Венеру часто называют двойником Земли из-за их схожих размеров и силы тяжести, но климат на Венере сильно отличается. Венера вращается в направлении, противоположном Земле, и намного медленнее (примерно один оборот за 243 земных дня). Между тем, примерно в 60 км над поверхностью Венеры быстрый восточный ветер облетает планету примерно за 4 земных дня (со скоростью 360 км / ч), явление, известное как атмосферная суперротация.
Небо Венеры полностью покрыто густыми облаками серной кислоты, которые расположены на высоте 45-70 км, что затрудняет наблюдение за поверхностью планеты с земных телескопов и орбитальных аппаратов, вращающихся вокруг Венеры. Температура поверхности достигает палящих 460 градусов по Цельсию, что является суровым условием для любых наблюдений с помощью входных зондов.
Из-за этих условий остается много неизвестного относительно атмосферных явлений Венеры.
Чтобы решить загадку атмосферы Венеры, японский космический корабль Акацуки вышел на орбиту Венеры в декабре 2015 года.
Одним из инструментов наблюдения Акацуки является инфракрасная камера «IR2», которая измеряет длины волн 2 ?м (0.002 мм). Эта камера может захватывать подробную морфологию облаков нижних уровней облаков, примерно в 50 км от поверхности. Оптические и ультрафиолетовые лучи блокируются верхними слоями облаков, но благодаря инфракрасной технологии постепенно обнаруживаются динамические структуры нижних облаков.
Перед началом миссии Акацуки исследовательская группа разработала программу под названием AFES-Venus для расчета моделирования атмосферы Венеры. На Земле атмосферные явления любого масштаба исследуются и прогнозируются с помощью численного моделирования, от ежедневного прогноза погоды и отчетов о тайфунах до ожидаемых изменений климата, связанных с глобальным потеплением.
Для Венеры сложность наблюдения делает численное моделирование еще более важным, но эта же проблема также затрудняет подтверждение точности моделирования.
AFES-Venus уже успела воспроизвести суперротационные ветры и структуры полярной температуры атмосферы Венеры. Используя Earth Simulator, суперкомпьютерную систему, предоставленную Японским агентством морских наук и технологий Земли (JAMSTEC), исследовательская группа создала численное моделирование с высоким пространственным разрешением. Однако из-за низкого качества данных наблюдений до Акацуки было трудно доказать, были ли эти модели точными реконструкциями.
В этом исследовании сравнивались подробные данные наблюдений за нижними уровнями облаков Венеры, снятые камерой IR2 Акацуки, с моделированием высокого разрешения из программы AFES-Venus. В левой части изображения выше показаны нижние уровни облаков Венеры, снятые камерой IR2.
Обратите внимание на почти симметричные гигантские полосы в северном и южном полушариях. Каждая полоса имеет ширину в сотни километров и тянется по диагонали почти на 10 000 километров в поперечнике.
Эта картина была впервые обнаружена камерой IR2, и команда назвала ее полосчатой структурой планетарного масштаба. Такой масштаб полосовой структуры никогда не наблюдался на Земле и может быть феноменом, уникальным для Венеры. Используя моделирование с высоким разрешением AFES-Venus, команда восстановила узор (правая часть изображения выше).
Сходство между этой структурой и наблюдениями камеры доказывает точность моделирования AFES-Venus.
Затем, посредством подробного анализа результатов моделирования AFES-Venus, команда выяснила происхождение этой гигантской полосчатой структуры. Ключ к этой структуре – явление, тесно связанное с повседневной погодой на Земле: полярные реактивные течения. В средних и высоких широтах Земли крупномасштабная динамика ветров (бароклинная нестабильность) формирует внетропические циклоны, мигрирующие системы высокого давления и полярные струйные течения.
Результаты моделирования показали, что тот же механизм работает в облачных слоях Венеры, предполагая, что струйные течения могут формироваться в высоких широтах. На более низких широтах атмосферная волна из-за распределения крупномасштабных потоков и эффекта вращения планеты (волна Россби) генерирует большие вихри на экваторе до широт 60 градусов в обоих направлениях. Когда к этому явлению добавляются струйные потоки, вихри наклоняются и растягиваются, а зона конвергенции между северным и южным ветрами образует полосу.
Ветер север-юг, вытесняемый зоной конвергенции, становится сильным нисходящим потоком, что приводит к полосчатой структуре планетарного масштаба. Волна Россби также сочетается с большими атмосферными колебаниями, расположенными над экватором (экваториальная волна Кельвина) на нижних уровнях облаков, сохраняя симметрию между полушариями.
Это исследование выявило гигантскую полосчатую структуру планетарного масштаба на нижних уровнях облаков Венеры, воспроизвело эту структуру с помощью моделирования и предположило, что эта полосчатая структура образована двумя типами атмосферных флуктуаций (волн), бароклинной нестабильностью и струйными потоками.
Успешное моделирование полосчатой структуры планетарного масштаба, образованной множеством атмосферных явлений, свидетельствует о точности моделирования отдельных явлений, рассчитанных в этом процессе.
До сих пор исследования климата Венеры в основном сосредоточивались на средних расчетах с востока на запад.
Это открытие подняло изучение климата Венеры на новый уровень, на котором возможно обсуждение подробной трехмерной структуры Венеры. Следующим шагом в сотрудничестве с Акацуки и AFES-Venus будет решение загадки климата Венеры-близнеца Земли, скрытой за густым облаком серной кислоты.