Ab wann sieht man die Venusoberfläche?

Eigentlich wollte ich den heutigen Artikel in die Rubrik „Lösung für ein überflüssiges Problem“ einsortieren, in dem ich für eine Fragestellung eine Lösung suche. Aber da ich selbst nur einen Lösungsvorschlag habe, kann ich das nicht. Daher hoffe ich auch auf reiche Zuschriften und Kommentare, denn vielleicht habe ich einige Aspekte übersehen.

Es geht darum, dass wir zwar Radarbilder der Venusoberfläche haben, aber keine echten Aufnahmen. Die einzigen die es gibt sind die von Venera 9,10,13 und 14 und nur die Letzten beiden zeigen etwas von der Landschaft. Weil diese Sonden aber Fischaugenobjektive hatten, nur am Rand und stark verzerrt. Selbst perspektivisch korrigiert, ist die Landschaft im Hintergrund verschwommen.

Mir schwebt seit Langem eine Venussonde, vor die beim Abstieg die Oberfläche aufnimmt und die Aufnahmen nach der Landung überträgt, plus der Aufnahmen vom Landeort, vielleicht vergleichbar Huygens. Die Frage ist, ab wann sie die Oberfläche klar sieht. Zwar ist es technisch kein Problem die Bilder an Bord zu messen und nur die kontrastreichen zu übertragen, alle anderen sollten keine Details der Oberfläche oder Nebel zeigen, wie die Huygensaufnahmen aus großer Höhe. Aber interessant ist natürlich schon die Frage ob das erst 100 m über der Oberfläche der Fall ist oder in 30 km Höhe, auch um die Aufnahmefrequenz festzulegen.

Kleiner Überblick über die Venusatmosphäre

Die Venusatmosphäre ist mit unsere überhaupt nicht vergleichbar. Sie ist viel dichter (Bodendruck um die 90 bar, also so viel wie in 900 m Meerestiefe oder in einem Raketentriebwerk). Sie besteht aus Kohlendioxid mit nur Spuren anderer Gase und durch den Treibhauseffekt (ja liebe AFD-Wähler den gibt es, und die Erderwärmung wurde zuerst nach Entdeckung des Treibhauseffekts auf der Venus prognostiziert, lange bevor es Untersuchungen des Klimas auf der Erde gab). Ist es an der Oberfläche um die 480 Grad Celsius heiß. Also doppelt so heiß wie in einem Backofen.

Es gibt auch Wolken, und zwar nicht zu knapp. Zwischen 50 und 70 km Höhe liegt eine Wolkenschicht, die so ausgedehnt und dicht ist, dass sie den ganzen Planeten umhüllt. Erst in dieser Höhe herrschen ein Druck und eine Temperatur wie auf der Erde. Ein Paradoxon ist, das sich, obwohl die 1 Bar Grenze in 47 km Höhe befindet, die Dichte darüber rasch abnimmt, sodass Satelliten sich der Venus viel stärker nähern können als der Erde. Pioneer Venus näherte sich regulär bis auf 150 km der Oberfläche, Venus Express sogar bis auf 129,2 km bei besonderen Messkampagnen.

Die Wolken bestehen wie auf der Erde aus einem Aerosol, also kleinen Tröpfchen, die in der Atmosphäre schweben. Bei uns ist es Wasser, bei der Venus, wo schon bei der 1 Bar Grenze eine Temperatur von rund 130°C herrscht, ist es Schwefeldioxid.

Die obere Atmosphäre rotiert, schnell. Die Wolken brauchen nur rund 4 Tage um den ganzen Planeten zu umrunden, das ist vergleichbar den Jetstream in der Erdatmosphäre, aber mit höherer Geschwindigkeit von rund 450 km/h. Die untere Atmosphäre ist zu dicht, um schnell bewegt zu werden. Die Venerasonden maßen an der Oberfläche nur eine Windgeschwindigkeit von maximal einigen Metern pro Sekunde.

