Ионосфера Венеры

    29 января 2013 стали известны результаты уникальных наблюдений ионосферы планеты в период пониженного давления солнечного ветра. Напомним, что ионосфера - это оболочка из электрически заряженного газа, расположенная высоко над основной частью атмосферы. Ее форма и плотность в значительной степени определяются собственным магнитным полем планеты. Но у Венеры, как известно, его нет. Поэтому ионосфера образуется в результате ионизации атомов ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца, но форма ее определяется потоками частиц, испускаемыми Солнцем.

VENUS EXPRESS

    3 августа 2010 г. солнечная обсерватория Stereo-B зафиксировала падение плотности солнечного ветра в районе орбиты Земли до 0.1 частиц на 1 см³ вместо обычных 5-10, и этот спад продолжался в течение примерно 18 часов. У Венеры Venus Express зафиксировал концентрацию 0.2 см³, а динамическое давление снизилось до 0.1 нПа. Как следствие, ионосфера с ночной стороны планеты раздулась и словно развевалась «по ветру», подобно тому, как ведет себя в аналогичной ситуации ионный хвост кометы.
    «Каплевидная ионосфера начала формироваться в течение 30-60 минут после того, как давление солнечного ветра уменьшилось, и в течение двух земных суток вытянулась по крайней мере до двух радиусов Венеры», - говорит Юн Вэй (Yong Wei) из германского Института исследований Солнечной системы Общества Макса Планка, ведущий автор публикации в Planetary and Space Science.

В нормальных условиях ионосфера Венеры имеет толщину 150-300 км на дневной стороне и отчасти переходит на ночную. При аномально низкой концентрации солнечного ветра (справа) создаются условия для формирования длинного «хвоста».

VENUS EXPRESS

    В обычных условиях ионосферное вещество, главным образом в виде O+, под действием градиента давления плазмы «течет» с дневной стороны Венеры на ночную на высоте 150-300 км. В условиях низкого давления солнечного ветра этот канал должен расшириться, но одновременно уменьшается сила, «проталкивающая» через него плазму. Действительно, 4 августа скорость ионов кислорода была значительно ниже нормы, но переток происходил в намного более обширной области. «Теперь мы наконец знаем, что первый эффект влияет сильнее второго и что ионосфера значительно расширяется при низкой плотности солнечного ветра», - говорит соавтор Юн Вэя и руководитель группы исследователей Маркус Френц (Markus Fraenz).
    Измерения на Venus Express проследили «хвост» до расстояния 15 000 км, но в действительности он может тянуться на миллионы километров. С ростом давления солнечного ветра «хвост» отрывается и теряется.
    Предполагается, что аналогичный эффект имеет место на Марсе, также не обладающем собственным глобальным магнитным полем.
    «Это еще один пример того, что использование аналогичных инструментов у Венеры, Земли и Марса является мощным средством для сравнительной планетологии, - говорит Хокан Сведхем (Hlkan Svedhem), научный руководитель проекта. - Он показывает, как важно иметь доступ к данным с международного флота КА, в котором американский Stereo служит монитором солнечного ветра, в то время как европейские Venus Express и Mars Express работают внутри своих ионосфер и наблюдают их взаимодействие с солнечным ветром».

Вулканы или циркуляция?

    3 декабря 2012 были опубликованы данные о возможном современном вулканизме на Венере. То, что вулканы на Венере извергались в прошлом, несомненно. В ходе радарных наблюдений, проведенных в 1983-1984 гг. советскими АМС «Венера-15» и «Венера-16» и в 1989-1994 гг. американской миссией «Магеллан», были обнаружены сами вулканические конусы числом более тысячи и следы периодического «залива» различных участков ее поверхности лавой. Но что происходит на планете сегодня?

Вершина вулкана Идунн (46°ю.ш., 145.5° з.д.) ярко светится в инфракрасных лучах, регистрируемых прибором VIRTIS. Считается, что состав минералов в этом районе был изменен потоком лавы.

VENUS EXPRESS

    Venus Express уже нашла косвенные свидетельства вулканической деятельности не более чем 2.5 млн лет назад, обнаружив при наблюдениях в ИК-диапазоне «свечение» отдельных вершин, которое может исходить от свежей лавы. Новые данные принес ультрафиолетовый спектрометр SPICAV, с помощью которого исследователи из Франции и России обнаружили значительные изменения концентрации диоксида серы в верхней атмосфере Венеры, на высоте около 70 км. Так, в 2007 г. она увеличилась относительно 2006 г. и достигла 1000 частей на миллиард, после чего медленно снижалась и к 2012 г. упала до 100.
    Самое интересное, что очень похожие результаты были получены приборами американского КА Pioneer Venus Orbiter, который проработал на орбите Венеры с 1978 по 1992 г. Тогда тоже измеренная величина концентрации диоксида серы в первый год полета была существенно больше, чем к моменту завершения работы, и ученые выдвинули версию, что незадолго до прибытия станции к Венере произошел выброс в атмосферу сернистого газа, обусловленный деятельностью одного или нескольких вулканов.

