Структура облаков Венеры. Изображение
получено в ультрафиолетовом диапазоне
КА "Pioneer Venus Orbiter"

Под туманоподобными облаками Венеры, которые занимают интервал высот от 49 до примерно 75 км, лежит огромный газо­вый океан, в основном состоящий из раскаленного углекислого газа СО₂; его в атмосфере 96,5%. Свет проникает сквозь атмо­сферу, но рассеяние так велико, что даже находясь под нижней кромкой облаков различить поверхность планеты невозможно. С глубиной плотность углекислотной атмосферы растет и у по­верхности Венеры достигает 65 кг/м³. Это только в 14 раз мень­ше плотности воды. Масса газовой оболочки Венеры составляет 5 · 10²⁰ кг, что в сотню раз превосходит массу земной атмосферы и вполне сравнимо с массой земных океанов (1,37 · 10²¹ кг).

Вторым по содержанию следует азот, на который приходятся почти все оставшиеся 3,5%. По абсолютному содержанию это в 5 раз больше, чем в земной атмосфере. С высотой в атмосфере быстро падают плотность, давление, температура. На высоте 30 км это 9,4 бар, 10 кг/м³ и 222 °С, а на высоте 65 км это 0,9 бар, 0,2 кг/м и -30 °С. Выше 150 км атмосфера Венеры из-за высокого молекулярного веса уже более разрежена, чем атмосфера Земли на тех же высотах. Еще выше резко возраста­ет относительное содержание гелия и водорода (хотя, конечно, падает по абсолютной величине). Угарный газ (СО), кислород и водород образуются в стратосфере за счет диссоциации (раз­рушения) молекул углекислого газа и водяного пара ультрафио­летовым излучением Солнца. Выше 700 км простирается чисто водородная корона (10³ — 10⁴ атомов/см³), которая постепенно переходит в межпланетную среду.

Плотность и температура короны и лежащей под ней криотермосферы сильно зависят от солнечной активности, но температу­ра почти не зависит от высоты; выше примерно 160 км темпера­тура в подсолнечной точке в годы низкой солнечной активности близка к 300 К, а в годы высокой — к 450 К. На той же высоте в противоположной точке планеты (ночью) температура падает до 100 К (отсюда название «криотермосфера»). Сравнительно высокие дневные температуры криотермосферы объясняются по­глощением ультрафиолетовой части солнечного излучения.

На высоте 120 км находится нижняя граница ионосферы. Максимальная концентрация электронов приходится на высоту 140 км; днем она достигает 5 · 10⁵ см³, а ночью снижается примерно в 50 раз. Особенность ионосферы Венеры связана с отсутствием у планеты собственного магнитного поля: поэтому плазма солнечного ветра воздействует непосредственно на ионо­сферу, снижая днем ее верхнюю границу до 300-500 км.

По-видимому, именно различие условий формирования при­вело к большой разнице в содержании воды на Земле и Венере: для Земли это 1,37 · 10²¹ кг, или 2,3 · 10^-4 от ее массы, а для Венеры около 3 · 10^-9. Если бы температура у поверхности Земли была не 20 °C, а более 370 °C, то океаны Земли испарились бы и давление водяного пара в атмосфере достигло бы огромного значения 260 бар. Вместе с тем на Венере парциальное давление водяного пара не превосходит 3 мбар. Расчеты показывают, что при всех разумных предположениях потери воды на Венере не могли составить более 1/10 земных запасов воды.

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 во всей тропосфере, от поверхности до облаков.

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 K).

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.

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, ³⁶Ar, ³⁸Ar). А изотопы, образующиеся при распаде радиоактивных элементов, называют радиогенными (например, ⁴⁰Ar, который образуется при распаде ⁴⁰K).

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 ⁴⁰Ar и лишь 0,004 на ³⁶Ar и ³⁸Ar. А на Венере первичных изотопов столько же, сколько и радиогенных: доля ³⁶Ar, ³⁸Ar и ⁴⁰Ar, 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.

Общий вид южного полушария Венеры,
полученный с расстояния 30 000 км.
Южный полюс находится снизу,
а экватор - сверху. Снимок сделан
КА Venus Express в ультрафиолете.

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 (pv²) 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 тюверхностью 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.

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 6 ч 25 мин) 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 поверхностиона остается еще высокой. Днем там примерно так же светло, как на Земле в пасмурный день со сплошной (но не грозовой) облачностью.

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.

На высоте от 49 до 67 км находятся три относительно плот­ных яруса облаков с периодически меняющейся концентрацией частиц и очень тонкие слоистые облака под их нижней границей. Вниз от 49 км начинается практически безоблачная атмосфера. Под толстым слоем облаков находится глубочайший океан силь­но сжатого углекислого газа. Газ настолько плотен, что и без об­лаков сильно рассеивает свет. Если облака ослабляют его всего в 2-3 раза, то подоблачная атмосфера — еще раз в 10. Вероятно,даже с высоты 25 км поверхность планеты не видна. (Все же есть узкое спектральное «окно прозрачности» вблизи 1 мкм).

Облака Земли, как известно, состоят из мелких капель воды. Но приписать ту же природу венерианским облакам не удава­лось: хотя данные говорили о жидких каплях, но это не могла быть вода. Во-первых, количество водяного пара там очень мало. Во-вторых, измерения показали, что коэффициент преломления света у частиц в облаках Венеры составляет 1,44 (у воды он 1,33). К тому же, температура в верхней части облаков (-40 °С) исключает жидкую воду.

