АМС "Венера-11" и АМС "Венера-12"

    В 1978 году два советских космических аппарата «Венера-11 и -12» вновь исследовали Венеру. До них семь советских аппаратов зондировали атмосферу этой планеты. В 1978 году был осуществлен и первый американский эксперимент по прямому зондированию атмосферы Венеры с аппаратов «Пионер - Венера».
    Подготовка экспериментов на советских и американских аппаратах шла независимо. Однако научные цели, которые стояли перед исследователями Венеры, диктовали проведение сходных экспериментов. Приборами для химического анализа атмосферы - масс-спектрометрами и газовыми хроматографами - были оборудованы как советские, так и американские аппараты. Задача эта решалась большими коллективами исследователей. Их возглавляли у нас В. Г. Истомин и Л. М. Мухин, у американцев - Дж. Хофман с коллегами и В. Ояма с коллегами. Химический анализ частиц облаков выполнялся только на «Венерах» рентгеновским флуоресцентным методом. Руководил экспериментом Ю. А. Сурков. Структура облачного слоя и физические свойства частиц облаков анализировались нефелометрами - устройствами, измеряющими замутненность среды. Советским экспериментом руководил М. Я. Маров, американским - Б. Рэджент (США) и Ж. Бламон (Франция).

Изображение Венеры в ультрафиолетовых лучах, полученное «Маринером-10» в 1974 году.

ВЕНЕРА-11 и ВЕНЕРА-12

    На «Пионер - Венере» был установлен специальный прибор для исследований спектра размеров аэрозольных частиц. Руководители эксперимента - Р. Нолленберг и Д. Хантен. Во время спуска зонды «Пионер - Венеры» измеряли солнечную радиацию, рассеянное и собственное излучение атмосферы и поверхности; руководил этой работой М. Томаско. Подобные приборы использовались на аппаратах серии «Венера» в 1972 и 1975 годах, но в 1978 году советские ученые применили гораздо более сложный сканирующий спектрофотометр диапазона 4000-12000 А. Руководил экспериментом В. И. Мороз. Только «Венера-11 и -12» были оборудованы приборами для регистрации возможных гроз на Венере и анализа электрической активности ее атмосферы; руководил исследованиями Л.В. Ксанфомалити. Научные эксперименты велись и на орбитальных отсеках аппаратов. Таким образом, арсенал науки, которым располагали советские и американские зонды, был намного богаче, чем на предыдущих «Венерах», получивших тем не менее важную информацию.
    Все аппараты от «Венеры-4» до «Венеры-10» показывали, что температура и давление у поверхности планеты (на уровне радиуса 6052 км) очень высокие - около 750 К и 93 кГ/см². Если аппарат опускался на возвышенность, давление и температура оказывались более низкими. Так, «Венера-11» зарегистрировала в момент посадки температуру 727 К и давление 87 кГ/см².
    Масса атмосферы Венеры велика - она в 100 раз массивнее земной атмосферы и составляет около 10^-4 всей массы планеты. (Напомним, что общая масса атмосферы Земли около 5,3*10²¹ г, то есть равна примерно 10^-6 массы Земли.) Еще недавно Венеру и Землю считали, если не близнецами, то планетами-сестрами. В самом деле, масса Венеры равна 0,815 массы Земли, их средние плотности - 5,24 и 5,52 г/см³, соответственно, поэтому предполагалось, что и состав недр обеих планет должен быть сходным. Количество поглощаемой планетами солнечной энерги почти одинаково; хотя Венера и ближе к Солнцу, ее облака отражают большую долю солнечной радиации.
    Вместе с тем, исследования показали, что Венера отличается от Земли не только высоким давлением и температурой у поверхности, составом и массой атмосферы (все эти характеристики взаимосвязаны). Методом наземной радиолокации удалось измерить действительную продолжительность венерианских суток. День и ночь на Венере длятся по 59 земных суток, период вращения (его направление противоположно вращению Земли) составляет 243 земных суток и превышает венерианский год (225 суток).


    В океанах нашей планеты очень много воды - 1,35*10²⁴ г. Если бы температура Земли повысилась настолько, что океаны испарились бы, давление в земной атмосфере возросло бы за счет водяного пара до 760 кГ/см². На Венере, конечно, не может быть никаких океанов. Ведь температура ее поверхности настолько высока, что в глубоких долинах в темноте можно даже видеть темнокрасное свечение раскаленной поверхности. Но как это ни удивительно, в атмосфере Венеры тоже почти нет паров воды: по данным В. И. Мороза, полученным «Венерой-9 и -10» в 1975 году, их относительное объемное содержание близко к 10^-4. Еще меньшее значение дали измерения «Венеры-11 и -12»: около 3*10^-5. Дефицит воды на Венере (или обилие воды на Земле) - одна из наиболее трудных загадок планеты, если допустить, что протопланетный материал, из которого формировались Венера и Земля, имел одинаковый состав.

