Почему Венере было бы 46 без парникового эффекта
VeSpR означает венус Спэктральный ргнездо. Проще говоря, это ракетный телескоп. Точнее, это телескоп, который будет установлен внутри зондирующая ракета. Это суборбитальная ракета, которая доставит телескоп на высоту 300 км менее чем за 5 минут — далеко в космическое пространство (определяемое как высота 100 км) и выше большей части земной атмосферы, чтобы мы могли наблюдать ультрафиолетовый (УФ) свет. от Венеры, которые в противном случае были бы поглощены атмосферой Земли. На самом деле, это вдвое меньше, чем у космического телескопа Хаббла, но наша ракета не будет развивать достаточную скорость, чтобы выйти на орбиту вокруг Земли. Вместо этого он упадет на землю по баллистической траектории менее чем через 10 минут после запуска, где мы восстановим полезную нагрузку (телескоп) для повторного использования. Между ними у нас должно быть почти семь минут полета над нашей целью миссии в 110 км для сбора данных — три с половиной на пути вверх и три с половиной на обратном пути. Наша цель — собрать не менее 250 секунд (4 минуты 10 секунд) наблюдений. Это оставляет телескопу всего около двух с половиной минут, чтобы найти и зафиксировать Венеру. Четыре минуты и десять секунд данных могут показаться не такими уж большими, но оптика нашего телескопа специально разработана для наших спектроскопических наблюдений. На самом деле, поскольку наш телескоп настолько эффективен для УФ-излучения, которое мы будем наблюдать, он может за 5 минут увидеть то, что потребовалось бы Хабблу. четыре часа наблюдать.
Почему бы в любом случае не использовать Хаббл? По крайней мере, вам не придется запускать еще одну ракету!
Нас не пускают — поверьте, мы просили! Впрочем, ничего страшного, мы не обижаемся. У них есть веская причина: Хабблу не разрешается наводить слишком близко к солнцу, чтобы не повредить его инструменты. Поскольку Венера вращается ближе к Солнцу, чем к Земле, она всегда появляется близко к Солнцу на небе. Вот почему мы можем видеть его только утром или вечером, когда солнце восходит или садится, и это делает его слишком опасным для Хаббла. Если рассмотреть крайний случай, если бы Хаббл был направлен прямо на Солнце для наблюдений, результат был бы катастрофическим.Мы все знаем, что можно вызвать пожар, сфокусировав солнечный свет с помощью увеличительного стекла всего в несколько сантиметров в поперечнике — представьте, что произойдет с внутренностями Хаббла, если в него попадет сфокусированный луч света из его зеркала шириной 2,4 метра (7,8 фута)! Но даже если зеркало Хаббла не направлено прямо на Солнце (как в случае с Венерой), солнечный свет, попадающий внутрь трубы телескопа, может быть опасен для чувствительного оборудования Хаббла, слишком быстро нагревая его поверхности и выделяя краску или газ. . А когда дело доходит до солнечного света, космос представляет собой суровую среду из-за своей абсолютной пустоты — без атмосферы на пути солнце ощущается примерно в два раза сильнее на земной орбите, чем на поверхности Земли.
Так что насчет ракеты, на которой он будет стоять?
