Понять происхождение и пути эволюции Солнца и планет, выявить специфические и общие черты различных планет, более глубоко уяснить закономерности, относящиеся к каждой из них,— вот главная задача современного исследования планет, цель системного анализа всех полученных результатов. Сравнительное изучение условий погоды и климата на планетах — одна из важных сторон такого рода системного подхода. Планеты можно рассматривать как созданные природой модели, которые помогают нам более глубоко понять многие важные закономерности развития Земли, помогают понять, как формируется атмосфера, как меняется ее тепловой режим, атмосферная циркуляция, как формируется облачный покров в зависимости от параметров орбиты, скорости вращения, размеров, массы планеты.

Говоря о погоде, имеют в виду состояние атмосферы в данный момент и изменчивость этого состояния: подул ветер, начался дождь или закружила метель — мы говорим, что погода ухудшилась. Климат характеризует среднее состояние атмосферы за длительные промежутки времен». Строго говоря, мы пока не можем судить ни о погоде с ее быстрыми переменами, ни о климате на Венере (особенно о медленных изменениях климата). Почти все наблюдения за планетой сейчас носят эпизодический характер. Поскольку климат определяется совокупностью погодных условий, а среди них есть такие, которые на Венере изменяются очень медленно и в пространстве и во времени (например, температура поверхности планеты), мы не будем проводить резкой границы между понятиями погоды и климата. Теоретические расчеты средних величин атмосферного давления, температуры и других параметров дают возможность достаточно правильно оценить условия климата. Системный анализ условий погоды и климата на планетах имеет важное практическое значение: помогает более глубоко понять соответствующие закономерности на Земле. Поскольку размеры и масса Венеры и нашей планеты довольно близки, то еще несколько десятков лет назад считали, что и во всех остальных отношениях Венера похожа на Землю: что она имеет примерно такую же температуру, сходный состав атмосферы и облачный покров, состоящий из воды. Этот взгляд подкреплялся и тем, что Венера поглощает примерно столько же солнечной радиации, сколько Земля. (Хотя Венера из-за того, что она расположена ближе к Солнцу, получает солнечной энергии вдвое больше, чем Земля, высокая отражательная способность венерианских облаков приводит к большой потере солнечного тепла за счет отражения.) Спектроскопические и радиоастрономические исследования, проводимые с Земли, привели к радикальному изменению наших представлений о Венере. Особенно резкий поворот во взглядах произошел после успешных прямых измерений температуры, атмосферного давления, химического состава атмосферы, освещенности и других параметров, проведенных со спускаемых аппаратов советских автоматических межпланетных станций «Венера». В октябре 1975 года мы впервые воочию увидели панорамные изображения поверхности планеты, полученные со спускаемых аппаратов (СА) автоматических межпланетных станций (АМС) «Венера-9» и «Венера-10». Перед нами предстала покрытая камнями пустыня с довольно гладким рельефом (в точке посадки спускаемого аппарата «Венера-10» наклон поверхности равен 1,5 + 0,5°). Наблюдения со спускаемых аппаратов и искусственных спутников Венеры принесли много новых данных об атмосфере, облаках и поверхности этой планеты. Ряд важных сведений о структуре облачного покрова Венеры дал анализ телевизионных изображений, полученных при облете Венеры американской АМС «Маринер-10» в течение восьми суток. Радиоастрономические измерения, выполненные в 1962 году, убедили специалистов в том, что Венера — очень медленно вращающаяся планета. Полный оборот вокруг своей оси она делает в течение 243 земных суток, причем это вращение противоположно направлению вращения планеты вокруг Солнца. Когда около двадцати лет назад определили, что температура поверхности Венеры превышает 300 градусов Цельсия, эти результаты вызвали недоверие у большинства специалистов. Прямые измерения, сделанные при помощи АМС «Венера», надежно установили, что температура