Миллиарды лет назад на Венере было столько же воды, сколько на Земле, — но на каком-то этапе её эволюции облака углекислого газа в атмосфере планеты вызвали самый интенсивный в Солнечной системе неуправляемый парниковый эффект. Это привело к резкому повышению температуры до уровня, наблюдаемого сегодня. Это, в свою очередь, вызвало испарение воды с планеты, после чего она исчезла в космосе. При этом атмосфера Венеры на уровне облаков вращается примерно в 60 раз быстрее, чем сама планета — явление, известное как супервращение.
Влияние магнитного поля на атмосферу Венеры
Согласно данным, полученным европейским космическим зондом BepiColombo во время пролёта мимо Венеры, из атмосферы планеты выбрасывается большое количество газов, включая углерод и кислород.
Эти данные были получены во время пролёта аппарата, направлявшегося к Меркурию, и могут пролить новый свет на «проницаемую» атмосферу нашего планетарного соседа. В дальнейшем эти результаты могут помочь учёным составить каталог состава хрупкой магнитной среды Венеры.
В отличие от Земли, планеты с собственным магнитным полем, защищающим её атмосферу от утечки в глубины космоса, Венера не обладает собственным стабильным магнитным полем. Это объясняется тем, что её более холодная внутренняя часть не может перемешивать расплавленный материал, что необходимо для создания и поддержания магнитного поля. Вместо этого солнечный свет, падающий на янтарно-зелёный шар, заряжает атомы его атмосферы , которые затем создают электрические токи, порождающие нестабильную, зависящую от солнечного света магнитосферу. Результаты исследования опубликованны 12 апреля 2024 года в журнале Nature Astronomy.
В августе 2021 года космический аппарат BepiColombo в течение 90 минут пролетал через слабую магнитосферу кометообразной формы, чтобы замедлиться и скорректировать свой курс, направляясь к своей конечной цели — Меркурию. Однако ученые, анализируя данные, полученные во время этого мимолетного визита аппарата, обнаружили ценную информацию о Венере. Заряженные частицы, или ионы, по-видимому, покидали планету из-за солнечного света, ускоряющего молекулы в атмосфере до чрезвычайно высоких скоростей. Эти скорости были настолько высоки, что ионы даже преодолевали гравитацию планеты и улетали в космос.
Художественное изображение миссии BepiColombo, пролетающей мимо Венеры. ESA.ATG medialab
«Это тяжелые ионы, которые обычно движутся медленно, поэтому мы все еще пытаемся понять механизмы, которые здесь задействованы», — заявила в своем сообщении Лина Хадид, исследовательница из Лаборатории физики плазмы во Франции, возглавляющая новый анализ.
Плотная, адская атмосфера Венеры состоит преимущественно из углекислого газа, но также содержит меньшее количество азота и других газов в следовых количествах. Ранее ученые знали о наличии крошечных количеств кислорода на ночной стороне Венеры, а в ноябре прошлого года другая группа исследователей обнаружила эту молекулу и на дневной стороне планеты. Эта же группа пришла к выводу, что концентрация кислорода на Венере снижается одновременно с уменьшением солнечной радиации.
Картографический радар зонда «Магеллан» фиксирует область Эйстлы, вулкан Гула Монс и кратер Куниц на поверхности Венеры. Getty Images/Lee Corkran
Исследование потери этих молекул и механизмов их высвобождения «имеет решающее значение для понимания того, как эволюционировала атмосфера планеты и как она потеряла всю свою воду», — заявил в том же заявлении соавтор исследования Доминик Делькурт, также научный сотрудник Лаборатории физики плазмы.
Космический аппарат BepiColombo приближается к завершению своего семилетнего путешествия и, как ожидается, достигнет Меркурия в конце 2025 года. Тем временем, в ближайшее десятилетие планируется визит на Венеру целого флота роботизированных аппаратов. Запуск европейского космического аппарата Envision запланирован на 2031 год, а запуск аппарата DAVINCI НАСА, первоначально запланированный на 2029 год, был отложен до 2031 года.
Возобновленная миссия VERITAS теперь также запланирована на запуск не ранее 2031 года, хотя члены команды по-прежнему выступают за более ранний запуск, в ноябре 2029 года.
