Межпланетная спелеология

Пещеры с древних времен привлекают человека, их темнота полна опасностей, но тайна в глубине манит и питекантропов, и современных ученых, и туристов. На Земле изучены сотни сухопутных и подводных пещер, но впереди маячит более сложная цель — пещеры на других планетах.

Большинство известных пещер Земли это результат эрозии — разрушения горной породы, как правило под воздействием воды и растворенных в ней химических соединений. Такие пещеры называются карстовыми. В вулканических же регионах распространены подземные полости, имеющие лавовое происхождение: купола и трубки. В отличие от карстовых пещер, на образование которых требуется тысячи или миллионы лет, вулканические пещеры образуются довольно быстро, в период извержения и активного излияния лавы.

Лавовая трубка — это протяженный тоннель, естественного происхождения, иногда до десятков километров, с плоским полом и сводчатым потолком. Трубка формируется в процессе извержения достаточно жидкой и вязкой базальтовой лавы. Распространяясь от источника, лавовый поток начинает остывать, и первой затвердевает верхняя корка, под которой течение продолжается. За счет выделения вулканических газов между крышей и потоком формируется полость, которая расширяется по мере иссякания потока. В результате получается настоящий “метрополитен”, пригодный для пешего передвижения. Повышенное давление вулканических газов приводит к вторичному плавлению сводов трубки, поэтому ее иногда покрывают лавовые сталактиты.

Вулканизм известен и на других планетах.

По ряду косвенных признаков можно предполагать, что вулканы Венеры еще продолжают извергаться, и благодаря тамошней жаре, лава остывает гораздо медленнее, а значит потоки будут намного шире. Предполагается, также, что температура плавления венерианской лавы ниже, благодаря серным соединениям, что еще больше способствует подвижности лавовых потоков, а значит протяженности тоннелей.

Марс известен своими гигантскими вулканами, правда сейчас они все уснули, но успели залить тысячи квадратных километров поверхности базальтовой лавой.

Луна в свое время тоже переживала активный период связанный как с астероидной бомбардировкой, так и с внутренней тектонической деятельностью. Огромные просторы Луны залиты лавовыми потоками, которые мы называем моря.
О том, что на Луне и других планетах должны быть лавовые пещеры ученые предполагали еще в XIX веке, но первые открытия произошли уже с развитием космонавтики.

Обрушившиеся вулканические трубки на склонах марсианских вулканов сумела обнаружить автоматическая межпланетная станция Viking в 70-е.

Через тридцать лет спутник Mars Odyssey запечатлел первые провалы, которые указали на еще существующие пещеры, которые ждут своих спелеологов. Диаметр зияющих провалов достигает 250 метров. Большинство их обнаружили на склонах щитовых вулканов в нагорье Фарсида. Современный аппарат Mars Reconnaissance Orbiter при помощи телескопа высокого разрешения HiRISE сумел заглянуть в недра Марса, насколько это возможно с орбиты.

Марсианские пещеры привлекают ученых по нескольким причинам. Из-за тонкой атмосферы вся поверхность планеты облучается солнечным ультрафиолетом и бомбардируется космическими заряженными частицами, поэтому возможность сохранения микробной жизни или даже сложных органических соединений маловероятна в верхних слоях грунта. Под защитой пещерных сводов, сохранность резко повышается, даже если самой жизни уже не найти, ее останки пролежат гораздо дольше. Кроме признаков жизни в марсианских пещерах возможно обнаружение водяного льда и других более летучих, в условиях открытой местности, соединений.

Самые смелые мечтатели предполагают, что марсианские пещеры могут стать основой первых человеческих баз и поселений — защита от радиации и запасы воды пригодятся очень кстати. Хотя ряд факторов указывает, что вулканические пещеры Марса — не самое подходящее место для жизни. Все они находятся на вулканических склонах на высоте в несколько километров над равниной. Посадка в высокогорные регионы затруднена из-за слишком тонкого слоя атмосферы. Атмосфера помогает экономить топливо на торможение при посадке, поэтому наиболее тяжелые космические аппараты стараются опускать в наиболее глубоких местах Марса. Низины лучше защищены и от радиации благодаря той же атмосфере. Залежи водяного льда тоже уже изучены на поверхности, в том числе у самой глубокой впадины Марса — долины Эллада. Поэтому, пока не подтверждены биогенные или другие полезные ископаемые в пещерах, исследовать их целесообразно роботизированными средствами.

Немаловажный фактор, который тормозит марсианскую спелеологию — требования планетной безопасности. Если есть вероятность сохранения гипотетической марсианской жизни в пещерах, то исследователь должен быть 100% стерильным, чтобы исключить вероятность фантастического сценария “Марсианских хроник” где один чих землянина погубил великую цивилизацию. На сегодня обеспечить полную стерильность космического аппарата на Земле не удается, а наши микробы способны переносить условия космического полета. Поэтому марсиан не ищут чтобы не уничтожить их ненароком.

Зато доктрина планетной безопасности не мешает посещать лунные пещеры. Полая Луна неоднократно становилась местом действия фантастических произведений. Хотя реальность далека от фантастики, но тоже обнадеживает романтиков. Существование лунных пещер предполагалось давно, но прямые подтверждения пришли только в 2009 году. Японская автоматическая станция Kaguya впервые обнаружила необычные кратеры — которые не имели кругового вала и никаких признаков выбросов из кратера. Их диаметр достигал 100 м, а глубина казалась значительной настолько, что боковой солнечный свет просто не доставал до дна. Американский зонд Lunar Reconnaissance Orbiter сумел рассмотреть провалы гораздо детальнее, в разное время суток и оценить не только глубину дна и его содержимое, но и структуру боковых стенок и даже попытался заглянуть под своды.

