«Наука в СССР» 1981 №1, с. 16-30

Планета Венера — открытия и загадки

1981 год — юбилейный для советской космонавтики. Двадцать лет назад, 12 апреля 1961 года, поднялся в космос первый человек — гражданин СССР Юрий Гагарин. Двумя месяцами раньше с космодрома Байконур стартовала межпланетная станция «Венера-1». Спустя пять лет, 1 марта 1966 года, поверхности Венеры достигла межпланетная станция «Венера-3». Эти даты напоминают не только о том, что и в начале космической эры человечества советская программа исследований космоса была разносторонней и последовательной. У Советского Союза, советской науки уже тогда было достаточно средств сил для одновременной разработки таких сложных программ, как вывод в космос корабля с человеком на борту и осуществление полета автоматической станции к одной из планет Солнечной системы. Институт космических исследований АН СССР (ИКИ) был создан позже. Однако к успехам, достигнутым в те годы в изучении космоса, имеют отношение подавляющее большинство из ныне работающих здесь ученых, инженеров. Заслуга научного коллектива ИКИ — в широком и быстром развитии исследований, начатых в шестидесятые годы. Сейчас в ИКИ, одном, из молодых академических институтов, разрабатываются проблемы теоретической и экспериментальной астрофизики, радиоастрономии, механики жидкостей, газов, плазмы. Здесь трудятся известные советские ученые — академики Г. И. Петров и Я. Б. Зельдович, члены-корреспонденты АН СССР И. С. Шкловский, Н. С. Кардашов и другие. Большое практическое значение имеют проводимые в ИКИ исследования природных ресурсов Земли, осуществляемые с искусственных спутников и межпланетных станций, а также работы по решению технологических задач в условиях невесомости. В институте создаются уникальные по прочности, легкости, габаритам, чувствительности и точности приборы, предназначенные для космических аппаратов. Совместно со специалистами из других стран ведутся многие исследования, конструируются научные приборы. Так, в содружестве с учеными и инженерами ГДР разработан уникальный фотоаппарат для многозональной многоспектральной съемки МКФ-6, установленный на орбитальной станции «Салют-6».

Академик Р. З. САГДЕЕВ — крупный ученый в области физики плазмы, директор Института космических исследований АН СССР, вице-президент КОСПАР. Доктор физико-математических наук, профессор В. И. МОРОЗ — один из ведущих советских астрофизиков, заведующий отделом физики планет Института космических исследований АН СССР.

Рис. 1. Зависимость температуры и давления от высоты в атмосфере Венеры

Обманчивость внешнего сходства

Венера, ближайшая к Земле планета, занимает особое место в советской программе космических исследований. Не случайно именно к ней запущено наибольшее количество автоматических станций. Пристальное внимание к планете было вызвано тем, что она во многих отношениях сходна с нашей родной Землей. Действительно, масса и геометрические размеры двух планет близки, они получают примерно равное количество энергии от Солнца.

Каких-то 20 лет назад предполагалось, что «сестра» Земли является ее подлинным повторением, что на ее поверхности лишь немного теплее, что имеется гидросфера, а, может быть, и биосфера. Ученые называли Венеру и Землю планетами-близнецами, и далее мечтали обнаружить на Венере жизнь.

Поэтому на первых советских межпланетных космических станциях, отправляющихся к Венере, имелись приборы, позволяющие узнать, сел аппарат на твердую поверхность или качается на морских волнах.

Одна из причин заблуждения — чрезвычайно плотная атмосфера Венеры, открытая еще М. В. Ломоносовым в 1761 году. Как было установлено впоследствии, на высоте 50-70 километров постоянно находится густой слой облаков (рис. 1). Кроме того, сама газовая оболочка планеты, в нижних слоях которой давление достигает 90 атм, настолько плотна (всего лишь в 14 раз ниже плотности воды), что «разглядеть» поверхность невозможно ни с Земли, ни с борта искусственного спутника. Как показали уже первые исследования, между двумя планетами существуют резкие отличия: температура поверхности Венеры достигает в среднем 735° по шкале Кельвина (т. е. около 460°С, в то время как средняя температура поверхности Земли — 15°С), более того, вся поверхность планеты независимо от времени суток и широты нагрета одинаково, что для нас, землян, более чем странно. Разумеется, там не существует никаких рек, морей и океанов, т. к. вся вода давно бы выкипела.

