Меню странички:

		Венера и Venus Express

		Полет над облачным миром Венеры — VEs

		Морфология и динамика верхних облачных слоев Венеры


		Перейти на страницу 1 2 3 4
		

Венера и Venus Express

     Венера — планета, наиболее близкая к Земле не только в плане расстояний, но и также по другим физическим характеристикам, то есть по массе, радиусу, плотности и химическому составу. Все же, мягкий климат Земли взрастил жизнь, а Венера — это адское место — ее поверхность горячая и сухая, ее сокрушительная атмосфера, состоящая из углекислого газа пропитана облаками серной кислоты. Что же на Венере пошло не так, как надо?
     Аппарат Venus Express Европейского Космического Агенства был запущен в начале ноября 2005 для исследования некоторых больших проблем. Куда делать вода на Венере, какова ее история? Какая погода на венере, и как она отличается от земной? Что скажет более точный анализ состава атмосферы Венеры? Начнем с вопроса воды. Самое распрастраненное на Земле вещество (океаны Земли в 300 раз более массивны чем атмосфера), вода, присутствует на Венере только в крошечных количествах и сосредоточена она в основном в атмосфере, в виде пара или в виде серно-кислотных облаков. Нет никаких океанов: поверхностная температура Венеры приблизительно 730 Кельвинов (457°C) означает, что вода не может там существовать в виде жидкости. Два других вещества, азот и CO₂, являются главными газами на Венере, причем углекисный газ — 96,5% от общей массы атмосферы. Давление при этом около поверхности достигает 92 атмосфер, на Земле такое давление можно найти на дне океана, а углекислый газ растворен в воде.
     Венера близка к Земле и эти две планеты имели одинаковые стартовые условия. Венера, наверное, когда то могла иметь водные океаны, но так или иначе сейчас она их потеряла. Если Землю придвинуть поближе к Солнцу, температура ее океанов повысилась бы, и испарение воды происходило бы в больших объемах, тем самым еще больше увеличивая температуру планеты. В некоторый момент это вылилось бы в безудержный парниковый эффект, с выпаренными океанами и всей водой в атмосфере. Возможно это и случилось на Венере. Вероятно атмосфера планеты поначалу и состояла из водяного пара, но со временем под действием солнечного света он распался на кислород и водород. Водород, будучи очень легким веществом улетучился в космическое пространство, в то время как более тяжелый кислород опустился к поверхности и окислил кору планеты. Обычный водород улетучился быстрее чем его более тежелый изотоп — дейтерий, и как раз он и свидетельствует за ту огромную потерю воды, что произошла на Венере в прошлом. Дейтерия на Венере в 100 — 150 раз больше чем на Земле. Первое измерение этого соотношения базировалось на капельках серной кислоты, и было проведено с помощью масс спектрометра на борту миссии Pioneer, запущенного в 1978. Инструменты Venus Express теперь подтвердили эту оценку.
     Механизм улетучивания продолжает действовать и в наши дни. Сейчас в этот процесс вовлечен солнечный ветер — поток заряженных частиц, идущий от Солнца, который выбивает атомы и ионы из атмосферы. Но детали, полученные в процессе иссследований, пока что достаточно противоречивы. Венера не имеет никакого заметного внутреннего магнитного поля, так что солнечный ветер прямо взаимодействует с ее верхним слоем — ионосферой, состоящей из электрически заряженных частиц. Анализатор плазмы показал, что положительно заряженный водород и ионы кислорода убегают от планеты с более высокими скоростями чем нейтральные атомы. В результате водород и кислород теряется в пропорции 2:1, (такая же пропорция в молекуле воды).