Только в 1973 г. удалось найти химическое соединение, ко­торое отвечало всем имевшимся данным. Верхний ярус венерианских туманоподобных облаков, расположенный в интервале высот от 57 до 75 км, — это мельчайшие капли с оптически­ми свойствами концентрированной 80%-ной серной кислоты. Их диаметр очень мал: 0,4-2 мкм. На высоте 66 км таких частиц около 300 на 1 см³. Концентрация двухмикронных капелек в верхнем слое с увеличением высоты убывает практически до нуля, но более мелкие частицы, около 0,4 мкм, присутствуют здесь в большом количестве. Вероятно, здесь они и образуются из газовой фазы. Нижняя граница облаков 48-49 км обладает какими-то критическими для капелек свойствами. Температура здесь близка к ПО °С, а давление 1,1 бар.

Мозаичное изображе-
ние, составленное из
40 изображений в
ультрафиолете
покрывает широты с
экватора (снизу) до
северного полярного
района (сверху).
Снимок КА Venus
Express.

Облачный покров Венеры практически непроницаем для ин­фракрасного теплового излучения; это своеобразное «одеяло» планеты. Ее тепловой баланс почти полностью определяет ухо­дящее в космос излучение самих облаков в диапазоне 7-25 мкм. Кроме этого Венера светится и в ближнем инфракрасном диапа­зоне 1-2,5 мкм. Свечение исходит от поверхности и из нижних, раскаленных слоев атмосферы; оно пробивается сквозь поглоща­ющее «одеяло» углекислого газа в узких спектральных полосах, так называемых «окнах прозрачности».

Эффективная температура теплового излучения (т. е. темпе­ратура абсолютно черного тела, которое излучает с единицы поверхности столько же энергии, сколько реальное исследуемое тело) у Венеры ниже, чем у Земли. Казалось бы, это противо­речит тому, что поверхность Венеры гораздо горячее земной. Но противоречия здесь нет: уходящее в космос тепловое излучение Венеры создается ее облачным слоем. Вспомним, что сфериче­ское альбедо Венеры в оптическом диапазоне составляет 0,77. То есть, планета отражает 77% падающего на нее солнечного света и только 23% поглощает, в то время как Земля поглощает 67%. Если учесть, что потоки солнечной энергии у Земли и Венеры соотносятся примерно как 1 : 2, то различие получается в пользу Земли: она поглощает в 1,5 раза больше энергии и должна во столько же раз больше ее излучать. Поэтому излучающая поверхность Земли (в основном это твердая поверхность) горя­чее, чем излучающая поверхность Венеры — ее облачный слой. А лежащая под облаками твердая поверхность Венеры не имеет почти никакого отношения к радиационному балансу планеты.

Измерения показывают, что размеры капель в венерианских облаках удивительно однородны, в отличие от земных облаков. Это значит, что мы видим слой из недавно образовавшихся частиц, иначе однородность их размеров была бы нарушена в процессе столкновений и слияний частиц. Напрашивается вывод, что этот сернокислотный дождь падает откуда-то сверху. С неко­торым преувеличением можно сказать, что в метеорологии сухой атмосферы Венеры соединения серы играют ту же роль, что вода в метеорологии Земли. Сернистый газ SO₂, которого довольно мало, около 3 · 10^-5 от количества СО₂, в присутствии мощного ультрафиолетового излучения Солнца в надоблачной атмосфере фотолитически окисляется кислородом в серный ангидрид SO₃.

Серный ангидрид тут же взаимодействует с небольшим име­ющимся количеством водяного пара и дает серную кислоту. Ее количество невелико, но вполне достаточно для существования облачного слоя планеты. Эти частицы постепенно опускаются вниз, при этом они иногда сталкиваются и сливаются. Когда они достигают уровня 49 км, из-за высокой температуры сер­ная кислота разрушается, а угарный газ реагирует с серным ангидридом, разрушает его и оставляет взамен углекислый и сернистый газы. Еще ниже остатки угарного газа отнимают у части сернистого газа последние атомы кислорода, а в атмосферу выделяется газообразная сера.

Наличие в атмосфере серной, соляной и плавиковой кислот связано с высокой температурой поверхности. Общее количе­ство серной кислоты в атмосфере Венеры вполне соответствует обилию серы в вулканических газах и на поверхности. (Серная кислота в очень незначительных, количествах появляется и в атмосфере Земли, но быстро растворяется в воде и выпадает с осадками). Кислоты взаимодействуют с материалом поверхности, благодаря чему устанавливается динамическое равновесие.

Химический состав облаков Венеры и особенности их дви­жения позволили объяснить природу полос, заметных только в ультрафиолетовых лучах. Она заключается в том, что на основ­ном слое облаков, который кончается на высоте примерно 70 км, лежит слой дымки толщиной 8-12 км. Эта дымка прозрачна и не видна для всех длин волн длиннее 350 нм (ближний ультрафиолетовый диапазон). В ультрафиолетовых лучах она сильно рассеивает свет. Нижний слой, наоборот, сильно погло­щает ультрафиолетовые лучи. По-видимому, пестрота облачного слоя отражает неравномерное распределение присутствующих в атмосфере газообразных соединений, вызывающих поглощение в ультрафиолете. На уровне верхней границы облаков весь слой завершает один оборот вокруг планеты за 4-5 сут, именно та­ков период, с которым повторяется рисунок ультрафиолетовой фигуры.

Источники

См. также