Versuch der Annäherung

Das erste Kriterium ist, wann man den Boden sehen kann, ist wann die Atmosphäre „durchsichtig“ wird. Also keine Wolken oder Nebel die Sicht behindern. Die Messungen der Sonden zeigen, dass unterhalb der Wolkenuntergrenze die Zahl der Aerosole, also Tröpfchen stark zurückgeht. Man kann eine Untergrenze benennen: Wo die Atmosphäre die Temperatur erreicht, bei der Schwefeldioxid bei dem gegebenen Druck verdampft, Durch Reduktion kann aus Schwefeldioxid auch molekularer Schwefel entstehen. Er könnte als Staub ebenfalls schweben. Er verdampft bei 388 K. Die Pioneer Venus Sonden maßen unterhalb von 31 km Höhe keine Aerosole. Allerdings hießt das nicht, das es dort keine gibt, sondern nur das die Messgrenze unterschnitten wird. Selbst wenige Aerosole können über eine Strecke von 30 km natürlich die Sicht völlig verschleiern. Die Temperatur von 388 K, bei der Schwefel verdampft, wird aber schon in 43 km Höhe erreicht. Das heißt unterhalb von 31 km Höhe (Temperatur rund 476 K, also 200 °C) sollte die Atmosphäre frei von Aerosolen sein.

Staub

Jeder kennt auf der Erde das Phänomen, das man nach einem Regen, der den Staub aus der Atmosphäre wäscht, weiter sehen kann und auch mehr Details in der Entfernung sieht. Staub gibt es bei uns aus vielen Quellen: Pflanzen emittieren Pollen, Wind wirbelt Staub auf, Menschen emittieren Feinstaub. Auf der Venus gibt es immerhin noch den Wind als Ursache. Auf dem Mars kann der Wind einen globalen Staubsturm verursachen, bei dem man aus dem Orbit fast gar nichts mehr sieht. Dem letzten fiel Opportunity zum Opfer. Aber mit dem Mars ist die Venus nicht zu vergleichen. Für Wind benötigt man Temperaturdifferenzen. Die gibt es kaum auf der Venus. Daneben kann der Wind um so stärker sein, je dünner die Luft – in der Erdatmosphäre herrschen die höchsten Windgeschwindigkeiten in der Stratosphäre. Auch deswegen gibt es auf dem Mars so gerne Staubstüme. Die Venusatmosphäre ist zu dicht am Boden, und daher weitestgehend windstil. Auf der anderen Seite bedeutet die dichte Atmosphäre, dass sich Staub nur langsam absetzt. Bei Den Venera Landesonden war der bei der Landung aufwirbelte Staub noch Minuten nach der Landung nachweisbar.

Duchsichtigkeit

Selbst nach einem Regen kann man zwar weit sehen, aber man sieht, das die Kontraste abnehmen. Der Albaufstieg ist von meinem Wohnort etwa 25 km entfernt. Doch selbst an Tagen mit guter Sicht erkennt man kaum Details. Dabei ist die Atmosphäre am Erdboden etwa 54-mal weniger dicht, als auf der Venus. Es muss offen bleiben, ob dies an den Restschwebstoffen in der Atmosphäre liegt oder anderen Eigenschaften der Atmosphäre. Astronehmen kennen das Phänomen der blinkenden Sterne. Sie entstehen durch kleine Zonen mit unterschiedlicher Temperatur und damit Dichte in der Atmosphäre, die jeweils einen anderen Brechungsindex haben. Turbulenzen können noch mehr Störungen verursachen. Man kann aber davon ausgehen, dass durch die Dichte und den fehlenden oder geringen Temperaturunterschied sowohl regional wie auch vertikal diese Störungen auf der Venus kleiner sind.

Auf der anderen Seite absorbiert jedes Medium Licht. Auf der Erde kommt selbst bei besten Bedingungen 1/3 weniger Strahlung bei der Oberfläche an als im Weltall. Dieses Drittel schluckt die Atmosphäre. Die Venusatmosphäre hat an der Oberfläche eine Dichte von 0,0676 g/cm³. Diese Dichte liegt zwischen der von Wasser (1,0) und der Erdatmosphäre von 0,00124. Eine 1 km dicke Schicht der Venusatmosphäre absorbiert genauso stark wie rund 60 m Wasser oder eine 54 km Strecke auf der Erdoberfläche. Es wäre interessant zu sehen, wie weit man unter Wasser gut sehen kann. Das Problem in natürlichen Gewässern sind natürlich die Fremdpartikel, die es gibt, doch ein eigener Test im Freibad bei Beginn der Badesaison mit frischem filtriertem Wasser ergab, das man auf 50 m Beckenlänge noch gut Kontraste ausmachen kann, aber man das Problem der Abdunklung durch die Lichtabsorption hat. 50 m Wasser entsprechen rund 730 m auf der Venus, wenn man die Masse der Schicht betrachtet. Ich würde in den Absorptionseigenschaften (ohne Aerosole) die Venusatmosphäre irgendwo zwischen Luft und Wasser einsortieren.

