¿Cuándo se dieron cuenta los científicos planetarios de que la presión en la superficie de Venus era casi 100 veces superior a la de la Tierra? ¿Cómo se enteraron?

Los primeros cascos de las sondas Venera se diseñaron para una presión atmosférica de 25 bar. Los barómetros fueron diseñados para 10 bar. Esto estaba en línea con lo que entonces se suponía que eran las condiciones de la superficie.

En ese momento, se pensó que la temperatura de la superficie de Venus era de aproximadamente 300°C, con una atmósfera compuesta principalmente de dióxido de carbono y nitrógeno a unos 20 bares. En consecuencia, la cápsula fue diseñada para sobrevivir a 300C y 25 bares.

La cápsula también se sometió a pruebas de aceleración de 500 g.

Por cierto, había una gran variedad en las estimaciones de la presión superficial .

En 1967, la mayoría de los astrofísicos de Estados Unidos y Rusia creían que Venus era extremadamente caliente, pero un artículo del MIT de ese año sugirió que el planeta podría estar experimentando una Edad de Hielo. La presión de la superficie en Venus era aún más un juego de adivinanzas científicas en ese momento, con estimaciones publicadas que oscilaban entre 3 y 1000 atmósferas. Esta incertidumbre fue el resultado de la inexactitud de los métodos espectrográficos, que midieron las condiciones en la parte superior de las nubes, y de la incertidumbre sobre la profundidad de la atmósfera y el radio de la superficie dura del planeta. Se creía comúnmente en estimaciones de 10 a 30 atmósferas de presión en la superficie. La presencia de dióxido de carbono era evidente por espectroscopia infrarroja; y antes de Venera-4, se consideraba probable una composición de 15% CO2 y 85% nitrógeno.

Venera 4 fue el primero en obtener datos utilizables durante el descenso, dejó de transmitir cuando la presión alcanzó los 22 bar.

Mariner 5, cuya misión coincidió con Venera 4, encontró una presión superficial de 75-100 bar y temperaturas en torno a los 500 ºC

El 19 de octubre, después de un vuelo de 127 días desde la Tierra, el Mariner 5 voló a 3990 km de Venus, convirtiéndose en la segunda misión exitosa de exploración de Venus en la historia. La nave espacial proporcionó información detallada sobre la presión atmosférica (75-100 atmósferas) y la temperatura (527 ºC) del planeta, y no encontró cinturones de radiación atrapada alrededor de Venus, ya que su campo magnético era solo un 1% más fuerte que el de la Tierra.

Así es como se llegó a los datos finales :

El seguimiento por radio preciso de la nave espacial Mariner 5 ha permitido determinar la distancia desde el centro de Venus de la línea de visión que une la estación de seguimiento y la nave espacial con una incertidumbre de menos de 0,2 km cerca del momento de la ocultación. Los perfiles resultantes de temperatura y presión, cuando se superponen a los datos de Venera 4, indican que la sonda soviética penetró a una distancia radial de unos 6079 km desde el centro de masa de Venus. Si se supone que este es el radio de la superficie sólida de Venus, está en desacuerdo con los resultados de los estudios de radar planetario basados ​​en la Tierra. La extrapolación al radio del radar conduce a modelos atmosféricos que son coherentes con los resultados de la radioastronomía pasiva. Se concluye que la sonda Venera 4 aterrizó en una meseta alta o en una superficie sin ser detectada por el radar,

La misión Mariner realizó un experimento de ocultación de radio para medir el radio de la superficie de Venus y obtener algunos datos atmosféricos.

Con mucho, los resultados más interesantes provinieron de las observaciones de ocultación de radio que sondearon la atmósfera de Venus independientemente de Venera 4. Debido a la densidad de la atmósfera, las transmisiones de banda S solo pudieron sondear hasta un punto a 6.085 kilómetros del centro del planeta o aproximadamente 32 kilómetros sobre el radio de Venus derivado de observaciones de radar basadas en la Tierra. En altitudes más bajas, la atmósfera se vuelve súper refractiva y las señales de radio se desvían alrededor del planeta. Extrapolando a la superficie, se esperaba que la temperatura estuviera entre 377 °C y 527 °C con una presión entre 75 y 100 bares, dependiendo de las suposiciones sobre la cantidad de dióxido de carbono y nitrógeno en la atmósfera. Estos valores superaban con creces lo que Venera 4 había registrado cuando supuestamente estaba cerca de la superficie de Venus. ¿Entonces qué pasó?

