Что известно о климатических условиях на Венере? Какова история изучения этой планеты? Из каких газов состоит атмосфера Венеры? Чем обусловлен температурный режим на планете? Об этом рассказывает кандидат физико-математических наук Дмитрий Титов.

Земля и Венера - это две планеты-близнеца, которые образовались в одной части Солнечной системы, получают одинаковое количество солнечной энергии и имеют одинаковые размеры. Вполне разумно было ожидать, что эти две планеты представляют собой близнецов и с точки зрения климатических условий и атмосфер. При исследованиях оказалось, что эти две планеты просто антиподы. Поэтому главный вопрос, которым заняты ученые и который их интересует, - это почему две планеты, начавшие как близнецы в Солнечной системе четыре с половиной миллиарда лет назад, закончили свой эволюционный путь совершенно различными объектами. В частности, на Земле существуют вполне комфортные условия, в то время как на Венере сущий ад: огромные температуры, очень высокие давления на поверхности и так далее.

Облачный слой состоит из частиц серной кислоты, и это одно из отличий от земных облаков, которые состоят из воды. Серная кислота производится в так называемой фотохимической лаборатории у верхней границы облаков из двуокиси серы и кислорода. В результате окисления появляются молекулы серной кислоты. Основной компонентой атмосферы является двуокись углерода, и давление у поверхности достигает практически 90 атмосфер. Это очень плотная атмосфера. Скажем, на Земле такие условия достигаются на глубине порядка одного километра в океане. И из-за такой плотной двуокиси углерода появляется сильный парниковый эффект. Второй компонентой атмосферы является азот, кислорода там практически нет, есть еще небольшое количество водяного пара. Если на Земле среднее количество воды - это практически пятикилометровый слой океанов, в то время как если всю воду собрать на поверхности Венеры, то получится океан глубиной всего пять сантиметров.

Парниковый эффект - это визитная карточка Венеры, потому что там он разогнан до совершенно невообразимых условий. Парниковый эффект - это разница температуры на поверхности данной конкретной планеты с атмосферой и той температуры, которую имела бы эта планета, если убрать у нее атмосферу. То есть парниковый эффект - влияние газов аэрозоли, облаков, которые находятся в атмосфере. На Венере парниковый эффект составляет порядка 500 градусов. Это огромная величина, и создается она за счет того, что атмосфера исключительно плотная, газ двуокись углерода имеет огромное количество очень сильных полос поглощения в инфракрасной области, и эти полосы поглощения препятствуют охлаждению планеты через излучение инфракрасного диапазона спектра. Именно поэтому планета разогревается практически до красного каления. Ночью можно увидеть свечение камней.

Планета Венера

В солнечной системе это вторая планета после Меркурия и третья по яркости на ночном небе, за что ее назвали утренней звездой.

Возраст Венеры около 4,6 млрд. лет, он был определен с помощью падающих на землю метеоритов, с применением радиоуглеродного датирования, которое показывало единый возраст не только Венеры, но и всей Солнечной системы.

Относится Венера к планетам земной группы и её часто называют злым близнецом Земли, потому что она имеет раскаленную атмосферу.

Размер, масса, состав, гравитационные характеристики Земли и Венеры практически схожи.

Ядро Венеры состоит из металла, в мантии присутствуют жидкие горные породы и верхняя твердая внешняя кора. Но, возможности увидеть напрямую внутреннее строение планеты, у исследователей пока нет.

Поскольку поверхность Венеры очень горячая и космический корабль не может более двух часов находиться на ней, то информация о внутреннем составе недоступна.

В результате того, что плотности планет земной группы совпадают, ученые предположили, что её внутренняя структура схожа с земной структурой.

Венера не теряет свое внутреннее тепло и в результате этого у неё отсутствует генерируемое магнитное поле.

С появлением беспилотных космических кораблей, оснащенных радарами, стало возможным пройти через густые облака планеты и определить топографические характеристики поверхности.

Было выяснено, что планету покрывают ударные кратеры и древние вулканы. Есть предположения, что в геологическом прошлом, а именно 300-500 млн. лет назад, поверхность планеты была разрушена в результате каких-то глобальных событий. Эту информацию вычислили по количеству ударных кратеров на поверхности.