С развитием межпланетной радиолокации, когда удалось получить радиоотражение от твердой поверхности Венеры, обнаружились еще более удивительные факты. Планета вращается в противоположную

СОВЕТСКИЕ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ, ИССЛЕДОВАВШИЕ ВЕНЕРУ (1967-1978 гг.)

Таблица 1

Рис. 3. Панорамные изображения поверхности Венеры, переданные с борта спускаемых «Венеры-9» и «Венеры-10». Вокруг «Венеры-9» видно множество каменных блоков с острыми краями, свидетельствующими об их относительно молодом возрасте.

Добавим еще один факт. Газовый и аэрозольный состав атмосферы таков, что часть солнечного излучения проникает вплоть до поверхности Венеры. Однако прозрачность атмосферы для инфракрасного излучения очень мала. В результате температура поверхности планеты оказывается чрезвычайно высокой. Это явление, называемое парниковым эффектом, на Венере значительно сильнее, чем на Земле, где аналогичный прирост температур составляет около 35 °.

Эпоха космических исследований окончательно подтвердила несхожесть Венеры и Земли, убедила, что климатические и атмосферные условия планеты, столь близкой Земле по ряду физических параметров, абсолютно отличны от привычных нам.

Возникает вопрос: не могут ли и на нашей планете в течение обозримых сроков состав атмосферы и климат измениться в том же направлении? Что в таком случае послужит причиной метаморфозы — изменение внешних условий, загрязнение окружающей среды или что-нибудь другое?

Естественно, выяснить это чрезвычайно интересно и просто необходимо. Проводить в земных условиях эксперименты такого масштаба просто немыслимо. Поэтому Венера является как бы естественным «космическим полигоном» для исследований по сравнительной планетологии. Можно считать ее своего рода лабораторией, созданной самой природой.

Вот одна из причин, побудивших многих ученых мира считать изучение Венеры задачей первостепенной важности, вот почему к ней было запущено столько космических кораблей.

Советские космические аппараты

Надо сразу сказать, что чрезвычайно трудно обеспечить работу автоматической межпланетной станции в горячей и плотной атмосфере Венеры. Тем не менее задача была решена советскими учеными и инженерами еще в 60-х годах. Космические аппараты создавала группа ученых и инженеров сначала во главе с академиком С. Н. Королевым, затем под руководством члена-корреспондента АН СССР Г. Н. Бабакина. И вот 18 октября 1967 года впервые в мире в атмосферу Венеры на парашюте опустился космический аппарат «Венера-4». Отметим, что американский «первенец» — «Пионер-Венера» был запущен только 11 лет спустя, почти одновременно с последними советскими межпланетными станциями «Венера-11» и «Венера-12».

За «Венерой-4» последовали «Венера-5» и «Венера-6» (1969 г.), «Венера-7» (1970 г.) и «Венера-8» (1972 г.). С помощью измерительных приборов этих станций мы получили детальные данные об изменении температуры, давления и плотности атмосферы планеты в зависимости от высоты (рис. 1). «Венера-7» и «Венера-8» осуществили мягкую посадку и передавали сигналы уже прямо с раскаленной поверхности планеты. На «Венере-8» впервые проведены измерения освещенности и получены некоторые сведения о составе грунта (содержание урана, калия, тория).

Таким образом, наши знания о Венере чрезвычайно обогатились, но, как это часто бывает в науке, решение одних проблем фазу же повлекло за собой появление новых.

Атмосфера любой планеты — сложная система с большим количеством взаимодействий и обратных связей. Ее состав определяется тем, в каких условиях она формировалась и как происходит выделение газов твердой оболочкой, какие реакции идут между газами атмосферы, а также между газом и твердым веществом, что представляет собой верхняя атмосфера, из которой улетают в межпланетное пространство легкие газы и т. д. Характер и скорость многих процессов в атмосфере зависят от температуры, а температура в свою очередь — от состава атмосферы.

Чтобы разобраться в том, что происходит на Венере, совершенно необходимы тонкий химический анализ атмосферы, точное знание, на каких высотах и в каких областях спектра поглощается солнечное излучение, какова природа облаков, скрывающих от взора астрономов нижние слои атмосферы, и многое-многое другое.

