Солнечная система - Владимир Сурдин

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., 10кг/м3 и 222°С, а на высоте 65 км. это 0,9 бар., 0,2кг/м3 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 5×105см3, 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 1,37×1021кг., или 2,3×10—4 от ее массы, а для Венеры около 3×10—9. Если бы температура у поверхности Земли была не 20°С, а более 370°С, 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—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.