НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Исследование Солнечной Системы - Научные Статьи
Планета Венера
Атмосфера Венеры


    Венера как планета очень похожа на Землю и по массе и по радиусу, но во многих отношениях она отличается по условиям. Ее атмосфера в основном состоит из углекислого газа, имеет значительно большую температуру поверхности и давление. На планете обнаруживаются только следы воды, хотя вполне вероятно, в далеком прошлом на Венере существовали такие же как и на Земле океаны. В этой статье мы обсудим результаты первого года исследований Venus Express, центром внимания будет эволюционный путь, который прошли две похожие планеты. Этот путь включает в себя парниковый эффект, разрушение атмосферы под действием солнечного света и излучения, изменение поверхности и режимов циркуляции атмосферы.
    Венера, Земля и Марс - три планеты земной группы, расположены в тесной последовательности относительно друг друга и имеют много общего. Земля и Венера, в частности почти одинакового размера, и, как предполагается, были весьма схожи в эпоху формирования и охлаждения, вероятно, с большими запасами углекислого газа и жидкими водными океанами на поверхности планет. Сегодня они имеют очень разные условия на поверхности в результате эволюционных процессов, которые мы пытаемся понять, путем измерения и моделирования общих процессов, опираясь на данные с космических аппаратов, планетарных зондов. Земля и Венера имеют примерно одинаковые запасы СО2, но на Земле это соединение присутствует в виде карбонатов в коре планеты, а на Венере оно существует в основном в виде газа. Экстремальные климатические условия на Венере, вызванные избытком СО2 в атмосфере, напоминают нам о насущных проблемах на Земле.

Рис.1 Врезки показывают расположение семи научных приборов. Оптические приборы для дистанционного зондирования установлены на нижней верхней платформе. Подробнее о приборах установленных на космическом аппарате можно просмотреть по этой ссылке.

    Более 30 космических аппаратов совершили путешествие к Венере, Маринер-2 был первым успешным космическим аппаратом, подобравшимся к этой планете в 1962 году. Советские аппараты "Венера" и "Вега", американские Пионер-Венера (1967-92) были самыми результативными в создании базового описания физических и химических условий, существующих в атмосфере этой планеты. Они показали венерианскую атмосферу, которая заполнена газами и густыми облаками, с чрезвычайно активными высотными ветрами и сложными рельефными облачными образованиями метеорологических систем, которые, как представляется, не поддаются классификации и не имеют земных аналогов, а также огромный двойной глаз вихря над полюсами. В настоящее время Европейское космическое агентство направило свою первую миссию к нашей ближайшей соседке, с целью изучения глобальной циркуляции атмосферы, облачной химии, физических и химических взаимодействий, включая вулканизм, атмосферные процессы и глобальный энергетический баланс и парниковый эффект.
    В основе Venus Express лежит другая успешная миссия - Mars Express. Это 600 кг аппарат, с тремя осями стабилизации платформы. Venus Express был запущен с помощью российского ракетоносителя "Союз-Фрегат" с космодрома Байконур, Казахстан, 9 ноября 2005 года и является первой миссией, посвященной изучению атмосферы Венеры за последние 25 лет. Аппарат прибыл на Венеру 11 апреля 2006 года и был полностью введен в работу в июне 2007. Он несет на себе новое поколение приборов и использует новые методы наблюдений. Основой полезной нагрузки аппарата являются оптические приборы, в том числе и спектрометры (рис.1), которые делают первые систематические исследования спектральных окон 1-3 м прослеживая атмосферные изменения до самой поверхности.

