Погода и климат на планетах [Кирилл Яковлевич Кондратьев] (pdf) читать онлайн

-55.1.5

К64
Кондратьев К. Я.
К64

Погода и климат па планетах. М., «Зна­
ние», 1975.
64 с. (Новое в жизни, науке, технике. Серия «Космопавтака, астрономия», 8. Издастся ежемесячно с

В брошюре рассказывается об одной из интереснейших проб­
лем современных космических исследований — изучении погоды
и климата на различных планетах. Результаты наблюдений при
помощи автоматических межпланетных станций и теоретические
исследования условий погоды и климата на Венере, Марсе и
Юпитере открывают заманчивые перспективы развития сравни­
тельной метеорологии планет, важной целью которой является
использование данных, относящихся к планетам, для более глу­
бокого понимания закономерностей формирования погоды и
климата на Земле.
Брошюра рассчитана на инженеров, преподавателей и студен­
тов вузов, учителей, а также на более широкий круг читателей,
интересующихся современными проблемами освоения космоса.

К

20806—153
073(02)—75

69—75

551-5

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
.................................................................................
Краткие сведения о происхождении и эволюции
Солнечной системы
Сравнительные характеристики атмосфер планет
Некоторые основные физические процессы в ат­
мосферах планет.............................................................. 22
Венера...........................................................................
Марс
.................................45
Юпитер.............................................................................. 53
Заключение...................................................................... 63
Литература
.
.
.

3

g
17

2

64

Кондратьев Кирилл Яковлевич

ПОГОДА И КЛИМАТ ИА ПЛАНЕТАХ

Редактор Е Ю. Е р м а к о в. Обложка А. Е. Григорь­
ева Худож. редактор В. Н Конюхов. Техн, редактор
Т. Ф. А й д а р х а н о в а. Корректор Р. П. Старцева.
А 08558. Индекс заказа 54208. Сдано в набор 15/V 1975 г. Под­
писано к печати 16'VII 1975 г. Формат бумаги ВДХЮОДг- Бумага
типографская № ’ 3. Бум л. 1,0. Печ. л. 2,0. Усл.-печ. л З.ЗЬ.
Уч.-изд. л. 3,43. Тираж 61 380 экз. Издательство «Знание». Моск­
ва, 101835, Центр, проезд Серова, д. 4 Заказ 1017. Типография
Всесоюзного общества «Знание». Москва. Центр, Новая пл..

Цепа [1 коп.

(Ё) Издательство «Знание», 1975 г.

Введение
Изучение погоды и климата на Земле с давних пор
вызывает большой интерес в связи с тем влиянием, ко­
торое оказывают метеорологические явления на жизнь
и хозяйственную деятельность человека. Именно поэто­
му к настоящему времени создана н продолжает разви­
ваться глобальная система обычных и спутниковых ме­
теорологических наблюдений, прилагаются большие уси­
лия для осуществления проекта Всемирной службы по­
годы (ECU) и Программы исследований глобальных
атмосферных процессов (ПИГАП). В связи с подготов­
кой к осуществлению ПИГАП много внимания уделяет­
ся разработке методов прогноза погоды при помощи
ЭВМ на срок до 2—3 недель (такова, по-видимому, пре­
дельно возможная предсказуемость погоды в обычном
смысле). Известные успехи достигнуты в работах по
численному моделированию1 общей циркуляции атмос­
феры в ее взаимодействии с подстилающей поверхно­
стью (океан, суша, ледяной покров) с целью изучения
роли различных физических факторов, определяющих
климат и его изменения. Предпринят целый ряд комп­
лексных программ полевых исследований различных
процессов, «управляющих» погодой и климатом.
Несмотря на серьезный прогресс, проблема прогноза
погоды с двух-трехнеделыюй заблаговременностью ос­
тается, однако, во многом нерешенной. Еще больше не­
ясных вопросов существует в области исследований кли­
мата и его изменении. Известный вклад в решение этих
вопросов может внести изучение закономерностей пого­
ды и климата на других планетах.
В нашей брошюре мы рассмотрим основные пробле* Численным моделированием принято называть расчеты при
помощи ЭВМ, имеющие целью теоретическое изучение механизмов
тех или иных процессов.

