Представьте, что Землю изучает какой-то очень внимательный и терпеливый внеземной наблюдатель: 4,6 млрд лет назад планета завершает конденсацию из межзвездного газа и пыли, падают последние планетезимали, которые образуют на Земле огромные ударные кратеры; планета нагревается изнутри благодаря гравитационной потенциальной энергии аккреции и радиоактивному распаду, при этом жидкое железное ядро отделяется от мантии, состоящей из силикатных пород, и коры; насыщенные водородом газы и конденсированная вода выходят из внутренних слоев планеты на поверхность; довольно однообразные космические органические вещества складываются в сложные молекулы, которые образуют чрезвычайно простые самовоспроизводящиеся молекулярные системы – первые земные организмы; межпланетные обломки падают уже не так часто, а водные потоки, горообразование и другие геологические процессы сглаживают шрамы, появившиеся при формировании Земли; устанавливается мощный механизм внутрипланетной конвекции, который поднимает мантийное вещество вверх ко дну океанов и отводит вниз на границах континентов; столкновения движущихся плит образуют большие складчатые горные цепи и общие очертания суши и океана, покрытые льдами и тропические территории беспрестанно меняются. Тем временем естественный отбор выбирает из широкого ряда альтернатив те самовоспроизводящиеся молекулярные системы, которые лучше всего подходят к изменяющейся окружающей среде; в результате эволюции появляются растения, которые начинают использовать видимый свет для разделения воды на водород и кислород, и водород улетучивается в космос, изменяя химический состав атмосферы от восстановительного к окислительному; наконец появляются организмы довольно сложные и разумные.

Но в течение всех 4,6 млрд лет наш гипотетический наблюдатель поражается изоляции Земли. Она получает солнечный свет и космические лучи – и то и другое важно для биологических объектов – и время от времени сталкивается с межпланетными обломками. Но все эти миллиарды лет ничто не покидает планету. И затем планета внезапно начинает рассеивать крохотные семена по внутренней Солнечной системе, сначала на орбиту вокруг Земли, затем на пустынный и безжизненный естественный спутник планеты, Луну. Шесть капсул – маленькие, но больше остальных – садятся на Луну, и из каждой спускаются два крошечных двуногих существа, быстро исследуют окружающую местность и затем спешат обратно на Землю, лишь обмакнув на мгновение палец в космический океан. Одиннадцать маленьких зондов входят в атмосферу Венеры, обжигающую адскую бездну, и шесть из них держатся на поверхности несколько десятков минут, прежде чем сгореть. Восемь космических аппаратов летят к Марсу. Три успешно обращаются вокруг планеты годами, другой летит мимо Венеры к Меркурию по траектории, явно выбранной намеренно, чтобы много раз пройти мимо самой близкой к Солнцу планеты. Еще четыре успешно пересекают астероидный пояс, пролетают рядом с Юпитером и затем отбрасываются гравитацией самой большой планеты в межзвездный космос. Ясно, что на планете Земля в последнее время происходит что-то интересное.

Если 4,6 млрд лет истории Земли ужать в один год, то этот всплеск космических исследований занял бы последнюю десятую долю секунды, а фундаментальные изменения мировоззрения и знаний, позволивших осуществить это примечательное преобразование, заняли бы только последние несколько секунд. XVII столетие увидело первое широкое применение простых линз и зеркал для астрономических целей. Посмотрев в первый астрономический телескоп, Галилей с удивлением и восторгом увидел Венеру в форме полумесяца и горы и кратеры Луны. Иоганн Кеплер думал, что кратеры – это сооружения разумных существ, населяющих тот мир. Но в XVII столетии голландский физик Христиан Гюйгенс выразил несогласие. Он предположил, что усилия, затраченные на сооружение лунных кратеров, были бы неразумно велики, и также считал, что может дать альтернативное объяснение этим круглым впадинам.

