Одним из первых направлений работ на радиотелескопе РТ-22, имевших большое научное и прикладное значение, были исследования планеты Венера. Работа оказалась весьма интересной, увлекательной и не лишенной острых моментов.
   Планета Венера занимает особое место в астрономии. Известная еще на заре человеческой цивилизации, самая близкая к Земле планета Солнечной системы и самое яркое на небе светило после Солнца и Луны, она, тем не менее, веками оставалась загадочной планетой. В 1761 г М.В.Ломоносов, наблюдая прохождение Венеры по диску Солнца, определил, что "…планета Венера окружена знатною воздушной атмосферой, таковой (лишь бы не большею), какова обливается около нашего шара земного". Однако, атмосфера оказалась столь "знатною", что многочисленные попытки исследования поверхности планеты с помощью оптических телескопов, предпринимавшиеся в течении последующих двух столетий, оказались безрезультатными. В телескопы видно лишь, что Венера постоянно покрыта сплошным облачным слоем. Не был определен даже такой фундаментальный параметр планеты как температура ее поверхности, определяющий возможность возникновения и развития жизни. По размерам, массе, плотности, силе тяжести, потоку солнечной энергии Венера весьма близка к Земле. Это дало основание предполагать, что физические условия на обеих планетах очень похожи и называть Венеру близнецом Земли, не исключая возможность жизни.

   Недостаток фактических данных порождал многочисленные гипотезы и фантазии о физических условиях на Венере. По одной из гипотез предполагалось, что условия на Венере аналогичны тем, которые были на Земле в мезозойскую эру, т.е. теплый влажный климат с богатой растительностью, океанами и динозаврами. По другой гипотезе поверхность Венеры представляет сплошной нефтяной океан. По третьей гипотезе поверхность Венеры- абсолютно безводная пустыня. Наиболее популярной, основанной на близости Венеры и Земли по размерам, массе, средней плотности и расстоянию от Солнца, продолжительности года, была гипотеза о Венере как о близнеце Земли, имеющей примерно такие же физические условия и, возможно, даже жизнь.
   Загадка Венеры была решена радиоастрономией. Известно, что смотреть телевизор или разговаривать по мобильному телефону можно и в облачную погоду. Облака прозрачны для радиоволн. Это открывало принципиальную возможность исследования поверхности планеты по ее радиоизлучению.
   Всякое физическое тело излучает электромагнитные волны в широком спектральном интервале. Видимое и инфракрасное излучение воспринимается нашими органами чувств в форме света или тепла. Из опыта мы знаем, что интенсивность излучения зависит от температуры: от ярко горящего костра жар больше, чем от тлеющего. Следовательно, измеряя интенсивность электромагнитного излучения, можно определить температуру излучающего тела, и, что важно для нашей задачи, сделать это на расстоянии.
Однако, интенсивность принимаемого на Земле ожидавшегося теплового радиоизлучения Венеры на расстоянии десятков миллионов километров в тысячи раз слабее излучения мобильного телефона путешественника, оказавшегося на Луне.
   Для практической реализации такого эксперимента необходимы очень большие радиотелескопы и сверхчувствительные радиоприемные устройства. Поэтому, первый эксперимент измерения радиоизлучения Венеры был проведен лишь в 1956 г К.Майером, Т.МакКаллофом и Р.Слонейкером на самом крупном в то время радиотелескопе диаметром 15 м Морской исследовательской обсерватории США. Измеренная ими на сантиметровых волнах яркостная температура радиоизлучения планеты около 600 К оказалась вдвое выше ожидаемой для теплового излучения планеты- близнеца Земли.
   Однако, измеренная яркостная температура не могла быть однозначно идентифицирована с температурой поверхности Венеры, т.к. не было известно, ни какая область планеты ответственна за принимаемое излучение, ни механизм этого излучения. При предположениях, что измеренное радиоизлучение является тепловым, что атмосфера планеты прозрачна и что излучение на этой волне исходит от поверхности планеты, следовало кардинально пересмотреть существовавшие представления о Венере как планете- близнеце Земли, условия на которой близки к земным В частности, невозможность существования при такой температуре белков исключала весьма заманчивую возможность существования жизни на Венере.
Принципиальная важность поставленных вопросов диктовала необходимость определения механизма радиоизлучения Венеры.
   Одним из тестов этого механизма является его частотный спектр. Для теплового излучения поверхности планеты яркостная температура должна быть одинаковой во всех диапазонах радиоволн. Для проверки этого предположения были необходимы измерения радиоизлучения Венеры в других диапазонах длин волн.
   Первые измерения радиоизлучения Венеры на радиотелескопе РТ-22 Пущинской радиоастрономической обсерватории, начатые А.Д.Кузьминым и А.Е.Саломоновичем в сентябре 1959 г вскоре после запуска этого инструмента в работу, принесли новую неожиданность. Было обнаружено, что на миллиметровых волнах яркостная температура в 1.5 раза ниже, чем на сантиметровых волнах, т.е. спектр радиоизлучения отличен от теплового и, следовательно, наблюдаемое излучение нельзя приписать тепловому излучению поверхности.

