Современные представления о Венере

Развитию физики планет за последние годы способствовали, с одной стороны, практические потребности в связи с развитием техники космических полетов, а с другой — совершенствование методов наземных наблюдений и появление таких мощных современных инструментов исследований, как автоматические космические станции — зонды. В результате планетология обогатилась новыми фундаментальными данными, которые привели к существенному прогрессу в представлениях о физических особенностях планет.
Венера — ближайшая к Земле планета, обращающаяся вокруг Солнца почти по круговой орбите, заключенной внутри земной, на расстоянии 0,723 а. е. (108,1 млн. км) от Солнца. По своим размерам, массе, средней плотности она очень похожа на Землю. Действительно, радиус Венеры, недавно уточненный по результатам радиолокационных измерений, всего лишь на 320 км меньше среднего земного, масса составляет около 80 % от массы нашей планеты, а средняя плотность почти такая же, как у Земли. Венера получает примерно вдвое больше солнечной энергии, но отражение от постоянно окутывающего ее плотного облачного слоя также приблизительно вдвое выше. Поэтому приток энергии к Венере и Земле почти одинаков.
Однако сходство двух планет чисто внешнее. За последнее десятилетие выявлены отличия принципиального характера, которые заставили отказаться от упрощенных представлений о том, что Венера и Земля — «близнецы».
Атмосфера на Венере была открыта М. В. Ломоносовым в 1761 г. Однако потребовалось свыше двухсот лет, прежде чем удалось существенно прояснить вопрос о структуре венерианской атмосферы и ее свойствах, об ожидаемых физических условиях на планете.
Приблизительно до 40—50-х годов нашего столетия существовало убеждение, что Венера обладает природными условиями, необходимыми для существования развитых форм жизни. И даже когда новые экспериментальные факты стали все с большей определенностью свидетельствовать о существенном отличии физико-химических условий на этой планете от земных, родились разнообразные гипотезы, пытавшиеся «примирить» результаты наблюдений с представлениями о сравнительно умеренном климате на поверхности Венеры. Наряду с этим существовали гипотезы о каменноугольном периоде на Венере, о водном океане, сплошь покрывающем ее поверхность, а также об обилии углеводородов в атмосфере, которые могли бы образовываться в недрах планеты при высоких температуре и давлении, и, в частности, об океане нефти на поверхности Венеры.
В чем же причина такого разнообразия представлений о природе этой планеты? На протяжении сотен лет Венера упорно хранила свои тайны под мощным слоем сплошных облаков, скрывающих ее поверхность. Они практически не позволяют выделить какие-либо отчетливые детали на диске планеты даже при использовании современных оптических телескопов, хотя в отдельные периоды и наблюдались образования, подобные разрывам в облаках. Многочисленные визуальные и фотографические наблюдения, а позднее и спектральные исследования в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, давшие много ценной информации о планете, не привели к сколько-нибудь успешным попыткам проследить видимое движение характерных деталей (пятен, полос) на ее диске, и долгое время нельзя было ответить на вопрос о параметрах собственного вращения Венеры. Оптические и первые радиолокационные измерения давали значения периода собственного вращения Венеры, различающиеся более чем в сто раз. Лишь к середине 60-х годов удалось установить, что этот период в 243 раза больше длительности земных суток, причем направление вращения обратное, т. е. по часовой стрелке, если смотреть с Северного полюса мира, а не против, как у Земли и других планет. При каждом сближении с Землей Венера повернута к нам почти точно одной и той же стороной, т. е. наблюдается как бы ее резонансное вращение относительно Земли. Были попытки объяснить возможность такой синхронизации орбитальным движением Земли за счет действия приливных сил.
Комбинация собственного обратного вращения и годового обращения Венеры вокруг Солнца приводит к тому, что за один венерианский год восход и заход Солнца на планете происходит дважды, и продолжительность венерианских солнечных суток составляет 116,8 земных. Ось собственного вращения Венеры почти перпендикулярна к плоскости ее околосолнечной орбиты — угол наклона свыше 87°. Поэтому в отличие от Земли, у которой этот угол около 67° сезонные изменения на планете практически отсутствуют.
