Плотный облачный покров, которым окутана Венера, чрезвычайно затрудняет исследование этой планеты с помощью оптических телескопов. Поэтому до недавнего времени о свойствах атмосферы Венеры, о ее собственном вращении (вокруг своей оси) почти никаких сведений не было. Представления о температуре поверхности Венеры были настолько далеки от истины, что среди ученых шли серьезнее разговоры о возможности там жизни земного типа. Главы о жизни на Венере можно встретить в научных монографиях, изданных в начале 60-х годов. Лишь в последние годы благодаря развитию радиоастрономии были установлены характеристики собственного вращения Венеры, получены заслуживающие доверия данные об ее атмосфере.
С 1967 года Венера становится объектом космических исследований. Полеты советских космических станций «Венера-4» (1967 год), «Венера-5», и «Венера-6» (1969 год) позволили произвести прямые измерения давления, температуры, плотности и химического состава атмосферы на различных высотах. Полет «Венеры-7»> (1970 год) впервые принес данные о температуре, и атмосферном давлении, измеренных непосредственно на поверхности планеты. Наконец, в июле 1972 года мы были свидетелями особенно успешного зондирования венерианской атмосферы «Венерой-8»
Ценные данные принесло радио просвечивание Венеры, произведенное в 1967 году американским космическим аппаратом «Маринер-5»
Сведя воедино данные, полученные с помощью автоматических межпланетных станций, мы узнали, что атмосфера Венеры в 80 - 100 раз массивнее земной и состоит в основном из углекислого газа. Поверхность планеты нагрета до 450 - 500 градусов Цельсия.
Вращение планеты Венера вокруг своей оси в 243 раза медленнее земного, и направлено в другую сторону (противоположную движению планет вокруг Солнца). Наклон экватора к плоскости орбиты не больше 2-х градусов. А это означает, что на Венере практически нет смены времен года.
Экспериментальных сведений о ветрах в атмосфере Венеры, об изменениях температуры по горизонтали и во времени до 1972 года не было. Однако материал, накопленный к 1969 году, позволил поставить задачу о теоретическом расчете основной системы ветров, и о распределении температуры, то есть об общих законах циркуляции атмосферы. Такие расчеты были выполнены в 1969 - 1971 годах в Институте океанологии АН СССР.
С появлением электронных вычислительных машин численные эксперименты стали одним из основных средств исследований в геофизической и космической гидродинамике. Проводить наблюдения при разных условиях часто бывает просто невозможно (ну, например, мы лишены возможности наблюдать, какой станет циркуляция земной атмосферы, скажем, при значительно более быстром собственном вращении нашей планеты). Создать физико-математическую модель такой системы, и произвести расчеты вполне возможно.
Специфика расчетов на вычислительных машинах такова, что приходится оперировать не функциями, а отдельными числами, общее количество которых ограничено оперативной памятью машины. Чтобы построить численную модель атмосферы, приходится идти на некоторые упрощения непрерывную воздушную среду приближенно представляем, как дискретную (прерывистую) систему, мгновенное состояние которой полностью характеризуется конечной совокупностью чисел. Атмосферу условно делим на, какие-то объемы и берем известные нам числа, например, значения метеорологических переменных - температуры, атмосферного давления, скорости, и направления ветра в центрах этих объемов. Чем мельче объемы, тем детальнее модель описывает реальность. Если нас интересуют лишь главные черты циркуляции, объемы могут быть взяты довольно большими.
Из опыта численного моделирования земной атмосферы известно, что основные свойства общей циркуляции можно уловить, если атмосферу разбить не менее чем на два слоя по вертикали, а по горизонтали (горизонтальный шаг) брать в несколько сотен километров.
При таких условиях численная модель воспроизводит основные черты циркуляции атмосферы, в том числе такие ее важные особенности, как образование циклонов и антициклонов - вихрей с горизонтальными размерами около 2,5 тысячи километров.
Основываясь на теоретических рассуждениях, можно было ожидать, что на Венере из-за медленности ее вращения циклоны, и антициклоны не возникают, поэтому глобальная циркуляция имеет сравнительно простой характер и не затушевана вихрями средних масштабов. Забегая вперед, скажем, что наши численные эксперименты это полностью подтвердили. Таким образом, оказалось возможным основные расчеты проводить с моделью, имеющей два или три слоя (в последних экспериментах до десяти слоев) по вертикали, и горизонтальный шаг около тысячи километров.
