Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикор

Когда Галилей рассматривал Венеру в свой телескоп, он заметил, что из-за обращения вокруг Солнца у нее видны те же фазы, что и у Луны, но нет никаких деталей на поверхности. Даже в современный телескоп на Венере не видно четких деталей из-за плотного облачного покрова. Атмосферу Венеры открыл русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765). Наблюдая в 1761 году прохождение Венеры по диску Солнца, он заметил преломление солнечного света в воздушной оболочке планеты и правильно заключил, что Венера окружена атмосферой, похожей на земную или даже более плотной (см. рис. 9.3). В 1932 году Уолтер Адамс и Теодор Данхем, используя в спектрографе новые фотопластинки фирмы «Кодак», чувствительные к красному свету, определили, что основным компонентом атмосферы Венеры является двуокись углерода, а кислорода и воды там нет. Близость Венеры к Солнцу, ее толстые облака и ошибочная идея о том, что она моложе Земли, заставили многих изображать Венеру как планету, покрытую жаркими джунглями, в которых, возможно, бродят динозавры. Те же, кто правильно интерпретировал спектр, понял, что атмосфера создает на Венере сильный парниковый эффект и что воды там нет. Так что ближе к реальности горячая сухая пустыня, а не жаркие джунгли.

Тепловое радиоизлучение с большой длиной волны может пройти от горячей поверхности Венеры сквозь ее толстую атмосферу. Зарегистрировав эти волны, К. X. Майер с коллегами в 1956 году определил температуру поверхности Венеры. Два измерения яркостной температуры Венеры на волне 3,15 см дали значения около 320 °C (620 ± 110 К и 560 ± 73 К). Столь высокие значения были восприняты скептически, но позже измерения космических зондов показали, что температура еще выше.

Плотный облачный покров затрудняет измерения вращения поверхности Венеры. В учебниках астрономии 1950-х годов было приведено несколько возможных периодов вращения: 225 сут (синхронно с орбитальным периодом), или 37 сут, или немного меньше 24 часов (по аналогии с Землей и Марсом). В 1962 году Ричард Гольдштейн и Р. Л. Карпентер из Лаборатории реактивного движения определили, что Венера медленно вращается в обратном направлении с периодом около 240 суток. Это было сделано методом радиолокации — посылкой радиоволн в сторону Венеры и приемом небольшой их части, отразившейся от ее поверхности. Край планеты, движущийся к нам, при отражении укорачивает длину волны, а противоположный край — удлиняет (эффект Доплера). Разность длин волн дает скорость вращения экватора, на которую нужно разделить длину окружности Венеры, чтобы получить период ее вращения.

Для получения карты поверхности Венеры тоже применяют радар, волны которого проникают сквозь облака. При этом использу-ются два радиотелескопа, эффект Доплера (вызванный вращением планеты) и разница в задержке сигнала, отраженного от ближних и далеких частей полушария планеты. Первые радарные карты Венеры составил в 1962 и 1964 годах Р. Карпентер. Он выявил некоторые области на поверхности с различными радиосвойствами. Первые радарные карты высокого разрешения, около 20 км, были получены в 1972 году с помощью 300-метрового радиотелескопа в Аресибо. Это сделали Д. Б. Кэмпбелл и Р. Б. Дис из Аресибо и Гордон X. Петтенгилл из Массачусетского технологического института.

В 1961–1962 годах началась космическая гонка автоматических зондов к Венере. Первые запуски — «Венера-1» и пара «Спутников» (СССР), а также «Маринер-1» (США) — оказались неудачными. Первым аппаратом, передавшим данные из окрестностей Венеры, стал «Маринер-2». Он был запущен в 1962 году и, пройдя на расстоянии 35 000 км от Венеры, подтвердил высокую температуру ее поверхности, высокое давление атмосферы, состоящей из двуокиси углерода, и наличие постоянного облачного покрова на высоте 6о км. Гонка была захватывающей: несколько последующих запусков советских зондов закончились неудачей. В июне 1967 года Советский Союз запустил «Венеру-4», которая смогла, опускаясь на парашюте, передавать данные до высоты 25 км. Это был первый зонд, измерявший характеристики Венеры непосредственно в ее атмосфере. Через два дня был запущен «Маринер-5», пролетевший на высоте 4000 км над Венерой.

