На Марсе наступил 39-й Новый год: почему ученые сбросили планете 4,5 миллиарда лет

30 сентября на Марсе начался новый год. В научных отчетах и графиках космических агентств ему присвоен официальный номер 39. Разумеется, эта дата не имеет никакого отношения к реальному возрасту планеты. Марс сформировался вместе с остальной Солнечной системой около четырех с половиной миллиардов лет назад.

Число 39 появилось из-за специальной календарной системы. Ее придумали ученые в середине двадцатого века, чтобы упорядочить данные наблюдений и не путаться в сезонных процессах на соседней планете. Из-за физических законов движения планет марсианское время сильно отличается от земного. Год там длится заметно дольше, а сутки имеют другую продолжительность.

Эти различия создают серьезные проблемы для инженеров, которые управляют автоматическими станциями и марсоходами, находясь на Земле.

Почему марсианский год почти в два раза длиннее земного

Продолжительность года на любой планете зависит от ее расстояния до Солнца. Земля находится примерно в 150 миллионах километров от звезды и делает полный оборот по своей орбите за 365 суток и 6 часов.

Марс расположен дальше: среднее расстояние от него до Солнца составляет около 228 миллионов километров. Из-за этого длина его орбиты больше, а скорость движения по ней ниже. Если Земля движется по орбите со средней скоростью около 30 километров в секунду, то Марс — со скоростью примерно 24 километра в секунду.

В результате Марсу требуется значительно больше времени, чтобы обойти вокруг Солнца. Один марсианский год длится 687 земных дней. Это составляет примерно 1,88 земного года.

Из-за такой разницы даты марсианских праздников или сезонных событий не могут быть привязаны к привычным для нас земным месяцам. Каждый новый год на Марсе сдвигается по нашему календарю вперед:

• 37-й марсианский год начался 26 декабря 2022 года.
• 38-й марсианский год наступил 12 ноября 2024 года.
• 39-й марсианский год начался 30 сентября 2026 года.
• 40-й марсианский год наступит только 17 августа 2028 года.

Разница в длительности года влияет и на сезоны. На Марсе, так же как и на Земле, есть весна, лето, осень и зима. Они возникают потому, что ось вращения планеты наклонена к плоскости ее орбиты. Угол наклона марсианской оси составляет около 25 градусов, что очень близко к земному показателю в 23,5 градуса.

Однако марсианская орбита гораздо сильнее вытянута, чем земная. В астрономии это называют высоким эксцентриситетом. Когда Марс подходит ближе к Солнцу, он движется быстрее, а когда удаляется — медленнее. Из-за этого времена года на Марсе имеют совершенно разную продолжительность. Весна в северном полушарии планеты длится около 194 суток, а осень — всего 142 дня.

Откуда взялся счет: точка отсчета марсианской истории

На Земле календарный год начинается 1 января, вскоре после дня зимнего солнцестояния в Северном полушарии. Для Марса астрономы выбрали другой природный ориентир — весеннее равноденствие в северном полушарии.

В день равноденствия Солнце находится прямо над экватором планеты. В этот момент оба полушария освещаются одинаково, а длина дня становится равной длине ночи. Для марсианских исследователей эта точка стала естественным сигналом начала нового цикла: в северное полушарие приходит весна, в южное — осень, а полярные ледяные шапки начинают менять свои размеры.

До середины двадцатого века у ученых не было единой системы счета марсианских лет. Астрономы вели записи по земному календарю. Это создавало огромную путаницу. Если в земном отчете было написано, что полярная шапка Марса растаяла в июле, это не давало понимания, какое именно время года было на самом Марсе.

Проблему решили в пятидесятых годах. Астрономы договорились выбрать одно конкретное весеннее равноденствие и назвать его днем номер один в Году 1. Этим днем стало 11 апреля 1955 года по земному григорианскому календарю.

Дату выбрали по практической причине. В 1956 году на Марсе началась колоссальная глобальная пылевая буря. Ветер поднял в воздух столько сухого грунта, что планета скрылась под непроницаемой пеленой на несколько месяцев. Это было первое подобное событие, которое астрономы смогли подробно зафиксировать с помощью качественных приборов. Благодаря введенной системе буря 1956 года аккуратно уложилась в рамки 1-го марсианского года.

Чтобы работать с историческими документами, исследователи продлили эту шкалу в прошлое. В марсианском календаре нет деления на «до нашей эры» и «нашу эру». Ученые применили математический метод счета: перед 1-м годом идет Год 0, перед ним — Год −1, затем Год −2 и так далее.

