Атмосфера Венеры — это очень плотный слой газов, окружающих планету Венера . Атмосфера Венеры состоит на 96,5% из углекислого газа и на 3,5% из азота , а другие химические соединения присутствуют лишь в следовых количествах. [1] Она намного плотнее и горячее, чем на Земле ; температура на поверхности составляет 740 К (467 °C, 872 °F), а давление — 93 бара (1350 фунтов на квадратный дюйм), что примерно соответствует давлению на глубине 900 м (3000 футов) под водой на Земле. Атмосфера Венеры поддерживает слои непрозрачных облаков серной кислоты , которые покрывают всю планету, препятствуя оптическому наземному и орбитальному наблюдению за поверхностью. Информация о топографии поверхности была получена исключительно с помощью радиолокационных изображений .
Помимо самых поверхностных слоев, атмосфера находится в состоянии интенсивной циркуляции. [3] Верхний слой тропосферы демонстрирует явление супервращения , при котором атмосфера облетает планету всего за четыре земных дня, что намного быстрее, чем сидерические сутки планеты , составляющие 243 дня. Ветры, поддерживающие супервращение, дуют со скоростью 100 м/с (≈360 км/ч или 220 миль/ч) [3] или больше. Ветры движутся со скоростью, в 60 раз превышающей скорость вращения планеты, в то время как самые быстрые ветры Земли имеют скорость всего лишь 10–20 % скорости вращения. [4] С другой стороны, скорость ветра становится все медленнее по мере уменьшения высоты над поверхностью, при этом бриз едва достигает скорости 2,8 м/с (≈10 км/ч или 6,2 миль/ч) на поверхности. [5] Вблизи полюсов находятся антициклонические структуры, называемые полярными вихрями . Каждый вихрь имеет двойной глаз и демонстрирует характерный S - образный рисунок облаков. [6] Выше находится промежуточный слой мезосферы , который отделяет тропосферу от термосферы . [3] [2] Термосфера также характеризуется сильной циркуляцией, но по своей природе она сильно отличается — газы, нагретые и частично ионизированные солнечным светом в освещенном солнцем полушарии, мигрируют в темное полушарие, где они рекомбинируют и падают . [2]
В отличие от Земли, Венера не имеет магнитного поля. Ее ионосфера отделяет атмосферу от внешнего космоса и солнечного ветра . Этот ионизированный слой исключает солнечное магнитное поле , давая Венере особую магнитную среду. Это считается индуцированной магнитосферой Венеры . Более легкие газы, включая водяной пар, непрерывно уносятся солнечным ветром через индуцированный магнитный хвост . [3] Предполагается, что атмосфера Венеры примерно до 4 миллиардов лет назад была больше похожа на атмосферу Земли с жидкой водой на поверхности. Неконтролируемый парниковый эффект мог быть вызван испарением поверхностной воды и последующим повышением уровней других парниковых газов . [7] [8]
Несмотря на суровые условия на поверхности, атмосферное давление и температура на высоте около 50–65 км над поверхностью планеты почти такие же, как на Земле, что делает ее верхнюю атмосферу наиболее похожей на Землю областью в Солнечной системе , даже больше, чем поверхность Марса . Из-за сходства давления и температуры, а также того факта, что пригодный для дыхания воздух (21% кислорода , 78% азота ) является подъемным газом на Венере так же, как гелий является подъемным газом на Земле, верхняя атмосфера была предложена в качестве места как для исследования , так и для колонизации . [9]
Христиан Гюйгенс был первым, кто выдвинул гипотезу о существовании атмосферы на Венере. Во второй книге «Космотеора», опубликованной в 1698 году, он пишет: [10]
Я часто удивлялся, что когда я наблюдал Венеру в ее ближайшем к Земле положении, когда она напоминала полумесяц, только что начавший приобретать что-то вроде рогов, через телескоп длиной 45 или 60 футов, она всегда казалась мне одинаково ясной, так что я не могу сказать, что заметил хотя бы одну точку на ней, хотя на Юпитере и Марсе, которые кажутся нам гораздо меньшими, они воспринимаются очень ясно. Ибо если бы у Венеры были такие вещи, как Море и Земля, первое обязательно должно было бы казаться гораздо более темным, чем другое, в чем каждый может убедиться сам, что с очень высокой Горы будет смотреть на нашу Землю сверху вниз. Я думал, что, возможно, слишком яркий Свет Венеры мог быть причиной этого одинакового вида; но когда я использовал для этой цели закопченный бинокль, это было все то же самое. Что же тогда, должно быть, у Венеры нет Моря, или Воды там отражают Свет больше, чем наши, или их Земля меньше? или, скорее (что наиболее вероятно, по моему мнению), не является ли весь этот Свет, который мы видим, отражением от атмосферы, окружающей Венеру, которая, будучи более плотной и твердой, чем атмосфера Марса или Юпитера, мешает нам видеть что-либо на самом земном шаре и в то же время способна отсылать обратно Лучи, которые она получает от Солнца?
