Новые загадки космической соседки Земли

Международная команда с участием российских исследователей создала температурную карту верхней атмосферы Венеры на основе данных зонда «Венера-Экспресс». Обнаружены особенности, не имеющие пока объяснения: слой с повышенной температурой и более высокая, чем вечером, утренняя температура.

Ближайшая соседка Земли по Солнечной системе близка к ней по массе и размеру, но условия на Венере разительно отличаются от земных. На поверхности планеты, спрятанной за двадцатикилометровым слоем облаков из концентрированной серной кислоты в плотной атмосфере из углекислого газа, температура достигает 460 градусов Цельсия, а давление в 90 раз превосходит земное. Там постоянно дуют ветры, скорость которых больше, чем у земных ураганов. Но, несмотря на многолетние исследования, Венера таит еще много загадок. Как полагают астрофизики, ключ к пониманию многих из них – изучение атмосферы планеты.

С помощью приборов, установленных на зонде «Венера-Экспресс», были проведены измерения температуры атмосферы Венеры фактически от поверхности до 200 км (верхней атмосферы). В статье, опубликованной в журнале «Planetary and Space Science», исследователи из России, Франции, Бельгии, Германии и США проанализировали данные прибора SPICAV, полученные в 2006 -2013 годах для высот от 90 до 140 километров.  

На этих высотах располагается так называемая мезопауза – область атмосферы, где наблюдается минимум температуры, которая убывает с высотой. На Венере температурный минимум соответствует высоте 125 км. Выше мезопаузы, в термосфере, температура растет с высотой. Однако неожиданно для исследователей на высотах от 90 до 100 километров атмосфера оказалась на 20–40 градусов теплее. Там наблюдалась температура от –30 до –50 градусов Цельсия, хотя должна была быть не выше –70. Температура загадочного теплого слоя увеличивается от терминатора (границы между дневной и ночной сторонами планеты) и достигает максимума на ночной стороне.  

Точной причины нагрева этого слоя исследователи пока не знают, хотя рассматривают несколько гипотез. Примерно на этих же высотах находится венерианский озоновый слой, и, как отмечает один из авторов статьи Денис Беляев, сотрудник ИКИ РАН и МФТИ, не исключено, что образование этих слоев взаимосвязано. Возможно, что дело в химических реакциях: распад озона под действием хлорсодержащих веществ может идти с выделением тепла.  
Другим механизмом нагрева может быть глобальное движение верхних слоев атмосферы на этих высотах с нагретой солнцем дневной стороны планеты на холодную ночную сторону. При этом нагретый газ опускается ниже, в более плотные слои, где вновь нагревается за счет сжатия.

Еще одна загадка верхней атмосферы Венеры заключается в том, что утром она примерно на 20 градусов теплее, чем вечером, хотя должно быть наоборот.

Ведь за ночь атмосфера должна остывать, а за день – нагреваться.

Возможно, что причина этого все в том же движении атмосферы с дневной стороны на ночную, где массы газа опускаются до высот 70 км, что может приводить к так называемому адиабатическому сжатию и нагреву атмосферы. Термин «адиабатический» означает, что выделяющееся тепло не успевает уйти из области выделения. За счет обратного процесса, адиабатического расширения при подъеме, на Земле водяной пар охлаждается, превращаясь в дождь, снег и град.

Специфика движения атмосферы Венеры связана с особенностями ее вращения вокруг оси. Вращается она очень медленно, совершая один оборот вокруг своей оси за 243 земных суток, в то время как оборот вокруг Солнца она делает за 228 суток. Благодаря этому солнечные сутки на Венере длятся 117 дней. На Венере нет смены времен года, так как ось ее вращения практически перпендикулярна к плоскости орбиты.

Европейский космический аппарат «Венера-Экспресс» (Venus Express), был выведен российской ракетой «Союз-ФГ» в 2005 году. В феврале 2015 года зонд прекратил свое существование, но полученные за 10 лет данные еще долго будут анализироваться учеными.

Два из семи научных приборов для зонда были разработаны при участии российских специалистов из ИКИ РАН и МФТИ. В том числе ими был разработан инфракрасный спектрометр для прибора SPICAV (SPectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Venus). Второй, ультрафиолетовый, спектрометр, с помощью которого и были получены данные о температуре атмосферы, разработали французские и бельгийские специалисты. Он позволил измерять температуру вертикальным разрешением менее 7 км

Температура атмосферы измерялась с помощью метода «звездного просвечивания». Он заключается в наблюдении за звездой в тот момент, когда она скрывается за краем планеты. В этот момент свет звезды проходит через атмосферу, и по его спектру можно определить ее характеристики. Для наблюдений было выбрано около 50 звезд с ярким излучением в ультрафиолете, в рабочем диапазоне спектрометра (от 118 до 320 нанометров) В течение нескольких минут, пока звезда не скрылась за планетой, прибор раз в секунду снимал ее спектр. Затем ученые выделяли в нем вклад атмосферы, который позволяет определить ее газовый состав и плотность на разных высотах. Исходя уже из этих данных, вычислялась температура. Всего за 7 лет было получено 587 «срезов» атмосферы, а точки измерений покрыли практически все ночное полушарие планеты.

Работа российских участников исследования финансировалась из средств мегагранта правительства РФ, полученного МФТИ в 2011 году. В рамках этого мегагранта в МФТИ была создана Лаборатория инфракрасной спектроскопии планетных атмосфер высокого разрешения под руководством Владимира Краснопольского.