Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

Как уже говорилось в разделе о Меркурии, существует гипотеза, что Венеру затормозил некогда существовавший у нее массивный естественный спутник, которым и был Меркурий. Рассмотрим эту гипотезу подробнее. У нашей Земли очень большая Луна. Часто даже говорят, что Земля и Луна — двойная планета. Еще одна двойная планета, Плутон-Харон, в 20 раз более тесная, чем Земля-Луна, находится на окраине Солнечной системы. Согласно гипотезе, двойной планетой была и Венера, у которой диаметр спутника составлял лишь немного меньше ее радиуса, а масса — до 7% массы планеты. Согласно предположению, под действием приливных сил Меркурий удалялся от Венеры (как Луна удаляется сейчас от Земли) и в конце концов потерял с ней связь. В результате Меркурий сохранил очень вытянутую орбиту. Собственно, предположения о роли спутника в торможении Венеры появились уже после определения ее периода вращения. Поначалу эта гипотеза служила для объяснения особенностей орбиты Меркурия.

В 1976 г. был поставлен математический эксперимент, в котором вычислялась эволюция орбиты Меркурия, помещенного вначале на орбиту спутника Венеры. Эксперимент не только не опроверг предположения о возможном убегании Меркурия, но показал, что оно неизбежно должно было произойти за очень короткое в космогонических масштабах время — менее 500 млн. лет. Благодаря приливному взаимодействию обеих планет одна часть энергии их вращения расходовалась на разогрев недр, другая — на увеличение орбиты спутника. Когда расстояние между ними достигло примерно 460 тыс. км., создались условия для убегания Меркурия через одну из лагранжевых точек системы Венера-Солнце, причем возможны были вторичные неустойчивые его захваты при последующих сближениях планет. Перед убеганием период орбиты Меркурия должен был составлять около 40 сут. Все это довольно близко к периоду обращения нашей Луны (27 сут.) и расстоянию до нее (385 тыс. км.).

В течение предшествовавших 500 млн. лет (или менее) приливы в теле Венеры из-за воздействия в 4,5 раза более массивного, чем наша Луна, спутника выделяли очень много тепловой энергии в коре и недрах Венеры. Должны были происходить сдвиги коры и быстрая дегазация недр Венеры, в результате чего должна была возникнуть горячая планета с плотной, горячей атмосферой, огромными горами и очень медленным вращением, что и наблюдается ныне.

Эта интересная гипотеза, но ее нельзя считать доказанной. Тем не менее, такая трактовка ранней истории Венеры и Меркурия объясняет целый ряд фактов, в частности резонансный, но не синхронный период обращения Меркурия вокруг Солнца (3/2 периода вращения), потерю момента вращения Венеры и Меркурия, отсутствие спутников у этих планет.

Первые полеты к Венере

Как ни странно, старые наземные наблюдения пятен на Венере, из которых был выведен 4-суточный период вращения, оказались правильными: к такому выводу привели космические наблюдения. Только период этот относится к облачному слою, а не к твердой поверхности планеты.

Увидеть Венеру вблизи и заглянуть под ее облачный покров стало возможным с началом полетов к ней автоматических космических аппаратов. 18 октября 1967 г. зонд «Венера-4» при парашютном спуске в атмосфере впервые измерил ее параметры и состав. На высоте 23 км., когда давление достигло 18 атм., аппарат разрушился. Но сопоставление полученных «Венерой-4» данных о высоте и давлении с радиозатменными сведениями зонда «Маринер-5», который прошел вблизи Венеры через 1 сут., позволило рассчитать давление у поверхности планеты — около 100 бар. Последующие зонды были более прочными: например, корпус «Венеры-7» выдерживал 180 бар. Именно этот зонд впервые сел на поверхность и передал, что давление атмосферы там 93 атм., а ее температура 750 К (477°С). Несмотря на специальное жаропрочное покрытие, через 23 мин. работы на поверхности приборы вышли из строя. Зонд «Венера-8» имел такую же конструкцию, но проработал на поверхности вдвое дольше. Более поздние зонды «Венера» кроме спускаемого аппарата имели орбитальный отсек с научными приборами для долговременных исследований.

