книги из ГПНТБ / Кузьмин, А. Д. Физика планеты Венера

толщине мембран у земных организмов) несколько сан­ тиметров.

Несмотря на внешнюю привлекательность, такие умозрительные представления кажутся нам весьма ис­ кусственными. Едва ли можно серьезно говорить о воз­ никновении жизни в облаках, либо о сохранении в них «остатков» биологических форм, некогда существовавших на планете. Это, конечно, не исключает того, что в определенный период своей истории Венера могла обла­ дать более благоприятными условиями, пригодными для существования жизни.

Г Л А В А V

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ

§ V.I. Представления о механизме разогрева Венеры

Проблема оптического и теплового режима является одной из наиболее сложных в физике Венеры. От успеш­ ного решения этой проблемы зависит не только понима­ ние путей эволюции Венеры и ее атмосферы, но и отыска­ ние условий, при которых аналогичный физический механизм мог бы реализоваться на другой планете Сол­ нечной системы.

Большая неопределенность в оценках физических па­ раметров и отсутствие данных о переносе солнечной лу­ чистой энергии в атмосфере Венеры до полетов космиче­ ских аппаратов затрудняли объяснение ее теплового режи­ ма. Обнаружение интенсивной микроволновой эмиссии вызвало появление ряда гипотетических моделей, в рам­ ках которых делались попытки выяснить физический механизм, ответственный за наблюдаемый спектр радиояркостных температур. Условно их можно разделить на модели с горячей поверхностью, эмиссия которой в диа­ пазоне миллиметровых волн поглощается относительно более холодной атмосферой, и модель, согласно которой радиоизлучение генерируется атмосферой, а температура поверхности лишь немного превышает земную. Дискус­ сионным вопросом в течение нескольких лет был вопрос о приемлемости физического механизма, лежащего в осно­ ве той или иной модели (см. гл. III).

Поскольку трудно было найти убедительное истолко­ вание существования на планете, очень похожей на Землю, поверхностной температуры более 600 °К, были предпри­ няты попытки, исходя из модели «горячей» атмосферы,

212 Гл. V. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ТЕПЛОВОЙ НЕЖИМ

связать наблюдаемую микроволновую эмиссию с гипоте­ тической сверхплотной ионосферой Венеры или газовыми разрядами в ее атмосфере. Эти механизмы были подверг­ нуты убедительной критике Уокером и Саганом [538J, которые, в частности, показали, что наблюдаемую спект­ ральную зависимость радиояркостных температур не­ возможно объяснить синхротронным или циклотронным излучением. Гипотезу газовых разрядов в тропосфере трудно согласовать с регулярным характером эмиссии; к тому же за счет выделения тепла при электрических разрядах требуемой мощности атмосфера должна была бы разогреться до температуры, превышающей температуру излучающего слоя [460].

Значительно более обоснованной и подтверждаемой результатами оптических наблюдений представлялась мо­ дель с горячей поверхностью, для объяснения разогрева которой были предложены парниковый, эолосферный (фрикционный) и циркуляционный механизмы.

В «парниковой» модели *) предполагается, что опре­ деленная доля неотраженного солнечного излучения в ви­ димой области проникает до поверхности и поглощается ею, а излучение поверхности в инфракрасной области улавливается атмосферой из-за наличия в ней трехатом­ ных молекул, таких как С02 и Н20, имеющих в этой обла­ сти спектра сильные полосы поглощения. В результате поверхность и атмосфера нагреваются до температуры Ts, примерно соответствующей радиояркостной температуре планеты.

*) Вообще, термин «парниковая модель» является примени­ тельно к атмосфере несколько условным, и следует предостеречь от довольно распространенной ошибки понимать его буквально, т. е. проводить аналогию с теплицами. В последних основной эффект связан не с тем, что стекло препятствует уходу длинноволновой ра­ диации, а с отсутствием конвективного и циркуляционного тепло­ обмена за счет которого в свободной атмосфере переносится основ­ ная доля тепла. На это обстоятельство обратил внимание еще Р. Вуд, подтвердивший высказанное утверждение известным опы­ том сдвумя коробками из черного картона, одна из которых была закрыта сверху пластинкой стекла, а другая — пластинкой камен­ ной соли (прозрачной в длинноволновой области). В обеих короб­ ках, выставленных на Солнце, температура оказалась практически одинаковой — около 55 °С (см. В. С и б р у к, Роберт Вуд, Гос-

техиздат, 1946, стр. 130—131).