Историческую шкалу довели назад до Года −183. Эта дата соответствует 1610 году, когда итальянский астроном Галилео Галилей впервые посмотрел на Марс через оптическую зрительную трубу и положил начало инструментальному изучению планеты.

Проблема сорока минут: что такое марсианский сол

Если марсианский год длиннее земного почти в два раза, то с сутками ситуация выглядит иначе. Они почти совпадают с земными, но именно это небольшое расхождение создает самые большие сложности для людей.

Период вращения Марса вокруг своей оси называется словом «сол». Продолжительность одного сола составляет 24 часа 39 минут и 35 секунд. Разница с земными сутками кажется незначительной: марсианский день длиннее земного всего на 39 с половиной минут. В процентном соотношении это разница менее чем в три процента.

Если человек проведет на марсианском времени одни сутки, он вообще не заметит перемен. Но в условиях долгой космической миссии эти сорок минут накапливаются каждый день.

Эта проблема стала актуальной с конца двадцатого века, когда на поверхность планеты начали отправлять сложные передвижные лаборатории — марсоходы. Первым аппаратом нового типа стал небольшой ровер Sojourner в составе миссии Mars Pathfinder в 1997 году. Затем на Марс прибыли Spirit и Opportunity в 2004 году, Curiosity в 2012 году и Perseverance в 2021 году.

Марсоход на другой планете не может работать по произвольному графику. Большинство этих аппаратов работают от солнечных батарей. Им необходим солнечный свет, чтобы заряжать аккумуляторы и приводить в движение колеса.

Даже современные аппараты Curiosity и Perseverance, которые получают энергию от радиоизотопных генераторов, жестко привязаны к дневному времени. Камерам ровера нужен свет, чтобы безопасно сканировать дорогу, выбирать камни для анализа и передавать четкие снимки ученым.

Кроме того, связь с Марсом зависит от движения орбитальных спутников. Марсоход передает научные данные не напрямую на Землю, а сбрасывает их на аппараты, которые летают вокруг Марса, такие как Mars Reconnaissance Orbiter или Mars Odyssey. Эти спутники пролетают над местом работы ровера строго в определенные часы местного марсианского дня.

В эти короткие окна марсоход должен бодрствовать, передавать информацию и принимать новые инструкции.

Как инженеры на Земле переходят на марсианский ритм

Поскольку марсоход живет по марсианскому дневному свету, люди, которые им управляют, вынуждены жить в том же самом ритме. Центр управления этими миссиями находится в Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) в штате Калифорния.

В первые месяцы каждой миссии специалисты переходят на марсианский суточный график. Работа организована следующим образом: пока марсоход спит марсианской ночью, команда на Земле принимает переданные вечером данные, анализирует снимки, составляет план движения и пишет программный код на следующий рабочий день машины. К моменту, когда над посадочной площадкой встает марсианское солнце, инструкции должны быть уже загружены в бортовой компьютер.

Из-за того, что марсианские сутки длиннее на 40 минут, земные специалисты обязаны каждый день начинать свою смену на 40 минут позже:

• В понедельник смена начинается в 08:00 утра.
• Во вторник смена начинается в 08:40.
• В среду — в 09:20.
• В субботу начало работы сдвигается уже на 11:20.

Менее чем через три недели график делает полный круг по земным часам. Люди приходят на работу глубокой ночью, затем их смена переползает на утро, потом на вечер.

Для человеческого организма такой режим представляет серьезную биологическую проблему. Внутренние часы человека настроены на земной цикл смены дня и ночи. Сетчатка глаза улавливает солнечный свет и подает сигнал в мозг, регулируя выработку гормона сна — мелатонина. При ярком свете выработка мелатонина тормозится, в темноте — активизируется.

Когда человек работает по марсианскому времени на Земле, его биологические часы перестают совпадать с окружающей средой. Инженеру приходится ложиться спать в полдень, когда за окном светит яркое солнце и стоит уличный шум, а просыпаться — глубокой ночью.

Чтобы справиться с этим, сотрудники Лаборатории реактивного движения закрывали окна в своих домах плотными светонепроницаемыми материалами, носили темные очки на улице в дневные часы и использовали специальные лампы яркого света на рабочих местах во время ночных смен.