3

мы сравнительной метеорологии планет. Предметом ме­
теорологии планет является изучение закономерностей
состава атмосфер (в том числе свойств облаков); их
теплового режима н динамики; характеристик поверх­
ностей планет и специфики взаимодействия атмосфер с
подстилающей поверхностью. Речь идет, таким образом,
о всей той совокупности явлений, которая определяет
условия погоды и климата. Поскольку существует вза­
имосвязь между процессами в ннжних (тропосфера) и
верхних слоях атмосферы, то в известной мере должны
быть рассмотрены и свойства последних.
Решающий вклад в исследования планет внесло осу­
ществление научных программ АМС1 «Венера», «Марс»,
«Марииер» и «Пионер». Естественно поэтому, что факти­
ческую основу обсужденных далее результатов составят
главным образом данные, полученные АМС, т. е. основ­
ное место займут результаты, относящиеся к Венере,
Марсу и Юпитеру.
Фундаментальной целью исследований планет и нх
спутников является решение проблемы происхождения
и эволюции Солнечной системы. Эта проблема имеет не
только огромный познавательный аспект. Усилившийся
за последние годы интерес к сравнительной планетоло­
гии (условимся понимать этот термин в более широком
смысле, чем его земной аналог — геологию) определяет­
ся не только стремлением глубже понять закономерно­
сти происхождения и эволюции планет. Есть в этих ис­
следованиях и другой важный аспект: расширяющиеся
сведения об атмосферах в поверхностях других планет
позволяют лучше понять закономерности процессов, про­
исходящих в земной атмосфере. Изучение других планет
открывает в известном смысле возможность натурного
моделирования атмосферных процессов в условиях, ко­
торые являются экстремальными по отношению к зем­
ным (мощные атмосферы медленно вращающейся Бе­
неры и быстро вращающихся планет-гигантов, тонкая
атмосфера Марса, различия химического состава атмос­
фер и условий образования облачности и т. п.).
Планеты земной группы — Венера, Земля, Марс —
во многих отношениях (масса, радиус, плотность и т. д.)
обладают ясно выраженными чертами сходства. Однако
1 Здесь и далее АМС, т. е. автоматическая межпланетная стан­

ция.
4

за последние годы выявился и целый ряд существенных
различий между ними. Так, например, результаты пря­
мых измерений при помощи АМС «Венера», а также
данные «радиопросвечиваний» с АМС «Маринер» силь­
но изменили наши представления о Венере. Помимо об­
наружения путем прямых измерений гораздо более вы­
сокой (около 750°К) температуры поверхности планеты,
чем предполагалось ранее, спектроскопические данные
свидетельствуют об очень малом содержании водяною
пара выше облачного покрова, а радиоастрономические
измерения указывают на низкое содержание водяного
пара и в основных слоях венерианской атмосферы (повидимому, общее содержание водяного пара в атмосфе­
ре Венеры в 103—10* раз меньше, чем на Земле). Ис­
ключительно важное значение имели впервые осуществ­
ленные на АМС «Венера» прямые измерения состава
венерианской атмосферы, скорости ветра, освещенности.
Отличительным свойством планеты Венера является
очень медленное вращение, вокруг своей оси (к тому же
противоположное по направлению обращения ее вокруг
Солнца). Медленное вращение н связанная с иим ма­
лость отклоняющей силы (силы Кориолиса) придает ис­
следованиям Венеры особый интерес с точки зрения
аналогии с недостаточно изученной на Земле тропиче­
ской циркуляцией. Если на Земле замкнутая конвектив­
ная циркуляция в форме так называемой ячейки Гадлея 1 ограничивается поясом тропических широт, где си­
ла Кориолиса мала, то на Венере циркуляция этого ти­
па охватывает гораздо большую часть планетарной ат­
мосферы. Внимание к исследованиям общей циркуля­
ции венерианской атмосферы значительно возросло в
связи с неожиданно сложной системой крупномасштаб­
ных воздушных течений, обнаруженных в надоблачной
атмосфере Венеры по данным АМС «Маринера-10».
Общие черты земной и марсианской атмосферы оп­
ределяются близкими значениями силы Кориолиса, на­
личием суточного и сезонного изменений метеорологи­
ческих параметров, вызванных заметным и почти рав­
ным у обеих планет наклонением оси к плоскости их об­
ращения вокруг Солнца. Важные же различия состоят
в отсутствии на Марсе океанов, малом содержании во­
1 Кольцо меридиональной циркуляции с восходящими движе­
ниями у экватора и нисходящими — в субтропических широтах.

