Výzkum Venuše – 3. díl

Mariner 5

Mohlo by se zdát, že Američané byli odvážnější, než Sověti, když v roce 1967 vyslali k Venuši pouze jedinou sondu. Na druhé straně by k tomu mohli být oprávněni, neboť předchozí Mariner 4 znamenal u Marsu totální úspěch. Tato úvaha je rozumná, ale pátý Mariner byl především zálohou Marineru 4. Stačilo jej tedy jen předělat na let k Venuši a nebylo co řešit. Bylo rozhodnuto vyslat jej na průlet ve vzdálenosti 2000 km. Sonda měla provádět měření v meziplanetárním prostoru a také zkoumat atmosféru, radiaci a magnetické pole planety.

Sondu tvořil osmiboký hranol se čtyřmi solárními panely (viz foto v úvodu). I přes zkrácení solárních panelů je při spotřebě sondy 180 až 280 W (při korekcích dráhy) a příkonu z panelů 380 W u Země a 555 W u Venuše zřejmé, že sonda byla dimenzována spíše na marsovské poměry a baterie sloužila spíše jako záloha. Uvnitř hranolu se nacházela elektronika, pohonný a orientační systém. Stabilizace byla klasicky tříosá a navádění bylo pomocí Slunce, Země, Venuše a hvězdy Canopus. Na vrchní části byla vysokozisková parabola i nízkozisková anténa a na prodlouženém stěžni ještě magnetometr. Vědecké přístroje byly na vnějšku a kromě magnetometru se měřily nabité částice a plasma v meziplanetárním prostoru. U Venuše potom rádiová odrazivost a ultrafialové záření atmosféry. Součástí měření byl i rádiový zákrytový experiment, který pomohl zpřesnit vzdálenost Venuše a tedy i hodnotu vzdálenosti Země od Slunce.^25,26

14. června 1967 se za tmy odlepila raketa Atlas-Agena D od startovní rampy na Mysu Canaveral. Sonda se dostala na správnou dráhu a let probíhal normálně, přičemž sonda plynule komunikovala se Zemí. Na začátku srpna se přístrojům sondy podařilo zaznamenat dvě po sobě jdoucí rázové vlny ve slunečním větru související s erupcemi na Slunci. JPL dále informovala, že sonda proletěla 14. září proudem mikrometeoritů. K Venuši doletěla 19. října 1967, tedy jenom o den později, než Veněra 4, což byla povedená souhra pro simultánní měření dvěma sondami a radarem ze Země. K průletu nakonec došlo ve vzdálenosti 4 094 km. Přenos dat z průletu proběhl úspěšně a spojení se sondou bylo ztraceno 4. prosince. Poté bylo ještě obnoveno 14. října 1968, ale to už bylo jen krátkodobé spojení.

Měření zákrytovým experimentem a UV fotometrem dala stejné výsledky, pokud jde o spodnější vrstvy atmosféry. Vyplynulo z nich, že atmosféra je tvořena téměř výhradně oxidem uhličitým a vědci získali přesná měření o hustotě a teplotě atmosféry zhruba od výšky 35 km nad povrchem. Zároveň byla proměřena vrchní vrstva atmosféry, kde byly nalezeny další prvky, jako například dusík (max. možný výskyt N₂ do 10 %) a atomární kyslík nebo vodík. K překvapení vědců se zde vyskytoval i molekulární vodík.²⁷

Na tehdejší dobu pozoruhodný byl také fakt, že se začali čím dál více setkávat vědci obou mocností a navzájem si konfrontovat své výsledky. První proběhlo v americkém Tusconu v březnu 1968, další v květnu v Tokyu a v říjnu v Kyjevě. Pro zajímavost uveďme, že v roce 1967 byl radarem ze Země určen poloměr Venuše na 6058 km a tlak zde byl určen na 75 atmosfér (dnes 6051,8 km a 90 atm). Mariner 5 naměřil 7 atm v 6085 km a Veněra 4 18 atm v 6075 km. Z dat obou týmů bylo zřejmé, že ani jedna sonda neměřila až k povrchu Venuše a extrapolací byla rovněž odhadnuta teplota povrchu Venuše na 427 °C.²⁴

Cesta k přistání

Mezi léty 1961 a 1967 byla vykonána řada pokusů o prozkoumání planety. Dva ze tří amerických pokusů uspěly, řada sovětských pokusů selhala, ale zkoumání atmosféry napřímo se nakonec podařilo. Každopádně bylo jasné, že Venuše je cizím sondám nepřátelské prostředí. Vysoká teplota a tlak přinášely nové výzvy konstruktérům budoucích sond. Začala se stavět nová testovací zařízení a úspěch se nakonec dostavil. Cesta k němu ale vedla přes další pokusy.

