АМС "Венера-13" и АМС "Венера-14"

    Здесь нет привычной голубизны земного неба. Высоко над поверхностью Венеры раскинут огромный оранжевый купол облаков. Самые нижние облачные слои находятся на высоте 48-49 км, поэтому с поверхности не видны какие-либо подробности их структуры, за исключением, может быть, тонких полос (вроде земных перистых облаков), расположенных чуть ниже 48 км. Около шести часов по местному времени лучи Солнца озаряют одну половину облачного купола и слегка подсвечивают другую. Постепенно облака становятся все светлее, яркость небосклона очень медленно выравнивается. На Земле проходит день, другой, третий... Через 5 земных суток местное время на Венере прибавляется на один час, через 10 суток-на два. Солнечные сутки на Венере очень длинны (116,8 земных суток); весь год планеты состоит из двух (точнее, 1,91) солнечных суток. Поэтому так долго длится рассвет. Однако восход Солнца - понятие, не известное природе Венеры. Прямой луч Солнца не способен пробиться сквозь 20-километровую толщу сернокислотного тумана, который мы по традиции называем облаками Венеры. Пока не наблюдалось ни одного, даже самого маленького, сквозного разрыва в облаках.
    Под облаками Венеры - огромный газовый океан, заполненный в основном раскаленной углекислотой. Давление у поверхности достигает 95 атм, а плотность в 50 раз выше «нормальной» плотности земной атмосферы. Масса венерианской атмосферы (0,5*10²⁴ г) соизмерима с массой воды в океанах Земли (1,35*10²⁴ г).
    Голубой цвет земного неба - результат релеевского рассеяния света молекулами газа атмосферы. Особенно сильно в атмосфере Земли рассеиваются фиолетовые и голубые лучи. Но фиолетовых лучей в спектре Солнца значительно меньше, чем голубых, да и чувствительность глаза к ним невелика; вот мы и видим на Земле голубое небо. На Венере из-за высокой плотности атмосферы у поверхности сильно рассеиваются зеленые и даже желтые лучи, тогда как синие рассеиваются на больших высотах, а в нижних слоях атмосферы они к тому же поглощаются некоторыми газообразными соединениями. Поэтому небо над горизонтом Венеры яркого желто-зеленого цвета. Именно такое желто-зеленое небо можно было видеть над отдаленным холмом на цветной панораме, переданной телевизионной камерой «Венеры-13».

Фрагмент изображения поверхности Венеры, переданного аппаратом «Венера-13». За близкой неровной линией горизонта виден склон соседней долины. «Туман» перед склоном объясняется сильным рассеянием коротковолновых лучей в атмосфере Венеры.

ВЕНЕРА-13 и ВЕНЕРА-14

    В очень плотной венерианской атмосфере лучи света испытывают сильную рефракцию (искривление) и должны уходить далеко за горизонт. Вероятно, извержение вулкана можно увидеть ночью на довольно большом расстоянии. Но из-за сильного рассеяния света извержение будет выглядеть как нечеткое бесформенное пятно. Днем, когда поверхность поглощает солнечный свет и прилегающий к поверхности слой газа разогревается, может возникнуть аномальная рефракция - отклонение лучей света вверх. В результате линия горизонта располагается близко к наблюдателю. Телевизионные камеры «Венеры-14», которая поздним утром опустилась на ровную поверхность планеты, «видели» четкую линию близкого горизонта.

Поверхность в районе посадки «Венеры-14». Равнина, покрытая плоскими плитами, ограничена ровной линией близкого горизонта

