«Венера»

1. Венера как планета солнечной системы

Астрономия – одна из древнейших наук. Она возникла из практических потребностей человека. Кочевникам, скотоводам, путешественникам и особенно мореплавателям нужно было ориентироваться при своих передвижениях. Они заметили, что Солнце, Луна и звезды всегда восходят на востоке, поднимаются выше всего над горизонтом на юге и заходят на западе. Земледельцы должны были знать сроки проведения полевых работ. Они научились определять на вступление различных сезонов года по высоте Солнца и по появлению на ночном небе определенных звезд. Ранее, еще за 3000 лет до нашей эры египетские жрецы (подметили, что разливы Нила наступали вскоре после того, как самая яркая из звезд – Сириус – появлялась на востоке перед восходом Солнца. Повторяемость фаз Луны, изменения высоты Солнца над горизонтом, положения звезд на небе создали основу для измерения времени и летосчисления. Все это требовало систематических наблюдений небесных светил и их движения. В процессе наблюдений обнаружилось, что взаимное положение большин­ства звезд неизменно. Однако несколько ярких звезд оказались блуждающими по небу. По-гречески блуж­дающий – «планетос», поэтому эти звезды назвали планетами. Одной из таких планет, перемещение которой среди звезд было наиболее быстрым, дали имя Меркурий в честь мифологического бога торговли, дорог, вестника богов, который отличался большой подвижностью. Другая планета за свой красный цвет была названа по имени бога войны Марсом. 

Одна из планет превосходит по своей яркости все звезды и бывает видна даже днем. Вавилоняне описы­вали эту планету как «яркий факел небес» и назвали ее именем матери богов Иштар. Считалось, что Иштар ниспосылает людям изобилие. В связи с красотой этой планеты многие народы ассоциировали ее с жен­щиной. В Китае ее называли Тайин, или Белоликая красавица. В честь римской богини любви и красоты планету назвали Венерой. 

Непосредственные ощущения человека, его житей­ский опыт создавали впечатление неподвижности Зем­ли. В наблюдениях небесных явлений тоже не бы­ло прямых указаний на движение Земли, Поэтому древние астрономы считали, что Солнце, Луна, звез­ды и планеты движутся вокруг неподвижной Земли. Наивысшее развитие эта точка зрения получила в труде Птолемея «Альмагест» (II век н.э.). 

В основе системы мира Птолемея лежат четыре постулата: 1) центром Вселенной является Земля (поэтому эта система называется геоцентрической); 2) Земля неподвижна; 3) все небесные тела движут­ся вокруг Земли; 4) движение небесных тел происхо­дит по кругам с постоянной скоростью. Однако «блуждания» планет по небу среди звезд имеют весь­ма сложный вид и не соответствуют указанным посту­латам. Венера всегда находится на небе либо в тем же созвездии, что и Солнце, либо в соседнем. При этом она может находиться и к востоку и к западу от Солнца, по никогда не удаляется от него дальше, чем на 48°, и поэтому, в частности, никогда не бывает видна поздно ночью. 

Марс и Юпитер движутся среди звезд по еще бо­лее сложным траекториям, изменяя как скорость, так и направление движений. Для объяснения этого явле­ния Птолемей ввел систему эпициклов, согласно кото­рой планета движется по маленькому кругу – «эпи­циклу», центр которого в свою очередь вращается вокруг Земли по большому кругу – «деференту», при­чем для Венеры центр эпицикла всегда находится на прямой линии, соединяющей Солнце и Землю. 

Система Птолемея с достаточной для практических потребностей того времени точностью описывала ви­димое движение планет и объясняла, почему Венера никогда не появляется на большом угловом расстоянии от Солнца и даже позволяла предвычислять по­ложения планет на небе с точностью, удовлетворяв­шей несовершенным наблюдениям невооруженным глазом.

Религия сделала птолемеевскую геоцентрическую систему мира одним из основных догматов церкви.

Господствующее положение церкви в средние века исключало какие-либо другие модели мира, не соот­ветствующие догмату церкви. Поэтому развитие астро­номии было заторможено на многие столетия. Расхождения же теории с наблюдениями, которые выяв­лялись по мере накопления новых наблюдательных данных и повышения их точности, пытались устра­нить путем усложнения системы Птолемея. Так, на­пример, для объяснения неправильностей в движени­ях планет был введен второй эпицикл, центр которого движется по окружности первого эпицикла, а планета движется по окружности второго эпицикла. Однако даже при таком усложнении системы она не удовлет­воряла требованиям, которые предъявлялись к астро­номии жизнью.