Veněra 5 a 6

Vzhledem k tomu, že Sověti využívali pravidelně každé startovní okno k Venuši, nedaly na sebe další pokusy mnoho čekat. Relativně krátká doba na přípravu sond však neumožnila je lépe připravit, ačkoli bylo jasné, že podmínky v atmosféře jsou drsné.

V roce 1969 proto byly připraveny dvě další Veněry verze V-69 Lavočkinovy konstrukční kanceláře. Byly tedy podobné Veněře 4, to znamená více než jednu tunu vážící sondy s podobným vybavením. Přistávací modul o hmotnosti 405 kg byl upraven, aby přežil přetížení až 450 G, protože v letovém okně roku 1969 vycházela příletová rychlost k Venuši vyšší, než dříve. Přístroje v modulu měly za úkol upřesnit a doplnit měření Veněry 4. Díky poznatkům předchozí mise byly přístroje nastaveny tak, aby přesněji určily složení atmosféry. Šestice tlakoměrů byla nastavena tak, aby měřila ve třech různých rozpětích tlaku od 0,13 do 39 atmosfér. Trojice teploměrů rovněž umožňovala měření teploty v celém rozsahu podmínek, které při přistání panují.²⁴

Jak se ukázalo, přistávací pouzdro Veněry 4 sestupovalo poměrně pomalu a to, že se odmlčelo po 100 minutách, nemuselo být dáno tlakem nebo teplotou, jako spíše tím, že se vybily jeho baterie. Proto byly upraveny padáky Veněry 5 a 6 tak, aby sestupovaly rychleji do hustších vrstev atmosféry. Protože šlo o podobné sondy, jako v roce 1967, neočekávalo se dosažení povrchu, kde panoval příliš velký tlak.

5. ledna 1969 se do vzduchu vznesla raketa Molnija-M a tak se k Venuši vydala Veněra 5. O pět dní později se uskutečnil start Veněry 6. Obě sondy úspěšně překonaly meziplanetární prostor. Veněra 5 zahájila přistání 16. května 1969 nad noční stranou planety. Z příletové rychlosti 11,18 km/s musela zpomalit na 210 m/s, což vedlo ke zmíněnému drastickému přetížení 450 G. Poté se aktivoval padákový systém, odtřelil se kryt a vysunul se rádiový výškoměr. Měření začala na hodnotách tlaku 0,05 MPa (polovina tlaku u povrchu Země) a teploty 25 °C. Sonda dokázala sestoupit do výšky asi 25 km nad povrchem, kdy neodolala vnějšímu tlaku 2,7 MPa (odpovídá tlaku v hloubce asi 275 metrů pod hladinou moře) a teplotě 320 °C (cín už by se roztavil a olovo by tálo při 327 °C).^28,29

Veněra 6 vstoupila do atmosféry 17. května 1969. Sestup byl podobně úspěšný, ale dosažená výška bývá udávána 10 až 12 km nad povrchem. Měření obou sond bylo odesíláno rychlostí jenom 1 bit za sekundu, proto putovala v balíčcích po 45 sekundách. Celkem bylo odesláno asi 70 měření teploty a na padesát měření tlaku. Výsledky dobře odpovídají současným modelům atmosféry Venuše. Poměry chemických prvků a molekul se shodovaly s předchozími měřeními Veněry 4 (přesné hodnoty viz zdroj 24). Přistávací pouzdro mělo také fotometr, který měl určit, zda svítí noční strana planety. Jedno měření Veněry 5, čtyři minuty před ukončením telemetrie, přineslo měření s hodnotou 25 wattů na metr čtvereční, jinak byla kolem tma. Z toho by se dalo odhadnout, že šlo o první měření světla z blesku v atmosféře, ale to už je v rovině spekulací.

Veněra 7 a Kosmos 359

Rok 1969 přinesl pozoruhodný okamžik, neboť Sovětům se podařilo úspěšně sestoupit do atmosféry Venuše hned s dvojicí sond. Toto se však podařilo naposledy až do roku 1975. Mezitím však samozřejmě přichází na řadu další startovní okno v roce 1970. Mottem této generace kosmických sond bylo přistát se sondou na povrchu Venuše.