ВЕНЕРА-13 и ВЕНЕРА-14

    Начиная с 1967 года, когда «Венера-4» впервые провела прямые измерения в атмосфере Венеры, 11 советских космических аппаратов работали по все более сложным программам, шаг за шагом расширяя наши представления о ближайшей соседке Земли. В 1978 году прямые исследования атмосферы Венеры выполнил американский космический аппарат «Пионер - Венера».
    Программа работы станций «Венера-13» и «Венера-14» включала как усложненные эксперименты, осуществленные «Венерой-11» и «Венерой-12» а 1978 году, так и ряд принципиально новых исследований. Ученые легко могут назвать актуальные задачи того или иного научного направления. Вопрос в том, можно ли создать достаточно легкие компактные и экономичные приборы, которые позволят провести соответствующие эксперименты. Мало того, физические условия и особенности окружающей среды на Венере предъявляют свои дополнительные (и очень тяжелые) требования - такие, как стойкость к высоким температурам (до 470 °С) и давлениям (до 95 атм). В каждом новом эксперименте приходится исходить из опыта уже выполненных полетов, максимально использовать найденные удачные решения. Иными словами, сложность эксперимента определяет его место (и очередность) в цепи исследований.
    Логика такой очередности в советской программе изучения Венеры подчинялась научной актуальности задачи. Вначале были необходимы рекогносцировочные полеты, чтобы определить основные параметры атмосферы и ее главную составляющую (углекислый газ, 96%). Затем стал возможен детальный анализ состава и строения атмосферы и облачного слоя. Одновременно исследовалась динамика атмосферы. Далее пришло время изотопного анализа малых составляющих и «вылавливания» экзотических компонентов газовой и аэрозольной среды. Следовало также понять, как они возникают в атмосфере, каков их кругооборот, если они химически активны. Вместе с этими экспериментами началось исследование таинственной, никогда прежде не виданной поверхности планеты. Были получены подробные телевизионные изображения малых участков планеты и осуществлено глобальное радиолокационное картирование. Кстати, наземная радиолокационная техника выполняет часть такой работы и без использования космических аппаратов. Источником сведений о внутреннем строении планеты может быть только сейсмический эксперимент - пассивный или активный. Но такие эксперименты требуют весьма сложной и долгоживущей в условиях Венеры аппаратуры.