Во время своей семилетней миссии по исследованию Солнца, в ходе которой космический аппарат НАСА «Паркер» (Parker Solar Probe) мчался сквозь космос, ему, возможно, наконец-то удалось обнаружить источник загадочных «молниеносных» бурь на Венере. Это открытие произошло в 2021 году, когда «Паркер» совершил плановый пролёт мимо Венеры, чтобы использовать гравитационное притяжение планеты и приблизиться к своей главной звезде.
Вкратце, согласно статье, основанной на данных телескопа Паркер за 2021 год, вспышки света на Венере, которые многие эксперты связывают с молниями, возможно, вовсе не являются молниями. Скорее, они, по-видимому, связаны с возмущениями в магнитных полях, окружающих планету. Конечно, это не значит, что на Венере нет молний — возможно, просто не в таком количестве, как мы когда-то думали.
«Споры о молниях на Венере ведутся уже почти 40 лет, — сказал Джордж. — Надеюсь, с помощью новых данных мы сможем помочь разрешить этот спор».
По сути, хотя Венера, судя по сигналам, собранным учеными за прошедшее время, кажется, испещрена молниями, кое-что не совсем сходится. Например, в исследовании 2021 года, говорится в заявлении, не удалось обнаружить радиоволны, которые можно было бы ожидать от молний на планете, а статья, опубликованная в августе 2023 года, предполагает, что некоторые вспышки света, обычно приписываемые венерианским молниям, на самом деле являются метеорами, сгорающими в атмосфере планеты.
По сути, Джордж и его коллеги-исследователи пришли к своим выводам о молниях на Венере — или их отсутствии — путем отслеживания явления, известного как «свистящие волны». Статья с описанием этих результатов была опубликована 29 сентября 2023 года в журнале Geophysical Research Letters.
Свистовые волны — это мимолетные импульсы энергии, выражающиеся в виде электромагнитных волн, которые могут распространяться через различные среды; на Земле, например, они распространяются через часть атмосферы и обычно длятся около половины секунды. Но что наиболее важно, на Земле эти свистовые волны возникают именно в результате разрядов молний.
Художественное изображение космического аппарата NASA Parker Solar Probe, пролетающего мимо Венеры. NASA/Johns Hopkins APL/Стив Гриббен
Поэтому, когда в 1978 году ученые впервые заметили свистящие волны на Венере благодаря космическому аппарату Pioneer Venus, вполне понятно, почему они предположили, что на Венере должно быть очень много молний. Настолько много, что многие эксперты считали, что на Венере молний примерно в семь раз больше, чем на нашей планете, согласно заявлению, сделанному в связи с новым исследованием.
«Некоторые ученые, увидев эти признаки, сказали: „Это может быть молния“, — сказал Джордж. — Другие же сказали: „На самом деле, это может быть что-то другое“. С тех пор споры на эту тему ведутся уже несколько десятилетий».
Смотрите также... Белые карлики могут быть началом новой планетарной системы второго поколения |
После открытий «Пионера» космический аппарат «Галилео» в 1990 году обнаружил дополнительные свидетельства молний, однако пролёты «Кассини » в 1998 и 1999 годах не выявили на Венере радиопомех, которые, как ожидалось, сопровождают молнии. Затем , в период с 2006 по 2014 год, « Венера Экспресс» , первый европейский орбитальный аппарат, исследовавший Венеру, обнаружил многообещающие доказательства того, что да, на « злом двойнике » Земли есть молнии. Всё это весьма сомнительно, но окончательный ответ о молниях на Венере может быть уже близок — особенно потому, что данные Паркера были собраны, когда зонд находился на значительном расстоянии от планеты. Всего около 2414 километров (1500 миль).
Как объясняет Джордж, свистящие волны не обязательно должны быть вызваны молнией — и когда несколько лет назад аппарат Паркер пролетел мимо планеты соломенного цвета, он приблизился к ней невероятно близко и собрал данные, которые действительно указывают на то, что свистящие волны на Венере не вызваны молнией.
Исследователи наблюдали, как эти свистящие волны направлялись вниз, к планете, а не наружу, как это происходит с свистящими волнами, вызванными молниями на Земле, которые распространяются через атмосферу. «Они двигались в обратном направлении по сравнению с тем, что все представляли себе последние 40 лет», — сказал Дэвид Маласпина, соавтор исследования и доцент LASP.
