La determinazione che Venere ha una superficie infernale è un ottimo esempio di lavoro investigativo scientifico e la sua stretta associazione con i progressi tecnologici che consentono misurazioni sempre migliori.
Nel 1952 Harold Urey aveva sostenuto che con un Densità atmosferica simile alla Terra (postulata, non misurata!), La sua posizione in orbita intorno a 0,72 UA dal sole dovrebbe rendere la sua temperatura superficiale media da qualche parte intorno a 53 C (326 K, ~ 127 F) [HC Urey, On the Early Chemical History of the Earth and the Origin of Life, Atti della Nat'l Academy of Sciences degli Stati Uniti, Vol 38 # 4, pp.351-363, 15 aprile 1952]. Altri hanno proposto temperature ancora più fresche. Il rapporto finale della NASA per la missione Mariner 2 su Venere (attenzione, sono 360 pagine!) Inizia con un riepilogo di ciò che era noto prima delle osservazioni della missione Mariner 2, affermando che "Gli osservatori hanno visualizzato Venere come qualsiasi cosa da una dimora umida e fumante di creature simili al Mesozoico, come quelle trovate sulla Terra milioni di anni fa, in un mondo morto, nocivo e senza sole costantemente devastato da venti di forza incredibile. "
La storia poliziesca su base scientifica inizia negli anni '50 con osservazioni radioastronomiche da terra ( Terra da terra, ovviamente!), in cui punti una grande antenna parabolica verso un pianeta e misuri l'intensità dell'energia radio che il pianeta emette. Spesso si misura non solo a una frequenza ma a più frequenze, o una gamma continua di frequenze, per ottenere uno spettro radio. Se presumi che il corpo che emette l'energia agisca come un corpo nero , se conosci l'area proiettata del corpo (vista attraverso il radiotelescopio) l'intensità di quella l'energia a una data frequenza può essere tradotta nell'effettiva temperatura del corpo nero, chiamata temperatura di luminosità . Il processo di traduzione delle misurazioni in inferenze di altri parametri fisici è chiamato riduzione dei dati , quindi in letteratura si vedono spesso riferimenti a "flussi misurati ridotti alle temperature di luminosità". Se disponi di dati spettrali la cui dipendenza dalla lunghezza d'onda è come uno spettro del corpo nero, puoi ricavare una temperatura effettiva senza conoscere l'area proiettata del corpo. Negli anni '50 la tecnologia delle antenne arrivò al punto che potevano costruire riflettori parabolici per antenne paraboliche abbastanza grandi, e i ricevitori potevano essere abbastanza sensibili da rilevare le emissioni radio dai pianeti terrestri. Al giorno d'oggi abbiamo antenne abbastanza grandi e tecniche interoferometriche sufficientemente mature, che i radioosservatori possono risolvere i dischi planetari in molti pixel, risolvendo le variabilità spaziali nei pianeti osservati, ma allora si ricevevano emissioni radio dall'intero lato del pianeta rivolto verso la Terra tutto in una volta; un pixel.
Questa fonte fornisce un eccellente riepilogo delle prime misurazioni a terra e degli enigmi che hanno posto. Insieme all ' articolo di Wikipedia, forniscono buoni riferimenti generali per l'argomento di questa domanda e la maggior parte del riepilogo che segue.
Mayer, McCullough e Sloanaker hanno effettuato le prime osservazioni radioastronomiche di successo di Venere nel 1956; pubblicarono rapporti quell'anno negli Atti dell'IRE (Institute of Radio Engineers; questa pubblicazione fu inclusa negli Atti dell'IEEE nel 1962) ma non riesco a trovare l'articolo stesso online. Nel 1958 pubblicarono più risultati estesi, inclusi flussi radio a una lunghezza d'onda di 3,15 cm ridotti a temperature del corpo nero intorno a 600 K. In appendice riportano osservazioni aggiuntive a 9,4 cm che danno una temperatura di 740 K, molto vicino al stima attuale per le temperature nelle pianure di Venere, che costituiscono la maggior parte del pianeta.
