Атмосфера Венеры. 
Астрономия. 
Солнечная система

Атмосфера Венеры была открыта М. В. Ломоносовым во время наблюдения редчайшего астрономического события — прохождения Венеры по диску Солнца 26 мая ст. с. 1761 г. Опасаясь того, что петербургская погода сможет помешать наблюдениям, Ломоносов настоял на организации наблюдений в Восточной Сибири. Экспедиции, руководимые русскими астрономами Н. И. Поповым и С. Я. Румовским, работали в Иркутске и Селенгинске. Румовскому в Селенгинске не удалось из-за плохой погоды наблюдать прохождение Венеры, но Попов в Иркутске через просветы в облаках и дым от горящих лесов успешно выполнил программу наблюдений, о чем Ломоносов с воодушевлением доложил государственному канцлеру М. И. Воронцову.

Рис. 5.2. Первооткрыватель атмосферы Венеры М. В. Ломоносов. Прижизненное изображение 1757 г.

Сам Ломоносов наблюдал явление в своей квартире в СанктПетербурге. Он отметил, что в момент контакта с диском Солнца около края планеты, которая выглядела в телескоп как маленький черный кружок, вспыхнул яркий ободок. Аналогичная картина повторилась, когда Венера сходила с солнечного диска. Ломоносов писал по этому поводу: «появился на краю Солнца пупырь, который тем явственнее учинился, чем ближе Венера к выступлению приходила». Ломоносов догадался, что ободок, или «пупырь», возникает, когда солнечные лучи просвечивают насквозь атмосферу Венеры, заставляя ее светиться. «Сие ничто иное показывает как преломление лучей солнечных в Венериной атмосфере», сделал вывод ученый.

Наблюдения в телескоп свидетельствуют о том, что атмосфера планеты чрезвычайно плотна, при этом поверхность Венеры всегда закрыта плотным слоем облаков, просветов в которых не бывает. Прямые измерения химического состава, давления, скорости ветра и температуры были выполнены серией автоматических межпланетных станций в 1960—1980;е гг. Впервые в истории парашютный спуск в атмосфере Венеры осуществил спускаемый аппарат советской автоматической станции «Венера-4» 18 октября 1967 г.

Главный компонент атмосферы Венеры — углекислый газ С0₂, его там 96,5%. На втором месте азот N₂ (чуть менее 3,5%). Остальное — малые составляющие, в сумме дающие не более 0,1% состава. В их числе следы кислорода, водяного пара, инертных газов, угарного газа СО, сернистые и некоторые другие соединения.

Строение атмосферы планеты существенно отличается от земного. На высоте от 49 до 75 км находится облачный слой, напоминающий плотную дымку. Диаметр планеты на уровне верхней кромки облаков составляет 12 240 км. Высокая отражательная способность облаков приводит к тому, что большая часть (до 75—78%) падающего на планету солнечного излучения отражается от облаков обратно в космос. В результате, несмотря на то, что Венера существенно ближе к Солнцу, чем Земля, она получает от Солнца тепла меньше, чем наша планета.

Температура на верхней поверхности облачного слоя составляет -40 °С. Верхний ярус этих облаков (выше 57 км) представляет собой туман из мельчайших капелек 80%-ной серной кислоты. Согласно существующим оценкам, в каждом кубическом сантиметре около 300 таких частиц. Над облаками Венеры присутствуют, кроме того, в небольших количествах чрезвычайно едкие хлороводород (НС1) и фтороводород (HF), водные растворы которых являются сильными кислотами.

Над облачным слоем, на высотах 90—100 км, обнаружены признаки озонового слоя Венеры. В этом же интервале высот обнаружено повышение температуры на 20—40 К по сравнению с ожидаемыми значениями; не исключено, что это связано с фотохимическими процессами в верхней атмосфере Венеры.

Ниже 49 км облаков нет. Плотность газовой оболочки и ее температура быстро возрастают по мере погружения в ее нижние слои. Измерения показали, что у поверхности Венеры давление атмосферы составляет около 92 бар^[1]. Температура у поверхности Венеры составляет 462 °C, причем как на ночной, так и на дневной стороне планеты. Плотность раскаленного газа у поверхности планеты составляет 65 кг/м^[2], что в 50 раз больше, чем у поверхности Земли. Общая масса атмосферы оценивается в 0,01% от всей массы планеты, что примерно в сто раз больше, чем у Земли.

Для Венеры характерен эффект так называемой суперротации атмосферы: здесь постоянно дует мощный ветер в западном направлении, существенно обгоняя вращение самой планеты. Если планета совершает полный оборот вокруг своей оси за 243,1 земных суток, то облачный слой полностью поворачивается всего за четверо суток! Это хорошо видно при съемках облаков Венеры в ультрафиолетовых лучах, где можно обнаружить детали и неоднородности.