поверхности Венеры еще более высокая — приближается к 500 градусам. Также путем прямых измерений (впервые это было сделано на «Венере-4») установлено, что Венерианская атмосфера почти полностью состоит из углекислого газа. Анализ спектров Венеры показывает более 5 тысяч линий поглощения углекислого газа, причем многие из них никогда ранее не наблюдались. Это говорит о том, что углекислый газ на Венере состоит из различных молекул, содержащих редкие изотопы углерода (например, с атомным весом 13) и кислорода (с атомными весами 17 и 18). Прямыми измерениями установлено, что атмосферное давление у поверхности Венеры около 90 атмосфер. Содержание водяного пара (относительная влажность) в атмосфере Венеры очень невелико — не более 0,1 процента. Венеру называют планетой загадок, потому что ее поверхность всегда закрыта облачным покровом. Такое определение остается справедливым и сейчас, Венера все еще таит в себе множество загадок. Бледно-желтые облака Венеры в видимом диапазоне длин волн выглядят как очень равномерная по яркости пелена, лишенная какой-либо структуры. И только фотографии, сделанные в невидимом для глаза ультрафиолетовом диапазоне, выявили слабые контрасты яркости облачного покрова. Наблюдения за динамикой этих контрастов, характеризующих атмосферные движения, позволили заметить некоторые интересные особенности циркуляции в верхних слоях атмосферы Венеры. Например, подтвердилось предположение о том, что существует так называемая четырехсуточная циркуляция. (Впервые мысль об этом была высказана при дешифрировании фотографий, заснятых с Земли). Это означает, что скорость ветра в верхнем слое облачного покрова (на высоте 70—80 километров) достигает 100 мэтров в секунду. Данные с АМС «Венера» указывают на постепенное возрастание скорости ветра от очень малых величин у поверхности планеты до 100—140 метров в секунду в верхней атмосфере. Данные «Маринера-10» выявили очень сложную пространственную структуру облачного покрова, протяженные воздушные течения в умеренных и высоких широтах, напоминающие земные струйные течения. Для обоих полушарий Венеры характерна симметрия атмосферной циркуляции относительно оси вращения планеты и экватора. Пожалуй, самой большой загадкой Венеры до сих пор остается ее облачный покров. Сравнение различных данных позволяет сделать вывод, что облака очень однородны по размеру частиц, радиус которых — около одной тысячной миллиметра. Частицы должны быть сферическими и обладать показателем преломления в видимой области спектра, равным 1,44. Эти данные лучше всего согласуются с предположением, что венерианские облака состоят из капель водного раствора серной кислоты, имеющего концентрацию около 70—80 процентов. Такое предположение не позволяет, однако, объяснить бледно-желтый цвет облаков и контрасты яркости, наблюдаемые в ультрафиолетовых лучах. Поэтому приходится думать, что есть в составе облаков еще какое-то вещество, видимое в синей и ультрафиолетовой областях спектра, придающее цвет облакам, обусловливающее наблюдаемые неоднородности облачного покрова в ультрафиолетовых лучах. Возможно, что это одно из многочисленных соединений водорода, кислорода, серы, хлора и фтора, которые обнаружены как малые компоненты атмосферы Венеры. Не исключено, что это элементарная сера. Есть основания предполагать, что концентрация капель в облаке увеличивается с уменьшением высоты и на расстоянии нескольких десятков километров от верхней границы облаков начинается слияние (коагуляция) капель. На высотах, где атмосферное давление равно двум-трем земным атмосферам, может выпадать дождь из капель серной кислоты. По мере приближения к поверхности Венеры температура быстро повышается, из падающих капель испаряется вода, концентрация серной кислоты повышается. Дождь из серной кислоты — картина сама по себе суровая, но возможно, что в действительности она еще более мрачная. В атмосфере Венеры есть малая примесь фтористого водорода. Реакция между серной кислотой и фтористым водородом должна привести к образованию наиболее сильной из простых минеральных кислот — фтористо-сернистой кислоты, которая