© Доктор физико-математических наук В.Г. ИСТОМИН,
сайт "Знания-сила".

окончание, часть 3 из 3
часть 1 часть 2.

РЕДКИЕ ГАЗЫ В АТМОСФЕРЕ ДРУГИХ ПЛАНЕТ

В декабре 1978 года, Венеру исследовали семь газоаналитических приборов: два газовых хроматографа и пять (!) масс-спектрометров изучали химический и изотопный состав её атмосферы. Из этих приборов три масс-спектрометра были установлены на американских аппаратах «Пионер-Венера», а два — на «Венере-11» и «Венере-12». В марте 1982 года к этим приборам добавились еще два масс-спектрометра и два газовых хроматографа на «Венере-13» и «Венере-14».

Масс-спектрометрическими экспериментами в США на «Пионер-Венере» занимались такие известные специалисты, как А. Нир (именно ему принадлежат наиболее точные измерения изотопов инертных газов атмосферы Земли, проведенные еще в 50-е годы), ученик Нира Дж. Хоффман, Г. Тейлор, а также У. фон Цан (ФРГ). Аппаратура, созданная учеными США, была пожалуй, несколько усложнена и, по нашему мнению, не всегда оправданно. Например, масс-спектрометр Хоффмана имел пять вакуумных насосов, тогда как наш — всего один. Разрешение по массам одного из американских масс-спектрометров существенно превышало разрешение прибора МХ-6411, а вот система ввода пробы советского прибора оказалась более удачной. Американский прибор, анализировавший нижнюю атмосферу Венеры, после прохождения облачного слоя оказался на длительное время «блокированным»: капелька серной кислоты закрыла входное отверстие точкой трубочки-натекателя и серьёзно нарушила нормальную работу масс-спектрометра, затруднив также анализ данных. Из сопоставления результатов выяснилось, что отечественные приборы имели меньший уровень собственного фона. В результате реальная чувствительность оказалась близкой к расчетной, а систематические погрешности измерений, связанные с собственными фонами, в большинстве линий масс-спектра отсутствовали.

Можно привести такой пример: учёные США использовали в технологических целях изотопно-обогащенный ксенон-136 с содержанием основного изотопа всего лишь около 95%, тогда как Государственный фонд стабильных изотопов изготовил для нас ксенон-136 чистотой 99,99%. Это кардинально отразилось на уровне предполетной подготовки масс-спектрометров.

Теперь о главном. Сенсационный вывод, который можно было сделать буквально с первого взгляда на масс-спектры, состоял в неожиданно большом содержании (обилии) изотопов аргона-36 и аргона-38 на Венере в сравнении с Землёй. Это фундаментальное открытие было сделано практически одновременно на «Пионер-Венере» и станциях «Венера-11» и «Венера-12» в декабре 1978 года. Надо отметить, что по американским измерениям содержание аргона-40 на Венере в первых публикациях вообще не приводилось, и в последующих — давалось с большой погрешностью из-за огромного собственного фона прибора в линии аргон-40.

Важность сделанного открытия станет очевидной, если вспомнить, что почти весь аргон атмосферы Земли состоит из изотопа аргона-40, который возник в результате распада радиоактивного калия-40 земной коры. На Венере же радиогенный аргон-40 и нерадиогенные аргон-36 и аргон-38 присутствуют в равных количествах. Таким образом, оказалось, что относительная концентрация нерадиогенных («первичных») изотопов аргона — в 300, а абсолютное их обилие — в 100 раз превосходит и концентрацию и обилие в атмосфере Земли. Эти факты неопровержимо свидетельствовали о существенном различии условий формирования атмосфер названных планет.

Другие результаты масс-спектрометрических измерений на «Венерах» и «Пионер-Венере» редких (и не только редких) газов поначалу сильно расходились. Расхождение было особенно заметным в первых публикациях результатов ученых США. Для некоторых важных составляющих (азот, аргон-40) оценок вовсе не приводилось, в более поздних работах разница с нашими измерениями стала менее существенной. Все же остающиеся расхождения и сравнительно большие величины погрешностей поставили на повестку дня вопрос о сверке советских и американских приборов. Во время встреч в Москве, в апреле 1979 и в январе 1980 года, была составлена программа калибровок всех масс-спектрометров и газовых хроматографов. Эта программа выполнялась довольно медленно, однако существенный прогресс наметился вскоре после полетов станций «Венера-13» и «Венера-14». В Институт космических исследований АН СССР были присланы первые контрольные калибровочные смеси, содержащие в равных количествах изотопы арго¬на-36 и аргона-40.

Чем же интересны и важны исследования редких газов и их изотопного состава в атмосферах других планет? Прежде всего тем, что исследования, безусловно, относятся к числу тех, которые развивают и расширяют наши представления о Вселенной. Например, открытие «аномального» изотопного состава аргона на Венере сразу же позволило сделать ряд очень серьёзных выводов. Из-за того, что благородные газы, не участвуя ни в каких химических превращениях, сохраняются на планете в течение всего времени ее существования, они служат надежными «свидетелями рождения» атмосферы планеты. Поэтому М. Н. Изаков из Института космических исследований АН СССР, анализируя первые результаты масс-спектрометрических измерений редких газов на Венере, предположил, что большая часть первичных изотопов благородных газов попала в атмосферы планет земной группы (Венера, Земля и Марс) благодаря аккреции газа протопланетного облака непосредственно на растущие планеты на ранних стадиях их образования. Эта гипотеза, как и другие гипотезы происхождения атмосфер, непрерывно подвергается проверке и уточнению по мере поступления новых экспериментальных данных относительно обилия редких газов на Венере и об их изотопном составе.

Один из новых результатов, который также трудно было предвидеть,— точные значения изотопного состава неона, полученные в измерениях на станциях «Венера-13» и «Венера-14». Высокая чувствительность приборов позволяет измерить изотопы неона-20 и неона-22 почти на каждом спектре. Концентрация неона-20 составляет около 10 миллионных долей, что хорошо согласуется с данными измерений газового хроматографа на «Пионер-Венере» и с предыдущими результатами, полученными на масс-спектрометрах.

Каков же изотопный состав венерианского неона? Данные «Венеры-13» указывают на существенное отличие изотопного состава неона венерианской атмосферы как от земного неона, так и от солнечного. Что вытекает из приведенных ниже цифр?

Не исключено, что эти данные указывают на процесс дифференциации изотопов в протопланетном облаке. К сожалению, явно не хватает сведений о Марсе: измерения на «Викингах» (США) не принесли данных по изотопии неона. Может быть, дальнейшая обработка результатов экспериментов на последних «Венерах» позволит выявить эффекты того же знака в других редких газах? Анализ результатов продолжается…

© Доктор физико-математических наук В.Г. ИСТОМИН.