Для таких детальных экспериментов нужно было оснастить межпланетные станции более сложными и тяжелыми приборами. Но это еще не все — необходимо передать на Землю полученную ими громадную информацию. Поэтому на смену космическим аппаратам так называемого первого поколения, которые не были предназначены для решения подобных задач, пришли «Венера-9» и «Венера-10», а затем «Венера-11» и «Венера-12». (На рис. 2 изображена сборка космического аппарата «Венера-12»). Если раньше станция полностью входила в атмосферу, то теперь за некоторое время до посадки она разделялась на орбитальный и спускаемый (или десантный) отсеки. Первый из них — в зависимости от программы и баллистических условий — становился либо искусственным спутником планеты («Венера-9» и «Венера-10»), либо пролетал над планетой на некоторой высоте и уходил на околосолнечную орбиту («Венера-11» и «Венера-12»). Естественно, что на борту орбитальных аппаратов устанавливались научные приборы для изучения планеты по ее излучению в разных диапазонах волн, а также для исследования межпланетной плазмы, магнитных полей и астрономических наблюдений. Десантные отсеки совершали мягкую посадку на Венеру. Блестящие возможности новой советской космической аппаратуры были продемонстрированы в 1975 году, когда с поверхности другой планеты (и какой планеты!) впервые в мире было передано ее панорамное изображение (рис. 3). Приборы «Венеры-9» и «Венеры-10» не ограничились межпланетной телепередачей. Был проведен интересный комплекс исследований оптических характеристик атмосферы: определена в общих чертах структура облаков (слой толщиной около 20 километров с нижней границей на высоте 50 километров); измерены потоки излучения в нескольких широких спектральных областях; по интенсивности одной из полос поглощения определено содержание водяного пара. Анализ данных, полученных приборами «Венеры-9» и «Венеры-10», привел к постановке новых научных задач, а приобретенный в ходе экспериментов опыт создания сложной научной аппаратуры, способной работать в тяжелейших условиях (огромные перегрузки при торможении, высокие температуры и давление), позволил решить эти задачи на «Венере-11» и «Венере-12», которые прибыли на планету в конце 1978 года. (Сведения обо всех космических аппаратах, исследовавших Венеру, см. в табл. 1.)

Следует отметить, что ввод в строй гигантской (диаметр 70 метров) параболической антенны Центра дальней космической связи резко улучшил условия приема информации с борта спускаемого аппарата. Ниже мы расскажем в основном о последних результатах, полученных на «Венере-11» и «Венере-12». Эксперименты касались трех главных проблем. Надо было провести тонкий химический анализ атмосферных газов (наиболее важная задача), определить природу облаков и тепловой баланс атмосферы. Кроме того, измеряли температуру, давление и аэродинамические перегрузки. Стоит перечислить приборы, которые были использованы. Это масс-спектрометр, газовый хроматограф, оптический спектрометр и фотометр, нефелометр, рентгеновский флюоресцентный спектрометр и, наконец, прибор для измерения электрической активности атмосферы. Подбор научных приборов американского зонда «Пионер-Венера» был похожим.

Вокруг станции «Венера-10» поверхность более гладкая. На поверхности планеты в местах посадки обоих аппаратов оказалось много мелкораздробленного материала типа пыли или песка. В момент посадки поднялось облако пыли, которое в течение нескольких минут регистрировал фотометр

Советские автоматические станции «Венера-11» и «Венера-12» Вверху. Схема посадки спускаемых аппаратов «Венера-11» и «Венера-12» 1 — межпланетная станция на орбите Венеры; 2 — разделение спускаемого и орбитального аппарата за двое суток до посадки; 3 — вход в атмосферу Венеры; 4 — ввод вытяжного парашюта и парашюта увода; 5 — отстрел крышки; 6 — ввод тормозного парашюта на высоте 66-62 км. Начало передачи телеметрической информации; 7 — отстрел нижней части теплозащитной оболочки и отстрел тормозного парашюта (высота около 48 км); 8 — посадка и передача информации на Землю. Слева внизу. Общий вид межпланетной автоматической станции «Венера-11» и «Венера-12» 1 — спускаемый аппарат (СА); 2 — орбитальный аппарат (ОА); 3 — радиатор-охладитель; 4 — панель солнечной батареи; 5 — наружная теплоизоляция; 6 — локальный нагреватель; 7 — остронаправленная антенна; 8 — сопла системы ориентации; 9 — научная аппаратура; 10 — радиатор-нагреватель; 11 — блок приборов астроориентации; 12 — приборный контейнер. Справа внизу. Общий вид спускаемого аппарата автоматических станций второго поколения («Венера-9, 10, 11, 12»). 1 — теплозащитная оболочка, защищающая аппарат от сильного разогрева при торможении; 2 — герметический приборный контейнер; 3 — теплоизоляция; 4 — отсеки парашютной системы; 5 — отсек научной аппаратуры, работающей на высоте 65-40 км; 6 — аэродинамическое тормозное устройство; 7 — посадочная опора; 8 — антенна; 9-11 — научные приборы.