В концентрации SO2 на высоте 70 км видны три пика на протяжении 40-летнего периода. Что это - результат извержений или перестройка атмосферной циркуляции?

VENUS EXPRESS

    Содержание SO₂ в плотной атмосфере Венеры более чем в миллион раз выше, чем в земной (где основным его источником является именно вулканизм). Но на Венере большая часть диоксида серы содержится под плотным облачным слоем. Поднимаясь выше за счет естественной циркуляции, это вещество полностью разрушается солнечным ультрафиолетом в течение нескольких суток, поясняет профессор Эммануэль Марк (Emmanuel Marcq) из Лаборатории изучения атмосферы Университета Версаль-Сен-Квентен в Мильё. И если количество сернистого газа в верхних слоях венерианской атмосферы растет, значит, увеличился его приток снизу. Авторы публикации в Nature Geoscience предлагают два возможных объяснения такого роста: активный вулканизм, вызывающий локальное усиление притока, или долговременные изменения общей циркуляции атмосферы.
    Отметим, что «привязать» измерения к источнику на поверхности невозможно, так как атмосфера Венеры, обращающаяся вокруг планеты с ураганной скоростью всего за 4-5 суток, быстро перемешивает и перераспределяет SO₂. Если за рост концентрации отвечает именно вулканизм, то речь скорее идет об относительно спокойно возросшем выбросе нескольких вулканов, чем о единичном драматическом извержении. Об этом говорит отсутствие новых источников теплового излучения на поверхности планеты.
    Но уж как-то слишком хорошо совпадают результаты обеих миссий. Если рост концентрации диоксида серы с последующим падением регистрируется почти сразу после прилета КА к Венере, то получается, что обе АМС прибыли в год всплеска вулканической активности?
    В качестве альтернативы можно предположить, что мы наблюдаем среднепериодические вариации состава атмосферы, связанные перестройкой ее циркуляции. В пользу этой версии говорят два факта: стабильно высокая концентрация SO₂ в нижней атмосфере на протяжении многих лет и перераспределение его между экваториальными и полярными районами в верхней атмосфере. В период дефицита диоксида серы концентрация выше над полюсами, а вот в 2006-2007 гг. было наоборот.
    Жан-Лу Берто (Jean-Loup Bertaux), научный руководитель эксперимента SPICAV, считает это свидетельством усиления апвеллинга (подъема атмосферных масс) в экваториальной зоне. Он полагает, что картина циркуляции описывается двумя ячейками Хэдли с подъемом в районе экватора и опусканием в полярных зонах. Тогда усиление циркуляции как раз и будет вызывать увеличение концентрации SO₂ над экваториальными широтами. Одновременно происходит перестройка химических процессов в облачном слое, приводящая к снижению яркости верхушек облаков в ультрафиолете.

Естественная эволюция перицентра КА Venus Express требует регулярных маневров для поддержания орбиты.

VENUS EXPRESS

    А тем временем 24 января генеральный директор ЕКА Жан-Жак Дордэн объявил, что в наступившем году агентство планирует опробовать технологию снижения орбиты КА Venus Express за счет преднамеренного аэродинамического торможения в верхних слоях атмосферы. Аппарат проектировался в расчете на использование этого способа маневрирования, требующего лишь незначительного расхода топлива.
    Проведенными ранее исследованиями была обоснована возможность перехода с нынешней орбиты (высота перицентра - 165 км, апоцентра - 66 000 км, период обращения - 24 часа) на орбиту с периодом 18 или даже 12 часов. При этом погружение перицентра орбиты до высоты 130-140 км достигается автоматически, за счет естественной эволюции орбиты, и топливо придется тратить только на коррекции высоты торможения, поддержание необходимой ориентации в ходе его и на выход из режима.
    В октябре 2010 и мае 2011 г., в периоды минимальных высот перицентра, ЕКА провело эксперименты по измерению тормозного эффекта и возмущений ориентации.
    ЕКА уже трижды продлевало работу Venus Express и гарантирует ее финансирование до 2014 г. включительно.