Атмосфера Венеры: газовый состав, температура и погода

Всё об атмосфере Венеры: чем похожи и различны атмосферы Земля и Венера, какие газы входят в их состав, идут ли на Венере кислотные дожди и почему здесь так жарко.

Венера имеет самую плотную атмосферу из планет земной группы, к которым относятся также Меркурий, Земля и Марс. На вопрос какой газ преобладает в атмосфере Венеры дать ответ легко: на 96% она состоит из углекислого газа, а ещё на 3-3,5% из азота. На оставшиеся полпроцента приходится смесь других газов: угарного газа, водяного пара, аргона и гелия.

Плотность атмосферы Венеры так велика, что давление у поверхности планеты достигает 95 бар, то есть ровно в 95 раз превышает атмосферное давление на поверхности Земли. Для сравнения –  такое давление наблюдается на глубине примерно 1 км в океанах нашей планеты.

В процентном соотношении, состав газов в атмосфере Венеры не богат: 96% углекислого газа, 3%

Из каких слоев состоит атмосфера Венеры

Максимальная высота атмосферы Венеры доходит дло 350 километров над поверхностью, но граница относительно плотной части атмосферы располагается в 100 километрах над поверхностью – для Земли, это уже практически ближний космос. Температура здесь днем держится на уровне 25-37 градусов по Цельсию, хотя к ночи падает до -143 – -173 градусов.

Различают следующие “слои” в атмосфере Венеры:

Экзосфера — внешняя оболочка планеты, самая верхняя граница атмосферы, находится на высоте 220—350 км над поверхностью.

Термосфера — разрежённая и сильно ионизированная оболочка атмосферы. Температура термосферы по ночам достигает −173 °C (100 кельвинов), а днем прогревается до 20, а то и 100 градусов  C.

Мезопауза — несколько более плотная часть внешне атмосферы Венеры, также подверженная резким перепадам температуры (находится между 95 и 120 км).

Верхняя мезосфера — участок находящийся на высоте 73—95 км, здесь температура плавно повышается с -108 до примерно -50 градусов по Цельсию.

Нижняя мезосфера — участок находящийся на высоте 62—73 км, здесь температура продолжает повышаться с -40 до примерно +20 градусов (чем ниже тем теплее). По нижнему краю этого участка проходит верхняя кромка облаков Венеры.

Тропопауза — расположена на границе 65-50 км, средняя температура здесь составляет +20 – +37 градусов по Цельсию, а на высоте 49 километров давление составляет 1 атмосферу, т.е. совпадает по значению с давлением у поверхности Земли.

Тропосфера — самая плотная часть атмосферы Венеры, простирающаяся до самой поверхности. Представляет собой «полужидкий-полугазообразный» океан из сверхкритического углекислого газа (то есть CO2, находящегося в агрегатном состоянии сверхкритической жидкости из-за высокого давления и температуры).

Зависимость между высотой над поверхностью планеты и температурой на поверхности. Стоит попасть под «одеяло» венерианских облаков, как рост температуры становится неудержимым

Температура в атмосфере Венеры

Чем ближе мы приближаемся к поверхности планеты, тем жарче становится, хотя до высоты 60 километров над поверхностью, рост температуры будет относительно плавным.  Именно здесь проходит граница облачного покрова Венеры, а температура не падает ниже 10°C.

Как только начинается слой плотной облачности, температура “за бортом” начинает резко увеличиваться. К границе тропосферы (8-10 км над поверхностью) Венеры, жар достигает значения в 464°C – а это, на минуточку, это выше температуры плавления свинца!

Облака, всегда окутывают всю поверхность Венеры, облачный покров такой плотный, что просвета, через который была бы видна поверхность планеты, найти в нем не удастся. Основной и самый мощный облачный слой начинается примерно с высоты 48 км и тянется до 68 км. Кроме того, выше и ниже этого слоя, существуют ещё облачные слои, несколько менее толстые и более разряженные, но все равно хорошо различимые: на высоте 30 и 90 километров. У полюсов облачный покров Венеры явно гуще, чем в других частях планеты.

Открытие атмосферы Венеры Михаилом Ломоносовым

Вопрос: кто открыл атмосферу Венеры, не имеет разночтений! Существование на Венере газовой оболочки открыл русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов во время прохождения Венеры по диску Солнца 6 июня 1761 года (по новому стилю).

