В Москве, рядом с метро «Калужская», стоит длиннющее серое здание, характерный образчик архитектуры брежневской эпохи. Это Институт космических исследований РАН. Когда проходишь мимо, замечаешь, что свет в кабинетах порой горит даже в ночное время. Люди взаимодействуют с приборами, которые работают за миллионы километров отсюда, и бывает необходимо подстроиться, например, под марсианское время. Мы встретились с сотрудниками ИКИ РАН, чтобы поговорить о космосе, науке и смысле жизни.

Венера

Первый аппарат к ней СССР запустил ещё 12 февраля 1961 года, то есть за два месяца до полёта Гагарина. А в 1965 году автоматическая станция «Венера-3» стала первым земным прибором, достигшим поверхности другой планеты. В 1982-м «Венера-13» и «Венера-14» передали с поверхности планеты цветные изображения. С середины 1980-х советские полёты прекратились, да и другие государства не так уж часто навещали Венеру. Но весьма вероятно, скоро мы туда вернёмся. На 2029 год запланирован запуск станции «Венера-Д». Напомним, средняя температура там больше 460 °C, а давление примерно в 90 раз больше земного. Впрочем, кроме посадочного модуля в миссию входит аэростат, который будет парить в атмосфере Венеры, и станция, которая останется на орбите. Это один из самых масштабных научных проектов России. Минобрнауки России и «Роскосмос» уже финансируют работы по проектированию аппарата.

Выбор профессии

Мой отец, по специальности астроном, с детства много рассказывал мне об устройстве Вселенной. В домашний телескоп вместе рассматривали Луну и планеты. Два раза брал меня в поездки на полное солнечное затмение. Будучи студентом, постарался «ухватиться» за ИКИ после того, как побывал в нем и увидел, что здесь делают настоящую работу.

Фронт работ

У меня два фронта работ: научный и организационный. Научная часть: атмосфера Венеры, динамика облачного слоя. Я анализирую результаты, полученные предыдущими космическими миссиями. А организационная – я участвую в подготовке миссии «Венера-Д». Вот сейчас завершается разработка технического предложения. Если всё пойдёт по плану, в следующем году мы выйдем на стадию эскизного проекта.

Мысленный эксперимент

Я очень реалистично представляю, как посадочный модуль сидит на поверхности планеты, как он работает. Иногда в рамках мысленного эксперимента могу поставить себя на место наблюдателя Венере – на поверхности или в атмосфере в зависимости от того, над чем сейчас работаем: над посадочным модулем или аэростатом. А вот во сне планеты мне не снятся.

Жара

Мы готовимся к тому, что приборам придётся работать при очень высоких температурах и давлениях. У посадочного аппарата мощная оболочка, за которой спрятана вся аппаратура. Снаружи расположено только грунтозаборное устройство, доставляющее образцы грунта внутрь, где при комнатной температуре работают анализаторы. А через миниатюрные окна в оболочке комплекс телевизионных камер будет получать первые с 1982 года панорамные снимки поверхности. Надо понимать, что счёт идёт на минуты: на поверхности Венеры аппарат сможет проработать лишь два-три часа.

Загадки атмосферы

Венера – одна большая загадка, и задач у миссии «Венера-Д», конечно, много. У нас, например, вообще нет полной модели атмосферы Венеры – в отличие от Марса, где погоду мы можем предсказывать не хуже, чем на Земле. В облачном слое находится нечто, что в научной литературе называют «неизвестный ультрафиолетовый поглотитель». Если мы посмотрим на покрывающие всю Венеру облака в ультрафиолетовом диапазоне, то увидим тёмные и светлые области. Темные пятна означают, что какое-то вещество поглощает солнечный ультрафиолет. Мы достоверно не знаем, что это, имеем только «кандидатов», например, редкие соединения серы. Есть даже смелое предположение, что это биологическая субстанция. Даже проводился эксперимент: брали земных бактерий-экстремофилов, которые живут в кислотной среде, и смотрели их спектр поглощения. Получалось похоже на этот неизвестный венерианский поглотитель. Окончательно сможем решить этот вопрос, только отправив новые аппараты.

