Структура атмосферы Венеры

На рисунке суммированы первичные результаты измерений параметров атмосферы Венеры в зависимости от времени (время московское), которые служат основным источником данных о ее физической структуре. Как видим, станции «Венера» начали передавать информацию об окружающей среде, когда температура составляла 25°С, а давление примерно 0,6 атм, и провели зондирование на участках плавного спуска на парашютах в ночной атмосфере планеты вплоть до уровня, где температура поднялась до 325°С, а давление увеличилось до 27 атм. Такое изменение параметров произошло в интервале высот около 40 км.
Важнейшим результатом измерений при полетах станций «Венера-4 — 6» явилось непосредственное определение химического состава при помощи бортовых газоанализаторов. Измерения проводились на нескольких уровнях при давлениях 0.6; 2; 5 и 10 атм. Вопреки существовавшим представлениям о преобладающем содержании азота, оказалось, что атмосфера Венеры почти целиком состоит из углекислого газа, а объемное содержание азота (если он вообще присутствует) не более 2%. Кислорода в атмосфере Венеры практически нет, а содержание водяного пара вблизи облачного слоя менее одного процента.
Современные представления о химическом составе атмосферы Венеры основываются на результатах прямых измерений и наземной спектроскопии.
Спектроскопия дает меньшие верхние пределы для кислорода и водяного пара. В отношении 0₂ это согласуется с оценкой «Венер»; что касается Н₂0, то следует учитывать разные уровни в атмосфере, к которым относятся прямые и спектроскопические измерения и, следовательно, возможность конденсации водяного пара. Нижняя спектро скопическая оценка Н₂0, относящаяся к вершине облачного слоя, примерно в 100 раз меньше того, что дают измерения на «Венерах». Верхнюю оценку содержания Н₂0 во всей толще атмосферы дает анализ микроволнового спектра Венеры, т. е. зависимости интенсивности излучения от длины волны в диапазоне радиоволн. Отсутствие заметного ослабления интенсивности излучения вблизи линии резонансного поглощения водяного пара на длине волны 1,35 см служит указанием на то, что предельное содержание Н₂0 в атмосфере планеты не превышает 0,5%. Большой интерес представляют обнаруженные в очень небольших концентрациях, примерно от 10^-3 до 10^-6%, СО, НСl и HF, кислорода меньше тысячной доли процента. Оценки содержания ряда других малых примесей (СН₄, С₃0₂, S0₂, 0₂, H₂S, 0₃ и др.) основываются на спектроскопических верхних пределах обнаружения. Наиболее вероятному химическому составу атмосферы Венеры соответствует значение среднего молекулярного веса, равное 43,2. Напомним, что для земной атмосферы он составляет 28,96.
Как показали измерения высоты бортовыми радиовысотомерами, при давлении 27 атм, соответствовавшем предельной прочности СА станций «Венера-5 и -6», до поверхности оставалось еще приблизительно 20 км. Температура на участке спуска быстро нарастала — в среднем около 8,5° на километр. Такой градиент температуры в углекислой атмосфере соответствует адиабатическому закону, когда происходит перемешивание газа по вертикали (конвекция). Трудно, однако, было ответить на вопрос о том, сохраняется ли адиабатический закон вплоть до поверхности либо в силу определенных причин профиль температуры постепенно становится иным и вблизи поверхности образуется изотермический или даже инверсионный слой. На такую возможность, основываясь на результатах анализа микроволновых спектров Венеры, указывали некоторые радиоастрономы.
В зависимости от того, какова структура приповерхностной атмосферы, температура газа у поверхности могла отличаться почти на 100°С; если действует адиабатический закон, у поверхности ожидалось около 500°С, а если существует область протяженностью 5 —10 км с постоянной температурой, то искомая величина составила бы приблизительно 400°С. Давление при этом ожидалось в пределах от 70 до 150 атм. Таким образом, подтверждалось предположение об очень горячей поверхности планеты, вызывающей интенсивную эмиссию в радиодиапазоне. Но каковы действительные значения температуры и давления атмосферы на поверхности? Чтобы провести измерения ниже уровня, достигнутого станциями «Венера-5 и -6», и осуществить посадку на раскаленную поверхность Венеры, требовалось решить сложные научно-технические задачи. Аппарат, способный выполнить такой эксперимент, должен был обладать прочностью батискафа, опускающегося в океан на глубину свыше 1,5 км, и одновременно противостоять воздействию температур, значительно превышающих температуры плавления свинца и цинка. Только тогда можно обеспечить функционирование бортовой аппаратуры и передачу информации на Землю. Поэтому создание автоматической станции «Венера-7», впервые выполнившей измерения на поверхности Венеры, — это, прежде всего, новое большое достижение отечественной космической техники, еще одно свидетельство могущества автоматических устройств, способных проводить исследования в крайне тяжелых условиях, на удалении от Земли в десятки миллионов километров.