Радиотелескоп РТ-22 ПРАО ФИАН

   А.Д.Кузьмин и А.Е.Саломонович предложили объяснение обнаруженному различию, по которому на миллиметровых волнах излучение образуется в атмосфере, более холодной, чем поверхность.
Однако такая интерпретация не являлась однозначной. В 1961г. Д. Джонс предложил альтернативную, так называемую, ионосферную модель. Согласно этой модели предполагалось, что источником высокотемпературного излучения на сантиметровых волнах является плотная оптически толстая ионосфера с электронной концентрацией Ne = 109 -1010 см-3, имеющая кинетическую температуру электронов около 600 К. На миллиметровых волнах эта среда предполагалась прозрачной, а наблюдаемое радиоизлучение обусловленным поверхностью планеты, являющейся более холодной (температура около 400 К).
   Таким образом в начале 1960 гг. существовало две модели и две интерпретации, соответствующие существенно различным физическим условиям на планете.
   Вместе с тем, в это время вопрос о температуре поверхности и нижней атмосферы планеты Венера стал уже не только научным, но и практическим. В СССР и в США были начаты программы полетов на Венеру космических аппаратов. В 1961 г. осуществлен полет к Венере первого космического аппарата "Венера -1". Готовился запуск спускаемых аппаратов с посадкой на поверхность планеты.
   Проблема спуска аппарата в атмосфере Венеры представляла большие трудности. Для конструкторов этих аппаратов были необходимы данные о температуре атмосферы и поверхности планеты. По заданию руководителя советской программы космических исследований Президента АН СССР М.В. Келдыша, ФИАН'у было поручено проведение радиоастрономических измерений Венеры для определения температуры поверхности.
   Для определения физических условий в атмосфере и на поверхности Венеры было необходимо решить два вопроса:
         1) является ли механизм наблюдаемого радиоизлучения тепловым?
          2) исходит ли это излучение от поверхности?
   Одним из тестов выбора между тепловым и нетепловым механизмами излучения является частотный спектр. В 1961-63 гг. Ю.Н. Ветухновской, А.Г. Кисляковым, А.Д.Кузьминым, Б.Г. Кутузой, Б.Я. Лосовским и А.Е. Саломоновичем были проведены измерения и получен спектр радиоизлучения Венеры в широком диапазоне длин волн от 10 см до 4 мм. Однако и полученному спектру также удовлетворили обе указанные модели, соответствующие сильно различающимся физическим условиям на планете.
   Для выбора модели и определения температуры поверхности был нужен критический эксперимент определения механизма изучения и температуры поверхности Венеры. В 1964 г. А.Д.Кузьмин предложил такой эксперимент, основанный на измерении поляризации радиоизлучения планеты. Из-за различия коэффициентов отражения Френеля поверхности планеты для вертикальной и горизонтальной поляризаций, наблюдаемое излучение должно быть поляризовано на краях видимого диска. Величина поляризации зависит от диэлектрической проницаемости материала поверхности и позволяет оценить и этот параметр. Излучение ионосферы же должно быть неполяризовано.
   Однако указанный эффект проявляется лишь при больших углах выхода излучения, т.е. на краях видимого диска планеты. Угловой размер планеты, даже при максимальном приближении к Земле в нижнем соединении, составляет всего около 1 угловой минуты. Для реализации такого эксперимента был необходим радиотелескоп с угловым разрешением по крайней мере не хуже одной десятой углового радиуса, т.е. 0.05 угловой минуты и с достаточно большой чувствительностью. Такими свойствами обладал радиоинтерферометр обсерватории Оуэнс Уэллей Калифорнийского технологического института (CALTECH) в США. Работа могла быть выполнена только в международном сотрудничестве.
   Политика, проводимая Н.С.Хрущевым, и его персональное общение с западным миром, привели к оттепели в холодной войне, в атмосфере которой мы жили с печально-известной фултонской речи Черчиля в 1946 г., призывавшей к борьбе с Советским Союзом. Одним из результатов этого потепления явилось соглашение о научном сотрудничестве между СССР и США. Первым направлением этого сотрудничества явилась радиоастрономия.
   Начало сотрудничества было положено советско-американским симпозиумом по радиоастрономии, организованным в 1961 г. Национальной академией наук США в Вашингтоне. С советской стороны в симпозиуме участвовали сотрудники ПРАО ФИАН В.В. Виткевич, П.Д. Калачев, А.Д.Кузьмин и Р.Л. Сороченко, а также сотрудники других радиоастрономических учреждений СССР: В.А. Санамян (БАО, Армения), Г.Г. Гетманцев (НИРФИ). С американской стороны участвовали известные и ставшие впоследствии известными, астрономы и радиоастрономы: внук основателя Пулковской обсерватории Отто Струве-, Рудольф Минковский, Аллан Сэндидж, Джон Краус, Френк Дрейк, Конрад Майер, Дэвид Хишен, Фрэнк Хаддок, Джон Финдлей, Гордон Стенли, Бернард Берк, Аллан Баррет, Рон Брейсуэлл, Джорж Свенсон, Карл Сигер, Карл Уэйд. В результате этих встреч завязались хорошие научные связи с зарубежными учеными.