Рис. 4. Общий вид масс-спектрометра

Вплоть до 1967 года, опять-таки по аналогии с Землей, предполагалось, что основная химическая составляющая атмосферы Венеры — азот. Ученые считали, что кроме него там находится небольшое количество (1-10%) углекислого газа, полосы поглощения которого были обнаружены еще в 30-е годы. Однако, как показали самые простые химические датчики, установленные на первых «Венерах», все обстоит наоборот — в атмосфере планеты преобладает именно углекислый газ (по последним данным — 96,5%), а азота там чуть более 3%. Правда, тогда не удалось получить сведений о содержании многих малых составляющих атмосферы планеты — водяного пара, кислорода, угарного газа, соединений серы и инертных газов. А между тем, они играют огромную роль в жизни атмосферы: поглощают солнечную и тепловую радиацию (вспомним о «парниковом» эффекте), вступают в химические реакции, образуют в результате конденсации частицы облачного слоя и т. д.

Особый интерес представляют инертные газы, изотопы которых можно разделить на две группы. Радиогенные — образовались в результате радиоактивного распада элементов. Реликтовые — сохранились со времени образования Солнечной системы (около 4,5 миллиардов лет тому назад). Из абсолютного содержания реликтовых изотопов инертных газов и их соотношения с радиогенными можно почерпнуть некоторые сведения о тех условиях, в которых из протопланетной туманности когда-то рождались планеты, и о самом процессе их формирования.

Таблица 2

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕР ВЕНЕРЫ И ЗЕМЛИ	Газ	Объемное содержание, %
		Венера	Земля
	Углекислый газ Азот Водяной пар Кислород Угарный газ Двуокись серы Хлористый водород Фтористый водород Метан Аммиак Сера Инертные газы: Гелий Неон Аргон Криптон Средний молекулярный вес	96,5 3,5 2·10-3* > 10-3 3·10-3 1,5· 10-2** 4·10-5*** 5·10-7*** > 10-4 >2·10-6* 2·10-6**** 10-2 1,3·10-3 1,5·10-2 6,5·10-5 43,5	3,2·10-2 78,1 0,1 21,0 10-4 10-4 - - 1,8·10-4 - - 5·10-4 1,8·10-3 0,9 1,1·10-4 28,97
*Дано содержание вблизи поверхности. На высоте 50 км оно на порядок больше, на высоте 70 км — на порядок меньше ** Дано содержание ниже 20 км; на высоте 70 км — меньше на 4 порядка ***Содержание на высоте выше 60 км (имеются только данные наземной спектроскопии) ****Имеется в виду газообразная сера (молекулы S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8). Оценка относится к высотам ниже 40 км

Рис. 5 Фрагмент оригинальной телеметрической записи масс-спектра в области 20-105 атомных единиц. Пики прямо пропорциональны количественному соотношению атомов данного элемента или соединениям в атмосфере Венеры	Рис. 6 Газовый хроматограф «Сигма»

В апреле 1979 года в Институте космических исследований АН СССР в Москве встретились советские и американские ученые, участвовавшие в осуществлении обеих экспедиций, и обменялись информацией о результатах экспериментов. Мы с полным правом можем сказать, что добились больших успехов в решении основной задачи — изучении тонкого химического состава атмосферы Венеры. Более того, аппаратура, созданная советскими учеными и инженерами, для некоторых веществ оказалась чувствительней американской.

Химический состав атмосферы

Теперь о самих экспериментах.

Для тонкого химического анализа состава атмосферных газов использовались масс-спектрометр, газовый хроматограф и оптический спектрометр. Масс-спектрометрический эксперимент проводил коллектив ученых, руководимый В. Г. Истоминым (Институт космических исследований АН СССР). Приборы (рис. 4) на обоих аппаратах были включены на высоте около 24 километров и работали вплоть до посадки. Их основные характеристики: диапазон от 10 до 105 атомных единиц массы развертывается за 7 секунд; время отбора пробы газа менее 5·10^-3 секунд, частота отбора — один раз в 3 минуты. Всего было взято 22 пробы и передано на Землю около 200 масс-спектров. Один из них показан на рис. 5.

