Атмосфера Венеры – это загадочный мир, который кажется таким близким, но на самом деле настолько непохожим на земной. В этой статье мы окунемся в глубины атмосферы второй планеты от Солнца, чтобы исследовать ее удивительные характеристики. Мы узнаем, из чего состоит атмосфера Венеры, какие температурные экстремумы преобладают на этой планете, как образуются плотные облака из серной кислоты, и какие страшные атмосферные явления обитают в этом агрессивном окружении. Наука сталкивается с тайнами и экстремальными условиями, делая эту планету одной из самых загадочных в Солнечной системе.
Общие сведения
Атмосфера Венеры представляет собой газовый слой, окружающий эту планету. Она главным образом состоит из углекислого газа и азота, и другие химические соединения присутствуют здесь в незначительных количествах. Особенностью атмосферы Венеры являются её облака, состоящие из серной кислоты, которые делают наблюдение за поверхностью планеты в видимом свете невозможным. Атмосфера Венеры прозрачна лишь для радио- и микроволновых излучений, а также в некоторых областях ближней инфракрасной части спектра. Важно отметить, что атмосфера Венеры гораздо плотнее и жарче, чем атмосфера Земли: средняя температура на поверхности составляет около 740 К (или 467 °C), а давление здесь составляет примерно 93 бара.
История открытия
6 июня 1761 года во время прохождения Венеры по переднему диску Солнца, ученый Михаил Ломоносов заметил интересное явление. Он увидел, что в момент, когда Венера касалась диска Солнца, вокруг планеты возникла тонкая светящаяся аура, которая казалась по структуре волосами. Когда Венера начала пересекать солнечный диск, на краю планеты появился светлый ореол, который Ломоносов описал как “пупырь”. Этот ореол окружал ту часть Венеры, которая находилась за пределами диска Солнца.
Михаил Васильевич Ломоносов предоставил правильное научное объяснение этому явлению. Он предположил, что это связано с лучами света, идущими от Солнца и преломляющимися в атмосфере Венеры.
Строение
Атмосфера Венеры делится на несколько “слоев”, каждый из которых имеет свои характеристики:
Тропосфера – это самый плотный слой атмосферы Венеры, который простирается до самой поверхности планеты. Этот слой состоит из “полу-жидкой, полу-газообразной” среды из сверхкритического углекислого газа, который находится в агрегатном состоянии сверхкритической жидкости из-за высокого давления и температуры.
Тропопауза – это граница, находящаяся на высоте между 65 и 50 километрами. Средняя температура в этом слое составляет от +20 до +37 градусов Цельсия. На высоте 49 километров давление достигает уровня 1 атмосферы, что сравнимо с давлением на поверхности Земли.
Нижняя мезосфера – этот слой находится на высоте 62-73 километров над поверхностью Венеры. Здесь температура продолжает расти, изменяясь от -40 градусов до примерно +20 градусов Цельсия. Чем ниже вы спускаетесь в этот слой, тем теплее становится.
Верхняя мезосфера – это участок атмосферы, расположенный на высоте от 73 до 95 километров над поверхностью. Здесь температура плавно увеличивается с -108 градусов до примерно -50 градусов по Цельсию.
Мезопауза – это относительно плотная часть внешней атмосферы Венеры, которая находится между высотами 95 и 120 километров и подвержена резким изменениям температуры.
Термосфера – это разреженный и сильно ионизированный слой атмосферы, где температура может достигать ночью -173 градуса Цельсия (100 кельвинов) и подниматься до 20 или даже 100 градусов Цельсия днем.
Экзосфера – это самый внешний слой атмосферы Венеры, его верхняя граница находится на высоте 220-350 километров над поверхностью планеты.
Физические свойства
Максимальная высота атмосферы Венеры составляет около 350 километров над её поверхностью, однако граница относительно плотной части атмосферы находится на высоте примерно 100 километров над поверхностью. Для сравнения, на Земле этот уровень уже считается практически границей космоса. Дневная температура в этой области колеблется от 25 до 37 градусов Цельсия, но к ночи она снижается до -143 – -173 градусов Цельсия.
Химический состав
Атмосфера Венеры в основном состоит из углекислого газа, который занимает 96,5% общего состава, и азота, который присутствует в 3,5%. Есть также следы других газов, таких как водяной пар, кислород, оксиды серы, аргон, неон, гелий и криптон, но их концентрация очень низкая, менее 0,1%. Важно отметить, что атмосфера Венеры гораздо плотнее, чем земная атмосфера. Например, содержание азота на Венере по массе в пять раз больше, чем на Земле.
