Curiosity

Часто можно встретить суждения, что полёт на Марс опасен или невозможен из-за космической радиации. Это даже стало темой для шуток, но подобное продолжают высказывать вполне авторитетные люди, от космонавтов до президентов. В то же время данные опасения не останавливают мечтателей, желающих построить марсианскую ракету или планирующих переезд. Что же нам известно о радиационной опасности марсианских полётов?

На сегодня имеется крайне ограниченный опыт пилотируемых полётов людей в межпланетном пространстве. Только двадцать четыре человека совершали экспедиции за пределы земной магнитосферы в программе Apollo, но длительностью не более двух недель. На Марс же лететь около полугода в одну сторону. Поэтому сегодня источником знаний о радиационных угрозах у других планет выступают исследования на борту околоземной Международной космической станции, немногочисленная статистика лунных полётов, дозиметрические измерения на межпланетных зондах, наземные эксперименты на животных и оценки по математическим моделям.

▍ Кратко о космической радиации

Радиацией называют ионизирующее излучение, которое в космосе испускается во время событий, связанных с выделением энергии: процессы на Солнце, взрывы сверхновых, аккреционные диски чёрных дыр, выбросы квазаров… По физическим свойствам радиацию можно разделить на фотонное излучение — рентген и гамма-лучи; и корпускулярное излучение — электроны, протоны, альфа-частицы, тяжёлые заряженные частицы, вторичные нейтроны. По источнику, космическое излучение разделяется на солнечное и галактическое (включая внегалактическое).

Разделение этих типов излучения крайне важно для понимания специфики межпланетных полётов. Например, в земной атомной энергетике приходится учитывать прежде всего гамма и нейтронное излучение. В космосе же гамма незначительна, а нейтроны возникают только от взаимодействия космических лучей с атмосферой, грунтом или корпусом корабля. Зато в открытом космосе наиболее опасными частицами оказываются протоны (ядра атома водорода), альфа (ядра атома гелия) и ядра атомов более тяжёлых элементов.

У Земли есть ещё радиационные пояса, но стартующий на межпланетные орбиты корабль пересекает наиболее опасную их часть всего за полчаса, поэтому в контексте длительных полётов ими можно пренебречь.

При оценке радиационного воздействия сейчас обычно оперируют двумя единицами: в греях измеряется энергия поглощённого излучения, а в зивертах — биологический эквивалент этого излучения. Разница между ними в факторе, имеющем прекрасное название «коэффициент качества». Он означает насколько пагубное для организма воздействие оказывает радиация. Для примера, одинаковая в греях доза гамма излучения и нейтронного излучения в зивертах будет различаться до двадцати раз — нейтроны намного опаснее, т.е. выше их коэффициент качества.

▍ Откуда мы знаем о межпланетной радиации?

В космонавтике применяется несколько разных методов регистрации радиации, одни показывают фон в реальном времени, а другие накапливают воздействие и позволяют оценить суммарную дозу. Например советские лунные «Зонды» несли на борту т.н. «ядерные фотоэмульсии» — чувствительную к радиации фотоплёнку, проявление которой позволяло оценить дозу, накопленную внутри спускаемого аппарата корабля. Астронавты Apollo носили на теле активные дозиметры на основе газоразрядной камеры, и пассивные термолюминесцентные и полимерные детекторы. Сейчас на МКС и лунных аппаратах чаще всего запускают полупроводниковые кремниевые детекторы.

Радиацию у Луны и на Луне принялись изучать ещё до пилотируемых полётов. Так, первая успешно севшая автоматическая станция «Луна-9» несла на борту счётчик Гейгера, орбитальная «Луна-10» также несла несколько детекторов для разных типов излучения. Американцы тщательно регистрировали радиационные условия по пути на Луну и возле неё в 1966-67 гг в многомесячных наблюдениях на пяти аппаратах Lunar Orbiter.

Дозиметрические исследования велись и на орбитальных аппаратах нашего века. Индийцы считали дозу болгарским дозиметром на аппарате Chandrayaan 1 в 2008 году. NASA пять лет собирала данные дозиметром на аппарате LRO. Год назад свои результаты с поверхности Луны опубликовали и китайцы.