Vergleich Titan

Es gibt einen Vergleich, wenn auch nicht ideal, doch nahe an der Venus. Das ist der Titan. Die Atmosphäre hat am Boden immerhin die 4,4-fache Dichte. Ebenso hat der Titan kaum Temperaturvariationen wie die Venus und eine globale Smogschicht. Durch die Huygens Sonde wissen wir etwas mehr über die Atmosphäre von Titan und ab wann man den Boden sieht. Bei Titan ist es so, das unterhalb 80 km Höhe die Aerosole beginnen zu aggregieren. Die Partikel werden größer, aber die Menge nimmt ab. Die Atmosphäre klart auf. Unterhalb von 30 km Höhe verändert sich das Verhältnis nicht mehr.

Durch die Huygens Landemission wissen wir das ab etwa 20 km Entfernung der Boden zu sehen ist. Unterhalb von 13 km Höhe wird die Sicht zwar noch besser aber nur noch marginal. Überträgt man dies auf die Venus und nimmt eine ähnliche Masse der Schicht an, so entsprechen die 13 km bei Titan rund 1 km bei der Venus. Das liegt dann ungefähr bei den 730 m die ich vom „Wasserexperiment“ ermittelt habe. So wäre meine Schätzung, das man etwa 1 km weit scharfe Kontraste sehen kann. Dafür sprechen auch die Veneraaufnamen. Auch wenn sie recht unscharf sind, sieht man am Rand noch Schatten der Landschaft die maximal 2,5 km entfernt sein kann.

Auswirkung auf die Landesonde

Die Frage ab wann man den Boden sieht hat natürlich Auswirkungen auf die Landesonde. Technisch gesehen, ist die Auswirkung nicht einmal sehr groß. Selbst ein wenig leistungsfähiger Prozessor kann ein Bild heute im Bruchteil einer Sekunde auf Kontraste untersuchen und so den Zeitpunkt bestimmen, ab wann man mehr Aufnahmen in einem Intervall machen sollte. Genügend Zeit gibt es. Durch die dichte Atmosphäre fallen selbst Kapseln ohne Fallschirm nur langsam. Die Venera 9 bis 14 landeten mit 7 bis 8 m/s, das sind 25 bis 29 km/h. Für den letzten Kilometer sollten sie so 125 Sekunden brauchen. Genügend Zeit um mehrere Panoramen anzufertigen. Das Hauptproblem ist dann eher das man nur sehr wenig von der Oberfläche sieht. Immerhin: in 1 km Höhe ist der Horizont 110 km entfernt. Das nützt allerdings nichts, wenn natürlich auch bei schräger Sicht man weniger weit als 1 bis 2 km weit scharf sieht. Realistisch dürfte man so eine Zone in einem Kreis von 2-4 km Durchmesser rund um die Landestelle scharf sehen. Das kann etwas mehr sein, wenn die Sonde sich noch mit dem Wind bewegt. Bei den Windgeschwindigkeiten von gemessen 0,5 bis 2 m/s sind das aber auch im besten Fall nur 250 m mehr.

12 thoughts on “Ab wann sieht man die Venusoberfläche?

  1. Sehr interessante und gut verständliche Erklärung der Bedingungen auf der Venus. Was würden den diese Bedingungen für eine bemannte Mission bedeuten? Die man wen man jemals irgendwann auf dem Mars gelandet ist wahrscheinlich als nächstes ins Auge fassen würde. Durch die dicke Atmosphäre wäre ja eine Rein Aerodynamische abbremsung der Landekapsel kein Problem oder? Aber Landekapsel und Unterkumpft müssten ja praktisch U-Boote sein um dem Druck standhalten. Und als Raumanzug brächte man ja eine Art Panzertauchanzug. Um wie viel wäre den der Aufwand größer als eine Mond oder Mars Mission?

