В. В. ШАРОНОВ, доктор физико-математических наук, профессор (Ленинград).

СВЫШЕ 400 лет тому назад великий Коперник выступил с гелиоцентрической системой мира. Из нее вытекало, что Земля - одна из планет солнечной системы, а это, в свою очередь, приводило к предположению, что планеты похожи на земной шар не только по своему движению в качестве спутников Солнца, но и по своей природе.

В практическом доказательстве этой важной гипотезы немалая заслуга принадлежит Галилею. Направив созданный им первый, еще маленький и весьма несовершенный телескоп на планету Венеру, он увидел перед собой вместо точки, какой Венера представляется невооруженному глазу, небольшой диск. Форма этого диска менялась по мере перемещения планеты по отношению к Солнцу, проходя ту же самую последовательность фаз, которую каждый знает на примере Луны. Из этого следовало, что, подобно Земле, Венера является темным шарообразным телом, которое сияет исключительно за счет отражения солнечных лучей и на котором, как и у нас, происходит смена дня и ночи.

Такие выводы побуждали искать между Венерой и Землей дальнейших аналогий. И тут прежде всего встала проблема существует ли на Венере атмосфера?

Газовая оболочка имеет для природы всякой планеты первостепенное значение. В ней возникают воздушные течения, ветры и бури, переносящие тепло и влагу из одних зон планеты в другие. В ней образуются облака, тучи, туманы. Благодаря атмосфере вода океанов, морей и озер сохраняется в жидком состоянии не сдерживаемая давлением толщи вышележащего газа, она сразу, же превратилась бы в пар. Вне воздушно-газовой среды немыслимо развитие жизни.

Естественно, что еще в XVII столетии ученые стали выдвигать гипотезы о существовании атмосферы на других планетах. Однако всякая гипотеза требует доказательств. Впервые подтвердить наличие газовых оболочек на планетах, и при том именно в отношении Венеры, удалось великому русскому ученому М. В. Ломоносову.

В 1761 году происходило редкое небесное явление - прохождение Венеры перед солнечным диском. Ломоносов произвел тщательное наблюдение этого явления, обратив главное внимание на физические его особенности. В процессе этой работы он и сделал крупнейшее научное открытие.

Внимательно следя за тем, как темный шар Венеры понемногу надвигается на солнечный диск,

Ломоносов заметил, что в определенный момент вокруг той части шара, которая еще не вступила на Солнце, вспыхнуло «тонкое, как волос, сияние» То же самое наблюдалось и. при схождении Венеры с солнечного диска.

«Сие,- справедливо заключил ученый -ничто иное показывает, как преломление лучей солнечных в Венериной атмосфере» Иначе говоря, замеченный Ломоносовым световой ободок возникал оттого, что солнечные лучи, обогнувшие благодаря рефракции (преломлению) шар Венеры с противоположной стороны, явились на темном краю планеты в виде узкой яркой каемки. Из всего этого ученый сделал правильный вывод «Планета Венера окружена знатною воздушною атмосферою, таковою же (лишь бы не большею), какова обливается около нашего шара земного»

Световой ободок, называемый теперь «явлением Ломоносова», отмечался учеными и при последующих прохождениях Венеры перед Солнцем. Изучение материалов наблюдений, выполненных значительно более мощными телескопами, показало, что угол преломления лучей в газовой оболочке планеты очень мал и составляет около 40 секунд. Это не идет ни в какое сравнение с тем, что мы имеем на Земле, где касательный к земной поверхности луч отклоняется на целые 70 минут, то есть более чем на градус. Но если это так, то атмосфера Венеры должна иметь очень малую плотность. Значит ли это, что Ломоносов, утверждавший наличие «знатной» атмосферы на Венере, был неправ? Нет, он был прав!

Лет через 30 после открытия Ломоносова было замечено еще одно весьма интересное явление. Выяснилось, что когда диск Венеры имеет вид серпа, то светлая его сторона простирается больше, чем на полуокружности. В случае с простым матовым шаром этого не могло бы быть, ибо Солнце освещает только половину его и никак не больше. Поскольку же светлый край Венеры превосходит 180 градусов и при очень узком серпе даже смыкается в сплошное бледное кольцо, то это значит, что солнечными лучами освещается не только полушарие, обращенное к дневному светилу, но и примыкающая к нему зона ночной стороны планеты. Объяснить это можно только существованием атмосферы на Венере.

