Планетарные значения атмосферы

Атмосфера Нептуна - это, по большей части, водород и гелий с небольшой примесью метана. Синий цвет Нептуна является результатом поглощения красных лучей из солнечного света в атмосфере именно этим газом - как и на Уране. На Нептуне наблюдаются сильнейшие ветры, параллельные экватору планеты, большие бури и вихри. На планете самые быстрые в Солнечной системе ветры, достигающие 700 км/час. Ветры дуют на Нептуне в западном направлении, против вращения планеты. Замечено, что у планет-гигантов скорость потоков и течений в их атмосферах увеличивается с расстоянием от Солнца. Эта закономерность не имеет пока никакого объяснения.

Плутон - самая дальняя и мало изученная планета Солнечной Системы. Атмосфера планеты разреженная и состоит из газообразного метана с возможной примесью инертных газов. Давление на поверхности меньше земного в 7 тысяч раз. Температура на планете в среднем -223°С. Мир Плутона - холодный мир[14].

1.3 Состояние атмосферы планет

Атмосферы планет имеют довольно постоянный состав.

Атмосфера планет, в том числе и Земли, не находится в равновесном состоянии. Покажем, что равновесное состояние атмосферы планеты в принципе невозможно.

В атмосфере планеты содержится 2 3x10 т двуокиси углерода, кроме того, большое количество ее растворено в морской воде. При современном темпе сжигания топлива ежегодно выделяется приблизительно 9 х 10 т двуокиси углерода. Это небольшое количество в сопоставлении с тем, что реакции фотохимического синтеза в мире ежегодно преобразуют 60 х 10 т двуокиси углерода в сложные углеводы и свободный кислород. Основная часть этой двуокиси поступает от дыхания и разложения растений и биологических организмов. Поэтому ясно, что более быстрый рост массы зеленых растений мог бы справиться с возросшим выделением СС - Современные методы ведения сельского хозяйства направлены на увеличение темпа роста массы зеленых растений на единицу земельной площади, и повышенное содержание СС в воздухе может оказать положительное влияние.

В реальной атмосфере планеты меняется с высотой по более сложному закону и, кроме того, зависит от горизонтальных координат.

Поглощаемая атмосферой планеты энергия, преобразуемая во внутреннюю и кинетическую энергию газовой среды, частично излучается в космос в виде ЯК-радиации, обеспечивая в конечном итоге энергетический баланс.

Анализ состава атмосферы планеты Венера был проведен специально сконструированным хроматографом, установленным на космическом корабле Венера. Данные анализа были переданы на Землю.

Показатель преломления атмосферы планеты уменьшается с высотой h над ее поверхностью по закону п п0 - ah при h и / а. Найдите, на какой высоте над поверхностью планеты луч, испущенный горизонтально, будет обходить планету, оставаясь все время на этой высоте.

Показатель преломления атмосферы планеты уменьшается с высотой h над ее поверхностью по закону п-п § - ah при h п / а. Найдите, на какой высоте над поверхностью планеты луч, испущенный горизонтально, будет обходить планету, оставаясь все время на этой высоте[15].

Вскоре после этого атмосфера планеты на некоторое время опять стала мало прозрачной, а затем снова прояснилась. Оказалось, таким образом, что прозрачность атмосферы Марса, вообще крайне разреженной, испытывает быстрые и очень значительные колебания. Поэтому вопрос о природе атмосферы Марса сильно осложнился.

Предполагается, что атмосфера планеты находится в гидростатическом равновесии и что ее газовый состав постоянен с высотой. Оба эти предположения хорошо выполняются в атмосфере Земли, где газовый состав постоянен вплоть до высоты порядка 100 км.

Для большинства моделей атмосфер планет в нижнем слое атмосферы (тропосфере) градиент температуры становится сверхадиабатическим. Поэтому в нижнем слое атмосферы используется условие, что вертикальный градиент температуры не может превосходить радиационно-конвективный градиент.

Читая здесь о великой атмосфере около помянутой планеты, скажет кто: подумать-де можно, что в ней потому и пары восходят, сгущаются: облака, падают дожди, протекают ручьи, собираются в реки, реки втекают в моря, произрастают везде разные прозябения, ими питаются животные. И сие-де, подобно Коперниковой 14 системе, противно-де-закону.

