Долгосрочные колебания альбедо Венеры отражаются на её климате

В течение 10 лет учёные наблюдали за состоянием атмосферы Венеры с помощью датчиков, которые установлены на космических аппаратах. В результате выяснилось, что важная причина циклических климатических изменений — долгосрочные колебания альбедо (отражательной способности) этой планеты, а они связаны с количеством таинственных тёмных 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, которые аналогичны тем, что были обнаружены в атмосфере Земли. Хотя, скорее всего, всё прозаичнее: причина образования зон с пониженной отражательной способностью связана с химическими реакциями, которые происходят в атмосфере Венеры.

Человеческому глазу даже в телескоп не видна поверхность Венеры, так как эта планета полностью окутана плотной оболочкой непрозрачных облаков, которые обладают 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.

Альбедо — мера отражательной способности поверхности: отношение потока излучения, который рассеян поверхностью по всем направлениям, к падающему на эту поверхность потоку. Эта характеристика используются при исследованиях планет и их спутников, в частности для оценки энергетического баланса в атмосферах планет и при расчётах поглощения и рассеяния солнечного излучения. Среднее альбедо Земли составляет около 0,35. Это значит, что примерно 35% солнечной энергии, которая поступает к нашей планете, отражается обратно в космос. Альбедо Венеры — 0,65–0,76.

В статье из журнал The Astronomical Journal обобщается 10-летний опыт наблюдений за изменениями, которые происходят в атмосфере Венеры. Они выполнены 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 слоёв углекислотной атмосферы Венеры, которые состоят в основном из сернистого газа и частиц серной кислоты, довольно плохо поглощают солнечное излучение, отражая до 75% падающего потока. Однако на их фоне наблюдаются тёмные пятна, в пределах которых поглощение составляет до 50% и более. Эти пятна со временем то появляются, то исчезают, меняя своё местоположение и чёткость очертаний (рис. 2).

Впервые тёмные 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), которые формируются вблизи верхнего уровня облаков и характеризуются широким диапазоном спектра поглощения солнечной энергии: от ультрафиолета до видимого, достигающим максимального уровня в районе 340–380 нм. Для объяснения природы тёмных 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, которые обнаружены в атмосфере Земли). Гипотезу, что тёмные пятна в облаках Венеры сложены микроорганизмами, в своё время поддерживали такие крупные учёные, 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 тёмных 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, которые слагают тёмные пятна, и есть главная причина долгосрочных изменений альбедо Венеры. А они влияют на климат планеты. Авторы на основе моделирования вывели зависимость между содержанием в верхних слоях атмосферы неизвестного поглотителя и ожидаемым показателем альбедо (рис. 3).

Исследователи также установили периодичность изменений альбедо Венеры, примерно укладывающуюся в десятилетний цикл (рис. 4).

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. В 2016–2017 годах оно достигло уровня 2008–2009 годов.

Моделирование, которое провели авторы исследования, позволило более детально воссоздать картину происходящих в атмосфере циклических изменений. Главные элементы атмосферной циркуляции Венеры — зональные ветра, которые переносят тепло между дневной и ночной сторонами планеты, и меридиональные ветра, которые обусловлены движением воздушных масс разной температуры между низкими и высокими широтами. Серьёзное 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 учёные использовали последнюю версию Глобальной климатической модели Венеры (Venus GCM — Venus Global Climate Model). Она была разработана 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), влияющего на образование аэрозоля H2SO4–H2O, а также с солнечным циклом и вариациями плотности галактических космических лучей. Какими бы ни были состав и природа тёмных пятен в атмосфере Венеры, ясно, что они оказывают существенное влияние на климат на этой планете. Интенсивность вариаций этого климата существенно выше, чем климатические изменения на Земле.

https://elementy.ru/novosti_nauki/433529/Dolgosrochnye_kolebaniya_albedo_Venery_otrazhayutsya_na_ee_klimate