Атмосфера Венери

Атмосфера ВенериХмари в атмосфері Венери. Їх V-подібний візерунок спричинений сильними вітрами поблизу екватора. Знімок зонда «Піонер-Венера-1» в ультрафіолетових променях, 1979. Загальна інформація Висота 250 км Середній тиск біля поверхні 93 бар (9,3 МПа) Маса 4,8 кг Склад Вуглекислий газ CO2 96,5 % Азот N2 3,5 % Діоксид сірки SO2 150 ppm Аргон Ar 70 ppm Водяна пара H2O 20 ppm Чадний газ CO17 ppm Гелій He 12 ppm Неон Ne 7 ppm Хлороводень HCl Фтороводень HF

Атмосфе́ра Вене́ри — газова оболонка, що оточує Венеру. Набагато щільніша та гарячіша, ніж атмосфера Землі: її температура на середньому рівні поверхні становить 740 К (467 °С) при тиску близько 93 бар. Складається переважно з вуглекислого газу та азоту; інші речовини наявні тільки в слідових кількостях. Містить хмари з сірчаної кислоти, що унеможливлюють спостереження поверхні в видимому світлі, і прозора лише в радіо- та мікрохвильовому діапазонах, а також на окремих ділянках ближньої інфрачервоної області.

Атмосфера Венери знаходиться в стані сильної циркуляції та обертання. Вона робить повний оберт усього за чотири земних дня, що в багато разів менше періоду обертання планети (243 дні). На рівні верхньої межі хмар вітри сягають швидкості 100 м/с (), що перевищує швидкість обертання точок на екваторі планети в 60 разів. Для порівняння, на Землі найсильніші вітри мають від 10 % до 20 % швидкості обертання точок на екваторі. Але швидкість вітру знижується зі зменшенням висоти, досягаючи біля поверхні значень порядку метра на секунду. Над полюсами існують антициклонічні структури, які називаються полярними вихорами. Кожен вихор має подвійне око і характерний S-подібний рисунок хмар.

На відміну від Землі, Венера не має магнітного поля, і її іоносфера відділяє атмосферу від космічного простору і сонячного вітру. Іонізований шар не пропускає сонячне магнітне поле, надаючи Венері особливого магнітного оточення. Воно розглядається як індукована магнітосфера Венери. Легкі гази, зокрема водяна пара, постійно здуваються сонячним вітром через індукований хвіст магнітосфери. Є припущення, що близько 4 млрд років тому атмосфера Венери була більше подібна до земної, а на поверхні була рідка вода. Необоротний парниковий ефект, можливо, був викликаний випаровуванням поверхневої води і наступним підвищенням рівнів інших парникових газів.

Незважаючи на екстремальні умови на поверхні планети, на висоті 50—65 км атмосферний тиск і температура практично такі самі, як на поверхні Землі. Це робить верхні шари атмосфери Венери найбільш схожими на земні в Сонячній системі (причому навіть більше, ніж на поверхні Марса). Через близькість тиску і температури, а також через той факт, що повітря для дихання (21 % кисню, 78 % азоту) на Венері є газом, що піднімається (як, наприклад, гелій на Землі), верхні шари атмосфери були запропоновані вченими як місце, яке підходить для дослідження та колонізації.

Структура і склад

Склад

Атмосфера Венери складається з вуглекислого газу, невеликої кількості азоту та ще меншої — інших речовин. Хоча процентний вміст азоту там значно менший, ніж в атмосфері Землі (3,5 % проти 78 %), його загальна маса приблизно в чотири рази більша. Це наслідок величезної маси атмосфери Венери порівняно з земною .

Атмосфера Венери містить і інші речовини, але в дуже малій кількості. Це діоксид сірки (SO2), водяна пара (H2O), монооксид вуглецю (CO), інертні гази, хлороводень (HCl) та фтороводень (HF). Водень — відносно рідкісний для атмосфери Венери елемент. Багато водню, ймовірно, було розсіяно в космосі, а інша частина зв'язана, в основному в складі сірчаної кислоти та сірководню. На втрату значної кількості водню вказує те, що водень атмосфери Венери містить дуже багато дейтерію (він, як важкий ізотоп, втрачається повільніше). Частка дейтерію становить 0,015—0,025, що в 100—150 разів вище, ніж земне значення 0,00016. У верхніх шарах атмосфери Венери це співвідношення в 1,5—2 рази вище, ніж у цілому по атмосфері.