Одной из специфических особенностей атмосферы планеты является ее многокомпонентность и химическая активность атмосферных газов. Проявления турбулентности в однородном потоке и в реагирующем многокомпонентном потоке различны. Изменение плотности, температуры и состава смеси, возникающие из-за наличия химических реакций могут привести к турбулизации течения[16].

В лучистом теплообмене в атмосфере планеты основную роль играют молекулы, способные поглощать излучение в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, причем эффективность поглощения зависит от температуры и давления. Поэтому для расчета тепловых потоков необходимо знать оптические свойства основных компонентов атмосферы и распределение их содержания по высоте, а также высотные профили температуры и давления. Что касается экспериментальных данных об оптических свойствах газов, то, к сожалению, они весьма ограничены, и приходится пользоваться различного рода теоретическими моделями.

В лучистом теплообмене в атмосфере планеты основную роль играют молекулы, способные поглощать излучение в видимом и инфракрасном диапазонах спектра. ИК-излучение поглощают практически все газы тропосферы. При этом такие гомоатомные молекулы, как № 2, не имеют собственных полос поглощения (ПК-переходы являются для них запрещенными), но они могут образовывать так называемые одновременные переходы с трехатомными молекулами типа ОСЬ (частный случай индуцированного спектра поглощения), влиянием которых, однако, обычно можно пренебречь.

На характер теплообмена в атмосфере планеты сильно влияет также облачность, как это имеет место на Земле.

На условном уровне в атмосфере планет, к которому отнесены соответствующие значения температуры.

Общее увеличение концентрации СО₂ в атмосфере планеты часто рассматривают как источник опасности для климата. Поглощение тепловых лучей диоксидом углерода может помешать их отражению от поверхности Земли и привести к общему повышению температуры. Однако данных по этому вопросу нет; иногда указывается, что такой эффект может быть компенсирован уменьшением излучаемого солнцем тепла вследствие увеличения содержания в воздухе пыли и аэрозолей.

Время т и есть время рассеяния атмосферы планеты.

Точность знания характера прохождения  сигнала через атмосферу планеты всегда очень невелика из-за больших неопределенностей, связанных с моделями атмосферы планет.

При входе пилотируемых космических  кораблей в атмосферу планеты с предельно допустимыми сверхкруговыми скоростями необходима большая отрицательная подъемная сила, которая обеспечила бы полет по траектории равновесного планирования во избежание выхода за пределы атмосферы или крутого пикирования в плотные слои атмосферы. Неуправляемый полет в этом случае существенно неустойчив. В результате возникает задача разработки систем управления подъемной силой для стабилизации таких траекторий.

Таким образом, в случае, когда атмосфера планеты поглощает выходящее с ее поверхности излучение, температура планеты в 21 / (или ни 19 %) больше, чем при отсутствии атмосферы. Атмосфера является своеобразным экраном, который возвращает часть излучения обратно на поверхность планеты и тем самым повышает температуру поверхности.

Таким образом, в случае входа в атмосферу планеты беспилотного космического аппарата необходимо обеспечить захват аппарата атмосферой, причем во время снижения не должен быть превышен разумный предел отрицательного ускорения.

Во многих задачах о движении тел в атмосфере планеты модель (0,1) не может быть использована, поскольку при ее применении мы получили бы неверный результат. К таким задачам относятся, движение капли, вход в атмосферу тел малой плотности, спуск на парашюте и др. Здесь необходимо построить более точную математическую модель, учитывающую сопротивление воздуха.

Современными же исследованиями установлено, что в атмосфере планет Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна присутствует метан, хотя никакой органики на этих планетах не было и быть не может. Ученые предполагают, что метан образовался в условиях высоких температур из водорода и углекислого газа, широко распространенных в космосе[17].

Таким образом, в природе существуют системы (атмосферы планет, звезд), к которым понятие термодинамического равновесия заведомо неприменимо, так как для них не выполняется условие механического равновесия, необходимое для всякого термодинамического равновесия.

Подробный анализ траекторий входа  космических летательных аппаратов  в атмосферу планет приведен в работах В.А. Ярошевского (1964 - 1965), где используется безразмерное нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка, связывающее высоту и скорость полета.

