Почему Венера вращается в обратную сторону: борьба Солнца и плотной атмосферы

Венерианский год заканчивается раньше, чем планета успевает совершить один оборот вокруг оси относительно далёких звёзд. Путь вокруг Солнца занимает у Венеры около 224,7 земных суток, а полный оборот — примерно 243 суток. Более того, планета вращается не в ту сторону, в которую движется по орбите.

Орбитальное движение Венеры ничем не нарушает общий порядок Солнечной системы. Необычно ведёт себя именно её собственное вращение. Причину этой особенности нельзя восстановить по одному наблюдению: современное состояние могло сформироваться за миллиарды лет под действием нескольких противоположно направленных сил.

Что именно у Венеры движется назад

Если смотреть на Солнечную систему с северной стороны плоскости эклиптики, все восемь планет обращаются вокруг Солнца против часовой стрелки. Большинство из них в том же направлении вращаются вокруг собственных осей. Венера, напротив, поворачивается по часовой стрелке.

Такое вращение называют ретроградным, или обратным. Венера не единственное исключение: ретроградно вращается и Уран, ось которого сильно наклонена к плоскости его орбиты. Однако среди планет земной группы — Меркурия, Венеры, Земли и Марса — подобное движение характерно только для Венеры.

Из-за ретроградного вращения Солнце на Венере перемещалось бы по небу с запада на восток. Увидеть его с поверхности напрямую всё равно не удалось бы: планету постоянно закрывают плотные облака.

Период в 243 земных суток обозначает звёздные сутки — время полного оборота относительно удалённых звёзд. Солнечные сутки отсчитывают от одного прохождения Солнца через местный меридиан до следующего. Поскольку Венера вращается навстречу своему орбитальному движению, это занимает около 116,75 земного дня. Следовательно, известный парадокс «сутки длиннее года» относится именно к обороту относительно звёзд.

Вращение обнаружили сквозь облака

Плотная атмосфера столетиями мешала определить скорость вращения Венеры. В обычный телескоп виден почти однородный светлый диск без устойчивых деталей поверхности. Перемещение облаков тоже не могло служить ориентиром: атмосфера движется гораздо быстрее твёрдой оболочки.

Надёжные измерения появились в начале 1960-х годов благодаря радиолокации. На Венеру направляли радиосигнал, проходивший сквозь облачный слой, а затем принимали отражение от поверхности. Из-за эффекта Доплера частота сигнала менялась: один край вращающейся планеты приближался к наблюдателю, другой удалялся. По структуре радиолокационного эха удалось определить направление и примерный период вращения.

Позднее результат уточнили космические аппараты. Особенно подробные данные получил «Магеллан», работавший у Венеры в 1990-1994 годах. Его радиолокатор составил почти глобальную карту поверхности, позволив отслеживать положение одних и тех же деталей рельефа.

Солнце стремится синхронизировать планету

Скорость вращения планеты не остаётся неизменной. На неё действуют крутящие моменты — воздействия, способные ускорять или замедлять вращение. Для Венеры особенно важны приливы, создаваемые солнечным притяжением.

Приливная деформация возникает не только в океанах. Притяжение Солнца слегка вытягивает всю Венеру, включая её каменную оболочку. Горные породы реагируют на воздействие с задержкой, поэтому приливные выпуклости оказываются немного смещены относительно линии, соединяющей центры планеты и Солнца. Притяжение этих выпуклостей создаёт момент, изменяющий вращение.

Часть механической энергии рассеивается в недрах и превращается в тепло. В упрощённом случае такой процесс постепенно приводит планету к приливному захвату — состоянию, при котором период вращения совпадает с периодом обращения по орбите. Тогда к звезде постоянно обращена одна и та же сторона тела.

Для Венеры подобное состояние соответствовало бы прямому вращению с периодом около 224,7 суток. Приливы в твёрдом теле стремятся приблизить её к этому режиму. Следовательно, современное медленное ретроградное вращение должно поддерживаться другим крутящим моментом.

Атмосфера создаёт встречный момент

Давление на поверхности Венеры составляет около 9,2 мегапаскаля — примерно в 90 раз больше земного на уровне моря. Около 96,5 % её атмосферы приходится на углекислый газ. Такая массивная газовая оболочка способна влиять на движение всей планеты.

