ДАН и "Венера-Экспресс": главные результаты российских экспериментов на зарубежных аппаратах

25 Дек 2015

Почетные грамоты НАСА и ЕКА вручены участникам научных групп российских экспериментов на борту марсохода «Кюриосити» (НАСА) и автоматической межпланетной станции «Венера-Экспресс» (ЕКА). Награждение состоялось в ходе заседания Совета по космосу Российской академии наук 24 декабря 2015 года.

Грамота “За достижения группы” (Group Achievement Award) была вручена научной группе эксперимента ДАН на борту марсохода «Кюриосити» (Curiosity, НАСА): профессору Игорю Митрофанову, руководителю эксперимента и заведующему отделом ядерной планетологии ИКИ РАН, и другим участникам эксперимента (всего 15 ученых и специалистов из Института космических исследований и Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН).

Марсоход «Кюриосити» был доставлен на поверхность Марса в 2012 году в район кратера Гейл, который, как предполагается, когда-то был дном озера. Российский прибор ДАН (сокращение от «Динамическое альбедо нейтронов»), совмещающий нейтронный детектор и импульсный нейтронный генератор, был разработан ИКИ РАН в сотрудничестве со многими другими организациями. Благодаря импульсному нейтронному генератору, изготовленному во Всероссийском научно-исследовательском институте автоматики им. Н.Л. Духова, прибор способен активно зондировать поверхность Марса высокоэнергичными нейтронами и с их помощью изучать распределение водорода и водородосодержащих соединений (прежде всего, воды) под поверхностью планеты на глубине 0,5–1 м.

«Мы хотим поблагодарить наших коллег из Института автоматики за замечательный нейтронный генератор, который они создали для нашего эксперимента. Гарантийный срок его действия был заявлен в 1 год, и он уже превышен более, чем в три раза, — подчеркнул Игорь Митрофанов в кратком докладе о результатах проекта. — Конечно, тритиевая мишень в генераторе понемногу истощается и уменьшается интенсивность пучка нейтронов, но мы компенсируем это продолжительностью измерений».

Главный результат, полученный благодаря прибору, — на дне кратера Гейл обнаружены два типа районов с различным распределением грунтовой воды по глубине. В большинстве случаев наверху находится более сухой грунт (около 2% воды по массе), под ним — более «влажный» (от 2 до 6 %). Но иногда (примерно в 14% случаев) слои располагаются «обратным» образом: под аналогичным верхним слоем наблюдается совсем сухой грунт, в котором содержание воды составляет всего около 1%.

В целом же поверхность кратера Гейл, по измерениям ДАН, содержит относительно мало воды — в большинстве случаев ее процентное содержание по массе составляет 2–3 процента. Этот результат противоречит данным орбитальных наблюдений, которые проводит нейтронный детектор ХЕНД. Этот прибор был также сделан в группе под руководством Игоря Митрофанова и с 2001 года он работает на борту аппарата «Марс Одиссей» (НАСА). Согласно картам, построенным по данным ХЕНД с орбиты, в кратере Гейла должно быть около 5 процентов воды.

«Возможно, — замечает Игорь Митрофанов, — что дело в достаточно низком пространственном разрешении ХЕНД. Если грунт в кратере Гейл на самом деле более “сухой”, чем на окружающей его равнине, то мы просто не можем увидеть это с орбиты. Второе возможное объяснение связано с глубиной слоя с высоким содержанием воды: ДАН зондирует поверхность на глубину до 60 см, а нейтроны, которые регистрирует ХЕНД, рождаются под действием космических лучей, которые проникают в грунт на 1–1,5 метра. Именно эти нейтроны содержат признаки присутствия высокого содержания воды при наблюдениях с орбиты».

Противоречие сможет объяснить эксперимент ФРЕНД — следующий прибор той же линейки нейтронных детекторов. Этот нейтронный телескоп установлен на борту аппарата Trace Gas Orbiter миссии «ЭкзоМарс» (ExoMars, Роскосмос-ЕКА), который планируется к запуску в марте 2016 года. ФРЕНД будет наблюдать за Марсом с орбиты, как и ХЕНД, но с гораздо более высоким пространственным разрешением (порядка 40 м). Этого разрешения достаточно, чтобы сравнить содержание воды в грунте в пределах кратера Гейл и в его непосредственной окрестности.