По пути на Марс и около него космическое излучение изучалось американским прибором RAD на марсоходе Curiosity, и российско-болгарским прибором на европейском орбитальном зонде ExoMars.

Ещё дальше залетела автоматическая межпланетная станция Rosetta. Она пролетала и рядом с Марсом и улетала до орбиты Юпитера, в своей погоне за кометой 67P Чурюмова-Герасименко.

▍ Какова доза в межпланетном пространстве?

Данные с вышеперечисленных аппаратов я свёл в общую таблицу. Указанная толщина экранирования в пересчёте на алюминий — это усреднённое значение. Так, на ExoMars детектор с одной стороны прикрывает пара миллиметров алюминия, а с другой — пара метров всего четырёхтонного зонда. У Curiosity немного лучше — он летел в аэродинамическом кожухе, который по своим экранирующим свойствам не сильно отличается от пилотируемых кораблей современного типа.

Суточные показания в таблице тоже усреднённые, например, повышенная, по сравнению с остальными, доза экипажа Apollo — это результат неоднократного пересечения радиационных поясов Земли. Данные по «Зондам» брались из двух источников, где они отличаются в несколько раз. Во всех остальных случаях, американские результаты не противоречат измерениям приборов других стран, что делает безосновательными подозрения сторонников лунного заговора о недостоверных показаниях в программе Apollo.

В целом, грубое приближение, без учёта колебаний фона из-за солнечной активности, позволяет утверждать, что средняя доза в межпланетном пространстве составляет около 0,5 миллигрей в сутки. В биологическом эквиваленте это около 2 миллизиверт. Примерно столько средний житель России получает за полгода, а экипаж Международной космической станции за 3-4 дня. Высоко, но не смертельно.

Специалисты Института медико-биологических проблем РАН оценили суммарную дозу при полёте на Марс туда-обратно менее чем в 0,7 зиверт за 350 суток. По современным требованиям радиационной безопасности для российских космонавтов, за всю их карьеру допустимо накопление дозы 1 зиверт, что на 3% повышает риск онкологических заболеваний в течение жизни. Получается, что с точки зрения радиационной безопасности на Марс можно слетать и вернуться только один раз.

Для примера, космонавт Геннадий Падалка, налетал на МКС 878 суток, и, с точки зрения радиационного воздействия, слетал на Марс и возвращается домой.

Доза же на поверхности Марса — это тема для отдельного разбора.

Поскольку эффекты длительного воздействия межпланетной радиации на людей не изучались, некоторые учёные тренируются на мышах и крысах. Однако к их результатам нужно относиться осторожно, важна корректность поставленного опыта. Несколько лет назад была новость о том, что аналог космической радиации повредил мозги мышей и они поглупели. Если же углубиться в детали, то окажется, что мышкам жарили мозги по 1 миллигрей в день (то есть в два раза выше, чем показывают дозиметры в космосе) и исключительно нейтронами (у которых коэффициент качества в 5 раз выше, чем у космического фона). В результате подопытные животные получали дозу в десять раз больше чем ожидается в пилотируемой экспедиции.

Данные по смертности участников лунных полётов показывают повышенный процент смертей от сердечно-сосудистых заболеваний, по сравнению с околоземными астронавтами. Но пока для далеко идущих выводов слишком малая выборка (семь случаев), и рано говорить о прямой угрозе межпланетной среды. Хотя эксперименты на мышах также показали, что сочетание имитации невесомости и облучения тяжёлыми заряженными частицами способно нанести вред сердечно-сосудистой системе.

▍ Можно ли защититься от космической радиации?

Вспомним, у нас есть два типа радиации: солнечная и галактическая. Хотя состав этих космических лучей примерно одинаковый — протоны, альфа, и тяжёлые ядра — но они отличаются количеством и энергией. Солнечных заряженных частиц больше, но их энергия ниже, и эта разница определяет разницу в средствах защиты.