Questo contrastava con le misurazioni a lunghezze d'onda millimetriche di A.D. Kuzmin che mostravano temperature di luminosità vicine a 300K e uno spettro che non assomigliava affatto a un corpo nero. Gli scienziati hanno escogitato due modi per produrre questo spettro (due principali sospetti! ;-): 1) la superficie è calda, ma a lunghezze d'onda più corte l'atmosfera diventa opaca, quindi le osservazioni a quelle lunghezze d'onda vedono la radiazione proveniente dalla parte superiore dell'atmosfera in cui si trova è più fresco, non dalla superficie; 2) la superficie è fredda, ma i processi nella ionosfera si irradiano fortemente nell'intervallo cm-decimetro dello spettro radio, facendola sembrare calda a quelle lunghezze d'onda. Entrambi questi modelli potevano adattarsi allo spettro, quindi non è stato possibile raggiungere una conclusione affidabile su quale modello fosse giusto (quale sospetto era quello che stiamo cercando). Gli spettri ottici avevano indicato la presenza di $ CO_2 $, quindi nella sua dissertazione di dottorato del 1960 Carl Sagan sostenne il modello a superficie calda, proponendo che l'effetto serra $ CO_2 $ potesse contribuire alle alte temperature nella bassa atmosfera e in superficie. L'unico punto critico con il modello a superficie calda era che per ottenere un'opacità atmosferica sufficiente per rendere le osservazioni a lunghezza d'onda corta 300 K più fredde rispetto alle osservazioni di lunghezza d'onda in cm, le pressioni atmosferiche richieste nell'intervallo 20-100 atmosfere. All'epoca gli scienziati ritenevano che la pressione di un corpo simile alla Terra non potesse essere così alta! ... (... può ?? ...) quindi non lo fecero ' t adottare rapidamente il suggerimento di Carl.
Le misurazioni radioastronomiche terrestri nel 1962-1964 utilizzavano piatti nuovi e più grandi e nuove tecniche come l'interferometria che consentivano una risoluzione spaziale più elevata. Questi hanno fornito un certo supporto al modello a superficie calda quando hanno rilevato l ' oscuramento degli arti su Venere a una lunghezza d'onda di ~ 3 cm (sebbene tale fonte si riferisca alle stelle, si applica il concetto di oscuramento degli arti ai pianeti e anche ad altri corpi). Un mese dopo, la sonda Mariner 2, utilizzando uno strumento che era essenzialmente un radiotelescopio, ha appena posizionato molto più vicino a Venere, misurando anche l'oscuramento degli arti a una lunghezza d'onda di 1,9 cm. Ma un interferometro Caltech a terra operante a una lunghezza d'onda di 10 cm ha osservato schiarirsi degli arti , lasciando gli scienziati a grattarsi la testa e chiedersi Che diavolo ???
(A parte: in questo periodo gli scienziati iniziarono a fare osservazioni radar di Venere, utilizzando le più grandi antenne della NASA Deep Space Network e l'enorme struttura di Arecibo (sia una radio che un radar). Un radar il telescopio trasmette un segnale molto forte al corpo bersaglio, in qualche modo simile all'illuminazione di un oggetto con la luce laser, quindi riceve e registra il segnale riflesso. Poco dopo, la Stanford University ha costruito un telescopio radar dedicato sulle colline sopra il campus principale. Questi radar sono stati in grado di iniziare la mappatura delle caratteristiche della superficie su Venere e misurare in modo affidabile per la prima volta la velocità di rotazione di Venere.)
I metodi astronomici del tempo avevano ottenuto tutto ciò che potevano fare riguardo al problema, quindi questa dicotomia di due modelli concorrenti (due principali sospettati) è rimasto fino a quando non ci siamo effettivamente arrivati con strumenti e tecniche migliori.
Dopo che gli scienziati di Mariner 2 hanno capito che risolvere il puzzle avrebbe richiesto nuove tecniche e strumenti. A Stanford, scienziati e ingegneri avevano sviluppato il metodo di occultazione radio (il prof. Von R. Eshleman era il mio dottore di ricerca!) Per misurare i profili verticali della pressione atmosferica e temperatura. Questa tecnica prevede il volo di un veicolo spaziale dietro il pianeta di destinazione visto dalla Terra. Proprio come una navicella spaziale inizia ad andare dietro al pianeta ("immersione") o mentre esce da dietro il pianeta ("emersione"), i segnali radio che viaggiano tra la navicella e la Terra passano attraverso l'atmosfera del pianeta. L'attenta riduzione della fase, lo spostamento Doppler e l'ampiezza dei segnali risultanti forniscono questi profili verticali e altro ancora. Le stesse osservazioni possono caratterizzare le densità di elettroni nella ionosfera di un pianeta e rilevare componenti che assorbono il radio nell'atmosfera neutra.