5

дяного пара, гораздо меньшей протяженности и боль­
шей неустойчивости облачного покрова. /Низкая плот­
ность атмосферы Марса вблизи поверхности и преобла­
дание углекислого газа, для которого характерна высо­
кая оптическая активность, определяют в условиях Мар­
са гораздо большее значение радиационных процессов
(по сравнению с динамическими) как факторов, опреде­
ляющих температурным режим поверхности планеты н
ее атмосферы н влияющих на общую циркуляцию ат­
мосферы (противоположная ситуация существует на Ве­
нере и Юпитере).
Характерной особенностью погоды на Марсе являют­
ся пылевые бури, охватывающие иногда (как это было,
например, в конце 1971 — начале 1972 г.) всю атмосфе­
ру планеты. Возникновение глобальных пылевых бурь
и «радиационно-обусловленная» общая циркуляция мар­
сианской атмосферы позволяют рассматривать Марс как
экстремальную модель воздействия аэрозольных (пыле­
вых) загрязнений атмосферы на метеорологический ре­
жим. Следует в связи с этим отметить важную пробле­
му влияния запыленности земной атмосферы на совре­
менный климат и иа его изменение, которая привлекает
сейчас большое внимание, но все еще остается не ре­
шенной, что делает исследования особенностей метеоро­
логического режима запыленной атмосферы Марса осо­
бенно актуальными. Большой интерес представляет ис­
следование интенсивных процессов эрозии марсианского
грунта.
Обнаружение на Марсе структур поверхности, напо­
минающих высохшие русла рек, побудило искать объяс­
нение возможностей существования на этой планете в
прошлом теплого н влажного климата. Одна из выдви­
нутых в связи с этим гипотез сводится к предположе­
нию (подтверждаемому некоторыми косвенными данны­
ми наблюдений) о проявлении в процессе эволюции
Марса длительного периода повышенной интенсивно­
сти — «вспышки» — Солнечной радиации. Очевидно,
что такая «вспышка», если она существовала, должна
была вызвать изменения климата также па Земле и дру­
гих планетах. Это вызывает особый интерес к сравни­
тельной палеоклиматологии (климатам геологического
прошлого) планет.
Богатый материал для исследований в плане сравни­
тельной метеорологии дает изучение облаков и условий
6

их формирования на различных планетах, вклада облач­
ности в формирование парникового эффекта. Неустой­
чивые облака на Марсе и стабильный глобальный об­
лачный покров на Венере представляют собой примеры
резко контрастных ситуаций. Интересно отметить, что
наиболее вероятное предположение о верхней части об­
лаков Венеры, как о состоящей из капель раствора сер­
ной кислоты, побуждает обсудить аналогию с так назы­
ваемым слоем Юнге в земной атмосфере *, основной
компонентой которого являются сульфатные соедине­
ния. Большой интерес представляет изучение роли ядер
конденсации в образовании облаков на различных пла­
нетах.
Данные измерений с AM С «Маринер-9» и «Марс-5»
обнаружили клочковатое распределение озона в марси­
анской атмосфере. Слой озона на Марсе характеризует­
ся нестабильностью и пространственной неоднородно­
стью в отличие от устойчивого земного слоя озона, ко­
торый защищает все живое на Земле от губительного
воздействия жесткой ультрафиолетовой радиации. Вы­
сказанные за последние годы предположения о том, что
массовые полеты сверхзвуковых самолетов в стратосфе­
ре могут частично разрушить слой озона, побуждают с
особым вниманием изучить закономерности образования
и разрушения озона в таких условиях, когда для слоя
озона характерны нестабильность и пространственная
неоднородность.
Специфической особенностью Марса являются дина­
мичные полярные шапки, состоящие из твердой углекис­
лоты (есть основание предполагать, однако, и наличие
«погребенного» на глубинах полярных шапок водяного
льда). Их сезонные вариации вызывают изменения со­
держания углекислого газа в атмосфере и соответствен­
но годовой ход (сезонную изменчивость) атмосферного
давления у поверхности с амплитудой 13—14%.
Пристальное внимание ученых привлекают сейчас
условия атмосферной циркуляции на Юпитере, где сов­
мещаются условия, характерные для звезды (преимуще­
ственно водородный состав атмосферы; наличие внут­
реннего источника тепла, большая роль конвекции (пе­
ремешивания), проявляющаяся в глобальных масшта­
бах) и планеты. Юпитер с его тринадцатью спутниками
1 Слой стратосферного аэрозоля на высотах 15—25 км.