Ракета представляет собой двухступенчатую систему Terrier-Black Brant Mk 1. Первая ступень — это ракета Terrier, изначально созданная как ракета класса "земля-воздух" (ЗРК) и использовавшаяся ВМФ в 1960-х годах. После вывода из эксплуатации они регулярно использовались в качестве первых ступеней для исследовательских миссий, таких как наша. В нашем случае он был модифицирован, чтобы установить на него зондирующую ракету Black Brant Mk 1 в качестве второй ступени. Модель Mk 1 представляет собой модификацию зондирующей ракеты Black Brant конца 90-х годов, которая производится ее канадским производителем Bristol Aerospace с 1960-х годов и известна своей надежностью. Ступень Terrier срабатывает всего 6 секунд после запуска, после чего сгорает и отделяется от Mk 1, разгоняясь с нуля до 2100 км/ч (1300 миль в час). Black Brant взлетает вверх в течение 6 секунд, а затем стреляет в течение примерно 30 секунд. Это все, что нужно, чтобы разогнать полезную нагрузку до скорости более 7800 км/ч (4800 миль/ч). В этот момент высота ракеты составляет 46 км, но она уже имеет достаточную скорость, чтобы лететь вверх еще почти четыре минуты, достигая своего пика в 300 км (186 миль), прежде чем начать спуск обратно на землю.Полезная нагрузка совершит свой последний спуск с парашютом и приземлится примерно в 80 км (50 миль) от стартовой площадки, где мы вернем ее для повторного использования. Это видео запуска ракеты Terrier-Black Brant, похожей на нашу (перейдите на 2 часа, чтобы пропустить обратный отсчет). Ракета на видео запущена с авиабазы Уоллопс в Вирджинии. мы будем выступать интеграционное тестирование в Уоллопсе. Интеграционное тестирование — это когда мы подключаем полезную нагрузку к остальной части ракеты и проверяем, что электроника правильно взаимодействует друг с другом в разных секциях. Мы также проверяем структурную устойчивость всей системы, встряхивая и изгибая ее, чтобы увидеть, не сломается ли она под нагрузками и нагрузками при запуске. Однако все зондирующие ракеты, запущенные с Уоллопса, приземляются в океане и не возвращаются после запуска. С VeSpR могут быть использованы повторно, мы будем запускать их с ракетного полигона Уайт-Сэндс в Нью-Мексико, где полезная нагрузка благополучно приземлится в пустыне.
Что такое дейтерий?
Сегодня на поверхности Венеры нет воды ни в каком виде, а концентрация водяного пара в атмосфере составляет всего 0,002% по сравнению с 0,40% на Земле. Если бы вся вода на Венере сконденсировалась в жидкость и равномерно распределилась по всей поверхности, это был бы глобальный эквивалентный слой (GEL) глубиной 3 сантиметра (~ 1,2 дюйма). Для сравнения, земной лари воды имеет толщину более 3 километров (почти 2 мили)! Так куда же делись океаны Венеры?
Короткий ответ: они испарились в космос. Более длинный ответ заключается в том, что он связан с парниковым эффектом и фотодиссоциацией.
Что такое парниковый эффект?
Есть два сценария того, как Венера превратилась в то адское место, которым она является сегодня: один, в котором вода когда-то текла по поверхности, и другой, в котором условия были слишком жаркими, чтобы это когда-либо могло произойти. Космические ученые называют первый, влажный сценарий влажная теплица— где атмосфера Венеры была теплой и влажной, но с температурой поверхности ниже точки кипения воды (100°C или 212°F). Второй, сухой сценарий называется сбежавшая теплица— где температура поверхности была выше точки кипения, так что любая вода на ней мгновенно превратилась бы в пар.
Оба сценария основаны на парниковый эффект согреть планету.
Парниковый эффект стал привычным термином — это то, что позволяет атмосфере удерживать тепло и делает возможной жизнь здесь, на Земле. Но его механизм не всегда понятен. Короче говоря, причина эффекта в том, что некоторые газы, известные как парниковые газы, пропускают тепло от солнечного света, но блокируют выход этого тепла, когда оно покидает землю в виде инфракрасных волн.
Если быть точным, газы в атмосфере (в основном азот и кислород) имеют молекулярную структуру и форму, которые пропускают солнечный свет на поверхность. Этот видимый свет представляет собой энергию, согревающую землю и приводящую в движение почти все формы жизни на ее поверхности. Действительно, причина, по которой мы можем видеть солнечный свет, заключается в том, что системы зрения форм жизни на Земле эволюционировали, чтобы быть чувствительными к доступному свету.