Высотные профили температуры, давления и электронной концентрации в атмосфере Венеры. Указан химический состав атмосферы

ВЕНЕРА-11 и ВЕНЕРА-12

    Разогрев атмосферы Венеры ученые объясняют парниковым эффектом. Солнечные лучи проникают достаточно глубоко в атмосферу планеты, отчасти поглощаясь облаками и газовой средой. Несколько процентов излучения достигают поверхности и поглощаются. Если планета не становится горячее день ото дня, значит, в космос излучается столько же энергии, сколько поглощается. Как известно, планета излучает в длинноволновом тепловом диапазоне. Здесь, в инфракрасной области, углекислый газ с примесью небольшого количества паров воды мало прозрачен. Чтобы достаточная часть излучения прошла сквозь малопрозрачную среду, источник должен быть очень ярким. Именно поэтому температура поверхности и нижних слоев атмосферы так высока. Если бы водяного пара было больше, температура поднялась бы еще выше.

Структура атмосферы Венеры ночью (слева) и днем. Изображен спуск космического аппарата в атмосфере

ВЕНЕРА-11 и ВЕНЕРА-12

    Подробный анализ парникового эффекта требует тщательных спектральных измерений по всей высоте атмосферы. Кроме того, необходимо знать угловые характеристики рассеяния - яркость рассеивающей и поглощающей среды во всех направлениях. Именно такой эксперимент был поставлен советскими учеными. Получена ценнейшая информация о структуре атмосферы. Нижняя граница облачного слоя лежит на высоте 48-50 км. Сами облака ослабляют свет всего в 2 раза. Ниже уровня 48 км из-за высокой плотности атмосферы свет, достигающий поверхности, ослабляется еще в 10 раз. Есть основания полагать, что протяженность облаков изменяется в течение венерианских суток.

Спектры рассеянного солнечного излучения, полученные на различных высотах при спуске аппаратов «Венера-11 и -12» и с поверхности Венеры (нижняя кривая). В точке посадки «Венеры-11» температура достигала 727 К, а давление 87 кГ/см2. Большинство полос в спектре принадлежит углекислому газу и парам воды, слабые полосы были отождествлены с парами серы. Сера в атмосфере Венеры обнаружена впервые.

ВЕНЕРА-11 и ВЕНЕРА-12

    Спектры рассеянного солнечного света, полученные с поверхности Венеры, имеют много характерных полос, которые принадлежат в основном углекислому газу и парам воды. Несколько полос в сине-зеленой части спектра В. И. Морозу удалось путем лабораторных измерений отождествить с парами серы.
    Еще в 1967 году приборы «Венеры-4» обнаружили, что в атмосфере Венеры не менее 90% углекислого газа. Дальнейшие измерения увеличили эту оценку до 95%. Анализ малых составляющих атмосферы как на советских, так и на американских аппаратах должен был разъяснить, что представляют собой оставшиеся 4-5% венерианской атмосферы. Все аппараты показали, что в атмосфере содержится азот (3,5-4%), инертные газы, из которых на первом месте аргон (около 0,01%), в 10 раз меньше неона, в 200 раз меньше криптона (его обнаружили только «Венеры»). Найден гелий, его в несколько тысяч раз больше в венерианской атмосфере, чем в земной. Обнаружены также хлор, сера, сернистый газ и ряд других соединений.

Диаграмма, демонстрирующая содержание основных газов в нижней атмосфере Венеры, Земли и Марса. (Рисунок из журнала «Sky and Telescope», 1979.) По мнению советских ученых, присутствие кислорода в тропосфере Венеры сомнительно. Указанное на схеме содержание азота несколько ниже результатов масс-спектрометрических измерений на «Венере-11 и -12» (4%)

ВЕНЕРА-11 и ВЕНЕРА-12

    Изотопный состав аргона на Венере стал научной сенсацией. В земной атмосфере аргон составляет 1%. Из этого процента 0,996 приходится на аргон-40 (он образуется при радиоактивном распаде содержащегося в земной коре калия-40), 0,003 - на аргон-36 и 0,0006 - на аргон-38. Последние два изотопа достались Земле, вероятно, с протопланетным веществом на стадии формирования планеты. Если условия образования Земли и Венеры были сходными, то удивительно, что в венерианской атмосфере изотопный состав аргона оказался другим: аргона-40 там примерно столько же, сколько в сумме аргона-36 и аргона-38. Не связано ли это, как и дефицит воды, с неизвестными нам особенностями в формировании планет?