Это астрономическое событие приковало к себе все взгляды известных ученых того времени, ещё бы: ведь прохождение было заранее рассчитано математически и представляло собой наглядное свидетельство торжества науки. Но, хотя наблюдали Венеру в тот день множество различных астрономов, только Михаил Ломоносов обратил внимание на то, что при “вползании” Венеры на диск Солнца, вокруг планеты возникло «тонкое, как волос, сияние». Такой же светлый ореол наблюдался и при “сползании” Венеры с солнечного диска.

Ломоносов открыл атмосферу Венеры за 200 лет до спектрального анализа

Ломоносов правильно истолковал наблюдение, заключив, что сияние это – результат преломления солнечных лучей в атмосфере наблюдаемой планеты.

«Планета Венера, — писал Ломоносов, — окружена знатной воздушной атмосферой, таковой (лишь бы не большею), какова обливается около нашего шара земного».

Наличие атмосферы на Венере М. В. Ломоносов рассматривал как неоспоримое доказательство сходства атмосферы Венеры и З и как следствие – сходства обоих планет. И хотя в этом он ошибался, однако вопрос: есть ли на Венере атмосфера, отныне уже не поднимался и ответ на него стал фактом.

Особенности атмосферы: из чего состоят облака Венеры?

Если бы нам с вами удалось побывать в атмосфере Венеры в каком-то подобие космического аэростата, думаю многие из вас удивились бы тому, что изнутри облака этой планеты выглядят не такими густыми и плотными, как кажется при наблюдении из вне. На самом деле эффект плотной пелены облаков начисто скрывающих поверхность Венеры достигается только за счет многослойности и толщины. Наблюдателю из нашего аэростата облачность показалась бы чем-то вроде легкого желтого тумана, через который видно достаточно далеко.

Облака Венеры, а стало быть и её атмосфера не статичны. Хорошо заметно как они меняются, двигаются, что свидетельствует о высоком кровне метеорологической активности.  Не редким явлением для наблюдателей служат радиоволны, характерные для молний. Цвет венерианских облаков довольно яркий, желтый. Облака отражают около 85% солнечного света, поэтому на поверхности планеты всегда царят сумерки. Почему облака Венеры именно желтые? Ученые пока не имеют однозначного ответа на этот вопрос.

Венера в лучах ультрафиолетового «сканера» космической станции «Маринер-10»

Гораздо проще ответить на другой вопрос: из чего состоят облака Венеры? Тут ответ довольно однозначен и никого не удивит: венерианские облака состоят из капель жидкости и, скорее всего, микроскопических твердых кристаллов. А вот состав этих облаков, удивит кого угодно: “капли жидкости” в венерианских облаках – это высококонцентрированная серная кислота, к которой подмешано некоторое количество сульфокислот, фосфорная кислота и частички серы. Адское сочетание!

Размер облачных частиц варьируется от менее, чем 0,5 микрометра в разреженной части облачного слоя, до нескольких микрометров в самых плотных слоях.

Причина того, почему некоторые области верхнего облачного слоя кажутся темными при облучении ультрафиолетом, до конца ещё не известны. Скорее всего это связано с частицами диоксида серы, серы и хлорида железа, хорошо поглощающими УФ-излучение.

Откуда взялась серная кислота в атмосфере Венеры

В далеком прошлом, Венера обладала очень развитой вулканической активностью (есть свидетельства, что вулканизм Венеры не затух и поныне).

Извержения вулканов на Венере, как и на Земле, без сомнения высвобождали из недр планеты огромное количество серы. Но, в отличие от Земли, на Венере сера не могла задерживаться на поверхность из-за её высокой температуры и вынуждена была постоянно накапливаться в атмосфере.

А дальше – чистая химия: атмосфера здесь чрезвычайно богата углекислым газом, и сера, вступая в реакцию с ним, в совокупности с активным нагревом, присутствием водяного пара и солнечного света, легко образует серную кислоту.

Погодные явления на Венере

Бывают ли грозы на Венере

Уже первые наблюдения с автоматических космических станций зафиксировали в атмосфере Венеры сильную электрическую активность, которую можно описать как бушующие грозы и молнии. Впервые эти явления были обнаружены аппаратом «Венера-2» как помехи в радиопередаче. Вспышки в оптическом диапазоне, предположительно, являвшиеся молниями, были зафиксированы станциями «Венера-9 и -10» и аэростатными зондами «Вега-1 и -2».

Аномальные усиления электромагнитного поля и радиоимпульсы, также, возможно, вызванные молниями, были обнаружены ИСВ «Пионер—Венера» и спускаемыми аппаратами «Венера-11 и -12», а в 2006 году аппарат «Венера-Экспресс» обнаружил в атмосфере Венеры следы, интерпретированные как результат молний. Нерегулярность их всплесков напоминает характер погодной активности. Интенсивность молний составляет по меньшей мере половину земной.

Принцип зарождения молний на Венере не отличается от Земного. С тем различием, что земные облака состоят из водяного пара, а венерианские – из паров серной кислоты.

Идут ли на Венере дожди из серной кислоты?

На Венере понятие “кислотный дождь” приобретает особый смысл – ведь других дождей здесь не бывает! В верхних слоях тропосферы Венеры время от времени действительно идут кислотные дожди состоящие из концентрированной серной кислоты.

Впрочем, поверхности планеты они не способны достичь чисто физически – невероятный жар царящий внизу просто испаряет капли задолго до того, как они достигнут твердой почвы.

Ветер на Венере и другие атмосферные явления

Движение атмосферы Венеры крайне любопытно и сложно объяснимо. Хотя планета вращается очень медленно и делает всего 3 поворота вокруг оси за 2 земных года, её облака движутся так, что облетают всю планету всего за 4 дня. В верхнем слое облаков, ветры стабильны и дуют с востока на запад со скоростью около 100 метров в секунду. С понижением высоты, скорость ветра значительно падает и у самой поверхности обычно не превышает 1 метра в секунду. Это легко объяснимо – ведь здесь нет перепадов температуры, как к примеру на Земле, стало быть и ветру взяться неоткуда.

Но почему тогда ветры в верхней части атмосферы так стабильны и притом дуют с такой скоростью? На первый взгляд это может быть легко объяснимо приливными силами и потоком солнечного тепла… но это только на первый взгляд. Эти явления, конечно имеют место быть, но истинная причина активного поведения атмосферы Венеры неизвестна и является одной из основных загадок “утренней звезды” для астрономов будущего.

Поведение ветра на Венере – вещь, заслуживающая пристального внимания ученых с Земли, ведь именно ветер во многом формирует ландшафт. Несмотря на низкую скорость ветра на Венере рядом с поверхностью планеты, ветер все же способен перемещать сыпучие материалы, создавая особенности поверхности, хорошо различимые на радиолокационных изображениях. Можно разглядеть тут и образования напоминающие песчаные дюны и скальные массивы со следами выветривания.

Эти особенности ландшафта фактически представляют “карту ветров” Венеры. Так, хорошо заметно, что в обоих полушариях планеты ветры дуют преимущественно в направлении экватора. Это во многом напоминает поведение ветров на Земле, тут, как и там, ветры похоже подчиняются одной и той же модели “ячеек Хэдли”.

Согласно этой модели, атмосферные газы, достигнув максимального нагрева на экваторе планеты, начинают подниматься вверх, и достигая максимальной высоты, охлаждаются и стремительно бегут к полюсам планеты, чтобы там снова опуститься к поверхности и возобновить бег к экватору.

Парниковый эффект на Венере

Одна из главных особенностей массивной атмосферы Венеры – чудовищный парниковый эффект, за счет которого планета и занимает почетное первое место среди планет Солнечной системы по средней температуре на поверхности. На первый взгляд кажется очевидным, что на Венере исключительно жарко потому, что она находится близко к Солнцу, а следовательно Солнце “жарит” здесь куда сильнее, чем на Земле.

Парниковый эффект на Венере – основная причина огромной температуры на поверхности планеты

Но на самом деле, из-за плотного слоя облаков, большая часть солнечного света отражается обратно в космос, а поверхность Венеры получает даже меньше солнечной энергии, чем Земля. Проблема в том, что хорошо разогретая поверхность планеты и нижние слои облаков не только поглощают, но и отдают солнечную энергию, “переизлучая” её обратно в инфракрасном спектре.

Если на Земле это излучение легко уносится в открытый космос, то на Венере с этим явные проблемы: толстый слой облаков и преобладание в атмосфере Венеры углекислого газа, не дает излучению вырваться наружу, и вновь отражает его к поверхности, работая в точности как самое обычное ватное одеяло. Только размером с планету!