Un nuevo examen de las mediciones de los resultados de Venera mostró que los datos del altímetro del radar se habían malinterpretado. En lugar de transmitir datos hasta la superficie, Venera 4 había dejado de transmitir datos a una altitud de 26 kilómetros, ya sea debido a una falla estructural causada por la presión atmosférica más alta de lo esperado o al agotamiento de su batería (que nominalmente tenía a los 100 minutos) por el descenso más largo de lo esperado. Si bien Venera 4 fue la primera nave espacial soviética en llegar a otro planeta en condiciones operativas, no fue la primera nave espacial en transmitir datos desde la superficie de otro planeta. Aunque decepcionantes, las mediciones in situ devueltas por Venera 4 fueron de inmenso valor. Combinando los datos sobre la atmósfera y su composición medidos por Venera 4,

La determinación de que Venus tiene una superficie infernal es un gran ejemplo del trabajo detectivesco científico y su estrecha asociación con los avances tecnológicos que permiten cada vez mejores mediciones.

En 1952, Harold Urey había argumentado que con una densidad atmosférica similar a la de la Tierra (¡postulada, no medida!), su posición orbitando ~0.72 AU desde el sol debería hacer que su temperatura superficial promedio fuera de alrededor de 53 C (326 K, ~127 F) [HC Urey, Sobre la historia química temprana de la Tierra y el origen de la vida, Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los EE. UU., Vol 38 #4, pp.351-363, 15 de abril de 1952]. Otros propusieron temperaturas aún más frías. Informe final de la NASA para la misión Mariner 2 a Venus(¡cuidado, son 360 páginas!) comienza con un resumen de lo que se sabía antes de las observaciones de la misión Mariner 2, afirmando que "los observadores han visualizado a Venus como cualquier cosa, desde una morada húmeda y humeante de criaturas similares al Mesozoico, como las que se encontraron en la Tierra hace millones de años, a un mundo muerto, nocivo y sin sol constantemente devastado por vientos de una fuerza increíble".

La historia de detectives con base científica comienza en la década de 1950 con observaciones radioastronómicas en tierra (¡ el suelo de la Tierra , por supuesto!), donde apuntas una gran antena parabólica a un planeta y mides la intensidad de la energía de radio que el planeta está emitiendo. A menudo se mide no solo en una frecuencia sino en múltiples frecuencias, o en un rango continuo de frecuencias, para obtener un espectro de radio. Si supone que el cuerpo que emite la energía actúa como un cuerpo negro , entonces, si conoce el área proyectada del cuerpo (como se ve a través del radiotelescopio), la intensidad de esa energía a una frecuencia dada se puede traducir al cuerpo negro efectivo. temperatura corporal, llamada temperatura de brillo. El proceso de traducir mediciones a inferencias de otros parámetros físicos se llama reducción de datos., por lo que en la literatura a menudo se ven referencias a "flujos medidos reducidos a temperaturas de brillo". Si tiene datos espectrales cuya dependencia de la longitud de onda es como un espectro de cuerpo negro, puede derivar una temperatura efectiva sin conocer el área proyectada del cuerpo. En la década de 1950, la tecnología de antenas llegó al punto en que podían construir reflectores parabólicos para antenas parabólicas lo suficientemente grandes y los receptores podían ser lo suficientemente sensibles para detectar emisiones de radio de los planetas terrestres. Hoy en día tenemos antenas lo suficientemente grandes y técnicas interferométricas lo suficientemente maduras como para que los observatorios de radio puedan resolver los discos planetarios en muchos píxeles, resolviendo las variabilidades espaciales en los planetas observados, pero en aquel entonces recibías emisiones de radio de todo el lado del planeta que mira hacia la Tierra. de repente; un píxel

Esta fuente proporciona un excelente resumen de las primeras mediciones terrestres y los rompecabezas que plantearon. Junto con el artículo de Wikipedia , proporcionan buenas referencias generales para el tema de esta pregunta y la mayor parte del resumen que sigue.