Но земля не просто сидит там, становясь бесконечно горячее. Он также повторно излучает часть этой энергии обратно в космос в виде инфракрасного света.
Однако парниковые газы, такие как водяной пар ( H20), окись углерода (CO) и двуокись углерода (CO2) сформированы таким образом, что пропускают солнечный свет, но ловушка Инфракрасный свет. Это означает, что инфракрасные волны, уносящие тепло от земли, не могут так же легко покинуть атмосферу и вернуться обратно в нижние слои атмосферы. Парниковые газы действуют как изолирующее одеяло, улавливая тепло.
Теперь представьте раннюю Венеру как планету, похожую на Землю, покрытую водой, но обреченную обитать на орбите, расположенной ближе к Солнцу, чем земная.Солнце станет сильнее, а океаны будут испаряться быстрее, выбрасывая в атмосферу водяной пар — один из сильнейших парниковых газов. Этот водяной пар улавливает еще больше тепла, из-за чего океаны испаряются еще быстрее, что еще больше усиливает парниковый эффект, создавая петлю обратной связи, подобную осыпьEEEECH обратной связи через микрофон. Это то, что ученые-климатологи называют неуправляемый парниковый эффект. (Возможно, вы заметили, что, как сказано выше, мы, космонавты, используем термин сбежавшая теплица в несколько более конкретном контексте — чтобы обозначить Венеру, слишком горячую для поверхностных вод.)
Но что заставляет весь этот водяной пар исчезать в космосе?
Подобно тому, как жидкость испаряется с поверхности и уходит из океана в атмосферу, газы также могут «испаряться» из атмосферы и улетучиваться в космос. Но водяной пар слишком тяжел для того, чтобы он так быстро испарялся. Во-первых, его нужно было разбить на более мелкие отдельные части.
Но что может быть настолько мощным, чтобы разорвать молекулярные связи материи?
На самом деле, это то, с чем мы все знакомы — вредные солнечные ультрафиолетовые лучи. Когда они ударяются о материю, они могут разорвать молекулы в процессе, называемом фотодиссоциация. Именно это и приводит к солнечным ожогам (и, в конечном счете, к раку кожи) — фотодиссоциация буквально разрушает молекулы ДНК в клетках вашей кожи.
Так почему же вода на Земле не была уничтожена и не потеряна в космосе из-за фотодиссоциации?
У водяного пара на Земле есть преимущество — он защищен самой атмосферой. На Земле водяной пар концентрируется в тропосфере, самом нижнем слое атмосферы, где циркулируют все земные погодные системы. Верхняя граница тропосферы называется холодная ловушка потому что над ним не может существовать водяной пар — это высота, на которой температура падает ниже точки росы, и водяной пар конденсируется, образуя облака. На земле наша холодная ловушка находится на высоте всего 12 км.Это удерживает водяной пар под большей частью атмосферы, что блокирует ультрафиолетовые лучи и защищает водяной пар от фотодиссоциации.
Но когда концентрация водяного пара в атмосфере достигает 20 процентов, как это было на Венере, мы достигаем «влажной оранжереи» (и она могла бы быстро стать неуправляемой оранжереей). На данный момент огромное количество водяного пара в атмосфере означает, что он проникает выше в атмосферу. Холодная ловушка не достигается на высоте 100 км, намного выше большей части защитного экрана атмосферы, оставляя водяной пар высоко и подвергаясь воздействию солнечных УФ-лучей. В результате фотодиссоциации он распадается на отдельные атомы кислорода, водорода и иногда дейтерия.
Даже как отдельный элемент кислород настолько тяжел, что будет утекать в космос довольно медленно. Однако дейтерий, составляющий 1/8 массы кислорода, улетучится гораздо быстрее. А водород, самый легкий из всех элементов, масса которого составляет 1/16 массы кислорода, ускользнет быстрее всех — он навсегда будет исключен из круговорота воды и потерян для космоса. А поскольку водород испаряется быстрее всего, важнейшее значение Д/Ч начнет увеличиваться.
