Kæmpemønster opdaget i skyerne på planeten Venus

En japansk forskergruppe har identificeret en kæmpe stribestruktur blandt skyerne, der dækker planeten Venus baseret på observation fra rumfartøjet Akatsuki. Holdet afslørede også oprindelsen af ​​denne struktur ved hjælp af klimasimuleringer i stor skala. Gruppen blev ledet af Project Assistant Professor Hiroki Kashimura (Kobe University, Graduate School of Science), og disse resultater blev offentliggjort den 9. januar i Naturkommunikation .

Venus kaldes ofte Jordens tvilling på grund af deres samme størrelse og tyngdekraft, men klimaet på Venus er meget anderledes. Venus roterer i den modsatte retning af Jorden, og meget langsommere (ca. én rotation i 243 jorddage). I mellemtiden omkring 60 km over Venus' overflade kredser en hurtig østenvind om planeten på omkring 4 jorddage (ved 360 km/t), et fænomen kendt som atmosfærisk superrotation.

Venus himmel er fuldt dækket af tykke skyer af svovlsyre, der er placeret i en højde af 45-70 km, gør det svært at observere planetens overflade fra jordbaserede teleskoper og orbitere, der kredser om Venus. Overfladetemperaturen når op på 460 grader Celsius, et barskt miljø for eventuelle observationer af indgangssonder. På grund af disse forhold, der er stadig mange ubekendte angående Venus' atmosfæriske fænomener.

For at løse gåden om Venus' atmosfære, det japanske rumfartøj Akatsuki begyndte sit kredsløb om Venus i december 2015. Et af Akatsukis observationsinstrumenter er et infrarødt kamera "IR2", der måler bølgelængder på 2 μm (0,002 mm). Dette kamera kan fange detaljeret skymorfologi af de lavere skyniveauer, omkring 50 km fra overfladen. Optiske og ultraviolette stråler blokeres af de øvre skylag, men takket være infrarød teknologi, dynamiske strukturer af de lavere skyer afsløres gradvist.

Før Akatsuki-missionen begyndte, forskerholdet udviklede et program kaldet AFES-Venus til beregning af simuleringer af Venus' atmosfære. På jorden, atmosfæriske fænomener i enhver skala forskes og forudsiges ved hjælp af numeriske simuleringer, fra den daglige vejrudsigt og tyfonrapporter til forventede klimaændringer som følge af global opvarmning. For Venus, vanskeligheden ved observation gør numeriske simuleringer endnu vigtigere, men dette samme problem gør det også svært at bekræfte nøjagtigheden af ​​simuleringerne.

AFES-Venus havde allerede haft held med at reproducere superrotationsvinde og polære temperaturstrukturer i Venus-atmosfæren. Brug af Earth Simulator, et supercomputersystem leveret af Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC), forskerholdet lavede numeriske simuleringer med høj rumlig opløsning. Imidlertid, på grund af den lave kvalitet af observationsdata før Akatsuki, det var svært at bevise, om disse simuleringer var nøjagtige rekonstruktioner.

Denne undersøgelse sammenlignede detaljerede observationsdata af de lavere skyniveauer af Venus taget af Akatsukis IR2-kamera med højopløsningssimuleringerne fra AFES-Venus-programmet. Den venstre del af figur 1 viser de lavere skyniveauer af Venus optaget af IR2-kameraet. Bemærk de næsten symmetriske kæmpestriber på tværs af den nordlige og sydlige halvkugle. Hver stribe er hundredvis af kilometer bred og strækker sig diagonalt næsten 10, 000 kilometer på tværs. Dette mønster blev afsløret for første gang af IR2-kameraet, og holdet har kaldt det en streak-struktur i planetarisk skala. Denne skala af stribestruktur er aldrig blevet observeret på Jorden, og kunne være et fænomen unikt for Venus. Ved at bruge AFES-Venus højopløsningssimuleringer, holdet rekonstruerede mønsteret (Figur 1 til højre). Ligheden mellem denne struktur og kameraobservationerne beviser nøjagtigheden af ​​AFES-Venus-simuleringerne.

Næste, gennem detaljerede analyser af AFES-Venus simuleringsresultaterne, holdet afslørede oprindelsen af ​​denne gigantiske streak-struktur. Nøglen til denne struktur er et fænomen, der er tæt forbundet med Jordens hverdagsvejr:polære jetstrømme. På jordens mellemste og høje breddegrader, en storstilet dynamik af vinde (baroklinisk ustabilitet) danner ekstratropiske cykloner, migrerende højtrykssystemer, og polære jetstrømme. Resultaterne af simuleringerne viste den samme mekanisme i arbejde i skylagene på Venus, tyder på, at jetstrømme kan dannes på høje breddegrader. På lavere breddegrader, en atmosfærisk bølge på grund af fordelingen af ​​store strømme og den planetariske rotationseffekt (Rossby-bølgen) genererer store hvirvler hen over ækvator til breddegrader på 60 grader i begge retninger (figur 2, venstre). Når jetstrømme føjes til dette fænomen, hvirvlerne vipper og strækker sig, og konvergenszonen mellem nord- og sydvinden dannes som en stribe. Nord-sydvinden, der skubbes ud af konvergenszonen, bliver en kraftig nedadgående strøm, resulterer i stribestrukturen i planetskalaen (figur 2, ret). Rossby-bølgen kombinerer også med en stor atmosfærisk udsving placeret over ækvator (ækvatorial Kelvin-bølge) i de lavere skyniveauer, bevare symmetrien mellem halvkugler.

Denne undersøgelse afslørede den gigantiske stribestruktur på planetarisk skala i de lavere skyniveauer af Venus, replikeret denne struktur med simuleringer, og foreslog, at denne stribestruktur er dannet af to typer atmosfæriske udsving (bølger), baroklinisk ustabilitet og jetstrømme. Den vellykkede simulering af den planetariske stribestruktur dannet ud fra flere atmosfæriske fænomener er bevis for nøjagtigheden af ​​simuleringerne for individuelle fænomener beregnet i denne proces.

Indtil nu, undersøgelser af Venus' klima har hovedsageligt fokuseret på gennemsnitsberegninger fra øst til vest. Dette fund har løftet studiet af Venus' klima til et nyt niveau, hvor diskussion af Venus' detaljerede tredimensionelle struktur er mulig. Det næste skridt, gennem samarbejde med Akatsuki og AFES-Venus, er at løse gåden om klimaet på Jordens tvillinge Venus, tilsløret i den tykke sky af svovlsyre.