растворяет, например, серу, ртуть, свинец и большинство горных пород. Таким образом, дождь на Венере — это жидкость крайне агрессивная в химическом отношении. Спектроскопические наблюдения помогли выявить в атмосфере Венеры небольшие количества хлористого и фтористого водорода. Возможно, там есть водные растворы соляной и фтористо-водородной кислот. Они не могут быть основной составной частью облаков, но даже присутствие их в малых количествах— загадка. Это говорит о том, что условия на Венере существенно отличаются от земных. На Земле соляная и фтористо-водородная кислоты не могут длительно находиться в атмосфере из-за того, что они быстро нейтрализуются, вступая в реакцию с горными породами и другими веществами. Возможно, что специфика Венеры определяется высокой температурой ее поверхности. Итак, массивная атмосфера, состоящая почти исключительно из углекислого газа, и мощные облака из концентрированного раствора серной кислоты над раскаленной до 500 градусов поверхностью планеты. Картина атмосферной циркуляции довольно сложная: скорости ветра с высотой возрастают примерно до 100 метров в секунду. Сутки по продолжительности почти равны земному году. Нет смены времен года, потому что наклон орбиты к плоскости эклиптики практически нулевой. Вот какова характеристика особенностей климата Венеры. О погоде и ее изменчивости по имеющимся у нас данным составить ясное представление нельзя. Какие же процессы обусловили такое состояние венерианской атмосферы? Дать исчерпывающий ответ на такой вопрос довольно трудно. Можно лишь высказать различные соображения, обладающие той или иной степенью вероятности. Парниковый эффект, по-видимому, стал основным фактором, определившим условия на Венере. Поглощая примерно такое же количество солнечного тепла, как и Земля, Венера обладает значительно более мощной, чем наша Земля, защитой от теплоотдачи в космическое пространство — сплошной облачный покров. Это дает сильный парниковый эффект: солнечная радиация поглощается атмосферой, облаками и поверхностью Венеры, а тепловоз излучение поверхности планеты почти полностью «перехватывают» облака. Высокая температура поверхности планеты определила химический состав венерианской атмосферы. Было высказано предположение, что углекислая атмосфера Вэнеры возникла в результате высвобождения углекислого газа горными породами. Это предположение несколько противоречиво, потому что сама высокая температура обусловлена уже существующей мощной атмосферой. Мне более логичной кажется гипотеза, согласно которой Венера когда-то была подобна Земле, то есть более холодной планетой и с более тонким слоем атмосферы. Температура поверхности возрастала (при вдвое большем приходе солнечной радиации, чем на Земле), достигла температуры кипения воды. Содержание водяного пара в атмосфере значительно увеличилось, а значит, усилился парниковый эффект. Температура поверхности все росла, в конечном счете, оказалась настолько высокой, что началось выделение углекислого газа из горных пород. Если предполагать, что в прошлом на Венере было много водяного пара, надо объяснить, почему его почти нет сейчас. Одно из наиболее естественных объяснений состоит в том, что водяной пар, попадая в верхнюю атмосферу, расщеплялся (диссоциировал) под влиянием ультрафиолетовой солнечной радиации, а затем водород улетучивался (диссипировал) в космос. В верхней атмосфере (над облаками) происходит расщепление углекислого газа на окись углерода и кислород. Кислород участвует в серии химических реакций, приводящих к образованию серной кислоты. На это должно уйти сравнительно немного кислорода. А куда же делся остальной? Очень малое содержание свободного кислорода в атмосфере Венеры — одна из ее загадок. В углекислотной атмосфере Марса число молекул углерода и кислорода, возникших в результате расщепления углекислого газа в верхней атмосфере, одинаково. На Венере же кислорода примерно в 50 раз меньше. Приближенное численное моделирование показало, что циркуляция атмосферы симметрична относительно экватора, а ее источник—разность температур ночной и дневной сторон планеты, хотя разность эта очень