Солнечные лучи нагревают дневную сторону сильнее ночной. Однако температура и давление меняются не мгновенно: газу требуется время, чтобы нагреться, остыть и переместиться. Из-за этой задержки в атмосфере возникают глобальные волны давления и области с небольшим избытком массы, смещённые относительно направления на Солнце. Это явление называют тепловым атмосферным приливом.

Солнечное притяжение действует на неоднородно распределённую массу атмосферы и создаёт крутящий момент. В условиях современной Венеры он способен противодействовать приливам в твёрдом теле. Движение передаётся между газовой оболочкой и поверхностью через трение, атмосферные волны и взаимодействие потоков с рельефом.

Атмосфера при этом не раскручивает поверхность по принципу турбины. Угловой момент перераспределяется внутри системы, включающей орбитальное движение, атмосферу и твёрдую планету. Направление воздействия зависит не только от скорости ветра, но и от положения областей повышенного давления относительно Солнца.

Облака в верхних слоях атмосферы обходят Венеру приблизительно за четыре земных дня. Такое опережающее движение называется суперротацией. Оно не означает, что вся планета вращается с той же скоростью: твёрдая поверхность совершает оборот примерно за 243 суток. Суперротация лишь показывает, насколько активно атмосфера переносит энергию и угловой момент.

Столкновение остаётся возможным сценарием

Одно из известных объяснений связывает обратное вращение с гигантским столкновением во время формирования планет. Достаточно массивное небесное тело действительно могло изменить угловую скорость Венеры, сильно наклонить её ось или развернуть вращение. Подобные события происходили в молодой Солнечной системе.

Однако столкновение само по себе не объясняет современный период. После удара солнечные приливы продолжали бы воздействовать на планету в течение миллиардов лет. Кроме того, на Венере не обнаружено однозначных следов конкретной катастрофы, по которым можно было бы установить направление и силу удара.

Другой класс моделей описывает изменение наклона оси под влиянием гравитационных возмущений и приливов. В этом случае планета могла прийти к состоянию, которое наблюдается как ретроградное вращение, даже без резкого разворота угловой скорости.

Столкновение и изменение наклона оси не исключаются, но современная динамика Венеры показывает, что её вращение нельзя считать просто сохранившимся результатом далёкого события. Существенную роль должно играть длительное взаимодействие планеты с Солнцем и собственной атмосферой.

Плавный разворот без катастрофы

Один из современных расчётных сценариев допускает настоящий разворот вращения без внешнего удара. Молодая Венера могла первоначально вращаться в прямом направлении и иметь сравнительно тонкую атмосферу. Приливы в твёрдом теле постепенно замедляли её, приближая к синхронному состоянию.

По мере выделения газов из недр атмосфера становилась массивнее, а создаваемый ею тепловой прилив усиливался. При достижении определённого порога прежнее устойчивое состояние разделялось на два новых режима — с более быстрым и более медленным вращением. В динамике такой переход называют бифуркацией.

Если планета попадала на медленную ветвь, её угловая скорость продолжала уменьшаться, могла достичь нуля, а затем изменить знак. Венера начинала вращаться в обратном направлении, причём переход происходил постепенно и не требовал катастрофического события.

Этот сценарий демонстрирует физическую возможность плавного разворота, но не доказывает, что история Венеры развивалась именно так. Результат зависит от времени формирования атмосферы, свойств внутренних слоёв, первоначального наклона оси и эффективности приливного рассеяния.

Почему окончательного ответа пока нет

Первоначальная скорость вращения Венеры неизвестна. Не установлено и то, насколько плотной была её атмосфера в разные эпохи. Механические свойства мантии и ядра также приходится оценивать косвенно, а от них зависит скорость приливной эволюции.

Геологическая летопись ранней Венеры сохранилась плохо. Значительная часть поверхности была изменена вулканическими и тектоническими процессами, поэтому следы событий первых миллиардов лет почти недоступны. Одинаковое современное вращение может получаться в моделях с разными начальными условиями.

Радиолокационные и космические измерения, проведённые в разные годы, дают немного различающиеся значения продолжительности венерианских суток. Расхождения измеряются минутами и могут быть связаны с изменениями атмосферной циркуляции и обменом угловым моментом между атмосферой и поверхностью.

Длительные наблюдения позволят проверить, находится ли нынешнее вращение в устойчивом равновесии или продолжает медленно меняться. Для изучения планет у других звёзд это имеет отдельное значение: плотная атмосфера способна определять не только климат, но и продолжительность и направление планетарных суток.