Средние и нижние слои атмосферы

    Первые наблюдения глубинных слоев атмосферы Венеры с высоким пространственным разрешением показали, в дополнение к локальным "погодным явлениям", общую атмосферную циркуляцию. Три больших режима явно присутствуют в средних и нижних слоях атмосферы, с конвективной (перемешивание) и волновой метеорологией в более низких широтах и резким переходом к плавным потокам в середине высоких широт (приполярная область). Все это заканчивается примерно в 30° от полюса, где обнаружено холодное полярное кольцо. Оно окружает огромный вихрь в несколько тысяч километров в диаметре, вихрь имеет сложный двойной глаз, каждый оборот которого занимает 2,5-2,8 земных дней. Синхронные наблюдения в УФ и ИК тепловых спектральных диапазонах показывают связь структур, хотя они и представляют различные атмосферные уровни, они вовлечены в общую полярную циркуляцию - динамический режим. Спектроскопические наблюдения показывают изменения температуры и облачных структур в водовороте, в верхнем облачном слое над полярным кольцом, расположенным на высоте 70-72 км (в 5 км над вихрем). Наблюдения за "прозрачными" спектральными окнами на ночной стороне Венеры показали, что вихревые структуры и циркуляции существуют, как минимум, на большой глубине, на нижнем уровне облачности (50-55 км над Венерой). Край полярного кольца доходит до 50-60° широт, и видимо знаменует собой циркуляцию hadley. Теплый воздух из экваториальных районов Венеры поднимается в верхние слои атмосферы и уходит к полюсу планеты. Там он охлаждается и вновь опускается (Рис. 2). Косвенным свидетельством такой меридиональной циркуляции явился мониторинг за распространением мелких частиц, в частности оксида углерода, как динамического индикатора в нижних слоях атмосферы.

Рис.2 - Схема связи с общей циркуляцией атмосферы Венеры. А) Главной особенностью являются конвективные ячейки Hadley, которые простираются от экваториального региона до 60° широт в каждом полушарии. Эта тенденция присутствует на всех уровнях, которые можно наблюдать с помощью средств отслеживания ветров, а холодное кольцо - "воротник" находится вокруг каждого полюса примерно на 70° широтах.

    В мезопаузе на Венере на высоте 100-120 км проявляется еще один переход между различными режимами глобальной циркуляции, на этот раз по вертикали. Преобладание зональных супер ротаций (вращений) в нижних слоях атмосферы, ниже мезопаузы, заменяется на "солнечные" потоки в термосфере, указывая на не локальную эмиссию в спектральных линиях О2 на 1,27 м, что происходит при рекомбинации атомов кислорода в нисходящем потоке на ночной стороне (Рис 2b). Наблюдаемая эмиссия является весьма изменчивым явлением, с максимальным проявлением в анти-солнечной точке, с пиком в мезопаузе. А максимальная температура на ночной стороне наблюдается в мезосфере.
    Последовательности УФ и ИК изображений были использованы для измерения скорости ветра на различных высотах, при отслеживании движения отличительных особенностей в облаках. Скорости зональных ветров в верхнем слове облаков (на высоте 70 км), находятся в диапазоне 100 плюс/минус 10 м/с на широтах ниже 50°. Новые данные, полученные сквозь яркую верхнюю дымку маскирующей облака в средних широтах, указывают на быстрое снижение скоростей ветра в верхних облаках с 50 широт по направлению к полюсу. ИК наблюдения за облаками на высоте 50 км на ночной стороне обнаружили вертикальный сдвиг ветра на 3 м/с*км ниже 50°, и нет сдвига к полюсу на этих широтах, по сравнению с более высоким уровнем высот (УФ снимки).
    На рисунке 3 обобщаются результаты, полученные от Venus Express. В низких слоях атмосферы, наиболее распределен СО, что свидетельствует о более крупных систематических изменениях. Источником является фотолиз (распад под действием света) СО2 в верхних уровнях облаков, жизнь СО измеряется неделями. Глобальные карты, полученные спектрометром VIRTIS показывают максимальное изобилие СО на широте около 60°, у внешнего края холодного кольца, которое, возможно, знаменует собой ячейку Hadley.

Рис.3 - Состав атмосферы - Venus Express Цветными линиями обозначены различные газовые примеси. Вертикальные профили H2O, HDO, CO, HCl и HF выше уровня облаков были получены от инструментов SPICAV/SOIR. Горизонтальные черточки показывают колебания/возможные ошибки в измерениях. Черточки со стрелками указыват на продолжающиеся измерения аппаратом Venus Express.