Так как же мы получаем из измерения Д/Ч определить, сколько воды было на Венере?
Мы можем сравнить это с нашими измерениями здесь, на Земле, потому что кажется, что за геологическое время мы практически не потеряли воду. Хотя некоторое количество водорода все же проходит через холодную ловушку, его намного меньше, чем на Венере, и он пополняется изнутри — извержения вулканов и другая геологическая активность высвобождают водород из недр Земли. Уровень моря может подниматься и опускаться из-за того, что во время ледниковых периодов часть воды задерживается в полярных ледяных шапках, но общее количество воды остается практически неизменным. Таким образом, мы можем заключить, что общее количество водорода осталось прежним, как и соотношение Д/Ч. Кроме того, поскольку все внутренние планеты образовались из одного и того же облака газа, пыли и камней, мы можем предположить, что все они возникли вместе с такой же соотношение Д/Ч.
Сегодня мы измерили Д/Ч в атмосфере и океанах Земли и обнаружил, что он составляет примерно 0,02%. То есть из всех атомов водорода и дейтерия дейтерий составляет около 0,02 процента — и, по-видимому, он никогда не был намного меньше. На Марсе разница невелика — около 0,09 процента. (Его поверхностная вода была потеряна не из-за фотодиссоциации, а просто потому, что ее слабая гравитация не могла удерживать водяной пар связанным с ней — и, вероятно, у нее все еще есть океаны воды, запертые во льду в полярных шапках и под ее поверхностью.) Но на Венере, согласно лучшим измерениям до сих пор, Д/Ч колоссальный 5 процентов. Это делает дейтерия в 250 раз более распространенным (относительно водорода), чем на Земле. Если наши предположения об общем происхождении внутренних планет верны, это означает, что когда-то на Венере было в 250 раз больше водорода, чем сейчас, и, следовательно, в 250 раз больше воды. как минимум. Как минимум, этого количества воды достаточно, чтобы покрыть всю поверхность Венеры на глубину более семи метров.
Ждать. так что мы знаем Д/Ч отношение Венеры? Тогда зачем нам нужно VeSpR вообще?!
Проблема в том, что наши измерения Д/Ч на Венере не так точны, как хотелось бы, и, по-видимому, сильно различаются в зависимости от того, насколько высоко в атмосфере мы измеряем — в частности, Д/Ч кажется, больше в верхних слоях атмосферы. Это оставляет нас с некоторой ноющей неуверенностью.
Это где VeSpR приходит в. VeSpR будет измерять отношение Д/Ч, особенно в верхних слоях атмосферы Венеры, путем измерения силы характерного света, излучаемого как водородом, так и дейтерием (процесс, называемый спектроскопия), а затем их сравнение.С помощью этих данных мы можем лучше понять текущий состав и структуру дейтерия и водорода в атмосфере Венеры и уточнить нашу оценку того, сколько воды существовало на Венере и могла ли когда-либо существовать жизнь.
Теоретикам предстоит взять эти данные и сгенерировать компьютерные модели эволюции Венеры, чтобы точно определить, сколько воды было и существовала ли она на поверхности во влажной теплице — и как долго — или была ли она закрыта. в атмосфере в беглой теплице.
Дополнительные ресурсы
Venus Express: веб-сайт Европейского космического агентства для V-энус Экспресс космический корабль, в настоящее время вращающийся вокруг Венеры с научной миссией.
Акацуки: веб-сайт Японского агентства аэрокосмических исследований для Акацуки космический аппарат, также известный как Venus Climate Orbiter. В настоящее время он находится на пути к Венере и прибудет в декабре 2010 года.
Принн, Рональд Г. и Брюс Фегли-младший «Атмосферы Венеры, Земли и Марса: критическое сравнение». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах. Том 15, 1987, с. 171-212. (doi:10.1146/annurev.ea.15.050187.001131) (