Известно, что после заката Солнца становится темно не вдруг небо еще остается светлым (на нем заря), и земная поверхность долго получает освещение, которое, лишь медленно и постепенно угасая, переходит в ночной мрак. Это явление мы называем сумерками. Происходит оно потому, что находящееся за линией горизонта Солнце продолжает некоторое время освещать толщу атмосферы. В воздухе солнечные лучи рассеиваются по разным направлениям. От этого небесный свод в стороне закатившегося дневного светила долго еще остается светлым, а испускаемый им рассеянный свет создает на Земле сумерки. Именно такую картину ученые и наблюдают на Венере. Сравнение сумеречных явлений на этой планете с тем, что мы видим на Земле, приводит к заключению, что атмосфера Венеры никак не меньше земной. По некоторым данным, она должна быть даже более мощной. Но как же это согласовать со скромным масштабом рефракции - преломления?

Одно из предложенных объяснений состоит в следующем. В атмосфере Венеры на большой высоте над поверхностью планеты лежит сплошной слой тонких, полупрозрачных облаков. Возможно, что эти облака сродни нашим перистым облакам, образующимся из мельчайшей ледяной пыли, или же так называемым светящимся облакам, плавающим в земной атмосфере на высоте около 80 километров. С этой точки зрения световой ободок при прохождении Венеры перед Солнцем вызывается преломлением в тонком и разреженном слое прозрачного газа, лежащего выше облаков. А свет, дающий сумерки, распространяется в глубоком, но прозрачном пласте газа, находящемся под облачным слоем.

Это только гипотеза. Но на чем она основывается?

Давно известна одна неприятная особенность Венеры на ее диске даже в самые сильные телескопы не видно никаких деталей. Если оставить в стороне общее плавное потемнение от светлого края, к ночному полушарию и очень неясное посветление у кончиков серпа, то диск Венеры повсюду представляется нам чисто белым и однородным. Никаких пятен и полос, столь характерных для других планет, как, например, для Марса и Юпитера, на нем не обнаружено.

По общему мнению ученых так получается из-за того, что на Венере всегда пасмурно, что облака или тучи всегда заволакивают ее атмосферу. Поэтому с Земли мы только и наблюдаем равномерный облачный покров, похожий на то, что видит под собой пилот, летящий на самолете в пасмурный день над облачным слоем. И нам пока совершенно неизвестно, что находится за этим никогда не разрывающимся туманным покрывалом. Не знаем мы и продолжительности суток на Венере облачный покров до того однороден, настолько лишен каких бы то ни было деталей или отметин, что вращение планеты ничем не может себя проявить.

Было сделано много попыток «пробить» облачный слой в атмосфере Венеры. Из практики земной фотографии известно, что дымка, мгла и некоторые виды тумана относительно прозрачны для инфракрасных лучей, почему при съемке далеких ландшафтов и применяют фотопластинки, чувствительные к инфракрасной части спектра. Однако снимки Венеры, произведенные в инфракрасных лучах, оказались столь же однообразными, как и обычные. Зато неожиданный успех был достигнут при съемке в ультрафиолетовых лучах. На таких снимках получились отчетливые темные полосы, пересекающие серп Венеры поперек и напоминающие картину, которая наблюдается на полосатом диске Юпитера. Что это такое, пока еще неизвестно. Возможно, что в верхних, прозрачных слоях атмосферы Венеры плавают прослойки какого-то вещества, в котором сильно поглощается именно ультрафиолетовая часть солнечного спектра. Такое поглощение и может быть причиной темной окраски некоторых частей диска планеты.

Наличие на Венере облачного покрова ставит перед нами ряд новых острых вопросов. Состоят ли эти облака из водяных капель или ледяных кристаллов, как это имеет место на Земле? И если нет, то какое вещество дает там толстый слой густого, непрозрачного тумана? И еще лежит ли этот слой у самой поверхности или же плавает в атмосфере на некоторой высоте?

Чтобы ответить на все эти вопросы, надо прежде всего установить химический состав атмосферы Венеры. Если, например, там в достаточном количестве содержится водяной пар, то естественно будет сказать, что и облака образуются из продуктов его конденсации, то есть из мельчайших водяных капелек.

Изучение состава небесных светил основано на применении спектрального анализа. Но использовать этот могущественный метод исследования в отношении планет далеко не просто. Ведь планета сама не светит, а только отражает солнечные лучи. Поэтому ее спектр — это прежде всего солнечный спектр с характерным для него расположением темных «фраунгоферовых линий», определяемых составом солнечной атмосферы и к веществу планеты не имеющих никакого отношения. Значит, узнать спектроскопическим путем состав твердой поверхности, например, Луны нельзя.