Mayer, McCullough y Sloanaker realizaron con éxito las primeras observaciones radioastronómicas de Venus en 1956; publicaron informes ese año en las Actas del IRE (Instituto de Ingenieros de Radio; esta publicación se incluyó en las Actas del IEEE en 1962), pero no puedo encontrar el documento en línea. En 1958 publicaron resultados más extensos , incluidos flujos de radio a una longitud de onda de 3,15 cm reducidos a temperaturas de cuerpo negro de alrededor de 600 K. En el apéndice informan de observaciones adicionales a 9,4 cm que dan una temperatura de 740 K, muy cerca de la estimación actual de temperaturas en las tierras bajas de Venus. , que constituyen la mayor parte del planeta.

Esto contrastaba con las mediciones en longitudes de onda milimétricas de AD Kuzmin que mostraban temperaturas de brillo cercanas a los 300K y un espectro que no se parecía en nada a un cuerpo negro. Los científicos idearon dos formas de producir este espectro (¡dos sospechosos principales! ;-): 1) la superficie está caliente, pero en longitudes de onda más cortas la atmósfera se vuelve opaca, por lo que las observaciones en esas longitudes de onda ven radiación desde más arriba en la atmósfera donde es más fresco, no desde la superficie; 2) la superficie es fría, pero los procesos en la ionosfera irradian intensamente en el rango de centímetros y decímetros del espectro de radio, lo que hace que parezca caliente en esas longitudes de onda. Ambos modelos podrían encajar en el espectro, por lo que no se pudo llegar a una conclusión confiable sobre qué modelo era el correcto (cuál sospechoso era el que buscamos). Los espectros ópticos habían indicado la presencia de$CO_2$, por lo que en su tesis doctoral de 1960, Carl Sagan apoyó el modelo de superficie caliente, proponiendo que el$CO_2$El efecto invernadero podría contribuir a las altas temperaturas en la atmósfera inferior y en la superficie. El único punto conflictivo con el modelo de superficie caliente era que para obtener suficiente opacidad atmosférica para hacer que las observaciones de longitud de onda corta fueran 300 K más frías que las observaciones de longitud de onda cm, se requerían presiones atmosféricas en el rango de 20 a 100 atmósferas. En ese momento, los científicos opinaron que ¡La presión de un cuerpo similar a la Tierra no puede ser tan alta!... (... ¿puede?...) por lo que no adoptaron rápidamente la sugerencia de Carl.

Las mediciones radioastronómicas terrestres en 1962-1964 utilizaron platos nuevos y más grandes y nuevas técnicas como la interferometría que permitió una resolución espacial más alta. Estos dieron cierto apoyo al modelo de superficie caliente cuando detectaron el oscurecimiento de las extremidades en Venus a una longitud de onda de ~3 cm (aunque esa fuente se refiere a las estrellas, el concepto de oscurecimiento de las extremidades también se aplica a los planetas y otros cuerpos). Un mes más tarde, la nave espacial Mariner 2, utilizando un instrumento que era esencialmente un radiotelescopio, colocado mucho más cerca de Venus, también midió el oscurecimiento de las extremidades a una longitud de onda de 1,9 cm. Pero un interferómetro basado en tierra de Caltech que operaba a una longitud de onda de 10 cm observó que las extremidades se iluminaban , lo que dejó a los científicos rascándose la cabeza y preguntándose ¿Qué diablos?

(Aparte: en esta época, los científicos comenzaron a hacer observaciones de Venus por radar , utilizando las antenas más grandes de la Red de Espacio Profundo de la NASA y las enormes instalaciones de Arecibo (tanto un radiotelescopio como un radar). Un telescopio de radar transmite una señal muy fuerte al cuerpo objetivo, algo similar a iluminar un objeto con luz láser, y luego recibe y registra la señal reflejada. Poco después, la Universidad de Stanford construyó un telescopio de radar dedicado en las colinas sobre el campus principal. Estos sistemas de radar pudieron comenzar el mapeo de las características de la superficie en Venus, y mida de manera confiable por primera vez la tasa de rotación de Venus).