Летательный аппарат на второй космической  скорости врезается в атмосферу планеты. Передние кромки крыльев мгновенно раскаляются до тысячеградусной температуры и начинают оплавляться, тогда, как боковые поверхности остаются чуть теплыми. Вспомните про метеориты, снаружи опаленные страшным жаром, а внутри сохранившие ледяной холод, замораживающий воду. Такая резкая разность температур может привести к трещинам и полному разрушению. Это нередко и случается с метеоритами. Но достаточно выложить внутреннюю поверхность крыла пористым материалом и смочить его жидкостью, как мы перестанем опасаться термических ударов и трещин и избавимся от перегрева: тепло будет теперь быстро улетучиваться через всю поверхность крыла, а не только через острую кромку.

Для традиционной химической энергетики характерны постоянные выбросы в атмосферу планеты водяного пара и углекислого газа, сернистых, азотных и других газообразных соединений, аэрозолей (дым) и других веществ, которые не только загрязняют атмосферу и природные водоемы, но и, по-видимому, уже сегодня оказывают влияние на климат Земли, что проявляется в глобальном его потеплении. При сжигании твердого органического топлива возникают огромные количества зол и шлаков, содержание радиоактивных примесей в которых намного превышает естественный уровень. Все эти постоянно действующие на людей физические и химические факторы могут привести к снижению здоровья и сокращению продолжительности жизни населения Земли[18].

Для определения истинного значения величины % о в атмосфере планеты нужно более точно знать ее газовый состав. Пока же при существующем положении дел необходимо признать, что градиент температуры в нижней части Венеры близок или равен адиабатическому.

Понятно, что гораздо более точную информацию о характеристиках атмосферы планеты можно получить от зонда, непосредственно измеряющего атмосферные параметры, если удастся преодолеть проблемы, связанные со входом зонда в атмосферу планеты и с передачей телеметрических данных через атмосферу, как это было сделано в случае полета советской автоматической станции Венера-4.

Для движения космического летательного аппарата на участке входа в атмосферу планеты характерно появление больших аэродинамических перегрузок и тепловых потоков, действующих на аппарат.

Солнечная постоянная представляет собой энергетическую освещенность, создаваемую Солнцем вне атмосферы планеты при среднем ее удалении от Солнца, на плоскости, нормальной к распространению лучей.

Кроме того, значительно расширился диапазон исследований венерианского грунта и атмосферы планеты.

Кинетическая теория газов позволяет  утверждать (Джине), что в атмосфере планеты не могут удержаться легкие газы, для которых средняя скорость теплового движения молекул превосходит в пять раз скорость убегания ( параболическую или критическую скорость) на поверхности этой планеты. На Марсе скорость убегания примерно вдвое меньше, чем на Земле, и равна 5 км / с. Поэтому водород и гелий не могут сохраняться в атмосфере Марса.

Поскольку, в конечном счете, все системы стремятся к равновесному состоянию, то атмосфера планет постепенно рассеивается.

Зависимость температуры от высоты над поверхностью Венеры.

Есть данные по основным радиофизическим исследованиям межпланетной плазмы и атмосферам планет, выполненным методом радиопросвечивания с использованием радиоизлучения отечественных ДКА и наземных КИС.

Такое явление особенно характерно для летательных аппаратов, стартующих или опускающихся в атмосферах планет. Стремление получить максимальное аэродинамическое качество заставляет в момент взлета создавать наибольшую подъемную силу, в том числе за счет составляющих илы тяги управляющих двигателей либо путем поворота сопла основных (маршевых) двигателей. При этом в течение некоторого промежутка времени оперение (крыло) может испытывать наибольшее воздействие от газовых струй. В неблагоприятных условиях не исключается потеря устойчивости аппарата. Из сказанного следует важность достаточно точной оценки изменения коэффициента подъемной силы несущей поверхности от воздействия струй.

И все-таки были сделаны попытки воспроизвести условия добиологической Земли, но уже не атмосферы планеты, а ее почвы. Извержения вулканов, несомненно, одна из древнейших форм деятельности сил неживой природы; почва в зонах их действия не только богата всевозможными соединениями, осадками и растворами, но нагрета, причем температура отдельных участков земли, примыкающих к вулкану, могут изменяться в широких пределах. Фокс высказал мнение, что аминокислоты, так легко образующиеся под влиянием различных факторов, могли превращаться в полипептиды в нагретых вулканических почвах и таким образом дать начало процессу синтеза белковоподобных веществ[19].