    Большая разница в содержании воды на Земле и Венере - на Земле 2,3*10^-4 массы планеты, а на Венере всего лишь 3*10^-9 или около того, - по-видимому, объясняется различными условиями формирования этих планет. Возможно, между будущими орбитами Венеры и Земли проходила граница удержания льда и химически связанной воды в протопланетных частицах.
    Анализ содержания водяного пара в атмосфере Венеры дает не совсем одинаковые результаты. Значит ли это, что концентрация пара в тропосфере планеты, где выполнялись измерения, несколько меняется (например, в зависимости от времени суток)? Еще непонятнее повторяющаяся во всех измерениях высотная зависимость содержания водяного пара: его относительно много (около 2*10^-4, или 0,02%) у нижней границы облаков, но в 10 раз меньше у поверхности (2*10^-5). Такие же результаты получены и в спектрофотометрическом эксперименте на «Венере-13» и «Венере-14». Поскольку тропосфера планеты хорошо перемешивается, высотную зависимость проще всего объяснить, допустив, что где-то «наверху», на высоте 40-48 км, есть источник водяного пара, который поглощается поверхностью (или у поверхности). Для работы такого механизма восходящий поток должен выносить «наверх» столько водорода и кислорода, чтобы замыкался кругооборот воды.
    Следует отметить, что полученное в некоторых экспериментах существенно большее, чем указано выше, количество водяного пара не согласуется с наблюдаемым действием парникового эффекта. Поверхность и атмосфера Венеры поглощают заметную долю солнечной радиации. Поскольку температура планеты остается постоянной, такая же энергия излучается планетой в инфракрасном тепловом диапазоне. Но в этой части спектра углекислый газ с примесью паров воды малопрозрачен, причем прозрачность сильно зависит именно от концентрации водяного пара. Поэтому температура поверхности и нижних слоев атмосферы должна быть так высока, чтобы сохранился баланс между получаемой и излучаемой энергией. Температура поверхности как раз соответствует концентрации водяного пара около 2*10^-5; если бы концентрация стала большей, непрозрачность атмосферы для инфракрасных лучей значительно возросла бы и температура поверхности стала бы еще выше.
    Редко космический эксперимент дает исчерпывающий ответ на поставленный вопрос. На первый взгляд, точное измерение изотопного состава инертных газов (аргона, неона, криптона и ксенона, гелий в 1982 году не анализировался) - это как раз исчерпывающий ответ. Однако конечная цель масс-спектрометрического эксперимента, проводившегося на «Венере-13» и «Венере-14», была гораздо сложнее: найти и объяснить космогонические причины значительных различий изотопных, отношений инертных газов для Венеры, Земли и других планет. Изотопный состав инертных, или благородных, газов представляет особый интерес для науки о происхождении планет. Эти газы не вступают ни в какие химические реакции. Если не считать гелия, инертные газы достаточно тяжелы, чтобы к настоящему времени сохраниться в том же количестве, в каком Венера получила их при формировании. Впрочем, надо сделать одну оговорку. Некоторые изотопы благородных газов образовались позже, по мере распада радиоактивных элементов, содержащихся в коре планеты. Таковы аргон-40 - конечный продукт распада радиоактивного изотопа калия-40, и ксенон-129 - продукт распада иода-129. Подобные изотопы инертных газов называются радиогенными, а изотопы, доставшиеся планете на стадии ее формирования (например, аргон-36 и аргон-38), - первичными.
    Соотношение изотопов инертных газов в атмосфере Венеры не похоже ни на земные, ни на марсианские значения. Вместе с тем, количество аргона в атмосфере Венеры равно 0,01%, что близко к абсолютному его содержанию в земной атмосфере (около 1%). В земном аргоне 0,996 приходится на радиогенный аргон-40 и лишь 0,004 - на первичные аргон-36 и аргон-38. Масс-спектрометры «Венеры-11» и «Венеры-12» в 1978 году установили, что на Венере изотопный состав совсем другой: первичных изотопов столько же, сколько радиогенного аргона-40. Масс-спектрометрические измерения, проводившиеся на «Венере-13» и «Венере-14», показали, что «неземные» соотношения наблюдаются и для других инертных газов - неона, криптона, ксенона. Содержание их в атмосфере Венеры оказалось близким к 10^-5 для неона и немного меньше, чем 10^-6, для криптона и ксенона.
    Следует добавить, что в атмосфере планеты много азота - 4%. По абсолютному значению это примерно в 5 раз больше, чем в нашей атмосфере. Вероятно, почти весь азот на Венере из-за высокой температуры ее поверхности находится в атмосфере.
    Интересные сведения о малых составляющих венерианской атмосферы получены в эксперименте с газовым хроматографом: были обнаружены сернистый газ (содержание 2*10^-5), сероводород (8*10^-5), сероокись углерода (4*10^-5) и другие соединения серы. Найдены также в небольших количествах кислород (2*10^-5) и водород (2*10^-5). Данные спектрофотометрического эксперимента, осуществленного на «Венере-13» и «Венере-14», свидетельствуют о присутствии аллотропов газообразной серы в нижних слоях тропосферы планеты. Один из аллотропов активно поглощает синие лучи, что еще больше усиливает оранжевую окраску света, достигающего поверхности.
    Несколько слов об облачном слое. Как известно, верхний слой облаков Венеры, расположенный выше 65 км, имеет оптические характеристики, совпадающие со свойствами мелких капель 80%-ной серной кислоты. Размеры капель очень малы, около 1 - 2 мкм, а концентрация их вблизи 65-67 км составляет примерно 300 капель в 1 см³. Механизм образования таких капель был не вполне ясен. Некоторые эксперименты на аппаратах «Венера-13» и «Венера-14» специально предназначались для исследования аэрозолей облаков. Как показал анализ, сера входит в число основных компонентов аэрозолей, что согласуется с гипотезой о сернокислотном составе облаков. Однако данные 1978 года о значительном содержании хлора в аэрозолях облаков не подтвердились.
    Похоже, не подтвердились и полученные аппаратом «Пионер - Венера» сведения о трех характерных значениях средних размеров аэрозольных частиц. В нефелометрическом эксперименте, проводившемся на аппаратах «Венера-13» и «Венера-14», наблюдались в основном частицы диаметром около 2 и 5 мкм. Их сферическая форма указывает на жидкую фазу аэрозолей. Кстати, нельзя исключить, что в облаках есть и частицы серы. Нефелометры «Венеры-13» и «Венеры-14» обнаружили три слоя облаков. Верхний, с постепенно уменьшающейся концентрацией до нескольких десятков частиц в 1 см³, достигает уровня 80 км и даже выше. Его нижняя граница лежит между 56-58 км, где особенно много частиц размером 5-10 мкм. Наибольшая концентрация и крупных, и мелких частиц (до 400 см^-3) относится к нижнему слою облаков - от 49 до 51 км. Уже упоминалось о тонких облаках, лежащих еще ниже, вблизи 48 км. Здесь концентрация частиц резко падает до 1-2 см^-3, причем их размеры не превышают 1-2 мкм. На высоте 31-32 км и они исчезают; ниже атмосфера, по-видимому, не содержит аэрозолей. Нижняя граница основных облаков (49 км) обладает какими-то критическими для аэрозолей свойствами. Температура здесь около 110°С, а давление 1,1 бар.