Исходя из этого, команда выдвинула теорию, что волны возникают из-за возмущений в магнитных полях планеты. Или, точнее, идея заключается в том, что линии магнитного поля вокруг Венеры могут разрываться, а затем снова соединяться, в свою очередь, порождая всплески энергии, проявляющиеся в виде свистовых волн.
Вода и кислота в атмосфере Венеры
Миллиарды лет назад на Венере было столько же воды, сколько на Земле, — но на каком-то этапе её эволюции облака углекислого газа в атмосфере планеты вызвали самый интенсивный в Солнечной системе неуправляемый парниковый эффект. Это привело к резкому повышению температуры до уровня, наблюдаемого сегодня. Это, в свою очередь, вызвало испарение воды с планеты, после чего она исчезла в космосе.
Возможно, учёные идентифицировали молекулу, сыгравшую ключевую роль в лишении Венеры воды и превращении этой планеты в засушливый, адский мир, который мы видим сегодня.
Венеру часто называют «близнецом Земли», потому что обе планеты примерно одинакового размера и плотности; кроме того, обе являются каменистыми планетами, расположенными во внутренней области Солнечной системы. И всё же во многих важных аспектах Венера совершенно не похожа на Землю.
В то время как наша планета изобилует жизнью, Венера, вторая планета от Солнца, — это настоящий ад. Это самая горячая планета в Солнечной системе (даже горячее, чем Меркурий, который находится ближе всего к Солнцу), и её температура составляет около 880 градусов по Фаренгейту (471 градус по Цельсию). Этого достаточно, чтобы расплавить свинец. Кроме того, на поверхности Венеры наблюдается довольно высокое давление.
Сравнительное изображение Венеры и Земли в натуральную величину. NASA/Robert Lea
Важно отметить, что на Венере также отсутствует ключевой элемент для жизни, которого здесь, на Земле, предостаточно: вода. И это несмотря на то, что планета находится в так называемой «зоне Златовласки» Солнца, то есть в области вокруг нашей звезды, которая не слишком горячая и не слишком холодная для существования жидкой воды, — и несмотря на то, что учёные знают, что на Венере, вероятно, когда-то была вода.
Однако даже с учетом этого процесса ученые до сих пор не знают, как Венера стала настолько пустынной и как она продолжает терять оставшуюся у нее воду в космос. Теперь же группа ученых из Университета Колорадо в Боулдере, возможно, раскрыла секреты этого процесса, рассказав то, что они называют «историей воды на Венере».
«Вода действительно очень важна для жизни», — заявила в своем сообщении Эрин Канджи, соруководитель группы и научный сотрудник Лаборатории атмосферной и космической физики (LASP). «Нам необходимо понять условия, которые поддерживают существование жидкой воды во Вселенной и которые, возможно, привели к нынешнему очень сухому состоянию Венеры».
«Мы пытаемся выяснить, какие незначительные изменения произошли на каждой планете, которые привели её к этим совершенно разным состояниям».
Чтобы показать разницу в содержании воды на соседних планетах, Земле и Венере, Канджи объяснил, что если бы вся вода на нашей планете была равномерно распределена по ее поверхности, это создало бы глобальный слой толщиной почти 3,2 километра. Если же проделать то же самое с Венерой, то, удалив оставшуюся воду из атмосферы, мы получили бы глобальный слой толщиной всего 3 сантиметра. Результаты исследования команды были опубликованы 6 мая 2024 в журнале Nature.
«На Венере в 100 000 раз меньше воды, чем на Земле, хотя она практически такого же размера и массы», — пояснил в заявлении Майкл Чаффин, соруководитель группы и коллега по LASP.
На иллюстрации показано, как вода уходит в космос в виде атомарного водорода. Уроре Симонне / Лаборатория атмосферной и космической физики / Университет Колорадо в Боулдере
Чтобы определить, как Венера достигла своего нынешнего состояния, Канджи, Чаффин и их коллеги использовали компьютерные модели планеты, рассматривая её практически как гигантскую химическую лабораторию. Это позволило им детально изучить разнообразные реакции, происходящие в вихревой атмосфере Венеры, и выявить возможную причину потери воды.
