Исследователи из ИКИ РАН совместно с зарубежными коллегами из Италии изучили особенности динамики ночной атмосферы Венеры на высотах 90-110 километров над поверхностью. Ученым впервые удалось обнаружить влияние рельефа подстилающей поверхности на динамические процессы на границе верхней мезосферы планеты. Статья с результатами работы опубликована в журнале «Geophysical Research Letters».

Динамика массивной и плотной атмосферы Венеры — уникальное явление в Солнечной системе. Хотя она проще земной, но отнюдь не является простой, и попытки её полного моделирования пока не увенчались успехом.

Сейчас известно, что практически вся газовая оболочка планеты, от поверхности до 85–90 км, стремительно вращается вдоль параллелей с востока на запад. На верхней границе облаков воздушные потоки движутся со скоростью около 100 м/с (360 км/ч) и более чем в 50 раз обгоняют вращение твердого тела планеты. Это так называемый режим суперротации, который захватывает облачные слои в нижней тропосфере и следующей за ней мезосфере.

Начиная с высоты примерно 110 км (мезопауза) атмосферные потоки начинают двигаться иначе: от подсолнечной точки на освещённой стороне к антисолнечной на ночной стороне. Между ними, на высотах 90–110 км, располагается переходный слой, динамике которого, как предполагается, присущи черты обоих режимов.

Чтобы узнать, что происходит в этой области, исследователи — сотрудники ИКИ Дмитрий Горинов, Игорь Хатунцев, Людмила Засова, Александр Тюрин и их коллега Джузеппе Пиччони (Giuseppe Piccioni) Национальный институт астрофизики Италии) — обратили внимание на специфическое свечение на длине волны 1,27 микрона в инфракрасном диапазоне, которое испускает атомарный кислород на ночной стороне планеты. Его появление здесь связано именно с атмосферными течениями. На дневной стороне Венеры под действием солнечного излучения появляются атомы кислорода, которые на большой высоте «дрейфуют» на ночную сторону. Там, в нисходящем атмосферном потоке, они опускаются ниже и соединяются в молекулы кислорода (рекомбинируют), этот процесс сопровождается излучением в инфракрасном диапазоне.

Рис. 1. Примеры изображений ночного свечения молекулярного кислорода на длине волны 1,27 микрона, полученных прибором VIRTIS на борту КА «Венера-Экспресс». Стрелками указаны детали свечения, подходящие для расчёта скоростей ветра. Илл. из статьи Gorinov, D. A. et al., 2018

Это свечение наблюдал картирующий спектрометр VIRTIS-М на борту космического аппарата «Венера-Экспресс» (Европейское космическое агентство), вышедшего на орбиту планеты в 2006 году. Среднюю высоту, на которой рождалось излучение, оценили примерно в 97 км над поверхностью. Кроме этого, уже тогда заметили, что свечение распределяется по ночной стороне Венеры неравномерно, а значит, интересно изучить закономерности этого распределения, скорости перемещения отдельных деталей «узора».

Это и было сделано в новой работе. Дмитрий Горинов и его коллеги проследили за движением отдельных ярких деталей на изображениях венерианского диска и таким образом получили представление о направлении и скорости ветра на высотах примерно 97 км. Использовались данные наблюдений с июля 2006 по сентябрь 2008 года. Из-за особенностей орбиты «Венеры-Экспресс» особенно детально было изучено южное полушарие и экваториальная часть северного приблизительно до 20 параллели.

Картина, которая открылась на полученных картах, оказалась весьма сложной и несимметричной относительно полуночи. Это означает, что циркуляция со стороны утреннего терминатора отличается от вечернего. По данным VIRTIS-М, на «утренней» стороне атмосферные массы на этой высоте движутся преимущественно по направлению к полюсу и к полуночной точке (на восток). На «вечерней» стороне — также к полуночной точке (на запад), но к экватору. Эти потоки встречаются, но не у линии полуночи, а немного ранее, приблизительно на линии 22 часов, где и расходятся к полюсу и к экватору.

Но ещё более интересный и важный результат работы — обнаружены свидетельства того, что на циркуляцию атмосферы на такой высоте (почти 100 км) влияет рельеф подстилающей поверхности. На отдельных изображениях видно, что потоки как бы «обтекают» невидимые препятствия, которые располагаются над топографическими возвышенностями поверхности планеты.

Рис. 2. Пример соответствия морфологии свечения кислорода на высоте 90-110 км и рельефа подстилающей поверхности (данные КА «Магеллан», НАСА). Цветом показана высота в километрах. Линиями показаны области различной интенсивности свечения молекулярного кислорода по данным спектрометра VIRTIS. После визуального смещения контуров свечения на северо-восток против измеренной скорости ветра (показана стрелками) наблюдается совпадение с характерной формой области Фебы. Илл. из статьи Gorinov, D. A. et al., 2018

И хотя данных «Венеры-Экспресс» недостаточно, чтобы уверенно говорить о связи между рельефом и атмосферными течениями на высоте около 100 км, исследователи попытались детально изучить движения некоторых ярких областей, предположив, что они связаны с высокогорьями, в частности, с областью Фебы (Phoebe Regio). Если это предположение верно, то можно говорить, что яркие области служат своего рода «указателем» возвышенностей, с учётом возможных смещений.

Механизмом, который лежит в основе этой корреляции, могут служить стационарные внутренние гравитационные волны (ВГВ), которые возникают при обтекании ветром гор и других возвышенностей.

Итак, течения в переходном слое атмосферы организованы более сложно, чем предполагалось ранее. Как подчеркивает Дмитрий Горинов, динамика потоков на этой высоте оказалась не связанной, по крайней мере, напрямую, ни с суперротацией, ответственной за циркуляцию нижележащих слоев, ни с динамикой более высоких слоёв атмосферы. Дальнейшее наблюдение за областями свечения кислорода может прояснить её особенности, а моделирование — понять механизмы и интерпретировать результаты наблюдений.

***

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.