    Результаты космического эксперимента часто указывают на более сложную, чем представлялось, физику наблюдаемого явления. Именно так развивались события, когда исследовалась электрическая активность атмосферы Венеры. В декабре 1978 года «Венера-11» и «Венера-12», опускаясь в атмосфере планеты, зарегистрировали множество низкочастотных электромагнитных импульсов, очень похожих на те, что возникают в земной атмосфере при разрядах молний. В этом эксперименте, который назывался «Гроза», искали именно молнии. Предполагалось, что если они будут обнаружены, это станет ключом к пониманию происхождения некоторых малых газообразных составляющих в атмосфере Венеры (при электрических разрядах в атмосфере Земли возникают окислы азота, озон и даже синильная кислота). Через несколько дней подобные же импульсы были приняты и на орбитальном аппарате «Пионер - Венера», что подтвердило их реальность.
    Тогда казалось почти несомненным, что, раз молнии существуют, они должны возникать в облаках Венеры, между отдельными слоями или частями облачного слоя. С орбитального аппарата «Пионер - Венера» предприняли поиск световых вспышек в облаках на ночной стороне планеты. Но вспышек не было, хотя электромагнитные импульсы продолжали приниматься. Результаты, полученные на «Венере-11», показывали, что в одном случае импульсы поступали от какого-то небольшого по угловым размерам объекта, непохожего на протяженные грозовые облака. Более того, некоторые исследователи указывали, что количества аэрозолей в облаках недостаточно, дабы накопить необходимые для образования молний большие электрические пространственные заряды. Далее, анализ высотной зависимости напряженности низкочастотного поля, полученной на четырех аппаратах, от «Венеры-11» до «Венеры-14», показал, что скорее всего источник импульсов находился на небольших высотах, но не в облаках. Особенности рефракции радиоволн в атмосфере планеты таковы, что высокое положение источника должно, грубо говоря, давать высокую напряженность поля на больших и низкую на малых высотах в атмосфере. Но «Гроза» указывала на рост напряженности с уменьшением высоты аппарата. Это соответствует низко расположенному источнику поля.
    В 1978 году поступили также сообщения о загадочных явлениях, происходивших с четырьмя американскими зондами на высотах около 12 км (глубоко под облаками). Еще раньше отмечалось, что радиосигнал с некоторых советских аппаратов испытывал в этой зоне резкие изменения фазы, словно «Венеры» проходили сквозь слой плотной плазмы. Но существование плазмы на этих высотах необъяснимо с точки зрения теории. Вместе с тем у всех зондов «Пионер - Венера», опускавшихся в разных районах планеты, на высоте около 12,5 км были повреждены датчики температуры и некоторые другие устройства. Лабораторные исследования приборов-двойников показали, что наиболее вероятной причиной разрушения датчиков мог быть внешний электрический разряд. Так как зонды в это время разделяли многие тысячи километров, напрашивается вывод: электрически активная зона в атмосфере имеет глобальную протяженность. Природа электрической активности на высотах 10-15 км остается совершенно непонятной. Впрочем, не исключено, что сходное чем-то явление уже давно известно на Земле. Оно называется «гром с ясного неба»: имеются данные о разрядах молний в безоблачную погоду. Природа таких молний изучена плохо.