1

представляет собой подобие миниатюрной «солнечной
системы». Но все же мы резонно называем Юпитер пла­
нетой, истому что основной особенностью звезды явля­
ется достижение на некоторой стадии эволюции столь
высокой температуры, при которой может начаться тер­
моядерная реакция. Теоретические расчеты показывают,
что это возможно лишь в случае, если масса небесного
тела примерно в 80 раз превосходит массу Юпитера. У
такого «солнца», лишенного условий для термоядерной
реакции, как Юпитер, величина теплового потока от
внутренних оболочек примерно в миллион раз меньше,
чем эмиссия реального Солнца. Исследования Юпитера
как планеты представляют большой интерес, в частно­
сти, потому, что здесь, как и на Земле, удобно наблю­
дать наглядные проявления погоды, изучая динамику
облачного покрова по изображениям планеты. Начатые
уже давно наземные наблюдения, результаты недавних
наблюдений с AM С «Пионер-10» и «Пионер-11» нагляд­
но продемонстрировали, что в этом отношении Юпитер
представляет собой пример структуры глобального об­
лачного покрова с высокой степенью осесимметричиости
по сравнению с условиями на Земле и с большой устой­
чивостью отдельных элементов этой структуры (Боль­
шое Красное Пятно существует, например, уже по край­
ней мере в течение нескольких столетий). Несомненно,
что изучение планеты-гиганта, которая примерно в 11
раз больше Земли, вращается вокруг своей оси в 2,5 ра­
за быстрее, обладает мощной атмосферой и внутренним
источником тепла, представляет большой интерес в пла­
йе сравнительной метеорологии планет.
Обсуждая конкретные данные, характеризующие
осоосниости погоды и климата на различных планетах,
мы продолжим в дальнейшем рассмотрение различных
аспектов изучения планет, которые представляют инте­
рес с точки зрения более глубокого понимания законо­
мерностей погоды и климата на Земле. Обратимся в
этой связи прежде всего к некоторым сведениям о про­
исхождении и эволюции Солнечной системы и описанию
сравнительных характеристик атмосфер и поверхностей
планет.

Краткие сведения о происхождении
и эволюции Солнечной системы
Как известно, распределение химических элементов
в Солнечной системе не является пространственно одно­
родным.
В табл. 1, составленной в основном по данным аме­
риканских ученых Р. М. Гуди и Д. Уолкера, советских
ученых Г. С. Голицына, В. Н. Жаркова, а также с ис­
пользованием некоторых других сведений, приведены
основные астрономические и физические параметры пла­
нет. Следует подчеркнуть, что быстро развивающиеся
исследования планет вызывают необходимость почти не­
прерывного уточнения содержания таблиц, подобных
этой. Так, например, полученные с АМС «Маринер-10»
изображения поверхности Меркурия обнаружили, что
она очень близко напоминает лунную: обилием крате­
ров, слабой эрозией поверхности и наличием «морей»,
похожих на лунные. Анализ данных инфракрасных из­
мерений, относящихся к дневной и ночной сторонам пла­
неты, привел к выводу, что материал поверхности Мер­
курия также подобен лунному: он имеет малую плот­
ность и, по-видимому, содержит много кремния, но мало
железа. Высокоточные измерения траектории АМС
«Марииер-10» показали, что средняя плотность планеты
составляет 5,5 г/см3 (по сравнению с 3,3 г/см3 для Лу­
мы). Поскольку поверхность Меркурия состоит из лег­
ких материалов, то это означает наличие у планеты тя­
желого ядра, которое, вероятно, содержит много желе­
за, но мало кремния. Таким образом, в отличие от Луны
(ио подобно Земле) Меркурий представляет собой в вы­
сокой степени стратифицированное (расслоенное) небес­
ное тело.
Как видно из табл. 1, по мерс удаления от Солнца
возрастает доля летучих, легко испаряющихся элемен­
тов, и этот факт можно рассматривать как свидетель­
ство в пользу гипотезы о том, что планеты-гиганты и
другие небесные тела во внешней части Солнечной си­
стемы сформировались при более низких температурах,
чем планеты земной группы. Как сейчас принято счи­
тать, Солнечная система образовалась из первоначаль­
ной туманности — гигантского облака, состоявшего из
пыли и газа. Температура в центре этой туманности бы9

_____________

П ланета

их soi ‘etjHifO3
xo аиньохэзвй aaiivad^

1430
2870
4500
5900

кн ‘oKHVed niiHtfsdj

228
778

— ■ЗАЛП

24 600

24 500

58100

RiHgdo xaxuoHdxHSTOxg

>50

26,8
98,0
28,8

3,1

23,5
25,2

0
3

'IZEdj ‘Ed
-OXEHMG ИХЗОЯЭО1ЛП И 1ЧХ
-Hpdo ихэояэоги ноь'мвн

<

88

4330

225
365
687

0,43
10 800
— 0,89 1 30 700
0,53
60200
6,39
90 700

1,02
0,41

1,00

58,7
—2431

яохАэ хнн
-мае ‘винэгпвйуо Гоийэц

0,206
0,007
0,017
0,093
0,048
0,056
0,047
0,009
0,247

яохХэ
хпнкэе ‘еишгоэ хЛ