Гюйгенс служит примером ученого, который одновременно использовал передовые технологии, обладал экспериментальными навыками и рациональным, реалистичным и скептическим умом и был открыт новым идеям. Он был первым, кто предположил, что мы смотрим на атмосферу и облака на Венере, первым, кто понял кое-что об истинной природе колец Сатурна (которые казались Галилею двумя «ушами», окружающими планету), первым, кто изобразил распознаваемую область на марсианской поверхности (Большой Сирт), и вторым, после Роберта Гука, который нарисовал Большое красное пятно на Юпитере. Эти последние два наблюдения все еще имеют значение для науки, потому что они подтверждались по меньшей мере три столетия подряд. Гюйгенс, конечно, не был абсолютно современным астрономом. Он не мог полностью избежать убеждений своего времени. Например, он представил любопытный аргумент, из которого мы можем вывести наличие конопли на Юпитере: Галилей установил, что у Юпитера четыре спутника. Гюйгенс задал вопрос, который вряд ли бы задал современный планетолог: почему у Юпитера четыре спутника? Ответ на этот вопрос, как он считал, можно получить, спросив то же самое о единственном спутнике Земли, Луне, чья функция кроме слабого света ночью и приливов заключается в обеспечении навигационной помощи морякам. Если у Юпитера четыре спутника, на этой планете должно быть много моряков. Но моряки подразумевают наличие лодок, лодки – наличие парусов, паруса – наличие канатов, и, я предполагаю, канаты – наличие конопли. Интересно, сколько наших современных высоко оцененных научных аргументов покажутся столь же сомнительными через три столетия.

Полезный показатель наших знаний о планете – это количество битов информации, необходимых, чтобы охарактеризовать наше представление о ее поверхности. Мы можем представить ее как количество черных и белых точек на газетной факсимильной копии, которая, если ее держать на расстоянии вытянутой руки, суммировала бы всю существующую информацию. В дни Гюйгенса на наши знания о поверхности Марса хватило бы около десяти битов информации, полученной урывками через телескоп. К тому времени, когда Марс близко подошел к Земле в 1877 г., это число увеличилось, вероятно, до нескольких тысяч, если исключить большое количество ошибочных сведений: например, рисунки «каналов», которые, как мы теперь знаем, абсолютно иллюзорные. С дальнейшими визуальными наблюдениями и развитием наземной астрономической фотографии количество информации росло медленно, пока не произошел резкий рост кривой с наступлением эры исследований планеты с помощью космических аппаратов.

Двадцать фотографий, полученных «Маринером-4» при облете планеты в 1965 г., составили 5 млн битов информации, что, в общем, сравнимо со всеми предыдущими фотографическими сведениями о планете. Но эти фотографии покрывают лишь крошечную часть планеты. Двойная миссия «Маринер-6» и «Маринер-7» в 1969 г. увеличила это число в 100 раз, а орбитальный зонд «Маринер-9» в 1971 и 1972 гг. увеличил его еще в 100 раз. Фотографические результаты, полученные «Маринером-9» с Марса, приблизительно в 10 000 раз больше суммы предыдущих фотографических знаний о Марсе, полученных за всю историю человечества. Аналогичное продвижение по сравнению с лучшими, полученными до этого наземными данными произошло, когда «Маринер-9» провел исследования с помощью инфракрасной и ультрафиолетовой спектроскопии.

С увеличением количества информации стремительно улучшается и ее качество. До «Маринера-4» самый малый объект, который можно было обнаружить на поверхности Марса, имел несколько сотен километров в диаметре. После «Маринера-9» несколько процентов поверхности планеты было сфотографировано с эффективным разрешением 100 м, что в 1000 раз лучше разрешения последних десяти лет и в 10 000 раз лучше разрешения времен Гюйгенса. У «Викинга» разрешение было еще лучше. Только благодаря ему мы сегодня знаем об огромных вулканах, полярных шапках, извилистых руслах с притоками, больших рифтовых долинах, полях дюн, пылевых полосах на склонах кратеров и многих других объектах марсианского ландшафта, информативных и загадочных.