Команда исследователей обнаружила, что молекула HCO+, состоящая из атома водорода, атома углерода и атома кислорода, находящаяся высоко в атмосфере Венеры, возможно, была ответственна за доставку последних остатков воды с планеты в космос.
«Для аналогии представьте, что я вылил воду из своей бутылки, — сказал Канджи. — Там все равно останется несколько капель».
По сути, ионы HCO+ могут удалять эти капли из атмосферы Венеры. Более того, та же группа исследователей ранее предполагала, что именно ионы HCO+ стали причиной потери воды на Марсе, другом соседе Земли.
Исследователи утверждают, что ионы HCO+ постоянно образуются в атмосфере Венеры, но эти ионы недолговечны. Ион — это положительно или отрицательно заряженная молекула, получившая свой заряд либо из-за недостатка электронов, необходимых для уравновешивания положительного заряда протонов, либо из-за наличия лишних электронов, создающих суммарный отрицательный заряд в молекуле.
Иону HCO+ не хватает электронов, необходимых для уравновешивания положительного заряда протонов молекулы, и поэтому он имеет положительный заряд (отсюда и символ +).
Электроны в атмосфере Венеры быстро рекомбинируют с HCO+, в результате чего молекула расщепляется на две части. После этого, как утверждают исследователи, атомы водорода стремительно удаляются и, возможно, даже улетают в космос. Атомы водорода образуют два компонента молекулы воды (H2O), которая состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, поэтому Венера лишается основных компонентов — воды.
Команда исследователей считает, что для того, чтобы Венера достигла своего экстремально сухого состояния, в её атмосфере должен был присутствовать избыток молекул HCO+.
«Один из неожиданных выводов этой работы заключается в том, что ионы HCO+ на самом деле должны быть одними из самых распространенных ионов в атмосфере Венеры», — сказал Чаффин.
Иллюстрация процесса спуска зонда миссии DAVINCI через атмосферу Венеры. Центр космических полетов имени Годдарда НАСА
Однако у этого вывода есть одно существенное препятствие. До сих пор мы никогда не наблюдали ионов HCO+ в атмосфере Венеры.
Чаффин и Канджи считают, что это происходит не потому, что молекулы там нет, а потому, что человечеству не хватало инструментов, необходимых для её наблюдения. Хотя соседнюю с Землей планету Марс посетили многие космические аппараты с Земли, лишь немногие миссии побывали на нашей другой соседней Венере — и ни одна из них не имела необходимого оборудования для наблюдения за HCO+.
Однако ряд будущих космических миссий нацелены на Венеру. Миссия НАСА по исследованию благородных газов, химии и визуализации Венеры (DAVINCI) является особенно важной. Однако даже у компании DAVINCI не будет необходимого оборудования для обнаружения HCO+.
Тем не менее, команда надеется, что благодаря DAVINCI (и предстоящей миссии Европейского космического агентства EnVision) возникнет общий интерес к Венере, что в конечном итоге приведет к созданию космической миссии, действительно способной обнаруживать HCO+, тем самым подтверждая версию команды о потере воды.
«Миссий на Венеру было немного», — заключил Канджи. «Но новые запланированные миссии будут использовать многолетний коллективный опыт и растущий интерес к Венере для изучения экстремальных условий планетных атмосфер, эволюции и обитаемости».
Супервращение и гидравлический скачок атмосферы Венеры
Исследование 2025 года предполагает, что ежедневный приливный цикл в атмосфере может быть более значимым фактором, вызывающим быстрые ветровые колебания на Венере, чем считалось ранее.
Представьте себе катастрофические ветры урагана пятой категории. А теперь представьте еще более сильные ветры, превышающие 100 метров в секунду, которые вращаются вокруг планеты и несут облака по небу, и конца этому не видно. Такой сценарий был бы поразительным на Земле, но на Венере все происходит как обычно, поскольку атмосфера на уровне облаков вращается примерно в 60 раз быстрее, чем сама планета — явление, известное как супервращение. В отличие от этого, атмосфера Земли на уровне облаков вращается примерно с той же скоростью, что и поверхность планеты. Статья первоначально была опубликована на сайте Eos.