На масс-спектрах имеются пики, соответствующие молекулам СO₂, N₂, атомам ¹²С, ¹³С, ¹⁶O, ¹⁸O, ¹⁴N (получаются в результате разрушения молекул СO₂ и N₂ внутри прибора) и атомам трех инертных газов — неона, аргона, криптона. Количественные данные приведены в табл. 2. Отметим сам факт наличия криптона, содержание которого около 6,5·10^-5%. Приборы американского зонда «Пионер-Венера» оказались менее чувствительными и криптона не нашли.

Хорошо запомнился эпизод в Центре дальней космической связи. Еще шла передача телеметрической информации с Венеры, а Вадим Глебович Истомин, растягивая дрожащими от волнения руками ленту записи, объявил: «Обнаружен криптон!» Подсчеты показали, что относительное содержание основных изотопов криптона с атомными весами 84, 86, 83 и 82 сравнимо с аналогичными данными для Земли.

Зато для аргона результат был крайне неожиданным. Радиогенный изотоп ⁴⁰Ar и реликтовый ³⁶Ar находятся в атмосфере Венеры в равных количествах, в то время как на Земле — ⁴⁰Ar в 300 раз больше, чем ³⁶Ar.

Окончательное объяснение причин аномалии еще впереди. Красивая гипотеза была предложена М. Н. Изаковым (Институт космических исследований АН СССР). Все становится на свои места, если считать, что Венера большую часть атмосферы получила из протопланетной туманности, в то время как Земля (а также Марс) захватили оттуда относительно мало газов. Процесс объединения метеоритных и астероидных тел, в результате которого образовались все планеты, шел на Венере более быстрыми темпами, и плотность метеоритных тел здесь была больше. Быстрее захватывался и газ. До сих пор считалось, что атмосферы планет земной группы (Венера, Земля, Марс) — вторичные, образовавшиеся путем дегазации недр. Аномалия ³⁶Ar на Венере заставила усомниться в этом.

Для тонкого химического анализа атмосферы Венеры использовался также газовый хроматограф «Сигма» (рмс. 6). Экспериментом руководил Л. М. Мухин (Институт космических исследований АН СССР).

В атмосфере Венеры была обнаружена двуокись серы.

С помощью хроматографа определили и содержание угарного газа. Измерения показали, что на высоте 36 километров в атмосфере находится 3·10^-3% СО, а на высоте 12 километров — 2·10^-3%. Таким образом можно считать, что концентрация угарного газа плавно падает с высотой.

Эти результаты вызвали бурную дискуссию. Дело в том, что аналогичный прибор стоял на большом зонде «Пионер-Венера». Американский ученый Б. Ояма, руководивший экспериментами, сообщил, что угарный газ им не найден, зато якобы атмосфера Венеры содержит относительно большое количество молекулярного кислорода. Правда, через несколько месяцев после опубликования данных выяснилось, что Б. Ояма ошибся в отождествлении хроматографических пиков. Пропавший было угарный газ нашелся, о чем сообщил американский физик. Но в данных Б. Оямы имеется другая странность, оставшаяся необъяснимой, — он обнаружил относительно большие количества водяного пара: около 0,5% на высоте 44 километров и 0,1% на высоте 24 километров.

Между тем Н₂O поглощает свет в целом ряде спектральных полос. Некоторые из них (длины волн 7200, 8200, 9500 А)

Рис. 7. Спектр рассеянного солнечного излучения в глубоких слоях атмосферы Венеры по данным спускаемого аппарата «Венера-11». Цифры у кривых — высота в километрах. Видно, как усиливаются линии воды (Н2О) и углекислого газа (СO2) по мере снижения космического аппарата. Эти спектры оказались очень хорошим источником данных о содержании водяного пара в атмосфере планеты

хорошо видны на спектрах (рис. 7), полученных при помощи оптического спектрофотометра, работавшего на борту спускаемых аппаратов «Венера-11» и «Венера-12» (научный руководитель — один из авторов статьи В. И. Мороз). По интенсивности полос было определено содержание воды в атмосфере Венеры на разных высотах. Эта величина оказалась в несколько десятков раз меньше, чем та, которую дали эксперименты Б. Оямы.

Независимый контроль результатов обеспечивают параллельные измерения с помощью хроматографа и масс-спектрометра. Хроматограф «Венеры-12» не обнаружил Н₂O. Из этого следует, что на высоте 24 километров водяного пара во всяком случае меньше, чем 0,01%. С другой стороны, масс-спектрометры «Венеры-11» и «Венеры-12» зарегистрировали небольшой избыток в пике N=18. Если этот избыток приписать вкладу Н₂O (молекулярный вес — те же 18 единиц), то получается, что содержание водяного пара примерно согласуется с данными оптических измерений.