Решающее доказательство наличия атмосферы у Венеры было предоставлено Михаилом Ломоносовым на основе его наблюдений за прохождением Венеры в 1761 году в небольшой обсерватории недалеко от его дома в Санкт-Петербурге , Россия . [11]
Атмосфера Венеры состоит на 96,5% из углекислого газа , на 3,5% из азота и следов других газов, в первую очередь из диоксида серы . [12] Количество азота в атмосфере относительно невелико по сравнению с количеством углекислого газа, но поскольку атмосфера намного толще земной, ее общее содержание азота примерно в четыре раза выше, чем на Земле, хотя на Земле азот составляет около 78% атмосферы. [1] [13]
Атмосфера содержит ряд соединений в небольших количествах, включая некоторые на основе водорода , такие как хлористый водород (HCl) и фтористый водород (HF). Также присутствуют оксид углерода , водяной пар и атомарный кислород . [2] [3] Водорода в атмосфере Венеры относительно мало. Предполагается, что большое количество водорода планеты было потеряно в космосе, [14] а остальная часть в основном связана в водяном паре и серной кислоте (H 2 SO 4 ). Убедительным доказательством значительной потери водорода в течение исторической эволюции планеты является очень высокое отношение D–H, измеренное в атмосфере Венеры. [3] Это отношение составляет около 0,015–0,025, что в 100–150 раз выше земного значения 1,6 × 10 −4 . [2] [15] Согласно некоторым измерениям, в верхней атмосфере Венеры отношение D/H в 1,5 раза выше, чем в основной атмосфере. [2]
В 2020 году было много дискуссий относительно того, может ли фосфин (PH 3 ) присутствовать в следовых количествах в атмосфере Венеры. Это было бы примечательно, поскольку фосфин является потенциальным биомаркером, указывающим на присутствие жизни. Это было вызвано объявлением в сентябре 2020 года о том, что это соединение было обнаружено в следовых количествах. Ни один известный абиотический источник, присутствующий на Венере, не мог производить фосфин в обнаруженных количествах. [18] [19] При обзоре была обнаружена ошибка интерполяции, которая привела к появлению нескольких ложных спектроскопических линий, включая спектральную особенность фосфина. Повторный анализ данных с фиксированным алгоритмом либо не привел к обнаружению фосфина [20] [21] , либо обнаружил его с гораздо более низкой концентрацией 1 ppb. [22]
Объявление способствовало повторному анализу данных Pioneer Venus , которые обнаружили, что часть спектральных характеристик хлора и все сероводорода связаны с фосфином , что означает более низкую, чем предполагалось, концентрацию хлора и необнаружение сероводорода . [23] Другой повторный анализ архивных инфракрасных спектральных измерений, проведенных инфракрасным телескопом NASA в 2015 году, не выявил фосфина в атмосфере Венеры, установив верхний предел концентрации фосфина на уровне 5 ppb — четверть спектроскопического значения, зарегистрированного в сентябре. [24]
В 2022 году не было объявлено об обнаружении фосфина с верхним пределом концентрации 0,8 ppb для венерианских высот 75–110 км. [25]
В сентябре 2024 года предварительный анализ данных JCMT-Venus подтвердил наличие фосфина в атмосфере Венеры, с концентрацией 300 ppb на высоте 55 км. Дальнейшая обработка данных все еще необходима для измерения концентрации фосфина глубже в облачном слое Венеры. [26]
Аммиак в атмосфере Венеры был предварительно обнаружен двумя атмосферными зондами - Venera 8 и Pioneer Venus Multiprobe , хотя в то время обнаружение было отклонено из-за плохо изученного поведения датчиков в среде Венеры, а также из-за того, что аммиак считался химически нестабильным в сильно окислительной атмосфере Венеры. [27]
Атмосфера делится на ряд секций в зависимости от высоты. Самая плотная часть атмосферы, тропосфера , начинается у поверхности и простирается вверх до 65 км. Ветры медленные у поверхности, [1] но в верхней части тропосферы температура и давление достигают земных значений, а облака набирают скорость до 100 м/с (360 км/ч). [3] [28]
Атмосферное давление на поверхности Венеры примерно в 92 раза больше, чем на Земле, что сопоставимо с давлением на глубине 900 м (3000 футов) под поверхностью океана. Масса атмосферы составляет 4,8 × 1020 кг, что примерно в 93 раза больше массы всей атмосферы Земли. [29] Плотность воздуха на поверхности составляет 65 кг/м 3 , [29] что составляет 6,5% от плотности жидкой воды на Земле. [30] Давление, обнаруженное на поверхности Венеры, достаточно высоко, чтобы углекислый газ технически больше не был газом, а сверхкритической жидкостью . Этот сверхкритический углекислый газ образует своего рода море с плотностью воды 6,5%, [30] которое покрывает всю поверхность Венеры. Это море сверхкритического углекислого газа очень эффективно переносит тепло, смягчая перепады температур между ночью и днем (которые длятся 56 земных дней). [31] В частности, при возможных более высоких атмосферных давлениях в прошлом Венеры мог образоваться еще более жидкий слой сверхкритического углекислого газа, формирующий ландшафт Венеры; в целом неясно, как ведет себя и формируется сверхкритическая среда. [32]
Большое количество CO 2 в атмосфере вместе с водяным паром и диоксидом серы создают сильный парниковый эффект , удерживая солнечную энергию и повышая температуру поверхности примерно до 740 К (467 °C), [13] горячее, чем любая другая планета в Солнечной системе , даже Меркурий, несмотря на то, что он расположен дальше от Солнца и получает только 25% солнечной энергии (на единицу площади), которую получает Меркурий. [ требуется ссылка ] Средняя температура на поверхности выше точек плавления свинца (600 К, 327 °C), олова (505 К, 232 °C) и цинка (693 К, 420 °C). Толстая тропосфера также делает разницу в температуре между дневной и ночной стороной небольшой, хотя медленное ретроградное вращение планеты приводит к тому, что один солнечный день длится 116,5 земных дней. Поверхность Венеры проводит 58,3 дня в темноте, прежде чем солнце снова взойдет за облаками. [1]
Тропосфера на Венере содержит 99% атмосферы по массе. 90% атмосферы Венеры находится в пределах 28 км (17,5 миль) от поверхности; для сравнения, 90% атмосферы Земли находится в пределах 16 км (10 миль) от поверхности. На высоте 50 км (31 миля) атмосферное давление примерно равно давлению на поверхности Земли. [34] На ночной стороне Венеры облака все еще можно найти на высоте 80 км (50 миль) над поверхностью. [35]
Высота тропосферы, наиболее схожая с земной, находится вблизи тропопаузы — границы между тропосферой и мезосферой. Она расположена немного выше 50 км. [28] Согласно измерениям зондов Magellan и Venus Express , высота от 52,5 до 54 км имеет температуру от 293 К (20 °C) до 310 К (37 °C), а высота 49,5 км над поверхностью — это то место, где давление становится таким же, как на Земле на уровне моря. [28] [36] Поскольку корабли с экипажами, отправленные на Венеру, смогут в определенной степени компенсировать разницу в температуре, то где-то от 50 до 54 км или около того над поверхностью будет самой легкой высотой для базирования исследования или колонии, где температура будет в критическом диапазоне «жидкой воды» от 273 К (0 °C) до 323 К (50 °C), а давление воздуха будет таким же, как в обитаемых регионах Земли. [9] [37] Поскольку CO2 тяжелее воздуха, воздух колонии (азот и кислород) мог бы поддерживать конструкцию на такой высоте, как дирижабль .