Чтобы исследовать неизведанную планету, необходимы и должное разрешение, и область покрытия. Например, даже с превосходным разрешением по неудачному совпадению космические аппараты «Маринер-4», «Маринер-6» и «Маринер-7» наблюдали старую, испещренную кратерами и относительно неинтересную часть Марса и не добыли сведений о молодой и геологически активной трети планеты, обнаруженной «Маринером-9».

Жизнь на Земле совершенно не распознается на орбитальных фотографиях, и только при разрешении 100 м становится различима геометрическая форма городских поселений и сельскохозяйственных угодий нашей технологической цивилизации. Если бы на Марсе существовала цивилизация сравнимого масштаба и уровня развития, ее нельзя было бы увидеть на фотографиях до миссий «Маринера-9» и «Викинга». Нет причин надеяться на обнаружение таких цивилизаций на ближайших планетах, но это сравнение показывает, что мы только начинаем в полной мере познавать соседние миры.

Безусловно, нас ожидают удивительные открытия, когда и разрешение, и область покрытия при фотографировании станут еще лучше, а спектроскопия и другие методы исследования также будут значительно усовершенствованы.

Самая большая профессиональная организация планетологов в мире – это Отдел планетных наук Американского астрономического общества. Рвение ученых этой развивающейся области наук заметно на собраниях общества. На ежегодном собрании 1975 г., например, было объявлено об обнаружении водяного пара в атмосфере Юпитера, этана на Сатурне, предположительно, углеводородов на астероиде Веста, атмосферного давления, близкого к земному, на спутнике Сатурна Титане, всплесков радиоизлучения декаметрового диапазона на Сатурне, а также об обнаружении спутника Юпитера Ганимеда с помощью радиолокатора, определении спектра радиоизлучения спутника Юпитера Каллисто, не говоря уже об ошеломляющих видах Меркурия и Юпитера (и их магнитосфер), полученных в ходе экспериментов на «Маринере-10» и «Пионере-11». И на последующих собраниях были представлены не менее значимые достижения.

За всей суматохой и волнением недавних открытий пока не сформировался общий взгляд на происхождение и эволюцию планет, но эта тема сейчас изобилует провокационными намеками и проницательными догадками. Становится ясно, что изучение любой планеты обогащает наши знания об остальных, и, если мы хотим в полной мере понять, как функционирует Земля, мы должны иметь представление и о других планетах. Например, сейчас модно одно предположение, которое я впервые высказал в 1960 г., что высокие температуры на поверхности Венеры обусловлены быстро нарастающим парниковым эффектом, при котором вода и углекислый газ в атмосфере планеты препятствуют тепловому инфракрасному излучению с поверхности в космос; температура поверхности поэтому поднимается, чтобы достичь равновесия между видимым солнечным светом, поступающим на поверхность, и инфракрасным излучением, исходящим от нее; повышенная температура поверхности вызывает повышенное давление паров парниковых газов, углекислого газа и воды и так далее, пока весь углекислый газ и водяной пар не перейдут в газообразную фазу, что приводит к высокому атмосферному давлению и высокой температуре поверхности планеты.

Итак, причина, по которой у Венеры есть такая атмосфера, а у Земли нет, заключается в относительно малом поступлении солнечного света. Если бы Солнце светило ярче или поверхность Земли и облаков была темнее, стала бы Земля похожа на классическое представление об Аде? Венера может служить предупреждением нашей технической цивилизации, которая способна значительно изменить окружающую среду Земли.

Несмотря на ожидания почти всех планетологов, Марс оказался покрыт тысячами извилистых каналов, вероятно, возникших несколько миллиардов лет назад. Образованные проточной водой или жидким СО₂, такие каналы, вероятно, не могли появиться при нынешних атмосферных условиях; для этого требуется гораздо более высокое давление и, вероятно, более высокие полярные температуры. Таким образом, каналы – так же как полярные шапки на Марсе – могут служить свидетельством по крайней мере одной, а, возможно, и многих предыдущих эпох гораздо более благоприятных условий, подразумевая значительные климатические изменения на протяжении истории планеты. Мы не знаем, обусловлены ли такие изменения внутренними или внешними причинами. Если внутренними, интересно будет посмотреть, не возникнут ли на Земле из-за деятельности человека столь же резкие климатические изменения, как на Марсе, – гораздо более значительные, чем Земля испытывала, по крайней мере в последнее время. Если марсианские климатические изменения вызваны внешними факторами – например, изменением яркости Солнца, – тогда сопоставление марсианского и земного палеоклимата окажется чрезвычайно важным.

