Над полюсами Венеры обнаружен озоновый слой

23 Ноя 2018

Российско-французская группа ученых, анализируя данные спектрометра SPICAV-UV (КА «Венера-Экспресс») обнаружила озоновый слой над полярными областями Венеры выше широт 50°. Он расположен на высоте 70 км, в верхнем слое облаков. В отличие от других наблюдений, когда озон удавалось регистрировать лишь непродолжительное время, в этот раз речь идёт о более или менее постоянном образовании. Как считают авторы статьи, принятой к публикации и размещённой онлайн на сайте журнала Icarus, обнаружение озона подтверждает существующие модели атмосферной циркуляции Венеры, при которой атмосферные массы из экваториальных областей проходит по меридианам к полюсам, где охлаждаются и опускаются. Одновременно становится понятно, что само по себе наличие озона в атмосфере планеты «не гарантирует» её обитаемости — для того, чтобы защитить живые организмы от ультрафиолета, его должно быть достаточно много.

Как и на Земле, озон O3 образуется на Венере и Марсе, когда молекула кислорода O2 соединяется с атомом кислорода (O). На Земле атомы кислорода рождаются при распаде кислорода (O2) под действием солнечного ультрафиолета (фотодиссоцация), а на Марсе и Венере — при распаде молекул углекислого газа СО2 в надоблачном слое. Углекислота составляет 96,5% венерианской атмосферы.

«Мы знаем, что атмосферная циркуляция Венеры приносит воздух от экватора к полюсам, где он опускается вниз, — поясняет один из авторов работы, профессор Жан-Лу Берто (Jean-Loup Bertaux), сотрудник лаборатории LATMOS (Франция) и руководитель «мегагрантной» лаборатории ИКИ РАН «Планеты земной группы и землеподобные экзопланеты: прошлое, настоящее и будущее». — Давление при этом увеличивается, и атомы кислорода вначале соединяются в молекулы кислорода O2, а затем — озона O3. Поэтому озон — своего рода «индикатор» атмосферной циркуляции на Венере и Марсе».

Профессор Жан-Лу Берто был научным руководителем эксперимента SPICAV (SPectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Venus) на аппарате «Венера-Экспресс» (Европейское космическое агентство, 2005—2015 гг.). Прибор состоял из двух спектрометров: инфракрасного (созданного российскими специалистами) и ультрафиолетового, который делали французские ученые. Хотя сам зонд прекратил работу в 2015 году, полученные им данные ещё анализируются и открывают много нового о ближайшей к нам планете.

По данным SPICAV, объёмная доля озона на Венере составляет около 10–20 частиц на миллиард. Это составляет 0.1–0.5 так называемых единиц Добсона, которые используются для измерения озона. Концентрация озона в атмосфере Земли составляет порядка 300 единиц Добсона.

Кстати, на Марсе озона больше, чем на Венере, но всё равно в 100 раз меньше, чем на Земле. Таким образом, у трех планет земного типа Солнечной системы озон есть, но «только на Земле его достаточно, чтобы достаточно защищать сложные формы жизни от губительного солнечного ультрафиолета», — подчёркивает Жан-Лу Берто.

«Обнаруженная концентрация озона в атмосфере Венеры примерно в 1000 раз меньше, чем на Земле, — говорит Эммануэль Марк (Emmanuel Marcq), первый автор публикации, также сотрудник лаборатории LATMOS и преподаватель университета Версаль-Сен-Кантен-ан-Ивелин. — Это показывает, что чувствительность наблюдений в ультрафиолетовом диапазоне достаточно высока, чтобы обнаружить озон и на экзопланетах».

«Его сможет наблюдать, например, обсерватория «Спектр-УФ» (Всемирная космическая обсерватория — Ультрафиолет или WSO-UV, World Space Observatory Ultraviolet)», — добавляет член-корреспондент РАН Олег Кораблев, соруководитель эксперимента SPICAV и заведующий отделом физики планет ИКИ РАН.

  Цветом обозначено среднее содержание озона в год на дневной стороне Венеры по данным КА «Венера-Экспресс» (2006–2014 гг.)
Цветом обозначено среднее содержание озона в год в атмосфере дневного полушария Венеры по данным КА «Венера-Экспресс» (работал у Венеры в 2006–2014 гг.). В пустых областях озон зарегистрирован не был

Что касается дальнейших исследований озона на Венере, то интерес представляет вопрос, увеличивается или уменьшается его количество со временем. Имеющиеся данные как будто свидетельствуют о том, что за время работы «Венеры-Экспресс» концентрация озона повышалась. Так ли это? И можно ли связать эти колебания с изменениями высоты облачного слоя? Эти вопросы открыты для исследования.

Другая нерешённая проблема состоит в том, что хотя данные SPICAV качественно хорошо согласуются с моделями циркуляции атмосферы Венеры, но есть количественная разница: модели предсказывают объёмную концентрацию озона на уровне 3 частиц на миллиард, а результаты SPICAV дают величину примерно в 5 раз выше. Возможно, в модель заложено слишком низкое количество молекулярного кислорода в полярных областях, а может быть, напротив, завышен темп разрушения озона из-за взаимодействия с серой и хлором.

Исследование поддержано грантом Министерство образования и науки Российской Федерации, а также Национальным центром космических исследований Франции (CNES), Европейским космическим агентством, программой Национального института исследований Вселенной (CNRS-INSU, Франция).

***

Автоматическая межпланетная станция «Венера-Экспресс» (Европейское космическое агентство) была запущена 9 ноября 2005 г. с космодрома Байконур при помощи ракеты-носителя «Союз» с разгонным блоком «Фрегат». Аппарат вышел на первую вытянутую орбиту вокруг Венеры 11 апреля 2006 г. В феврале 2015 г. аппарат вошёл в атмосферу Венеры, но обработка его данных продолжается.

Специалисты ИКИ РАН принимали участие в разработке, изготовлении и испытаниях двух научных приборов орбитального аппарата: универсального спектрометра и спектрометра высокого спектрального разрешения SPICAV/SOIR (руководители: Ж.-Л. Берто/Jean-Loup Bertaux, Франция, О.И. Кораблев, Россия, Д. Невеянс/Dennis Nevejans, Бельгия) и планетного Фурье-спектрометра PFS (изготовлен в Италии с участием России, научный руководитель В. Формизано/Vittorio Formisano, Италия, Л.В. Засова, Россия). В экспериментах VIRTIS, VMC, ASPERA российские ученые принимали участие как соисследователи.

- О.З.

Дополнительная информация: 
  1. Emmanuel Marcq, Lucio Baggio, Franck Lefèvre, Aurélien Stolzenbach, Franck Montmessin, Denis Belyaev, Oleg Korablev, Jean-Loup Bertaux,  Discovery of cloud top ozone on Venus, Icarus 319 (2019) 491–498
  2. Decouverte d'ozone au sommet des nuages de Venus Сообщение на сайте LATMOS
  3. LATMOS — Лаборатория атмосферы, окружающей среды и исследования космоса (Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales), Франция