     Экстремальные погодные условия на Венере сохраняют доминирование CO₂ в атмосфере планеты, тем самым предлагая нам несколько контрастов с Землей. Большая масса атмосферы Венеры должна хранить и распределять высокую температуру более эффективно, чем это происходит на Земле, при этом температурные различия должны быть намного меньшими. Исследования Pioneer были хорошим подтверждением. Программа радиозатенений Venus Express, при которой космический корабль пропускает радиосигнал через атмосферу для измерения ее температуры позволит проверить эти данные. Удивительным результатом стало то, что температурные различия дневного и ночного времени колеблются в пределах 30 и 40 К в высотном диапазоне 55 — 60 км, в пределах облачного слоя Венеры. Тепла, полученного от солнечного света недостаточно, для подъема температуры на 30 — 40 К в течении дня. Огромные нисходящие потоки могли бы нагреть воздух сжатием, но тогда они должны быть более быстрыми чем любые подобные потоки глобального масштаба на Земле. Еще одно возможное объяснение состоит в том, что облака и газ в атмосфере при исследованиях частично поглощали радиосигнал, вызывая ошибку в полученых данных.
     Тем не менее, чем быстрее должны быть на Венере ветра, тем меньше температурные различия. Скорости ветров относительно поверхности планеты измерены, а сама венера — медленно вращающееся тело (вокруг своей оси за 243 земных дня, световой день Венеры — 117). На верхнем уровне облаков, на высоте 70 км, скорость ветра приближается к показателю в 100 метров в секунду (ураганные скорости). Venus Express подтвердил расчетные данные, отслеживая облака и обнаружил ультрафиолетовые поглотители. Есть на Венере одна особенность, которую она разделяет с Землей и многими другими планетами — это присутствие больших полярных вихрей. Полярный вихрь на Венере окружен холодным кольцом, внутри которого присутствует любопытное образование имеющее форму диполя. Дипольный вихрь на 10 Кельвинов теплее окружающей среды. И вновь, такую разницу в температурах невозможно объяснить нагревом только от Солнца. Сжимающий эффект от интенсивных нисходящих потоков — одно из возможных объяснений. Циркуляция Hadley — система состоящая из горячего воздуха идущего с низких широт и холодного воздуха от полюсов, с потоками на более глубоких уровнях. На Венере экватор более теплый, чем полюса, на высотах более 65 км. Это поддерживает циркуляцию Hadley.
     Поскольку сама Венера вращается очень медленно, ее атмосфера создает собственное вращение. Направление вращения такое же как и у планеты, в противоположную сторону относительно орбитального движения. Влияние Солнца растер с увеличением высоты, где атмосфера становится разряженнее и меньшее количество поглощаемой энергии может дать большее изменение температуры. На высотах более 90 км, распрастранение тепла происходит при перемещении атмосферных потоков с дневной стороны на ночную. Доказательства такой дневной-ночной циркуляции поступают от соединений оксида азота, углесислого газа и кислорода, которые образуются на дневной стороне и перемещаются на ночную сторону, и от соединений HF, HCl (хлорид водорода), которые разрушаются на дневной стороне и перемещаются в виде химических побочных продуктов на ночную сторону.
     Очень интересный момент в сравнении атмосфер Земли и Венеры касается молний: их не должно быть на Венере, так как там облака — это смог, который не производит молний. И действительно, нет четких видимых вспышек ни на дневной ни на ночной стороне планеты. Однако Venus Express зарегистрировал низкочастотные электромагнитные волны длительностью доли секунды, как полагают они могут образовываться от электрических разрядов. Таким образом доказательства электрических бурь на Венере, противоречат друг другу. Их существование просто удивительно, но, возможно, мы просто не знаем всех путей образования электрических разрядов в атмосферах планет.
     У аппарата Venus Express достаточно топлива для нормального функционирования до 2013 года. К тому же в 2011 году к Venus Express присоединится японский аппарат Planet-C, который так же будет исследовать атмосферу Венеры. Другие будущие миссии могут использовать шаря для измерения скорости ветра, концентрации газов и их изотопов. Если когда нибудь люди смогут следить за атмосферными процессами на Венере так же как и на Земле, мы сможем понять погоду планеты в целом.