«Маринер-9» прибыл на Марс в разгар глобальной пылевой бури, и полученные им данные позволяют проследить, нагревают или остужают поверхность планеты такие бури. Было бы лучше, если бы теории, претендующие на прогнозирование климатических последствий увеличения концентрации аэрозолей в атмосфере Земли, давали правильный ответ, объясняющий планетную пылевую бурю, которую наблюдал «Маринер-9». Основываясь на нашем опыте с «Маринером-9», мы с Джеймсом Поллаком из Исследовательского центра Эймса НАСА и Брайаном Туном из Корнеля вычислили воздействие одиночного и многократных извержений вулканов на климат Земли и смогли воспроизвести, с погрешностью эксперимента, наблюдаемые климатические последствия больших извержений на нашей планете. Взгляд с точки зрения планетной астрономии, которая позволяет нам видеть планету в целом, полезен для исследования Земли. В качестве другого примера влияния исследований планет на земные наблюдения могу привести работы одной из основных групп, изучающих воздействие использования сжатого фреона в аэрозольных баллончиках на озоносферу емли, – это группа под руководством М. Макэлроя в Гарвардском университете, которая приступила к разработке данной проблемы при исследовании аэрономии атмосферы Венеры.

Теперь благодаря наблюдениям с помощью космических аппаратов мы кое-что знаем о плотности распределения по поверхности Меркурия, Луны, Марса и его спутников ударных кратеров разных размеров; с помощью радиолокационных методов исследования мы начинаем получать такую информацию для Венеры, а также мы обладаем некоторой информацией о кратерах на поверхности Земли, хотя они сильно разрушены текущей водой и тектонической активностью. Если бы популяция объектов, столкновения с которыми приводят к таким последствиям, была одинакова для всех этих планет, тогда можно было бы восстановить и абсолютную, и относительную хронологию образования кратеров. Но мы пока не знаем, являются ли популяции объектов столкновений общими (например, все происходят из пояса астероидов) или локальными (например, выметенные обломки из колец на последних стадиях аккреции планет).

Лунные возвышенности, сильно испещренные кратерами, рассказывают нам о ранних этапах истории Солнечной системы, когда кратерообразование было гораздо более распространено, чем сегодня; количество межпланетных обломков в настоящее время слишком мало, чтобы объяснить изобилие кратеров на возвышенностях. С другой стороны, в лунных морях гораздо меньше кратеров, возникновение которых можно объяснить существующей в настоящее время популяцией межпланетных обломков, в основном астероидами и, возможно, мертвыми кометами. Можно сказать кое-что об абсолютном возрасте поверхностей планет, которые не так сильно испещрены кратерами, многое об их относительном возрасте и в некоторых случаях даже что-то о распределении размеров объектов, которые оставили кратеры после падения. На Марсе, например, мы находим склоны больших вулканических гор, почти лишенные ударных кратеров, что говорит об их сравнительной молодости; они еще не успели накопить шрамы от столкновений. Это служит обоснованием утверждения, что вулканы на Марсе – явление сравнительно недавнее.

Конечная цель сравнительной планетологии, я предполагаю, заключается в своего рода огромной компьютерной программе, в которую мы вводим несколько исходных параметров – возможно, изначальную массу, состав, момент импульса и количество соседних объектов столкновения – и получаем время эволюции планеты. Мы очень далеки от такого глубокого понимания эволюции планет в настоящее время, но гораздо ближе, чем мы думали всего несколько десятилетий назад.