Тропосфера

Загальна характеристика Атмосфера Венери розділена на декілька шарів. Найщільніша частина атмосфери — тропосфера — починається на поверхні планети і простягається аж до 65 км. Вітри біля розжареної поверхні слабкі, однак у верхній частині тропосфери температура і тиск зменшуються до земних значень, і швидкість вітру зростає до .

Атмосферний тиск на поверхні Венери в 92 рази вищий, ніж на поверхні Землі, і дорівнює тиску під водою на глибині близько 910 метрів. Через такий високий тиск вуглекислий газ фактично є вже не газом, а надкритичним флюїдом. Атмосфера Венери має масу 4,8 кг, що в 93 рази перевищує масу атмосфери Землі, а густина атмосфери біля поверхні становить приблизно , тобто 6,5 % від густини рідкої води на Землі.

Велика кількість CO2 в атмосфері разом із водяною парою, діоксидом сірки та складниками хмар створює сильний парниковий ефект. Він робить Венеру найгарячішою планетою Сонячної системи, хоча вона розташована вдвічі далі від Сонця і отримує в 4 рази менше енергії на одиницю площі, ніж Меркурій. Середня температура біля її поверхні — (), що вище за температуру плавлення свинцю (, ), олова (, ) і цинку (, ). Через щільну тропосферу різниця температур між денною та нічною сторонами незначна, хоча доба на Венері дуже довга: вона триває 116,8 земних діб. +АтмосфераВисота(км)Темп.(°C)Атмосфернийтиск(× Землі)046292,10542466,651038547,391534833,042030822,522526614,93302249,851351825,917401453,501451121,97950771,06655290,531460−100,235765−300,0976570−430,0369080−760,00476090−1040,0003736100−980,00002660

Тропосфера Венери містить 99 % всієї атмосфери планети за масою. 90 % атмосфери Венери знаходиться в межах 28 км від поверхні. На висоті 50 км атмосферний тиск приблизно дорівнює тиску на поверхні Землі. На нічній стороні Венери хмари можна виявити навіть у 90 км над поверхнею.

Тропопауза — межа між тропосферою та мезосферою — розташована трохи вище 50 км. Це та висота, де умови найбільш схожі на умови на поверхні Землі. За даними вимірювань радянських зондів від «Венера-4» до «Венера-14» і американських «Піонер-Венера-2», область від 52,5 до 54 км має температуру між () і (), а на висоті 49,5 км тиск стає таким самим, як на Землі на рівні моря. Це оптимальна область для дослідницьких кораблів або колоній, де температура та тиск будуть подібними до земних.

Циркуляція Циркуляція в тропосфері Венері відповідає так званому циклострофічному наближенню. При цьому швидкість повітряних потоків приблизно визначається балансом баричного градієнта і відцентрових сил в майже правильному зональному повітряному потоці. Для порівняння, циркуляція в земній атмосфері визначається геострофічним балансом. Швидкість вітрів на Венері може бути безпосередньо виміряна тільки у верхніх шарах тропосфери (тропопаузі) між 60 і 70 км, що відповідає верхньому шару хмар. Рух хмар, як правило, спостерігається в ультрафіолетовій частині спектра, де контраст між хмарами є найвищим. На знімках в ультрафіолетовому діапазоні АМС «Марінер-10» були виявлені три V-подібні неоднорідності атмосфери, рівномірно розташовані вздовж екватора. Лінійна швидкість вітрів на цій висоті становить близько 100 ± нижче 50° широти, і вони є ретроградними, тобто дують у напрямку, оберненому до обертання планети. Зі збільшенням широти вітри швидко слабшають і, зрештою, повністю зникають на полюсах. Такі сильні вітри біля верхньої границі хмар роблять круг навколо планети швидше, ніж обертається сама планета (суперобертання атмосфери). Суперобертання на Венері є диференціальним, тобто екваторіальна тропосфера обертається повільніше, ніж тропосфера середніх широт. У вітрів також є сильний вертикальний градієнт: їх швидкість в міру зниження зменшується зі швидкістю на км. Вітри поблизу поверхні Венери набагато повільніші, ніж на Землі, і мають швидкість всього декілька кілометрів за годину (як правило, менше  — в середньому від 0,3 до ). Однак через високу густину атмосфери біля поверхні цього цілком достатньо для переносу пилу і дрібних каменів по всій поверхні, подібно до повільної течії води.