Полет над облачным миром Венеры — VEs

     20 апреля 2006, после первой 9-дневной вытянутой орбиты вокруг Венеры аппарат Venus Express ESA начал приближаться к планете пока не достиг финальной 24-часовой орбиты 7 мая 2006. Начиная с этого времени и до сегодняшнего дня, космический аппарат непрерывно передает новые данные, которые указывают на планетарные особенности никогда не регистрируемые ранее. Начало работы было положено обнаружением двойного вихря на Южном полюсе Венеры. Инфракрасные изображения, полученные спектрометром (VIRTIS) космического аппарата, не только обеспечили первые ясные представления воронки, но и дали более четкое представление процессов зарегистрированных на Южном полюсе в мае 2006 года.

     VIRTIS — это инструмент, работающий в разных длинах волн. Различные длины волн инфракрасного диапазона обеспечивают обзор венерианской атмосферы на разных высотах от поверхности планеты. Когда ученые провели наблюдения гигантской воронки Венеры по глубине от верхнего слоя атмосферы, они поняли, что форма воронки меняется в зависимости от высоты. Эти обзоры показали различные структуры одного и того же природного явления Венеры. Новые данные, полученные аппаратом, указывают даже на более сильные различия.
     Причина, по которой морфология вихря изменяется по высоте так быстро, все еще остается необъяснимой. Ученые решили уделить этой загадке больше времени. С помощью спектрометра VIRTIS ученые начали строить трехмерное представление вихря, для того чтобы лучше понимать те движущие силы, которые формируют это атмосферное образование.
     При близком облете Венеры аппарат Venus Express выявил много других не менее интересных деталей плотной атмосферы. Аппарат, используя камеру VMC и спектрометр VIRTIS, начал контролировать системы облаков (отслеживать их сложную динамику), в то время как SpicaV/SOIR спектрометры начали получать информацию относительно атмосферной химии и температуры.

     Ультрафиолетовые изображения камеры VMC показывают сложную морфологическую структуру облаков. Наличие волнообразных облаков указывает на локальные изменения температуры и давления, или на действие приливных сил. Одно из наиболее важных открытий полученных из первого массива данных — обнаружение так называемых «УФ-поглотителей» в верхнем слое облаков (темные особенности на мозаичном изображении с VMC камеры). Свое название они получили, так как они поглощают почти половину солнечной энергии. Вещество, которое вызывает это поглощение, представляет загадку для ученых.
     По словам Wojciech J. Markiewicz (Институт имени Планка, Германия) изучение этого вещества является одной из главных целей миссии Venus Express, для понимания теплового баланса планеты и атмосферной динамики. В данный же момент аппарат Venus Express под управлением ученых начал прослеживать движение облаков и скорость ветра.
     Это ночное инфракрасное изображение от спектрометра VIRTIS охватывает область расположенную между 20° и 90° юг, показывает облака движимые ветрами. Определение скорости ветра.
     Теперь ученые в состоянии сделать первую качественную оценку динамики атмосферы в соответствии с предыдущими измерениями, полученными от аппарата Galileo при облете Северного полюса Венеры. Ученые начали сбор информации относительно незначительных химических компонентов атмосферы и данных по химии низких атмосферных слоев, для построения глобальной картины.
     Данные, спектрометра SpicaV, застали ученых врасплох. Известно, что облачный слой на Венере — приблизительно 20 км толщиной и доходит до 65-километровой высоты. Первые измерения («затенение») спектрометра показали, что на ночной стороне Венеры облачный слой достигает высоты в 90-км в виде непрозрачного тумана, и затем доходит до 105 км как более прозрачный туман. «Затенение» — техника, которая позволяет определить состав атмосферы планеты, просматривая ночную сторону планеты. Ученые были поражены тем, что туман на Венере может доходить до таких высот. Явление тумана может быть вызвано наличием ледяных кристалликов, но еще пока слишком рано исключать другие объяснения.