И лишь в эпоху великих географических открытий, когда для далеких путешествий через океан по­требовалась более точные методы ориентировки и исчисления времени, совершенствование астрономиче­ских знаний и теории движения планет, а также на­копленный наблюдательный материал подготовили почву для революции в астрономии. Эту революцию произвел польский ученый Николай Коперник (1473–1543), разработавший гелиоцентрическую систему мира. Основными положениями этой системы являют­ся следующие: 1) центром мира является Солнце, а не Земля; 2) Земля и планеты движутся около Солн­ца и вращаются вокруг своих осей; 3) планеты обра­щаются вокруг Солнца по круговым орбитам; 4) пла­неты движутся по орбитам с постоянными скоростями, зависящими от расстояний до Солнца: чем ближе орбита к Солнцу, тем больше скорость движения пла­неты по орбите.

При этом сложные видимые движения планет можно было просто объяснить как результат сочета­ния двух действительных движений – движения пла­неты, и движения Земли по орбитам вокруг Солнца. Планеты, в отличие от звезд, не имеют собствен­ного свечения и подобно Луне лишь отражают сол­нечные лучи. Освещена лишь половина планеты, об­ращенная к Солнцу. Поэтому движение Венеры должно сопровождаться непрерывным изменением ее вида для земного наблюдателя. Однако характер этого изменения в системах мира Птолемея и Коперника совершений различен. В птолемеевской системе Венера видна лишь как серп, когда к Земле обра­щена часть освещенного полушария планеты.

В системе Коперника Венера должна по­добно Луне проходить все фазы освещенности от узкого серпа до полностью освещенного диска, подоб­ного Луне в новолуние. Однако в связи с малым угловым размером Венеры такие изменения вида планеты нельзя увидеть нево­оруженным глазом. Галилей, впервые применивший телескоп для астрономических наблюдений провел и наблюдения Венеры. По наблюдениям Галилея вид Венеры действительно изменяется и ее фазы аналогов и известному расстоянию между пунктами легко вычислить расстояние от Земли до Солнца. Однако из-за наклона орбиты Венеры к орбите Земли такие прохождения происходят очень редко, примерно два раза в столетие. Одно из них ожидалось 6 июня 1761 г. В числе ученых, принимавших участие в этих наблюдениях, был первый русский академик М.В. Ломоносов.

2. Атмосфера

В 1761 г. ожидалось редкое небесное явление: прохождение Венеры перед диском Солнца. Многие астрономы готовились к этому событию и даже снаряжали экспедиции в дальние края для его наблюдений. Ведь, если наблюдать моменты вступления Ве­неры на солнечный диск и схожде­ния с него из различных, отдален­ных друг от друга пунктов Земли, можно вычислить расстояние от Зе­мли до Солнца – астрономическую единицу, одну из фундаментальных постоянных в астрономии, входя­щую во многие формулы небесной механики.

Готовились к наблюдениям и рус­ские астрономы. Их организатором был Михаил Васильевич Ломоносов. Он направил две экспедиции в Си­бирь: в Иркутск (под руководством Н.И. Попова) и в Селенгинск (во гла­ве с С.Я. Румовским), организовал наблюдения в Петербурге, на универ­ситетской обсерватории (А.Д. Красильников, Н.Т. Курганов), сам же ре­шил наблюдать дома в небольшую трубу с целью изучения явления как такового.

Когда черный диск Вене­ры уже сходил с солнечно­го диска, Ломоносов заме­тил, что тонкая дуга на краю Солнца изогнулась, как бы приподнятая дис­ком Венеры, и образо­вался яркий выступ – «пупырь», по  выраже­нию Ломоносова. Затем «пупырь» лопнул и диск Венеры слился с темным фоном неба. Это явление позже, уже в XX в., получи­ло название «явление Ломоносова». Предположив, что оно вызвано преломлением солнечных лучей в атмосфере Венеры, уче­ный подытожил свое исследование следующими словами: «По сим при­мечаниям господин советник Ломо­носов полагает, что планета Венера окружена знатной воздушной атмо­сферою, таковой (лишь бы не боль­шею), каковая обливается около на­шего шара земного».

Ломоносов опубликовал свой труд на русском и немецком языках, но он прошел незамеченным, и в 90-х гг. XVIII в. Уильям Гершель и немецкий астроном Иоганн Шретер вторично «открыли» атмосферу Венеры. Прио­ритет Ломоносова был восстановлен лишь в 50-х гг. XX в. усилиями рос­сийских астрономов.

