКС), мы сегодня знаем методы физической подготовки, обеспечивающие превосходное состояние мышц рук для длительной нагрузки. Другие новые процедуры и оборудование должны еще повысить эффективность исследований.

Подбор команды

Политическая срочность и пробный характер первых планов и разработок по программе Apollo давали мало возможностей для регулярного подбора опытных полевых геологов в качестве членов лунных экспедиций. NASA выбирало в первую очередь опытных летчиков-испытателей и военных летчиков. Все члены команд должны были иметь хорошее образование, опыт и уверенно пользоваться оборудованием и методами, необходимыми для выполнения полета. Места для геолога-пассажира не предусматривалось. Только один полевой геолог оказался обученным 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. Профессиональных полевых геологов необходимо включить в состав всех экспедиций на Луну, создавая этим прецедент для путешествий на Марс. Как и случае нескольких последних экспедиций по программе Apollo, все члены команд и групп их рабочей поддержки должны быть как можно лучше знакомы с реальной геологической проблематикой. Оптимальной для первых экспедиций будет команда из четырех человек: двух профессиональных пилотов, прошедших дополнительную подготовку в качестве полевых геологов и инженеров по системам (как и в экипажах кораблей Apollo); одного профессионального полевого геолога, дополнительно подготовленного как пилот, инженера по системам и полевого биолога: одного профессионального полевого биолога с дополнительной квалификацией врача и полевого геолога.

При такой комплексной подготовке членов экспедиции ее успех будет зависеть не только от каждого отдельного участника, но и от командной работы. Каждый член экспедиции на Марс должен не только быть способным к внесению профессионального вклада в общую работу, но и абсолютно соответствовать иерархической структуре команды, чувствовать себя в ней свободно и безусловно комфортно. Исторический опыт показывает, что маленькие изолированные команды добиваются наибольшего успеха, когда ими руководит авторитетный опытный лидер.

Исследования Марса будут отличаться от исследований Луны во многих отношениях. Во-первых, поскольку длительность путешествия будет измеряться не днями, а месяцами, команда должна будет в течение всего полета постоянно тренироваться в выполнении процедур посадки и орбитального полета. В случае экспедиций на Apollo мы репетировали посадку на тренажере на Земле, причем последняя репетиция проводилась 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 большинства традиционных функций управления полетом с Земли будет невозможным из-за длительного времени поступления сигналов (до 22 минут в один конец). Поэтому земному руководству придется ограничиться теми действиями, которые не требуют прямого контакта с командой, например анализом и синтезом данных, планированием на очередную неделю, мониторингом систем и расходуемых материалов, планированием обслуживания и развитием программы работ. Функции непосредственного управления кораблем и работами на месте астронавты должны будут выполнять сами. Например, экспедиция может состоять из двух команд: группы, которая высадится на Марс, и группы, которая останется на орбите для работы в качестве орбитального центра управления. Когда первая группа вернется на орбиту, вторая может высадиться в другом месте для исследования другого участка.

В такой степени самостоятельности нет ничего нового. Даже в ходе программы Apollo, когда мы планировали исследования еще на Земле, пользуясь имевшимися фотоснимками, NASA предоставляло командам достаточную свободу для проведения, если будет возможность, анализа незапланированных объектов. Так, в конце второго периода исследований в ходе экспедиции Apollo 17, когда до конца работ на этом участке оставалось всего 30 минут, я заметил оранжевое стекло на краю кратера Шорти. Не ожидая указаний от центра управления экспедицией. Джин и я начали описывать породу, фотографировать ее и брать образцы. У нас не было времени обсуждать этот план с руководством, но мы сразу поняли, что нужно делать. Точно такой же подход 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 экспедиций будет состоять в том, что ввиду огромных затрат на каждую экспедицию и их огромной исторической важности подход к исследованиям должен быть полностью ориентирован на успех. Если даже что-либо пойдет не так, астронавты должны будут продолжать работы и выполнить все поставленные задачи. Например, корабль в идеале должен быть готов принять двух участников высадки, если окажется, что одному не справиться. Далее, при неисправностях в работе систем или программного обеспечения на этапах входа в атмосферу, спуска или посадки астронавты должны будут высаживаться на планету, а не возвращаться на орбиту, как предписывалось программой Apollo. Когда группа будет доставлена на Марс, неполадки со временем можно будет устранить, консультируясь с Землей.

Сегодняшние молодые люди будут иметь счастливую возможность изучать Красную планету, если их родители и деды подготовят им ее. Это будет нелегко. Как и во всем в мире, здесь присутствует риск. Велики будут не только ценность приобретенных новых знаний, но и потери в случае прекращения работ. Если исследования Марса вновь задержатся по отношению к уже запланированным срокам, то американцам придется плестись в хвосте проектов других стран. Более того, без последовательных усилий по изучению того, как исследовать, а впоследствии и заселять другие миры, сам факт существования человечества будет поставлен под угрозу ударов астероидов и комет, путешествующих по Солнечной системе. Любознательность, уроки истории и инстинкт самосохранения требуют, чтобы мы продолжали двигаться дальше в космос.  

Харрисон Шмитт. В Мире науки. № 9. 2009.