Участники первого советско-американского симпозиума по радиоастрономии

   Одной из первых программ сотрудничества, продуктивной для обеих сторон, был предложенный и реализованный А.Д.Кузьминым совместный советско-американский эксперимент ПРАО ФИАН и Калифорнийского технологического института США по определению механизма радиоизлучения Венеры и температуры ее поверхности. Cоветско-американское соглашение о научном сотрудничестве включало также обмен учеными. В апреле 1964 г А.Д. Кузьмин был направлен в годичную командировку в США для проведения этого эксперимента.
   Задачей эксперимента являлась проведение измерений распределения радиояркости по диску планеты Венера с целью обнаружения различия принимаемого радиоизлучения для разных поляризаций на краях видимого диска планеты. При интерферометрических измерениях это должно привести к зависимости функции видимости (амплитуды интерференционных лепестков) от поляризации. При одинаковых базах интерферометра (расстояниях между антеннами) функция видимости для излучения, поляризованного перпендикулярно базе интерферометра , должна быть больше, чем для излучения, поляризованного параллельно базе интерферометра . Радиоизлучение ионосферы неполяризовано и для него следовало ожидать .
   Экспериментальное исследование наличия дифференциальной поляризации проводилось на радиоинтерферометре обсерватории Оуэнс Уэллей Калифорнийского технологического института. Измерения проводились с 29 мая по 18 июля 1964 г. около нижнего соединения Венеры, когда планета находилась ближе всего к Земле и интенсивность принимаемого излучения была наибольшей, а наибольший угловой размер планеты обеспечивал также наиболее высокое пространственное разрешение. Работа проводились совместно с молодым американским ученым Барри Кларком. Американской стороной было созданы самые благоприятные условия для проведения работы. Эксперимент проводился как наиболее важная работа обсерватории. Достаточно отметить, что было предоставлено 28 дней наблюдений (!), из которых, не считая перестановок антенн, юстировочных и контрольных измерений, 67 часов (!) составили наблюдения Венеры.