Pro testovací účely byla postavena nová tlaková komora, kde se daly testovat sondy až do tlaku 150 atmosfér a teploty 540 °C, což bylo určitě nad hodnotami, které vědci dostali extrapolací získaných dat. Komora mohla být naplněna směsí oxidu uhličitého a dusíku, aby se daly simulovat co nejpřesněji podmínky na Venuši. Nezanedbatelnou roli v těchto podmínkách hraje fakt, že oxid uhličitý se v nich vyskytuje nad tzv. kritickou mezí (ve fázovém diagramu něco jako ani plyn, ani kapalina). Takový CO₂ se pak chová jako dobré rozpouštědlo.

Přistávací pouzdro Veněry 7 bylo proto vysoce předimenzováno, což vedlo k úspornějšímu vědeckému vybavení. Pravděpodobně obsahovalo pouze teploměry, tlakoměry a radarový výškoměr. Vzhledem k předchozím pokusům bylo zřejmé, že je potřeba co nejrychleji překonat let atmosférou, ale zase ne tak, aby se sonda roztříštila o povrch. Padák byl proto upraven tak, že jej obepínal kovový pásek, který se měl přetavit při teplotě 200 °C a padák by se pak otevřel úplně. Pro delší výdrž bylo pouzdro také předchlazeno na –8 °C.

Start Veněry 7 se odehrál 17. srpna 1970, sesterský Kosmos 359 startoval 22. srpna. Sondy byly tak těžké, že přesahovaly o 20 kilogramů váhový limit nosiče Molnija-M. Proto bylo rozhodnuto vyndat telemetrii čtvrtého stupně rakety. Druhá sonda se nedostala na meziplanetární dráhu a po 76 dnech zanikla v atmosféře. Veněra 7 však k Venuši doletěla a 15. prosince 1970 začal sestup.^30,31

Byla to vážně rychlá jízda. Sonda sestoupila během 17 minut až k povrchu. Vše pracovalo jak mělo, ale pak se signál zachytávaný na Krymu náhle přerušil. Pád sondy se v posledních desítkách sekund stále zrychloval. Padák se asi složil vlivem turbulencí a sonda dopadla volným pádem a odmlčela se. Rychlost dopadu 60 km/h nedávala moc šancí. Pozdější analýzou přijímaného signálu vyšlo najevo, že i když ležela na boku a nevysílala přímo k Zemi, podařilo se přijímat slabý signál a měření teploty ještě po dobu 23 minut. Data z povrchu oscilovala mezi dvěma binárními kódy odpovídajícími teplotám 457 a 474 °C. Tlak těsně nad povrchem odpovídal devadesátinásobku tlaku pozemského. Sonda dosáhla povrchu v oblasti Kanykey Planitia severně od Alfa Regio (5° j. š., 9° z. d.).^24,32

Průzkum rádiových signálů Veněry 4 a Veněry 7 (dopplerovská měření) ukázala překvapivý fakt, že atmosféra ve vysokých vrstvách proudí retrográdně a mnohem rychleji než povrch Venuše. Tuto rychlou rotaci podle posledních simulací pohání sluneční záření a tak zde atmosféra proudí nezávisle na tření s povrchem. při povrchu naopak vanul jen slabý vítr o rychlosti 2,5 m/s. Vzhledem k tomu, že pouzdro přežilo dopad rychlostí 17 m/s, odhadovalo se, že povrch je měkčí, jako například vulkanický tuf. Tyto odhady pak potvrdila pozdější měření.

Veněra 8 a Kosmos 482

Série sond Veněra z přelomu let šedesátých a sedmdesátých zahrnovala jednak první úspěšně dosednuvší sondu, tedy Veněru 7, ale patřily sem i nástupkyně z roku 1972. Přesněji řečeno tedy jen Veněra 8, protože druhá se nedostala dál, než na parkovací dráhu kolem Země a skončila jako Kosmos 482. Po startu 31. 3. 1972 selhal čtvrtý stupeň rakety, kdy při snaze o jeho zapálení došlo k explozi motoru a na oběžné dráze byly rázem čtyři velké kusy. Čtyři dny po startu došlo k zániku části urychlovacího stupně a trosky byly nalezeny na Novém Zélandu (kulové titanové nádrže), kde nikomu naštěstí neublížily. Kosmos 482 nakonec obíhal kolem Země 9 let a zanikl v atmosféře až v roce 1981.³⁴

Veněra 8 startovala 4 dny před zmíněným Kosmosem, také na špici rakety Molnija-M, 27. 3. 1972. Jednalo se o poslední model z první série Lavočkinových sond, kam patřila i Veněra 7. Jejich hlavním úkolem bylo přistát na povrchu a také prozkoumat povahu oblačných vrstev Venuše. Sonda vážila 1184 kg.