Тем не менее регулярное смещение графика на 40 минут в сутки не дает организму полностью привыкнуть к какому-то одному режиму. Человек находится в состоянии постоянного принудительного сдвига фаз сна.

Экстремальные нагрузки: опыт команд Spirit, Opportunity и Curiosity

Проблема марсианского времени стала особенно тяжелой в 2004 году, когда на Марс успешно сели аппараты Spirit и Opportunity. Они приземлились в совершенно разных частях планеты: Spirit находился в кратере Гyсева, а Opportunity — на плато Меридиана, практически на противоположной стороне планеты.

Это означало, что когда над одним марсоходом светило солнце и он активно перемещался, над вторым была ночь. Разница во времени между двумя экспедициями составляла около 12 часов.

В Лаборатории реактивного движения сформировали две независимые команды инженеров и ученых. Каждая группа жила по времени своего аппарата. Но некоторые ведущие руководители и профильные специалисты должны были участвовать в управлении обоими проектами.

Одним из них был ученый Джон Каллас. Он попытался совместить две смены: руководить работой одного аппарата, затем спать три-четыре часа в рабочем кабинете на раскладушке, после чего заступать на смену управления вторым аппаратом.

Организм не выдержал такой нагрузки. Эксперимент продлился всего двое суток. Каллас был вынужден признать, что человеческий мозг теряет способность принимать точные технические решения, если спать дробными частями в несовпадающих часовых поясах двух разных планет. Руководство пришлось срочно разделить.

Инженер Ванди Верма, управлявшая движением колесных платформ нескольких марсоходов, отмечала, что тяжелее всего переносится зрительное несоответствие. Когда человек просыпается, его тело требует естественного света. Если в этот момент на улице темно, а на рабочей смене нужно имитировать день, возникает постоянное чувство усталости, нарушается пищеварение и снижается концентрация внимания.

Один из самых необычных экспериментов провел в 2012 году руководитель полета марсохода Curiosity Дэвид О. Чтобы работа не разрушала его семейную жизнь и общение с близкими, он предложил своей жене и троим детям провести отпуск на марсианском времени. Семья согласилась жить по марсианским часам целый месяц.

Они затемнили спальни плотной пленкой, установили на телефоны программы, отсчитывающие марсианский сол, и ежедневно сдвигали время подъема, завтрака, обеда и отхода ко сну на 40 минут.

Эксперимент удался с точки зрения дисциплины, но показал, насколько трудно совмещать этот ритм с земным социумом. К середине месяца семья Дэвида О обедала в два часа ночи по местному калифорнийскому времени и отправлялась на прогулки по абсолютно пустым городским улицам, так как все магазины и общественные заведения были закрыты.

Будущее колонизации и расчет возраста

Разница в продолжительности года порождает простой математический факт, касающийся возраста людей. Поскольку марсианский год составляет 1,88 земного года, человеку достаточно разделить свой земной возраст на 1,88, чтобы узнать, сколько ему марсианских лет.

Тридцатилетний житель Земли по марсианскому календарю прожил чуть меньше шестнадцати лет. А человек в возрасте шестидесяти земных лет на Марсе отметил бы только тридцать первый день рождения.

Однако за этими занимательными расчетами стоит фундаментальная практическая проблема, которую придется решать будущим участникам пилотируемых экспедиций.

На Марсе людям не удастся сохранить привычный земной 24-часовой суточный цикл. Солнце над марсианской базой будет вставать и садиться каждые 24 часа и 40 минут. Человеческий организм не сможет игнорировать этот ритм, так как уровень освещенности за бортом жилых модулей диктует распорядок дня.

Исследователи космоса уже сейчас предлагают разные варианты организации часов для будущих марсианских колоний.

Один из вариантов — растянуть длительность каждой земной секунды примерно на 2,7 процента. В этом случае в марсианских сутках останутся привычные 24 часа, 60 минут и 60 секунд, но сами единицы времени станут немного длиннее. Механические и электронные часы колонистов будут идти чуть медленнее земных.

Второй вариант — сохранить стандартную земную секунду, но в конце каждых суток делать специальную паузу длительностью 39 минут и 35 секунд, во время которой часы на станции будут стоять или вести обратный отсчет до начала нового сола.

Опыт прошедших 39 марсианских лет показал: даже находясь на Земле и управляя роботами через миллионы километров космического пространства, человек вынужден подчинять свои биологические ритмы физическим законам движения других небесных тел. При реальном освоении Марса этот фактор станет одним из главных условий выживания людей на чужой планете.