Los métodos astronómicos de la época habían logrado todo lo que podían hacer con respecto al problema, por lo que esta dicotomía de dos modelos en competencia (dos principales sospechosos) se mantuvo hasta que llegamos allí con mejores instrumentos y técnicas.

Después de Mariner 2, los científicos supieron que resolver el rompecabezas requeriría nuevas técnicas e instrumentos. En Stanford, científicos e ingenieros habían desarrollado el método de ocultación de radio.(¡El Prof. Von R. Eshleman fue mi asesor de doctorado!) para medir perfiles verticales de presión atmosférica y temperatura. Esta técnica implica volar una nave espacial detrás del planeta de destino visto desde la Tierra. Justo cuando una nave espacial comienza a ir detrás del planeta ("inmersión") o cuando sale de detrás del planeta ("emersión"), las señales de radio que viajan entre la nave espacial y la Tierra atraviesan la atmósfera del planeta. La reducción cuidadosa de la fase, el desplazamiento Doppler y la amplitud de las señales resultantes proporciona estos perfiles verticales y más. Las mismas observaciones pueden caracterizar las densidades de electrones en la ionosfera de un planeta y detectar constituyentes radioabsorbentes en la atmósfera neutra.

Mariner 5 realizó un experimento de ocultación de radio en Venus. Resultados preliminares (solo resumen, el artículo completo está detrás de un muro de pago; la referencia completa es: Atmosphere of Venus as Studyed with the Mariner 5 Dual Radio-Frequency Occultation Experiment, G. Fjeldbo, VR Eshleman, Radio Science Vol. 4 #10 pp 879 -897, octubre de 1969 DOI: 10.1029/RS004i010p00879) se concentró en los resultados ionosféricos, pero mostró que a ~35 km de altitud las señales alcanzaron una refracción crítica. La refracción crítica es donde la curvatura refractiva de las trayectorias de los rayos de las señales es tan grande que cualquier señal que viaje horizontalmente a una altitud más baja tiene su radio de curvatura más pequeño que la distancia al centro del planeta, por lo que la señal queda efectivamente atrapada dentro del atmósfera. Entonces, desafortunadamente, el método de ocultación de radio no pudo sondear más profundo que eso. Pero lo que vieron de la reducción de datos preliminares verificó que las temperaturas estaban aumentando con la disminución de la altitud, y la presión a 35 km de altitud ya era alta, casi 10 atmósferas. Esto argumentó fuertemente a favor del modelo de superficie caliente.

En octubre de 1967, el Venera 4 soviético utilizó la técnica de la sonda de entrada atmosférica para medir directamente la temperatura, la presión y la composición de la atmósfera. No fue diseñado para manejar presiones tan altas como las que encontró, por lo que realizó mediciones solo a 26 km de altitud, pero sus resultados fueron consistentes con las mediciones de ocultación de radio Mariner 5: a 26 km de altitud, la temperatura era 262 C (535 K) y la presión 22 atmósferas. También hizo las primeras mediciones directas que mostraban que la atmósfera de Venus estaba abrumadoramente$CO_2$con un pequeño porcentaje de$N_2$y sólo rastros de cualquier otra cosa, en particular agua. tanto$CO_2$genera un poderoso efecto invernadero. La física atmosférica dicta que a medida que desciendes en la troposfera, solo se calentará más y la presión solo aumentará. Los modelos atmosféricos que usaban las ecuaciones del comportamiento atmosférico ahora predecían temperaturas superficiales de 600-800 K y presiones de 90-100 atmósferas, y estos se consideraban confiables: los científicos aceptaron entonces que la superficie de Venus era un buen modelo para Hades.

Esas observaciones establecieron la idea de que la superficie de Venus era como una jungla tropical muy caliente, es decir, el modelo de superficie fría. La hipótesis n.º 1, el modelo de superficie caliente, fue declarada culpable. Fue sentenciado a ser difundido aparentemente sin fin en revistas profesionales, los medios populares, etc.

(Nota histórica: al principio, el equipo de Venera 4 afirmó que habían realizado mediciones hasta la superficie, por lo que los 262 C eran una temperatura superficial. Los científicos e ingenieros no tardaron mucho en darse cuenta de que el radar de la sonda el altímetro había sufrido un alias de altitud , y sus mediciones más profundas eran en realidad de 26 km de altitud).

