Мыслящая Вселенная
Шрифт:
Для проблемы жизни очень важной является температура атмосферы планеты. Она зависит от той энергии, которую планета получает от Солнца. Напомним, что Земля получает от Солнца 1,37 кВт/м2. Площадка в один квадратный метр должна быть перпендикулярна лучам Солнца. Так вот, на квадратный метр Меркурия приходится в среднем 9,15 кВт. В перигелии эта цифра достигает 11 кВт/м2. Это в четыре раза больше, чем для Земли. Меркурий экономит энергию и тем, что его поверхность темная. Поэтому только 12–18 % падающего света отражается в космическое пространство. Все остальное солнечное тепло поглощается и идет на нагрев. На нагрев идет примерно 8 кВт на площадке в один квадратный метр. День на Меркурии очень длинный, и температура успевает подниматься до высоких значений. Она достигает 620 К (кельвинов). В перигелии температура поднимается еще выше. В районе Равнины Жары она достигает 690 К. В афелии она ниже — 560 К. К счастью, поверх-
Рис. 82. Равнина Жары. На снимке видны вся центральная часть Равнины Жары (диаметр 1300 км) и несколько кольцевых валов
ностный слой
Любопытно, что в полярных шапках Меркурия были обнаружены гигантские отложения льдов. С помощью наземной радиолокации в начале 1990-х годов были выявлены в полярных шапках многочисленные пятна размером от 50 до 150 километров. Анализ отражаемых радиосигналов позволяет заключить, что отражение произошло ото льда. Такой вывод можно сделать из анализа характера отраженных радиоимпульсов (для них характерна деполяризация). Полагают, что лед покрыт тонким слоем вещества (специалисты его называют реголитом), которое сильно раздроблено. Поэтому оно является идеальным теплоизолятором. Собственно, поэтому льды и сохранились. Они оказались в своего рода термосе. Очень важную роль в сохранении льдов сыграло и то, что положение оси планеты (вокруг которой она вращается) является стабильным. Поэтому солнечные лучи практически никогда не проникают в не очень глубокие кратеры в полярных шапках (выше широт 82–84°). Температура здесь не превышает 60–62 К. Естественно, что лед почти законсервирован. Изменение температуры на поверхности Меркурия в течение солнечных суток показано на рисунке 84.
Физико-химические условия на планете зависят от ее внутреннего строения. От него
Рис. 83. Поверхность Меркурия в районе Равнины Жары. Различаются трещины шириной от 0,5 до 8 км. Наилучшее разрешение до 50 м. Снимок NASA
Рис. 84. Характер изменения температуры поверхности Меркурия в течение солнечных суток (на экваторе)
зависят источники тепла, теплообмен и общий баланс тепла. На рисунке 85 приведена схема внутреннего строения Меркурия. Рядом дана схема для Земли. У Меркурия имеется массивное железное ядро, которое больше, чем ядро Земли. Ядро Меркурия занимает примерно половину объема планеты. Над ядром расположена силикатная оболочка. Ее толщина составляет 600 километров.