В 1975 г. на орбиты искусственных спутников планеты вышли «Венера-9 и -10», а их спускаемые аппараты передали первые изображения поверхности. За короткий период исследований космическими аппаратами о Венере удалось получить намного больше данных, чем за всю историю астрономии. Дальнейшее развитие науки позволило увидеть топографию Венеры в глобальном масштабе. Для этого спутники планеты «Венера-15 и -16» имели радиолокаторы бокового обзора; американский аппарат «Магеллан» развил этот эксперимент и детально картировал всю поверхность планеты.

Состав и строение атмосферы

Под туманоподобными облаками Венеры, которые занимают интервал высот от 49 до примерно 75 км., лежит огромный газовый океан, в основном состоящий из раскаленного углекислого газа СО₂; его в атмосфере 96,5%. Свет проникает сквозь атмосферу, но рассеяние так велико, что даже находясь под нижней кромкой облаков различить поверхность планеты невозможно. С глубиной плотность углекислотной атмосферы растет и у поверхности Венеры достигает 65кг/м³. Это только в 14 раз меньше плотности воды. Масса газовой оболочки Венеры составляет 5×10²⁰кг, что в сотню раз превосходит массу земной атмосферы и вполне сравнимо с массой земных океанов (1,37×10²¹кг).

Вторым по содержанию следует азот, на который приходятся почти все оставшиеся 3,5%. По абсолютному содержанию это в 5 раз больше, чем в земной атмосфере. С высотой в атмосфере быстро падают плотность, давление, температура. На высоте 30 км. это 9,4 бар., 10кг/м³ и 222°С, а на высоте 65 км. это 0,9 бар., 0,2кг/м³ и —30°С. Выше 150 км. атмосфера Венеры из-за высокого молекулярного веса уже более разрежена, чем атмосфера Земли на тех же высотах. Еще выше резко возрастает относительное содержание гелия и водорода (хотя, конечно, падает по абсолютной величине). Угарный газ (СО), кислород и водород образуются в стратосфере за счет диссоциации (разрушения) молекул углекислого газа и водяного пара ультрафиолетовым излучением Солнца. Выше 700 км. простирается чисто водородная корона (10³—10⁴ атомов/см³), которая постепенно переходит в межпланетную среду.

Плотность и температура короны и лежащей под ней криотермосферы сильно зависят от солнечной активности, но температура почти не зависит от высоты; выше примерно 160 км. температура в подсолнечной точке в годы низкой солнечной активности близка к 300 К, а в годы высокой — к 450 К. На той же высоте в противоположной точке планеты (ночью) температура падает до 100 К (отсюда название «криотермосфера»). Сравнительно высокие дневные температуры криотермосферы объясняются поглощением ультрафиолетовой части солнечного излучения.

На высоте 120 км. находится нижняя граница ионосферы. Максимальная концентрация электронов приходится на высоту 140 км.; днем она достигает 5×10⁵см³, а ночью снижается примерно в 50 раз. Особенность ионосферы Венеры связана с отсутствием у планеты собственного магнитного поля: поэтому плазма солнечного ветра воздействует непосредственно на ионосферу, снижая днем ее верхнюю границу до 300—500 км.

По-видимому, именно различие условий формирования привело к большой разнице в содержании воды на Земле и Венере: для Земли это 1,37×10²¹кг., или 2,3×10^—4 от ее массы, а для Венеры около 3×10^—9. Если бы температура у поверхности Земли была не 20°С, а более 370°С, то океаны Земли испарились бы и давление водяного пара в атмосфере достигло бы огромного значения 260 бар. Вместе с тем на Венере парциальное давление водяного пара не превосходит 3 мбар. Расчеты показывают, что при всех разумных предположениях потери воды на Венере не могли составить более 1/10 земных запасов воды.