Жизнь

Тема астробиологии на Венере в последние годы бурно развивается, хотя первые гипотезы о жизни в облаках появились ещё в 1960-е. Под «жизнью» и «обитаемостью» субъективно могут пониматься разные вещи. Репликаторы могут быть основаны на биохимии, отличной от земной. Аэростат «Венеры-Д» сможет плавать в атмосфере и анализировать облака научными приборами – искать соединения, которые могут свидетельствовать о наличии жизни. А дальше в ход пойдут химические модели, чтобы предположить, как эти вещества могли появиться.

Вулканы

На поверхности Венеры загадок ещё больше. Почти вся планета залита базальтовой лавой, которая датируется одним и тем же периодом – примерно 500 миллионов лет назад. Похоже, что тогда произошла некая глобальная катастрофа, навсегда поменявшая ландшафт Венеры. По косвенным признакам мы считаем, что вулканическая активность, хоть и на гораздо более локальных масштабах, продолжается до сих пор. Да и атмосфера в самом низу должна вести себя необычным образом. При таких температурах и давлении, как у поверхности Венеры, углекислый газ (главный компонент атмосферы) переходит в сверхкритическое состояние, и происходят газодинамические процессы, которых мы пока не понимаем.

Эстетика

Меня вдохновляет эстетика, красота. Даже планеты нашей Солнечной системы удалены от нас на какое-то невероятное расстояние. И каждая из них представляет собой целый мир, огромный и разнообразный. И Господь дал нам возможность жить в эпоху, когда мы можем отправлять туда маленькие «кусочки нашей планеты», которые по командам с Земли что-то фотографируют, измеряют. В нашей работе, помимо точных наук, есть большая доля творчества, искусства.

Снова Венера

Ещё в середине XX века многие ученые допускали, что на Венере могут быть вполне комфортные для жизни условия, почти тропический курорт. Атмосфера у нее плотная, тепла от Солнца достаточно. К тому же от избыточного излучения Солнца – а Венера ближе к Солнцу, чем Земля – защищают облака. Но из-за плотных облаков поверхность изучить дистанционно не удавалось, гипотезы выдвигались разные, ученые даже надеялись обнаружить жизнь. Первые аппараты, достигшие Венеры, наоборот показали, что условия на этой планете, мягко говоря, не очень приятные. Температура в несколько раз выше, чем в духовке. Давление в 90 раз больше, чем на Земле. Воды и кислорода критически мало. На первую полосу вышел совсем другой вопрос: может ли это быть будущим для Земли?

Фантастика

Да, небольшой телескоп в школьные годы у меня был, моей гордостью была красивая фотография Луны, сделанная с его помощью. Простор для воображения давали книги, я любила читать. Очень нравилась «Магелланово облако» Станислава Лема про полёт в другую галактику. Захватывающая книга.

Данные

Наша страна внесла огромный вклад в изучение Венеры. Исследование планеты с помощью межпланетных аппаратов и посадочных модулей впервые позволило заглянуть под облака, запечатлеть поверхность и передать на Землю снимки. Сейчас я работаю с данными европейского аппарата «Венера-Экспресс», который был искусственным спутником Венеры до 2015 года. Там был установлен спектрометр SPICAV (Spectroscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Venus), созданный при активном участии нашего института и моих коллег. Данных было получено так много, что до сих пор есть что анализировать. Но, конечно, новую миссию на Венеру, миссию «Венера-Д», я очень и очень жду.