невелика, в среднем 1 градус. Температура на экваторе и на полюсах практически одинакова из-за интенсивного теплообмена— перемешивания плотной атмосферы. Скорость ветров в нижней части атмосферы — около 5,5 метра в секунду, то есть примерно вдвое меньше, чем на Земле A0 метров в секунду). Но из-за того, что плотность атмосферы Венеры значительно выше, ветровое давление там гораздо более сильное. В какой степени достоверны описанные картины погоды и климата на Венере? Подтверждаются ли они данными, полученными с автоматических межпланетных станций «Венера-9» и «Венера-10»? Прежде всего хочется подчеркнуть, что эти последние данные выдвинули целый ряд новых проблем и потребовали пересмотра некоторых старых представлений. Венеру считали полутемной раскаленной пустыней, покрытой мелко раздробленным материалом — продуктом ветровой и химической эрозии. Однако уже первое изображение поверхности планеты, полученное со спускаемого аппарата «Венера-9» 22 октября 1975 годэ, открыло совершенно неожиданную картину россыпи крупных камней с резкими гранями, покрывающих довольно крутой склон. Панорама поверхности с «Венеры-10» (она относится к точке, расположенной на расстоянии более 2000 километров от места посадки «Вэнеры-9») демонстрирует многочисленные выходы коренных скальных пород на равнинной местности. В обоих местах посадки между камнями виден относительно мелкозернистый и, по-видимому, рыхлый грунт. На камнях (панорама с «Венеры-10») видны следы их разрушения поверхностными агентами: сглаженные ребра, как при песчаной коррозии, изъязвленность граней типа ячеистого выветривания. Все эти факты не соответствуют традиционному представлению о венерианской пустыне и «планете бурь». Они отвергают и предположение о том, что сглаженность рельефа Венеры следует приписать влиянию эрозии. Высокая каменистость поверхности Венеры, вероятно, свидетельствует о том, что процесс разрушения и переноса материала поверхности проходит не слишком интенсивно, и еще это говорит о малой вероятности того, что на Венере могут быть мощные толщи осадочных пород. С помощью радиационного плотномера спускаемый аппарат «Венеры-10» сделал первые прямые измерения плотности поверхностной породы Венеры. Оказалось, что плотность монолитной породы поверхностного слоя толщиной 5—7 сантиметров составляет 2,8 ± 0,1 г/см3. Эти данные говорят о том, что кора планеты в районе посадки имеет базальтовый состав. Такие породы могли образоваться при медленном остывании базальтовых лав. Они химически устойчивы к атмосфере Венеры и не подвержены сильному механическому выветриванию. Естественные радиоактивные элементы (калий, уран, торий), обнаруженные в поверхностных породах, тоже говорят о базальтовом характере этих пород. В точках посадки «Венеры-9» и «Венеры-10» породы очень схожи— породы основного состава. Не исключено, однако, что в некоторых местах могли образоваться кислые породы (как это было установлено по данным «Венеры-8»). Очень интересным и неожиданным оказалось то, что обе панорамы поверхности Венеры достаточно хорошо освещены солнечным светом. Об этом говорят такие факты: подсветка, установленная на спускаемом аппарате, практически незаметна, четко выделяется линия горизонта. Вывод можно сделать такой: либо облачный покров Венеры менее плотный, чем мы предполагали, либо он чрезвычайно слабо поглощает солнечную радиацию. И то и другое находится в резком противоречии с существовавшими до сих пор представлениями. По-видимому, потребуется существенная коррекция теории парникового эффекта венерианской атмосферы, придется пересмотреть процессы формирования теплового режима, атмосферной циркуляции и облачного покрова. Со спускаемых аппаратов АМС «Венере-9» и «Венере-10» впервые проведены прямые измерения скорости ветра у поверхности планеты. Чашечные анемометры, установленные над тормозным щитком спускаемого аппарата, показали, что на высоте 1,3 метра от поверхности средняя скорость ветра — около 0,5 метра в секунду («Венера-9») и 1 метр в секунду («Венера-10»). Во время поездки спускаемых аппаратов шли прямые измерения температуры и атмосферного давления, начиная