Атмосфера. Загадочная атмосфера Венеры была центральным пунктом программы исследований при помощи автоматический аппаратов за последние два десятилетия

Загадочная атмосфера Венеры была центральным пунктом программы исследований при помощи автоматический аппаратов за последние два десятилетия. Важнейшими аспектами ее исследований были химический состав, вертикальная структура и динамика воздушной среды. Большое внимание отводилось облачному покрову, играющему роль непреодолимого барьера для проникновения в глубь атмосферы электромагнитных волн оптического диапазона. При телевизионной съемке Венеры удавалось получить изображение только облачного покрова. Непонятными были необычайная сухость воздушной среды и ее феноменальный парниковый эффект, за счет которого фактическая температура поверхности и нижний слоев тропосферы оказалась более чем на 500 выше эффективной (равновесной).

Состав атмосферы. Впервые химический состав атмосферы прямыми методами был осуществлен советскими аппаратами «Венера-4, -5 и -6». Он оказался таким: СО -97, N - 2, О - 0, 1, Н О - 0, 05%. Последующие полеты космических аппаратов подтвердили приведенные данные с небольшими коррективами. Крайне незначительное содержание водяного пара в атмосфере, а в ней сосредоточена вся планетная масса гидросферы внешней области Венеры, представляет собой на сегодняшний день загадку.

Атмосферы планет земной группы формировались за счет выхода из недр вулканических газов при дифференциации вещества в стадию его расплавления. Основную часть вулканических газов составляют водяной пар и углекислый газ, находящиеся между собой в объемном соотношении 5: 1 (Маров, 1976). Свободные азот, кислород, водород в состав вулканических газов не входят, а представляют собой продукты последующих реакций.

По оценкам, общее количество углекислого газа на Венере и Земле приблизительно одинаковое. Только на Земле он связан в осадочных породах и отчасти поглощен водными массами океанов, на Венере же весь он сконцентрирован в атмосфере. Обилие углекислого газа в современной атмосфере Венеры в тысячи раз превышает общее его количество в земной атмосфере.

В соответствии с приведенной пропорцией выделения водяного пара и углекислого газа при дифференциации планетного вещества Венера должна была бы иметь мощнейшую гидросферу, вполне сопоставимую с земной - с толщиной эквивалентного слоя воды на поверхности порядка 2, 7 км. Приблизительно такого же колоссального масштаба должна была бы быть и гидросфера Венеры - планеты, по своим размерам и эволюции очень сходной с Землей. Куда же девались с Венеры огромные массы воды? Надежного ответа на поставленный вопрос пока нет.

Вертикальная структура. В соответствии с температурным профилем (рис.1) атмосфера Венеры делится на две области: тропосферу, простирающуюся от поверхности планеты до приблизительно 100 км, и термосферу (Schubert and Covey, 1981).

Тропосфера. Названа по аналогии с земной тропосферой по температурному вертикальному профилю. В венерианской тропосфере температура с высотой понижается. На поверхности температура равняется + 460 С, она мало меняется днем и ночью. К верхней границе тропосферы температура понижается до 180 К (- 93 С). Состав газов тропосферы в общем сохраняется по всему профилю, т.е. это в основном атмосфера из углекислого газа.

В тропосфере на высотах между 45 -50 и 60- 65 км находится облачный покров, у него очень высокое альбедо: он отражает около 78% приходящей солнечной радиации. Только небольшая часть солнечной энергии проходит через облака и тропосферный воздух и достигает поверхности планеты.

Несмотря на то что прямая солнечная радиация почти не достигает поверхности планеты, температура ее, а также нижних слоев тропосферы очень высока - до 460 С. Причиной является сильно выраженный парниковый эффект атмосферы.

Облачный покров. Несмотря на неоднократное пересечение облачного покрова спускаемыми аппаратами космических станций, взятие проб воздуха на разной высоте и анализ их, четкого представления о составе облаков и их генезисе до сих пор нет. Ясно только одно, что если до космического века они признавались в основной своей массе состоящими из водяного пара, то в настоящее время такая точка зрения признается ошибочной.

По степени поляризации облака состоят скорее всего из капелек серной кислоты с примесью воды (Schubert and Covey, 1981).

М.Я.Маров (1976) облачный покров Венеры определяет как скопление капелек концентрированного (75-80%) водного раствора серной кислоты, возможно, с примесью плавиковой и соляной кислот. Серная кислота находится в переходном состоянии из жидкой фазы в твердую. Содержание водяного пара в облачном покрове не более 10 - 10 от общей смеси газов.

По вертикали облачный покров делится на три слоя: верхний, простирающийся между высотами 65 и 78 км (Ксанфомалити, 1976), средний, основной слой плотных облаков - от 50 до 65 км и нижний, находящийся под основным слоем и представляющий собой дымку, аналогичную верхнему слою.

Основной облачный слой, обладающий стабильностью и высокой плотностью, непрозрачен для световых лучей. 78% солнечной радиации отражается его верхней поверхностью, и именно ее полосчатое строение наблюдается в наземных телескопах и на телевизионных снимках. Светлые полосы это - это поверхность густых облаков, а темные - разрывы между ними, через которые в ультрафиолетовых лучах виден неосвещенный нижний слой облачного покрова.

При среднем значении температурного градиента в тропосфере 7, 3 /км (у земной тропосферы он 5, 6 /км) температура воздуха понижается с высотой приблизительно +470 С у поверхности планеты до -35 С у верхней поверхности основного облачного слоя (Ксанфомалити, 1976). Это означает, что в верхней части облачного слоя вода может находиться (при давлении 0, 11 кг/см) только в твердой фазе - в виде кристаллов льда.

Используя указанное значение температурного градиента, легко получить температуру нижней поверхности основного облачного слоя на высоте 50 км. Она будет + 75 С. Приблизительно на 2 - 3 км ниже того уровня, уже в пределах нижнего разреженного облачного слоя, температура повышается до + 100 С. Это предел нахождения воды в жидкой фазе. Следовательно, ниже 47-48 км вода может находиться в тропосфере только в газообразном состоянии - в виде пара. Таким образом, поверхность Венеры нигде не соприкасается с водой в ее наиболее активной фазе - в жидком состоянии. Круговорот воды на Венере, характеризующийся крайней незначительностью участвующей в нем воды, могущей переходить из одной фазы в другие, ограничивается интервалами высот в тропосфере от 47 до приблизительно 65 км. Атмосферные осадки на Венере в виде дождя, снега, града отсутствуют вследствие очень напряженного температурного поля внешней области планеты. Из сказанного следует, что круговорот воды на Венере не возбуждает обычных для Земли природных процессов - флювиальных, гляциальных и других. Вода в парообразном состоянии обусловливает химическое выветривание горных пород. Однако и этот процесс малоактивен.

Термосфера. Над тропосферой находится разреженная верхняя атмосфера. Днем она нагревается от прямой радиации в ультрафиолетовом диапазоне волн, а потому ее температура с высотой повышается (рис. 1). Таким образом, по вертикальному изменению температуры термосфера Венеры аналогична земной термосфере. Но вместе с тем имеются и различия. На Земле эта сфера существует непрерывно - день и ночь, а на Венере - только днем, ночью она исчезает. Повышенный нагрев воздуха в дневное время заменяется его сильным охлаждением ночью, в связи с чем воздушная среда верхней атмосферы приобретает свойство криосферы (Schubert and Covey, 1981).

В верхней атмосфере преобладание СО сохраняется до высоты 200 км. На высотах 250-300 км его заменяет атмосферный кислород (О) и окись углерода, а выше 500-700 км атмосфера становится чисто водородной, которая постепенно переходит в межпланетную среду.

Температурный минимум в атмосфере приурочен к высотам 100-110 км, т.е. к основанию термосферы. Его значение выражается 160-180 К (от -113 до -93 С). Подъем температуры воздуха выше этого уровня связан с поглощением коротковолновой солнечной радиации (Маров, 1976).

Циркуляция атмосферы. Под влиянием солнечной радиации происходит неравномерных нагрев планетной атмосферы. Тепловой баланс атмосферы в экваториальной зоне бывает положительным, т.е. приход тепла больше излучения его в инфракрасном диапазоне волн в космос. Однако избыток тепла не накапливается в экваториальной зоне, а передается полярным областям, у которых тепловой баланс отрицательный. Происходит некоторое сглаживание температурных различий областей: одной - с положительным тепловым балансом, другой - с отрицательным.

Этот процесс конвективной передачи тепла от экватора к полюсам свойственен и Земле, но вследствие мощного широтного перемещения воздушных масс с востока на запад он оказывается недостаточно выраженным.

В венерианской атмосфере горизонтальные различия температур намного меньше, чем вертикальные. Наибольшие широтные различия, установленные «Пионер-Венус - 1», относятся к верхнему уровню облаков. Разница в температурах по этому уровню (65 км от поверхности) между полюсами и 60-й параллелью составляет 10-20, а наиболее высокие ее приурочены к экваториальной зоне, как и у других планет.

Наибольшее количество энергии поглощается в интервале высот 70-100 км; температура на этом уровне на полюсе выше, чем в экваториальной зоне.

Впрочем, аналогичное явление характерно и для Земли. В земной атмосфере в пределах стратосферы и мезосферы полярная область теплее, чем экваториальная.

В венерианской тропосфере температурные вариации по широте значительно больше, чем по долготе. По долготе на расстоянии 110 (больше 1/4 окружности) изменение температуры составляет не более 5. В нижней тропосфере (10-20) км различия еще меньше, она так массивна, что сохраняет высокие температуры даже в течение продолжительного периода очень длинной (117 земных суток) венерианской ночи (Schubert and Covey, 1981). Температура на ночной стороне Венеры лишь на 20 ниже, чем на дневной.

Хотя горизонтальные температурные различия в венерианской тропосфере малы, тем не менее они могут возбуждать силы атмосферной циркуляции. Особенно большое значение имеют широтные градиенты температуры (между дневной и ночной сторонами планеты).

В соответствии с вращением Венеры с востока на запад в том же направлении (с востока на запад) происходит вращение атмосферы. Скорость вращения тропосферы как по вертикали, так и в горизонтальном направлении изменяется. Если на экваторе у поверхности Венеры восточные ветры не превышают скорость 1-2 м/сек, то на уровне верхней поверхности основного облачного слоя, т.е. на высоте 65 км, скорость восточного переноса воздушных масс возрастает до 100 м/сек (360 км/час). Вращаясь с высокой скоростью (в экваториальной зоне), облачный покров за четверо земных суток делает оборот вокруг Венеры, совершающей свой оборот вокруг оси за 243 суток, т.е. вращается в 60 раз медленнее, чем верхняя поверхность основного облачного слоя.

На высотах от 40 до 60 км движение воздушных масс с востока на запад происходит со скоростью 60 м/сек. У поверхности планеты ветра практически нет (скорость его 1-2 м/сек), и она окутана плотным горячим сухим воздухом (470 С). Наличие облачного покрова свидетельствует о восходящих потоках воздуха. Вследствие медленного вращения силы Кориолиса на Венере очень малы.

Климат. Погода. Применительно к Венере, конечно, несколько упрощая суть дела, можно сказать, что климат и погода на этой планете одно и то же. Действительно, если под погодой понимать «непрерывно меняющееся состояние атмосферы... или последовательное изменение значений всех метеорологических элементов...» (Хромов, Мамонтова, 1974, с.348), то на Венере эти условия практически неизменны в течение и суток и года. При почти перпендикулярном положении оси вращения Венеры к орбитальной плоскости (наклон 3) колебания значений метеорологических элементов остаются в течение суток (их продолжительность 234 земных суток) почти неизменными. Колебания температуры у поверхности не превышают 5-15 С.

Экзогенные процессы

Отсутствие на Венере воды и крайне малая скорость ветра у поверхности планеты не способствуют развитию ни флювиальных. эоловых процессов. Обнаружение «Венерой-8» подобия коры выветривания на горных породах, богатых радиоактивными элементами, свидетельствует о действии процесса химического выветривания, хотя на поверхности планеты, как отмечалось, нет ни капли жидкой воды. При очень высокой температуре поверхности, близкой к точке плавления цинка и свинца, вероятно, протекают процессы непосредственного взаимодействия горной породы с находящимся в воздухе водяным паром. Вследствие необычайной сухости воздуха нижних слоев атмосферы едва ли процесс химического выветривания может идти активно.

При господстве устойчивых температурных условий на поверхности планеты термическое выветривание также протекает очень вяло. Как показали панорамы поверхности Венеры, выполненные спускаемыми аппаратами «Венера-9-14», местами имеются крутые склоны с каменными осыпями. Следовательно, в определенных условиях рельефа гравитационные процессы могут протекать активно.