     Теперь ученые с помощью спектрометра SOIR будут пытаться обнаружить тяжелую воду, и ее процент относительно нормальной воды, для определения количества воды существовавшей в прошлом планеты. Количество водяного пара в настоящее время в атмосфере Венеры было бы достаточно, чтобы охватить планету жидким 3-х сантиметровым слоем. Если выяснится, что тяжелая вода — след первоначальной воды — распространена в широком масштабе в верхних слоях атмосферы, то возможно в прошлом слой воды достигал нескольких сотен метров.
     Другой инструмент аппарата Venus Express — ASPERA обнаружил массивное улетучивание кислорода из атмосферы Венеры. Это подтверждает сильное взаимодействие между солнечной окружающей средой и атмосферой Венеры, так как планета не имеет магнитного поля, для защиты от солнечного ветра. Изучение такого взаимодействия обеспечит понимание влияния солнечного ветра на климат Венеры по геологическим масштабам времени планеты.
     Данные ASPERA. Ось Х — различные ионы, ось У — энергия обнаруженных ионов. Белые линии — различные массы ионов. Левая — солнечный ветер, правая — массовое улетучивание кислорода.
     4 июля 2006 дата когда аппарат Venus Express вступил в полную эксплуатационную стадию своей научной миссии. Почти вся аппаратура на борту аппарата работает нормально, но планетарный спектрометр Фурье PFS работает со сбоями, в данный момент спектрометр заблокирован. По сообщения из ESA другие инструменты аппарата Venus Express перекроют некоторые цели PFS спектрометра. PFS разработан для измерений поверхностной температуры, и поиска вулканической деятельности.

Морфология и динамика верхних облачных слоев Венеры

Венера полностью охвачена толстым слоем облаков, причем верхняя их часть состоит из капелек серной кислоты и некоторого пока неизвестного аэрозоля. Верхний слой облаков испытывает сильное ретроградное вращение (супервращение), но причины ответственные за такие проявления природы Венеры пока неизвестны. Эти данные были получены при наблюдениях за Венерой с помощью Venus Monitoring Camera с борта Venus Express. Ученые исследуя глобальные и менее масштабные облачные структуры, их временные и широтные изменения, получают скорость ветра. Южная полярная область является очень переменной и может претерпевать масштабные драматические изменения, причинами которых возможно являются выбросы SO2 в мезосферу. Конвективные ячейки, ограниченные верхним слоем облаков, в близких к Солнцу уровнях оказались намного меньшими по размеру, чем это предполагалось ранее.
     Орбитальный аппарат Venus Express обеспечил возможность просмотра геометрии нижних уровней Южного полюса и получил обзоры крупного плана с высоким разрешением Северного полушария. Рисунок показывает глобальные виды Южного полушария, полученные в ультрафиолетовом диапазоне с помощью Venus Monitoring Camera (VMC) на расстоянии в 40 000 — 60 000 км. Яркая средняя область отделяет более темные нижние широты от полярных областей, в которых глобальные облачные образования спирально закручиваются к полюсу. Полярный вихрь, первоначально обнаруженный в тепловом инфракрасном диапазоне, теперь замечен VMC в виде темной овальной особенности в ультрафиолетовом диапазоне. Облачная высокоширотная структура очень напоминает структуру земных ураганов, но на Венере полярный вихрь превосходит его земные аналоги в 3 — 4 раза! В более низких широтах облачная морфология «пятнистая», что указывает на энергетическую конвекцию (передача энергии путем перемешивания в больших объемах).