Так или иначе, в конце XVIII сто­летия стало ясно, что Венера окруже­на плотной атмосферой и мощным облачным слоем. Из чего же состоит эта атмосфера? И какие частицы об­разуют облака Венеры?

Когда в 60-х гг. XIX в. астрономы впервые попытались выяснить состав атмосферы Венеры методом спект­рального анализа, они прежде всего надеялись обнаружить там «газы жиз­ни» – кислород и водяной пар. Увы, их ожидания не оправдались. Поис­ки возобновились в XX в. Академик Аристарх Аполлонович Белопольский в Пулкове, Весто Мелвин Слай-фер во Флагстаффе (штат Аризона, США) пытались найти признаки по­лос кислорода и водяного пара на многочисленных спектрограммах Венеры – и вновь безрезультатно.

В 1932 г. американские астрономы У. Адаме и Т. Дэнхем на обсервато­рии Маунт-Вилсон зафиксировали в спектре Венеры три полосы, принад­лежащие углекислому газу (СО₂). Их интенсивность указывала на то, что количество этого газа в атмосфере Ве­неры во много раз превышает его со­держание в земной атмосфере. По­пытки обнаружить в спектре Венеры признаки других газов долго остава­лись безуспешными. Планета была словно укутана чадрой и не желала раскрывать свои тайны.

Тогда ученые принялись исследо­вать свойства облачного покрова Ве­неры. В 1923 г. Эдисоном Петтитом и Сэтом Николсоном на обсерватории Маунт-Вилсон были начаты измере­ния температуры облаков Венеры. Затем они многократно повторялись другими астрономами. Наиболее уве­ренные результаты получили в 1955 г. Уильям Синтон и Джон Стронг (США). Температура облачного слоя Венеры оказалась равной 233–240 К (около -40 °С). Близ полюсов плане­ты она понижалась до 205–213 К. В том, что температура облаков Венеры столь низкая, нет ничего удивитель­ного. И в стратосфере Земли царят весьма низкие температуры.

Специальные наблюдения, выпол­ненные советскими учеными Н.П. Барабашовым, В.В. Шароновым, В.И. Езерским, французским астро­номом Б. Лио, а также теория рассе­яния света плотными атмосферами планет, развитая В.В. Соболевым, свидетельствовали о том, что разме­ры частиц облаков Венеры – около одного микрометра. Но какова при­рода этих частиц? На этот вопрос классические методы астрофизики ответить не могли.

В середине 50-х гг. начались ис­следования Венеры методами радио­астрономии, а в 60-е гг. к этой неизведанной планете полетели меж­планетные станции, созданные уче­ными и инженерами СССР и США. За последующие 40 лет о природе Вене­ры удалось узнать намного больше, чем за предыдущие 350 лет телеско­пических наблюдений.

В 1956 г. астрономы Морской ис­следовательской лаборатории США впервые зарегистрировали тепловое излучение Венеры на волне 3 см. Оно соответствовало температуре 600 К (свыше 300°С). После дискус­сии о том, что же обладает столь вы­сокой температурой – поверхность планеты или ее ионосфера, ученые пришли к выводу, что такова темпе­ратура поверхности. В 1967 г. в этом окончательно убедили спуск в атмо­сфере Венеры советской межпланет­ной станции «Венера-4» и пролет вблизи планеты американского «Маринера-5». А позднее, после посадки на поверхность планеты станций «Венера-7» (декабрь 1970 г.) и «Вене­ра-8» (июль 1972 г.), выяснилось, что ее температура еще выше, а именно 730–740 К.

В чем причина столь сильного разогрева поверхности Венеры? От Солнца она получает только вдвое больше тепла, чем Земля. Если бы Земля оказалась на ее месте, темпе­ратура нашей планеты повысилась бы не более чем на 60°С. Значит, должно быть и другое объяснение. Его нашел американский ученый Карл Саган. Дело в том, что газовая оболочка Венеры – это гигантский парник. Она способна пропускать солнечное тепло, но не выпускает на­ружу, поглощает излучение самой планеты. Поглотителями являются углекислый газ, на долю которого приходится около 96% состава атмо­сферы, и водяной пар, хотя его и не­много (доли процента).

Кроме того, в атмосфере Венеры были обнаружены азот (4%) и в небольших концентрациях другие газы (метан, аммиак, окислы азота, серы, соединения хлора и фтора, кислород).