    1. Auf der Venus kann man landen aber nicht mehr starten. Wenn der Außendruck so hoch ist wie in einer Brennkammer, dann funktioniert ein Raketentriebwerk schlichtweg nicht mehr. Mal ganz abgesehen von den enormen Verlusten durch Luftwiderstand beim Aufstieg.

      Aber es werden sich sicher einige finden die für eine „Venus one“ Mission sich freiwillig melden ….

      1. Es gibt auch Triebwerke mit weit über 92 Bar Brennkammerdruck (230 Bar beim SSME). Problem wäre wohl eher den Sprit bei 770 Kelvin noch flüssig zu halten, noch dazu in leichten Tanks. Ist aber gar nicht nötig (siehe Beitrag unten) da man die Rückkehrstufe am Luftschiff hängend in der höheren Atmosphäre parken kann. Für den Rückflug würde ich auf nuklearthermische Antriebe setzen da man auf nukleare Energiequellen ohnehin kaum verzichten kann und kaum Venusianer da sein dürften die sich über die Kontamination beschweren.

        SternFuchs*

      2. Die bisherigen Sonden haben auch die Extrembedingungen an der Oberfläche ein paar Stunden lang ausgehalten. Es sollte also im Bereich des Möglichen liegen vom bemannten Luftschiff aus ferngesteuerte Luftfahrzeuge am Boden aufsetzen, Proben sammeln und zum Luftschiff zurückkehren zu lassen. Die Sonden müssten nach jedem Einsatz gewartet und ggf. repariert werden und auch das Einfangen der Sonden dürfte bei den Windbedingungen automatisiert kaum möglich sein. Eine bemannte Exkursion zur Oberfläche ggf. mit EVA im Panzerraumanzug dürfte zwar technisch auch möglich sein, scheint mir aber angesichts des Risikos (noch) nicht praktikabel. Man sollte ohnehin die Grundfunktionen (Entfalten des Luftschiffs, Manöverieren in der oberen Atmosphäre, Probenrückholmission) erstmal in der später bemannbaren Konfiguration unbemannt ausprobieren.

        SternFuchs*

    2. Ich überlege schon seit längerem wie eine bemannte Mission zur Venus praktisch machbar wäre. Bei den Druck- und Temperaturbedingungen an der Oberfläche würde ich die Besatzung – wenn überhaupt – nur kurzzeitig auf die Oberfläche lassen. Die meiste Zeit würde man in einer Art Starrluftschiff (am besten das von Ziolkowski vorgeschlagene und in den 50er Jahren als ZMC-1 realisierte Ganzmetall-Luftschiff mit einer Hülle aus geschäumtem Aluminium) in etwa 50km Höhe verbringen. Für die Ausflüge zur Oberfläche wäre eine Kombination aus Luftschiff, umgedrehten Helikopter/Flugzeug und Uboot einsetzbar. Direkte Ausstiege im „Raumanzug“ würde ich weniger empfehlen (höchstens in höher gelegenen Regionen. Am höchsten Punkt hat’s noch etwa 45 Bar Druck und 380°C). Der Tieftauch-Rekord im Panzertauchanzug liegt bei 2000 Fuß (knapp über 600m) wo zwar auch etwa 60 Bar Druck herrschen, aber weder die Masse des Anzugs noch die Klimatisierung eine große Rolle spielen. Die größeren Probleme sehe ich bei der korrosiven Wirkung der allgegenwärtigen Schwefelsäure und der hohen Windgeschwindigkeit bzw. ungünstigen Kombinationen Wind/Druck. Bei 92 Bar sind auch 5m/s nicht ohne…

      Ich habe übrigens bei Wikipedia unter dem Nutzernamen sternfuchs mal ein Diagramm der Venusatmosphäre eingestellt (Venus (Planet) Diskussion). War den Wikipedianern aber wohl zu komplex mit zu vielen Daten, daher steht im Artikel immer noch ein sehr ungenaues Diagramm.

      SternFuchs*

    3. Eine bemannte Mission müßte im Temperaturbereich <= 30°C bleiben, d.h. oberhalb von 50km Höhe.
      Eine langlebige unbemannte Sonde könnte ggf. als Luftschiff in einem Temperaturbereich von <= 80°C schweben.