Меркурий — планета легкая. Поэтому свою атмосферу она не сумела удержать. Но исследователи говорят о некоем подобии атмосферы. Но она слишком разреженна, как самые верхние слои атмосферы Земли, на высотах 1000 километров и больше. Это эк-зосфера Земли. Поэтому атмосферу Меркурия называют экзос-ферой. Меркурий терял свою атмосферу еще и потому, что на дневной стороне его температура еще высокая. Чем выше температура газа, тем больше скорость движения частиц газа, тем легче им вылететь за пределы зоны действия сил притяжения планеты и покинуть ее навсегда, уйдя в космическое пространство. Поэтому первичная атмосфера Меркурием была потеряна. Чем легче газ (элемент), тем легче он убегает. Его меньше всего держит планета. Поэтому первым бежит водород. Первым в смысле эффективности, количества убежавшего газа. Вторым — гелий. И так далее. Кстати, одной из основных составляющих нынешней атмосферы Меркурия является именно гелий. Он приходит непосредственно от Солнца. Чистое совпадение в том, что гелий означает «солнечный». Просто этот элемент впервые был открыт на Солнце. Атмосфера Меркурия мало напоминает атмосферу Земли. Атмосферное давление у поверхности Меркурия в 500 миллиардов раз меньше, чем у поверхности Земли. Это такой глубочайший вакуум, которого в наших лабораториях мы не достигнем никогда. Собственно, атмосфера Меркурия — это что-то вроде перевалочного пункта. Сюда непрерывно приносятся частицы гелия от Солнца, но они столь же стремительно и покидают эти места. Это чем-то напоминает текущую реку. Правда, смена атомов гелия происходит не так уж и быстро. Каждый атом гелия живет на Меркурии примерно 200 дней. А затем снова в путь! Его место займет другой атом гелия, который принесет от Солнца солнечный ветер. Атмосфера больше там, где холоднее, то есть на ночной стороне Меркурия. В атмосфере Меркурия имеется и водород. Но его меньше, чем гелия, примерно в 50 раз. Других газов там не обнаружено, хотя их наличие нельзя исключить. Специалисты, которые изучают атмосферу и ионосферу Земли, имеют дело с тысячами самых различных химических реакций. Это целая отрасль науки, и не одна.
Рис. 85. Схема внутреннего строения Меркурия. Радиус металлического ядра достигает 74 % радиуса планеты. На рисунке показана также упрощенная схема строения Земли
На Меркурии они остались бы без работы — там, в атмосфере Меркурия, нет химических реакций. Чтобы одна частица вступила в реакцию с другой, им надо встретиться. А там, как в пустыне, частицы газов практически не встречаются. Слишком их мало, и они носятся, как пушечные ядра, не встречая друг друга. Это идеал одиночества. Поэтому вряд ли стоит говорить об атмосфере Меркурия. Можно просто считать, что ее нет. Как и у Луны. В атмосфере Меркурия были обнаружены и пары щелочных металлов, натрия и калия, в соотношении 25:1. Их, конечно, ничтожно мало. Полагают, что они являются результатом испарения щелочных металлов из коры планеты, примерно из глубины до 10 километров. Над Равниной Жары этих паров было зафиксировано больше, чем в других местах. Специалисты считают, что источником этих паров могут быть и вулканы (фурамолы), которые все же есть и на Меркурии.
ВЕНЕРА
«Здесь нет привычной голубизны земного неба. Высоко над поверхностью Венеры раскинут
огромный оранжевый купол облаков. Самые нижние его слои находятся на высоте 48–49 километров — так высоко, что с поверхности не видны какие-либо подробности их структуры, за исключением, может быть, тонких полос (вроде земных перистых облаков), расположенных чуть ниже 48 километров. Когда местное время приближается к б часам и наступает утро, рассветные лучи Солнца озаряют одну половину облачного купола и слегка подсвечивают другую. Наверное, это очень красиво, если смотреть с поверхности планеты. Облака становятся все светлее, яркость небосклона очень медленно выравнивается. На Земле проходит день, другой. Через 5 земных суток местное время на Венере прибавляется на один час. Через 10 земных суток — на два часа. Солнечные сутки на Венере очень длинны. Весь год планеты состоит из двух (точнее 1,91) солнечных венерианских суток. Поэтому так долго длится рассвет. Однако восход Солнца — понятие, не известное природе Венеры. Прямой луч Солнца неспособен пробиться сквозь двадцатикилометровую толщу сернокислотного тумана, который мы по традиции называем облаками Венеры. Пока наблюдения не показали ни одного, даже самого маленького, сквозного разрыва в облаках…»Это отрывок из научной книги о Венере.
Венера — это вторая по удаленности от Солнца планета (рис. 86). Иногда ее называют двойником Земли. Своими размерами и массой она напоминает Землю. Продолжительность года на Венере составляет 224,7 земных суток. Орбита Венеры почти круговая. Среднее расстояние Венеры от Солнца составляет 108,1 миллиона километров. Наклон орбиты Венеры к плоскости эклиптики равен 3,5°. Из всех планет Венера находится ближе всего к Земле (40 миллионов километров). Это расстояние свет проходит за 2 минуты 12 секунд. Спутников у Венеры нет. Масса Венеры составляет 0,815 массы Земли. Радиус Венеры равен 6052 километрам (радиус Земли — 6371 километр). Средняя плотность Венеры только незначительно меньше средней плотности Земли.