Предыдущие исследования изучали механизмы, приводящие к сверхвращению атмосферы на Венере, но детали остаются неясными. Данные, полученные Лаем и др., предполагают, что ежедневный приливный цикл в атмосфере, подпитываемый солнечным теплом, вносит гораздо больший вклад в экстремальные ветры на планете, чем считалось ранее.
Быстрое вращение атмосферы часто наблюдается на каменистых планетах, которые, как Венера, расположены относительно близко к своим звездам и вращаются очень медленно. На Венере один полный оборот занимает 243 земных дня. В то же время атмосфера вращается вокруг планеты всего за 4 земных дня.
Репродукция изображения панорамы поверхности Венеры, полученная со спускаемого аппарата станции «Венера-14». РИА Новости/Борис Приходько
Для лучшего понимания этого супервращения исследователи проанализировали данные, собранные в период с 2006 по 2022 год спутником Venus Express Европейского космического агентства и спутником Akatsuki Японского агентства аэрокосмических исследований, которые изучали атмосферу Венеры, регистрируя её искривление радиоволн. Исследовательская группа также смоделировала супервращение, используя численную модель атмосферы Венеры.
Смотрите также... Немного о кошках: история одомашнивания и интересные факты о поведении домашних питомцев |
Анализ был сосредоточен конкретно на термических приливах — одном из нескольких атмосферных процессов, наряду с меридиональной циркуляцией и планетарными волнами, взаимодействие которых, как было показано ранее, поддерживает сверхвращение Венеры за счет переноса импульса. Термические приливы — это закономерности движения воздуха, которые возникают, когда солнечный свет нагревает воздух на дневной стороне планеты. Венерианские термические приливы можно разделить на два основных компонента: суточные приливы, которые следуют циклическому образцу, повторяющемуся один раз в венерианские сутки, и полусуточные приливы, которые имеют два цикла в сутки.
Более ранние исследования предполагали, что полусуточные приливы являются основным компонентом термических приливов, участвующих в супервращении. Однако данное исследование, включающее первый анализ термических приливов в южном полушарии Венеры, показало, что суточные приливы играют первостепенную роль в переносе импульса к вершинам плотных облаков Венеры, что позволяет предположить, что суточные приливы вносят существенный вклад в быстрые ветры.
Хотя исследователи отмечают, что необходимы дальнейшие уточнения относительно вклада суточных приливов, эта работа проливает новый свет на экстремальные ветры на Венере и может помочь в метеорологических исследованиях других медленно вращающихся планет.
Огромная полоса облаков длиной 3700 миль (6000 километров), которая огибает Венеру каждые несколько дней, образуется за счет поднимающихся паров серной кислоты, выталкиваемых высоко в атмосферу в результате явления, по сути, того же самого, что описывает, как вода из проточного крана растекается по раковине на вашей кухне.
В 2016 году Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) в рамках своей миссии «Акацуки» к Венере обнаружило скопление облаков на высоте около 50 км в плотной атмосфере Венеры. Эта погодная система расположена вдоль экватора планеты, но ученые до сих пор не могут объяснить ее огромные размеры, скорость и заметно острый передний край.
Однако эта загадка оставалась неразгаданной всего десять лет. Создав математические модели, описывающие динамическое течение газа и подъем газовых скоплений, международная группа астрономов наконец-то выяснила источник этого масштабного атмосферного явления. Ответ кроется в так называемом «гидравлическом скачке», который происходит, когда газ или жидкость, движущаяся на небольшой глубине, но быстро, внезапно замедляется, становясь при этом глубже. Пример из повседневной жизни: вода, вытекающая из крана в раковину на кухне; в месте соприкосновения со дном раковины она сначала движется на небольшой глубине, но быстро, но по мере распространения быстро становится глубже и замедляется. Результаты исследований команды были опубликованы 24 апреля 2026 года в журнале Journal of Geophysical Research — Planets.
Дневная сторона Венеры, покрытая облаками, как её наблюдал японский зонд «Акацуки» в 2016 году. JAXA
Аналогичное явление наблюдается в атмосфере Венеры, которая почти полностью состоит из углекислого газа, а также небольшого количества азота и следовых количеств других газов, включая диоксид серы, способный образовывать облака. Не слишком высоко над выжженной поверхностью Венеры распространяется атмосферная волна, движущаяся на восток. Это планетарная волна, то есть она простирается на тысячи километров и сосредоточена в экваториальной области планеты. (Диаметр самой Венеры составляет 7520 миль/12104 километра, поэтому волна шириной 3700 миль/6000 километров — это довольно значительное явление.)