Машина времени

Мы также пытаемся понять эволюцию планеты, как образовался столь сильный парниковый эффект, какой была Венера раньше. Для Земли это тоже важно. Машиной времени для ученого является теоретическая математическая модель, с помощью которой пытаются описать климатические изменения. Модели для Венеры основаны на тех, что применяются для Земли. Можно сказать, что они «проверяются» в экстремальных условиях, которые невозможно наблюдать здесь, на нашей планете. А хорошая модель климата – это ответ на вопрос, что произойдет в будущем, если состав земной атмосферы будет развиваться в направлении к венерианской. Можно перемотать время вперед и понять, что нас ждёт.

Прошлое

Конечно, с помощью моделей также можно попробовать заглянуть и в прошлое. Исследователи пытаются понять, а не мог ли существовать в прошлом океан на поверхности Венеры. Жизнь на Земле родилась в океане. Сейчас мы констатируем, что воды в атмосфере очень мало. Но она могла испариться из-за разогнавшегося парникового эффекта, и, кстати, это только усиливало бы его. А в атмосфере молекулы воды постепенно распадаются на водород и кислород, которые достаточно легко улетают в космос. Наличие жидкой воды в прошлом пока подтверждается одними моделями, но оспаривается другими. Я помогаю собирать данные о текущем составе атмосферы, что необходимо для точного моделирования эволюции химического состава атмосферы и климата Венеры.

Экзопланеты

Учёные находят всё больше экзопланет, на самых разных расстояниях от их звезд. Некоторые из них находятся в «зоне обитаемости», – там условия могут быть похожи на земные. А другие – ближе к звезде – в «зоне Венеры». Зная хорошо историю Венеры, мы можем делать выводы и про экзопланеты. Например, понять, насколько вообще там возможна жизнь. Правда, полететь туда в обозримом будущем мы не сможем, что очень обидно. Ведь даже на Венеру отправить аппарат непросто! Но с этим мы справимся.

Фосфин

Это интрига! Фосфин – газ, который на Земле в основном образуется на болотах, его производят бактерии в бескислородной среде. Два года назад фосфин обнаружили в облаках Венеры, где есть слой, по температурным параметрам близкий к земным. Может ли там существовать какая-то форма жизни, которая этот газ выделяет? Разгорелась жаркая дискуссия. А был ли это фосфин? Может, это ошибка детектирования. Проблема в том, что нижний слой облаков, где этот газ нашли, очень сложно исследовать дистанционно: облака почти непрозрачные. Поэтому точный ответ мы получим только тогда, когда полетят новые посадочные аппараты к Венере.

Кислород

Венера – планета интересная во многих отношениях. Например, облака – они несутся с бешеной скоростью вдоль экватора и параллелей. В верхних слоях, на 70 км, она достигает 100 метров в секунду, настоящий ураган. Но выше 100 километров ветры дуют совсем по-другому. С солнечной стороны молекулы и атомы переносятся на ночную и там погружаются в более плотные слои атмосферы. На дневной стороне в верхней атмосфере из-за солнечного излучения молекулы углекислого газа распадаются – появляется свободный кислород. А ветер переносит его на ночную сторону, где атомы могут образовывать озон, тот самый газ, который на Земле защищает нас от ультрафиолета. А могут и кислород, который еще и светится в ночной атмосфере инфракрасным светом. Правда, на Венере кислорода очень мало, его сложно изучать. Установить его точное количество, как газ распределен в атмосфере, – это одна из наших будущих задач. Вот как всё удивительно сложно и интересно…

Двуокись серы

Второе вещество, которое я изучаю, – двуокись серы, или в просторечии сернистый газ, очень важный газ для доказательства вулканической активности. Вроде бы на Венере найдены действующие вулканы – на тепловых картах обнаружены горячие точки. Но учёные любят доказательства, и хорошо бы эту гипотезу подтвердить чем-то ещё, например, данными о влиянии этой активности на атмосферу.