Группа ученых Университета Аризоны разработала специальный алгоритм PitScan, который в полуавтоматическом режиме искал провалы пещер на поверхности Луны, и обнаружил их больше двухсот. Их можно разделить на три условные группы:
-провалы лавовых каналов, которые истекали при извержении вулканов;
-лавовые полости, сформированные расплавом возникшем в больших кратерах от падения крупных астероидов;
-полости в лунных морях.

Пробоину в предполагаемую лавовую трубку смогли рассмотреть на вулканическом нагорье Холмы Мариуса, у экватора на западе видимой стороны Луны. Со спутников там ясно виден канал лавового потока, протянувшегося от жерла вулкана на десятки километров.

Примерно в 25 км от кратера, в застывшем потоке видна пробоина. Либо ее проделал метеорит, либо крыша провалилась сама, но сейчас видно отверстие шириной в 80 м и глубиной 45 м. Ширина потока в месте пробоины достигает 800 м, а выше по течению доходит до 1 км, поэтому там возможно расположение гигантского, по земным меркам, тоннеля.

В Университете Пердью провели численное моделирование, согласно которому прочность базальтовой лавы и низкая лунная гравитация позволяют сохранять без разрушения своды в тоннелях шириной до 1 км при поверхности, и залы до 5 км на глубине несколько сот метров. Сравнить моделирование с реальностью помогли данные о гравитационном поле Луны, полученные при помощи зондов GRAIL. Ученые сравнили показания GRAIL над возможной полостью в Холмах Мариуса и поискали подобные показания в других данных. Так удалось обнаружить до десяти “подписей” возможных лунных полостей, некоторые из которых длиной 100 км и шириной несколько км. Большинство из них найдено под лунными морями.

Несколько пробоин в лунных морях действительно обнаружено, правда они не совпадают с теми возможными пустотами, которые вычислили по отклонениям гравитационного поля. Тем не менее, одно отверстие в Море Спокойствия, примерно в 400 км на северо-восток от места посадки Apollo 11, является самым большим и глубоким из осмотренных со спутника. Отверстие имеет диаметр около 100 метров и глубину до 100 м. Поблизости не просматривается каких-либо лавовых каналов или вулканических куполов, которые могли бы указывать на происхождение тоннеля, однако можно предполагать его наличие. Эта пробоина интересна ученым не только тем, что скрывается на дне, но и слоистой структурой, которая видна на обрывистых стенах провала. Эти слои подсказывают ученым, что лавовое Море формировалось вследствие многократных разливов лавы, некоторые из которых были довольно тонкими, до 1 м.

Отверстие в Море Спокойствия остается одним из наиболее подходящих мест для посадки роботизированного зонда, для изучения пещеры изнутри. Однако, пока лунных роботов-спелеологов никакое космическое агентство не планирует. Ближе всего к тайнам лунных лавовых трубок приблизились астронавты Apollo 15, исследовавшие склоны каньона Хэдли Рилл, который по одной из гипотез был некогда лавовой трубкой, но полностью обрушился.

Пока же, будущее исследование лунных и марсианских пещер готовится на Земле. На нашей планете для изучения и посещения доступно немало вулканических пещер, которые позволяют представить все сложности межпланетной спелеологии. В России лавовые трубки и пещеры известны на Камчатке. Одна из лавовых трубок, протяженностью около 100 м доступна в кальдере вулкана Горелого. Эта пещера довольно древняя, оставшаяся после извержения двухтысячелетней давности. В ней можно ощутить себя марсианским исследователем благодаря температуре близкой к нулю и массивному леднику, который частично перекрывает вход.

Несколько пещер сформировалось в ходе извержения вулкана Толбачик 2012-2013 гг. Эти пещеры более живописны, с лавовыми сталактитами “акулий зуб” покрывающими потолок, соляными натеками на потолке и подрастающими сталагмитами на полу. Здесь еще сохраняется жар остывающей лавы, на горячих трещинах еще можно кипятить чай, а некоторые ответвления пещер недоступны для посещения из-за высокой температуры.

Несмотря на привлекательность исследования инопланетных пещер, пока ни одно космической агентство не посягнуло на их тайны. Несмотря на очевидный научный интерес, серьезным препятствием остается техническая реализация такого исследования. Зонд потребуется посадить точно на дно провала, либо обеспечить альпинистским снаряжением для спуска по вертикальной стене. Одного этого достаточно, чтобы остановить всю разработку — слишком высока сложность, а значит риск. Потом же потребуется обеспечить электропитание робота в условиях пещерной тьмы, управление и поддержание связи без прямой радиовидимости. В исследовании всегда предпочтение отдается проектам с высокой надежностью, обещающим длительные поставки уникальных данных, поэтому роботы-спелеологи пока проигрывают конкуренцию спутникам и телескопам.

Лишь несколько частных команд участников конкурса Google Lunar XPRIZE объявили, что их разработки позволят изучать лунные пещеры. Американская команда Astrobotic и японская Hakuto обозначили лунные пещеры в качестве целей, но пока их зонды остаются на Земле, а по Луне им потребуется пройти всего 500 м, по условиям конкурса, чтобы заслужить победу. Учитывая редкость лунных пещер и сложность точной посадки, маловероятно, что команды с первого раза спустятся в полости Луны.

Подготовлено для научно-популярного портала Nplus1.ru
Публикуется в авторской редакции.

Источник: zelenyikot.livejournal.com