Масштабное исследование циркуляции верхнего яруса облаков Венеры выполнили российские ученые из Института космических исследований РАН. Проанализировав беспрецедентный по продолжительности ряд наблюдательных данных ультрафиолетовой и инфракрасной съёмок, который космический аппарат «Венера-Экспресс» (Venus Express, Европейское космическое агентство) собрал за 10 венерианских лет, Игорь Хатунцев, Марина Пацаева, Николай Игнатьев, Александр Тюрин вместе с их зарубежными коллегами получили информацию о динамике атмосферы вблизи верхней границы облаков — на высоте около 70 км в южном полушарии планеты.

Исследователи установили, что за прошедшее венерианское десятилетие скорость среднего зонального потока в низких широтах выросла с 85 м/с в начале миссии в 2006 г. до 110 м/с к середине 2012 г. Кроме этого, оказалось, что на низких широтах средняя скорость потока изменяется с периодом около 4–5 дней и демонстрирует зависимость от местного солнечного времени. Максимальные скорости потока наблюдаются на утренней и вечерней сторонах планеты.

Статья по итогам работы опубликована в журнале Icarus [1], и получила первую премию в конкурсе научных работ ИКИ РАН.

Одна из главных загадок Венеры — стремительное вращение её атмосферы вдоль параллелей. На верхней границе облаков воздушные потоки более, чем в 50 раз, обгоняют вращение твердого тела планеты. Это явление получило название суперротация. До сих пор не до конца ясно, что за механизм создает её и поддерживает. Чтобы раскрыть эту тайну, необходимо собрать как можно больше данных о том, как в атмосфере планеты переносятся энергия и импульс. К сожалению, Венера надежно хранит свои секреты: нижняя часть атмосферы закрыта плотным слоем облаков, и о многом приходится догадываться по косвенным признакам — тому, что происходит на поверхности облачного покрова.

Изучение динамики верхнего яруса облаков Венеры предприняли сотрудники Института космических исследований РАН Игорь Хатунцев, Марина Пацаева, Николай Игнатьев и Александр Тюрин совместно с зарубежными коллегами из Европы и США. Исследователи проанализировали данные камеры VMC (Venus Monitoring Camera, «камера для мониторинга Венеры»), установленной на борту автоматической межпланетной станции «Венера-Экспресс» (Venus Express, Европейское космическое агентство) за шесть земных или почти десять венерианских лет с 2006 до 2012 г. и по видимому движению облачных деталей составили общую картину движения воздушных масс на высоте около 70 км над поверхностью планеты [2].

VMC ведет съёмку в четырех спектральных каналах: двух инфракрасных, видимом и ультрафиолетовом. Последний — наиболее интересный для исследования динамики венерианской атмосферы, поскольку именно в ультрафиолетовом диапазоне верхняя кромка облаков Венеры выглядит наиболее контрастной. По перемещению облачных деталей, которые видны на снимках, можно оценить их скорость движения.

Кроме ультрафиолетовых (365 нм), в исследовании использовались данные одного из ИК-каналов (965 нм), где видны облака на высоте около 55 км.

Разрешение использованных в работе изображений менялось от 50 до 10 км/пиксел в зависимости от того, насколько близко аппарат подходил к планете: от 66 000 до 12 000 км (Рис. 1). Из-за особенностей орбиты исследователи сосредоточились на исследовании южного полушария Венеры, проанализировав УФ-изображения, полученные с 703 орбит. Из них 127 были обработаны вручную: ученые визуально отслеживали движение деталей облачного покрова по сериям последовательных снимков, а затем рассчитывали скорость потока. Ещё 576 орбит прошли автоматическую обработку по специальному алгоритму. В итоге число векторов, которые указывают не только величину скорости потока, но и направление, составило более 45 тысяч для «ручного» набора данных и более 390 тысяч — для «автоматизированного». Из инфракрасного набора снимков вручную были проанализированы изображения с 10 орбит и получено 1800 векторов.

Рис.1 Пример ультрафиолетовых изображений Венеры, полученных во время приближения аппарата «Венера-Экспресс» к планете. В левом верхнем угле снимков указаны орбитальное время (до прохождения перицентра) и пространственное разрешение

Результаты этой кропотливой работы — получены значения средней скорости потока в зависимости от широты (Рис. 2). Скорость потока, восстановленная по ультрафиолетовым изображениям, в низких широтах составляет примерно 90 м/с и направлена на запад. От экватора к полюсу скорость растет, достигая на широтах 40–50 градусов 100 м/с (речь идёт именно о средних значениях), при этом меняется и направление потока, который по мере удаления от экватора все больше отклоняется к полюсам (на экваторе средний поток направлен почти вдоль параллелей). Период обращения атмосферы на экваторе составляет около 5 суток, уменьшаясь в средних широтах до 3 суток. От 50 градусов до полюса период обращения остается почти постоянным. Полученные результаты хорошо согласуются с более ранними наблюдениями на аппаратах «Маринер-10», «Пионер-Венера» и «Галилео» (НАСА).

Рис.2 Средние значения широтной (a) и меридиональной (b) компонент скорости потока за 10 венерианских лет, полученные в результате ручного анализа ультрафиолетовых снимков (c) ИКИ РАН

Анализ поведения зональной компоненты скорости потока в низких широтах за весь период наблюдений позволил исследователям впервые обнаружить, что в целом средняя скорость потока на Венере постепенно растет (Рис. 3), а период суперротации уменьшается. Возможные причины — вариации климата Венеры, колебания высоты облаков, а также, возможно, солнечной активности.

Рис.3 Долговременные изменения усредненной широтной компоненты скорости потока на высоте 68±2 км, отражающий её рост. На врезке: короткопериодические вариации, соответствующие периоду суперротации, ~ 4,5 суток, относятся к ряду наблюдений (1) (c) ИКИ РАН

Скорость потока в глубине верхнего облачного слоя (высота 55 км), полученная из анализа ИК-изображений, оказалась на 10–20 м/с меньше: около 70–80 м/с (такую же закономерность в 1970-х гг. наблюдали спускаемые аппараты). В средних и высоких широтах она постепенно уменьшается от экватора к полюсу.

Большой объём экспериментальных данных также дал материал для поиска периодических вариаций в скорости зонального потока. Сильнее всего скорость изменяется на низких широтах у экватора, характерный период колебаний — 4–5 дней. Кроме этого, она зависит от местного солнечного времени на Венере. Минимальная скорость воздушных потоков наблюдается в области полудня — той части диска планеты, что повернута к Солнцу. Максимальных значений она достигает на утренней и вечерней сторонах.

Бурная атмосфера Венеры продолжает интриговать исследователей: полученные результаты будут включены в модели, которые стремятся объяснить, что «закручивает» мощный вихрь на планете. Игорь Хатунцев и его коллеги продолжают анализ данных «Венеры-Экспресс», включив в него новейшую информацию, полученную после 2012 г. Но они касаются только южного полушария планеты. Для более полного понимания всей атмосферной динамики необходимы столь же детальные наблюдения и северной стороны Венеры, что может стать задачей новых венерианских миссий.

Автоматическая межпланетная станция «Венера-Экспресс» (Европейское космическое агентство) 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. [3].

Специалисты Института космических исследований 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 принимают участие как соисследователи. [4]