En 1971, armado con los resultados del Venera 4 soviético además de los resultados del Mariner 5, el equipo del Mariner 5 publicó un artículo más completo. (De nuevo, solo resumen/paywall; referencia completa: La atmósfera neutra de Venus estudiada con los experimentos de ocultación de radio Mariner V G. Fjeldbo, A. Kliore, VR Eshleman, Astronomical Journal Vol. 76 #2 March 1971 DOI: 10.1086/111096 ) A 35 km de altura la temperatura era de 500 K (227 C) y la presión ~9 atmósferas. La extrapolación de sus perfiles a la superficie indicó una temperatura superficial de 775-800 K y una presión de 90 atmósferas (~91 bars), aunque notaron que si la tasa de caída de temperatura observada en la región de 50-35 km de altitud cambiaba por debajo de los 35 km, la la temperatura de la superficie podría ser diferente.

De hecho, esa tasa de caída cambia, y los valores aceptados actuales para la temperatura y la presión promedio en las tierras bajas de Venus son 735 K y 92 bares. Pero las temperaturas y presiones medidas por encima de los 35 km concuerdan bien con las posteriores mediciones in situ y de ocultación de radio. Las mediciones de ocultación de radio resultaron ser muy precisas.

Mi Sourcebook on the Space Sciences de 1965 describe tres modelos vigentes en ese momento para la atmósfera de Venus: los modelos de invernadero, eolosfera e ionosfera. Sin entrar en demasiados detalles, los primeros dos modelos esperaban encontrar una presión de aproximadamente 5 atmósferas en la superficie, y el tercer modelo esperaba alrededor de 1 atmósfera. El libro también menciona el sobrevuelo de la nave espacial Mariner II, que observó un "oscurecimiento de las extremidades" de microondas, es decir, detectó más emisiones de microondas de la superficie de Venus que de la atmósfera, lo que era consistente con los modelos de invernadero y eolosfera de 5 atmósferas, pero no con el modelo de la ionosfera.

Venera 4 falló a unos 26 km de altitud:

La cápsula desplegó su paracaídas a una altitud de unos 52 kilómetros (32 millas) y comenzó a enviar datos sobre la presión, la temperatura y la composición del gas a la Tierra. El control de temperatura mantuvo el interior de la cápsula a -8 °C (18 °F). La temperatura a 52 km se registró en 33 ° C (91 ° F) y la presión en menos de 1 atmósfera estándar (100 kPa). Al final del descenso de 26 km [desde la altitud de despliegue del paracaídas de 52 km], la temperatura alcanzó los 262 °C (504 °F) y la presión aumentó a 22 atmósferas estándar (2200 kPa), y terminó la transmisión de la señal.

Aunque es al menos tan probable que la temperatura del horno haya matado a la sonda como la presión.

El artículo de Wikipedia sobre Venera 4 sugiere que se esperaba una atmósfera más densa para 1967:

las lecturas de presión de la cápsula [22 atm a 26 km de altitud] fueron mucho más bajas que las predichas por los modelos recientemente desarrollados de la atmósfera de Venus [para la superficie de Venus ]

No he podido averiguar nada sobre el desarrollo de modelos de atmósfera entre 1965 y 1967.

Esto es lo que pasó:

El informe Mariner Venus 1967 NASA SP-190 (también aquí ) dice, y estoy acortando seriamente:

El día antes de que el Mariner 5 se encontrara con Venus, la sonda soviética, el Venera 4 descendió a través de la atmósfera en un paracaídas. […] Se realizaron mediciones aproximadas de la composición atmosférica cerca del comienzo del descenso… A partir de estas mediciones, los científicos soviéticos construyeron un modelo atmosférico para una región en la atmósfera que asumieron (sobre la base de una sola medición de radioaltímetro) correspondía a altitudes de 0 a 26 km.

[…] Teniendo en cuenta toda la información disponible, incluidos los resultados del radar y del radiómetro en la región de las microondas, la única suposición defendible parece ser que el radioaltímetro Venera 4 funcionó mal o fue malinterpretado (p. ej., su señal al doble de 26 km se interpretó como un 26 km de altitud), y que la telemetría del Venera 4 no se extendía a la superficie (ref. 2-22). Por lo tanto, las condiciones en la superficie pueden aproximarse por extrapolación. (Ver figuras 2-15 y 2-16.)