    Облака Венеры располагаются в интервале высот 48-72 км. По существу, это не облака, а средней плотности туман, в котором дальность видности (есть такое метеорологическое понятие) составляет несколько километров.
    Предложенная в 1972 году Г. Силлом и в 1973 году супругами Л. и Э. Янг (США) гипотеза о сернокислотном составе облаков быстро завоевала популярность. Коэффициент Преломления частиц, близкий к 1,44, и их жидкое состояние при температуре 233 К были известны из наземных поляриметрических и радиометрических наблюдений. Эти особенности частиц легко объяснялись в рамках следующей модели: частицы представляют собой мельчайшие капли 75-процентной H₂SO₄, размер их около 2 мкм, причем все капли, концентрация которых в среднем около 300 см^-3, имеют примерно одни и те же размеры. Стоит обратить внимание на эту странную особенность. Ведь капли в облаках Земли постепенно укрупняются, а спектр их размеров расширяется. Происходит это под действием конденсации и в результате слияний-коагуляции и коалесценции. Коагуляция приводит к слиянию в результате теплового (броуновского) движения частиц, коалесиемция - в результате падения частиц с разными скоростями в гравитационном поле Земли. Было ясно, что примерно одинаковые размеры частиц в верхнем слое облаков Венеры указывают на что-то важное.
    В дальнейшем оказалось, что состав облаков Венеры сложнее, чем предполагали. По-видимому, там есть более крупные, но малочисленные твердые частицы, вероятно, частицы серы. Нефелометрические измерения, выполненные на станциях «Венера-9, -10, -11, -12» и аппаратах «Пионер - Венера», а также изучение спектра размеров частиц приборами «Пионер - Венеры» показали, что на высотах 51-55 км, наряду с мелкими каплями, появляются твердые аэрозоли размером 5- 15 мкм. На высотах 48-51 км состав размеры частиц еще усложняются. Здесь встречаются капли размером - 2, 4 и 5-15 мкм. Ниже уровня 48 км днем отмечены очень тонкие (50-300 м) полосы облаков, состоящие только из самых мелких частиц. Предполагается, что крупные частицы на высоте 48 км уже растаяли и испарились. Температура в этой области атмосферы близка к 370 К, а давление около 1,5 кГ/см². Еще ниже, до 32 км, в атмосфере присутствуют в малом количестве мелкие частицы. На высоте 32 км в атмосфере Венеры проходит загадочная граница, ниже которой встречаются такие соединения серы, как COS и H₂S и аллотропы серы, а выше - SO₂. Высказано предположение, что здесь окислительные процессы сменяются восстановительными. Интересно, что рано утром (по венерианскому местному времени) «Венера-8» обнаружила нижнюю границу облаков именно на высоте 32 км.

Схема строения дневного облачного слоя Венеры

ВЕНЕРА-11 и ВЕНЕРА-12

    Как образуется сернокислотный аэрозоль из газообразных компонентов, пока до конца не ясно. Некоторые сведения о происхождении аэрозольной среды удалось получить из радиометрического эксперимента, проведенного на «Венере-9 и -10» в 1975-1976 годах. Все тепловое излучение Венеры, уходящее в космос, формируется в верхней части ее облачного слоя, температура которой близка к 240 К. Было установлено, что ночная сторона Венеры имела яркостную температуру* на 12° выше вечерней и на 6° выше температуры дневной стороны планеты. Минимальная температура 232 К наблюдалась в 16 часов. В полдень температура выше, 239 К, ночью она достигает 244 К. Расчеты показали, что одним перемещением границы верхней части облачного слоя объяснить такой странный ход яркостной температуры не удается. Вероятнее всего, эти изменения связаны с фотохимическими процессами образования сернокислотных частиц в стратосфере Венеры - надоблачной части атмосферы, расположенной на высотах 70-90 км. Не вызывает сомнений, что рождение и разрушение аэрозольных частиц облаков находится в динамическом равновесии с окружающей средой. Как уже отмечалось, размеры частиц в венерианских облаках удивительно однородны в отличие от земных облаков. Это значит, что мы видим слой из недавно образовавшихся частиц, иначе их однородность была бы нарушена в процессе слияний частиц. Так как мы наблюдаем самую внешнюю часть облачного покрова, напрашивается вывод, что эти частицы падают откуда-то сверху, где они и возникают. Из чего же рождается этот сернокислотный «дождь»?

