ВЕНЕРА. ТЕМПЕРАТУРА. ПАРНИКОВАЯ МОДЕЛЬ АТМОСФЕРЫ. ВРАЩЕНИЕ

Венеру 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 Венеры в радиочастотах в 1959—1963 гг. привели к неожиданному результату: 600 К и выше, если основываться на измерениях теплового потока на волнах сантиметрового и дециметрового диапазонов, и только на миллиметровых волнах получены значения порядка 300—400 К. Эти результаты долго обсуждались, неясно было, к какому уровню атмосферы следует отнести измерения , но мало по малу стало ясно, что дециметровое излучение испытывает меньшее поглощение в атмосфере планеты, нежели миллиметровое, и потому температура относится к нижним слоям атмосферы Венеры, быть может, к поверхности ее, а значения 300—400 К определяют температуру более высоких слоев, может быть, даже ионосферы с ее богатым содержанием электронов.

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 имеет значение 6,0—6,8 км.

Поскольку значения газовой постоянной и ускорения силы тяжести g для Венеры известны, по найденной величине можно определить температуру Т верхней атмосферы, если известна величина — средней молекулярной массы. В применении к Венере формула (33.45) приобретает вид

Если атмосфера Венеры целиком состоит из углекислого газа, то , и тогда при км. Небольшие примеси могут снизить оценку и соответственно снизить значение Т. При км находим что не противоречит прямым измерениям температуры планеты.

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 , что, разумеется, можно принять лишь в самом грубом приближении). За такой уровень можно принять уровень облаков. Прежние определения давления углекислого газа по слабым его полосам приводили в ближней инфракрасной области спектра к значению парциального давления мбар, т. е. менее 0,1 атм. Новые определения, сделанные по старым, но превосходным спектрограммам Венеры обсерватории Маунт Вилсон, показывают, что те же полосы поглощения дают полное давление в атмосфере Венеры в пределах от 1,2 до 6 атм для некоторого среднего эффективного (по поглощению) уровня атмосферы, а для ее основания — до 10 атм. И температура, определенная по распределению интенсивности во вращательно-колебательных полосах , оказывается здесь около 400 К. Разумеется, здесь речь идет не об уровне облачного слоя, а о глубоких слоях атмосферы, видимых сквозь просветы в облачном слое. Такой результат говорит о том, что атмосфера Венеры глубока и что облачный слой ее далеко не сплошной.

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 атм.

Еще выше, в термосфере температура вновь возрастает до 650 К, но плотность газа становится ничтожной (при давлении атм), и роль этого слоя в тепловом режиме планеты также ничтожна. Что касается характеристик верхних слоев атмосферы Венеры, то они были исследованы совершенно независимым способом — просвечиванием атмосферы радиосигналами при полете мимо планеты или при облете искусственными спутниками («Венера-9 и 10»). Ослабление радиосигнала при видимом для земного наблюдателя заходе радиогенератора за диск планеты совершенно подобно ослаблению блеска Регула при его покрытии Венерой. Радиопросвечивание позволило установить также наличие у Венеры ионосферы с такой же приблизительно концентрацией электронов, как в земной ионосфере.

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 и водяные пары, которые по отношению к углекислому газу составляют всего 0,1 %. Обнаружен также аммиак NH3 (0,1—0,01 %).

Облака на Венере имеют сложную двухкомпонентную структуру. Главный слой расположен на уровне 50 км и несколько выше. Концентрация частиц достигает здесь , а размер их — около 1—3 мкм. Быть может, существует второй слой на высоте 35 км, но в целом атмосфера ниже 60 км имеет разреженную аэрозольную составляющую с концентрацией частиц около , размером 2,5 мкм и показателем преломления 1,8—2,1. Их роль в рассеянии света велика: они создают постоянную дымку, потому что они распределяются по большому интервалу высот. Но ни их рассеивающая способность, ни рассеивающая способность облаков в собственном смысле слова невелики и освещенность поверхности Венеры остается значительной — не менее 10 тыс. люкс, т. е. как на Земле в обычный летний день.

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 земных суток. С другой стороны, период вращения Венеры относительно Земли определится из той же формулы, если в ней подставить вместо Р земной год, т. е. суток. Будем иметь 146 земных суток. Наконец, синодический период Венеры, т. е. повторяемость нижних соединений Венеры с Солнцем, равен 584 суткам, что равно , т. е. в каждое нижнее соединение Венера обращена к Земле одной и той же стороной и субрадарная точка имеет одно и то же местное солнечное время (очевидно, полночь).

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 , найденной при радиолокационном облучении и по радиоактивному облучению, вызывающему рентгеновскую флуоресценцию, которая подвергается затем спектральному анализу.

(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 , аммиак NH3 и молекулярный водород , который небольшие и нагретые планеты земной группы могли удержать, только если он соединится с кислородом или с теми же углеродом и азотом. У разных звезд мы замечали раньше тенденцию углерода (если он обилен) захватывать весь кислород, но в данном случае мы имеем планеты одного и того же Солнца: на Земле кислорода хватило для образования и углекислого газа и воды, а на Венере — только углекислого газа. В отсутствие воды и жизни с и не поглощался горными породами, всего лишь образовывал на них защитную карбонатную пленку и более не трансформировался. А небольшое количество воды в верхней атмосфере Венеры подвергалось фотолизу, т. е. расщеплению на и О, после чего молекула Н, уходила в межпланетное пространство.

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: . Процесс этот успешно продолжается и сейчас. Если бы не биосфера, в атмосфере Земли происходили бы непрерывное обогащение углекислым газом от вулканических процессов и потеря кислорода на окисление основных горных пород.

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.