Астрономия и Космонавтика Коллектив авторов - Современные достижения космонавтики (сборник статей)

Мы рассказали только об одной из проблем исследования Венеры, волнующих ученых, — о проблеме эволюции ее атмосферы. Это не единственная загадка. Еще не полностью понят физический механизм разогрева поверхности Венеры, хотя, ясно, что он связан с большой непрозрачностью ее атмосферы в инфракрасной области спектра. Не решен вопрос о составе и строении облачного слоя планеты и его роли в разогреве атмосферы. Однако можно быть уверенным, что ответы на все эти вопросы мы получим достаточно скоро.

Хотелось бы подчеркнуть, что проблема эволюции планетных атмосфер отнюдь не является отвлеченной. Даже небольшое изменение состава атмосферы и климата на Земле весьма опасно, и поэтому очень важно понять, как формируется состав планетной атмосферы, какими эволюционными факторами определяется климат. Детальное изучение других планет Солнечной системы может дать ключ к решению этой важнейшей для всего человечества проблемы.

Открытие планеты Плутон с помощью математического расчета стало хрестоматийным примером научного предвидения. Однако методы и инструменты, которыми обладает ученый сегодня, позволяют решать более трудоемкие и сложные задачи.

Лишь в самое последнее время благодаря работам радиоастрономов и полетам автоматических станций удалось получить некоторые сведения о свойствах атмосферы Венеры и вращении планеты. Однако экспериментальными данными о ветрах, дующих там, мы до сих пор не располагали. Между тем накопленный материал уже позволил поставить задачу о теоретическом расчете системы ветров и распределения температуры, т. е. общей циркуляции атмосферы этой планеты. Расчеты «погоды» Венеры были выполнены в 1969–1972 годах в Институте океанологии Академии наук СССР.

Поясним, что представлял собой наш численный эксперимент. Сначала было принято, что ветры в атмосфере Венеры полностью отсутствуют, температура на поверхности всюду одна и та же, а по высоте падает по так называемому адиабатическому закону (что соответствует полному перемешиванию). Затем «включался» солнечный источник тепла и рассчитывались изменения состояния атмосферы с течением времени. Таким образом, численный эксперимент воспроизводил воображаемое поведение атмосферы, каким оно получилось бы, если, выровняв температуру и «остановив» циркуляцию, мы дали бы ей возможность снова начать развиваться. Были все основания ожидать, что после более или менее длительного периода приспособления модель атмосферы придет к режиму динамического равновесия с внешними условиями.

Расчеты показали, что режим равновесия достигается примерно за один земной месяц, а в результате всего эксперимента были получены сведения об изменениях во времени скорости и направления ветра, температуры, атмосферного давления, вертикальных движений газа, тепловых потоков, трения газа о поверхность в течение всего венерианского суточного цикла — примерно 117 земных суток.

Результаты эксперимента сводятся к следующему. Циркуляция атмосферы Венеры практически симметрична относительно экватора и развивается как следствие температурных различий между дневным и ночным полушариями. Эти различия постоянно поддерживаются тем, что дневная сторона планеты нагревается Солнцем, а ночная охлаждается из-за собственного излучения.

Циркуляция не симметрична ни относительно оси вращения, ни относительно линии Солнце-Венера: область наибольшего нагрева приближается к вечернему терминатору, а наиболее холодная область находится на утреннем терминаторе (терминатор — линия, отделяющая дневное полушарие от ночного). Разности температур в различных точках планеты получились очень малыми — всего один-два градуса.

Система ветров такова: в нижних слоях газы, образующие атмосферу Венеры, стекаются к наиболее нагретой области, там они поднимаются вверх и, растекаясь в верхних, слоях, собираются к области «холода», где снова опускаются вниз. Эти движения охватывают всю планету; крупномасштабные вихри типа циклонов и антициклонов, отсутствуют. Типичная скорость ветра несколько превышает пять-шесть метров в секунду. Вспомним, что на Земле типичная скорость близка к 10 метрам в секунду, но на Венере плотность атмосферы в десятки раз больше, и обычные ветровые давления в 10–15 раз больше, чем на Земле, — они соответствуют нашим ураганным ветрам.

В 10–15 раз больше, чем на Земле, и напряжения трения на поверхности Венеры. Можно ожидать поэтому, что рельеф планеты сглажен. Любопытно, что, согласно расчетам., вертикальные скорости достигают нескольких сантиметров в секунду (на Земле они измеряются немногими миллиметрами в секунду). Вся нижняя атмосфера Венеры (тропосфера) находится в состоянии конвективного перемешивания: на дневной стороне это обусловлено нагревом снизу, на ночной — охлаждением сверху вследствие собственного излучения.

Конечно, все эти сведения подлежат дальнейшему уточнению. Математическую модель можно и нужно совершенствовать — вводить более детальное описание вертикальной структуры, учитывать новые сведения о лежащих в основе расчетов наблюдаемых свойствах атмосферы Вегерьт. Новые данные, переданные на Землю автоматической станцией «Венера-8», мы надеемся, дадут материал и для уточнения исходных параметров расчета, и для сравнения теоретических результатов с фактическими.

Статью о циркуляции атмосферы Венеры на этом можно было бы закончить. Однако читатель вправе спросить: для чего нужны подобные исследования, зачем знать циркуляцию на другой планете и какую практическую пользу можно-извлечь из этих знаний? Такие вопросы заслуживают подробного разъяснения. Мы ограничимся тем, что приведем некоторые соображения с позиции геофизики — науки, изучающей нашу планету. Одна из важнейших задач геофизики — научиться теоретически предсказывать, каким может стать на нашей планете «режим динамического равновесия» (термин уже знакомый) в результате сознательных или невольных воздействий, оказываемых хозяйственной деятельностью человечества.

Практический интерес этой задачи очевиден. Развитие техники идет настолько быстро, что уже сейчас возникает вопрос — какова дальнейшая судьба избытка углекислоты, поступающей в атмосферу от сжигания топлива, и не может ли накопление углекислоты, повысив «парниковый эффект», привести к катастрофическому потеплению климата? Другой пример — устойчивы ли полярные ледяные шапки, не могут ли сравнительно слабые тепловые воздействия привести к их исчезновению или, наоборот, катастрофическому разрастанию.