Каждый новый ряд открытий поднимает множество вопросов, которые мы никогда даже не додумывались задать. Я упомяну только некоторые из них. Сейчас становится возможным сравнивать состав астероидов с составом метеоритов на Земле (см. главу 15). Астероиды четко делятся на силикатные и богатые органическими веществами. Сразу же можно сделать вывод, что астероид Церера явно имеет однородную структуру, а менее массивный астероид Веста – дифференцированную под действием гравитации. Но сейчас мы знаем, что дифференциация планеты происходит при массе выше определенной критической. Может ли Веста быть остатком гораздо большего родительского объекта, ныне ушедшего из Солнечной системы? Первоначальное исследование кратеров Венеры с помощью радиолокаторов показывает, что они крайне неглубокие. Но там нет воды, чтобы размыть поверхность Венеры, и нижние слои атмосферы Венеры перемещаются настолько медленно, что пыль не может заполнить кратеры. Может ли источником наполнения кратеров Венеры быть очень медленное проседание немного расплавленной поверхности?

Самая популярная теория происхождения магнитных полей планет ссылается на искривленные вращением конвективные потоки в электропроводящем ядре планеты. Поскольку период вращения Меркурия вокруг оси равен пятидесяти девяти дням, по этой схеме ожидалось, что у него будет отсутствовать магнитное поле. Но такое поле явно там присутствует, и на очереди серьезная переоценка теорий магнетизма планет. Только у Сатурна и Урана есть кольца. Почему? На Марсе есть изумительные гряды продольных песчаных дюн, расположенных у внутренних валов большого разрушенного кратера. В национальном парке «Великие песчаные дюны» рядом с Аламозой, штат Колорадо, есть очень похожие ряды песчаных дюн под склонами гор Сангре-де-Кристо. У марсианских и земных песчаных дюн одинаковая общая протяженность, одинаковое расположение и одинаковая высота дюн. Но атмосферное давление на Марсе в 200 раз меньше давления на Земле, ветры, необходимые для сальтации песчинок, в десять раз слабее, чем на Земле, и распределение частиц по размерам может различаться на двух планетах. Как тогда поля дюн, нанесенных ветром, могут быть так похожи? Каковы зафиксированные на поверхности Юпитера источники декаметровых радиоволн, периодически излучающие в космос – каждый меньше 100 км в диаметре?

Наблюдения «Маринера-9» указывают на то, что скорость ветра на Марсе, по крайней мере временами, превышает половину местной скорости звука. Бывают ли когда-нибудь ветры гораздо сильнее? Каковы свойства метеорологических явлений при околозвуковой скорости? На Марсе есть пирамиды около 3 км в ширину у основания и 1 км в высоту. Вряд ли их построили марсианские фараоны. Интенсивность пескоструйной обработки, вызванной ветром, на Марсе по крайней мере в 10 000 раз больше, чем на Земле, потому что для того, чтобы сдвинуть песчинки в более разреженной марсианской атмосфере, необходимы бо́льшие скорости. Могли ли грани марсианских пирамид разрушиться за миллионы лет обдувки песком ветром с преобладанием более чем одного направления?

Спутники во внешней Солнечной системе уж точно не копии нашего, довольно унылого спутника. Многие из них имеют такую низкую плотность, что должны состоять в основном из метанового, аммиачного или водяного льдов. Как их поверхности будут выглядеть вблизи? Как будут разрушаться ударные кратеры на ледяной поверхности? Могут ли там быть вулканы из твердого аммиака с лавой из жидкого NH3, стекающей по их склонам? Почему Ио, самый близкий к планете большой спутник Юпитера, заключен в облако из газообразного натрия? Как Ио помогает регулировать синхротронное излучение из радиационного пояса Юпитера, где проходит его орбита? Почему одна сторона Япета, спутника Сатурна, в шесть раз ярче другой? Из-за разницы размера частиц? Химического различия? Как возникли такие различия? Почему на Япете и нигде больше в Солнечной системе не наблюдается подобная асимметрия?