Циркуляция в тропосфере Венеры следует так называемому циклострофическому потоку . [3] Ее скорости ветра грубо определяются балансом градиента давления и центробежных сил в почти чисто зональном потоке . Напротив, циркуляция в атмосфере Земли регулируется геострофическим балансом. [3] Скорости ветра Венеры можно напрямую измерить только в верхней тропосфере (тропопаузе), на высоте от 60 до 70 км, что соответствует верхнему облачному ярусу. [38] Движение облаков обычно наблюдается в ультрафиолетовой части спектра , где контраст между облаками самый высокий. [38] Линейные скорости ветра на этом уровне составляют около 100 ± 10 м/с на широте ниже 50°. Они ретроградны в том смысле, что дуют в направлении ретроградного вращения планеты. [38] Ветры быстро уменьшаются по направлению к более высоким широтам, в конечном итоге достигая нуля на полюсах. Такие сильные ветры на вершине облаков вызывают явление, известное как супервращение атмосферы. [3] Другими словами, эти высокоскоростные ветры облетают всю планету быстрее, чем вращается сама планета. [37] Супервращение на Венере является дифференциальным, что означает, что экваториальная тропосфера супервращается медленнее, чем тропосфера в средних широтах. [38] Ветры также имеют сильный вертикальный градиент. Они снижаются глубоко в тропосфере со скоростью 3 м/с на км. [3] Ветры вблизи поверхности Венеры намного медленнее, чем на Земле. Они фактически движутся со скоростью всего несколько километров в час (обычно менее 2 м/с и в среднем от 0,3 до 1,0 м/с), но из-за высокой плотности атмосферы на поверхности этого все еще достаточно, чтобы переносить пыль и мелкие камни по поверхности, во многом подобно медленному течению воды. [1] [39]
Все ветры на Венере в конечном итоге обусловлены конвекцией . [3] Горячий воздух поднимается в экваториальной зоне, где концентрируется солнечное тепло, и течет к полюсам. Такое почти общепланетное переворачивание тропосферы называется циркуляцией Хэдли . [3] Однако меридиональные движения воздуха намного медленнее зональных ветров. Полюсная граница общепланетной ячейки Хэдли на Венере находится вблизи ±60° широты. [3] Здесь воздух начинает опускаться и возвращается к экватору под облаками. Эта интерпретация подтверждается распределением оксида углерода , который также концентрируется вблизи ±60° широты. [3] По направлению к полюсу от ячейки Хэдли наблюдается иная картина циркуляции. В диапазоне широт 60°–70° существуют холодные полярные воротники. [3] [6] Они характеризуются температурами примерно на 30–40 К ниже, чем в верхней тропосфере на близлежащих широтах. [6] Более низкая температура, вероятно, вызвана подъемом воздуха в них и последующим адиабатическим охлаждением. [6] Такая интерпретация подтверждается более плотными и высокими облаками в воротниках. Облака лежат на высоте 70–72 км в воротниках — примерно на 5 км выше, чем на полюсах и низких широтах. [3] Может существовать связь между холодными воротниками и высокоскоростными струйными течениями средних широт, в которых ветры дуют со скоростью до 140 м/с. Такие струи являются естественным следствием циркуляции типа Хэдли и должны существовать на Венере между 55 и 60° широты. [38]
Странные структуры, известные как полярные вихри, лежат внутри холодных полярных воротников. [3] Это гигантские ураганные штормы, в четыре раза больше своих земных аналогов. Каждый вихрь имеет два «глаза» — центра вращения, которые соединены отчетливыми S-образными облачными структурами. Такие двухглазые структуры также называются полярными диполями . [6] Вихри вращаются с периодом около 3 дней в направлении общего супервращения атмосферы. [6] Линейные скорости ветра составляют 35–50 м/с вблизи их внешних краев и нулевые на полюсах. [6] Температура на вершинах облаков в каждом полярном вихре намного выше, чем в соседних полярных воротниках, и достигает 250 К (−23 °C). [6] Традиционная интерпретация полярных вихрей заключается в том, что они являются антициклонами с нисходящим потоком в центре и восходящим потоком в холодных полярных воротниках. [6] Этот тип циркуляции напоминает зимний полярный антициклонический вихрь на Земле, особенно тот, что обнаружен над Антарктидой . Наблюдения в различных инфракрасных атмосферных окнах показывают, что антициклоническая циркуляция, наблюдаемая вблизи полюсов, проникает на глубину до 50 км, т. е. до основания облаков. [6] Полярная верхняя тропосфера и мезосфера чрезвычайно динамичны; большие яркие облака могут появляться и исчезать в течение нескольких часов. Одно из таких событий наблюдалось Venus Express между 9 и 13 января 2007 года, когда южный полярный регион стал ярче на 30%. [38] Это событие, вероятно, было вызвано инъекцией диоксида серы в мезосферу, который затем конденсировался, образуя яркую дымку. [38] Два глаза в вихрях еще предстоит объяснить. [40]
Первый вихрь на Венере был обнаружен на северном полюсе миссией Pioneer Venus в 1978 году. [41] Открытие второго большого «двуглазого» вихря на южном полюсе Венеры было сделано летом 2006 года аппаратом Venus Express , что не стало неожиданностью. [40]
Снимки с орбитального аппарата Акацуки показали нечто похожее на струйные потоки в области низких и средних облаков, которая простирается от 45 до 60 км в высоту. Скорость ветра достигала максимума вблизи экватора. В сентябре 2017 года ученые JAXA назвали это явление «венерианской экваториальной струей». [42]
Мезосфера Венеры простирается от 65 км до 120 км в высоту, а термосфера начинается примерно на высоте 120 км, в конечном итоге достигая верхней границы атмосферы (экзосферы) примерно на высоте 220–350 км. [28] Экзосфера начинается , когда атмосфера становится настолько тонкой, что среднее число столкновений на одну молекулу воздуха становится меньше одного.