     11 апреля 2006, космический корабль Venus Express был выведен на малую полярную орбиту вокруг Венеры с 24 часовым периодом. Миссия предназначалась для глобального исследования атмосферы Венеры большим набором инструментов, включая VMC, которая является широкоугольной цифровой камерой, предназначенной для исследования морфологии облаков и динамики видимых слоев. VMC может получать изображение в четырех спектрах излучения, Уф диапазон (365 нм), видимый диапазон (513 нм), почти инфракрасный диапазон (965 и 1010 нм) с пространственным разрешением от 50 до 200 км на пиксель. Ультрафиолетовый диапазон сосредоточен на изучении неизвестного УФ поглотителя, для которого предназначены максимальные наблюдения. Это изображение показывает Венеру в ультрафиолетовом диапазоне. Южный полюс расположился на линии терминатора в нижней части обзора. Супервращение происходит против часовой стрелки. Все пять изображений откорректированы под углом освещения Солнца, для лучшего просмотра области терминатора. Изображения А — С получены с разных орбит — 67 (А), 68 (B), 70 (C). Период супервращения изменяется в пределах трех — пяти дней, в зависимости от широты. Быстрое изменение полярных образований из дня в день очевидно. Чрезвычайный характер таких изменений показан на изображении D: яркий туман, расположившийся выше уровня поглощающих облаков, распространился до 35 °S. Ближе к своей границе он стал более плотным, скрыв от внешнего наблюдателя все особенности, кроме самых заметных (темный овал полюса). Временные изменения в полярных областях Венеры были зарегистрированы еще Pioneer Venus Orbiter облачным фотополяриметром OCPP. Временные изменения происходили в течении одного дня в полярных областях. Изображение E было получено при увеличении дальности орбиты аппарата и оно показывает полный обзор южного полушария от экватора до полюса.
     Ученые определили, что антарктическая область является очень переменчивой. Примером могул служить изображения 1а — с, полученные с трех последовательных орбит. Они показывают существенные изменения в полярных облаках в течении одного дня или даже меньше. Наблюдаемые изменения — проявления глобальных атмосферных движений и изменений в свойствах яркого надоблачного тумана. 13 января 2007 (орбита 267) VMC наблюдал драматическое изменение типа 1d. В течение нескольких дней, с 9 по 13 января, яркость южной полярной области увеличилась примерно до 30%. Яркий полярный туман, граница которого обычно расположена в 55 °S, расширился до 35 °S. Темные полосы, практически всегда наблюдаемые в полярной области, почти исчезли, указывая на то, что туман стал полностью непрозрачным. Контрастные полярные особенности стали вновь появляться только через сутки. Процессы роста и распространения сернистых кислотных частиц, смешивания и выпадения в виде осадка занимают по времени до нескольких месяцев в этих высотах, так что произошедшее событие кажется неуместным. Гомогенные частицы могут привести к быстрому формированию большого количества новых частиц с размером в диапазоне микрометра (r 0,1 m), обеспечивая высокую супернасыщенность ( 10 — 100). В случае с Венерой (с верхним уровнем атмосферы), это подразумевает, либо резкое охлаждение либо резкое увеличение количества молекул SO₂ в этом регионе. Оба механизма подразумевают некоторые изменения в динамическом режиме высоких и средних широт. Последующую отчистку можно объяснить быстрым уменьшением непрозрачности тумана из-за коагуляции (сближения и укрупнения частиц), что эффективно уменьшило число частиц. Процесс коагуляции занял по времени tcoag 2/Kn, где n — плотность, а К — коагуляционное ядро. Для броуновской коагуляции (наличие хаотичных тепловых частиц, турбуленции) K 10 — 9 см³/с. VMC наблюдала отчистку полярных областей в течении одного дня (10⁵ сек), это указывает на то, что плотность аэрозоля в тумане — n — 10⁴ см³. Наблюдения VMC показывают, что во время пика 13 января 2007 верхний туман закрыл верхние облака, что подразумевает непрозрачность 1. Можно также оценить геометрическую толщину H верхнего слоя тумана. Непрозрачность — pi·r²·Q·n·H, где Q приблизительно 2. используя ранее полученные результаты, получаем H — 2 километра. Полученный результат кажется правдоподобным.
     Отслеживание движения ультрафиолетовых маркеров обычно использовалось в более ранних наблюдениях, для определения скорости ветра в облачном уровне на высоте 70 км. Наблюдения VMC имеют гораздо больше преимуществ перед ранними наблюдениями. Наблюдения VMC имеют большую продолжительность (до 8 часов). Во вторых, орбита Venus Express позволила VMC прослеживать ветра в средних и высоких широтах, которые были почти недоступны ранним миссиям. Рисунок показывает предварительные результаты исследований зональных ветров с орбит 263 — 267.