Верхняя твердая оболочка Венеры – кора, содержит кремниевые породы и имеет толщину около 50 км, а толщина мантии, расположенной ниже, по подсчетам ученых, имеет толщину 3000 км, но, её состав неизвестен.

Центральная часть планеты – ядро, твердое или жидкое и состоит из железа и никеля. Ввиду того, что у Венеры отсутствует свое геомагнитное поле, то, по всей вероятности, внутри ядра нет конвекции.

Между внутренним и внешним ядром кардинальных различий по температуре нет, поэтому металл, находящийся в составе ядра не перемещается и не создает магнитное поле.

Атмосфера Венеры

Атмосфера планеты в основном состоит из двуокиси углерода с примесями азота.

Воздух очень плотный и образует азотные сгустки в 4 раза превышающие земные. Такое сочетание газов лежит в основе парникового эффекта, способного удерживать критически высокую температуру.

Облака планеты тоже накапливают тепло и функционируют как «заслонка» для наблюдений с поверхности Земли.

Давление на Венере в 90 раз больше, чем на Земле и, несмотря на почти одинаковые размеры планет, человек будет чувствовать себя как на большой глубине в океане.

Атмосфера Венеры на 96% состоит из двуокиси углерода, 3,5% азота, 1% окиси углерода, аргона, диоксида серы, водяного пара.

Исследователи планеты в 60-е годы были убеждены в том, что климат Венеры похож на климат Земли и ссылались на то, что планета спрятана под густыми облаками, которые в земных условиях несут обилие влаги, а это значит, там возможна жизнь. Микроволновой обзор выявил очень высокую температуру и надежды исчезли. Облака представлены парами серной кислоты, а не влагой. Масса венерианской атмосферы превосходит земную в 93 раза.

Предположительно ранее Венера обладала нормальной атмосферой, а её магнитосфера перестала функционировать после сильнейшего и неизвестного вмешательства.Защита планеты была потеряна, и солнечный ветер разорвал её атмосферный слой на части. Водород и вся вода сразу исчезли из состава атмосферы.

Средняя температура на Венере, стабильно удерживаемая в течение суток, составляет 462 градуса, чего вполне достаточно для плавления свинца.

Наклон оси Венеры составляет 3 градуса, поэтому на планете нет времен года. Ветры, дующие на Венере, имеют скорость 360 км/ч, благодаря им облака постоянно перемещаются. Ближе к поверхности скорость ветров становится меньше. После каждого осевого оборота ветры прекращаются на 4 дня.

Облака имеют ярко-желтый или белый цвет.

Венера имеет свое альбедо, которое формируется атмосферными облаками, состоящими из серной кислоты.

Определение 1

Альбедо – это способность небесного тела отражать свет Солнца.

Теоретически максимальный показатель достигает 1 и приравнивается к 100% отражения поступающих электромагнитных лучей.

Если небесное тело полностью черное, то альбедо будет равно нулю. Так, например, альбедо Луны составляет 0.12, это говорит о том, что наша Луна, ярко сияющая на ночном небе, на самом деле довольно мрачная.

Спутник Сатурна – Энцелад, имеет альбедо 0.99 - это значит, что он почти полностью отбивает весь свет.

Показатель альбедо Венеры равен 0.75, поэтому она выглядит очень яркой, сияющей звездой.

Парниковый эффект Венеры

Венеру от всех других планет отличает её парниковый эффект, создаваемый газами и облаками, находящимися в атмосфере.

Специалисты предполагают, что когда-то Венера имела низкую температуру и даже воду в жидком состоянии, чем напоминала Землю. Миллиарды лет назад запустился процесс нагревания, вода испарилась, и пространство наполнилось углекислым газом.

Парниковый эффект находится в атмосфере планеты и составляет около 500 градусов.

Двуокись углерода, находящегося в атмосфере Венеры, делает её очень плотной и препятствует охлаждению через излучение инфракрасного диапазона спектра. В результате этого поверхность планеты разогревается до критических отметок. Температура на поверхности планеты поднимается в результате тепловой энергии из-за нагревания газов.

Земля избежала участи своей соседки благодаря наличию океанов, которые поглощают атмосферный углерод и накапливают его в горных породах.