Астрономы детально изучили рас­пределение давления, плотности, состава и температуры атмосферы Венеры по высоте. Давление ее у по­верхности достигало 90 атмосфер. Этот последний результат был полу­чен в начале 70-х гг. с помощью станций «Венера-7» и «Венера-8» и неоднократно уточнялся в ходе даль­нейших экспериментов.

Длительные наблюдения за облач­ным слоем Венеры с «Маринера-10» позволили выявить ряд устойчивых деталей, хорошо заметных в ультра­фиолетовых лучах. Они перемеща­ются в сторону вращения планеты, значительно его опережая, – с пери­одом в четверо суток. Из этого сле­дует, что на уровне верхней границы облаков (65–70 км над поверхно­стью планеты) дуют ветры с постоян­ным направлением с востока на за­пад и скоростью (вблизи экватора) 110 м/с. По земным меркам это ветер ураганной силы.

Вопрос о составе облаков Венеры длительное время оставался предме­том острых дискуссий. Гипотезы о том, что облака Венеры – это капель­ки воды, кристаллики льда, капли СО₂, пылинки, отвергались одна за другой. Когда в начале 1967 г. фран­цузские астрофизики супруги Пьер и Жанна Конн обнаружили в спектре облаков Венеры следы соединений хлора и фтора (НС1 и HF), их тоже рассматривали как возможные со­ставляющие частиц облачного слоя. Но тщательный анализ показал, что и эта гипотеза неверна.

Разгадка была получена в 1972 г., когда американские исследователи Луиза и Эндрю Янг, а также Годфри Силл независимо друг от друга при­шли к выводу, что самым различным наблюдательным данным об обла­ках Венеры (их показателю прело­мления, спектральным характери­стикам) хорошо удовлетворяет предположение, что они состоят из капелек концентрированной серной кислоты (H₂SO₄). Кроме того, серная кислота легко соединяется с водой.

Давление водяного пара над уровнем облаков оказалось как раз таким, ка­кое должно быть, если облака состо­ят из капель 80-процентного раство­ра серной кислоты. Такие капельки встречаются и в земной стратосфере. Но в облаках Венеры они играют ос­новную роль.

Откуда же берется в атмосфере Ве­неры серная кислота? Исследования показали, что она образуется химиче­ским путем из диоксида серы (SO₂), источниками которого могут быть серосодержащие породы поверхности (пириты) и вулканические изверже­ния. А есть ли на Венере вулканы? Это еще предстояло выяснить.

3. Строение поверхности

Тщательная радиолокационная съем­ка северного полушария Венеры с ав­томатических станций «Венера-15» и «Венера-16», выведенных в 1984 г. на орбиты спутников планеты, показала, что многие горные вершины имеют на склонах явные следы потоков ла­вы. Еще заметнее они на радиоизо­бражениях, переданных американ­ским аппаратом «Магеллан», который четыре года (1990–1994 гг.) работал на орбите спутника Венеры.

Вулканы проявляют себя и в дру­гом: их извержения порождают мощ­ные электрические разряды – насто­ящие грозы в атмосфере Венеры, которые неоднократно регистриро­вались приборами станций серии «Венера». Нет сомнения, что там слу­чаются и венеротрясения. Сравнение изображений, полученных аппара­том «Магеллан» с интервалом в год, выявило явные изменения форм по­верхности.

Благодаря работе станций серии «Венера» (особенно «Венера-15 и -16») были составлены карты релье­фа северного полушария планеты. Для этого отечественные специа­листы применили оригинальную методику с использованием двух ра­диолокаторов и с последующей ком­пьютерной обработкой изображе­ний. Российские геологи провели детальный анализ рельефа Венеры.

Позднее подробную съемку релье­фа всей планеты осуществил аме­риканский космический аппарат «Ма­геллан».

Теперь мы знаем, что рельеф пла­неты состоит из обширных равнин, пересеченных горными цепями и возвышенностями типа плато. Гор­ные области выглядят как земные материки. Два «континента» Вене­ры – Земля Иштар и Земля Афро­диты – сравнимы по площади с кон­тинентальной частью США. Земля Иштар выделяется горами Максвелла, возвышающимися над средним уров­нем на 11 км, т.е. они выше земного Эвереста. По восточному краю Земли Афродиты на 2200 км простираются две рифтовые долины, расположен­ные ниже среднего уровня венерианской поверхности. Горная область Бета представляет собой два громад­ных вулкана щитообразной формы наподобие вулканов Гавайских остро­вов. Они, как и их земные двойники, поднимаются на 4000 м, но гораздо больше по площади.