Рис. 86. Вид полушария Венеры с долготой центрального меридиана 180°. Снимок NАSА
Рис. 87. Схема явления, которое М.В. Ломоносов наблюдал в 17 61 году. При прохождении Венеры по диску Солнца, что случается очень редко, вокруг выступающего края планеты появляется тонкий светлый ободок
Атмосферу у Венеры обнаружил еще Ломоносов. Измерения были просты, а логика безупречна. Когда Венера оказывается на линии Земля — Солнце, можно видеть, как она пересекает солнечный диск. Если солнечным лучам по пути к нам приходится проходить через атмосферу Венеры, то они искривляются. Если атмосферы у Венеры нет, то солнечные лучи искривляться не будут. Ломоносов установил, что они искривляются. Значит, у Венеры есть атмосфера. Схема этого эксперимента показана на рисунке 87. Около 96,5 % атмосферы Венеры составляет углекислый газ. Около 3,5 % составляет азот N2. Облака (туман) занимают высоту от 4 9 до 75 километров. Под облаками находится огромный океан из углекислого газа. Он раскален. Плотность газа очень велика. Она больше плотности атмосферного газа на Земле в 50 раз. Показатели относятся к поверхностям планет. Атмосферный газ на Венере (на ее поверхности) по плотности только в 14 раз меньше воды. Чем выше, тем плотность газа меньше. С высотой уменьшается и температура атмосферного газа. Это показано на рисунке 88. Так, на высоте 30 километров давление равно 9,4 бар, плотность 10 кг/м3 и температура равна 222 °C. На высоте 60 километров давление падает до 0,09 бар, плотность падает до 0,2 кг/м3, а температура уходит в минус (–30 °C). Из-за высокого молекулярного веса атмосферного газа выше 150 километров атмосфера Венеры разрежена больше,
Рис. 88. Зависимость температуры и давления от высоты в атмосфере.
Вверху показаны дневная и ночная концентрации электронов в ионосфере чем атмосфера Земли на таких же высотах. Выше этого уровня преобладают легкие частицы — атмосферный кислород и углекислый газ. А еще выше (выше 320 километров) резко увеличивается относительное содержание гелия и водорода. Легкие составляющие атмосферного газа — угарный газ, кислород и водород появляются как результат распада (диссоциации) молекул углекислого газа и водяного пара. Эта диссоциация происходит под давлением жесткого (высокоэнергичного) ультрафиолетового излучения Солнца в стратосфере Венеры. Атмосфера Венеры делится на разные высотные слои — тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу (криосферу). Выше 700 километров начинается корона Венеры, состоящая только из водорода. Она простирается до 1000 километров и плавно переходит в межпланетную среду. На высотах короны температура практически не меняется с высотой. Она, конечно, зависит от времени суток, то есть от того количества тепла, которое поступает в атмосферу от Солнца. Это значит, что температуры днем выше, чем ночью. Так, выше 160 километров температура днем (в подсолнечной точке) близка к 300 К при минимальной солнечной активности и 450 К — при максимальной. Ночью температура падает до 100 К.
В атмосфере Венеры содержится не только углекислый газ и азот, но и целый ряд малых составляющих (малых — по количе
Рис. 89. Составляющие атмосферы Венеры. Справа — малые составляющие
ству). Какие они и сколько их, показано на рисунке 89. На поверхности Венеры и в ее атмосфере очень мало воды, не более одной сотой процента. Пока не удается объяснить, почему это так. Об облачном слое Венеры можно судить по фотографиям. Напомним, что Венера вращается в противоположную сторону относительно направления вращения Земли. Над медленно вращающейся поверхностью планеты с огромной скоростью (около 100 м/с) вращается атмосфера на высоте облаков. Это средняя атмосфера. На фотографиях (рис. 90) следы этого вращения атмосферы прослеживаются как спиральные полосы, которые спускаются от полюсов к экватору. Приведенные снимки сделаны в ультрафиолетовых лучах. Что гонит атмосферный газ — до