Přistávací modul mohl být upraven na základě poznatků Veněry 7. Odolnost v tlaku do 150 atmosfér byla ponížena jen na tlak 105 atmosfér a teplotní odolnost do 540 °C byla ponížena na odolnost do 493 °C. To umožnilo změnšit tloušťku stěny přístrojové části a snížit hmotnost o 38,5 kg na výsledných 495 kg. Dále byla vylepšena tepelná izolace, když titanovou obálku doplnil beryliový plášť. Díky ušetřené hmotnosti mohl být instalován také lepší padák a více přístrojového vybavení. Další důležité vylepšení bylo provedeno u antén, protože Veněra 7 měla problém, když se po přistání naklonila na stranu. Kromě běžné antény tvaru šneka v horní části přistávacího pouzdra, přibyla druhá vystřelovací anténa pro případ, že by hlavní byla příliš odklopena od Země, například vlivem terénu. Veněra 8 měla totiž přistát na denní straně (v ranním světle) a tedy nemohla komunikovat se Zemí jednoduše přímo nahoru, nýbrž do boku. Sonda měla totiž prozkoumat světelné podmínky předtím, než tam přistanou snímkovací sondy nové generace, proto nesla také fotometr.³⁶

Jak bylo řečeno, sonda startovala opět pomocí rakety Molnija-M a byl to poslední let k planetám s pomocí této rakety. Další misi už obstaral nový nosič Proton. Let probíhal normálně a 22. července 1972 bylo dosaženo Venuše. Přistávací pouzdro bylo předchlazeno na -15 °C. Sestup probíhal asi 500 km od terminátoru na osvětlené straně Venuše. Pouzdro zpomalilo z rychlosti 11,6 km/s na 250 m/s a pak se otevřel padák (opět do mírně staženého stavu). Sonda byla ve výšce 60 km nad povrchem a o třicet kilometrů níže se padák rozevřel na maximum. Měření probíhala od výšky 50 km po dobu 55 minut.^18,35

Přistání proběhlo úspěšně na souřadnicích 10,7° j. š. a 335,25° v. d. v oblasti Vasilisa Regio (místa přistání Veněr 7 a 8 jsou nedaleko sebe poblíž rovníku uprostřed výborné topografické mapy Dana Macháčka).

Po přistání byl úspěšně oddělen padák a vystřelena sekundární anténa. Sonda poté vysílala z povrchu 63 minut (13 minut z hlavní, pak 20 minut ze záložní a potom 30 minut opět z hlavní antény).

Také přeletová část sondy provedla měření a odeslala je předtím, než zanikla v atmosféře. Měřila především ionosféru a vlastnosti vrchních vrstev atmosféry.

Výsledky měření přistávacího pouzdra byly perfektní. Data z akcelerometru během letu ve vysoké atmosféře poskytla data o hustotě. Poté probíhala přímá měření teploty, tlaku, složení a průsvitnosti atmosféry. Z měření pohlcování světla v závislosti na výšce mohlo být potvrzeno, že vysoké teploty na Venuši jsou způsobeny silným skleníkovým jevem. Měření osvětlení na povrchu vykazovalo drobná kolísání, což lze přičíst přechodům oblačnosti.

Měřena byla také rychlost větru, opět dopplerovskou metodou. Nad 50 km foukal vítr 100 m/s, ve výšce 45 km ve vrstvách oparu to bylo 40 až 70 m/s. Ještě do výšky 20 km foukal silný vítr od 20 do 40 m/s, ale pod 10 km výšky už vanul jen slabý vánek do 1 m/s. Výěkoměr posílal data v horizontálním profilu dlouhém 60 km a z měření byly odhaleny kopce a údolí pod sondou o výšce 1 až 2 kilometry oproti průměrnému povrchu.