Мезосферу Венеры можно разделить на два слоя: нижний между 62 и 73 км [43] и верхний между 73 и 95 км. [28] В первом слое температура почти постоянна и составляет 230 К (−43 °C). Этот слой совпадает с верхним облачным слоем. Во втором слое температура снова начинает снижаться, достигая примерно 165 К (−108 °C) на высоте 95 км, где начинается мезопауза . [28] Это самая холодная часть дневной атмосферы Венеры. [2] В дневной мезопаузе, которая служит границей между мезосферой и термосферой и расположена между 95 и 120 км, температура увеличивается до постоянного значения — около 300–400 К (27–127 °C) — значения, преобладающего в термосфере. [2] Напротив, ночная венерианская термосфера является самым холодным местом на Венере с температурой всего 100 К (−173 °C). Ее даже называют криосферой. [2]
Модели циркуляции в верхней мезосфере и термосфере Венеры полностью отличаются от таковых в нижней атмосфере. [2] На высотах 90–150 км венерианский воздух перемещается с дневной стороны планеты на ночную, с подъемом над освещенным полушарием и опусканием над темным полушарием. Опускание над ночной стороной вызывает адиабатический нагрев воздуха, который образует теплый слой в ночной мезосфере на высотах 90–120 км. [3] [2] Температура этого слоя — 230 К (−43 °C) — намного выше типичной температуры, обнаруженной в ночной термосфере — 100 К (−173 °C). [2] Воздух, циркулирующий с дневной стороны, также несет атомы кислорода, которые после рекомбинации образуют возбужденные молекулы кислорода в долгоживущем синглетном состоянии ( 1 Δ g ) , которые затем расслабляются и испускают инфракрасное излучение на длине волны 1,27 мкм. Это излучение с высоты 90–100 км часто наблюдается с земли и космических аппаратов. [44] Ночная верхняя мезосфера и термосфера Венеры также являются источником нелокальных термодинамически равновесных выбросов молекул CO 2 и оксида азота , которые отвечают за низкую температуру ночной термосферы. [44]
Зонд Venus Express показал с помощью звездного затмения , что атмосферная дымка простирается гораздо дальше на ночной стороне, чем на дневной. На дневной стороне облачный слой имеет толщину 20 км и простирается примерно до 65 км, тогда как на ночной стороне облачный слой в виде густой дымки достигает высоты до 90 км — далеко в мезосферу, продолжаясь еще дальше до 105 км в виде более прозрачной дымки. [35] В 2011 году космический аппарат обнаружил, что Венера имеет тонкий озоновый слой на высоте 100 км. [45]
Венера имеет протяженную ионосферу , расположенную на высотах 120–300 км. [28] Ионосфера почти совпадает с термосферой. Высокие уровни ионизации сохраняются только над дневной стороной планеты. Над ночной стороной концентрация электронов почти равна нулю. [28] Ионосфера Венеры состоит из трех слоев: v1 между 120 и 130 км, v2 между 140 и 160 км и v3 между 200 и 250 км. [28] Может быть дополнительный слой около 180 км. Максимальная объемная плотность электронов (количество электронов в единице объема) 3 × 1011 м −3 достигается в слое v2 вблизи подсолнечной точки . [28] Верхняя граница ионосферы (ионопауза) расположена на высотах 220–375 км и отделяет плазму планетарного происхождения от плазмы индуцированной магнитосферы . [46] [47] Основным ионным видом в слоях v1 и v2 является ион O2 + , тогда как слой v3 состоит из ионов O + . [28] Наблюдается, что ионосферная плазма находится в движении; солнечная фотоионизация на дневной стороне и рекомбинация ионов на ночной стороне являются процессами, в основном ответственными за ускорение плазмы до наблюдаемых скоростей. Поток плазмы, по-видимому, достаточен для поддержания ночной ионосферы на наблюдаемом среднем уровне или около него плотности ионов. [48]
Известно, что у Венеры нет магнитного поля . [46] [47] Причина его отсутствия не совсем ясна, но она может быть связана с пониженной интенсивностью конвекции в мантии Венеры . У Венеры есть только индуцированная магнитосфера, образованная магнитным полем Солнца, переносимым солнечным ветром . [46] Этот процесс можно понимать как обертывание линий поля вокруг препятствия — в данном случае Венеры. Индуцированная магнитосфера Венеры имеет ударную волну , магнитооболочку , магнитопаузу и магнитный хвост с токовым слоем . [46] [47]
В подсолнечной точке ударная волна находится на высоте 1900 км (0,3 R v , где R v — радиус Венеры) над поверхностью Венеры. Это расстояние было измерено в 2007 году вблизи минимума солнечной активности. [47] Вблизи максимума солнечной активности она может быть в несколько раз дальше от планеты. [46] Магнитопауза расположена на высоте 300 км. [47] Верхняя граница ионосферы ( ионопаузы) находится около 250 км. Между магнитопаузой и ионопаузой существует магнитный барьер — локальное усиление магнитного поля, которое не позволяет солнечной плазме проникать глубже в атмосферу Венеры, по крайней мере вблизи минимума солнечной активности . Магнитное поле в барьере достигает до 40 нТл . [47] Магнитный хвост продолжается до десяти радиусов от планеты. Это самая активная часть магнитосферы Венеры. В хвосте происходят события пересоединения и ускорения частиц . Энергии электронов и ионов в хвосте магнитосферы составляют около 100 и 1000 эВ соответственно. [49]