Грамоту Европейского космического агентства за эксперименты миссии «Венера-Экспресс» (Venus Express, ЕКА) получила научная группа под руководством Олега Кораблёва, руководителя отдела физики планет ИКИ РАН и со-руководителя эксперимента SPICAV, Людмилы Засовой, заведующей лабораторией спектроскопии планетных атмосфер, Анны Федоровой, заведующей лабораторией экспериментальной спектроскопии, и других сотрудников.

В отличие от «Кюриосити», миссия «Венеры-Экспресс» уже завершилась. Последний сигнал от аппарата, запущенного в ноябре 2005 года, был получен 18 января 2015 года, а научная часть продолжалась с апреля 2006 года по конец ноября 2014.

Российский вклад в миссию — два эксперимента в составе научной нагрузки. Первый — спектрометрический комплекс SPICAV, проводящий измерения в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах (ИК-канал был изготовлен в России, УФ-канал — европейскими организациями). Второй — планетный Фурье-спектрометр PFS (совместно с европейскими организациями).

Российские ученые также принимали участие почти во всех семи экспериментах проекта. «Это прекрасный пример, когда не очень большое участие в приборах даёт доступ почти ко всем данным миссии», — отметил Олег Кораблёв, кратко представивший главные результаты «Венеры-Экспресс».

К их числу относится, например, наблюдения резких колебаний уровня сернистого газа, которое может свидетельствовать об активном вулканизме. Эту гипотезу подтверждает и тот факт, что некоторые районы на поверхности планеты иногда меняют яркость (то есть, фактически, температуру). Детально исследовалась динамика атмосферы. В том числе по движению верхней кромки облаков удалось измерить скорость её верхних слоев. По данным прибора SPICAV построено распределение сернистого газа в атмосфере по высоте, а также установлено новое соотношение водорода к дейтерию, которое примерно в 240 раз больше, чем на Земле. Это соотношение очень важно для понимания того, как Венера теряла воду под действием солнечного ветра.

К сожалению, из-за неисправности сканера он не смог предоставить научную информацию, поскольку не смог развернуться в направлении Венеры. Прибор SPICAV отработал все девять лет без замечаний, и, кроме научных, принёс технологический результат. В его состав был включен ещё один спектрометрический канал SOIR, использующий принцип акустооптической фильтрации для селекции порядков дифракции эшелле-решетки. Принцип был предложен исследователями из ИКИ, но сам прибор по некоторым, в том числе финансовым, причинам был сделан европейскими партнерами. Однако сейчас эти же идеи российским исследователям воплотили в приборах спектрометрического комплекса АЦС, который, как и ФРЕНД, будет исследовать Марс с борта аппарата Trace Gas Orbiter проекта «ЭкзоМарс». Кроме этого, тот же принцип использовался в эксперименте РУСАЛКА на Международной космической станции, где исследовались парниковые газы в атмосфере Земли.

Программа поддержки российских экспериментов на борту зарубежных научных станций реализуется при поддержке Федерального космического агентства и позволяет исследователям из России участвовать в международных конкурсах на установку научной аппаратуры на космических станциях. Если инструмент проходит отбор и включаются в научную нагрузку автоматических межпланетных станциях, то российские ученые получают доступ к научным данным этих миссий.

Российский прибор ДАН на борту марсохода НАСА «Кюриосити»

Российский прибор ДАН на борту марсохода НАСА «Кюриосити»

Содержание воды в веществе под поверхностью Марса вдоль трассы движения марсохода. По горизонтали — пройденный путь, по вертикали — содержание воды в процентах по массе. Точки — отдельные измерения прибором ДАН

Содержание воды в веществе под поверхностью Марса вдоль трассы движения марсохода. По горизонтали — пройденный путь, по вертикали — содержание воды в процентах по массе. Точки — отдельные измерения прибором ДАН

Прибор SPICAV ("Венера-Экспресс"). Справа расположен ИК-канал, слева — УФ-канал

Прибор SPICAV ("Венера-Экспресс"). Справа расположен ИК-канал, слева — УФ-канал 

Дополнительная информация: 
  1. Страница эксперимента ДАН на сайте отдела ядерной планетологии ИКИ РАН
  2. Страница проекта "Венера-Экспресс" на сайте отдела физики планет ИКИ РАН