Существует распространённый стереотип, что главная опасность в космосе от солнечных вспышек. Но если изучить данные измерений Curiosity, LRO и Rosetta за пределами околоземного магнитного поля, то окажется, что в суммарной накопленной дозе космических аппаратов вклад солнечных вспышек не превышает 25%. Вместе эти три аппарата пробыли в космосе более 15 лет, то есть статистика собрана немалая, однако ни один из них не попадал под мощную солнечную вспышку, которые бывают примерно раз в 10 лет, вроде случившейся 4 августа 1972 года. По результатам моделирования, такая вспышка способна дать экипажу до 4 зиверт за несколько дней, а это лучевая болезнь с риском смертельного исхода (хотя такая доза считалась допустимой для экипажей Apollo). Правда в моделировании 4 зиверта насчитали для содержимого алюминиевой сферы толщиной 2 см, а в среднем полностью снаряжённый космический корабль, типа командного модуля Apollo или российского модуля МКС «Звезда», экранирует примерно как 10 см алюминия, что снизило бы дозу в несколько раз.

Солнечные вспышки опасны, но от них можно защититься. Мы это знаем благодаря автоматической межпланетной станции Rosetta. У неё на борту было два дозиметра, один на солнечной стороне, второй на теневой. Когда в зонд прилетела мощная солнечная вспышка, то облучение освещённого прибора значительно возросло, теневой же показал лишь незначительные флуктуации.

Внимательное наблюдение за Солнцем позволяет предсказывать наиболее опасные вспышки — солнечные протонные события — примерно за несколько минут. Их должно хватить, чтобы сориентировать летящий марсианский корабль «хвостом» к Солнцу, и защитить экипаж. Гораздо опаснее мощные вспышки во время выхода в открытый космос, и тут служба наблюдения за космической погодой оказывается жизненно важна.

Несмотря на серьёзную опасность мощных солнечных вспышек, в межпланетных перелётах они — не главная проблема. Основной радиационный вред во время полёта на Марс исходит от галактических космических лучей, и рукотворной защиты от них нет. Они способны прошивать хоть 10 см, хоть 50 см алюминия, и летят со всех сторон, поэтому прикрыться кораблём не получится. И здесь единственная наша подмога — это солнечные вспышки! Точнее, солнечный ветер — низкоскоростные потоки солнечных заряженных частиц, которые несут с собой магнитные поля, от центра Солнечной системы к гелиопаузе, туда где заканчивается межпланетное пространство и начинается межзвёздное.

Ещё в докосмическую эру, регистрируя потоки вторичных заряженных частиц в атмосфере Земли, учёные заметили, что их интенсивность падает в периоды высокой солнечной активности. Оказалось солнечные выбросы заряженных частиц и магнитных полей тормозят и рассеивают галактические лучи. Это явление назвали солнечная модуляция галактических космических лучей, а кратковременное падение интенсивности галактического излучения во время солнечных вспышек — «Форбуш-эффект». Разница межпланетного радиационного фона, в зависимости от солнечной активности меняется в два-три раза: в солнечный максимум самая низкая доза. Измерения Curiosity и ExoMars велись примерно на середине этого цикла, а на Луну люди летали в период более высокой активности Солнца.

Суммируя все данные теперь понятно, чтобы обеспечить максимально радиационно безопасный перелёт до Марса, нужно соблюсти несколько условий:

- сократить насколько возможно длительность перелёта;

- лететь в период максимума солнечного цикла;

- развернуться двигательным отсеком и топливными баками в сторону Солнца;

- обложиться оборудованием, запасами продуктов и воды вокруг жилых отсеков.

Но даже без этих всех ухищрений, можно один раз слетать на Марс и вернуться, оставаясь в допустимых пределах облучения для современных космонавтов.

Американское космическое агентство NASA обнародовало причудливую фотографию, сделанную на Марсе аппаратом Curiosity. На снимке отчетливо видна каменная структура, напоминающая какое-то застывшее существо.

Как сообщает Live Science, марсоход Curiosity получил это изображение в кратере Гейла 27 июля 2021 года. На снимке запечатлена каменистая структура, в которой с определенной долей воображения можно увидеть некое окаменелое существо.

Кусок причудливой марсианской скалы большинство пользователей уже назвали окаменелой ящерицей. Другие увидели в ее очертаниях кошачью мордочку. Словом, как и во многих других подобных случаях, каждый видит в текстуре Марса нечто "земное".