     Широкий профиль восточно-западного компонента (отрицательный признак, подразумевающий тот же смысл, что и вращение твердой поверхности планеты) движения облаков, получен от цифрового прослеживания особенностей инструментом VMC с орбит 263 — 267 (линия и штриховая кривая). Непрерывная линия показывает профиль, в период между 11:00 и 13:00 Местного Солнечного Времени, тогда как штриховая кривая охватывает период с 9:00 до 15:00, период вращения показан в виде точечной кривой (снизу). Из графика видно что зональная компонента, начиная с –40 широт к полюсу быстро уменьшается.
     Поскольку перицентр Venus Express находится в диапазоне 250 — 350 км, самое высокое пространственное разрешение — 200 метров на пиксель.

     На a изображении волны проходят в средних широтах 52°N, –166°E. Типичная длина волны этих структур достигает нескольких десятков километров. b — длинные линейные особенности сосредоточены 54°N, –62°E, характер этого явления пока не выяснен. c, такие волны характерны для полярных областей 77°N,–51°E. Изображения a и b получены в ультрафиолетовом диапазоне, с — в почти инфракрасном. Такая связь между изображениями указывает на то, что природа этих явлений взаимосвязана и неизвестный УФ поглотитель поглощает излучение и в ИК диапазоне.

     Стрелки указывают на север. a — подобные волнам конвективные пятнистые структуры (17°N, –143°E), 14:32 по местному стандартному времени. b — полосы и конвективные ячейки на экваторе (0°N, –150°Е), 14:41 по местному времени. с — маленькие ячейки конвекции (10°N, 125°E), 13:16.

     Удлиненная орбита Venus Express позволяет ученым изменять масштаб изображения, во время приближения космического аппарата к планете. Эта мозаика показывает, что пятнистые и хаотические структуры облаков в низких широтах уступают место приблизительно зонально-ориентированным полосам (–15° широты). Это указывает на переход от динамического режима (местная конвекция) к квазиламинарным потокам.
     Рисунок показывает детали экваториальной области, местный полдень. рисунок 1а — показывает образования похожие на волны, испытывающие неустойчивость под действием турбулентной конвекции. Рисунок 1b/c показывают более энергичную деятельность. Морфология облаков в этом регионе во власти ячеек небольшого масштаба, но большие линейные особенности также могут быть замечены. Клеточные структуры, как полагают ученые, являются ячейками конвекции. Они наиболее заметны ранним днем. Далее от подсолнечной точки структуры возвращаются к волнистой и полосатой морфологии даже в экваториальной области. Горизонтальный масштаб конвекционных ячеек — 20 км. Поскольку конвекция сосредоточена в верхнем уровне облаков, простирающимся от 57 до 67 км по высоте, отношение диаметр/глубина — 2. Это в пять раз меньше чем предполагалось ранее. В подсолнечном регионе это отношение может достигать 100. Подсолнечная область — регион где атмосфера Венеры поглощает большое количество солнечной радиации. Эта энергия так или иначе будет распределена по всей планете, чтобы поддерживать супервращение. С глубокой конвекцией транспортировка энергии могла бы быть более эффективно достигнута динамически. Заключение, к которому пришли ученые — конвекция незначительна — это требует переоценки транспортировки энергии от подсолнечного региона к остальной части атмосферы. Дальнейший анализ должен помочь в понимании механизма супервращения.

Материалы взяты из интернет-ресурсов: Перевод к статье «Венера и Venus Express», Перевод к статье «Полет над облачным миром Венеры — VEs», Перевод к статье «Морфология и динамика верхних облачных слоев Венеры»