Электрические явления в атмосфере Венеры наблюдались на спускаемых аппаратах «Венера-11» - «Венера-14» как прямая электромагнитная волна от разряда, а на спутнике «Пионер - Венера» - как волна, прошедшая сквозь ионосферу в «моде вистлера». На рисунке разряд показан в облачном слое - такова была первая интерпретация этого явления. Однако есть основания считать, что разряды происходят намного ниже, на высоте около 12 км, но точно указать их положения не удается. Из-за сильной рефракции радиолучей ниже 30 км радиоволны распространяются в своеобразном канале, отклоняясь к поверхности

ВЕНЕРА-13 и ВЕНЕРА-14

    Электромагнитные импульсы принимались на борту спутника «Пионер - Венера» в течение нескольких лет. Из-за влияния ионосферы и по некоторым другим причинам импульсы удавалось регистрировать только над ночной стороной планеты, причем аппарат проходил на высоте всего 150 км. Ионосфера пропускала к аппарату лишь очень небольшую часть импульсов, когда случайно ориентированное локальное магнитное поле было направлено между аппаратом и точкой разряда. Иными словами, требовалось совпадение положения аппарата и во времени, и в пространстве с той точкой, куда приходила волна, распространявшаяся сквозь ионосферу в «моде вистлера», хорошо известной на Земле. Так как в эксперименте «Гроза» импульсы после посадки аппаратов практически не поступали, было сделано предположение, что низкочастотные радиоволны в атмосфере Венеры распространяются на не очень большие расстояния. Тогда район, в котором принят импульс, можно грубо считать районом его возникновения. И вот оказалось: импульсы действительно концентрируются в двух районах планеты - у горных массивов Бета и Феба, относимых геологами к вулканическим, и в восточной части Земли Афродиты. Именно вблизи Фебы, немного к востоку от нее, опустились аппараты «Венера-11» - «Венера-14». Возможно, «Венера-11» угодила в одну из самых активных областей; во всяком случае остальные аппараты отметили напряженности поля раз в 10 меньше, чем «Венера-11». Обозреватель журнала «Sky and Telescope» сопоставил топографию этих районов с данными гравитационной съемки. Оказалось, что есть несомненная корреляция между районами, где регистрировались электромагнитные импульсы, и местами расположения гравитационных аномалий. На Земле такие аномалии сопутствуют молодому вулканизму. Напрашивался вывод, что молнии на Венере связаны не с облаками, а с сильными вулканическими извержениями.


    Молнии над извергающимися вулканами известны и на Земле. В отличие от земных, венерианские извержения должны сопровождаться более интенсивными электрическими явлениями из-за высокой плотности атмосферы. Но главное, сильные и продолжительные извержения действительно должны наблюдаться на Венере. Этот вывод опирается на цепь довольно логичных предположений.

