Солнечная система (Астрономия и астрофизика) - Сурдин Владимир Георгиевич. Страница 31

Предположения об очень высоких температурах и давлениях на Венере появились в 1940-х гг. на основе чисто теоретических соображений. Но в начале 1960-х еще многие ученые допускали, что вся планета покрыта океаном. «Венера-4» даже имела специальный, сделанный из сахара замок, который должен был освободить антенну в случае посадки аппарата на воду. Современный анализ содержания водяного пара дает его концентрацию в атмосфере Венеры примерно 3×10^—5 во всей тропосфере, от поверхности до облаков.

Парниковый эффект

Количество водяного пара в атмосфере прямо связано с «парниковым эффектом», суть которого заключается в следующем. Хотя большую часть солнечного света облака отражают обратно, часть его все же проходит сквозь атмосферу, падает на поверхность планеты и поглощается ею. Поскольку планета пребывает в тепловом равновесии (т.е. не становится со временем горячее), вся поглощенная энергия должна снова излучаться в космос. Если бы не препятствовала атмосфера, поверхность планеты справилась бы с этой задачей, нагревшись примерно до 230 К (в среднем по двум полушариям; конечно, дневное было бы немного горячее, а ночное — холоднее). При этом излучение поверхности лежало бы в инфракрасном диапазоне с максимумом между 10 и 15 мкм. Но именно в этом диапазоне атмосфера малопрозрачна. Она перехватывает значительную часть излучения поверхности и возвращает ее назад. От этого поверхность нагревается еще сильнее, до такой температуры, при которой выходящий в космос поток тепла все же уравновешивает его приток от Солнца. Таким образом, равновесие восстанавливается, но уже с повышенной температурой поверхности (735 К).

Этот эффект назван «парниковым», поскольку стекло или пленка в садовом парнике играет ту же роль, что и атмосфера планеты: прозрачная для света крыша парника пропускает направленные к земле солнечные лучи, но задерживает идущее от земли инфракрасное излучение и восходящие потоки теплого воздуха.

Расчет показывает, что температура поверхности Венеры как раз соответствует концентрации водяного пара около 3×10^—5; если бы его было больше, непрозрачность для инфракрасных лучей значительно возросла бы и температура поверхности стала бы еще выше. По-видимому, начальная температура Венеры из-за ее сравнительной близости к Солнцу была относительно высока. Это способствовало выделению из поверхности воды и углекислого газа, стимулировавших парниковый эффект и дальнейший рост температуры.

Малые составляющие атмосферы

Изотопный состав инертных, или благородных газов представляет особый интерес для науки о происхождении планет. Инертные газы не вступают в химические реакции с поверхностью или другими газами и достаточно тяжелы, чтобы сохраниться в том же количестве, в каком планета получила их при своем образовании или приобрела в процессе эволюции. Те изотопы инертных газов, которые достались планете на стадии ее формирования, называют первичными, или космогенными (например, ³⁶Аr, ³⁸Аr). А изотопы, образующиеся при распаде радиоактивных элементов, называют радиогенными (например, ⁴⁰Аr, который образуется при распаде ⁴⁰К).

Соотношение изотопов инертных газов в атмосфере Венеры не похоже ни на земное, ни на марсианское. Доля аргона в атмосфере Венеры 0,01%, а в земной атмосфере около 1%, но их абсолютное количество близко к друг к другу (поскольку атмосфера Венеры в 100 раз массивнее). Изотопный состав земного аргона такой: 0,996 приходится на радиогенный ⁴⁰Аr и лишь 0,004 на ³⁶Аr и ³⁸Аr. А на Венере первичных изотопов столько же, сколько и радиогенных: доля ³⁶Аr, ³⁸Аr и ⁴⁰Аr, соответственно, составляет 0,42; 0,08 и 0,50. Этим соотношением планета говорит что-то важное, но пока не ясно что именно.