ВЕНЕРА-11 и ВЕНЕРА-12

* Яркостной температурой объекта называют температуру абсолютно черного тела, имеющего в данном спектральном интервале такую же яркость, как исследуемый объект.

ВЕНЕРА-11 и ВЕНЕРА-12

    Было показано, что под действием ультрафиолетовых лучей Солнца фотохимические превращения газообразных соединений серы в надоблачной атмосфере, где остается небольшое количество паров воды, должны привести в конечном счете к появлению сернокислотных капель. Процесс образования такого «дождя», падающего на облака, очень медленный. За весь венерианский день в 1 см³ атмосферы формируется всего 25 капель диаметром 1,5 мкм, но это число капель уже хорошо объясняет наблюдаемые изменения яркостной температуры.
    Такой ход рассуждений привел к гипотезе, которую можно упрощенно изложить следующим образом. Утром стратосфера Венеры прозрачна, но к полудню в результате фотохимических процессов в ней появляется уже довольно много частиц. Так как температура стратосферы ниже, чем в излучающем слое облаков, идущее снизу тепловое излучение заметно ослабляется этой средой. Наибольшая концентрация частиц достигается к 16 часам местного времени, чем и объясняется вечерний минимум яркостных температур. Ночью, когда фотохимические процессы не действуют, небо снова становится прозрачным и яркостная температура поднимается до максимальной величины. Таким образом, измеряемые температуры связаны с рождением и составом аэрозольных частиц. Разумеется, могут наблюдаться местные неоднородности и даже, возможно, многолетние колебания в интенсивности таких процессов. Орбитальный аппарат «Пионер - Венера» зарегистрировал обширную холодную область с температурой 215 К у Северного полюса планеты, в то время как яркостная температура окружающего района была 240 К. В 1975-1976 годах «Венера-9 и -10» дали среднюю по планете температуру 240,3 К, на основе которой было рассчитано радиометрическое альбедо планеты 0,79.
    Интересно, что многие характеристики Венеры, например распределение теплового излучения планеты, кажутся не вполне постоянными. Заметна изменчивость контрастности темных полос на диске Венеры, наблюдаемых в ультрафиолетовых лучах. Иногда полосы видны очень четко, как на телевизионных снимках «Венеры-9» и «Маринера-10», но порой никакие детали различить нельзя, как было в самом начале работы аппарата «Пионер - Венера». Происхождение контрастных полос и их способность сохраняться в течение 10 земных суток и более не вполне понятны. Не исключено, что и темные, и светлые детали расположены на одних высотах и связаны с местным выносом из тропосферы каких-то газообразных компонентов, например SO₂.

Распределение яркостных температур в экваториальном поясе Венеры по данным «Венеры-9 и -10». Излучение исходит от верхней части облаков, расположенных на высоте 65-70 км. Интенсивность теплового излучения соответствует длине стрелок. Ночная сторона планеты теплее дневной

ВЕНЕРА-11 и ВЕНЕРА-12

    Несколько слов о небе Венеры. Как оно выглядит с поверхности планеты? Днем небо яркое, красно-оранжевого оттенка. По данным аппаратов серии «Венера», Солнце сквозь облачный слой неразличимо. Есть некоторые основания предполагать, что вблизи полудня оптическая толща облаков становится меньше. Но такие прояснения, когда солнечный диск можно было бы видеть с поверхности планеты, маловероятны.


    Радиоизлучение Венеры открыли около 25 лет назад. Оно исходит от сильно нагретых атмосферы и поверхности планеты и к электрическим разрядам отношения не имеет. По мере углубления знаний о составе атмосферы возник вопрос: как образуются некоторые ее малые составляющие? Можно предположить, например, что их происхождение обусловлено электрическими разрядами. Напомним, что под действием молний в земной тропосфере образуются озон, окислы азота и ряд других соединений.
    Известно странное явление, о котором с давних пор сообщали астрономы: иногда ночная сторона Венеры слегка светится. Естественных спутников у планеты нет, поэтому свечение можно связывать только с самой планетой. В 1954 году Н. А. Козырев сумел даже получить спектрограмму свечения. А в 1975 году приборы «Венеры-9 и -10» в эксперименте, проводившемся В. А. Краснопольским, обнаружили еще один вид свечения ночной стороны планеты. Но оно оказалось слишком слабым, чтобы его можно было увидеть с Земли. Тогда же было высказано полуфантастическое предположение: нерегулярное свечение объясняется вспышками молний в атмосфере планеты. Но, чтобы видеть такое свечение с Земли, молний, согласно расчетам, должно быть очень много. Кстати, энергия, которая освобождается при вспышке молнии над Землей, в среднем составляет 10¹⁵ - 10¹⁶ эрг. Над всей Землей наблюдается около 100 молний в секунду. Если на Венере их в тысячи раз больше, свечение, действительно, можно увидеть с Земли. Но бывают ли молнии на Венере?