[….] Sin embargo, en ausencia de las mediciones de Venera, los resultados del Mariner, que están firmemente asociados con una escala de alcance, podrían haberse extrapolado para dar las condiciones de la superficie con casi la misma precisión con la que ahora se conocen. Si el Mariner 5 no hubiera volado, no se habría sospechado la interpretación errónea original de los datos del Venera, y las teorías resultantes sobre el fondo de la atmósfera obviamente estarían equivocadas.

Tenga en cuenta el signo de interrogación:

De Wikipedia :

La altitud de la sonda Venera en relación con la superficie se midió utilizando un altímetro de radar que funciona a 770 MHz. El altímetro tenía una ambigüedad entera de 30 km: es decir, la misma señal de radar se daría a una altitud de X, X más 30 km, X más 60 km, etc. 7 (efecto conocido como "aliasing"). En ese momento, se desconocía la distancia de las nubes sobre la superficie y, debido a esta ambigüedad, el primer retorno del radar, que ahora se cree que está a una altitud real de unos 55 kilómetros (34 millas), inicialmente se malinterpretó como 26 kilómetros ( 16 millas). Por lo tanto, basándose en los resultados del radar (mal interpretados), el equipo soviético anunció inicialmente que la sonda descendía y terminaba en la superficie de Venus.Este resultado se descartó rápidamente por ser inconsistente con el diámetro planetario medido por el radar, y las lecturas de presión de la cápsula fueron mucho más bajas que las predichas por los modelos desarrollados recientemente de la atmósfera de Venus.

arriba: El plato de Stanford de 150 pies (y la Luna) utilizado para transmitir las señales de doble frecuencia al Mariner 5 para las mediciones de ocultación de radio de su densidad atmosférica. De instartupland.com 1 , 2 , 3 .

¡Hermosa!

Mariner 5 sondeó el espesor de la atmósfera de Venus al recibir señales de radio transmitidas por el plato de 150 pies de diámetro en la Universidad de Stanford. ¡Esto es 1967 y no existía la Red del Espacio Profundo que conocemos hoy!

Las frecuencias armónicamente relacionadas de 49,8 y 423,3 MHz (6,02 y 0,71 metros) se transmitieron desde la Tierra hacia Venus de forma continua, y las pequeñas antenas situadas en los paneles solares del Mariner 5 las recibieron. Esto se llama Experimento de frecuencia dual y luego se llamarían antenas de receptor de frecuencia dual (DFR).

Cuando la nave espacial pasó detrás de Venus (muy a propósito), los haces de radio fueron refractados por la atmósfera de Venus. Cuanto más espesa es la atmósfera, más retrasada es la señal y, debido a que la atmósfera tiene un gradiente, se desvía del planeta.

La refracción se puede expresar como$N$el número de longitudes de onda enteras que se desplaza el haz. La forma más rápida de obtener N es integrar el cambio de frecuencia. Además del cambio doppler normal de los vuelos espaciales, a medida que el haz atraviesa una atmósfera cada vez más espesa, la demora decreciente provoca un cambio "doppler" a una frecuencia más baja. ¡Es este cambio de frecuencia el que se ha utilizado para medir, por primera vez, la densidad extremadamente alta de la atmósfera de Venus en la superficie!

Los resultados se analizan en The Neutral Atmosphere of Venus as Studyed with the Mariner V Radio Occultation Experiments de Gunnar Fjeldbo y Arvydas J. Kliore (JPL) y Von R. Eshleman (Center for Radar Astronomy, Stanford) Ast. J. 76 (2) 1971.

Aquí hay un poco de los datos, donde se puede ver la refractividad$N$¡y la presión alrededor de 10 atmósferas incluso a 32 km!

Si esta imagen de la portada del informe Mariner Venus 1967 NASA SP-190 sigue siendo enorme, significa que imgur todavía no ha solucionado su error (ver: El servicio Stack Imgur todavía no cambia el tamaño de las imágenes correctamente ). Supongo que esto se corregirá pronto.