Fotometry Veněry 8 poprvé odhalily tři odlišné oblasti. Dvě oblačné vrstvy ve výškách 49 až 65 km a jednu mlžnou vrstvu ve výškách 32 až 49 km. Od výšky 32 km k povrchu bylo osvětlení relativně konstantní, což naznačuje bezoblačné prostředí. Osvětlení na povrchu odpovídalo svítání na Zemi při zatažené obloze. Oblaka propouštěla jen 1 % záření. Nesmíme však zapomínat, že Slunce v době přistání stálo jen 5° nad obzorem. Každopádně z měření bylo jasné, že světla bude dost pro další fotografické mise.

Měření složení plynů dalo 97 % oxidu uhličitého, 2 % dusíku, 0,9 % vodních par a 0,15 % kyslíku. Pozoruhodné zjištění přišlo z oblačných vrstev, kde byla potvrzena existence kyseliny sírové. Jak je známo, Venuše má vysokou odrazivost (albedo) a právě za ním stojí kapičky kyseliny sírové v oblacích.

Pokud jde o tlak na povrchu, pohyboval se v hodnotách kolem 93 atmosfér a teplota kolem 470 °C. Gama spektrometr poskytl měření výskytu draslíku, uranu a thoria. Z jejich zastoupení vyplývalo, že povrch je tvořen spíše vyvřelinami typu žuly, než výlevných bazaltů, což bylo ovšem v rozporu s měřeními pozdějších misí. Podle měření radarem se totiž ukázalo, že Veněra 8 přistála ve vyvýšeném místě, kde nebylo tolik lávových proudů, jako v ostatních místech planety. V úvahu též připadalo, že výjimečně se lze i na Zemi setkat s výlevnými horninami s vyšším podílem draslíku.

Zdroje:

¹⁸ Wesley T. Huntress, JR., Mikhail Ya Marov, Soviet Robots in the Solar System: Mission Technologies and Discoveries, New York, Springer, 2011

²⁴ Plumbing the Atmosphere of Venus. Don P. Mitchell [online]. 2003 [cit. 8. 5. 2016]. Dostupné z: http://mentallandscape.com/V_Lavochkin1.htm

²⁵ Mariner 5. NASA Space Science Data Coordinated Archive [online]. 2016 [cit. 15. 5. 2016]. Dostupné z: http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftDisplay.do?id=1967-060A

²⁶ Mariner 5. Encyklopedie družic / Space 40 [online]. 2011 [cit. 15. 5. 2016]. Dostupné z: http://www.lib.cas.cz/space.40/1967/060A.HTM

²⁷ The Upper Atmosphere of Venus in Light of the Mariner 5 Measurements, Journal of the Atmospheric Sciences, Vol 25. Dostupné z: http://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0469(1968)025%3C0574%3ATUAOVI%3E2.0.CO%3B2

²⁸ Veněra 5. Encyklopedie družic / Space 40 [online]. 2011 [cit. 15. 5. 2016]. Dostupné z: http://www.lib.cas.cz/space.40/1969/001A.HTM

²⁹ Veněra 6. Encyklopedie družic / Space 40 [online]. 2011 [cit. 15. 5. 2016]. Dostupné z: http://www.lib.cas.cz/space.40/1969/002A.HTM

³⁰ Kosmos 359. Encyklopedie družic / Space 40 [online]. 2011 [cit. 15. 5. 2016]. Dostupné z: http://www.lib.cas.cz/space.40/1970/065A.HTM

³¹ Veněra 7. Encyklopedie družic / Space 40 [online]. 2011 [cit. 15. 5. 2016]. Dostupné z: http://www.lib.cas.cz/space.40/1970/060A.HTM

³² Veněra 7. Russianspaceweb [online]. 2011 [cit. 15. 5. 2016]. Dostupné z: http://www.russianspaceweb.com/venera7.html

³⁴ Kosmos 482. Encyklopedie družic / Space 40 [online]. 2011 [cit. 15. 5. 2016]. Dostupné z: http://www.lib.cas.cz/space.40/1972/023A.HTM

³⁵ Veněra 8. Encyklopedie družic / Space 40 [online]. 2011 [cit. 15. 5. 2016]. Dostupné z: http://www.lib.cas.cz/space.40/1972/021A.HTM

³⁶ Veněra 8. NPO Lavočkin [online]. 2011 [cit. 15. 5. 2016]. Dostupné z: http://www.laspace.ru/projects/planets/venera-8/

Převzato: Kosmonautix.cz