Из-за отсутствия собственного магнитного поля на Венере солнечный ветер проникает относительно глубоко в экзосферу планеты и вызывает существенную потерю атмосферы. [50] Потери происходят в основном через хвост магнитосферы. В настоящее время основными типами теряемых ионов являются O + , H + и He + . Соотношение потерь водорода и кислорода составляет около 2 (т.е. почти стехиометрическое для воды), что указывает на продолжающуюся потерю воды. [49]
Венерианские облака густые и состоят в основном (75–96%) из капель серной кислоты. [51] Эти облака скрывают поверхность Венеры от оптических изображений и отражают около 75% [52] солнечного света, который падает на них. [1] Геометрическое альбедо , общепринятая мера отражательной способности, является самым высоким среди всех планет Солнечной системы . Эта высокая отражательная способность потенциально позволяет любому зонду, исследующему верхние части облаков, получать достаточно солнечной энергии , чтобы солнечные элементы можно было установить в любом месте на корабле. [53] Плотность облаков сильно варьируется, при этом самый плотный слой находится примерно в 48,5 км, достигая 0,1 г/м 3 , что аналогично нижнему диапазону кучево-дождевых грозовых облаков на Земле. [54]
Облачный покров таков, что отражает более 60% солнечного света, который получает Венера, оставляя поверхность с типичным уровнем освещенности 14 000 люкс , что сопоставимо с уровнем на Земле «днем с облачностью». [55] Эквивалентная видимость составляет около трех километров, но она, вероятно, будет меняться в зависимости от ветровых условий. Мало или совсем не может быть собрано солнечными панелями на наземном зонде. Фактически, из-за толстого, высокоотражающего облачного покрова общая солнечная энергия, получаемая поверхностью планеты, меньше, чем у Земли, несмотря на ее близость к Солнцу.
Серная кислота образуется в верхних слоях атмосферы в результате фотохимического воздействия Солнца на углекислый газ , диоксид серы и водяной пар. [56] Ультрафиолетовые фотоны с длиной волны менее 169 нм могут фотодиссоциировать углекислый газ на оксид углерода и одноатомный кислород . Одноатомный кислород очень реактивен; когда он реагирует с диоксидом серы, следовым компонентом венерианской атмосферы, получается триоксид серы , который может соединяться с водяным паром, другим следовым компонентом венерианской атмосферы, образуя серную кислоту. [57]
Влажность на уровне поверхности составляет менее 0,1%. [58] Сернокислотные дожди Венеры никогда не достигают земли, а испаряются под воздействием тепла, прежде чем достигнуть поверхности, в явлении, известном как вирга . [59] Предполагается, что ранняя вулканическая активность высвободила серу в атмосферу, а высокие температуры не позволили ей захватить твердые соединения на поверхности, как это было на Земле. [60] Помимо серной кислоты, капли облаков могут содержать широкий спектр сульфатных солей, повышая pH капель до 1,0 в одном из сценариев, объясняющих измерения диоксида серы . [61]
В 2009 году заметное яркое пятно в атмосфере было замечено астрономом-любителем и сфотографировано Venus Express . Его причина в настоящее время неизвестна, и в качестве возможного объяснения выдвигается поверхностный вулканизм . [62]
Облака Венеры могут быть способны производить молнии , [63] но дебаты продолжаются, также обсуждаются вулканические молнии и спрайты. [64] [65] Советские орбитальные аппараты Венера 9 и 10 получили неоднозначные оптические и электромагнитные доказательства молний. [66] [67] Были попытки наблюдать молнии с посадочных аппаратов Венера 11, 12, 13 и 14, однако никакой активности молний зарегистрировано не было, [68] но во время спуска были обнаружены волны очень низкой частоты (ОНЧ). [69] Европейский космический аппарат Venus Express в 2007 году обнаружил свистящие волны , которые можно было бы отнести к молниям. [70] Их прерывистое появление предполагает закономерность, связанную с погодной активностью. Согласно наблюдениям за свистящими, частота молний составляет по крайней мере половину от таковой на Земле [63] и, возможно, может быть схожей. [69] Однако результаты Venus Express несовместимы с данными космического аппарата JAXA Akatsuki, которые указывают на очень низкую частоту вспышек. [71] Недавние исследования, проведенные в ходе пролета Parker Solar Probe, показывают, что направление свистящих волн направлено к Венере, а не от нее, что указывает на непланетарное происхождение. [72]
Pioneer Venus Orbiter (PVO) был оснащен детектором электрического поля специально для обнаружения молний, а миссии Venera 13 и 14 включали радиоприемник и датчик точечного разряда для поиска гроз. Другие миссии, оснащенные приборами, которые могли искать молнии, включали Venera 9, которая имела видимый спектрометр; Pioneer, у которого был звездный датчик; и VEGA, у которого был фотометр. [68]
Механизм, генерирующий молнии на Венере, если он существует, остается неизвестным. Хотя капли серной кислоты в облаках могут заряжаться, атмосфера может быть слишком электропроводной для поддержания заряда, что препятствует возникновению молний. [73]