Радиоинтерферометр Калифорнийского технологического института

   Радиоинтерферометр состоял из двух параболических антенн диаметром 27 м. Облучатели антенн, принимающие линейную поляризацию, устанавливались дистанционно попеременно на поляризацию, параллельную и перпендикулярную эффективной базе интерферометра. Для учета аппаратурной поляризации производились ее контрольные измерения по дискретным источникам.
   Для большей информативности эксперимента, конфигурация интерферометра изменялась передвижением антенн, установленных на рельсовых путях. В конце каждого дня наблюдений проводилась обработка и анализ полученных данных и принималось решение об изменении конфигурации. Утром следующего дня антенны перевозились на другие намеченные станции. После каждого передвижения антенн производилась их юстировка. За время эксперимента было 7 таких передвижек.
   Результаты измерений установили, что > , т.е. наблюдаемое радиоизлучение Венеры в 10-см диапазоне волн поляризовано и, следовательно, его источником является поверхность планеты.
   По интенсивности радиоизлучения, величине поляризации и положению нулей функции видимости были впервые определены следующие физические характеристики Венеры:

   Два года спустя радиус поверхности планеты, определенный с более высокой точностью по радиолокации Венеры R=6056 ± 1 км, подтвердил результаты радиоастрономических измерений.
   Шесть лет спустя спускаемые аппараты "Венера 7 и 8 провели прямые измерения у поверхности и определили температуру 740 К и давление 90 атм, также совпадающую с нашими данными. Но к этому совпадению следовало еще пройти долгий путь многих событий и жарких обсуждений.
   Завершение основного этапа участники работы отметили восхождением на расположенную рядом с обсерваторией высочайшую гору Америки (не считая Аляску) Маунт Уитни (4418 м).
   Работа в КалТехе на обсерватории Оуэнс Уэллей была продолжена в ноябре 1964 г, когда планета подошла к верхнему соединению и была почти полностью обращена к Земле своей освещенной стороной. Измерения показали, что суточное изменение температуры поверхности не превышает 2.5 %.
Результаты совместной работы ПРАО и Калифорнийского технологического института по определению температуры поверхности Венеры оказались очень нужными "дома". После возвращения в Москву в феврале 1965 г результаты заслушивались у "главного теоретика" программы советских космических исследований М.В. Келдыша, в Совете по комическим исследованиям и у заведующего отделом науки ЦК КПСС А.С. Монина.
   С учетом полученных данных о планете, в конструкцию космического аппарата "Венера-4", готовящегося для спуска на планету, были заложены теплозащита и парашют из термостойкой ткани.
   Американцы тоже готовились к посылке на Венеру космического аппарата "Маринер-5". В сентябре 1965 г результаты работ ПРАО и КАЛТЕХА были представлены на симпозиуме по Луне и планетам, организованным ведущим американским центром космических исследований JPL в Пасадене (США). В обзорном докладе Ф.Дрейка была подчеркнута большая важность поляризационных измерений, являющихся наиболее весомым доказательством, что наблюдаемое радиоизлучение Венеры действительно исходит от ее поверхности и, следовательно, температура поверхности высокая.
В октябре 1965 г по результатам работы А.Д.Кузьмин защитил докторскую диссертацию "Радиоастрономические исследования Венеры" и написал книгу "Радиофизические исследования Венеры, 1966, Изд.ВИНИТИ".
   Это были годы бурного развития исследований Луны и планет наземными методами и с космических аппаратов. 18 октября 1967 советская автоматическая станция "Венера 4" достигла планеты Венера и отделившийся спускаемый аппарат впервые произвел прямые измерения температуры, давления и химического состава атмосферы планеты во время спуска. Посадочный аппарат прекратил работу при давлении около 18 атм, измерив при этом температуру 535 К, т.е. примерно на 150 К ниже, чем температура поверхности по радиоастрономическим измерениям. Довел ли аппарат измерения до поверхности планеты или его раздавило в атмосфере? Прочность спускаемого аппарата была рассчитана на давление только 15 атм. В то время этот вопрос был решен волевым методом. В "руководстве" было принято решение, что "аппарат сел и провел измерения на поверхности планеты".