Молнии при извержении вулкана на Земле

ВЕНЕРА-13 и ВЕНЕРА-14

    По всей вероятности, тепловыделение благодаря распаду радиоактивных элементов в коре обеих планет более или менее одинаково (в грунте Венеры содержатся те же радиоактивные элементы, что и на Земле, - уран, торий, калий-40). Тогда средний тепловой поток через поверхность планеты должен быть около 1,5 мккал/см²*с. На Земле конвективные движения в мантии выносят этот поток на поверхность главным образом через «горячие точки» - срединно-океанические рифты. На Венере, где рифты немногочисленны и не имеют глобальной протяженности, основной вынос тепла может происходить лишь во время извержений вулканов. На первый взгляд, возможен и более простой способ: диффузия тепла сквозь кристаллическую кору благодаря молекулярной теплопроводности. Однако на Венере этот механизм, по-видимому, играет лишь второстепенную роль. Из-за низкой теплопроводности коры температура недр быстро растет с глубиной. Поскольку температура поверхности очень высока (450 °С), уровень размягчения литосферы должен находиться близко к поверхности планеты. Это резко снизило бы несущую способность литосферы, а существование высоких гор на планете стало бы невозможным, так как корни этих своеобразных поплавков должны быть расплавлены. Но мы знаем, что горы благополучно стоят на поверхности Венеры, причем наибольшие перепады их высот такие же, как на Земле. Чтобы объяснить этот парадокс, и предложена гипотеза постоянно извергающихся вулканов. Но есть и другие предположения, например, огромные вулканические конусы может поддерживать на поверхности именно динамический напор извергающейся лавы.
    Словом, гипотеза о постоянно извергающихся вулканах почти всем хороша. У нее есть только один изъян: сильные извержения на Земле сопровождаются значительным запылением атмосферы. Между тем пыли в тропосфере Венеры практически нет. Можно, конечно, предположить, что из-за малой скорости ветра у поверхности пыль выпадает вблизи места извержения и не разносится на большие расстояния. Скорость ветра в местах посадки аппаратов «Венера-13» и «Венера-14» действительно невелика: 0,5 и 0,3 м/с соответственно. Если радиус самых мелких частиц близок к 0,1 мм, а высота столба извергающихся пыли и газа не превышает нескольких километров, частицы выпадут в нескольких десятках километров от места извержения. На больших расстояниях атмосфера могла бы остаться незапыленной.
    Панорамы, переданные «Венерой-14», кажется, не противоречат гипотезе о выпадении пыли из атмосферы. В районе посадки аппарата поверхность состоит из наслоений плоских плит небольшой толщины, различающихся оттенками и формой. Некоторые геологи считают, что такой грунт мог образоваться именно в процессах осаждения пыли из атмосферы с последующим ее спеканием в сплошную породу. Некоторые плиты разрушены трещинами.

Поверхность в районе посадки «Венеры-14» почти не имеет аналогов на Земле. Прочные плоские плиты местами разрушены трещинами. Раздробленного грунта здесь почти нет.

ВЕНЕРА-13 и ВЕНЕРА-14

    Вид поверхности на разных панорамах, особенно на панораме, переданной «Венерой-9», не исключает возможности сейсмических явлений. Попытку их зарегистрировать впервые предприняли на «Венере-13» и «Венере-14». Разумеется, было бы наивным надеяться застать «венеротрясение» за один-два часа активного существования аппарата на поверхности планеты. Приборы были рассчитаны на регистрацию микросейсмов - слабых колебаний грунта, которые на Земле возникают, например, под действием волнения океана. Измерения на «Венере-14» продолжались почти час после посадки аппарата. Примерно в середине этого периода отмечены два слабых толчка грунта (микросейсмы). Сам аппарат помех не создавал. И хотя полностью исключить его влияние нельзя, автор статьи больше склоняется к мысли, что это были реальные микросейсмы. Приборы на «Венере-13», опустившейся на расстоянии 950 км от будущего района посадки «Венеры-14», микросейсмы не обнаружили.
    Можно предположить, что рыхлый грунт в районе посадки «Венеры-13» имеет более древний возраст, чем грунт в месте посадки «Венеры-14». Эти старые лавовые образования подверглись сильному химическому выветриванию. Механические измерения, которые выполнялись на обоих аппаратах, показали, что плотность грунта близка к 2 г/см³. Интересно, что предварительный анализ состава грунта в обеих точках дал почти одинаковое количество кремнезема (45 и 49%), но различное содержание окиси калия и кальция (4 и 7% для «Венеры-13», 0,2 и 10% для «Венеры-14» соответственно). Грунт в районе посадки «Венеры-13» отнесен к глубинным базальтоидам, сравнительно редко встречающимся на Земле, а в месте посадки «Венеры-14» - к более распространенным на Земле океаническим толеитовым базальтам. Согласно результатам рентгенофлуоресцентного анализа, 95% массы грунта приходится на кремний, кислород, алюминий, калий, кальций, магний, титан, марганец, железо. Но окончательная интерпретация полученных данных еще впереди, как, впрочем, и всех других экспериментов, которые были проведены на поверхности и в атмосфере Венеры.