На Венере океаны отсутствуют, поэтому весь углекислый газ выделяемый вулканами в атмосферу, в ней и остается – это уже неуправляемый парниковый эффект.

Солнечного тепла Венера получает в два раза больше, чем Земля. Однако если Землю поставить на место Венеры, то её температура была бы выше только на 60 градусов и составляла 75 градусов, но, никак не 480, это значит, что причина высокой температуры заключается не в расстоянии до Солнца.

Ответ нашел американский ученый Карл Сагал – причина заключается в атмосфере планеты, которая является гигантским парником, на 96-98% состоящая из углекислого газа. Этот газ, полученное от Солнца тепло, не выпускает наружу, и оно возвращается к поверхности Венеры. Солнце не останавливает свою деятельность и продолжает излучать тепло, нагревая поверхность. Планета излучает полученное тепло обратно в космос, а облака газа это тепло не пропускают и возвращают его обратно. Таким образом, Венера с каждым днем разогревается всё больше и больше. Нагревание планеты происходит за счет окутывающих её облаков.

Парниковый эффект присутствует не на всех планетах, а только на тех, в атмосфере которых есть главный его элемент – углекислый газ.

В последние десятилетие словосочетание «парниковый эффект» практически не сходит ни с экранов телевидения, ни со страниц газет. Учебные программы сразу по нескольким дисциплинам предусматривают его тщательное изучение, причем практически всегда указывается его негативное значение для климата нашей планеты. Однако это явление на самом деле намного более многогранно, чем это преподносится обывателю.

Без парникового эффекта жизнь на нашей планете была бы под вопросом

Можно начать с того, что парниковый эффект на нашей планете существовал на протяжении всей ее истории. Такое явление просто-напросто неизбежно для тех небесных тел, у которых, как и у Земли, присутствует устойчивая атмосфера. Без него, например, Мировой океан давно бы замерз, а высшие формы жизни вообще не появились бы. Ученые уже давно научно доказали, что если бы в нашей атмосфере отсутствовал углекислый газ, наличие которого является необходимой оставляющей процесса возникновения парникового эффекта, то температура на планете колебалась бы в пределах -20 0 С, так что речь о возникновении жизни вообще бы не шла.

Причины и сущность парникового эффекта

Отвечая на вопрос: "Что такое парниковый эффект?", в первую очередь следует отметить, что свое название данное физическое явление получило по аналогии с теми процессами, которые происходят в теплице у садоводов. Внутри нее, независимо от времени года, всегда на несколько градусов теплее, чем в окружающем пространстве. Все дело в том, что растения поглощают видимые солнечные лучи, которые абсолютно свободно проходят и через стекло, и через полиэтилен, и вообще практически через любое препятствие. После этого сами растения также начинают излучать энергию, однако уже в инфракрасном диапазоне, лучи которого уже не могут свободно преодолевать то же стекло, поэтому возникает парниковый эффект. Причины этого явления, таким образом, лежат именно в дисбалансе между спектром видимых солнечных лучей и теми излучениями, которые отдают во внешнюю среду растения и другие предметы.

Физическая основа парникового эффекта

Что касается нашей планеты в целом, то парниковый эффект здесь возникает из-за наличия устойчивой атмосферы. Чтобы поддерживать свой температурный баланс, Земля должна отдавать столько же энергии, сколько она получает от Солнца. Однако наличие в атмосфере углекислого газа и воды, которые поглощают инфракрасные лучи, выполняя, таким образом, роль стекла в теплице, вызывает образование так называемых парниковых газов, часть из которых возвращается обратно к Земле. Эти газы создают "эффект одеяла", повышая температуру у поверхности планеты.

Парниковый эффект на Венере

Из вышесказанного можно сделать вывод, что парниковый эффект характерен не только для Земли, но и для всех планет и других небесных тел, обладающих устойчивой атмосферой. И действительно, проведенные учеными исследования показали, что, например, у поверхности Венеры данное явление имеет гораздо более выраженный характер, что связано, в первую очередь, с тем, что ее воздушная оболочка практически на сто процентов состоит из углекислого газа.