Серная кислота

Двуокись серы реагирует в атмосфере с молекулами воды, и получаются капли серной кислоты. Если у нас на Земле концентрированной кислотой считается раствор, в котором серной кислоты больше 40 % процентов, то на Венере её концентрация более 75 %. Чистая серная кислота! Правда, капельки совсем маленькие и редкие, как разреженный туман. Да и до поверхности он не долетает, там очень жарко.

Земля

Космос – это не только фундаментальные загадки мироздания. Благодаря данным дистанционного зондирования Земли, получаемым со спутника, можно решить множество вполне прикладных проблем.

Миллионы гигабайт

Мы используем открытые спутниковые данные, доступные для научной общественности. Сейчас в Центре коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг» накоплен объём данных в 5,5 петабайта; один петабайт – это миллион гигабайт. В основном это данные по России и близлежащим территориям.

Задачи

Основная моя деятельность в ИКИ – это автоматизация обработки данных дистанционного зондирования Земли. Нужно, чтобы всё работало автоматически, с минимальным участием человека. Нам за сутки терабайт информации поступает – нужно в потоке всё это обработать, и без ошибок.

Образование

Я учился в Бауманке по специальности «динамика полёта и управление движением летательных аппаратов» и попал на необязательный курс по дистанционному зондированию Земли. Я даже не знал, что бывают необязательные курсы. Оказалось увлекательно и при этом про конкретные нужды людей.

Листва и хвоя

На основе информации со спутников можно получать очень интересные данные. Возьмём лишь один пример. Разные породы деревьев по-разному отражают электромагнитные волны (свет, ближний и дальний инфракрасный спектр и т. п.). И для каждой породы можно найти именно её спектральные отражательные характеристики: для хвойных одни, для лиственных другие. Проанализировав данные из сотни мест, можно определить, что растёт в тысячах других. И сделать это не один раз, а вести постоянный мониторинг. Мы наблюдаем изменения растительности с 2001 года – смотрим, как ведут себя леса.

Пожары

Мониторинг пожаров – очень востребованный продукт. Мы создали систему на основе спутниковых данных, которая позволяет отслеживать ситуацию круглосуточно, практически в реальном времени. Ориентируясь на наши данные, специалисты Авиалесоохраны могут принимать решения, как поступать в той или иной ситуации.

Вулканы

Вместе с камчатскими коллегами мы разработали систему мониторинга вулканических пепловых шлейфов. Эта информация нужна диспетчерам в аэропортах, чтобы при необходимости менять маршруты самолётов.

Поле

Со спутника даже видно, здоровы ли сельскохозяйственные растения или болеют чем-то, – это можно определить на основе различных индексов отражательной способности. Какой-нибудь крупный сельхозпроизводитель, у которого тысячи гектаров, может постоянно следить за тем, что у него в хозяйстве происходит.

Углерод

Очень важно иметь адекватную информацию об углеродном цикле. Она позволяет понять, сколько углерода накапливается в стволах, в листве.

Страна

Когда я слышу слово «Россия», то представляю карту растительности в проекции Альберса, которую я загружаю для анализа. Эта карта появилась у меня на экране благодаря труду огромного количества людей.

Люди

Людей на карте не видно, но я смотрю на общество с точки зрения второй специальности, которую сейчас получаю. Я учусь в магистратуре Высшей школы экономики, буду магистром государственного и муниципального управления. Это интересно. Чтобы создавать условия для научных коллективов, хорошо бы понимать не только как работают учёные, но и как эта сфера регулируется законодательно. Взгляд на проблему с другой стороны.

Солнце

Каждую секунду на нас дует солнечный ветер. Это гигантский поток плазмы, который вылетает из солнечной короны и движется со скоростью от 300 до 1000 км/с (а иногда и более!). К счастью, магнитное поле Земли защищает нас от этого ионного урагана.

Радость

Когда я просыпаюсь и вижу на небе солнышко, то как обычный человек просто ему радуюсь. Вот когда посмотрю сводки о космической погоде, тогда уже думаю о своей науке.