Низменности, похожие на океан­ские бассейны Земли, занимают только шестую часть поверхности планеты, тогда как на Земле – две трети. Есть на Венере и ударные кра­теры, подобные лунным. Для круп­ных метеоритов, астероидов и ядер комет даже плотная атмосфера не преграда. Основная же часть поверх­ности Венеры – это холмистая равнина с кратерообразными структура­ми (скорее всего вулканического происхождения), но меньших разме­ров, чем область Бета.

Вулканизм Венеры свидетельству­ет об активности ее недр. Однако проявления этой активности не носят глобального характера, как на на­шей планете. Земная кора расколота на несколько отдельных плит, на гра­ницах которых конвективные пото­ки жидкой мантии постоянно обно­вляют ее. На Венере же эти потоки заперты толстой базальтовой корой и большая часть лавы не достигает поверхности.

У Венеры должно быть жидкое железное ядро, но движения вещест­ва в нем не происходит – нет пере­мещения заряженных частиц, т.е. электрического тока, а значит, и не возникает собственное магнитное поле планеты.

Так благодаря применению косми­ческой техники и радиолокации рас­крылись перед человечеством, казалось бы, надежно спрятанные под плотной атмосферой и облаками тай­ны Венеры.

4. Вращение Венеры

Уже в 1667 г. Ажованни Аоменико Кассини, работавший тогда в Болонье, предпринял первую попытку определить период враще­ния Венеры вокруг оси. На диске планеты не удалось обнаружить устойчивых деталей, как, например, на Марсе или Юпитере. Бы­ли заметны только слабые темные пятна. Все же Кассини опуб­ликовал найденное им значение периода: 23 ч 21 мин.

Хотя это значение и не имеет ничего общего с действитель­ным, все же оно было получено не случайно. Ведь время, удоб­ное для наблюдения Венеры, невелико: так, в период вечерней ви­димости от захода Солнца до ее собственного захода проходит не более трех часов. Правда, Венеру можно наблюдать и днем, но рассеянный свет голубого неба смазывает тонкие детали, ко­торые необходимы для расчета. Таким образом, Кассини прихо­дилось наблюдать планету примерно раз в сутки. Он видел те же детали и полагал, что за это время Венера сделала полный обо­рот вокруг оси. Зная периоды вращения Земли (24 ч) и Марса (24 ч 37 мин), он решил, что такой период характерен для пла­нет земной группы.

В 80-е гг. XIX в. итальянский астроном Ажованни Скиапарелли установил, что Венера вращается гораздо медленнее. Тогда он предположил, что планета обращена к Солнцу одной стороной, как Луна к Земле, и, стало быть, ее период вращения равен пе­риоду обращения вокруг Солнца – 225 суткам. Та же точка зре­ния была высказана и в отношении Меркурия. Но в обоих случа­ях этот вывод оказался неверным.

Только в 60-е гг. XX столетия применение радиолокации поз­волило американским и советским астрономам доказать, что вра­щение Венеры – обратное, т.е. она вращается в направлении, противоположном направлению вращения Земли, Марса, Юпи­тера и других планет. В 1970 г. две группы американских ученых по наблюдениям за 1962–1969 гг. точно определили, что пери­од вращения Венеры равняется 243,2 суткам. Близкое значение по­лучили и советские радиофизики.

Вращением вокруг оси и орбитальным движением планеты обу­словлено видимое перемещение Солнца по ее небосклону. Зная периоды вращения и обращения, легко рассчитать продолжитель­ность солнечных суток на Венере. Оказывается, они в 117 раз длиннее земных, и венерианский год состоит менее чем из двух таких суток.

Теперь предположим, что мы наблюдаем Венеру в верхнем со­единении, т.е. когда Солнце располагается между Землей и Ве­нерой. Эта конфигурация повторится через 585 земных суток: на­ходясь в других точках своих орбит, планеты займут то же положение относительно друг друга и Солнца. На Венере за это время пройдет ровно пять местных солнечных суток (585 = 117 × 5). И значит, она будет повернута к Солнцу (а стало быть, и к Земле) той же самой стороной, что и в момент преды­дущего соединения. Такое взаимное движение планет называет­ся резонансным; оно вызвано, по-видимому, длительным воздей­ствием на Венеру поля тяготения Земли. Вот почему астрономы прошлого и начала нынешнего века считали, что Венера всегда обращена к Солнцу одной стороной.