Конечно, можно предположить, что эта величина сильно меняется в зависимости от места измерения. Однако имеется простой способ проверки. От концентрации водяного пара в атмосфере зависит средний коэффициент поглощения теплового планетарного излучения. Его можно рассчитать, исходя из данных, полученных приборами большого зонда «Пионер-Венера». Оказалось, что концентрация водяного пара близка к той, которую дали оптические наблюдения «Венеры-11» и «Венеры-12».

Впрочем, и американские и наши эксперименты позволяют сделать один и тот же вывод: в атмосфере Венеры катастрофически мало воды. Если мысленно сконденсировать весь водяной пар Венеры, то получится слой жидкости толщиной не более 1 см. Напомним, что на поверхности планеты жидкой воды быть не может — слишком высокая температура. Вся вода планеты сконцентрирована или в коре, или в атмосфере. А ее там так мало. Это еще одна аномалия, не менее странная, чем отношение 36Ar/40Ar. И к тому же пары воды имеют совершенно непонятное вертикальное распределение: на высоте 50 километров относительная концентрация выше, чем у поверхности.

Что касается большого содержания углекислого газа в атмосфере, то в этом ничего особенного нет, ибо земная углекислота почти целиком связана в карбонатах, а на Венере из-за высокой температуры и отсутствия жидкой воды весь СO₂ находится в атмосфере. Суммарные количества углекислого газа и азота на обеих планетах примерно одинаковы. А вот с водой непонятно. Возможны три предположения: Венера образовалась с меньшим количеством воды; на ранних этапах эволюции водяной пар диссоциировал, водород улетел в межпланетное пространство, кислород исчез в результате химических реакций; вода на Венере связана в минералах (есть горные породы, которые очень хорошо удерживают воду именно при высоких температурах).

Какое из этих объяснений наиболее достоверно — пока не ясно.

Солнечное излучение и облака в атмосфере

Третьим большим прибором спускаемых аппаратов «Венера-11» и «Венера-12» был спектрофотометр. Начиная от высоты 65 километров и до посадки на планету прибор каждые 10 секунд регистрировал спектр дневного неба и угловое распределение яркости рассеянного излучения. Такого рода исследования проводились впервые. Не было приборов для получения оптических спектров и на американской автоматической станции «Пионер-Венера».

Измерения показали, что заметная доля солнечной радиации доходит до поверхности планеты. Но подчеркнем, что это рассеянные, а не прямые лучи. Ни с поверхности Венеры, ни даже на высоте 55 километров наблюдатель не увидел бы Солнца, т. к. облачный слой рассеивает практически все солнечное излучение. Но с энергетической точки зрения атмосфере планеты совершенно безразлично, какое излучение в нее проникает — прямое или рассеянное. Оценка количества солнечной энергии, достигающей поверхности, и теплового излучения планеты показала, что действительно возникает сильный парниковый эффект. Таким образом, гипотеза, выдвинутая еще в 1962 году американским ученым К. Саганом, подтвердилась.

Согласно данным аппаратуры «Венеры-11» и «Венеры-12», распределение энергии в спектре рассеянного солнечного излучения изменяется по мере погружения аппарата в глубь атмосферы. Как и на Земле, эффект обусловлен аэрозольным рассеянием света на частицах облаков и релеевским рассеянием его на молекулах углекислого газа. Кроме того, отмечено поглощение света молекулами газообразной серы. В атмосфере Венеры расположено несколько слоев облаков. Их границы видны на кривых, показывающих изменение интенсивности рассеянного солнечного света по мере снижения спускаемого аппарата (рис. 8).

Нефелометрические эксперименты «Венеры-9» и «Венеры-10» (М. А. Маров, Институт прикладной математики АН СССР) позволили определить не только положение нижней границы облачного слоя, но и концентрацию облачных частиц, их размеры, а также коэффициент преломления атмосферы. В ограниченном объеме наблюдения были повторены на «Венере-11». На большом зонде «Пионер-Венера» американские ученые Р. Нолленберг и Д. Хантен провели весьма детальное исследование распределения частиц по размерам.