Опасность

Космическая погода больше сказывается на технике: радиолокационных и радионавигационных системах. А влияние на человека часто преувеличивают. Когда мне говорят: «Магнитная буря, будьте осторожны», я не воспринимаю это всерьёз. Некоторым даже кажется, что из-за магнитных бурь у них болит голова, но в физике надо всегда сравнивать масштабы эффектов. На человека гораздо больше влияет, например, обычное атмосферное давление. Нам повезло: у Земли есть магнитное поле. Если бы не оно, потоки плазмы и высокоэнергетических частиц от Солнца долетали бы до поверхности нашей планеты, и последствия были бы куда более серьёзными.

Масштабы

Меня порой поражают масштабы. Эти корональные солнечные выбросы огромны – их размеры на орбите Земли достигают десятков миллионов километров (больше Солнца), а масса составляет миллиарды тонн. Это завораживает. Когда смотришь на такие масштабы, понимаешь, что мы даже не муравьи, а какие-то совсем мельчайшие создания. Но это здорово! Хотя мы такие маленькие на этом фоне, а вот познанием занимаемся, в космос установки посылаем.

Турбулентность

Все знают, что на Солнце происходят вспышки и выбросы. Менее известно, что в плазме солнечного ветра высокая турбулентность. Это можно представить как набор больших вихрей, внутрь которых вложены вихри меньшего размера, и так далее, как в матрёшке. То есть поток плазмы от Солнца неоднороден, он состоит из сложных структур различных масштабов, которые взаимодействуют между собой и влияют на магнитосферу Земли. Порой поражаешься: как природа это всё организовала?

Занудство

На Земле, если установка работает как-то не так, к ней можно подойти и что-то подкрутить. Но наши приборы предназначены для работы в космосе. Это повод быть крайне внимательными. Мой научный руководитель – Георгий Наумович Застенкер – шутил, что физики-экспериментаторы в области космоса должны быть немножко занудами. Ты десять раз перепроверяшь, уточняешь, перемеряешь, испытываешь.

Сеточки

У нас в лаборатории делают приборы для измерения плазмы солнечного ветра. Один из них основан на так называемом цилиндре Фарадея. Грубо говоря, это металлическая банка, а внутри сеточки, через которые летят ионы плазмы. Толщина проволоки в этих сеточках примерно 20 нанометров – сотые доли миллиметра. А ячейки довольно большие, примерно миллиметр. И нам сейчас нужно добиться того, чтобы всё работало нормально, чтобы сетки, даже самых больших размеров, не провисали и не рвались.

Пассажиры

В России редко запускают специализированные космические аппараты для исследований межпланетной среды (последний был «Интербол-1» – его макет виден на фото за Марией). Чаще получается договориться, чтобы наше оборудование взяли в качестве попутной нагрузки. Вот, например, «Спектр-Р» – это вообще астрофизическая миссия, к Солнцу никакого отношения не имеет. Но появилась возможность поставить туда несколько дополнительных приборов, и мы этим воспользовались. Наш прибор успешно проработал на «Спектр-Р» более 7 лет, фактически всё время жизни космического аппарата. Следующий эксперимент мы надеемся поставить на «Луне-26» – этот орбитальный аппарат может измерять не только солнечный ветер, но и частицы, которые отражаются от Луны. Тоже интересная задача.

Планирование

Все большие космические миссии – это много лет планирования. Вот сейчас мы пишем проекты на 2030-е годы. К этому привыкаешь. Главное – здесь и сейчас хорошо делать свою работу. И тогда планы, которые мы строим на много лет вперёд, с большой вероятностью реализуются.

Мечта

Я мечтаю о том, что лет через десять поеду на космодром запускать спутник с нашим комплексом аппаратуры в точку L1. Это так называемая точка Лагранжа, в которой земное притяжение уравновешено солнечным, примерно полтора миллиона километров от Земли. Вокруг этой точки аппарат может вращаться длительное время. Очень хорошее место для непрерывных наблюдений за Солнцем.