По ходу эксперимента приходилось учитывать некоторые физические факторы. Первопричина всех атмосферных движений в том, что поток тепла, идущий от Солнца, неравномерно распределяется по поверхности планеты. Именно это порождает температурные контрасты, которые влекут за собой различия атмосферного давления и вызывают движение атмосферного газа.
В наших расчетах за основу была принята так называемая «парниковая модель», по которой солнечное излучение рассеивается, и частично отражается в мировое пространство облачным слоем, а в рассеянном виде (частично поглощаясь подоблачной атмосферой) проникает до поверхности планеты. Для теплового излучения планеты нижние слои атмосферы практически непрозрачны. Такая непрозрачность - специфическое свойство венерианской атмосферы, обусловленное высокой концентрацией углекислого газа, находящегося под большим давлением. Это усиливает парниковый эффект, так, как солнечное тепло, попадающее на поверхность планеты, практически не отводится излучением. Уходящее излучение формируется в сравнительно разреженных и холодных высоких слоях венерианской атмосферы. Именно поэтому, и не удавалось определить температуру поверхности планеты по наблюдениям с Земли средствами оптической астрономии.
Другая специфическая особенность атмосферы Венеры - интенсивное конвективное перемешивание. Из-за того, что нижняя атмосфера непрозрачна для собственного теплового излучения, основным механизмом теплоотдачи с нагретой Солнцем поверхности планеты оказывается конвекция. Происходит, как бы всплывание теплых пузырей атмосферного газа, словно в закипающем чайнике Тепловая конвекция играет роль (хотя гораздо меньшую) и в земной атмосфере. Именно в результате тепловой конвекции образуются кучевые облака.
Из-за замедленности собственного вращения Венеры все процессы обмена между атмосферой, и поверхностью планеты протекают весьма своеобразно. Методы расчета всех этих явлений радиации, конвекции и взаимодействия с поверхностью - вошли, как отдельные звенья в физико-математическую модель циркуляции.
Мы рассказываем о специфических особенностях атмосферы Венеры, чтобы было ясно, какие основные данные приходилось учитывать при составлении системы уравнений, описывающих поведение дискретной модели. Чтобы решить эту систему, надо было, во-первых, найти численный метод и, во-вторых, произвести расчеты на вычислительной машине. Обсуждение каждой из этих задач - своя большая тема. Не касаясь их по существу, заметим только, что численные эксперименты такого масштаба, как мы здесь обсуждаем, стали доступными лишь совсем недавно - после появления электронных вычислительных машин с быстродействием в сотни тысяч операций в секунду, и оперативной памятью, измеряемой десятками тысяч ячеек (то есть способностью в ходе расчетов держать в запоминающем устройстве десятки тысяч непрерывно меняющихся чисел).
В начальный момент эксперимента было принято, что ветры в атмосфере Венеры полностью отсутствуют, температура на поверхности всюду одна, и та же, а по высоте всюду падает по так называемому адиабатическому закону (что соответствует полному перемешиванию). На следующем этапе эксперимента «включался» солнечный источник тепла. Рассчитывались изменения атмосферы, которые происходят при этом с течением времени. Таким образом, численный эксперимент воспроизводил воображаемое поведение атмосферы, каким оно получилось бы, если температуру выровнять, и остановить циркуляцию, а затем дать ей возможность снова начать развиваться. К подобному приему пришлось прибегнуть потому, что заранее характер циркуляции неизвестен. И к тому же были все основания ожидать, что после более или менее длительного периода приспособления модель атмосферы придет к режиму динамического равновесия с внешними условиями, и в этом режиме уже сможет показать реальную циркуляцию.
В ходе расчетов выяснилось, что режим равновесия достигается примерно за один земной месяц. Весь численный эксперимент продолжался примерно шесть месяцев. Этого было достаточно, чтобы перекрыть в режиме равновесия весь венерианский суточный цикл.