Теперь мы можем вполне определенно сказать, что на Венере имеется три слоя облаков, расположенных на высотах от 70 до 50 километров, и три типа частиц: крупные — диаметром 7 микрон, средние — 2-2,5 и мелкие, достигающие всего лишь 0,4 микрона. Крупные составляют не менее 90% (по массе) всего облачного покрова, но полностью отсутствуют в верхнем слое.

Ученые долго ломали голову над тем, из чего состоят частицы облаков Венеры. Простейшие гипотезы, основанные на земных аналогиях (вода или водный лед, минеральная пыль), пришлось отбросить тогда, когда из наземных наблюдений был получен первый минимум сведений относительно оптических свойств частиц. Поскольку в атмосфере Венеры имеется соляная кислота, в качестве очередной гипотезы ученые предположили, что облака состоят из капелек НСl. Однако по ряду соображений это предположение пришлось отставить. По своим оптическим свойствам хорошо подходит серная кислота. Заметим, что на Земле атмосферные облака состоят из мельчайших капелек H₂SO₄. Сернистые соединения непрерывно поступают в атмосферу из земных недр, и продуктами их химических превращений являются частицы стратосферных облаков нашей родной планеты. Аналогия вполне допустима, так как на Венере мы находим и соединения серы (SO₂), и чистую газообразную серу.

H₂SO₄ в качестве основной составляющей частиц облаков Венеры близка и по коэффициенту преломления, и по коэффициентам поглощения в инфракрасной области. Однако это не объясняет желтоватого цвета Венеры. Было выдвинуто предположение, что кроме частиц из концентрированной серной кислоты в облаках есть также частицы твердой серы (более крупной). Нефелометрические эксперименты показывают: только малые и средние частицы могут состоять из H₂SO₄, а крупные должны иметь другой состав. Первоначально предполагалось, что они как раз из серы и состоят.

Рис. 8 Интенсивность излучения из зенита в функции высоты для некоторых длин волн по данным спускаемого аппарата «Венера-11» Цифры у кривых — длины волн. Резкое изменение в крутизне кривых на высоте чуть ниже 50 км — эффект пересечения нижней границы облаков

На «Венере-12» впервые был проведен эксперимент по прямому химическому анализу частиц облачного слоя (научный руководитель Ю. А. Сурков, Институт аналитической химии и геохимии АН СССР). Результат оказался любопытным. На высотах примерно от 61 до 49 километров наиболее обильным элементом, входящим в состав частиц облачного слоя, является хлор! Серы либо нет совсем, либо ее раз в 20 меньше, чем хлора. Таким образом, крупная фракция частиц облачного слоя, если, конечно, доверять этим измерениям, состоит из соединений хлора, правда, пока не ясно, каких именно.

Ветер, грозы, ночное свечение

Еще наземные наблюдения обнаружили необычный характер венерианского ветра. Вблизи верхней границы облаков его скорость достигает примерно 100 м/сек, причем, атмосферные массы несутся единым потоком, обтекая более медленные нижние слои атмосферы и твердое тело планеты. Напомним, что период вращения планеты вокруг собственной оси составляет 243 земных суток. В том же направлении, но гораздо быстрее, вместе с верхней частью атмосферы движутся облака (на высоте 70 километров — один оборот за 4 суток). Измерения скорости движения спускаемых аппаратов позволили определить профиль венерианского ветра. По мере приближения к планете ветер постепенно стихает, и в нижнем 10-километровом слое атмосфера перемещается уже с небольшой скоростью порядка 1 м/сек. На спускаемых аппаратах «Венера-9» и «Венера-10» стояли обычные метеорологические «вертушки», которые измеряли скорость ветра, когда станции работали на поверхности.

Рис. 9 Всплеск радиошумов, зарегистрированный приборами спускаемого аппарата «Венера-11» (эксперимент «Гроза»). Шумы, очевидно, связаны с грозовыми явлениями в атмосфере планеты