«Венера-7» осуществила зондирование атмосферы с высоты около 55 км. Непрерывные измерения температуры и величины доплеровского сдвига частоты бортового радиопередатчика обеспечили получение высотных профилей атмосферных параметров в подоблачной атмосфере планеты.
Полет «Венеры-7» дал возможность также получить самые первые оценки характера поверхности Венеры. Качественный анализ условий посадки аппарата проводился по данным об изменении мощности радиосигнала. Поскольку гашение вертикальной скорости аппарата произошло за время, меньшее 0,2 сек, можно предполагать, что грунт в районе посадки является твердым. При попадании в маловязкую жидкость или толстый слой пыли процесс торможения аппарата и уменьшение уровня сигнала происходили бы существенно медленнее. С учетом данных о прочности аппарата можно получить верхнюю оценку прочности грунта примерно 80 кг/см². На Земле в таком диапазоне прочности лежат породы типа вулканических туфов. Есть, однако, основания считать, что фактическая прочность грунта меньше, т. е. он является менее плотным. На Зто указывают результаты сопоставлений характера изменения радиосигнала с аналогичными характеристиками, полученными при отработке посадки аппарата в наземных условиях.
Результаты измерений «Венеры-7» имеют важное научное значение. Надежно установлено, что Венера обладает чрезвычайно мощной, сильно разогретой атмосферой. В месте посадки станции температура атмосферы составляет 474±20°С, давление 90±15 атм. Это значит, что плотность газа у поверхности планеты в 60 раз выше плотности нашей земной атмосферы и, следовательно, всего лишь в 17 раз меньше плотности воды. Высота рельефа в месте посадки станции «Венера-7» в пределах 2 км совпадает со средним уровнем поверхности по измерениям «Венеры-5 и -6» и соответствует радиусу планеты 6051 км (при сопоставлении с данными «Маринера-5»). Это значение хорошо согласуется с результатами обработки данных радиолокационных измерений, которые приводят к величине 6050±5 км.

Установлено, что во всей области измерений на автоматических станциях «Венера» атмосфера сохраняется близкой к адиабатической. Это, видимо, свидетельствует также об отсутствии вблизи поверхности слоя, непрозрачного для солнечной радиации. Вместе с тем обращает на себя внимание тот факт, что некоторые особенности в газовом состоянии по измеренным параметрам не согласуются с представлениями об адиабатической устойчивой атмосфере Венеры в определенных интервалах высот. Это имеет, в частности, место в области примерно от 35 до 50 км, которая охватывается также радиорефракционными измерениями «Маринера-5». Интересно, что ниже 40 км наблюдались особенности и в высотном ходе измерений плотности атмосферы по данным «Венер-4 — 6». Можно думать, что эти особенности вызываются содержанием в атмосфере относительно небольших концентраций примесей, находящихся в жидкой или твердой фазах.
Обращают на себя внимание и такие особенности в венерианской атмосфере, как своеобразный характер микроволновых потерь, т. е. ослабления радиосигнала. Источник этих потерь не удается в настоящее время однозначно определить. Хотя в целом микроволновой спектр Венеры, по данным наземных радиоизмерений, хорошо объясняется моделью атмосферы с поверхностным давлением 80 —100 атм, состоящей из СО₂ при концентрации 0,5% Н₂0 (что, как мы видели, хорошо согласуется с данными прямых измерений), более тонкая структура микроволнового ослабления, обнаруженная авторами эксперимента на «Маринере-5», также требует допущения о наличии примесей. Последние должны быть либо локализованы на определенных уровнях в атмосфере, либо оставаться в крайне малых концентрациях до поверхности так, чтобы их вклад в микроволновое ослабление (в силу квадратичной зависимости степени поглощения от давления) с глубиной падал.
В перемешиваемой атмосфере первая возможность может легко обеспечиваться конденсирующимися веществами. Действительно, при температуре поверхности Венеры около 500°С разнообразные отдельные элементы и химические соединения могли перейти в атмосферу и существовать в ней в виде паров и конденсатов на разных уровнях. Исходя из возможных равновесных геохимических реакций для системы литосфера — атмосфера, можно, в частности,
допустить образование в атмосфере Венеры ртутно-галогеновых облаков, конденсирующихся в широком интервале температур от — 20 до +180°С. Указания на возможность существования таких облаков были сделаны на основе анализа ослабления радиосигналов при полете космического аппарата «Маринер-5». Нельзя при этом, естественно, исключить и влияние пыли, которая может вносить заметные потери в ослабление микроволновой эмиссии планеты.
Таким образом, результаты анализа газового состояния, особенности в высотном ходе температуры, плотности и характер микроволновых потерь не позволяют исходить из представлений об адиабатических атмосферных процессах в чисто углекислой среде. Они заставляют предполагать наличие в атмосфере Венеры примесей, распределение которых по высоте с большой вероятностью сопровождается фазовыми переходами и, по-видимому, существенно сказывается на физической структуре, термодинамике и тепловом режиме атмосферы планеты.