Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
ВЕНЕРА. ТЕМПЕРАТУРА. ПАРНИКОВАЯ МОДЕЛЬ АТМОСФЕРЫ. ВРАЩЕНИЕВенеру много наблюдали на протяжении последних трех столетий, но и к середине XX в. наши сведения о ней были очень ограничены. По своим размерам, массе, плотности она очень сходна с Землей, а густая атмосфера ее с мощным облачным слоем, как известно, открытая еще в 1761 г. М. В. Ломоносовым, усиливала это сходство, так что Венеру нередко называли «сестрой Земли». Измеренный тепловой поток, исходящий от нее, также приводил к температурам, сходным с теми, которые наблюдаются над земными облаками: 240 К на ночной стороне и 235 К на дневной. Учитывая, что Венера ближе к Солнцу, можно было допустить, что у поверхности ее температура несколько выше, чем на Земле, но незначительно, так как альбедо Венеры много выше земного. Классические астрофизические методы вносили в эту картину лишь два несоответствия: из всех атмосферных газов на Венере с достоверностью был обнаружен лишь углекислый газ, притом в значительных количествах, а, кроме того, в результате усилий множества наблюдателей пришлось прийти к выводу, что Венера вращается очень медленно; не исключалось, что ее период вращения равен периоду обращения вокруг Солнца. За последние двадцать лет к изучению Венеры с огромным успехом были применены методы радиоастрономии; проведены космические исследования ее с советских АМС серии «Венера» и американских серий «Маринер». Измерения ночной яркостной температуры Этот вывод, по существу, не так уже неожидан. Атмосфера Венеры содержит очень много углекислого газа, и в ней должен сильно проявляться парниковый эффект (см. с. 486), так как полосы углекислого газа в инфракрасной области спектра вместе с полосами паров воды сильнее всего задерживают собственное планетное излучение. Оставался без ответа лишь вопрос: достаточно ли протяженна атмосфера Венеры, чтобы дать столь сильный парниковый эффект? 7 июля 1959 г. наблюдалось угасание звезды 1-й величины Регула при ее покрытии Венерой. Оно показало, что угасание звезды до полного исчезновения происходит уже тогда, когда лучи звезды проходят сквозь высокие слои атмосферы: в описываемом случае — на высоте 50—70 км от уровня облачного слоя. Это происходит не из-за поглощения или рассеяния света атмосферой, а из-за его рефракции. Параллельный пучок света звезды после пересечения атмосферы становится расходящимся, от чего освещенность от звезды, т. е. блеск ее уменьшается. В данном случае атмосфера действует как рассеивающая линза. По мере того как свет звезды пронизывает все более низкие слои атмосферы, он ослабляется все сильнее. Скорость этого ослабления зависит от скорости возрастания плотности атмосферы с уменьшением высоты, т. е. от высоты однородной атмосферы Н [см. формулу (33.45)]. При покрытии Регула оказалось, что в верхней атмосфере Венеры Поскольку значения газовой постоянной и ускорения силы тяжести g для Венеры известны, по найденной величине
Если атмосфера Венеры целиком состоит из углекислого газа, то Формула (33.44) могла бы послужить для определения давления в атмосфере Венеры на любой высоте h, если бы можно было определить ее давление р на некотором начальном уровне (конечно, в предположении Проблема была полностью решена, когда спускаемые аппараты АМС «Венера» в процессе прохождения атмосферы планеты произвели непосредственные измерения целого ряда физических характеристик ее. Сведенные воедино результаты нескольких экспериментов показаны на рис. 202, из которого видно, что действительно температура поверхности Венеры достигает 780 К, а давление 90—100 атмосфер. Здесь плотность газа всего лишь в 15 раз меньше плотности воды. Выше температура падает с градиентом около 9—10 К на 1 км, а затем замедленно с тем, чтобы на уровне 90—100 км достигнуть минимума (мезопауза) около 170 К. Давление здесь падает до Еще выше, в термосфере температура вновь возрастает до 650 К, но плотность газа становится ничтожной (при давлении
