Долгосрочные колебания альбедо Венеры отражаются на ее климате

В течение 10 лет ученые наблюдали за состоянием атмосферы Венеры с помощью датчиков, установленных на космических аппаратах. В результате выяснилось, что важной причиной циклических климатических изменений являются долгосрочные колебания альбедо (отражательной способности) этой планеты, а они в свою очередь связаны с количеством таинственных темных пятен в атмосфере Венеры. Эти пятна поглощают солнечное излучение гораздо эффективнее окружающих более светлых облаков, но их природа пока не ясна. По одной из версий они представляют собой скопления микроорганизмов, аналогичных тем, что были обнаружены в атмосфере Земли, хотя скорее всего всё прозаичнее и причина образования зон с пониженной отражательной способностью связана с химическими реакциями, происходящими в атмосфере Венеры.

Человеческому глазу даже в телескоп не видна поверхность Венеры, так как эта планета полностью окутана плотной оболочкой непрозрачных облаков, обладающих высокой отражательной способностью (рис. 1). В отличие от Земли, где большая часть солнечной энергии поглощается на уровне поверхности, на Венере эта энергия в основном задерживается в облаках, и от отражательной способности — альбедо — этих облаков во многом зависит климат на планете.

В статье, опубликованной недавно в журнале The Astronomical Journal, обобщается 10-летний опыт наблюдений за изменениями, происходящими в атмосфере Венеры, выполненных с помощью ультрафиолетовых сканеров, установленных на космическом аппарате Европейского космического агентства «Венера-экспресс» и автоматической межпланетной станции Японского агентства аэрокосмических исследований «Акацуки», а также спектрометров американской автоматической межпланетной станции «Мессенджер» (основной целью которой был Меркурий, см. картинку дня Картографирование Меркурия) и космического телескопа «Хаббл».

В целом облака верхних слоев углекислотной атмосферы Венеры, состоящие в основном из сернистого газа и частиц серной кислоты, довольно плохо поглощают солнечное излучение, отражая до 75% падающего потока. Однако на их фоне наблюдаются темные пятна, в пределах которых поглощение составляет до 50% и более. Эти пятна со временем то появляются, то исчезают, меняя свое местоположение и четкость очертаний (рис. 2).

Рис. 2. Снимки видимой части Венеры, сделанные в 2006–2017 годах в диапазоне 365 нм с помощью ультрафиолетовых камер космического аппарата «Венера-экспресс» (VMC) и межпланетной станции «Акацуки» (UVI), показывают постоянные изменения конфигурации темных пятен. Слева — шкала альбедо от темного (0,0) до светлого (0,9); ?— фазовый угол в момент наблюдения (чем больше фазовый угол, тем меньшая площадь планеты видна наблюдателю). Рисунок из обсуждаемой статьи в The Astronomical Journal

Впервые темные пятна в атмосфере Венеры были обнаружены наземными телескопами более века назад. По сути — это скопления крошечных частиц неизвестной природы (их так и называют — неизвестные поглотители), формирующиеся вблизи верхнего уровня облаков и характеризующиеся широким диапазоном спектра поглощения солнечной энергии — от ультрафиолета до видимого, достигающим максимального уровня в районе 340–380 нм. Для объяснения природы темных пятен в разное время предлагались самые разные гипотезы: от чисто химических (образование в результате атмосферных реакций в верхних слоях атмосферы скоплений хлорида железа, аллотропов серы, диоксида серы и т. д.) до биогенных (частицы имеют примерно одинаковый размер и обладают такими же светопоглощающими свойствами, что и микроорганизмы, обнаруженные в атмосфере Земли). Гипотезу о том, что темные пятна в облаках Венеры сложены микроорганизмами, в свое время поддерживали такие крупные ученые, как американский биофизик Гарольд Моровиц (Harold J. Morowitz) и известный астроном и астрофизик Карл Саган. На поверхности Венеры условия для жизни экстремальные (температура в районе 450°C, давление больше 90 бар), но на высотах 50–65 км условия вполне приемлемые и напоминают земные, так что биогенную гипотезу нельзя просто так взять и отмести.

Ни наблюдения, ни результаты моделирования пока не смогли подтвердить правомерность той или иной гипотезы, так как ни один из видов микроорганизмов или неорганических веществ до конца не соответствует по своим спектральным характеристикам частицам темных пятен Венеры. Видимо, только появление более совершенного оборудования и новые исследовательские миссии, в рамках которых будут взяты пробы атмосферы Венеры, смогут поставить точку в этом вопросе.