Молния может потенциально способствовать химии атмосферы, посредством нагрева, которое может расщеплять молекулы, содержащие молекулы углерода, кислорода, серы, азота и водорода (углекислый газ, газообразный азот, серная кислота и вода), которые будут рекомбинировать, образуя новые молекулы («оксиды углерода», «субоксиды», «оксиды серы», «кислород», «элементарная сера», «оксиды азота», «кластеры серной кислоты», «полисульфурные оксиды», «сажа» и т. д.). [69] Молния может способствовать образованию оксида углерода и кислорода, преобразуя серу и диоксид серы в серную кислоту, а воду и диоксид серы в серу для поддержания облаков. Независимо от того, насколько часто случаются молнии на Венере, важно изучать их, поскольку они могут представлять потенциальную опасность для космических аппаратов. [68]
На протяжении 1980-х годов считалось, что причиной свечения ночной стороны Венеры (« пепельного света ») являются молнии [74] [68], однако существует вероятность, что молнии Венеры будут слишком слабыми, чтобы вызвать это свечение. [68]
Из-за суровых условий на поверхности планеты изучено немного; в дополнение к тому факту, что жизнь, как она понимается в настоящее время, может быть не обязательно такой же в других частях вселенной, степень стойкости жизни на самой Земле еще не была показана. На Земле существуют существа, известные как экстремофилы , предпочитающие экстремальные среды обитания. Термофилы и гипертермофилы процветают при температурах, превышающих точку кипения воды, ацидофилы процветают при уровне pH 3 или ниже, полиэкстремофилы могут выживать в различных экстремальных условиях, и на Земле существует множество других типов экстремофилов. [75]
Температура поверхности Венеры (более 450 °C) намного превышает экстремофильный диапазон, который простирается всего на десятки градусов за пределы 100 °C. Однако более низкая температура верхних слоев облаков означает, что жизнь может существовать там, так же, как бактерии были обнаружены живущими и размножающимися в облаках на Земле. [76] Однако любые такие бактерии, живущие в верхних слоях облаков, должны быть гиперацидофильными из-за концентрированной сернокислой среды. Микробы в плотной облачной атмосфере могут быть защищены от солнечной радиации соединениями серы в воздухе. [75]
Было обнаружено, что атмосфера Венеры достаточно неравновесна, чтобы требовать дальнейшего исследования. [75] Анализ данных миссий Венеры, Пионера и Магеллана обнаружил сероводород (позже оспариваемый [23] ) и диоксид серы (SO 2 ) вместе в верхних слоях атмосферы, а также карбонилсульфид (OCS). Первые два газа реагируют друг с другом, что подразумевает, что что-то должно их производить. Карбонилсульфид трудно производить неорганическим путем, но он присутствует в атмосфере Венеры. [76] Однако вулканизм планеты мог бы объяснить присутствие карбонилсульфида. [76] Кроме того, один из ранних зондов Венеры обнаружил большое количество токсичного хлора чуть ниже облачного покрова Венеры. [77]
Было высказано предположение, что микробы на этом уровне могут поглощать ультрафиолетовый свет от Солнца в качестве источника энергии, что может быть возможным объяснением «неизвестного поглотителя УФ-излучения», видимого как темные пятна на УФ-снимках планеты. [78] [79] Существование этого «неизвестного поглотителя УФ-излучения» побудило Карла Сагана опубликовать статью в 1963 году, в которой была предложена гипотеза о микроорганизмах в верхних слоях атмосферы как агенте, поглощающем УФ-излучение. [80] В 2012 году были исследованы распространенность и вертикальное распределение этих неизвестных поглотителей ультрафиолета в атмосфере Венеры с помощью анализа изображений камеры мониторинга Венеры, [81] но их состав до сих пор неизвестен. [75] В 2016 году диоксид серы был идентифицирован как возможный кандидат на то, чтобы вызвать до сих пор неизвестное поглощение УФ-излучения в атмосфере Венеры. [82] Темные пятна «неизвестных поглотителей УФ-излучения» достаточно заметны, чтобы влиять на погоду на Венере. [83] В 2021 году было высказано предположение, что цвет «неизвестного поглотителя УФ-излучения» соответствует цвету «красного масла» — известного вещества, включающего смешанные органические углеродные соединения, растворенные в концентрированной серной кислоте. [84]
В сентябре 2020 года исследования, проведенные Кардиффским университетом с использованием радиотелескопов Джеймса Клерка Максвелла и ALMA, отметили обнаружение фосфина в атмосфере Венеры, который не был связан ни с одним известным абиотическим методом производства, существующим или возможным в условиях Венеры. Его чрезвычайно сложно производить, и химия в облаках Венеры должна разрушить молекулы, прежде чем они смогут накопиться до наблюдаемых количеств. Фосфин был обнаружен на высоте не менее 48 км над поверхностью Венеры и был обнаружен в основном в средних широтах, при этом на полюсах Венеры его не обнаружено. Ученые отмечают, что само обнаружение может быть дополнительно проверено за пределами использования нескольких телескопов, обнаруживающих один и тот же сигнал, поскольку описанный в исследовании отпечаток фосфина теоретически может быть ложным сигналом, введенным телескопами или обработкой данных. [85] [86] [87] [88] Позднее было высказано предположение, что обнаружение было ложноположительным [21] или истинным сигналом с сильно завышенной амплитудой, совместимым с концентрацией фосфина 1 ppb. [22] Повторный анализ набора данных ALMA в апреле 2021 года восстановил сигнал фосфина 20 ppb с отношением сигнал/шум 5,4, [22] и к августу 2021 года было подтверждено, что предполагаемое загрязнение диоксидом серы составляло всего 10% от предварительного сигнала в спектральной линии фосфина. [89]
