При помощи инфракрасных датчиков на борту японского космического аппарата Akatsuki удалось пронаблюдать за циркуляцией венерианской атмосферы ночью.
Оказывается, меридиональный поток, то есть движение атмосферы в направлении север — юг, на протяжении венерианской ночи меняет направление на противоположное дневному, а пик суперротации (характерного для Венеры планетарного ураганного ветра вдоль экватора) приходится на восход и закат Солнца в низких широтах.
Земля и Венера имеют много общего. Они похожи по размерам и по массе, находятся в обитаемой зоне Солнца, имеют твёрдую поверхность и обладают значительной атмосферой, поэтому на обеих планетах можно исследовать погоду из-за наблюдаемого движения атмосферных масс. Венера имеет толстый слой атмосферы, состоящей в основном из углекислого газа и азота под давлением около 90 атм у поверхности. На высотах 50 — 70 километров почти всю поверхность закрывают облака серной кислоты (именно там недавно обнаружили фосфин). Считается, что они образуются под действием Солнца из двуокиси серы, значительное количество которой содержится в атмосфере. Но в вопросах погоды Венеру с Землёй сравнивать сложно.
Благодаря Венере в научный обиход вошёл термин суперротация, или «сверхвращение». Это понятие описывает специфическое явление на Венере — на оборот самой планеты вокруг оси уходит 243 земных дня, но атмосфера делает полный оборот вокруг всей поверхности всего за четыре дня (точнее, за 92 часа). Глобальный поток в западном направлении сносит облака на высоте 65—70 километров со скоростью около 100 метров в секунду. На Земле этого явления, к счастью, нет (самые сильные земные ураганы в 12 баллов по шкале Бофорта предполагают скорость ветра от 30 м/с). Механизм явления не совсем ясен: для поддержания такого планетарного урагана необходимо постоянно подпитывать его, сообщая воздушным массам крутящий момент, в противном случае он должен быстро затухнуть из-за трения воздуха о поверхность. Вероятно, в передаче углового момента воздушным массам участвуют несколько механизмов, включая «тепловые приливы» — перемещение воздуха из-за разного нагрева от Солнца на разных широтах, высоте и в разное время суток. Суперротацию обнаружили и в атмосфере спутника Сатурна Титана, и на Юпитере. Также такое явление ожидают встретить на экзопланетах, связанных со своей звездой приливным захватом (то есть, как Луна по отношению к Земле, обращённых всё время одной стороной к звезде). В этом случае суперротация также объяснялась бы сильной разницей нагрева атмосферы на дневной и ночной стороне.
В венерианских облаках оседает около половины солнечного потока, который поглощает планета, поэтому считается, что именно в этой области образуются сильные «тепловые приливы». Предполагается, что появление суперротации может быть связано с ними за счёт усиления вертикальной передачи углового момента вокруг оси вращения. Но структуру приливного ветра, непосредственно связанную с передачей момента вращения, удалось описать только для северной полярной области, кроме того, при этом получалось проанализировать только один слой газовой оболочки Венеры. Без солнечного света сложно получить изображение для интерферометра, поэтому про ночную погоду на Венере известно мало. Но знания о ночной циркуляции атмосферных масс не хватает: располагая измерениями только на дневной (обращённой к Солнцу) стороне сложно описать заметный дрейф облаков без данных про все атмосферные процессы, дополняя неизвестную информацию только по аналогии с эффектами циркуляции, известными на Земле. Исследователи разработали способ использования инфракрасных датчиков японского орбитального аппарата Akatsuki, которые помогают интерпретировать особенности ночной погоды на планете. Этот метод впоследствии можно использовать и для других планет, в частности, Марса и газовых гигантов. Кроме того, изучение венерианской погоды может облегчить изучение погодных условий на землеподобных планетах в других звёздных системах. Ночную погоду на Венере коллектив астрономов из нескольких японских университетов описывает в статье, опубликованной в июле 2021 года в Nature.
При помощи тепловых инфракрасных снимков космической станции Akatsuki удалось отследить перемещение облаков Венеры. В 2016 году станция передала на Землю первые фотографии Венеры в инфракрасном свете, на которых детально видны плотные облака серной кислоты. Зонд Akatsuki может видеть верхние слои венерианских облаков до высоты около 65 километров. Их изображения получают в диапазоне длин волн 8 — 12 микрометров при помощи длинноволновой инфракрасной камеры LIR (Longwave Infrared Camera). Для анализа использовали последовательность изображений, снятых в период от 23 декабря 2016 года по 20 января 2019 года с интервалом в 1—2 часа. На исходных фотографиях, кроме случайного шума, присутствуют и стационарные артефакты, связанные с рельефом (например, обтекание атмосферных потоков вблизи высоких гор). По таким особенностям можно бы попробовать в качестве отдельной задачи сквозь плотные облака просканировать поверхность планеты (как, например, сделали в недавнем исследовании по отражённому радиосигналу с Земли). Но сейчас решалась противоположная задача. Для подавления шумов и искажений от рельефа из теплового поля на снимках вычли вклад от глобального потока суперротации и выделили на изображениях контуры отдельных дрейфующих облаков. В результате очищенные инфракрасные снимки передают тонкую структуру облачного покрова за вычетом планетарного урагана с разбросом температур в полградуса, а таймлапс таких последовательных снимков позволяет определить скорости перемещения облаков на разных широтах.
