Солнечная система (Астрономия и астрофизика)
Шрифт:
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
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 2x10—5. В малых количествах имеются сероводород H2S и сероокись углерода COS. Известно также, что в атмосфере Венеры есть угарный газ (5x10—5), соляная (4x10—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 (2) 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
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.
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).
Состав облаков Венеры
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 110°С, а давление 1,1 бар.
Тепловой баланс Венеры
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».