Отметим, что марсоход Curiosity исследует кратер Гейла с 2012 года. Он и раньше присылал на Землю снимки причудливых марсианских скал. В данном случае запечатленный камень оказался совсем небольшим. Его высота составляет 16,5 сантиметра, однако его необычная форма действительно взволновала команду этой исследовательской миссии.

"Я по-прежнему восхищаюсь текстурами, которые мы видим на Марсе, особенно распространенностью сантиметровых выступов и комков, выступающих из коренной породы", - пишет, например, планетарный геолог Эбигейл Фрэман из Лаборатории реактивного движения NASA.

Найденная текстурированная арка находится у подножия горы Шарпа, который возвышается на 5,5 километра над дном кратера Гейла. По словам Фрэман, изучение этой структуры поможет получить новые данные о вероятном "влажном" прошлом Красной планеты.

Дело в том, что это геологическое образование находится на границе двух слоев, которые изучает Curiosity. Один из них насыщен глиной, а второй содержит сульфаты. Последние, по мнению ученых, могли быть оставлены проточной водой.

В настоящий момент марсоход поднимается выше по горе Шарпа, останавливаясь по пути, чтобы сделать снимки и проанализировать состав горных пород. Ровер делает это с помощью прибора ChemCam. Он применяет лазер, чтобы сжечь крошечные образцы горной породы, а затем измеряет химический состав испарений, поднявшихся в атмосферу.

https://rg.ru/2021/08/05/marsohod-okameneloe-sushchestvo.htm...

Уже более шестидесяти лет Марс привлекает к себе внимание мирового учёного сообщества. Что немаловажно, интерес к планете лишь растёт от года к году, и вот уже не за горами первые пилотируемые полёты. В этом ролике мы поведаем вам об основных вехах изучения красной планеты марсоходами.

UPD: добавили текстовую версию, приятного чтения!

В феврале этого года мы стали свидетелями большого события. Запущенный 30 июля прошлого года марсоход Perseverance совершил мягкую посадку на поверхности красной планеты. В комплекте с ним был доставлен роботизированный вертолёт Ingenuity, предназначенный для демонстрации возможности полётов на Марсе. Чуть позже, в мае, мягкую посадку совершил аппарат Чжужун, находящийся в составе миссии Тяньвэнь-1. Это китайская полномасштабная исследовательская программа, которая, помимо спускаемого аппарата, включает в себя орбитальную лабораторию. Интерес к Марсу сейчас силён как никогда, особенно учитывая планы Илона Маска на первый пилотируемый полёт к планете в ближайшие пять лет. На фоне такого ажиотажа мы решили вспомнить, с чего начинались первые исследования планеты.

Начнём с краткой справки. Марс – четвёртая по удалённости от Солнца и седьмая по размеру планета Солнечной системы. Относится к планетам земной группы, то есть обладает высокой плотностью и состоит преимущественно из кислорода, кремния, железа, магния и других тяжелых элементов. В частности, из-за большого содержания оксида железа, поверхность планеты имеет красноватый цвет. Отсюда и пошло знаменитое название «красная планета». Рельеф Марса разнообразен, здесь есть ударные кратеры, вулканы, долины и даже ледниковые шапки на полюсах, совсем как на Земле. Вокруг планеты вращаются два маленьких спутника неправильной формы, Деймос и Фобос. Все названия заимствованы из древнегреческой и древнеримской мифологий. Марс – бог войны, Деймос и Фобос, они же Ужас и Страх в переводе – его сыновья. Первые упоминания небесного тела относятся к 1534 году до нашей эры.