Гравитация самого большого спутника в Солнечной системе, Титана, настолько низкая, а температура верхних слоев атмосферы достаточно высокая, чтобы водород довольно быстро улетучивался в космос в процессе, известном как истечение газа. Но результаты спектроскопии показывают, что на Титане достаточное количество водорода. Атмосфера Титана – загадка. И если мы выйдем за систему Сатурна, то окажемся в области Солнечной системы, о которой мы почти ничего не знаем. Наши слабые телескопы даже не определили точно периоды вращения Урана, Нептуна и Плутона, тем более характер их облаков и атмосферы и природу систем их спутников. Поэтесса Диана Аккерман из Корнельского университета пишет: «Нептун непостижим, как серая кобыла в яблоках в тумане. Тестообразный? Подпоясанный кольцом? Газообразный? Ледяной? Мы знаем меньше кулачка лемура».

Один из самых интригующих вопросов, к которому мы только начинаем подходить серьезно, – это вопрос органических веществ и живой материи по всей Солнечной системе. Окружающая среда на Марсе никоим образом не так враждебна, чтобы исключить жизнь, но мы недостаточно знаем о происхождении и эволюции жизни, чтобы гарантировать ее присутствие там или где-то еще. Вопрос о присутствии живых организмов, и больших, и малых, на Марсе полностью открыт даже после миссий «Викингов».

Насыщенные водородом атмосферы планет, таких как Юпитер, Сатурн, Уран и Титан, в значительной степени похожи на атмосферу ранней Земли во времена возникновения жизни. По результатам лабораторных моделирующих экспериментов мы знаем, что при таких условиях в больших количествах образуются органические молекулы. В атмосфере Юпитера и Сатурна конвекция будет переносить молекулы в области, где идет процесс пиролиза. Но даже там равновесная концентрация органических молекул может быть значительной. Во всех моделирующих экспериментах при приложении энергии к таким атмосферам образуется коричневатое полимерное вещество, которое во многом напоминает коричневатое вещество, окрашивающее их облака. Титан может быть полностью покрыт таким органическим веществом. Возможно, что в следующие несколько лет мы станем свидетелями важных и неожиданных открытий в зарождающейся науке экзобиологии.

Главным средством дальнейших исследований Солнечной системы в ближайшие два десятилетия будут, безусловно, автоматические миссии к планетам. Научные космические аппараты сейчас успешно запущены ко всем планетам, известным древним народам. В какой-то степени был изучен ряд предложенных миссий, которые пока не одобрены (см. главу 16). Если большинство этих миссий действительно осуществится, ясно, что нынешний век планетных исследований будет иметь блистательное продолжение. Но совершенно неясно, будут ли продолжаться эти прекрасные путешествия в поисках открытий, по крайней мере Соединенными Штатами. За последние семь лет была одобрена только одна важная планетная миссия – проект «Галилео» к Юпитеру, – и даже она под угрозой срыва.

Даже предварительное исследование всей Солнечной системы до Плутона и более детальное изучение нескольких планет, например с помощью марсоходов и спускаемых аппаратов на Юпитере, не решит фундаментальной проблемы происхождения Солнечной системы; что нам нужно – это открытие других солнечных систем. Достижения наземных и космических технологий в следующие два десятилетия могут позволить нам обнаружить дюжины планетных систем, обращающихся вокруг одиночных звезд. Последние наблюдения многозвездных систем, проведенные Хелмутом Абтом и Солом Леви из Национальной обсерватории Китт-Пик, указывают на то, что по крайней мере треть звезд на небе может иметь обращающиеся вокруг них планеты. Мы не знаем, похожи ли другие планетные системы на наши или построены по совершенно иному принципу.

Мы вошли, почти не заметив этого, в эпоху беспрецедентных исследований и открытий со времен Ренессанса. Мне кажется, что практическая польза сравнительной планетологии для наук, изучающих Землю, ощущение приключения, которое вызывает исследование других миров у общества, почти лишенного возможности приключений, философский смысл поиска космической перспективы – вот чем запомнится наше время в конечном итоге. Спустя столетия, когда наши насущные политические и социальные проблемы будут казаться такими же далекими, какими кажутся нам сейчас проблемы войны за австрийское наследство, наше время, возможно, будут вспоминать главным образом за один факт: это была эпоха, когда население Земли впервые вступило в контакт с окружающим космосом.