с высоты 63 километра и до поверхности планеты (на дневной стороне при угловых высотах Солнца над горизонтом, равных 56,5° и 62,3°). Температура воздуха в слое 50— 63 километра на дневной стороне оказалась примерно на 30°С выше измеренной ранее температуры этого слоя на ночной стороне. Средний вертикальный градиент температуры около 7 градусов на километр. В местах посадки зарегистрированы температура 730—740 К и давление 85— 91 кг/см2. Решение системы уравнений движения спускаемого аппарата показало, что верхние слои атмосферы (выше 63 километров)— более плотные, чем предполагалось раньше. Принципиально новые сведения, помогающие понять природу облачного слоя Венеры и парникового эффекта атмосферы, дали фотометрические измерения. На обоих спускаемых аппаратах были установлены идентичные фотометры, измерявшие интенсивность рассеянного атмосферой солнечного излучения. Проанализировав полученные результаты, специалисты смогли построить модель венерианской атмосферы, согласно которой основной облачный слой с наиболее высокой концентрацией частиц расположен выше 50 километров (схема на стр. 137). Возможно, что на высотах 35—45 километров есть второй слой облачности, а ниже его чисто газовая среда. Измерения другим способом показали, что газовая среда начинается лишь ниже 15 километров. Поглощение солнечной радиации на всех исследованных высотах очень слабое. Облачный слой состоит из отдельных компактных образований, их размеры изменяются от нескольких сот метров до нескольких километров. Концентрация водяного пара (по отношению к углекислому газу) на высоте 25—45 километров составляет около 0,1 процента. Освещенность у поверхности примерно 14 тысяч люкс, что соответствует земной освещенности в летний облачный день. Специальные измерения показали, что облака Венеры довольно прозрачны (метеорологическая дальность видимости составляет 1—3 километра). Средний размер частиц облаков равен 1—3 мкм, а концентрация этих частиц в пределах 100—500 см~3. Можно, таким образом, заключить, что венерианские облака больше напоминают земную туманную дымку, чем наши о5лача. Наблюдения с орбитальных отсеков АМС «Венера-9» и «Венера-10» позволили установить, что верхняя граница облачного слоя располагается на высоте около 65—68 километров, причем вариации ее высоты не превышают 1—2 километра. Над поверхностью основного облачного покрова есть еще мелкодисперсная неоднородная среда толщиной около 8 километров, которая весьма напоминает чисто газовую среду. Это верхний рассеивающий слой. Его верхняя граница располагается на высоте около 76 километров над поверхностью планеты. Тепловое излучение исходит от верхней части облачного слоя, расположенного на высотах 63—67 километров. Средние яркостные температуры слоя на дневной стороне — 233—234°К, причем довольно неожиданно оказалось, что ночные температуры внешней части облачного слоя на 10—11° выше дневных. Вероятная причина такого явления — мощные конвективные потоки на дневной сторона, которые выносят часть излучающего вещества в надоблачную зону, где температура более низкая. Интересно, что «ночной режим» охватывает значительно больше половины поверхности планеты и еще есть широкие переходные зоны (утро, вечер). Множество фотоизображений облачности, полученных с искусственных спутников Венеры, позволят изучать динамику облаков, судить об особенностях атмосферной циркуляции. Одновременные исследования разными способами структуры и температуры облачного покрова открывают возможность составить достаточно полное и достоверное представление о свойствах облаков Венеры. Логика развития науки такова, что новые факты не только способствуют более глубокому пониманию изучаемых явлений, но и ставят новые проблемы, требующие дальнейшего изучения. То же самое и с результатами, полученными при помощи автоматических межпланетных станций «Венера-9» и «Венера-10». Эти результаты открывают новый этап исследований Венеры, которая все еще остается планетой загадок.


Член-корреспондент АН СССР К. КОНДРАТЬЕВ

ЛИТЕРАТУРА «Космические исследования», том XIV. вып. 5 АН СССР, сентябрь—октябрь 1076. Изд. «Наука».