Благодаря исследованиям современной структуры облаков и геологии поверхности, в сочетании с тем фактом, что светимость Солнца увеличилась на 25% с тех пор, как около 3,8 миллиарда лет назад, [90] считается, что ранняя среда Венеры была больше похожа на земную с жидкой водой на поверхности. В какой-то момент эволюции Венеры произошел неконтролируемый парниковый эффект , что привело к нынешней атмосфере с преобладанием парникового эффекта. Время этого перехода от земной атмосферы неизвестно, но, по оценкам, он произошел около 4 миллиардов лет назад. Неконтролируемый парниковый эффект мог быть вызван испарением поверхностной воды и последующим повышением уровня парниковых газов . Поэтому атмосфера Венеры привлекла большое внимание тех, кто изучает изменение климата на Земле. [7] [91]
На планете нет геологических форм, которые предполагали бы наличие воды за последний миллиард лет. Однако нет никаких оснований полагать, что Венера была исключением из процессов, которые сформировали Землю и дали ей воду в течение ее ранней истории, возможно, из исходных пород, которые сформировали планету, или позже из комет . Распространенное мнение среди ученых-исследователей заключается в том, что вода могла существовать около 600 миллионов лет на поверхности, прежде чем испариться, хотя некоторые, такие как Дэвид Гринспун, считают, что до 2 миллиардов лет также могут быть правдоподобными. [92] Этот более длительный временной масштаб для сохранения океанов также подтверждается моделированием модели общей циркуляции, включающим тепловое воздействие облаков на развивающуюся гидросферу Венеры. [93]
Большинство ученых полагают, что на ранней Земле в хадейский эон была атмосфера, похожая на атмосферу Венеры, с примерно 100 бар CO2 и температурой поверхности 230 °C, а также, возможно, даже облаками серной кислоты, пока около 4,0 миллиардов лет назад, к этому времени тектоника плит не достигла полной силы и вместе с ранними водными океанами удалила CO2 и серу из атмосферы. [94] Таким образом, на ранней Венере, скорее всего, были водные океаны, как на Земле, но любая тектоника плит закончилась бы, когда Венера потеряла свои океаны. [ требуется цитата ] Ее поверхность оценивается примерно в 500 миллионов лет, поэтому не ожидается, что она будет демонстрировать признаки тектоники плит. [95]
В 1761 году русский эрудит Михаил Ломоносов наблюдал дугу света, окружающую часть Венеры за пределами солнечного диска в начале фазы выхода транзита, и пришел к выводу, что у Венеры есть атмосфера. [96] [97] В 1940 году Руперт Вильдт подсчитал, что количество CO 2 в атмосфере Венеры поднимет температуру поверхности выше точки кипения воды. [98] Это было подтверждено, когда Mariner 2 провел радиометрические измерения температуры в 1962 году. В 1967 году Venera 4 подтвердила, что атмосфера состоит в основном из углекислого газа. [98]
Верхнюю атмосферу Венеры можно измерить с Земли, когда планета пересекает Солнце в редком событии, известном как солнечный транзит . Последний солнечный транзит Венеры произошел в 2012 году. Используя количественную астрономическую спектроскопию , ученые смогли проанализировать солнечный свет, прошедший через атмосферу планеты, чтобы выявить химические вещества в нем. Поскольку метод анализа света для получения информации об атмосфере планеты впервые показал результаты только в 2001 году, [99] это была первая возможность получить убедительные результаты таким образом об атмосфере Венеры с тех пор, как началось наблюдение за солнечными транзитами. Этот солнечный транзит был редкой возможностью, учитывая отсутствие информации об атмосфере между 65 и 85 км. [100] Солнечный транзит в 2004 году позволил астрономам собрать большой объем данных, полезных не только для определения состава верхней атмосферы Венеры, но и для совершенствования методов, используемых при поиске внесолнечных планет . Атмосфера, состоящая в основном из CO 2 , поглощает ближнее инфракрасное излучение, что облегчает наблюдение. Во время транзита 2004 года поглощение в атмосфере как функция длины волны выявило свойства газов на этой высоте. Доплеровский сдвиг газов также позволил измерить ветровые модели. [101]
Прохождение Венеры по диску Солнца — чрезвычайно редкое событие, и последний раз прохождение планеты по диску Солнца до 2004 года было в 1882 году. Самый последний прохождение по диску Солнца было в 2012 году; следующий произойдёт только в 2117 году. [100] [101]
Космический аппарат Venus Express , ранее находившийся на орбите планеты, исследовал более глубокие слои атмосферы, используя инфракрасную спектроскопию в спектральном диапазоне 1–5 мкм . [3]
Зонд JAXA Akatsuki (Venus Climate Orbiter) , запущенный в мае 2010 года, изучает планету в течение двух лет, включая структуру и активность атмосферы, но ему не удалось выйти на орбиту Венеры в декабре 2010 года. Вторая попытка выйти на орбиту увенчалась успехом 7 декабря 2015 года. [102] Разработанный специально для изучения климата планеты, Akatsuki является первым метеорологическим спутником, вышедшим на орбиту Венеры (первым для планеты, отличной от Земли). [103] [104] Одна из его пяти камер, известная как «IR2», сможет исследовать атмосферу планеты под ее густыми облаками, в дополнение к ее движению и распределению следовых компонентов. Благодаря сильно эксцентричной орбите ( высота перицентра 400 км и апоцентр 310 000 км), он сможет делать фотографии планеты крупным планом, а также должен подтвердить наличие как действующих вулканов, так и молний. [105]