Вважається, що всі вітри на Венері так чи інакше зумовлені конвекцією. Гаряче повітря підіймається в екваторіальній зоні, де спостерігається найбільше нагрівання Сонцем, і переноситься до полюсів. Таке явище називається коміркою Гадлі. Однак меридіональні (північ-південь) рухи повітря набагато повільніші, ніж зональні вітри. Границя комірки Гадлі на Венері знаходиться біля широт ±60°. Тут повітря починає спускатися і повертається до екватора біля поверхні. Така гіпотеза руху повітря підкріплюється поширенням чадного газу, який також зосереджений в районі широт ±60°. В діапазоні широт 60—70° існують холодні полярні коміри. Вони характеризуються температурою на 30—40 К нижче, ніж верхні шари тропосфери в сусідніх широтах. Нижча температура, ймовірно, викликана підйомом повітря в них і адіабатичним охолодженням. Така інтерпретація підтверджується щільнішими і вищими хмарами в цих областях. Хмари знаходяться на висоті 70—72 км, що на 5 км вище, ніж на полюсах і менших широтах. Між холодними комірами та високошвидкісними потоками середніх широт, в яких швидкість вітру досягає , може існувати зв'язок. Такі потоки є природним наслідком циркуляції Гадлі та повинні існувати на Венері між широтами 55—60°.

В холодних полярних комірах знаходяться нерегулярні структури, відомі як полярні вихори. Вони є гігантськими ураганами, аналогами земних штормів, але в чотири рази більші. Кожен вихор має два «ока» — центра обертання, які пов'язані чіткою S-подібною структурою хмар. Такі структури з подвійним оком також називають полярними диполями. Вихори обертаються з періодом близько 3 днів у напрямку загального суперобертання атмосфери. Поблизу їх зовнішніх границь лінійна швидкість вітру досягає 35– і зменшується до нуля в центрах. Температура у верхніх хмарах полярних вихорів значно вища, ніж у довколишніх полярних комірах, і досягає (). Загальновживане пояснення полярних вихорів полягає в тому, що вони є антициклонами з даунвелінгом у центрі та апвелінгом в холодних полярних комірах. Цей тип циркуляції нагадує зимові полярні антициклони на Землі, особливо над Антарктидою. Спостереження показують, що антициклонна циркуляція, яка спостерігається поблизу полюсів, може проникнути на висоту , тобто до основи хмар. Полярна верхня тропосфера та мезосфера є надзвичайно динамічними — великі яскраві хмари можуть з'являтися і зникати протягом декількох годин. Один такий випадок спостерігався зондом «Венера-експрес» в період між 9 і 13 січня 2007 року, коли південна полярна область стала яскравішою на . Ця подія, ймовірно, була викликана викидом діоксиду сірки в мезосферу, який потім сконденсувався, утворюючи яскраву димку.

Перший вихор на Венері був виявлений на північному полюсі апаратом «Піонер-Венера-1» в 1978 році. Подібний вихор із подвійним оком на південному полюсі був відкритий у 2006 році зондом «Венера-експрес».

Верхня атмосфера та іоносфера Мезосфера Венери знаходиться в інтервалі між 65 і . Далі починається термосфера, яка досягає верхньої границі атмосфери (екзосфери) на висоті 220–.

Мезосфера Венери може бути поділена на два рівня: нижній (62–) і верхній (73–). В першому шарі температура майже стала і становить (). Цей рівень збігається з верхнім шаром хмар. На другому рівні температура починає знижуватися, опускаючись до () на висоті . Це найхолодніше місце на денній стороні атмосфери Венери. Далі починається мезопауза, яка є границею між мезосферою та термосферою і знаходиться між 95 і . На денній стороні мезопаузи температура зростає до 300– (27–) — значень, які переважають в термосфері. В протилежність до цього, нічна сторона термосфери є найхолоднішим місцем на Венері і має температуру (). Її інколи називають кріосферою. В 2015 році з допомогою зонда «Венера-Експрес» вчені зафіксували теплову аномалію в проміжку висот від 90 до 100 кілометрів — середні показники температур тут вище на 20–40 градусів і дорівнюють 220–.В атмосфере Венеры обнаружен загадочный теплый слой | РосРегистр