Поскольку в атмосфере Венеры имеются облака и весьма интенсивны динамические процессы, вполне вероятно, что могут возникать грозовые явления. Проверка предположения (эксперименты «Гроза» под руководством Л. В. Ксанфомалити, Институт космических исследований АН СССР) оказалась вполне успешной. Грозовые разряды, как известно, являются источником длинноволнового импульсного электромагнитного излучения, что и было зарегистрировано приборами «Венеры-11» и «Венеры-12» (рис. 9). После этих сообщений ученые провели анализ наблюдений ночной стороны планеты, осуществлявшихся ранее при помощи оптических приборов искусственных спутников «Венера-9» и «Венера-10», а также американской межпланетной станции «Пионер-Орбитер». Выяснилось, что действительно были зарегистрированы случаи кратковременного свечения, которое вполне могло быть вызвано грозой. Как показывает средняя оценка, количество гроз на Венере может превышать их число на Земле. Многие наблюдатели уже давно отметили слабое свечение темной стороны (пепельный свет Венеры). Возможно, эффект появляется в периоды особо высокой грозовой активности. Но дело не только в грозах. Постоянное свечение ночной атмосферы, не поддающееся наблюдениям с Земли, возникает также в результате химических реакций, происходящих в верхних слоях газовой оболочки. В видимой области спектра это полосы, принадлежащие молекулярному кислороду O₂, которые возбуждаются только в атмосфере, богатой углекислым газом, что характерно для Венеры. Полосы впервые наблюдались с борта спутников «Венеры-9» и «Венеры-10» (эксперимент под руководством В. А. Краснопольского, Институт космических исследований АН СССР).

Стоит сказать еще несколько слов об одном интересном наблюдении. Как известно, ультрафиолетовое излучение Солнца (в линии водорода и гелия) рассеивается аналогичными атомами атмосферы. Возбужденные атомы переизлучают ультрафиолетовые кванты и создают линейчатое рассеянное излучение. Результаты измерений его интенсивности могут быть пересчитаны в концентрации водорода и гелия. Самые внешние слои атмосфер Земли, Марса, Венеры состоят именно из этих самых легких элементов. На пролетных аппаратах «Венера-11» и «Венера-12» был установлен прибор для измерения интенсивности излучения в десяти различных ультрафиолетовых участках спектра, включающих указанные выше линии водорода и гелия и несколько других элементов. Руководителем эксперимента был В. Г. Курт (Институт космических исследований АН СССР). Вместе с советскими учеными в нем участвовали французские физики Ж. Бламон и Ж. Берто. Были записаны спектры высокого качества, анализ которых позволил уточнить представления о структуре верхней атмосферы Венеры.

Перспективы дальнейших исследований

Здесь перечислено далеко не все, что мы выяснили за последние 15 лет. В частности, не изложены результаты так называемого радиокартирования Венеры с помощью специального радиолокатора на американском спутнике «Пионер-Венера» и многое другое. Наши знания обогатились весьма значительно. Но перестала ли Венера быть планетой загадок? К сожалению, — а может быть об этом не стоит сожалеть, — не перестала.

Перечислим некоторые нерешенные проблемы.

Мы не знаем истинную причину повышенного содержания реликтовых инертных газов на Венере.

Совершенно не ясны причины чрезвычайно малого количества воды в атмосфере Венеры. Чем объяснить необычный вертикальный профиль концентрации водяного пара?

Не установлен химический состав крупных частиц облачного слоя.

Непонятно, каков механизм, приводящий в движение атмосферу планеты на высотах 40-70 километров (4-суточное вращение).

Пока нет никаких данных и об активности недр планеты (вулканическая активность, сейсмика?).

Наконец, неизвестно (а это достаточно важно), когда установился современный тепловой режим атмосферы и поверхности; существовал ли он с момента образования планеты или в течение достаточно длительной начальной эпохи климат был более умеренным?

Каковы дальнейшие пути исследования Венеры? Очевидно, решение столь разнообразных задач потребует космических аппаратов разных типов. Для изучения атмосферы на высотах облачного слоя (динамика, химия) лучше всего подходит аэростат, плавающий прямо внутри облаков. Аэростатную станцию должен сопровождать искусственный спутник, обеспечивающий ретрансляцию и комплекс дистанционных измерений параметров облачного слоя и надоблачной атмосферы.

С другой стороны, для исследований химии малых составляющих атмосферы и теплового баланса планеты нужны спускаемые аппараты (зонды), работающие на обычной трассе спуска от момента раскрытия парашюта до посадки. Желательно начинать работу как можно выше (на высоте не менее 70 километров).

Наконец, сейсмические наблюдения требуют многомесячного пребывания приборов на поверхности планеты. Нужно сконструировать специальные устройства, способные работать при высоких температурах. Короче говоря, технических проблем много, но мы уверены, что все они будут решены.

В заключение хотелось бы еще раз подчеркнуть: изучение планет Солнечной системы — путь к лучшему пониманию эволюции нашей Земли. Вопросы эти жизненно важны для будущего всего человечества, и большие усилия, которые затрачиваются на подобные эксперименты, конечно, принесут свои плоды!