Венера - исследования космических аппаратов

Советский Союз и США избрали весьма различные подходы к проблеме зондирования Венеры. Американская программа предусматривала пролеты космических аппаратов вблизи планеты: во время сближения инструменты, установленные на борту аппаратов, должны были на расстоянии замерять изменения в состоянии атмосферы. Советский план состоял в том, чтобы направить зонды непосредственно через атмосферу Венеры и измерять характеристики атмосферы по мере движения зонда к поверхности.

"Маринер-2" был первым космическим аппаратом, совершившим успешный полет к Венере (две предыдущие попытки, "Венера-1" и "Маринер-1", оказались неудачными). Во время его полета было установлено, что температура в атмосфере Венеры достигает 400°С.

Полученный результат подтвердил существовавшее ранее предположение, что на Венере действительно очень высокая температура. Это объясняется прежде всего так называемым "парниковым эффектом". Чтобы понять его действие, представьте себе автомобиль с закрытыми окнами, стоящий в солнечный день у обочины дороги. Если машина простоит так несколько часов, то температура внутри ее может стать гораздо выше температуры воздуха снаружи. Причина заключается в том, что видимый солнечный свет свободно проходит в машину через оконные стекла. Частично солнечный свет отражается обратно, а частично поглощается предметами внутри автомобиля (например, сиденьями), которые начинают нагреваться. Нагретые предметы переизлучают поглощенную ими энергию, но уже не в видимом диапазоне, а в инфракрасном, т.е. на значительно более длинных волнах. Инфракрасное излучение не может проходить наружу через стекло, в результате энергия остается как бы "пойманной" в машине. И внутри машины становится жарко. По этой же причине сохраняется тепло в оранжереях.

Подобным образом облака Венеры поглощают и задерживают солнечный свет. Вот почему атмосфера Венеры такая горячая. Но никто не представлял себе, что на Венере может быть жарче, чем на Меркурии.

В конце 60-х годов в результате полетов "Маринера-5", "Венеры-4", "Венеры-5" и "Венеры-6" были получены многочисленные более точные данные об атмосфере Венеры. К этому времени стало ясно, что высокая температура на планете сопровождается огромным, сокрушающим атмосферным давлением. И пока американцы сосредоточили все свои силы на исследовании Луны при помощи аппаратов, пилотируемых человеком, в Советском Союзе были разработаны более тяжелые и прочные космические аппараты, способные выдержать суровые условия на Венере. Этот труд увенчался успешными запусками "Венеры-7" и "Венеры-8" в начале 70-х годов. "Венера-8" позволила обнаружить нижнюю границу облачного покрова Венеры на высоте 35 км над поверхностью планеты. Так было установлено, что облачный покров не простирается до самой поверхности планеты. Некоторые из последних аппаратов типа "Венера" успешно осуществили передачу данных с поверхности планеты.

Рис.1. Изменение температуры в атмосфере Венеры

На основе всех данных, полученных при помощи "Маринеров" и "Венер", ученые смогли составить довольно полную картину атмосферы Венеры. Изменение температуры в атмосфере Венеры показано на рис.1. На верхней границе облаков на высоте около 65 км над поверхностью планеты температура низкая, порядка -50°С. С приближением к поверхности температура быстро возрастает, становясь поистине испепеляющей - на поверхности температура достигает 475°С. Для сравнения напомним, что типичная полуденная температура на Меркурии равна только 430°С. В отличие от лишенного атмосферы Меркурия, который ночью остывает, ночная сторона Венеры никогда не охлаждается. Плотная атмосфера препятствует переизлучению тепла в пространство во время длинной венерианской ночи. На Венере так невероятно жарко, что ночью на неосвещенной стороне планеты камни светятся тусклым красным светом, словно горячие угли в электрокамине.

Рис.2. Изменение давления в атмосфере Венеры

На Венере не только очень высокая температура, но и огромное атмосферное давление. Это показано на рис.2. Ученые обычно предпочитают измерять давление в "атмосферах"; 1 атм равна среднему давлению воздуха на Земле на уровне моря, которое составляет приблизительно 1 кг/см2. Как видно из рис.2, на Венере давление в 1 атм достигается на высоте 50 км над поверхностью планеты, а вблизи поверхности оно возрастает до сокрушающих 90 атм (примерно 0,1 т/см2). Чтобы найти подобное давление на Земле, придется спуститься в океан до глубины 1000м.

Полеты "Маринеров" и "Венер" показали также, что атмосфера Венеры состоит почти целиком из углекислого газа. Он составляет 97% атмосферы Венеры, 2% приходится на азот и 1% - на все другие газы вместе взятые. Для сравнения заметим, что в атмосфере Земли содержится примерно 80% азота, 20% кислорода и менее 0,1% углекислого газа.

Еще более полная информация о Венере была получена в результате полетов советских и американских ракет в середине 70-х годов. 5 февраля 1974 г. "Маринер-10" пролетел мимо Венеры на пути к Меркурию. Во время его сближения с Венерой было получено много фотографий, показавших, что атмосфера планеты в высшей степени турбулентна. Снимок планеты в целом приведен на рис.3.