Исторически первой моделью такого типа была появив­ шаяся в 1940 г. модель Вилдта [545а], который рассмотрел перенос тепла в чисто углекислой атмосфере Венеры сравнительно малой оптической толщины и пришел к вы­ воду, что разогрев за счет парникового эффекта не превы­ сил бы в этом случае примерно 50 °К.

Парниковая модель Сагана [477, 478], предложенная в 1960 г., рассчитывалась с использованием интегральных функций поглощения, содержащихся в технической ли­ тературе по котлам и печам, с попыткой приближенного учета перекрытия полос внутри рассматриваемого инфра­ красного диапазона. В приближении «серой» атмосферы были получены оценки непрозрачности, требуемой для уменьшения уходящего теплового потока при Ts ~ 600 °К до значения, равного потоку поглощенной солнечной ра­ диации, и показано, что необходимая степень разогрева достигается в атмосфере с высоким содержанием С02 при наличии 1 — 10 г-слГ2 водяного пара. Непрозрачность ее для инфракрасного излучения должна составить при этом приблизительно 99%. Если воспользоваться приближе­ нием Милна — Эддингтона для лучистого равновесия в «серой» атмосфере (формула (IV.27)), то потребная вели­ чина оптической толщины т для обеспечения температуры

рачности с физическими свойствами реальной атмосферы. Предположение о существовании на Венере давления в десятки атмосфер заставило тщательнее оценить возмож­

ное изменение характеристик полос поглощения при та­ ких условиях. Пласс и Уайатт [451] показали, что при больших давлениях непрозрачность С02 в отдельных участках инфракрасного спектра существенно возрастает. Тем не менее оценки лучистого переноса были сделаны этими авторами примерно в тех же простейших предполо­ жениях, как и в ранней работе Сагана. К тому же неучет выхолаживания на X 20 мкм в рассматривавшейся чис­ то углекислой атмосфере является слишком сильным

деления поля радиации, определяемого величиной ц. Согласно этим вычислениям, пример которых показан для р = 0,50 на рис. 76, температура поверхности, при­ мерно соответствующая радиояркостной температуре Ве­ неры, достигается в диапазоне lg п от 2,5 до 3,0 при значениях т между 100 и 500.

Возможность достижения столь значительной непроз­ рачности для тепловой радиации в атмосфере Венеры,

если она относится к поверхности, не должна обнару­ живать зависимости от фазы.

216 Гл. V. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ

Очевидная трудность эолосферной модели заключалась в том, что в локальной теории поглощение солнечной радиации на верхней границе предполагает отсутствие лучистого теплового потока на менылих высотах и сущест­ вование в атмосфере изотермического равновесия. Требо­ вание же конвективного равновесия должно приводить к переносу поглощенной энергии к лежащим ниже слоям за счет конвективного теплообмена и к установлению температурного профиля, близкого к адиабатическому, вплоть до поверхности. С этой точки зрения добавление дополнительного источника тепловыделения за счет трения может оказаться несущественным.

Локальная теория рассматривает обмен энергией в ог­ раниченном объеме (например, внутри столба газа единич­ ного поперечного, сечения), пренебрегая при этом эффекта­ ми глобальной циркуляции. Такой подход был плодотво­ рен для земной атмосферы, где глобальная циркуляция оказывает влияние, главным образом, на температуру в приповерхностном пограничном слое (толщиной порядка 50 м, в котором согласно [50] происходят наиболее замет­ ные суточные колебания температуры). Однако она мо­ жет играть очень важную роль во всей толщине атмосфер­ ного газа, если за счет непрозрачности для коротковолно­ вого излучения солнечная радиация поглощается в срав­ нительно узком слое атмосферы вблизи подсолнечной точки.