На протяжении почти трёх тысячелетий с этого момента Марс оставался недосягаем. Но всё резко изменилось в 60-ых годах прошлого века. Первыми покорять планету взялись учёные из Советского Союза. Процесс проходил не очень гладко: аппараты либо не могли совершить мягкую посадку, из-за чего разбивались, когда цель была уже близка, либо теряли связь незадолго после запуска. Но в 1971 году их ждал большой успех. Была запущена Автономная Межпланетная Станция Марс-3. Спускаемый аппарат, являющийся частью проекта, впервые в истории совершил успешную посадку на поверхность красной планеты. Спустя полторы минуты после посадки, станция была приведена в рабочее состояние. Учёные уже готовились получить первые снимки Марса, но через 14,5 секунд вещание было прекращено. Причиной тому послужили неправильные выдержки, выбранные разработчиками фототелевизионной системы. Снимки получались пересветленными и были почти непригодны для дальнейшего анализа. Несмотря на такую оплошность, орбитальная станция Марс-3 проработала больше года и всё это время передавала данные о планете.

В 80-ых были предприняты программы Фобос-1 и Фобос-2, в ходе которых спутник был тщательно изучен. Но их масштаба было недостаточно. К сожалению, Марс-3 так и остался единственным триумфом в истории советских исследований Марса.

По другую сторону океана тоже велись интенсивные работы. Так, с 1962 по 1973 год в рамках программы Маринер к Марсу были запущены 10 аппаратов. Один из них, Маринер-9, стал первым искусственным спутником планеты. Однако по-настоящему знаменательным стало другое событие. Учтя в своих разработках наработки и ошибки советских коллег, 20 августа 1975 года НАСА запустило Викинг-1. Спустя 11 месяцев спускаемый аппарат совершил успешную посадку на планету и начал передавать на Землю снимки. Именно на них люди впервые смогли увидеть марсианские ландшафты, причём в цвете. Аппарат успешно проработал до 11 ноября 1982 года, но в этот день, при неудачной перезагрузке, навсегда пропал из эфира. Параллельно с первым Викингом, на обратной стороне планеты работал Викинг-2, который собирал данные вплоть до 1981 года. Они считаются первыми успешными исследовательскими модулями. Но есть одна загвоздка: они не двигались.

Первым исследовательским модулем, сумевшим покорить марсианский грунт, стал Sojourner. Он совершил посадку на поверхность планеты 4 июля 1997 года в составе спускаемого аппарата Pathfinder. Марсоход работал в течение 83 сол (марсианские сутки, 1 сол = 24ч 39м на Земле) и выполнил 15 анализов пород, благодаря чему ученые смогли сделать выводы относительно климата и атмосферы планеты. В частности, о высокой вулканической активности и присутствии на Марсе воды в прошлом. Прежде чем связь с Pathfinder была потеряна, Sojourner преодолел дистанцию в 100 метров.

Следующими на Марсе побывали роверы-близнецы второго поколения, Spirit и Opportunity. Оба совершили мягкую посадку на поверхность планеты в январе 2004 года, 4 и 25 числа соответственно. Марсоходы были рассчитаны на работу в течение 90 сол, после чего должны были уйти на покой. Однако им на руку сыграл ветер. Он сдувал пыль и песок, оседавшие на поверхности солнечных батарей, благодаря чему выработка электроэнергии значительно превышала планируемые показатели. Таким образом, Spirit удалось проработать целых шесть лет, а Opportunity и вовсе стал настоящим долгожителем. Он работал вплоть до 18 июня 2018 года, тогда всю планету охватила мощнейшая пылевая буря, и аппарат перестал выходить на связь.

С технической точки зрения эти марсоходы крайне примечательны. На момент их создания (2003 год), в них стояли самые совершенные компьютеры, что позволило создать аналитическую систему для определения наиболее лёгкого пути. Работала она следующим образом: две камеры ровера проводили анализ местности на наличие опасных и труднопроходимых мест, после чего делали снимки. Затем изображения совмещались в стереокартинку, на основании которой строился маршрут. Данная система также внесла большое влияние в успех миссий. За свой рабочий цикл аппараты передали обширнейший массив информации о планете.

С августа 2012 года вместе с Opportunity по Марсу колесит ещё один ровер, Curiosity. Он относится к третьему поколению марсоходов НАСА, и значительно превосходит своих предшественников. На Земле аппарат весит внушительные 900 килограмм. Причина такому весу – большое количество исследовательской аппаратуры на борту. Можно даже сказать, что он везёт на себе целую химическую лабораторию. Дабы обеспечить такое габаритное устройство достаточным количеством энергии, инженерами было принято решение отказаться от солнечных батарей. Их эффективность на таком габаритном устройстве была бы крайне мала. Вместо них ровер питает и обогревает радиоизотопный термоэлектрический генератор, использующий в качестве источника энергии процесс распада диоксида плутония-238. Его ресурса хватит ещё на 25-30 лет, так что можно с уверенностью сказать о том, что решение это было крайне успешное.