Рис.3. Снимок Венеры с "Маринера-10"

По фотографиям "Маринера-10" было обнаружено явление, замеченное ранее в ходе наземных наблюдений. Атмосфера очень быстро вращается вокруг планеты. По наблюдениям некоторых деталей в облаках было установлено, что атмосфера делает полный оборот вокруг планеты всего за четыре дня. Сама планета, как мы уже знаем, вращается значительно медленнее, совершая оборот вокруг оси за 243 дня. Это значит, что на Венере скорость ветра должна быть гигантской - обычно 100 м/с. Атмосфера, как и сама планета, имеет обратное вращение.

Поскольку атмосфера Венеры такая толстая и столь быстро движется вокруг планеты, многие ученые раньше считали, что фотографирование поверхности планеты - это пустая трата времени и сил. Предполагалось, что толстая атмосфера не пропускает солнечный свет и поверхность постоянно находится в темноте. Ведь по существу это должна быть черная как смоль поверхность - такая поверхность у нас на Земле находится на глубине 1000м ниже уровня океана. Если даже какой-то свет и проникает через эту атмосферу, то из-за чрезвычайно больших скоростей ветра вряд ли можно увидеть что-нибудь, кроме сглаженной поверхности, продуваемой песком. Во всяком случае, так думали довольно многие.

В октябре 1975 г. Советский Союз достиг впечатляющего двойного успеха, осуществив мягкие посадки "Венеры-9" и "Венеры-10". Оба космических аппарата выжили на поверхности планеты достаточно продолжительное время, чтобы передать панорамы мест посадки. К всеобщему удивлению, по всей площади можно было видеть камни с острыми углами. Как видно на рис. 27, место посадки "Венеры-9" кажется более густо усыпанным камнями, чем место посадки "Венеры-10". Помимо температуры и давления советские космические аппараты измерили также скорость ветра, которая оказалась удивительно низкой - всего только 3,5 м/с. Такая низкая скорость ветра на поверхности Венеры означает, что в атмосфере должен существовать слой с огромным градиентом скорости, где происходит переход от высокой скорости к низкой.

Рис.4а. Панорамный снимок, переданный "Венерой-13"

Рис.4б. Панорамный снимок, переданный "Венерой-14"

После "Маринера-10" и неоднократных высадок на планету советских "Венер" (последние - "Венера-13" и "Венера-14" передали большое количество данных о составе и свойствах атмосферы, а также панорамные снимки планеты, см.рис.4), планета на некоторое время "осталась в покое". Уже в 90-х годах изучение планеты продолжилось с помощью американских зондов "Галилей" и "Магеллан", получивших качественные снимки поверхности планеты (например, рис.5).

Рис.5. Большой кратер на поверхности Венеры

Инопланетный гость Солнечной системы с первого взгляда мог бы подумать, что у Венеры и Земли много общего. Они почти одинаковы по размерам, массе, плотности и т. д. И орбиты их расположены неподалеку друг от друга в одной и той же части Солнечной системы. Таким образом, они должны были образоваться по существу из одного и того же первичного вещества. Но при более тщательном наблюдении вскоре обнаруживается, что планеты очень сильно различаются. Что же могло сделать эти планеты такими непохожими?

Может показаться удивительным, что на Земле так много углекислого газа. Однако земной углекислый газ химически связан в породах - в карбонатах кальция. Некоторые породы под воздействием углекислого газа воздуха могут образовать карбонаты кальция, подобно тому как железо, взаимодействуя с кислородом воздуха, образует ржавчину. Более важным обстоятельством является то, что на Земле морские живые организмы в течение сотен миллионов лет "извлекали" углекислый газ из морской воды (и, в конечном счете, из атмосферы). Образовавшиеся при этом морские ракушки, содержащие углекислоту, столетиями превращались в известняк и мрамор. И конечно, растения в течение миллиардов лет в процессе фотосинтеза удаляли углекислый газ из воздуха, обогащая при этом атмосферу кислородом. Углерод, образовавшийся из этого углекислого газа, содержится в залежах угля и нефти.

Углекислый газ как нельзя лучше способствует поддержанию все усиливающегося парникового эффекта. Что касается Венеры, то на ней действие этого эффекта ничто не в силах остановить. На Венере никогда не было достаточно холодно для того, чтобы путем химических или биологических реакций углекислый газ мог быть удален из атмосферы. По существу, на Земле могло быть не меньше углекислого газа, чем на Венере. Но на Земле - хотя она всего на 41 млн. км находится дальше от Солнца, чем Венера,-никогда не было настолько жарко, чтобы вступил в действие парниковый эффект. Поэтому на Земле могли осуществляться процессы, способствующие удалению углекислого газа из воздуха. Эти "лишние" несколько миллионов километров в расстоянии от Солнца буквально проложили границу между жизнью и смертью.

Через 5 млрд. лет в структуре Солнца произойдут большие изменения. Истратив свои запасы ядерного горючего, Солнце чрезвычайно сильно увеличится в размере. И когда поверхность Солнца распространится до нашей планеты, океаны закипят, а из пород начнет выделяться углекислый газ, тогда под постоянным облачным покровом на Земле образуется гнетущая углекислая атмосфера. Возможно, то, что мы наблюдаем сегодня на Венере, - это мрачное будущее нашей собственной планеты.