Парниковый эффект на Венере

Высокая температура на Венере традиционно объясняется действием парникового эффекта. Суть его состоит в следующем. Поверхность Венеры и ее атмосфера прогреваются солнечными лучами (прямые измерения на поверхности планеты показали, что, несмотря на многокилометровый облачный слой, освещенность там как на Земле в пасмурный зимний день: не очень светло, но все видно). Нагретая солнечной радиацией поверхность Венеры также излучает энергию, но прежде всего в тепловом (инфракрасном) диапазоне длин электромагнитных волн. Присутствующий в атмосфере плотный углекислый газ с примесью водяных паров непрозрачен для инфракрасного излучения, и тепло не уходит в окружающее пространство. Согласно законам термодинамики, сохраняется баланс между получаемой и излучаемой энергиями, в результате температура поверхности и нижних слоев атмосферы оказывается одинаковой и достаточно высокой.

Рассмотрим эффект более подробно. На планету падает поток солнечной энергии Ф₀. Часть этого потока (обозначим ее Ф) отражается от планеты (преимущественно от облаков) обратно в космическое пространство во все стороны. Отношение отраженного и падающего потоков называется сферическим альбедо (или альбедо Бонда) планеты А_сф.

Термин «альбедо» буквально переводится на русский язык как «белизна». Венера обладает самым высоким сферическим альбедо среди всех планет Солнечной системы (А_сф _Венеры = 0,75-^0,78), — более 75% падающего на планету солнечного излучения отражается от внешней поверхности облаков обратно в космос. Оставшаяся часть падающего на планету потока солнечного излучения поглощается планетой и нагревает ее. Эта величина равна.

Любое нагретое тело само является источником излучения. Нагретая поглощенным солнечным излучением планета интенсивно излучает сама, причем в инфракрасном (тепловом) диапазоне. Измеряемое внешним наблюдателем уходящее от планеты ее тепловое излучение характеризуется так называемой эффективной температурой Т_е. При этом сферическое альбедо и эффективная температура связаны между собой уравнением теплового баланса:

Здесь о = 5,67-Ю^-8 Вт/м²/К⁴— постоянная Стефана — Больцмана. Левая часть уравнения описывает уходящее от планеты тепловое излучение согласно закону Стефана — Больцмана: энергия, излучаемая в единицу времени с единицы поверхности, пропорциональна четвер

той степени температуры. Правая часть уравнения описывает поглощенное планетой излучение. Небольшая добавка 8 учитывает поток внутреннего тепла из недр планеты, приходящийся на единицу ее площади. Коэффициент 4 в уравнении (5.2) появляется в связи с тем, что падающий на планету поток распределяется по площади видимого с Солнца диска планеты nR² (R — радиус планеты), а уходящий и внутренний потоки тепла распределены по общей площади сферической поверхности планеты 4nR². У Венеры и других планет земной группы этот поток пренебрежимо мал по сравнению с потоком приходящей от Солнца энергии, и его в рассматриваемом случае можно не учитывать. Тогда эффективная температура выразится как.

Эффективная температура может быть рассчитана указанным образом, а также определена непосредственно из измерений по излучению планеты.

Парниковым эффектом АТ называется разность между средней температурой поверхности планеты Г_с и ее эффективной температурой Т_е

Средняя температура поверхности Венеры Т_с составляет около 735 К (465 °С), эффективная температура Т_е примерно 229 К (-44 °С). В результате парниковый эффект Венеры характеризуется громадной величиной.

Другими словами, для внешнего наблюдателя Венера излучает как тело, нагретое всего до 229 К, тогда как на самом деле температура поверхности планеты гораздо выше (735 К).

Степень непрозрачности газа для уходящего теплового излучения, как показывает опыт Земли, существенно зависит от концентрации водяных паров. Водяного пара в атмосфере Венеры очень мало (около 0,002%), тем не менее результирующая температура поверхности достаточно высока — (почти +500 °С), что полностью соответствует теоретическим расчетам величины парникового эффекта. Расчеты показывают, что увеличение концентрации водяного пара могло бы привести к дальнейшему росту температуры поверхности планеты.

Основная причина неожиданно высокой температуры Венеры заключается как в присутствии большого количества углекислого газа, который традиционно считается основным виновником парникового эффекта, так и в высокой плотности ее атмосферы.

Как уже указано выше, воды на Венере практически нет, и в этом состоит еще одно существенное отличие от Земли: две соседние и практически одинаковые по размерам и массе планеты различаются по запасам воды в 10⁴—10⁵ раз. Это очередная проблема, требующая объяснений. По этому поводу также существует ряд гипотез.

Согласно одной из них, изначально на Венере было не меньше воды, чем на Земле. Более высокая температура (из-за близости к Солнцу) могла привести к закипанию океана, интенсивному испарению воды и насыщению атмосферы ее парами. Благодаря росту концентрации водяного пара во все более плотной и горячей атмосфере должен был усиливаться парниковый эффект, что приводило к дальнейшему росту температуры. На больших высотах молекулы воды распадались на водород и кислород под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. Легкий водород беспрепятственно улетучивался из горячей атмосферы в космическое пространство. Этим потерям способствовал и мощный поток частиц солнечного ветра от близкого Солнца. Если в окрестностях Земли проникновению солнечного ветра в верхние слои земной атмосферы мешает магнитное поле нашей планеты, то у Венеры магнитного поля нет, поэтому потеря атмосферного водорода там происходила гораздо более интенсивно. Вода быстро исчезла из атмосферы Венеры, а ее остатки (молекулярный кислород и отчасти водород) оказались связанными серной кислотой в высоких облаках.

Кроме того, потере воды, по-видимому, способствовало достаточно сильное электрическое поле планеты, измеренное во время миссии «Венеры Экспресс». Электрическое поле, как минимум в 5 раз более сильное, чем аналогичное поле Земли, способно выбрасывать ионы водорода и кислорода (осколки молекул воды) из верхней атмосферы в открытый космос, где они увлекаются частицами солнечного ветра и навсегда покидают окрестности Венеры. «Электрический ветер» эффективно удаляет из атмосферы Венеры кислород и водород.

Альтернативная гипотеза предполагает, что на том расстоянии от Солнца, где происходил процесс формирования Венеры в газопылевом облаке, изначально было недостаточно воды (или, как минимум, меньше, чем в районе орбиты Земли).

Еще одна версия предусматривает удар гигантского космического тела размерами не менее сотен километров, который мог сорвать насыщенную водяными парами атмосферу. Надо заметить, что две последние гипотезы не являются общепринятыми и считаются маловероятными, хотя и возможными.