Главным среди других малых составляющих оказался сернистый газ SO₂, который играет важную роль в метеорологии Венеры. Его содержание составляет 2×10^—5. В малых количествах имеются сероводород H₂S и сероокись углерода COS. Известно также, что в атмосфере Венеры есть угарный газ (5×10^—5), соляная (4×10^—7) и плавиковая (10^—8) кислоты. Концентрации указаны по отношению к углекислому газу. Таким образом, общим для атмосфер Земли и Венеры остается только азот. В остальном состав их совершенно различен. Причина этого лежит в разных путях эволюции планет.

Ветер Венеры

Значительная часть атмосферы Венеры находится в быстром движении. Сильные ветры связаны с общим быстрым вращении средних слоев атмосферы, содержащих и облачный слой, над медленно вращающейся планетой. Это движение газа, огибающее планету с 4-суточным периодом в направлении ее вращения, называют суперротацией атмосферы Венеры.

Средняя горизонтальная скорость ветра на высоте 54 км. составляет 65-70 м/с. Выше верхней границы облаков (70 км.) скорость ветров быстро падает. Она уменьшается также в глубь атмосферы, где увеличивается плотность газа. Наибольшую кинетическую энергию несут потоки газа в интервале 16-32 км. Ниже 10 км. скорость ветра — всего единицы метров в секунду. Прямые измерения скорости ветра у поверхности планеты показали от 0,4 до 1,3 м/с. Правда, из-за высокой плотности атмосферы, которая в 54 раза плотнее земной, эти скорости эквивалентны по динамическому давлению (ρυ²) в 7—8 раз более быстрым земным ветрам. По-видимому, этого все-таки недостаточно, чтобы пыль поднималась с поверхности, поскольку измерения неизменно показывают, что ниже облачного слоя атмосфера представляет собой чистую, незамутненную газовую среду.

Зональные ветры ураганной скорости (300 км/ч и более) охватывают широты от экватора до ±40°. Выше их скорость уменьшается, а в приполярных областях динамика атмосферы резко меняется. Здесь, по крайней мере у северного полюса, расположен так называемый полярный вихрь, который, по-видимому, включает в себя нисходящие потоки газа.

С суперротацией связан такой парадокс. Масса атмосферы составляет ощутимую часть (10^—4) всей массы планеты. Между атмосферой и поверхностью есть трение. Тогда, каковы бы ни были причины быстрого движения атмосферы, вращаясь в одну и ту же сторону из века в век, она должна передавать поверхности часть своего момента импульса. Иными словами, атмосфера должна разгонять твердое тело планеты. В действительности же мы видим, что вращение Венеры заторможено, причем период ее вращения настолько близок к резонансному относительно Земли, что это не может быть случайным. Почему атмосфера не ускоряет вращения планеты, остается неясным.

Природа облаков Венеры и их роль в тепловом балансе

До полета«Венеры-8» было распространено мнение, что облака Венеры очень плотные. Считалось даже возможным, что на поверхности планеты царит вечная ночь. Все предшествовавшие аппараты опускались на ночной стороне, где заведомо темно и фотометрировать нечего. Спуск «Венеры-8» в районе утреннего терминатора (с местным временем около 6ч. 25мин.) позволил установить, что на поверхности светло, освещенность составляет сотни люксов. Особенно подробные исследования спектра освещенности и строения облаков в дневной зоне были выполнены в 1975—1982 гг. новым поколением зондов «Венера» (СССР) и «Пионер-Венера» (США). По мере спуска, от уровня 70 км. освещенность постепенно падает. Но даже на поверхности она остается еще высокой. Днем там примерно так же светло, как на Земле в пасмурный день со сплошной (но не грозовой) облачностью.

Строение облаков Венеры

Облака Венеры совсем не похожи на мощную облачность Земли. Они скорее напоминают туман, когда предметы, удаленные на несколько километров, становятся невидимыми. Кажущаяся плотность объясняется только большой протяженностью этого облачного слоя.