В 1969 году «Венера-5 и -6» детально измерили атмосферные характеристики. В следующем году «Венера-7» стала первым космическим зондом, передавшим на Землю данные с поверхности другой планеты. Следующие зонды серии «Венера» тоже работали успешно. «Венера-8» подтвердила высокую температуру и давление атмосферы у поверхности, определенные «Венерой-7». В 1975 году «Венера-9 и -10» измерили разные параметры атмосферы и передали на Землю первые телевизионные изображения поверхности Венеры. Следующие советские экспедиции «Венера-11 и -12», а затем и «Венера-13 и -14» обнаружили гром и молнии, а также измерили минеральный состав поверхности. Два последних зонда с названием «Венера» — 15 и 16, — запущенные в 1983 году, были выведены на орбиту вокруг Венеры и составили радарную карту части ее поверхности. Тем временем США послали к Венере два зонда «Пионер», которые повторили или предварили многие советские измерения. Две советские экспедиции к комете Галлея, «Вега-1 и -2», имели на борту посадочные аппараты с аэростатами для исследования атмосферы Венеры. В 1989 году США запустили зонд «Магеллан», который составил детальную радиокарту 84 % поверхности планеты. В 2005 году Европейское космическое агентство (ЕКА) запустило на полярную орбиту вокруг Венеры зонд «Венера Экспресс» для проведения детального исследования атмосферы планеты и ее взаимодействия с солнечным ветром. С периодом 24 часа зонд приближается к поверхности Венеры на 250 км, а затем удаляется на 66 000 км.

По результатам этих экспедиций можно сделать некоторые выводы. Размер Венеры почти такой же, как у Земли, — радиус 6052 км. Расстояние Венеры от Солнца равно 0,72 а. е. Учитывая только эту близость к Солнцу, можно было бы ожидать, что температура на планете будет на 18 % выше земной. Без парникового эффекта это были бы комфортные 33 °C. Однако измеренная несколькими зондами температура у поверхности в среднем равна 464 °C, выше точки плавления свинца (328 °C), причем она почти не меняется от места к месту. Среднее давление на поверхности равно 92 бара, в 90 раз больше, чем на Земле, и в 10 000 раз больше, чем на Марсе. Поскольку экватор лежит почти в плоскости орбиты, сезонов там нет. Толстая атмосфера сглаживает колебания температур между продолжительными днями и ночами, длящимися примерно по четверти орбитального периода.

Поверхность Венеры лишена значительных ударных кратеров, границ тектонических плит и горных цепей; то есть выглядит она сравнительно молодой. Тектоническая активность там проявляется в форме нескольких вулканов. Похоже, что кора Венеры гораздо тоньше земной, и вероятно, местами она время от времени плавится. У поверхности атмосфера содержит 97 % двуокиси углерода и 3 % азота. Воды очень мало: 20 частей на миллион. Кислород зарегистрирован только в верхних слоях атмосферы, где он, как полагают, образуется при фотодиссоциации CO2.

Может ли на Венере существовать жизнь? В 1950-е годы некоторые все еще представляли ее как влажный и покрытый облаками мир, служивший источником вдохновения для писателей-фантастов. Но наземные наблюдения и в особенности измерения с помощью первых космических зондов разрушили представления о «планете богини любви» как о весьма уютном для жизни месте.

Условия на поверхности, в особенности — температура, превышающая жар кухонной плиты, а также отсутствие воды, непреодолимы для любого вида жизни. Учитывая, что под поверхностью еще жарче, там тоже нет защиты для жизни.

Хотя у поверхности атмосферное давление очень высокое, с высотой давление и температура уменьшаются. Измерения с зондов «Пионер», «Венера» и «Магеллан» показали, что на высотах от 45 до 75 км существует облачный слой из мелких капель водного раствора серной кислоты с концентрацией 75-95 %- Внутри этих облаков, на высоте около 50 км, температура и давление вполне соответствуют условиям земной жизни (50-0 °C, 1,3–0,37 бар). Разумеется, высокая кислотность может создавать проблемы для жизни, но на Земле известны экстремофилы, способные жить при pH = 1. Время зависания аэрозолей там больше, чем в земных облаках. Наконец, высотный слой облаков защищает эту зону от жесткого ультрафиолетового излучения.

В прошлом Венера могла быть совершенно другой. Возможно, молодая Венера больше походила на Землю: у них почти одинаковый размер, и вполне вероятно, что схожими были атмосферы. При остывании молодой Венеры вода из атмосферы могла образовывать океаны. Когда светимость Солнца составляла 75 % от современной, на Венере мог поддерживаться умеренный парниковый эффект, создающий приемлемые условия для жизни. Но по сравнению с Землей что-то пошло не так. Возможно, не смогли образоваться континенты и тектонические плиты, и поэтому CO2 не смог связаться в виде минералов в циклах выветривания, как это случилось на Земле. А может быть, на Венере были континенты и океаны, но температура медленно повышалась и достигла критического значения только миллиард лет назад. Или же на Венеру упал астероид, испаривший океаны. Пока мы знаем лишь то, что в некоторый момент температура на поверхности выросла настолько, что океаны испарились. Из-за насыщения атмосферы водяным паром — мощным парниковым газом — температура стала повышаться, и Венера испытала катастрофический парниковый эффект.