Рис. 202. Разрез атмосферы Венеры, построенный на основании прямого зондирования ее при по садке советских космических аппаратов серии «Венера» Химический анализ газовых проб при пролете сквозь атмосферу спускаемых аппаратов подтвердил полное преобладание углекислого газа: 97 % (по объему); азот, кислород, аргон и другие благородные газы, которые не удалось обнаружить, составляют меньше 2 %. Поддались обнаружению окись углерода, хлористоводородная и фтористоводородная кислоты Облака на Венере имеют сложную двухкомпонентную структуру. Главный слой расположен на уровне 50 км и несколько выше. Концентрация частиц достигает здесь Над верхним слоем рассеивающих облаков Венеры, до уровня 65—70 км, находятся «ультрафиолетовые облака», имеющие крупно- и мелкомасштабную структуру. Они хорошо отражают солнечный свет (сферическое альбедо равно 0,6), а в промежутках между ними отражение меньше, и мы наблюдаем более низкие облака, где ультрафиолетовое излучение Солнца поглощается. Это обстоятельство было подмечено довольно давно, и наиболее четкие структурные изображения диска Венеры получались именно при фотографировании ее в ультрафиолетовых лучах. При пролете около Венеры 5 февраля 1974 г. АМС «Маринер-10» было получено множество великолепных фотографий Венеры именно в ультрафиолетовом свете. Одна из этих фотографий воспроизведена у нас на рис. 203. Она показывает сложную картину движений в верхней атмосфере планеты. Природа частиц, составляющих основной облачный слой на Венере, еще не вполне выяснена. Первоначальное предположение о том, что они состоят из воды, пришлось оставить, так как наземные поляриметрические измерения установили для них коэффициент преломления 1,44±0,01, тогда как у воды он равен 1,33, а у льда 1,31. Индикатриса рассеяния указывает на сферичность частиц, что тоже несовместимо с водой, так как на уровне 50 км температура близка к —30 °С. К указанным физическим характеристикам ближе подходят капельки 75—80-процентного водного раствора серной кислоты. Эта гипотеза одновременно объясняет и практически полную сухость атмосферы Венеры выше 50 км, так как серная кислота жадно поглощает воду. Есть и некоторые спектрофотометрические свидетельства в пользу сернокислотной природы венерианских облаков. Однако полных доказательств этого мы не имеем.
Рис. 203. Фотография Венеры в ультрафиолетовом свете, полученная 5 февраля 1974 г. с помощью АМС «Маринер-10». (Заимствована из журнала Science, v. 183, Nt 4131) Для понимания физики атмосферы Венеры первостепенное значение имеет вопрос о вращении ее вокруг оси. Радиолокационные наблюдения показали чрезвычайно медленное вращение, и при повторении этих наблюдений в последовательные нижние соединения Венеры с Солнцем был с большой точностью определен звездный период вращения Венеры в 243,0 дня в направлении, обратном ее движению по орбите. Но верхняя атмосфера вращается иначе: ультрафиолетовые снимки Венеры на протяжении 8 суток сближения АМС «Маринер-10». показали, что облака совершают обращение вокруг тела планеты за 4 дня, двигаясь по направлению ее вращения со скоростью до 100 м/c! С приближением к поверхности планеты эта скорость убывает, как показывают измерения горизонтальных смещений аппаратов во время спуска, и на поверхности планеты скорость ветра сводится к 1—2 м/с. Те же радиолокационные наблюдения позволили построить карту части поверхности Венеры, именно той части ее, которая бывает обращена к Земле во время нижних соединений. В эту пору наибольшей близости планеты к нам ее радиолокация наиболее эффективна. Применяя известную формулу, объединяющую звездный период вращения планеты V (в данном случае 243 дня) и период обращения ее вокруг Солнца Р (225 дней) с периодом вращения планеты относительно Солнца S
найдем продолжительность на Венере солнечных суток Составленная на основе этих соображений радиолокационная карта примерно половины полушария Венеры показывает при разрешении 10X10 км богатое разнообразие деталей, по-разному отражающих радиосигнал. Среди них встречаются и большие, но неглубокие кратеры. Характер отражения радиоволн указывает на плотность вещества поверхности в среднем 2,3±0,4 и перепады высот на ней до 4 км. Венцом исследований никогда не видимой поверхности планеты явилось получение телевизионных изображений венерианской панорамы в местах посадки АМС «Венера-9» и «Венера-10», отстоящих друг от друга на 2200 км. В первом случае спустившийся аппарат сел на россыпь остроугольных камней, покрывающих довольно крутой склон, а во втором случае — вблизи выходбв коренных вулканических пород. Камни имеют резкие края и разнообразные размеры от нескольких сантиметров до 1—2 м. Если они и подвергались эрозии, то это — не водяная эрозия, а слабое выветривание. Между камнями находится мелкозернистый грунт. Установленные на спустившемся аппарате плотномеры измеряли рассеяние гамма-излучения поверхностным материалом. Плотность монолитной породы составляет 2,8±0,1 г/см3, что совпадает с плотностью малопористых базальтов. Присутствие базальтов разных типов подтверждается и значением диэлектрической проницаемости (кликните для просмотра скана) Несколько меньше распространены на Венере граниты. Но и то и другое — продукт вулканической деятельности.