Схема регистрации аппаратом «Венера» радиошумов от грозового облака в венерианской атмосфере. Внизу - запись радиошумов на частоте 18 кГц

ВЕНЕРА-11 и ВЕНЕРА-12

    Для регистрации электрических разрядов на «Венере-11 и -12» был установлен миниатюрный радиоприемник-спектроанализатор длинных и сверхдлинных волн. Он обладал высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном, ведь эксперимент готовился вслепую, без каких-либо исходных данных. Ранним утром 21 декабря 1978 года «Венера-12» опускалась в атмосфере планеты. Через 9 минут после включения прибора появился первый пакет импульсов примерно из сотни разрядов, еще через 8 минут-второй. Если бы не слишком частые импульсы, можно было бы сказать, что сигнал похож на разряды далекой земной грозы. По мере приближения аппарата к поверхности амплитуда регистрируемых радиошумов стала падать, а после посадки снизилась до уровня шумов приемника. Поскольку слабые разряды могли образоваться и в результате электризации аппарата при его движении в атмосфере со скоростью до 10 м/с, обнаруженное явление могло быть, как говорили в старину, артефактом. Но на 32-й минуте после посадки была зарегистрирована большая группа импульсов - единственная за все 110 минут работы прибора на огнедышащей поверхности Венеры.
    Утром 25 декабря по такой же точно трассе, практически в тот же район планеты опускалась «Венера-11». Но насколько непохожими оказались регистрируемые явления! В этот день наблюдалась сильнейшая электрическая буря, каждую секунду происходило 20-30 мощных разрядов. Через несколько минут буря утихла, но на очереди была уже следующая. Частота разрядов намного превышала типичное для земных гроз значение.
    Вскоре удалось показать, что низкочастотные радиошумы связаны с происходящими в атмосфере электрическими процессами. Атмосферные помехи, которые были первыми радиосигналами, зарегистрированными радиоприемником А. С. Попова на Земле, существуют и на Венере!
    Поскольку эксперимент «Гроза» (так назывался поиск электрических разрядов с борта «Венеры-11 и -12») выполнялся впервые, большие трудности представляла обработка его результатов. В самом деле, зарегистрировано несколько тысяч коротких импульсов от разрядов, сгруппированных в отдельные всплески радиошумов в диапазоне 10-100 кГц. Как же, располагая этими записями, добраться до природы самого явления? Ключевой оказалась группа всплесков, повторявшихся с периодами 50-60 секунд. Так как аппарат медленно вращался при спуске, а приемная антенна была направленной, периодичность можно объяснить возникающей при этом модуляцией радиошумов от источника малых угловых размеров. Сопоставление периода всплесков со скоростью вращения аппарата подтвердило такое предположение, что позволило найти угловые размеры источника (всего 5°).

Художественное представление молний на Венере

ВЕНЕРА-11 и ВЕНЕРА-12

    Затем была вычислена энергия разрядов по измеренной напряженности электромагнитного поля. Расчеты делались для разных вариантов расположения источника. Наблюдаемая напряженность электромагнитного поля лучше всего соответствует условию, когда источник с энергией, типичной для земной молнии (10¹⁵ эрг), удален на 1700 км от аппарата. Но возможен ли на Венере прием радиосигналов от столь удаленного источника? Наземная радиотехника искусно использует волноводный канал ионосфера - поверхность для приема сигналов дальних радиостанций. Достаточно плотная ионосфера на дневной стороне Венеры, казалось бы, также должна способствовать дальнему распространению радиоволн сверхдлинного диапазона. Вместе с тем, и «Венера-11», и «Венера-12» зарегистрировали глубокое падение напряженности электромагнитного поля у поверхности планеты. Поэтому рассматривалась только прямая волна, когда прием излучения зависит лишь от высоты приемника и источника излучения. Так как в момент регистрации радиошумов аппарат находился на высоте 15 км, источник, расположенный на расстоянии 1600 км, мог быть виден, если его высота составляла 70 км (облачный слой!). Этот источник вскоре должен был исчезнуть за радиогоризонтом, поскольку аппарат опускался со скоростью 1 км/мин. Регистрограмма это подтвердила. Источником радиошумов оказалась область с небольшой горизонтальной протяженностью и толщиной всего 1 - 2 км, расположенная на высоте 60-70 км. Таким образом, и на Венере грозы имеют локальный характер (во всяком случае, так было 21 и 25 декабря 1978 года).