Venus In-Situ Explorer , предложенный программой NASA New Frontiers, представляет собой предлагаемый зонд, который поможет понять процессы на планете, приведшие к изменению климата, а также проложит путь к более поздней миссии по возвращению образцов. [106]
Группа по исследованию Венеры (VEXAG) предложила аппарат под названием Venus Mobile Explorer для изучения состава и изотопных измерений поверхности и атмосферы в течение примерно 90 дней. Миссия не была выбрана для запуска. [107]
После того, как миссии обнаружили реальность суровой природы поверхности планеты, внимание переключилось на другие цели, такие как Марс. Однако впоследствии было предложено несколько миссий, и многие из них связаны с малоизвестными верхними слоями атмосферы. Советская программа Vega в 1985 году сбросила два воздушных шара в атмосферу, но они работали на батарейках и продержались всего около двух земных дней каждый, прежде чем разрядились. С тех пор не проводилось никаких исследований верхних слоев атмосферы. В 2002 году подрядчик NASA Global Aerospace предложил воздушный шар, который мог бы оставаться в верхних слоях атмосферы в течение сотен земных дней вместо двух. [108]
Солнечный летательный аппарат также был предложен Джеффри А. Лэндисом вместо воздушного шара, [37] и эта идея время от времени появлялась с начала 2000-х годов. Венера имеет высокое альбедо и отражает большую часть солнечного света, который падает на нее, делая поверхность довольно темной, верхняя атмосфера на высоте 60 км имеет восходящую солнечную интенсивность 90%, что означает, что солнечные панели как сверху, так и снизу корабля могут использоваться с почти одинаковой эффективностью. [53] В дополнение к этому, немного более низкая гравитация, высокое давление воздуха и медленное вращение, обеспечивающие постоянную солнечную энергию, делают эту часть планеты идеальной для исследования. Предлагаемый летательный аппарат будет работать лучше всего на высоте, где солнечный свет, давление воздуха и скорость ветра позволят ему оставаться в воздухе постоянно, с небольшими спусками на более низкие высоты в течение нескольких часов за раз, прежде чем вернуться на более высокие высоты. Поскольку серная кислота в облаках на этой высоте не представляет угрозы для должным образом защищенного аппарата, этот так называемый «солнечный летательный аппарат» сможет измерять область между 45 км и 60 км неограниченно долго, сколько бы времени ни потребовалось для механической ошибки или непредвиденных проблем, чтобы привести к его отказу. Лэндис также предположил, что марсоходы, подобные Spirit и Opportunity, могли бы исследовать поверхность, с той разницей, что марсоходы для исследования поверхности Венеры будут «немыми» марсоходами, управляемыми радиосигналами с компьютеров, расположенных в летательном аппарате выше, [109] требующими только таких деталей, как двигатели и транзисторы, чтобы выдерживать условия поверхности, но не более слабых деталей, задействованных в микроэлектронике , которые нельзя сделать устойчивыми к теплу, давлению и кислотным условиям. [110]
Планы российской космической науки включают запуск зонда « Венера -Д» в 2029 году. [111] Основными научными целями миссии «Венера-Д» являются исследование структуры и химического состава атмосферы, а также исследование верхних слоев атмосферы, ионосферы, электрической активности, магнитосферы и скорости убегания. [112] Было предложено запустить вместе с «Венера-Д» надувной летательный аппарат, разработанный компанией Northrop Grumman, под названием «Венера Атмосферная Маневренная Платформа» (ВАМП). [113] [114] [115]
High Altitude Venus Operational Concept (HAVOC) — это концепция NASA для пилотируемого исследования Венеры. Вместо традиционных посадок, она будет отправлять экипажи в верхние слои атмосферы, используя дирижабли. Другие предложения конца 2010-х годов включают VERITAS , Venus Origins Explorer , VISAGE и VICI . В июне 2018 года NASA также заключило контракт с Black Swift Technologies на концептуальное исследование планера Venus, который будет использовать сдвиг ветра для подъемной силы и скорости. [116]
В июне 2021 года НАСА выбрало миссию DAVINCI+ для отправки атмосферного зонда на Венеру в конце 2020-х годов. DAVINCI+ измерит состав атмосферы Венеры, чтобы понять, как она сформировалась и развивалась, а также определит, был ли на планете когда-либо океан. Миссия состоит из спускаемой сферы, которая погрузится в плотную атмосферу планеты, измеряя благородные газы и другие элементы, чтобы понять изменение климата Венеры. Это будет первая возглавляемая США миссия к атмосфере Венеры с 1978 года. [117]
HITRAN — это сборник спектроскопических параметров, которые различные компьютерные коды используют для прогнозирования и моделирования передачи и излучения света в атмосфере.
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )100 ватт на квадратный метр ... 14 000 люкс ... соответствует ... дневному времени с облачностью