      1. Die bisherigen Sonden haben auch die Extrembedingungen an der Oberfläche ein paar Stunden lang ausgehalten. Es sollte also im Bereich des Möglichen liegen vom bemannten Luftschiff aus ferngesteuerte Luftfahrzeuge am Boden aufsetzen, Proben sammeln und zum Luftschiff zurückkehren zu lassen. Die Sonden müssten nach jedem Einsatz gewartet und ggf. repariert werden und auch das Einfangen der Sonden dürfte bei den Windbedingungen automatisiert kaum möglich sein. Eine bemannte Exkursion zur Oberfläche ggf. mit EVA im Panzerraumanzug dürfte zwar technisch auch möglich sein, scheint mir aber angesichts des Risikos (noch) nicht praktikabel. Man sollte ohnehin die Grundfunktionen (Entfalten des Luftschiffs, Manöverieren in der oberen Atmosphäre, Probenrückholmission) erstmal in der später bemannbaren Konfiguration unbemannt ausprobieren.

        SternFuchs*

  2. Auf der Erde kann man mit Infrarot besser durch Dunst sehen als im Sichtbarem Bereich. Ob das auch auf der Venus so ist, ist eine andere Frage. Warscheinlich gibt es aber einen Spektralbereich, in dem die Durchsichtigkeit besser ist als in anderen. Das herauszufinden wäre eine Aufgabe für zukünftige Landesonden.

  3. Landung auf der Venus/Menschen auf der Venus
    Ihr vergesst alle folgende Tatsachen:
    1. Gravitation 90-95% wie auf der Erde.
    Kompletter Mondanzug hat bei 1 atm Druckunterschied und 130 Grad Temperaturunterschied eine Masse von 83 kp
    Venus 89 atm Druckunterschied und 400 Grad Grad Temperaturunterschied bei einer Masse von ? kp

    Wie soll das ein Astronaut tragen?

    1. Wie ein Taucher seinen Panzertauchanzug: Mit einem Auftriebskörper! Bei 92 Bar hat 1m³ Venusatmosphäre etwa 180kg Masse, 1m³ Wasserstoff nur 8 kg. Ein 2-3m³ großer Ballon sollte genug Auftrieb erzeugen um das System tragen zu können. Mir schwebt aber eher eine Art Kapsel wie im Film „2001 – Odysee im Weltraum“ mit von innen gesteuerten Roboterarmen vor. Die Größenordnung dürfte mit Tiefsee-Ubooten vergleichbar sein.

      SternFuchs*

  4. Meine Idee für eine Landesonde auf der Venus wäre:
    – das Hauptproblem ist die Kühlung der Elektronik auf eine akzeptable Arbeitstemperatur von ca. 80°C.
    – die Wand des Körpers der Sonde muß gut isoliert sein.
    – zentral im Körper ist ein Wassertank untergebracht, beim Start auf der Erde ist das Wasser flüssig, während des Transit zur Venus läßt man das Wasser gefrieren, und so weit wie möglich abkühlen.
    – wenn die Sonde sich in der Venusatmosphäre befindet, nutzt man die Wärmekapazität des Eis bzw. des Wassers und die Schmelz- und Verdampfungswärme zum Kühlen der Sonde. Den Dampf kann man für den Antrieb oder die Steuerung nutzen.
    – die Sonde sollte einen schmalen schlauchförmigen Ballon bekommen, durch den der erzeugte Wasserdampf abgelassen wird, so daß er die Sicht nicht behindert. Wenn man diesen Ballon groß genug machen kann, reicht er eventuell zum Schweben (oder zumindest zum Bremsen).

    1. Ich würde eher auf aktive Kühlung (Wärmepumpe) setzen. Akzeptable Arbeitstemperatur ist ca. 350 Kelvin, Außentemperatur liegt zwischen 770 und 650 Kelvin (letzteres am höchsten Punkt der Oberfläche), sollte also machbar sein. Um Wasserstoff zu verflüssigen muss man eine ähnliche Temperaturdifferenz überwinden und moderne Wasserstofftanks im Kfz-Bereich isolieren auch über einen vergleichbaren Zeitraum.

      Ein weiteres Problem sehe ich allerdings auch im Material für die Ballons. Das müsste flexibel sein und entsprechende Temperaturen überstehen. Man müsste auch den Wind berücksichtigen. Bei 92 Bar und 5 m/s würde eine Sonde mit Ballon ganz schön rumgewirbelt. Ich würde das Ding also erst aufblasen wenn ich wieder nach oben will…

      SternFuchs*

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