   Эти исследования вызвали большой интерес у мировой научной общественности. В следующем 1968 году результаты докладывались и обсуждались на четырех международных конференциях: конференции по планетным атмосферам в Тусане (Аризона, США), X Генеральной ассамблее КОСПАР в Токио (Япония), Международном симпозиуме по физике Луны и планет в Киеве (СССР) и симпозиуме Международного радиосоюза (УРСИ) в Вудс Холе, (Массачусетс, США). При подготовке наших докладов пришлось решить непростую задачу: подтвердить результаты радиоастрономических измерений о температуре поверхности Венеры около 700 К, не дезавуируя сообщение, сделанное по результатам космического эксперимента о температуре 535 К в месте посадки спускаемого аппарата "Венера 4" . Кроме расхождения с результатами радиоастрономических измерений, данные "Венеры 4" отличались также от результатов проведенных в это же время американских исследований Венеры методом радиопросвечивания с пролетного космического аппарата "Маринер-5".
   А.Д.Кузьмин представил на эти конференции доклады о совместной обработке измерений "Венеры-4" и наземных радиоастрономических и радиолокационных измерений и сделал вывод, что измерения "Венеры 4" согласуются с радиоастрономическими данными при температуре поверхности 700 К и давлении у поверхности 75 ± 25 атм, а спускаемый аппарат "Венера-4" закончил измерения на уровне 18 ± 5 км над поверхностью. Что же делать с сообщением, что спускаемый аппарат сел на поверхность планеты и объявленными температурой поверхности 535 К и давлением 18 атм ? Была предложена версия, что спускаемый аппарат сел на гору, где температура поверхности примерно на 100 К ниже.
   Последующие измерения с альтиметрической привязкой на спускаемых аппаратах "Венера 5 и 6 16 мая 1969 г. показали, что спускаемый аппарат "Венеры 4" прекратил работу на высоте 22 км над поверхностью планеты. Радиолокационные измерения показали, что на планете действительно есть горы высотой около 10 км. Но это станет известным лишь несколько лет спустя. Тогда же, в 1967 г, ФИАНовская интерпретация и следовавший отсюда вывод, что спускаемый аппарат "Венеры 4" не довел измерения до поверхности планеты, вызвала непростую реакцию в академических кругах. Намекали, что "Кузьмин ставит под сомнение результаты советской науки".
   Назревавшая коллизия была решена президентом АН СССР М.В. Келдышем. Выслушав предложенную версию, Мстислав Всеволодович сказал "Я думаю, что Кузьмину нужно дать возможность изложить свою точку зрения". Возможно, у самого М.В.Келдыша также была точка зрения, отличная от официальной версии. После докладе Кузьмина на X Генеральной ассамблее КОСПАР в Токио, известный астрофизик и планетолог Карл Саган задал вопрос "Какова вероятность того, что спускаемый аппарат сел на вершину высокой горы?" Пришлось рассказать описанный Перельманом в книге "Занимательная математика" случай про слона в ленинградском зоопарке, задав Сагану вопрос: "Какова вероятность того, что в первом воздушном налете на Ленинград в 1941 г немецкая бомба упадет на единственного слона в ленинградском зоопарке?" Саган со смехом поднял руки вверх.
   В 1970 г спускаемые аппараты "Венера 7 и 8", корпуса которых были упрочены чтобы выдерживать давление до 180 атмосфер, провели измерения вплоть до поверхности и определили температуру 740 К и давление 90 атм. Таким образом, через 6 лет после радиоастрономических измерений вопрос о расхождении результатов был решен в пользу радиоастрономии.
Итоговым результатом комплекса радиоастрономических исследований планеты Венера является определение основных физических характеристик поверхности планеты: температура поверхности T=700 ± 50 градусов Кельвина, радиус планеты R = 6057 ± 55 км и давление атмосферы P= 80 ± 50 атм. Оценен также верхний предел содержания водяного пара в атмосфере Венеры.
   Оказалось, что Венера - уникальная планета, существенно отличная как от Земли, так и от других планет Солнечной системы. К сожалению, температура поверхности планеты оказалась очень высокой и от возможности существования жизни на Венере пришлось отказаться. Однако, изучение Венеры существенно обогатило науку в понимании планетной климатологии, эволюции планет, в том числе и нашей планеты Земля.

Литература

Кузьмин А.Д. Радиоастрономические исследования Венеры, Итоги науки, Радиофизика, 1965-1966, Издательство ВИНИТИ, Москва, 1967

Kuzmin A.D. in The Venus atmosphere, ed. R.Jastrow & S.I.Rassol, 1968, Gordon and Breach, Science Publishers, New York " London " Paris, p.159-168

Кузьмин А.Д., Маров М.Я., Физика планеты Венера, Издательство Наука, Москва 1974

Кузьмин А.Д., Планета Венера, Издательство Наука, 1981