Выше в атмосфере Венеры, начиная с высоты 48-49 километров, есть слой тумана, который состоит из мельчайших капель серной кислоты. В более высоких слоях атмосферы также присутствуют другие кислоты, такие как соляная и плавиковая кислоты. Эта сложная и агрессивная химическая среда делает атмосферу Венеры одной из самых экстремальных в Солнечной системе.
Парниковый эффект
Одной из ключевых особенностей густой атмосферы Венеры является сильный парниковый эффект, который делает эту планету самой горячей среди всех планет Солнечной системы по средней температуре на ее поверхности. На первый взгляд может показаться, что Венера настолько жаркая из-за своего близкого расположения к Солнцу, и, следовательно, она получает более интенсивное солнечное излучение, чем Земля.
Однако реальная причина жары на Венере кроется в сложном механизме парникового эффекта. Несмотря на то, что большая часть солнечного света отражается обратно в космос из-за густого слоя облаков, поверхность Венеры на самом деле получает даже меньше солнечной энергии, чем Земля. Однако проблема заключается в том, что разогретая поверхность планеты и нижние слои облаков не только поглощают солнечную энергию, но и излучают её обратно в инфракрасном спектре.
На Земле это излучение может легко выбраться в открытый космос, но на Венере с этим возникают серьезные проблемы. Плотный слой облаков и доминирование углекислого газа в атмосфере Венеры не позволяют излучению свободно покидать планету. Вместо этого, они отражают инфракрасное излучение обратно к поверхности, подобно действию плотного одеяла, но размером с всю планету.
Магнитное поле
Верхний слой атмосферы Венеры, аналогично Земле, называется ионосферой. Ионосфера Венеры содержит высокоионизированные частицы, которые образуются из-за воздействия ультрафиолетового излучения Солнца и солнечного ветра – потока заряженных частиц, исходящих от Солнца и воздействующих на верхние слои атмосферы планеты. Основными ионами в ионосфере Венеры являются ионы кислорода и углекислого газа.
Важно отметить, что Венера, в отличие от большинства планет, включая Землю, не обладает собственным магнитным полем. Измерения, проведенные орбитальными космическими аппаратами, показали, что магнитное поле Венеры крайне слабое и примерно в 8000 раз слабее, чем магнитное поле Земли. Отсутствие магнитного поля на Венере связано с её медленным вращением.
Погода
Движение атмосферы Венеры представляет собой интересное и сложное явление. Несмотря на медленное вращение планеты, которое включает всего лишь три оборота вокруг своей оси за два земных года, облака Венеры перемещаются достаточно быстро, чтобы охватить всю планету всего за четыре дня. В верхних слоях облачной атмосферы наблюдается стабильное движение ветров с востока на запад со скоростью около 100 метров в секунду.
Облачность
Поверхность Венеры всегда скрыта под плотным слоем облаков, состоящих из мельчайших капелек серной кислоты с высокой концентрацией, от 75% до 80%. Эти облака разделены на три основных слоя, которые простираются на высотах от 49 до 75 километров над поверхностью планеты. Они различаются по концентрации капель, то есть аэрозолей серной кислоты, и имеют некоторый разброс в размерах частиц, варьирующийся от одного до пяти микрон. В самом нижнем слое облаков также встречаются частицы твердой серы. Эти облака создают легкий туман, но из-за своей высокой вертикальной протяженности они полностью маскируют поверхность Венеры при наблюдении в большинстве диапазонов электромагнитного излучения, за исключением радиоволн.
История атмосферы
Данные о структуре облаков и геологии поверхности, а также теоретические расчеты, учитывающие увеличение светимости Солнца на 25% за последние 3,8 миллиарда лет, приводят к предположению, что около 4 миллиардов лет назад атмосфера Венеры была более похожей на атмосферу Земли, и на ее поверхности могла существовать жидкая вода. Этот сценарий предполагает, что неконтролируемый парниковый эффект начался после испарения поверхностных вод и увеличения концентрации парниковых газов. Поэтому атмосфера Венеры привлекает внимание ученых, изучающих изменение климата на Земле.
На сегодняшний день на поверхности Венеры не обнаружено признаков, указывающих на наличие воды в прошлом. Однако современная поверхность планеты имеет возраст, не превышающий 600-700 миллионов лет, и не предоставляет информации о древних периодах ее истории. Кроме того, нет причин полагать, что на Венере не могли происходить процессы, аналогичные тем, которые привели к образованию воды на Земле (например, вода могла быть частью материала, из которого формировались планеты, или была привнесена на Венеру кометами). Согласно распространенным оценкам, вода могла существовать на поверхности Венеры около 600 миллионов лет, но некоторые ученые, включая астробиолога Дэвида Гринспуна, предполагают, что этот период мог быть и дольше, достигая 2 миллиардов лет.