Марс

Если бы на Марсе жили разумные зелёные человечки, то в свои подзорные трубы они бы заметили странный объект, который вдруг стал летать над их планетой, – эдакий кубик с прямоугольными крыльями. Увы, человечков на Марсе нет, но прибор действительно летает. Это орбитальный аппарат для исследования малых составляющих атмосферы (Trace Gas Orbiter, TGO), запущенный на орбиту Марса Европейским космическим агентством в рамках программы «ЭкзоМарс». Из четырёх научных приборов в этом аппарате два разработаны Институтом космических исследований РАН.

Время

Орбитальный аппарат «ЭкзоМарс» передаёт нам данные с 2018 года. Вообще-то он был рассчитан всего на два земных года работы. Но с космическими аппаратами так часто бывает: они работают дольше заявленного, пока не деградирует оборудование. А деградирует оно медленно: влаги нет, а топлива хватает.

Спектры

На «ЭкзоМарсе» стоят два прибора, которые мы делали. Один – инфракрасный спектрометр. Грубо говоря, это усовершенствованные версии призм. Если призма просто раскладывает свет в радугу, то здесь она делает это с инфракрасным излучением. Это нужно, чтобы определять состав атмосферных газов. Например, смотрим мы на длине волны в 3,3 микрона, а в силу атомных свойств именно там поглощает излучение метан. И если мы видим, что в этом месте чуть меньше света, то можем сказать: кажется, это метан.

Метан

С метаном странная история. На поверхности Марса работает марсоход Curiosity. Там есть очень чувствительный прибор, который показал, что метан есть. А по нашим данным со спутника, метана нет. Теперь ведутся дискуссии. Куда подевался метан? Может ли так получиться, что он есть на поверхности, а наверху разрушается? Или марсоход как-то по-другому видит? А если метан есть, то откуда он? Может быть, это признак жизни. А может, нет. Есть модели, показывающие, что он образуется в пылевых вихрях под воздействием электростатических разрядов…. Идей много, но нет общепринятой, везде противоречия. И эти противоречия стимулируют нас к работе.

Земля

То, что делалось для Марса, можно использовать и для Земли. У нас-то точно в атмосфере есть метан, и он играет важную роль в парниковом эффекте. Берём ту же концепцию и делаем прибор для земной атмосферы. Но если на Марсе важно просто найти метан, то на Земле его надо измерять – с хорошей точностью и регулярно.

Галогены

Да, российские учёные не нашли метан в атмосфере Марса. Но зато мы обнаружили, например, HCl, то есть соляную кислоту. Этого вещества мало – одна частичка на миллиард, но оно есть, хотя никто этого не ожидал. Сейчас мы ищем бромоводород, тоже соединение с галогеном. Но пока не нашли.

Кухня

Меня мотивирует базовое человеческое любопытство, ощущение того, что, сидя здесь, мы можем исследовать вещи, находящиеся там. Когда миссия «ЭкзоМарс» только началась, нужно было сделать тестовое включение: аппарат должен был как бы покручиваться, глядя на Солнце. И всё это я планировал ночью, сидя у себя на кухне! Так было проще – в спокойствии и тишине посылать команду космическому прибору. А спустя две недели, сидя на той же кухне, я наблюдал, как эта махина делала запланированные мною движения. Это удивительно! Вот прямо сейчас я пойду к своему компьютеру, а там файлик, который пришёл ночью с орбиты Марса, потому что там включался мой прибор, на нём шевелились зеркальца, и всё это происходило на основе команд, написанных здесь же.

Текст: Григорий Тарасевич.
Фото: Юлия Гуськова.

Материал подготовлен совместно
Российской академией наук
и научно-популярным журналом «Кот Шрёдингера»
(АНО «Центр по развитию технологий будущего»).