К сожалению, до настоящего времени крайне ограничены сведения о фигуре и топографии Венеры. Исходя из имеющихся данных радиолокационного зондирования, можно ожидать, что отличие фигуры планеты от сферической невелико. Вблизи экваториальной плоскости обнаружены перепады высот на поверхности Венеры до 3 км, однако при достигнутой разрешающей способности радиолокационной установки можно было различить характерные детали протяженностью лишь в несколько сот километров и более. Возможно, что неоднородности венерианского рельефа выражены более резко. Во всяком случае изучение отражательных характеристик Венеры в радиодиапазоне. в частности данные о поляризации отраженных планетой радиоволн, позволяют предполагать переменность физических свойств поверхности Венеры и, видимо, сложный характер ее топографии.
Поверхность Венеры можно «видеть» лишь в сравнительно узком диапазоне радиоволн (приблизительно от трех до нескольких десятков сантиметров), для которых ее атмосфера достаточно прозрачна. Видимая верхняя граница венерианских облаков является как бы порогом для визуальных наблюдений. Вблизи этой границы находится и уровень собственного излучения планеты в инфракрасной области. Регистрируемые на Земле спектральные характеристики излучения — структура полос поглощения, интенсивность и ширина отдельных линий — позволили обнаружить в атмосфере Венеры углекислый и угарный газ, водяной пар, хлористый и фтористый водород, а также оценить температуру (примерно от —30 до — 50°С) и давление вблизи облаков (по поляризационным и спектральным измерениям — от 0,05 до 0,2 атм). Однако измерения при помощи оптических наземных инструментов давали лишь относительные содержания отдельных компонентов выше облаков и были бессильны ответить на вопрос о том, каковы параметры атмосферы нише уровня излучающего слоя.
Следует отметить, что   наибольшую эффективность дало использование инструментов с высоким спектральным разрешением (фурье-спектрометров). Результаты этих измерений приводили к представлениям о значительном количестве углекислого газа в атмосфере Венеры. Тем не менее большинство исследователей было склонно считать, что концентрация СО₂ не превышает 5 —10%, а основной составляющей атмосферы Венеры по аналогии с земной атмосферой является азот.

В конце 50-х годов с развитием техники радиоастрономических наблюдений неожиданно обнаружили высокую радиояркостную температуру Венеры. Это температура, характеризующая интенсивность (яркость) излучения планеты в диапазоне радиоволн. Радиояркостная температура Венеры оказалась порядка 300 — 400° С, т. е. во много раз выше, чем у Земли и Марса. Первым естественным объяснением этого результата было предположение, что до такой температуры разогрета поверхность Венеры, интенсивно излучающая на сантиметровых волнах, которые почти свободно проникают через атмосферу. Это, казалось, заставляло отказаться от увлекательных и многообещающих гипотез об океанах и пышной растительности на планете.
Вместе с тем были сделаны попытки объяснить высокую радиояркостную температуру Венеры, исходя из представлений о «горячей» атмосфере при умеренно нагретой поверхности или нетепловой природе излучения. Серьезно дискутировались гипотезы о сверхплотной ионосфере планеты (с концентрацией электронов, в тысячу раз большей по сравнению с ионосферой Земли), о тлеющих электрических разрядах в ее атмосфере, о генерации излучения при движении электронов в магнитном поле и др. Каждая из них, в принципе, была способна объяснить наблюдаемый характер микроволнового спектра Венеры, хотя при более внимательном рассмотрении встречалась с известными трудностями или требовала довольно искусственных допущений. В результате вопрос об источнике высокой радиояркостной температуры и, следовательно, о том, какова температура атмосферы у поверхности Венеры, оставался до конца нерешенным. Еще большая неопределенность была в оценках величины давления у поверхности: назывались значения от единиц до нескольких сот атмосфер. Астрономы не располагали сведениями и о том, каков характер изменения температуры в атмосфере под облаками, какова протяженность атмосферы ниже их видимой границы, другими словами, как «глубоко» на ходится поверхность. Ответы на эти и мне гие другие вопросы могли дать лишь прямые измерения при помощи космических аппаратов.
Естественно поэтому, что проведение зондирования атмосферы ниже видимого слоя облаков явилось основной задачей автоматических станций «Венера». Уникальные данные, полученные в результате успешного осуществления серии этих экспериментов, а также экспериментов, выполненных американскими учеными при пролете волизи планеты космического аппарата «Маринер-5», открыли новый этап в изучении Венеры и положены в основу современных представлений о природе этой планеты.