Астрономія
Астрономія

Астрономи вперше подивилися на атмосферу Венери вночі

Вчені знайшли можливість використати інфрачервоні датчики на борту японського апарата «Akatsuki» так, щоб можна було поспостерігати за циркуляцією венеріанської атмосфери вночі. Так меридіональна циркуляція — рух вітрів з півночі на південь — вночі змінила свій напрям, а пік суперротації — атмосферного феномену планети приходиться на світанок та захід у низьких широтах. Нічну погоду Венери астрономи описали у Nature.

Атмосфера Венери через ультрафіолетовий фільтр в об'єктиві апарата Akatsuki 27 лютого 2017 року. Kevin M. Gill / Wikimedia Commons

Атмосфера Венери через ультрафіолетовий фільтр в об'єктиві апарата Akatsuki 27 лютого 2017 року. Kevin M. Gill / Wikimedia Commons

Який прогноз погоди на Венері?

У Землі і Венери багато спільного. Вони схожі за розміром і масою, в обох є тверда поверхня і щодо обох ми можемо говорити про погоду, адже спостерігаємо рух мас в атмосфері. Венера володіє достатньо товстим шаром атмосфери, що складається в основному з вуглекислого газу і азоту. А на висотах близько 50-70 кілометрів всю її поверхню покривають хмари сірчаної кислоти, які, як вважається, утворюються під впливом Сонця з двоокису сірки, якої багато в атмосфері. Однак, все ж у питанні погоди Венеру порівнювати із Землею складно, бо тут вона — особливий випадок. Завдяки їй у нас з'явився термін «суперротація» або «суперобертання». Він описує те, що поки всій планеті на обертання потрібно 243 земних дні, її атмосфері на повний оберт достатньо всього 92 години. Так глобальний західний вітер зносить хмари на висоті 65-70 кілометрів зі швидкістю близько 100 метрів в секунду. Явище суперротації згодом помітили і в атмосфері супутника Сатурна Титана, і на Юпітері, а також очікують побачити на припливно захоплених екзопланетах, де суперротацію пояснюють результатом сильної денно-нічної теплової взаємодії.

Також у венеріанських хмарах осідає близько половини сонячного потоку, що поглинається планетою, тому вважається, що саме в цій області генеруються сильні теплові припливи. Їх на Венері також звинувачують у появі суперротаціі через посилення вертикальної передачі кутового моменту навколо осі обертання. Втім, структура приливного вітру, яка безпосередньо пов'язана з перенесенням кутового моменту, була охарактеризована тільки для південної полярної області та дослідники проаналізували лише один шар газової оболонки Венери. А отримати зображення інтерферометрам без сонячного світла складно, тож нам мало що відомо про погоду на Венері вночі. Але це необхідно, адже без вимірів на нічній стороні пояснити помітні дрейфи хмар однозначно складно, не маючи даних про всі атмосферні процеси і спираючись лише на властиві Землі ефекти. У своїй роботі вчені розробили спосіб використовувати інфрачервоні датчики на борту орбітального апарату Akatsuki, які допоможуть інтерпретувати подробиці нічної погоди на планеті. За словами вчених, їхній метод модна використати і для вивчення інших планет, у тому числі Марс і газових гігантів. Тим паче, що вивчення венеріанської погоди може полегшити вивчення погодних умов інших землеподібних планет.

Як подивитися на Венеру вночі?

У своїй роботі вченим вдалося відстежувати хмари Венери через теплові інфрачервоні зображення, отримані японським орбітальним апаратом Akatsuki. Він вже 2016 року передав на Землю перші знімки Венери в інфрачервоному діапазоні, на яких детально видно щільні хмари з сірчаної кислоти. Akatsuki «бачить» до висоти близько 65 кілометрів — верхні шари хмар, зображення яких у діапазоні довжин хвиль 8-12 мікрометрів, отримали довгохвильовою інфрачервоною камерою (Longwave Infrared Camera, LIR). Вчені склали послідовність зображень із інтервалом вибірки в одну-дві години у період з 23 грудня 2016 року по 20 січня 2019. Щоб придушити випадковий шум і пов'язані з топографією стаціонарні особливості, присутні на вихідних зображеннях, вчені врахували явище суперротації та виокремили моделі дрейфуючих хмар.

Теплові сигнали хмар на нічній стороні планети, отримані Akatsuki. Imamura et al. / Nature, 2021

Теплові сигнали хмар на нічній стороні планети, отримані Akatsuki. Imamura et al. / Nature, 2021

Вночі передають мінливу хмарність і часом кислотні опади?

Однією з цілей дослідників було перевірити внесок в атмосферні ефекти так званих комірок Гадлі. Це область замкнутої циркуляції повітряних мас, де нагріте біля поверхні екваторіальної зони повітря піднімається і рухається до полюсів, після чого поступово охолоджується і опускається до поверхні планети. На Землі цей елемент циркуляції відповідає за річний ріст температур і більш повільне охолодження повітряних мас при русі до відповідного полюса. Однак на Венері очікуваний нічний спрямований до екватора потік не побачили, а спрямовані до полюса потоки, навпаки, стають очевидними в середніх широтах з дев'ятої ранку до четвертої години вечора за місцевим часом. Їхня максимальна швидкість сягає близько шести метрів на секунду, а екваторіальні потоки аналогічної величини переважають у часовому діапазоні з 17 години до опівночі. Існування полярного потоку на денній стороні і екваторіального потоку на нічній стороні з аналогічними величинами приблизно відповідає припливним моделям. Пік суперротаціі вітру припадає на світанок і на захід на низьких широтах і, згідно зі спостереженнями, сонячний нагрів хмарного шару в умовах суперротації з контрастом день-ніч викликає теплові припливи, які мають висхідні (антисуперротаційні) фазові швидкості щодо фонового вітру.

За словами вчених, спостережувана залежність атмосферних рухів від місцевого часу може служити еталоном для екзопланет, що повільно обертаються, де залежність температури атмосфери від місцевого часу, яка спостерігається в інфрачервоних довжинах хвиль, передбачає суперротацію в атмосфері. Дослідники також розраховують, що дві нові місії з дослідження Венери за допомогою зондів DaVinci+ і Veritas від NASA, а також планований Європейською космічною агенцією запуск EnVision зможуть допомогти доповнити отримані ними дані та дати змогу простежити погоду та клімат Венери й протягом її геологічної історії.

Візуалізація денних і нічних потоків в атмосфері Венери, які зумовлюють суперротацію. JAXA / Imamura et al.

Візуалізація денних і нічних потоків в атмосфері Венери, які зумовлюють суперротацію. JAXA / Imamura et al.