По показаниям советского зонда «Вега-2» учёные вывели, что нижняя атмосфера Венеры — сверхкритическая жидкость

15 июня 1985 года спускаемый модуль советского космического аппарата «Вега-2» сел на поверхность Венеры в районе долины Русалки (7.14° ю. ш. 117.67° в. д.) и 56 минут передавал сигнал. Пройдя через атмосферу, он собрал единственный на сегодняшний день её полный температурный профиль.

Как и ожидалось, атмосфера оказалась очень плотной и тяжёлой. Атмосферное давление на поверхности составляет 92 бар, то есть примерно в 92 раза выше, чем на Земле, а температура — 464 °C. Плотность атмосферы у поверхности составляет примерно 6,5% от плотности жидкой воды. На 96,5% она состоит из CO₂, на 3,5% — из N₂ (по объёму).

Плотность атмосферы Венеры настолько высока, что её движение даже могло заставить Венеру остановить вращение, а затем начать медленно вращаться в противоположную сторону (есть такая теория). Сейчас Венера медленно вращается в сторону, противоположную земному, и делает один оборот вокруг оси за 243,02 земных суток.

Неожиданным для учёных было то, что согласно показаниям «Веги-2» атмосфера Венеры оказалась довольно нестабильной на высоте менее 7 км — этот слой гораздо горячее, чем слой выше. Фактически, эти показания данных советского зонда до сих пор остаются необъяснимыми. Сейчас учёные предложили новое объяснение этим необычным показаниям сенсоров. Они считают, что на самом деле нижние слои атмосферы представляют собой сверхкритическую жидкость.

Научную работу с анализом показаний сенсоров советского зонда опубликовала пара учёных — Себастьян Лебонуа (Sebastien Lebonnois) из лаборатории метеорологической динамики Университет Пьера и Марии Кюри (Франция) и Джералд Шуберт (Gerald Schubert) с кафедры земных, планетарных и космических наук Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США).

Вертикальная структура атмосферы Венеры по результатам моделирования показана на диаграмме. Вертикальные профили показывают изменение температуры, плотности и стабильности атмосферы в зависимости от высоты и увеличения атмосферного давления. Показано также расположение облаков. Информация здесь собрана в том числе по результатам десятилетий наблюдений другими орбитальными аппаратами (советские «Венера-15» и «Венера-16», американские «Пионер-Венера-1» и «Магеллан», европейский «Венера-экспресс», японский «Акацуки»), других зондов, воздушных шаров и земных телескопов.



Все собранные данные показывают, что на Венере, как и на Земле, есть тропосфера, которая простирается от поверхности до верхнего слоя облаков на высоте примерно 60-65 км, и в тропосфере температура уменьшается с высотой. Нижний слой облаков с серной кислотой заканчивается на высоте около 48 км. Там температура и давление примерно соответствуют температуре и давлению на поверхности Земле.

Сразу под облаками атмосфера относительно стабильна примерно до высоты 7 км, и вот самый нижний слой представляет загадку. В нём сосредоточено 37% массы всей атмосферы Венеры, именно там максимальное давление и температура. Проникнуть туда и измерить атмосферные показатели исключительно сложно. Надёжно измерить температуру на низкой высоте удалось только советскому спускаемому аппарату «Вега-2» в 1985 году.


Модель космического аппарата «Вега-2» в филиале Национального музея авиации и космонавтики США. Спускаемый модуль спрятан внутри сферической оболочки

Измерения проводились двумя платиновыми проводами, один оголённый, а второй в керамической изоляции, с точностью ±0,5 K в диапазоне от 200 до 800 K. Как уже было сказано, слишком резкое повышение температуры на высоте ниже 7 км учёные до сих пор не могли объяснить.

Авторы научной работы обращают внимание на то, что у нас нет точных сведений о химическом составе нижнего слоя. Они предполагают, что там наблюдается иная пропорция CO₂ и N₂. В частности, концентрация N₂ у поверхности падает до нуля. Точнее, в результате сверхвысокого давления у поверхности происходит разделение CO₂ и N₂. То есть более лёгкий N₂ поднимается в верхние слои атмосферы. Следовательно, истинная концентрация N₂ в атмосфере может быть на 15% меньше, чем считалось ранее.


Вертикальный профиль потенциальной температуры по показаниям «Веги-2»

Учёные делают такие выводы на основании результатов своих экспериментов со сверхкритическими жидкостями. Дело в том, что при высоком давлении и плотности исчезает различие между жидкой и газовой фазой вещества. Соответственно, газовая смесь может частично разделиться на фракции, как это происходит в жидкости. Например, для CO₂ критическая температура составляет 303,9 K, критическое давление — 72,8 атм, а критическая плотность — 0,468 г/см³. Как видим, условия у поверхности Венеры вполне могут создать условия для перехода атмосферы в сверхкритическое состояние.

Авторы считают необходимым проведение дальнейших исследований атмосферы Венеры. Если нельзя отправить туда зонд, то можно попробовать воссоздать климатические условия в лаборатории НАСА.

Научная работа опубликована в журнале Nature Geoscience 26 июня 2017 года (doi:10.1038/ngeo2971, pdf).