Il Mariner 5 ha eseguito un esperimento di occultazione radio su Venere. Risultati preliminari (solo abstract, l'intero articolo è dietro un paywall; il riferimento completo è: Atmosphere of Venus as Studied with the Mariner 5 Dual Radio ‐ Frequency Occultation Experiment, G. Fjeldbo, VR Eshleman, Radio Science Vol. 4 # 10 pp 879-897, ottobre 1969 DOI: 10.1029 / RS004i010p00879) si è concentrato sui risultati ionosferici, ma ha mostrato che a ~ 35 km di altitudine i segnali hanno raggiunto rifrazione critica . La rifrazione critica è dove la curva di rifrazione dei percorsi dei raggi dei segnali è così grande che qualsiasi segnale che viaggia orizzontalmente a un'altitudine inferiore ha il suo raggio di curvatura inferiore alla distanza dal centro del pianeta, quindi il segnale è effettivamente intrappolato all'interno del atmosfera. Quindi, sfortunatamente, il metodo di occultazione radio non poteva sondare più a fondo di quello. Ma ciò che hanno fatto dalla riduzione dei dati preliminari ha verificato che le temperature aumentavano al diminuire dell'altitudine e la pressione a 35 km di altitudine era già alta, quasi 10 atmosfere. Ciò è fortemente sostenuto per il modello a superficie calda.
Nell'ottobre 1967 la Venera 4 sovietica ha utilizzato la tecnica della sonda di ingresso atmosferica per misurare direttamente le temperature, le pressioni e la composizione atmosferica. Non era progettato per sopportare pressioni elevate come incontrava, quindi effettuava misurazioni solo fino a 26 km di altitudine, ma i suoi risultati erano coerenti con le misurazioni di radio occultazione Mariner 5: a 26 km di altitudine la temperatura era di 262 C (535 K) e la pressione 22 atmosfere. Ha anche effettuato le prime misurazioni dirette mostrando che l'atmosfera di Venere era in modo schiacciante $ CO_2 $ con una piccola percentuale di $ N_2 $ e solo tracce di qualsiasi altra cosa, in particolare l'acqua. Quel tanto di $ CO_2 $ crea un potente effetto serra. La fisica atmosferica impone che man mano che si scende nella troposfera, diventerà solo più caldo e la pressione aumenterà. I modelli atmosferici che utilizzavano le equazioni del comportamento atmosferico prevedevano ora temperature superficiali di 600-800 K e pressioni di 90-100 atmosfere, e queste sono state considerate affidabili: gli scienziati hanno quindi accettato che la superficie di Venere fosse un buon modello per Ade.
Queste osservazioni hanno messo a tacere l'idea che la superficie di Venere fosse come una giungla tropicale molto calda, cioè il modello di superficie fredda. L'ipotesi n. 1, il modello a superficie calda, è stata condannata. È stato condannato a essere pubblicizzato apparentemente all'infinito su riviste professionali, media popolari, ecc.
(Nota storica: all'inizio il team di Venera 4 ha affermato di aver effettuato misurazioni fino in fondo alla superficie, quindi 262 ° C era una temperatura superficiale. Non ci volle molto perché scienziati e ingegneri scoprissero che l'altimetro radar della sonda aveva sofferto di aliasing dell'altitudine e le sue misurazioni più profonde erano in realtà da 26 km di altitudine.)
Nel 1971, armato dei risultati della Venera 4 sovietica oltre ai risultati del Mariner 5, il team del Mariner 5 pubblicò un documento più completo. (Di nuovo, solo abstract / paywall; riferimento completo: The Neutral Atmosphere of Venus as Studied with the Mariner V Radio Occultation Experiments G. Fjeldbo, A. Kliore, VR Eshleman, Astronomical Journal Vol.76 # 2 marzo 1971 DOI: 10.1086 / 111096 ) A 35 km di altitudine la temperatura era di 500 K (227 C) e la pressione di ~ 9 atmosfere. L'estrapolazione dei loro profili alla superficie indicava una temperatura superficiale di 775-800 K e una pressione di 90 atmosfere (~ 91 bar), sebbene notassero che se il tasso di decadimento della temperatura osservato nella regione di altitudine di 50-35 km cambiava sotto i 35 km il la temperatura superficiale potrebbe essere diversa.
In effetti, il tasso di interruzione cambia e i valori attualmente accettati per la temperatura e la pressione medie nelle pianure di Venere sono 735 K e 92 bar. Ma le temperature e le pressioni misurate sopra i 35 km concordano bene con le successive misurazioni in situ e di radio occultazione. Le misurazioni dell'occultazione radio si sono rivelate molto accurate.