Японская исследовательская группа выявила гигантскую полосную структуру среди облаков, покрывающих планету Венера, на основе наблюдений с космического корабля Акацуки. Команда также раскрыла происхождение этой структуры с помощью крупномасштабного моделирования климата. Группу возглавлял доцент проекта Хироки Кашимура (Университет Кобе, Высшая школа науки), и эти результаты были опубликованы 9 января в Nature Communications .
Венеру часто называют близнецом Земли из-за их одинакового размера и силы тяжести, но климат на Венере сильно отличается. Венера вращается в направлении, противоположном Земле, и намного медленнее (примерно один оборот за 243 земных дня). Между тем, около 60 км над поверхностью Венеры быстрый восточный ветер окружает планету примерно за 4 земных дня (при 360 км / ч), явление, известное как атмосферная суперротация.
Небо Венеры полностью покрыто густыми облаками серной кислоты, которые расположены на высоте 45-70 км, что затрудняет наблюдение поверхности планеты с помощью наземных телескопов и орбитальных аппаратов, вращающихся вокруг Венеры. Температура поверхности достигает палящих 460 градусов по Цельсию, что является суровой средой для любых наблюдений с помощью входных датчиков. Из-за этих условий, все еще есть много неизвестных относительно атмосферных явлений Венеры.
Чтобы решить загадку атмосферы Венеры, японский космический корабль Акацуки начал свою орбиту Венеры в декабре 2015 года. Одним из приборов наблюдения Акацуки является инфракрасная камера «IR2», которая измеряет длину волны 2 мкм (0,002 мм). Эта камера может фиксировать детальную морфологию облаков нижних уровней облачности, примерно в 50 км от поверхности. Оптические и ультрафиолетовые лучи блокируются верхними облачными слоями, но благодаря инфракрасной технологии постепенно обнаруживаются динамические структуры нижних облаков.
Перед началом миссии Акацуки исследовательская группа разработала программу AFES-Venus для расчета симуляции атмосферы Венеры. На Земле атмосферные явления любого масштаба исследуются и прогнозируются с использованием численного моделирования, начиная с ежедневных прогнозов погоды и сообщений о тайфунах и заканчивая ожидаемыми изменениями климата, вызванными глобальным потеплением. Для Венеры трудность наблюдения делает численное моделирование еще более важным, но эта же проблема также затрудняет подтверждение точности моделирования.
AFES-Venus уже удалось воспроизвести суперротационные ветры и полярные температурные структуры атмосферы Венеры. Используя Earth Simulator, суперкомпьютерную систему, предоставленную Японским агентством по науке и технике морской Земли (JAMSTEC), исследовательская группа создала численное моделирование с высоким пространственным разрешением. Однако из-за низкого качества данных наблюдений до Акацуки было трудно доказать, были ли эти симуляции точными реконструкциями.
В этом исследовании сравнивались подробные данные наблюдений нижних уровней облачности Венеры, полученные с помощью камеры Акацуки IR2, с результатами моделирования высокого разрешения из программы AFES-Venus. Левая часть изображения выше показывает нижние уровни облаков Венеры, снятые камерой IR2. Обратите внимание на почти симметричные гигантские полосы на северном и южном полушариях. Каждая полоса имеет ширину в сотни километров и простирается по диагонали почти на 10000 километров в поперечнике. Этот паттерн был впервые обнаружен камерой IR2, и команда назвала его планетарной структурой в масштабе планеты. Такой масштаб структуры полос никогда не наблюдался на Земле и может быть явлением, уникальным для Венеры. Используя моделирование высокого разрешения AFES-Venus, команда воссоздала схему (правая часть изображения выше).
Затем, посредством детального анализа результатов моделирования AFES-Venus, команда раскрыла происхождение этой гигантской структуры полосы. Ключ к этой структуре — явление, тесно связанное с повседневной погодой Земли: потоки полярных струй. В средних и высоких широтах Земли крупномасштабная динамика ветров (бароклинная нестабильность) формирует внетропические циклоны, миграционные системы высокого давления и полярные струйные потоки. Результаты моделирования показали, что тот же механизм работает в облачных слоях Венеры, что позволяет предположить, что струйные потоки могут образовываться в высоких широтах. В более низких широтах атмосферная волна из-за распределения крупномасштабных потоков и эффекта вращения планет (волна Россби) генерирует большие вихри через экватор до широт 60 градусов в обоих направлениях. Когда струйные потоки добавляются к этому явлению, вихри наклоняются и растягиваются, а зона конвергенции между северным и южным ветрами образует полосу. Ветер север-юг, который выталкивается зоной конвергенции, становится сильным нисходящим потоком, в результате чего образуется полосчатая структура планетарного масштаба. Волна Россби также сочетается с большими атмосферными колебаниями, расположенными над экватором (экваториальная волна Кельвина) на нижних уровнях облаков, сохраняя симметрию между полушариями.
Это исследование выявило структуру гигантских полос в масштабе планеты на нижних уровнях облаков Венеры, воспроизвела эту структуру с помощью моделирования и предположила, что эта структура полос сформирована из двух типов атмосферных колебаний (волн), бароклинной неустойчивости и струйных потоков. Успешное моделирование полосчатой структуры планетарного масштаба, сформированной из множества атмосферных явлений, является доказательством точности моделирования для отдельных явлений, рассчитанных в этом процессе.
До сих пор исследования климата Венеры были в основном сосредоточены на средних расчетах с востока на запад. Этот вывод поднял изучение климата Венеры на новый уровень, на котором возможно обсуждение детальной трехмерной структуры Венеры. Следующий шаг, в сотрудничестве с Акацуки и AFES-Venus, состоит в том, чтобы решить загадку климата Земли-близнеца Венеры, скрытой в густом облаке серной кислоты.