В результате поверхность Венеры постепенно раскаляется, получая в итоге температуру в сотни градусов по Цельсию.

Получив ответ на вопрос из какого газа состоит атмосфера Венеры, думаю многие читатели задумаются и над другим вопросом: не грозит ли подобное развитие событий Земле, в атмосфере которой также немало углекислого газа и само понятие “парниковый эффект” также имеет место быть, хоть и в значительно меньших масштабах?

Для того, чтобы получить ответы на эти вопросы, мы и изучаем атмосферу нашей межзвездной соседки, двоюродной сестры Земли – Венеры. Ведь гораздо проще и безопаснее учится на чужих ошибках, чем совершать свои!

Ионосфера и магнитное поле Венеры

Самый верхний слой атмосферы Венеры, как и у Земли называется ионосферой. Как следует из его названия, ионосфера состоит из сильно ионизированный вследствие поглощения ультрафиолетового солнечного излучения и воздействия солнечного ветра – мощного потока заряженных частиц порождаемых Солнцем, – на верхние слои атмосферы планеты. Основными ионами в ионосфере Венеры являются ионы кислорода и углекислого газа.

В отличие от большинства планет, включая Землю, Венера не обладает собственным магнитным полем. Измерения, проведенные орбитальными космическими аппаратами, показали,что собственно магнитное поле Венеры примерно в 8000 раз слабее земного.

Венера (слева) имеет индуцированное магнитное поле, а Земля (справа) – собственное магнитное поле. Наглядно видно как магнитосфера защищает нашу планету

Отсутствие магнитного поля связано с медленным вращением планеты, ведь любая планета, по большому счету представляет собой гигантскую “динамо-машину”, в которой, мощь магнитного поля определяется вращением жидкого металлического ядра. Нет вращения – нет и и магнитного поля. Впрочем, возможен и вариант, что ядро Венеры не жидкое, а твердое и “динамо-машина” просто не работает.

Впрочем, и здесь Венера сумела отличиться. Хотя эта планета не имеет собственного магнитного поля подобного земному, солнечная радиация все же встречает на пути к поверхности барьер. Венера обладает так называемым индуцированным (наведенным) магнитным полем, образовавшимся в результате взаимодействия магнитного поля Солнца и внешней атмосферы планеты.

Поэтому, когда солнечный ветер “бомбардирует” Венеру, на обращенной к солнцу стороне планеты образуется стоячая ударная волна плазмы, которая замедляет, нагревает и отклоняет поток солнечного ветра, направляя его вокруг планеты. Для некоторых планет, эта точка находится на значительном расстоянии от поверхности, удерживаемая мощным магнитным полем планеты. Например, для Юпитера эта точка находится на расстоянии примерно в 3 000 000 км от планеты, а для Земли это расстояние составляет около 65 000 км.

Однако, из-за оговоренных выше особенностей магнитного поля Венеры, её точка образования “ударной волны” находится всего в нескольких тысячах километров над поверхностью, на самой границе ионосферы планеты. Это приводит к особо активному взаимодействию между солнечным ветром и атмосферой Венеры. Если бы не плотность атмосферы, её давно бы уже ждала судьба Марса, имеющего фрагментарное магнитное поле и с каждым годом все более теряющего её остатки. Однако, в отличие от “красной планеты”, в случае Венеры, полное “сдувание” атмосферы ей не грозит не сейчас, не через миллиарды лет – несмотря на впечатляющий шлейф из молекул различных газов, “выбитый” солнечным ветром с её поверхности и тянущийся на миллионы километров, подобно кометному хвосту.

Поверхность Венеры заснятая автоматической станцией «Венера-13»

Интересен состав этого “хвоста” –  основными типами ионов, которые уходят из атмосферы Венеры, являются ионы O⁺, H⁺ и He⁺, причем соотношение ионов водорода к кислороду составляет около 2. Иными словами, Венера постоянно теряет водяной пар из атмосферы и как только молекулы воды достигают верхних слоев атмосферы, то тут же распадаются на ионы водорода и кислорода и беспрепятственно улетают в космос. Доля водяного пара в современной атмосфере Венеры ничтожна и составляет всего 0,003 %.

Александр Фролов, для сайта starcatalog.ru