На Земле мы бы назвали такую волну «волной Кельвина», и они могут возникать как в океане, так и в атмосфере. Конечно, при температуре поверхности, превышающей 860 градусов по Фаренгейту (460 градусов по Цельсию), на Венере нет океанов, и её волна Кельвина возникает исключительно в атмосфере.
Когда волна Кельвина на Венере замедляется, это вызывает гидравлический скачок, который позволяет мощному восходящему потоку паров серной кислоты подняться на высоту около 50 километров, где они конденсируются в скопление облаков серной кислоты пугающе огромных размеров. Затем эти облака начинают тянуться за волной Кельвина, которая отмечает передний край облачного массива.
«Теперь мы можем показать, что это разрушение облаков вызвано самым большим известным гидравлическим скачком в Солнечной системе», — заявил руководитель исследования Такеши Имамура из Токийского университета в своем заявлении . «Наше открытие гидравлического скачка на Венере, связывающего очень крупномасштабный горизонтальный процесс с сильной локализованной вертикальной волной, является неожиданным, поскольку в гидродинамике они обычно не связаны между собой».
Это открытие — первый случай обнаружения гидравлического скачка на планете за пределами Земли. Поэтому тот факт, что гидравлический скачок на Венере ведет себя неожиданным образом, возможно, не должен вызывать особого удивления и напоминает о том, что атмосферные явления на других планетах могут сильно отличаться от того, что мы наблюдаем на нашей планете.
Распространенный пример гидравлического скачка, возникающего, когда вода вытекает из крана в раковину: в месте соприкосновения с дном раковины вода сначала движется неглубоко, но быстро, однако по мере распространения она быстро становится глубже и движется медленнее. James Kilfiger/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0
Атмосфера Венеры сильно отличается от земной — она богата углекислым газом, настолько гнетущая, что создает сокрушительное давление на поверхности в 92 бара, и вращается вокруг Венеры со скоростью, превышающей земную, так что ее атмосфера совершает оборот вокруг планеты всего за четыре земных дня, в то время как твердому телу Венеры требуется 243 дня для совершения одного оборота.
«До сих пор мы использовали глобальную модель циркуляции Венеры, похожую на земную, но эта модель не включает гидравлический скачок, который мы теперь выявили», — сказал Имамура. «Наш следующий шаг — проверить это открытие с помощью более полной климатической модели, которая включает другие атмосферные процессы. Мы столкнемся с некоторыми трудностями из-за огромной вычислительной мощности, необходимой для проведения таких симуляций. Даже с современными суперкомпьютерами это непросто».
На этом эскизе, сделанном 19 апреля 1977 года, высокие столбы белого пара поднимаются над каменистой поверхностью Венеры.
Чуть более года спустя НАСА запустило космический аппарат Pioneer Venus 1, первый из двух аппаратов, входящих в состав орбитального аппарата и зонда, предназначенных для изучения атмосферы Венеры.
Первый американский космический аппарат, вышедший на орбиту Венеры, Pioneer Venus 1, использовал радар для картографирования поверхности Венеры. Зонд обнаружил, что поверхность Венеры в целом более гладкая, чем Земля, хотя на ней есть гора выше Эвереста и пропасть глубже, чем Большой каньон.
На этом эскизе художника от 19 апреля 1977 года высокие столбы белого пара поднимаются над каменистой поверхностью Венеры. NASA/Рик Гуидис
Благодаря исследованиям, проведенным аппаратом Pioneer Venus 1 и другими космическими аппаратами, такими как Magellan , Galileo , Cassini и даже Parker Solar Probe , мы теперь имеем гораздо более полное представление о том, как выглядит поверхность Венеры.
Комментировать в ВконтактеСмотрите также... HTML, CSS-шпаргалка с примерами - тег IMG, figure и picture. Адаптирование, форматирование, эффекты Полный список обработчиков событий HTML / Javascript с примерами |