Основной целью миссии Curiosity является поиск жизни на планете и попутное изучение химического состава различных пород. Так, проводя бурения, марсоход обнаружил водяной лёд под слоем грунта. Помимо этого, с его помощью была найдена галька, образованная потоками жидкой воды. Оба факта окончательно закрепили утверждение о том, что на Марсе есть вода. Вот уже на протяжении девяти лет марсоход ежедневно отправляет на Землю марсианские панорамы, записанные с его 17-ти видеокамер.

Их вы можете посмотреть в видео сверху (с 7:20).

Такова на данный момент история изучения красной планеты марсоходами. Впереди ждут великие открытия и множество интересных проектов, включая российско-европейский ExoMars.

Если вы хотите узнать больше про современные программы освоения Марса, поддержите пост плюсами и оставляйте комментарии. Так мы поймем, что сегодняшняя тема была вам интересна. Спасибо за внимание!

Междисциплинарная группа ученых проанализировала данные марсохода Curiosity и определила место расположения неизвестного источника выброса метана, частицы которого ранее были зафиксированы в атмосфере Красной планеты и заинтриговали исследователей.

Свои выводы исследователи опубликовали на сервере препринтов Research Square, в настоящий момент научная статья проходит обязательную процедуру рецензирования. Кратко же об открытии рассказывает Live Science.

Марсоход Curiosity был отправлен на Марс американским космическим агентством NASA. В 2012 году он опустился на поверхность в кратере Гейла и с тех пор ведет исследования, отбирая образцы. Шесть раз за время своей миссии марсоход фиксировал присутствие в атмосфере Красной планеты метана.

Curiosity обнаружил выбросы этого газа с помощью лазерного спектрометра. Данный прибор способен улавливать даже самые мельчайшие следы присутствия в атмосфере какого-либо газа. Выбросы метана были зарегистрированы на уровне примерно 10 частей на миллиард.

Но даже это стало большой неожиданностью и заинтриговало ученых. Ведь в земной атмосфере почти весь метан имеет биологическое происхождение. Поэтому, по мнению исследователей, присутствие метана на Марсе может быть ключевым указателем для поиска жизни на планете, которая считается безжизненной.

Однако до последнего времени найти источник выброса метана на Красной планете не удавалось. Чтобы его обнаружить, исследователи из Калифорнийского технологического института смоделировали частицы метана, разделив их на дискретные пакеты.

Далее были сымитированы условия на Марсе, в которых находился марсоход, в частности, в расчетах были учтены скорость и направление ветра. Это позволило исследователям проследить движение метана до возможных точек его выброса. Сделано это было для всех шести случаев обнаружения этого газа Curiosity.

В результате удалось вычислить области, где, вероятно, находятся источники выброса метана. Сообщается, что один из них находится всего в нескольких десятках километров от марсохода.

"Результаты указывают на область активного излучения к западу и юго-западу от марсохода Curiosity на дне северо-западной части кратера, - пишут исследователи в своей статье. - Это может быть совпадением, но мы выбрали место посадки для Curiosity, которое находится рядом с местом активного выброса метана".

Известно, что метан может производиться и без биологического вмешательства. Однако даже в этом случае, по мнению авторов работы, его наличие может указывать на геологическую активность, тесно связанную с присутствием жидкой воды. А это, по нашим представлениям, самый важный ингредиент для зарождения и процветания жизни, существуй она на Марсе в далеком прошлом или настоящем.

К слову, говоря о настоящем, ученые объясняют, что метан на Земле способны вырабатывать микроорганизмы, живущие в самых экстремальных условиях, например, на дне океанов. Проводя аналогию, они не исключают вероятность того, что и на Красной планете метан может быть производным крошечных форм жизни.

https://rg.ru/2021/07/16/vybros-metana-na-marse.html