    Отсутствие внутреннего магнитного поля на Венере означает, что солнечный ветер непосредственно взаимодействует с верхними слоями атмосферы, что приводит к различным распределениям энергии и плотности электронов, ионов и нейтральных атомов. (Рис. 4) Venus Express проводил измерения во время солнечного минимума, тем самым дополняя плазменные исследования Pioneer Venus, которые были получены при солнечном максимуме. Фотоэлектроны с типичной энергией 22-28 эВ измерялись в точке, когда спутник "падал" в ионосферу, проходя перицентр на высоте 250-350 км. Ниже этого высотного уровня распределение электронной плотности получено с помощью радиозатенений, показывая стабильную нижнюю часть ионосферы на 120 км. Пик электронной плотности составляет 4х105 см-3 на высоте 140 км, большая динамика наблюдается в верхней ионосфере.

Рис.4 - Плазменная среда Венеры, по измерениям Venus Express Все параметры, отмеченные на рисунке измеряются на регулярной основе магнитометром и ASPERA-4, в трех различных областях: sw - область безпрепятственного солнечного ветра, ps - плазменная оболочка, t - искусственная магнитосфера/хвост. Границы указаны с приблизительным масштабом. Высокая концентрация ионов кислорода наблюдается вокруг терминатора, низкая концентрация в хвосте, что свидетельствует о конкретном регионе - источнике.

    Синхронные измерения вертикальных профилей водорода в верхних слоях атмосферы охарактеризовали процессы, которые несут ответственность за истощение запасов воды на Венере. Ранние измерения установили, что соотношение D/H (дейтерий/водород) в верхних слоях атмосферы Венеры - в 150 раз выше земного значения в нижних слоях атмосферы, что соответствует долгосрочной потере большого количества водорода Венерой, предположительно из воды, по сравнению с Землей. Более высокое значение соотношения D/H в настоящее время найдено выше облаков с помощью приборов SPICAV/SOIR, которые также обнаружили сильную изменчивость содержания H2O и HDO. Это неожиданное поведение объясняется сочетанием фракций при конденсации ледяных частиц и атмосферного переноса.
    ASPERA-4 впервые установил состав "убегающих" с планеты ионов, было обнаружено, что после ионов H+, основными "убегающими" ионами являются ионы О+. Это отличается от Марса, где улетучивающаяся плазма состоит из примерно равного количества О+, О2+ и СО2+, такой результат на Венере обусловлен большей гравитацией, которая, как правило, сохраняет тяжелые компоненты, такие, как СО2+. Также были зарегистрированы большие потоки "убегающего" He+. Ионы кислорода и водорода формируются за счет диссоциации (распад молекул) составляющих нейтральной атмосферы, в том числе и воды, под действием ультрафиолетовой солнечной радиации. Затем ионы вырываются за пределы Венеры в направлении из Солнечной системы (Рис. 4). На Венере этот процесс происходит более быстрыми темпами, чем на Земле, не только потому, что Венера ближе к Солнцу, но также и потому, что у нее нет магнитного поля, которое защищает Землю от потоков быстрых заряженных частиц. Эти процессы, возможно, должны были уничтожить большие объемы воды на Венере в течении первого миллиарда лет после формирования Солнечной системы. Подробные количественные оценки потерь дают более точную оценку, сколько воды Венера потеряла за время всей своей истории и к концу миссии Venus Express мы должны будем знать был ли когда-нибудь на Венере океан, как на Земле.
    В общем смысле результаты первого года работы Venus Express заключаются в том, что различия, в частности, в климате, между Венерой и Землей гораздо менее таинственны, чем считалось ранее. Они согласуются с теоретическими идеями о том, что обе планеты имели аналогичный поверхностные структуры в прошлом. Но обе планеты прошли разные этапы эволюции, на Земле океаны преобразовали большинство ее атмосферного СО2 в породы, а Венера потеряла большую часть своих вод в космосе. Оба процесса можно рассматривать как продолжающиеся до сих пор. Зональные ветра, экваториальная турбуленция и конечно же высокая температура поверхности сохраняют тот чудовищный парниковый эффект на Венере. Медленное вращение Венеры, вполне возможно, ответственно за отсутствие магнитного поля, что разрушает атмосферу.
Перевод (http://www.nature.com/nature/journal/v450/n7170/full/nature06432.html) 

Первое.Такси - такси балашиха внуково
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru