Исследования планеты Венера Космическими аппаратами

   По предварительным данным обработки радиояркостных изображений была составлена первая геолого-морфологическая карта Венеры, причем удалось получить изображения той части полушария, которая не могла быть закартирована со спутника «Пионер-Венера». На всей исследованной площади выявлены очень немногочисленные круговые структуры, идентифицируемые как ударные кратеры, что позволило оценить геологический возраст поверхности интервалом 0,5 – 1,0 млрд. лет. Согласно мнению авторов эксперимента, геологическое строение Венеры характеризуется отсутствием признаков проявления тектоники плит в земном понимании этого термина, в то же время на планете протекали специфические вулканотектонические процессы, приведшие к формированию гигантских кольцевых структур (овоидов), которые считают мантийными диапирами. Кроме того, развиты рифтоподобные структуры. Особенность Венеры заключается еще в том, что на ее поверхности обнаружен тип местности – тессеры, формирование которых определяется широким развитием площадных пластических деформаций, не имеющих аналогов на других планетах. Наконец, оказалось, что на Венере отсутствуют древние сильно кратерированные поверхности, известные на Луне, Марсе и Меркурии и соответствующие полевошпатовым корам этих планет.

   Дальнейшие космические  исследования Венеры связаны с успешным спуском в ее атмосфере и мягкой посадкой на ночном полушарии 11 и 15 июня 1985 года советских спускаемых аппаратов «Вега-1» и «Вега-2», отделившихся от соответствующих пролетных аппаратов, продолживших свой путь к комете Галлея.

   В рамках проекта «Вега»  совместно с французскими учеными  впервые была осуществлена доставка  в атмосферу Венеры автономных  аэростатных зондов. После отделения  от спускаемых аппаратов зонды совершили дрейф на высоте 50 километров со средней скоростью 200 км/ч и, переместившись с ночной стороны планеты на дневную, преодолели расстояние около 10 тыс. километров. Международная и советская сеть наземных радиотелескопов приняла с этих зондов информацию, позволившую впервые получить прямые данные о метеорологии Венеры.

   Спускаемые аппараты аэростатных  зондов осуществили обширных  комплекс исследований по составу  и свойствам  атмосферы и облаков, а на спускаемом аппарате «Вега-2»  выполнен элементный анализ грунта  в районе равнины Русалки.

   Исследования Венеры и  других планет солнечной системы  космическими автоматами-разведчиками  продолжается. В глубинах космоса  посланцы Земли движутся на  сближение с Юпитером и более  удаленными планетами, а на Земле  уже готовится экспедиция на Марс с экипажем космонавтов-исследователей на борту.

ОБОБЩЕНИЯ И ВЫВОДЫ

   Нам остается подвести  сравнительные итоги результатов  исследований планеты Венера  до и после начала ее исследований  космическими аппаратами.

   Итак, что узнало человечество  об этой планете за 250 лет ее  изучения оптической астрономией?

1. Планета Венера занимает второе место после Меркурия по своему удалению от солнца.
2. Движется вокруг солнца по слабо вытянутой (близкой к круговой) орбите с эксцентриситетом 0,007.
3. Полный оборот вокруг солнца (венерианский год) совершает за 224,7 земных суток с орбитальной скоростью 35 м/с.
4. Планета всегда закрыта плотным слоем облаков.
5. Планета относится к космическим объектам земной группы, имеет близкие к ней объем и массу.  

   Развитие радиоастрономии  в начале 60-х годов XX века дополнило эти сведения следующими данными:

• планета Венера имеет ярко выраженные радиоконтрастные элементы, т.е. обладает рельефом;
• это позволило установить продолжительность венерианских суток – они оказались равными 243,2 земных;
• в отличии от всех других планет солнечной системы суточное вращение Венеры вокруг своей оси противоположно направлению ее движения по орбите – Солнце на Венере восходит на западе;
• угол наклона оси вращения планеты к плоскости ее орбиты незначителен и составляет всего 3º (наклон земной оси ≈23º). Это значит, что смена времен года на планете не происходит – один день похож на другой, имеет одинаковую продолжительность и одинаковую погоду;
• поверхность планеты имеет довольно высокую температуру – порядка 500º – 700ºК.

   Однако ни оптическая  ни радиоастрономия не смогли дать ответа на самые главные вопросы:

• химический состав, плотность и давление венерианской атмосферы;
• наличие воды в атмосфере и на поверхности Венеры;
• структура и состояние рельефа поверхности планеты, ее температура;
• возможна ли жизнь на планете?

   Двадцатилетняя эпопея исследования  планеты Венера с помощью автоматических  межпланетных станций позволила  дать ответы практически на  все поставленные вопросы.

Атмосфера

   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: СО2 -97, N2 - 2, О2  - 0,1, Н2О - 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. Свободные азот, кислород и 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  атмосфера Венеры делится на две области: тропосферу, простирающуюся от поверхности планеты приблизительно до 100 км, и термосферу.

Тропосфера. Названа по аналогии с земной тропосферой по температурному вертикальному профилю. В венерианской тропосфере температура с высотой понижается. На поверхности температура равняется + 460ºС, она мало меняется днем и ночью. К верхней границе тропосферы температура понижается до 180 К (- 93ºС). 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 460ºС. 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.

   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% от общей смеси газов.

   По вертикали облачный  покров делится на три слоя: верхний, простирающийся между высотами 65 и 78 км, 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 от +470ºС у поверхности планеты до –35ºС 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 + 75ºС. Приблизительно на 2 - 3 км ниже того уровня, уже в пределах нижнего разреженного облачного слоя, температура повышается до + 100ºС. 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. Таким образом, по вертикальному изменению температуры термосфера Венеры аналогична земной термосфере.

Рисунок 1. Зависимость температуры Венеры от высоты.

   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.

   В верхней атмосфере преобладание  СО2  сохраняется до высоты 200 км. На высотах 250 – 300 км его заменяет атмосферный кислород (О2) 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 –113º  до          –93ºС). Подъем температуры воздуха выше этого уровня связан с поглощением коротковолновой солнечной радиации.

   Циркуляция атмосферы.  Под влиянием солнечной радиации происходит неравномерный 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.