Дальнейшие расчеты уже не приносили новой информации. Времен года, как уже говорилось, на Венере нет. Численный эксперимент помог получить сведения о том, как изменяются во времени скорость, и направление ветра, температура, атмосферное давление, вертикальные движения газа, направление тепловых потоков, сила трения атмосферного газа о поверхность в различных точках.
На основании полученных данных можно утверждать, что главная причина, вызывающая атмосферную циркуляцию на Венере, - это разница в температуре на дневном, и на ночном полушариях (температурные различия между экватором, и полюсами ничтожно малы). Циркуляция развивается симметрично по отношению к экватору, а не к оси вращения (как в среднем на Земле), и не относительно солнечно-анти-солнечной оси. Это означает, что область наибольшего нагрева приходится не на подсолнечную точку, а приближается к вечернему терминатору - линии, отделяющей дневное полушарие от ночного; наиболее холодная область находится близ линии утреннего терминатора. Это, впрочем, не удивительно, так, как, и на Земле наиболее низкие температуры наблюдаются не в полночь, а под утро. Разности температур в различных точках планеты получились очень малыми всего 1 - 2 градуса.
Система ветров в основном такова в нижней половине атмосферы газ стекает к наиболее нагретой области, здесь поднимается вверх, и в верхних слоях, растекаясь, собирается к области «холода», в которой опускается вниз. Эти движения носят глобальный характер, то есть охватывают всю планету. Крупномасштабных вихрей типа циклонов, и антициклонов на Венере нет. Типичная скорость ветра близка к 6 метрам в секунду. Вспомним, что на Земле типичная скорость близка к 10 метрам в секунду. Но тут надо учесть, что на Венере плотность воздуха примерно в 50 раз больше, чем на Земле. Это значит, что ветровое давление увеличивается в 10 - 15 раз, и такой ветер можно сравнить с нашим ураганным ветром. Значительно большими (в 10 - 15 раз), чем на Земле, оказываются здесь, и напряжения трения на поверхности планеты. Отсюда можно сделать вывод, что рельеф планеты сглажен. Наши расчеты показали любопытную особенность венерианской атмосферы - большие вертикальные скорости, достигающие нескольких сантиметров в секунду (на Земле они измеряются лишь немногими миллиметрами в секунду). Вся атмосфера Венеры находится в состоянии конвективного перемешивания на дневной стороне это обусловлено нагревом снизу, на ночной - охлаждением сверху вследствие собственного излучения.
Парниковую радиационную модель, хотя она, и представляется нам наиболее близкой к реальной обстановке на Венере, вполне строго обосновать не удается. В научной литературе высказывалась, и иная гипотеза, согласно которой атмосфера Венеры непрозрачна не только для тепловой, но, и для солнечной радиации. В этом случае нагрев будет происходить в основном не снизу (как в парниковой модели), а сверху. Считая этот вариант более сомнительным, мы тем не менее сочли интересным принять его, и произвести отдельный численный эксперимент. Циркуляция при этом получилась, разумеется, иной, чем в первом эксперименте. В верхнем слое относительно нагретый газ из дневного полушария стекает на ночное, там опускается и, растекаясь в нижнем слое, попадает снова на дневное полушарие. При этом температура поверхности планеты оказывается на дневном полушарии ниже, чем на ночном, хотя атмосфера в целом на дневном полушарии все же теплее. Температурные различия, впрочем, достигают всего нескользких десятых долей градуса, то есть еще меньше, чем при парниковой модели. Типичная скорость ветра также уменьшается, но незначительно, и остается близкой к 6 метрам в секунду.
Общие выводы можно сделать такие.
Согласно выполненным расчетам, в атмосфере Венеры главные температурные различия проявляются не между экватором, и полюсами, а между дневным, и ночным t полушариями (это следствие медленности - собственного вращения). Диапазон изменений температуры поверхности планеты достигает нескольких градусов. На дневной стороне газ в основном поднимается, на ночной - опускается со скоростью нескольких сантиметров в секунду. Типичная скорость газа близка к 6 метрам в секунду. Циркуляция атмосферы носит глобальный характер, и в отличие от земной не затушевана вихрями типа циклонов, и антициклонов.
Эти общие свойства циркуляции венерианской атмосферы проявились при использовании обеих рассмотренных радиационных моделей. Вероятно, эти свойства можно считать надежно установленными.