Количество водяного пара в атмосфере прямо связано с «парниковым эффектом», суть которого заключается в следующем. Хотя большую часть солнечного света облака отражают обратно, часть его все же проходит сквозь атмосферу, падает на поверхность планеты и поглощается ею. Поскольку планета пребывает в тепловом равновесии (т.е. не становится со временем горячее), вся поглощенная энергия должна снова излучаться в космос. Если бы не препятствовала атмосфера, поверхность планеты справилась бы с этой задачей, нагревшись примерно до 230 К (в среднем по двум полушариям; конечно, дневное было бы немного горячее, а ночное - холоднее). При этом излучение поверхности лежало бы в инфракрасном диапазоне с максимумом между 10 и 15 мкм. Но именно в этом диапазоне атмосфера малопрозрачна. Она перехватывает значительную часть излучения поверхности и возвращает ее назад. От этого поверхность нагревается еще сильнее, до такой температуры, при которой выходящий в космос поток тепла все же уравновешивает его приток от Солнца. Таким образом, равновесие восстанавливается, но уже с повышенной температурой поверхности (735 К).

Этот эффект назван «парниковым», поскольку стекло или пленка в садовом парнике играет ту же роль, что и атмосфера планеты: прозрачная для света крыша парника пропускает направленные к земле солнечные лучи, но задерживает идущее от земли инфракрасное излучение и восходящие потоки теплого воздуха.

Расчет показывает, что температура поверхности Венеры как раз соответствует концентрации водяного пара около 3?10 -5 ; если бы его было больше, непрозрачность для инфракрасных лучей значительно возросла бы и температура поверхности стала бы еще выше. По-видимому, начальная температура Венеры из-за ее сравнительной близости к Солнцу была относительно высока. Это способствовало выделению из поверхности воды и углекислого газа, стимулировавших парниковый эффект и дальнейший рост температуры.

Парниковый эффект – подъем температуры на поверхности планеты в результате тепловой энергии, которая появляется в атмосфере из-за нагревания газов. Основные газы, которые ведут к парниковому эффекту на Земле – это водяные пары и углекислый газ.

Парниковый эффект имеет место не только на Земле. Сильный парниковый эффект – на соседней планете, Венере. Атмосфера Венеры почти целиком состоит из углекислого газа, и в результате поверхность планеты разогрета до 475 градусов. Климатологи полагают, что Земля избежала такой участи благодаря наличию на ней океанов. Океаны поглощают атмосферный углерод, и он накапливается в горных породах, таких как известняк – посредством этого углекислый газ удаляется из атмосферы. На Венере нет океанов, и весь углекислый газ, который выбрасывают в атмосферу вулканы, там и остается. В результате на планете наблюдается неуправляемый парниковый эффект.

На Марсе наблюдаются весьма отчётливые сезонные изменения. Начнём с весны. В соответствующем полушарии весна начинается с таяния полярной шапки со стороны экватора. На месте растаявшего снега появляется тёмное кольцо, окружающее ещё не растаявшую часть шапки. Одновременно в весеннем полушарии начинают всё яснее и яснее вырисовываться моря, озёра и каналы, приобретая зеленоватый или голубоватый цвет. Это заметно не только по непосредственным впечатлениям при наблюдении без светофильтра. Названные образования особенно хорошо выделяются и становятся тёмными, когда их наблюдаешь через красный светофильтр. Через зелёный и особенно через синий светофильтр они, наоборот, расплываются и почти не отличаются от материков.

Оттенок и глубина цвета морей, а в некоторых случаях их площадь и форма изменяются с марсианскими сезонами и из года в год. Главные образования довольно постоянны в своей форме и положении, но сильно меняются в яркости. Вообще они лучше выделяются весною, во время таяния полярной шапки, и постепенно уменьшаются или бледнеют осенью, причём некоторые места меняют свой цвет из зелёного в жёлтый или коричневый, а на некоторых появляются жёлтые острова. Эти сезонные явления доходят до экватора и даже за его пределы.

Все эти изменения в большинстве повторяются с достаточной правильностью при последовательных обращениях планеты вокруг Солнца. В некоторых случаях были более постоянные изменения в контурах образований.

По многолетним наблюдениям Ловелла, улучшение видимости каналов весною также происходит благодаря таянию полярной шапки и распространяется к экватору и дальше за ним. Цвет каналов либо зелёный либо синий. Можно предположить, что мы видим не самые каналы, а развивающуюся вдоль них растительность.