Как показали результаты обсуждаемого исследования, именно увеличение или уменьшение в атмосфере Венеры количества неизвестных поглотителей, слагающих темные пятна, является главной причиной долгосрочных изменений альбедо Венеры, влияющих, в свою очередь, на климат планеты. Авторам на основе моделирования удалось вывести зависимость между содержанием в верхних слоях атмосферы неизвестного поглотителя и ожидаемым показателем альбедо (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость ожидаемого показателя альбедо (при условном фазовом угле 88°) от количества неизвестного поглотителя в атмосфере (f). За единицу принято среднее за период наблюдений значение f. Три горизонтальные пунктирные линии показывают максимальное (синий), среднее (черный) и минимальное (красный) наблюдаемые значения альбедо. Рисунок из обсуждаемой статьи в The Astronomical Journal

Исследователям также удалось установить периодичность изменений альбедо Венеры, примерно укладывающуюся в десятилетний цикл (рис. 4).

Рис. 4. Долгосрочные вариации альбедо на длине волны 365 нм для разных широтных зон Венеры (50–70° Ю. Ш. и 0–30° Ю. Ш.) при фазовых углах 75–80^о (слева) и 85–90^о (справа). Закрашенные символы — данные космического аппарата «Венера-экспресс» (VMC); пустые символы — данные межпланетной станции «Акацуки» (UVI). Рисунок из обсуждаемой статьи в The Astronomical Journal

В период с 2006 по 2014 год происходило непрерывное сокращение альбедо Венеры в ультрафиолетовом диапазон: в итоге этот показатель уменьшился почти в два раза. Затем началось увеличение альбедо и в 2016–2017 годах оно достигло уровня 2008–2009 годов.

Моделирование, проведенное авторами исследования, позволило более детально воссоздать картину происходящих в атмосфере циклических изменений. Главными элементами атмосферной циркуляции Венеры являются зональные ветра, переносящие тепло между дневной и ночной сторонами планеты, и меридиональные ветра, обусловленные движением воздушных масс разной температуры между низкими и высокими широтами. Серьезное падение альбедо в 2006–2014 годах и, как следствие, увеличение количества поглощаемой атмосферой солнечной энергии (на 25–40% в высоких широтах) привело к нагреву атмосферы и росту меридионального температурного градиента между полюсами и экватором. В результате средняя скорость зональных ветров выросла с 80–90 до 110 м/с. В меньшей степени, но также увеличилась и скорость меридиональных ветров. Аналогичным образом, увеличение альбедо в период 2014–2018 годах привело к снижению солнечного нагрева атмосферы и замедлению скоростей зональных ветров до 100 м/с, а также к уменьшению меридионального температурного градиента и падению скорости меридиональных ветров. Таким образом впервые был раскрыт сам механизм влияния альбедо на долгосрочные климатические изменения.

В качестве основы для моделирования использовалась последняя версия Глобальной климатической модели Венеры (Venus GCM — Venus Global Climate Model), разработанной в Институте Лапласа (Institut Pierre Simon Laplace, см.: I. Garate-Lopez, S. Lebonnois, 2018. Latitudinal variation of clouds’ structure responsible for Venus’ cold collar).

Авторы отмечают, что, с их точки зрения, изменения ультрафиолетового альбедо Венеры могут быть связаны с изменениями содержания в верхней зоне облаков газообразного диоксида серы (SO₂), непосредственно влияющего на образование аэрозоля H₂SO₄–H₂O, а также с солнечным циклом и вариациями плотности галактических космических лучей. Какими бы ни были состав и природа темных пятен в атмосфере Венеры, ясно, что они оказывают существенное влияние на климат на этой планете, и интенсивность вариаций этого климата существенно выше, чем климатические изменения на Земле.

Источник: Yeon Joo Lee, Kandis-Lea Jessup, Santiago Perez-Hoyos, Dmitrij V. Titov, Sebastien Lebonnois, Javier Peralta, Takeshi Horinouchi, Takeshi Imamura, Sanjay Limaye, Emmanuel Marcq. Long-term Variations of Venus's 365 nm Albedo Observed by Venus Express, Akatsuki, MESSENGER, and the Hubble Space Telescope // The Astronomical Journal. 2019. DOI: 10.3847/1538-3881/ab3120.

Владислав Стрекопытов