Рис. 5.3. В облаках Венеры не бывает просветов. Южный полюс планеты в ультрафиолетовом диапазоне (Фото: «Venus Express», ЕКА).

Высокие скорости ветра были подтверждены прямыми измерениями с аэростатов, введенных в атмосферу Венеры советскими автоматическими станциями «Вега-1» и «Вега-2» в 1985 г. Аэростаты дрейфовали на высоте 53—54 км, при этом средняя скорость горизонтального движения составила 66—69 м/с. Измерения с борта искусственного спутника Венеры «Venus Express» дали значения скорости ветра до 100 м/с.

Вертикальная составляющая ветра оказалась в пределах от 2 до 15 м/с. Измерения скорости ветра у поверхности планеты с посадочных аппаратов дали величину менее 1 м/с. С учетом огромной плотности газа, напор такого ветра эквивалентен действию мощного урагана.

По-видимому, суперротация атмосферы Венеры связана с мощными конвективными потоками горячего газа. Существует модель о вкладе в этот эффект взаимодействующих между собой горизонтальных и вертикальных атмосферных гравитационных волн, возникающих над возвышенностями. Тем не менее надо признать, что феномен суперротации атмосферы пока остается необъясненным: не ясно, что же «раскрутило» газовую оболочку планеты. При этом за счет трения между быстро вращающейся атмосферой и твердой поверхностью планеты атмосфера должна передавать планете часть своего момента импульса, и следовало бы ожидать постепенного ускорения вращения планеты и замедления вращения газовой оболочки. В этом случае можно было бы предположить, что нынешнее значение периода является «текущим» и отличается от соответствующих значений как в прошлом, так и в будущем. Однако нынешний период вращения планеты, как было сказано выше, очень близок к резонансному относительно Земли, и это выглядит неслучайным.

Не исключено, что такой режим вращения также является результатом эволюционной «подгонки» периодов. Таким образом, вопросы о том, почему атмосфера не ускоряет вращение планеты (если это действительно так), и о причинах суперротации атмосферы Венеры остаются открытыми. В частности, можно предположить, что суперротация — это сравнительно недавнее приобретение Венеры, не успевшее изменить скорость вращения планеты.

Характеристики верхних, «надоблачных» слоев атмосферы Венеры исследовались с помощью европейского космического аппарата «Венера-Экспресс». Съемки ночной стороны планеты с близкого расстояния в инфракрасном диапазоне в 2006—2007 гг. позволили обнаружить существенные неоднородности и вихревые структуры в облаках на ночной стороне планеты. Уменьшение высоты орбиты аппарата и неоднократное погружение его в верхние слои атмосферы в 2010 г. до высот 165—175 км над поверхностью привело к пониманию, что плотность верхней атмосферы Венеры значительно меньше (быстрее спадает с высотой), чем предполагалось ранее. В частности, плотность атмосферы на указанных высотах оказалась на 60% меньше, чем прогнозировалось в ходе подготовки эксперимента.

Кроме того, по изменениям в сопротивлении среды во время таких «нырков» удалось выяснить, что плотность атмосферы на одной и той же высоте существенно различается для дневного и ночного полушарий планеты. Этот эффект также требует объяснений.

Миссия «Венера-Экспресс» была завершена в ноябре 2014 г. Европейский космический аппарат, запущенный в 2005 году российской ракетой, проработал целое десятилетие. В конце ноября 2014 г. связь с аппаратом прекратилась на этапе его постепенного спуска с орбиты и взаимодействия с верхними слоями атмосферы. В январе 2015 г. аппарат сошел с орбиты искусственного спутника Венеры и разрушился в ее атмосфере.

Начиная с декабря 2015 г., на орбите вокруг Венеры работает японский аппарат «Акацуки» (в переводе на русский — утренняя заря, рассвет), запущенный в 2010 г. Первая попытка выйти на орбиту искусственного спутника Венеры, предпринятая в конце 2010 г., оказалась неудачной, и аппарат продолжил движение по гелиоцентрической орбите. В декабре 2015 г. во время очередного сближения с Венерой удалось выполнить маневр по переходу на орбиту спутника планеты. Несмотря на технические проблемы, ожидается, что работа аппарата продлится до 2019 г.

• [1] Напомним, что 1 бар — единица давления, равная 105 Н/м3. Один миллиметр ртут
• [2] у поверхности Земли, или физическая атмосфера (760 мм рт. столба) = 1,1 325 • 105 Н/м3.