Состав атмосферы входит в число важнейших характеристик любой планеты. Это – один из факторов, непосредственно влияющих на формирование условий на поверхности. Химия атмосферы способна много поведать ученым о процессах взаимодействия газовой оболочки планеты с ее недрами, с одной стороны, и с явлениями космического происхождения, с другой. Ярким примером тому является состав атмосферы планеты Венера.
Краткая характеристика атмосферы Утренней звезды
Чрезвычайно плотная газовая оболочка, источник необратимого парникового эффекта – это, наряду с непроницаемым облачным слоем, главная отличительная черта Венеры.
Структурно атмосфера представляет собой несколько слоев, различающихся составом и физическими свойствами. Нижний, наиболее плотный слой – тропосфера, простирающаяся до высот около 65 км. Выше, до 120 км, расположена разреженная мезосфера, над ней – термосфера и экзосфера. Вообще, для газовой оболочки Венеры характерна намного более высокая плотность, чем на Земле, в нижних слоях (давление у поверхности превышает 93 атмосферы) и меньшая плотность – в верхних слоях.
Облака находятся на высотах 50-65 км. На этом уровне атмосфера обладает свойством суперротации: благодаря сильнейшим ветрам она совершает полный оборот вокруг планеты за четверо земных суток – существенно быстрее, чем вращается сама Венера.
Химия газовой оболочки
Главный компонент в венерианской атмосфере – углекислый газ. Значительно меньше содержится азота, и ничтожно малую примесь представляют прочие газы.
В процентах состав атмосферы Венеры выражается следующим образом:
- диоксид углерода CO2 – около 96,5 %;
- азот N2 – около 3,5 %;
- сернистый ангидрид SO2 – 0,015 %;
- аргон Ar – 0,007 %;
- вода H2O – 0,002 %;
- угарный газ CO – 0,0017 %.
Гелий, неон, кислород, водород, галогеноводороды HCl и HF, сероводород присутствуют в следовых количествах. Суммарная доля примесных газов в химическом составе атмосферы Венеры не превышает нескольких сотых процента.
Углекислота задает тон
Насколько много в венерианском воздухе углекислого газа, можно представить, оценивая количество азота на Венере и на Земле. Мы помним, что в земной атмосфере азот составляет более трех четвертей – его много. Еще больше азота на Венере: масса его примерно втрое превышает массу всей атмосферы Земли. И при этом процентная доля азота на Венере в 27,5 раз ниже, чем доля углекислоты!
Диоксид углерода – тяжелый газ, и он концентрируется в нижних слоях атмосферы, вызывая знаменитый венерианский парниковый эффект, вследствие которого температура у поверхности держится возле 470 °C. Из-за высокой плотности углекислота здесь пребывает в состоянии, промежуточном между газом и жидкостью.
Ее наличие в составе атмосферы Венеры в столь большом количестве нуждается в объяснении. Предполагается, что планета приблизительно полмиллиарда лет назад пережила глобальную геологическую катастрофу, в результате которой была полностью разрушена кора. Повсеместный выход на поверхность огромного количества магмы и ее дегазация могли, как полагают ученые, привести к столь масштабному скачку содержания в атмосфере двуокиси углерода.
Малая, но важная примесь
Может показаться незначительным количество сернистого ангидрида в составе атмосферы. Венера, однако, обязана ему одной из самых примечательных своих особенностей – облачным слоем. В верхних слоях атмосферы этот газ наряду с углекислотой и водяными парами участвует в образовании серной кислоты под действием жесткого солнечного ультрафиолета.
Капельки кислоты «тонут» в плотной венерианской атмосфере лишь до определенного уровня, ниже которого кислота просто испаряется. Совместно с диоксидом серы эти капельки и формируют слой облаков, которые отражают большую часть солнечного света и делают невозможным наблюдение поверхности планеты в оптическом диапазоне. Именно благодаря им Венера – настолько яркий объект земного неба.
Предполагается, что источником сернистого газа также явилась интенсивная вулканическая деятельность.
Сухая планета
Широко известный факт – на Венере очень мало воды. Конечно, из-за большей близости к Солнцу протопланетное вещество, из которого формировалась планета, должно было содержать меньше летучих компонентов по сравнению с веществом, образовавшим Землю. И все-таки воды в составе атмосферы Венеры слишком мало. Мы говорим только об атмосфере, поскольку понятно, что при условиях, царящих на планете, никакая гидросфера невозможна, и вся свободная вода может существовать исключительно в парообразном состоянии.
Планетологи считают, что тектоническая катастрофа (о ней уже упоминалось выше), которую пережила Венера, привела к выбросу наряду с углекислотой и прочими газами большого количества водяного пара – ведь это тоже вулканический продукт. Он же, являясь и сильнейшим парниковым фактором, мог способствовать установлению современного температурного режима атмосферы.
Будучи значительно легче углекислоты, водяные пары концентрируются на больших высотах. Здесь вступает в действие жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, разбивая молекулы воды на кислород, участвующий в образовании серной кислоты, и водород. А поскольку Венера не имеет глобального магнитного щита, подобного земному, ионы легких газов – водорода, частично кислорода и некоторых других – легко теряются атмосферой.
Трудно оценить, сколько воды могла утратить планета подобным образом. Как бы то ни было, вопрос об удивительной «сухости» Венеры еще ждет окончательного ответа, и вряд ли этот ответ будет простым.
Впереди – новые открытия
Несколько лет назад благодаря данным европейского зонда «Венера-Экспресс» на высотах около 100 км был обнаружен слабый озоновый слой венерианской атмосферы. Формируется он опять-таки под действием солнечных лучей, расщепляющих молекулы диоксида углерода. Здесь же была зафиксирована температурная аномалия: атмосфера на этой высоте на несколько десятков градусов теплее. Ученые полагают, что аномалия связана с выделением энергии в реакциях распада озона.
Зонд «Венера-Экспресс» завершил свою миссию в 2015 году, но в настоящее время атмосферу планеты исследует японский аппарат «Акацуки», в задачи которого входит, помимо прочего, и измерение концентрации газов, входящих в состав атмосферы Венеры, на разных высотах. Зонд также обнаружил немало интересного. Так, пока не идентифицирован компонент атмосферы, поглощающий мягкий ультрафиолет, например, на длине волны 365 нм. Есть гипотеза, что за такое поглощение ответственен хлорид железа, возможно, присутствующий в облачном слое.
Немало открытий может принести и сопоставление данных современных и прошлых миссий, таких как советские «Венеры» или «Вега-2». Так, изучение результатов измерения концентрации углекислого газа и азота, полученных спускаемыми аппаратами, позволяет точнее представить себе процессы в малоизученных нижних слоях газовой оболочки Венеры. Состав атмосферы здесь и выше сложным образом связан с ее динамикой.
Открытий и гипотез в этой области много. Безусловно, новые миссии, например, запланированная на вторую половину 2020-х «Венера-Д», принесут ученым массу информации об атмосфере нашей соседки, столь похожей и непохожей на Землю. Будем надеяться, что эти проекты состоятся и станут успешными.