Задача облегчается в том случае, если атмосфера прозрачна. Отражаемый планетой солнечный луч проходит газовую оболочку дважды сначала - по «направлению от Солнца к поверхности планеты, а затем - от этой поверхности к Земле. Если в состав атмосферы входят газы, способные давать в спектре полосы поглощения, то к- великому множеству обычных солнечных линий добавятся новые, вызванные поглощением лучей в этих газах. К сожалению, такие распространенные газы, как азот и аргон, а также водород, в практически наблюдаемой части солнечного спектра никаких полос не дают, и потому обнаружить их в атмосферах планет мы не можем.

Первое, что стали ученые искать в атмосфере Венеры, — это те газы, которых много в воздушной оболочке Земли, а именно кислород, водяной пар и озон. Но тут ожидаемая аналогия не подтвердилась соответствующих полос поглощения в спектре Венеры не нашли. Это, в свою очередь, сразу поколебало распространенное прежде мнение, что облака на Венере водяные.

Иначе получилось с углекислым газом. Полосы этого соединения, лежащие в инфракрасной части спектра Венеры, не так давно были найдены и оказались достаточно интенсивными. По некоторым данным, углекислого газа на Венере так много, что если бы его собрать в сплошной слой при нормальном атмосферном давлении (760 миллиметров ртутного столба), то толщина его была бы не менее километра.

Другим крупным достижением в области «спектроскопии Венеры было открытие на этой планете полярных сияний. Изучая спектры темной ночной части шара Венеры, полученные в 1953 году на 50-дюймовом рефлекторе Крымской обсерватории, Н. А. Козырев обнаружил на них линии свечения газа, который при ближайшем рассмотрении оказался азотом. Как известно, в спектре земных полярных сияний линии азота тоже очень интенсивны, однако на Венере свечение сияний в 50 раз сильнее, чем на Земле.

Однако обнаружение углекислого газа, а также азота в составе атмосферы Венеры при всем огромном общем значении мало подвинуло вперед проблему вещества, образующего облачный слой. Ясно, что углекислота, переходящая из газообразного состояния прямо в твердое при температуре около минус 80 градусов, давать облика на Венере не может, ибо эта планета расположена ближе к Солнцу, чем Земля, и температура там выше. Правда, одно время немецкий ученый Вильд выступал с гипотезой, согласно которой облачный слой на Венере состоит из формальдегида - сложного соединения, включающего в себя углерод, кислород и водород. Эта гипотеза не подтвердилась, так как полос поглощения формальдегида в спектре Венеры не оказалось.

Хотя мы и не знаем состава вещества, дающего белый туман на Венере, но зато нам известна природа рассеивающих свет частиц.

Теория говорит, что если частички, на которых рассеивается свет, очень малы, то при прохождении пучка лучей сквозь облако таких частиц количество света, рассеянного вперед (то есть по лучу) и назад (в сторону источника света), будет одинаковым. Если же речь идет о крупных частицах, какими, например, являются капельки водяных облаков, то большая часть света рассеивается ими вперед, то есть в сторону распространения потока солнечных лучей, освещающих данный облачный слой.

Большие трудности возникают при сплошном облачном слое. Луч, отраженный какой-нибудь частицей, не выходит прямо наружу, но встречает другую частицу и от нее отражается во второй раз, потом наталкивается на третью частицу и отражается в третий раз и т. д. Такая многократная передача луча от частицы к частице очень затрудняет расчет яркости рассеянного света.

Долгое время наука не могла разрешить задачу такого расчета в полной мере, и только сравнительно недавно этого добился выдающийся советский ученый В. А. Амбарцумян.

В отношении Венеры мы имеем подробные исследования изменения ее блеска, с фазой. Кроме того, за последнее время Н. П. Барабашевым на Харьковской обсерватории и И. А. Паршиным в Ташкенте получены такие снимки Венеры при разных фазах, по которым можно установить распределение яркости и отражательной способности по диску планеты. Из данных Паршина, например, следует, что облачный слой Венеры в некоторых условиях отражает свыше 90 процентов лучей видимой части спектра и это отражение происходит так, как если бы мы имели дело с белой, совершенно матовой поверхностью. В целом освещенное полушарие Венеры отражает до 60 процентов падающих на него солнечных лучей.

Применение современной теории рассеяния к новейшим результатам фотографических наблюдений позволяет с. уверенностью сказать, что те бесчисленные частицы, из которых состоит слой тумана на Венере, рассеивают свет преимущественно вперед, то есть по ходу освещающих их солнечных лучей. Значит, это частицы крупного размера. Пока еще нельзя решить, представляют ли они собою жидкие капли, твердые кристаллики «или же пылинки. Дальнейшее развитие фотометрического метода исследования позволит получить по этому вопросу более полную «информацию.

Подробнее см.:https://www.nkj.ru/archive/articles/57360/(Наука и жизнь, АТМОСФЕРА ВЕНЕРЫ)