Рис. 205. Панорамы поверхности Венеры в двух ее местах, переданные на Землю посадочными аппаратами «Венера-9» и «Венера-10» Этот результат был закреплен панорамными снимками с «Венеры-13» и «Венеры-14» в 1981 г., показавшими на новых местах посадки новые особенности ландшафта Венеры. Запущенные в 1983 г. АМС «Венера-15» и «Венера-16» при встрече с Венерой отделили от себя искусственные спутники, которые, совершая многократно облет планеты, провели детальную радиолокацию бокового обзора. Посещения Венеры космическими аппаратами и обследования ее поверхности искусственными спутниками позволили построить детальную карту 1/4 ее поверхности и составить ясное представление о ее морфологии и даже тектонике (рис. 204). Рельеф на Венере по сравнению с Меркурием, Марсом, Луной несколько сглажен, хотя плато и горные образования могут достигать большой высоты (12 км), многочисленные кратеры и цирки при больших размерах мелки, глубиной не более 2,5 км. Но вся их совокупность выносит из недр планеты много тепла (в отдельных точках ее наблюдалась температура до 700 °С), которое увеличивает температуру ее поверхности. Сглаженность рельефа определяется защитными свойствами мощной атмосферы против вторжений метеоритных тел. В том же направлении работает ее большая масса, большее напряжение силы тяжести, препятствующее разбрасыванию вещества при ударе. Циркуляция атмосферы у поверхности невелика, вода вся находится в газообразном состоянии, все же атмосферная эрозия тоже играет свою роль. Возвратимся к атмосфере Венеры. Общее количество в ней (по массе) углекислого газа приблизительно одинаково с содержанием его на Земле в различных горных породах — осадочных и метаморфических. Но воды на Венере по крайней мере в 1000 раз меньше, чем на Земле, и этот факт неоспорим, так как на Венере вся она содержится «в доступной нашему исследованию атмосфере, а на поверхности планеты из-за высокой температуры она не может существовать ни в жидком виде, ни в виде кристаллизационной воды в горных породах. Еще меньше содержание кислорода. Мы о нем знаем лишь по специфическому ночному свечению верхней атмосферы Венеры. Спектр этого «свечения, наблюдавшийся с искусственных спутников «Венеры-9 и 10», указывает на наличие кислорода как примеси к углекислому газу. Газоанализаторы спускаемых на Венеру аппаратов кислород не обнаружили. В процессе дифференциации легких и тяжелых веществ в оформляющейся планете происходила дегазация их, которая продолжается и сейчас в вулканических процессах, выделяющих углекислый газ, воду, серу. Первоначальная атмосфера планеты содержала также газы, свойственные солнечной атмосфере, пример чему мы видим в атмосферах планет-гигантов — метан Таким образом, приходится признать, что у Венеры с самого начала было мало воды: из-за более высокой температуры, чем у Земли, она растеряла почти весь свой водород. Остается непонятным отсутствие или крайняя недостаточность в атмосфере Венеры азота при большом изобилии его в атмосфере Зёмли. Впрочем, последнее обстоятельство тоже не очень понятно, так как при вулканических процессах азот не выделяется. Приходится думать, что на Земле азот — остаточный элемент от первоначальной восстановительной атмосферы, которая постепенно превратилась в окислительную примерно полмиллиарда лет назад, когда развилась жизнь на Земле и растительные организмы на суше и в океанах с помощью солнечного излучения стали интенсивно расщеплять углекислый газ: По некоторым подсчетам Земля без растительности потеряла бы весь свой кислород за 2000 лет. Несходство химического состава атмосфер Венеры и Земли сопровождается несходством их термодинамического состояния и циркуляции. Наиболее существенно то, что, несмотря на медленное вращение, температурный режим дневной и ночной сторон Венеры практически одинаков. Огромные запасы тепла в атмосфере ее очень мало расходуются за ночь, хотя она длится почти два земных месяца. Более того, ночная температура облачного слоя Венеры действительно немного, на 8—10 К выше дневной. Магнитное поле у Венеры практически отсутствует и верхняя атмосфера ее ничем не защищена от корпускулярных солнечных потоков — еще одно отличие ее от Земли. Отсутствие магнитного поля у Венеры непонятно, так, средняя плотность Венеры, 5,22 г/см3, близкая к плотности Земли, при сходных размерах обеих планет позволяет думать, что и внутреннее строение их сходно, а магнитное поле Земли связано с ее жидким металлическим ядром.
|
1 |
Оглавление
|