Эти соображения были учтены Гуди и Робинсоном [321], которые попытались обойти указанные трудности эоло­ сферной модели и предложили оригинальную модель глу­ бокой циркуляции в атмосфере -Венеры, использовав аналогию с океанической циркуляцией на Земле. В этой модели солнечная энергия, поглощаемая «на вершине» освещенной Солнцем атмосферы, переносится на ночную сторону за счет крупномасштабных движений. Сток газа в области антисолнечной точки и подъем в подсолнечной обусловливают, соответственно, его адиабатический на­ грев и охлаждение, и, как следствие, установление адиа­ батического температурного градиента в атмосфере, глуби­ ной которой определяется величина температуры поверх­

уравнений для несжимаемого вязкого газа в приближе­ нии Буссинеска. Позднее [3241 в той же постановке рас­ сматривалась задача о циркуляции в меридиональном направлении, за счет которой выравниваются температуры экваториальной и полярной областей.

Модели Гуди — Робинсона и Эпика исходят из доста­ точно сильного допущения о поглощении солнечной ра­ диации в узком слое атмосферы на больших высотах (на уровне облаков). Этому противоречили оценки, получен­ ные в расчетах Самуэлсона [484, 485] и Поллака [463]. Самуэлсон рассматривал перенос излучения в атмо­ сфере, находящейся в условиях лучистого равновесия, «серой» в двух спектральных интервалах видимой и тепло­ вой радиации. Значения альбедо единичного рассеяния, основанные на данных оптических наземных наблюдений

Венеры, были приняты равными о)<Г = 0,989 (малое погло­ щение в визуальной области, согласно оценкам Соболева

[145, 147, 148])исоой = 0,2 (сильное поглощение в ин­ фракрасной области). Солнечное излучение в такой моде­ ли проникает глубоко в атмосферу, несмотря на сущест­ вование облачного слоя. Правда, предельная температура поверхности, которая достигается за счет «парникового» эффекта, оказывалась в этом случае не выше 550 °К. Причина расхождения с более высокими значениями радиояркостных температур могла быть связана как с боль­

функции в переднюю полусферу при наличии пылевых частиц.

Обратная задача теории переноса с целью определения количеств С02, Н20 и N2, потребных для разогрева Венеры до температуры порядка 700 °К, решалась Поллаком [463]. Из этого решения определялся температурный градиент в области атмосферы от поверхности до основания обла­ ков. В величину падающего на вершину плоскостратифицированной атмосферы потока солнечной лучистой энергии вводились поправки на доли излучения, пропу­ щенного облаками и лежащим ниже молекулярным под­ слоем. При этом учитывалось рассеяние и поглощение

218 Гл. V. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ

и Поллаком [3561. Для нахождения величины газового поглощения в видимой области от верхней границы

валентной ширины поглощающей полосы или несколь­ ких соседних полос в интервале волновых чисел Av. Для учета их возможного перекрытия вводилось до­

Хотя расчеты профилей ослабленного солнечного излу­ чения и спектральной прозрачности в видимой и ближней инфракрасной областях проводились применительно к ожи­

вленным поглотителем выше видимых облаков, эффектив­ ным главным образом в ультрафиолетовой области спект­

ра; ф' (с) соответствует общему поглощению в облаках (аэрозольной и газовой фазами), аф' (а) иф" (а) характери­ зуют поглощение соответственно в надоблачной и подоб­ лачной атмосфере. Очевидно, суммарное поглощение сла­ гается из ф' (а), ф" (а), ф (с), ф (х) и ф (g).

Т а б л и ц а 16

Области спектральний прозрачности атмосферы Венеры (по [463])

0,400—0,705 0,400—0,692 0,735—0,794 0,749—0,779 0.833—0,878 0,850—0,852 0,980—1,050 1,015—1,040 1,061—1,082 1,196-1,209 1,655—1,680

Данные о спектральной прозрачности (табл. 16) позво­ ляли предполагать, что хотя значительная область в ин­ тервале XX от 0,7 до 1 .чкм оказывается перекрытой атмо- <ф;рой и облаками, тем не менее заметная доля солнечной энергии вблизи максимума планковской кривой интенсив­ ности / (?ь) (при Т ~ 6000 °К) должна достигать поверхно­ сти планеты. Из расчетов также следовало, что в обеспе­ чении непрозрачности, требуемой для получения высоких значений Ts и Ps за счет «парникового» эффекта, суще­ ственное влияние должны оказывать параметры атмосферы на уровне облаков. Связь поверхностного давления и дав­ ления на верхней границе облаков Рис в зависимости от /н2о для 97 и 75% С02 показана на рис. 77. Сплошные ли­ нии соответствуют предположению о сухоадиабатическом градиенте в облаках, пунктир отвечает влажной адиабате.