Сюрпризы миссии «Акацуки»

Главная цель миссии «Акацуки» – исследование Венеры, ближайшей к нам планеты. Если сравнивать ее с Землей, она является самой похожей по размеру, массе, плотности и составу. На первый взгляд отличаются только их расстояния до Солнца. Но если мы возьмем другие физические параметры — например, вращение вокруг оси – то Венера оказывается наиболее медленно вращающейся планетой Солнечной системы: на один оборот у нее уходит 243 земных дня. Это не может не сказываться на динамике венерианской атмосферы.

Еще одна существенная разница между планетами – масса и состав газовых оболочек: венерианская состоит в основном из углекислого газа, что является причиной сильнейшего парникового эффекта. Также Венера постоянно укутана плотными облаками. Их главный компонент — мелкие капли серной кислоты. Большая часть их находится на высотах от 45 до 70 км. В среднем плотность этих облаков невелика, но в определенных спектральных диапазонах они демонстрируют высококонтрастные детали, появляющиеся благодаря присутствию неизвестного компонента, распределенного достаточно неравномерно и интенсивно поглощающего ультрафиолет. Ученые пока не имеют даже идей о возможной природе этого вещества – известно только, что оно поглощает до 50% УФ-излучения и присутствует, по-видимому, главным образом в верхних облачных слоях.

Понятно, что знание природы такого активного поглотителя необходимо для понимания механизмов венерианского парникового эффекта (самого сильного в Солнечной системе) и вообще динамики атмосферы этой планеты.

Из-за намного более медленного вращения Венеры и небольшого наклона ее экватора к плоскости орбиты уравнения, описывающие динамическое равновесие ее газовой оболочки, существенно отличаются от тех, которые используются для описания атмосферы Земли. На нашей планете скорость уменьшения атмосферного давления по мере подъема от поверхности практически обратно пропорциональна высоте — такая модель называется геострофической. Также на направление воздушных потоков здесь сильно влияет вращение планеты (самое быстрое среди планет земной группы), в результате чего большинство ветров дует параллельно экватору. На Венере этот фактор незначителен; тем не менее, в ее атмосфере также доминируют широтные ветра, движущиеся в 60 раз быстрее линейной скорости вращения ее твердой поверхности Этот эффект планетологи назвали «суперротацией».

Для изучения Венеры используется методика наблюдений в разных участках спектра. В основном мы «видим» тепловое излучение различных облачных слоев, но некоторые приборы позволяют непосредственно наблюдать ее поверхность. Также мы имеем возможность регистрировать кислород до высоты 100 км. В своих исследованиях суперротации мы сосредоточились на ультрафиолетовом, инфракрасном и видимом излучении облаков на дневной стороне. Наблюдения ночной стороны в более далеком ИК-диапазоне позволяют изучать глубокие атмосферные слои (как уже было сказано, практически вплоть до поверхности).

В свое время европейский зонд Venus Express исследовал распределение скоростей ветров в венерианской атмосфере в зависимости от высоты и широты путем наблюдений за облаками в спектральной линии 380 нм (на границе видимого и ультрафиолетового диапазона), а также в ближнем инфракрасном диапазоне – на длинах волн 900 и 1700 нм. В целом было подтверждено, что эффекты суперротации усиливаются по мере подъема от поверхности.

Кроме суперротации, происходящей в широтном направлении, в атмосфере Венеры существует также меридиональная циркуляция, переносящая вещество (вместе с моментом импульса) от экваториальных областей к полюсам и обратно. В задачи миссии «Акацуки», в частности, входил поиск ответа на вопрос, насколько эффективен этот процесс.

Первая японская миссия к Венере посвящена главным образом исследованиям суперротации. Научная нагрузка космического аппарата состоит практически исключительно из фотокамер. Также на нем установлен радар для измерения вертикального профиля температур, плотности капелек серной кислоты и концентрации электронов в ионосфере. Все камеры снабжены разнообразными фильтрами, позволяющими им наблюдать различные слои атмосферы.

Изначально предполагалось, что орбита «Акацуки» будет лежать вблизи экваториальной плоскости планеты, благодаря чему его наблюдения дополняли бы данные, полученные зондом Venus Express на протяжении девяти лет его работы.

«Акацуки» вышел на орбиту вокруг Венеры в декабре 2015 г. с пятилетней задержкой, причем его финальная траектория заметно отличалась от расчетной — за лишних 5 лет космических странствий главный двигатель аппарата полностью вышел из строя, а вспомогательные двигатели не могли обеспечить нужный тормозной импульс. Японские инженеры разработали несколько стратегий достижения целевой орбиты, и в итоге им почти удалось это сделать.