Одной из целей была проверка вклада в атмосферные эффекты от ячеек Хэдли. Это области замкнутой циркуляции воздушных масс, известные в тропических широтах на Земле. Нагретый воздух вблизи экваториальной зоны поднимается и движется в сторону полюсов; по мере продвижения на север и на юг от экватора воздушные массы постепенно охлаждаются и опускаются к поверхности. Таким образом возникают «планетарные» (размером в несколько тысяч километров) конвекционные ячейки, как на этой схеме. Кроме тропических, есть ячейки в умеренных и полярных широтах, они вместе с планетарными струйными течениями также имеют свои названия (ячейки Ферреля, волны Россби и т. п.) и формируют климат и преобладающие ветры в соответствующих регионах. На Земле этот элемент циркуляции атмосферы отвечает за годовой рост температур и более медленное охлаждение воздушных масс при движении в каждом полушарии к соответствующему полюсу. Также этим физическим механизмом («тропические» ячейки Хэдли плюс сила Кориолиса из-за вращения Земли) объясняется существование пассатов — устойчивых круглогодичных ветров в тропиках. Исследование атмосферы на Венере и других космических телах логично проводить, опираясь на эти известные в земных условиях планетарные рисунки циркуляции.
На дневной стороне Венеры давно известны планетарные потоки в меридиональном (север — юг) направлении, накладывающиеся на «глобальный» экваториальный ураган. Несколько лет назад их удалось подробно картировать при помощи того же зонда Akatsuki. Эта задача была сравнительно лёгкой, потому что речь идёт об освещённой стороне, и дополнительный рисунок атмосферной циркуляции оказалось нетрудно выделить при помощи ультрафиолетовых камер Akatsuki. Два потока дневной стороны в верхних слоях атмосферы направлены от экватора к полюсам и их возникновение понятно, если сравнить с аналогичными земными. Исследования ночной стороны в инфракрасном свете наконец дополнили планетарную картину. В верхних слоях облаков на ночной стороне Венеры выделили потоки, направленные от обоих полюсов к экватору, противоположно дневным. Скорость «ночных» воздушных масс аналогична дневной (характерные значения для меридиональных потоков составляют 10 м/с), и усреднённо они компенсируют друг друга. Ночной поток в сторону экватора в основном распространяется в первую половину ночи от заката (17 часов местного времени) до полуночи. Потоки в стороны полюсов, наоборот, становятся очевидными в средних широтах с девяти утра до четырёх вечера, их максимальная скорость достигает 6 метров в секунду.
Существование полярного потока на дневной стороне и экваториального — на ночной с сопоставимыми величинами примерно отвечает приливным моделям. Пик суперротации ветра приходится на восход и закат в низких широтах. Согласно наблюдениям, солнечный нагрев слоя облаков в условиях суперротации с контрастом день — ночь вызывает тепловые приливы с более сложной структурой. Такой прилив содержит периодическую волну в направлении запад—восток с двумя циклами, то есть полусуточный прилив. Это выглядит так, как будто бы приливная «волна» в виде рисунка циркуляции двигалась вслед за Солнцем, образуя два горба на разных сторонах планеты подобно тому, как на Земле образуются два приливных горба в океане, которые перемещаются, следуя положению Луны. Такая тепловая приливная волна на Венере переносит крутящий момент по высоте, передавая его воздушным массам, соответственно может вносить вклад в поддержание режима суперротации.
Обнаруженная зависимость атмосферных вихрей от местного времени может послужить эталоном для медленно вращающихся экзопланет, где зависимость температуры атмосферы от местного времени, наблюдаемая в инфракрасных длинах волн, предусматривает суперротацию в атмосфере. Два будущих космических проекта изучения Венеры — зонды NASA DaVinci+ и Veritas, а также запланированный Европейским космическим агентством запуск EnVision должны дополнить эти недавно полученные данные и помочь проследить погоду и климат Венеры на протяжении её геологической истории.
Подготовка материала: Сергей Шапиро