Исследование
Изучение верхних слоев атмосферы Венеры с Земли представляет сложную задачу, и оно осуществляется в редких моментах, когда Венера проходит перед диском Солнца. Последний такой случай наблюдался в 2012 году. В ходе таких прохождений, ученые применяют количественную спектроскопию для анализа солнечного света, который проходит через атмосферу Венеры. Этот метод позволяет обнаруживать и изучать химические вещества, содержащиеся в атмосфере планеты.
В течение истории исследований Венеры было отправлено более 20 космических аппаратов, включая “Венеру”, “Маринеры”, “Пионер-Венеру” и “Магеллан”.
При разработке первых миссий для изучения атмосферы и поверхности этой планеты, скрытой под густым слоем облаков, ученые столкнулись с большой неопределенностью. Они не знали точных характеристик атмосферного давления и даже предполагали, что на Венере мог существовать океан.
Первый посадочный аппарат, представляющий собой сферу с диаметром около 1 метра и оборудованный теплозащитным покрытием, был доставлен к планете Венера Космическим аппаратом “Венера 3” в марте 1966 года. Космический аппарат “Маринер 5” исследовал атмосферу Венеры, пролетая вблизи планеты. Спускаемые аппараты, такие как “Венера 4”, “Венера 5” и “Венера 6”, были оснащены радиопередатчиками, радиовысотомерами и другими научными приборами, которые передавали информацию о давлении, температуре и составе атмосферы во время своего спуска к поверхности планеты. Однако они не смогли достичь самой поверхности Венеры, так как не были предназначены для выдерживания такого высокого давления, которое, как оказалось, присутствует на этой планете и составляет впечатляющие 90 атмосфер.
С 2006 по 2014 год научное сообщество занималось исследованием планеты Венера с использованием орбитального аппарата «Венера-экспресс», который применял инфракрасную спектроскопию в диапазоне от 1 до 5 микрон. В мае 2010 года Японское аэрокосмическое агентство запустило зонд «Акацуки», задачей которого было изучение Венеры в течение двух лет, включая анализ структуры и активности её атмосферы. Попытка поставить зонд на орбиту Венеры в декабре 2010 года завершилась неудачей, но через 5 лет ученые смогли успешно выполнить этот манёвр.
Жизнь на Венере
Из-за экстремальных условий на поверхности Венеры существование жизни на этой планете представляется маловероятным. Однако, на Земле существуют организмы, известные как экстремофилы, которые процветают в самых неблагоприятных условиях. Например, термофилы и гипертермофилы способны существовать при очень высоких температурах, близких к точке кипения воды, а ацидофилы процветают при очень низком уровне pH, даже ниже 3. Полиэкстремофилы способны выживать в различных неблагоприятных условиях, и существует и множество других видов экстремофилов.
Несмотря на жесткие условия на поверхности Венеры, существует гипотеза, что жизнь может существовать в менее экстремальных условиях, например, в её облаках. Считается, что там могут обитать организмы, подобные бактериям, которые обнаружены в облаках Земли. Эти микроорганизмы в плотной облачной атмосфере могли бы быть защищены от солнечного излучения с помощью соединений серы, которые присутствуют в атмосфере.
Интересные факты
С самого начала, первые наблюдения с автоматических космических станций показали сильную электрическую активность в атмосфере Венеры, которую можно описать как грозы и молнии. Эти явления впервые были обнаружены аппаратом «Венера-2» как помехи в радиопередаче. Затем вспышки в оптическом диапазоне, которые, предположительно, представляют собой молнии, были зафиксированы станциями «Венера-9 и -10», а также аэростатными зондами «Вега-1 и -2».
На Венере термин “кислотный дождь” приобретает уникальный смысл, так как здесь отсутствуют другие виды дождей. В верхних слоях тропосферы Венеры время от времени происходят кислотные дожди, состоящие из концентрированной серной кислоты.
Вывод
Венера остается одной из самых загадочных и экстремальных в Солнечной системе. Ее атмосфера, состоящая в основном из углекислого газа, создает адскую жару и давление на ее поверхности, делая ее местом, казалось бы, крайне непригодным для жизни.
Однако, несмотря на эти адские условия, Венера продолжает привлекать внимание ученых. Ее исследование может дать нам понимание процессов, происходящих в атмосферах других планет, а также предостеречь нас от потенциальных изменений климата на Земле. Сравнения с Землей, в частности, позволяют нам лучше понять уникальность и устойчивость нашей собственной планеты.