Камера UVI ведет фотографирование на длинах волн 283 нм и 365 нм (последняя непосредственно примыкает к фиолетовому концу видимого спектра). В первой из этих линий, как мы уже знаем, очень хорошо проявляются детали, связанные с избыточной абсорбцией ультрафиолета венерианской атмосферой, поэтому, объединяя результаты съемки через оба фильтра, можно выделить следы поглощения уже упомянутым неизвестным компонентом.

Следующая камера — IR2 — в основном ведет регистрацию инфракрасного излучения более глубоких облачных слоев на длинах волн 1,74, 2,02, 2,26 и 2,32 мкм (на волне 1,65 нм производится съемка небесной сферы для изучения распределения яркости зодиакального света – солнечного излучения, рассеянного частицами межзвездной пыли). Она позволяет измерить концентрацию моноксида углерода СО на разных высотах. Также по результатам съемки дневной стороны планеты можно рассчитать атмосферное давление и оценить плотность облаков.

Камера IR1 используется для зондирования среднего слоя облаков на дневной стороне и съемки теплового излучения поверхности (на длинах волн 1,01 мкм и 900 нм). Наконец, на космическом аппарате установлен инфракрасный болометр LIR, ведущий съемку в диапазоне около 10 мкм. Именно на полученных им изображениях и были обнаружены гигантские атмосферные волны. С них и следовало бы начать перечень наиболее значимых открытий, которые сделал «Акацуки» к настоящему времени.

Необычная вытянутая структура, простирающаяся почти от северного до южного полюса Венеры, была замечена уже на первых изображениях, полученных прибором LIR. Впоследствии оказалось, что она практически не участвует в общем вращении газовой оболочки и выглядит жестко «привязанной» к определенному участку поверхности. После тщательного сопоставления полученных данных с радиолокационными снимками планеты выяснилось, что на этих участках расположена одна из наиболее масштабных венерианских возвышенностей – Земля Афродиты с вершинами высотой до 9 км. Таким образом, при «столкновении» с ней приповерхностного слоя вращающейся атмосферы возникает стоячая волна. Ранее меньшие по размерам и сравнительно короткоживущие стоячие волны зарегистрировал Venus Express в верхних атмосферных слоях. Удивительным оказался тот факт, что на промежуточных высотах ничего подобного не наблюдается.

Поскольку почти на каждом витке «Акацуки» проходил между Венерой и Солнцем, мы имели возможность исследовать глории – светлые ореолы, наблюдаемые на облаках в том месте, где могла бы быть тень космического аппарата (если бы он находился ниже). Измерения их яркости позволили установить, что в облачных структурах преобладают частицы с эффективным радиусом 1,26 мкм, и в них также неизменно присутствует неизвестный УФ-поглотитель.

Вдобавок впервые были найдены свидетельства возможных климатических изменений на Венере. При сравнении показателей отражательной способности (альбедо) облаков на длине волны 365 нм, измеренных аппаратами Venus Express и «Акацуки» соответственно в 2006 и 2017 гг., выяснилось, что местами они изменились более чем на порядок. Как показало компьютерное моделирование, такие серьезные изменения в течение десятилетия могут быть объяснены вариациями солнечного нагрева в приэкваториальных широтах на 25-35%.

В тех же приэкваториальных областях в нижних слоях облаков был обнаружен мощный джет — сравнительно быстрый поток более горячего газа. На снимках Venus Express ничего подобного заметить не удалось. Более того: сопоставляя данные «Акацуки» с результатами более ранних наблюдений Венеры (в т.ч. наземных), проводившихся с 1978 г.. мы выявили долговременные изменения в интенсивности и направлении ветра, в особенности на небольших высотах.

Наконец, «Акацуки» сфотографировал множество новых типов облачных структур, не наблюдавшихся его предшественниками. Наиболее интересными из них оказались необычные «разрывы» в облаках, возникающие как в северном, так и в южном полушарии планеты. Мы также зарегистрировали множество стоячих волн в верхней атмосфере и быстродвижущихся волн, связанных с некими ритмичными процессами. Еще мы заметили много указаний на существование нестабильностей, влияющих на глубокие слои облаков.

Таковы основные открытия на данный момент, однако миссия «Акацуки» до сих пор продолжается, и мы ожидаем от нее еще много интересного. Приглашаем всех желающих к сотрудничеству в расшифровке данных, а также к осуществлению сопутствующих наземных наблюдений. Спасибо за внимание!