Nocne oblicze Wenus

Gwiazda Wieczorna widoczna nad horyzontem po zachodzie słońca jest skalistą planetą, której atmosfera składa się głównie z dwutlenku węgla i gęstych chmur kwasu siarkowego. Występują one na wysokości 45–70 km nad powierzchnią i całkowicie zasłaniają glob.

Wenus dorównuje rozmiarami Ziemi (95 proc.) i masą (81,5 proc.). Jednak ciśnienie przy gruncie jest około 90 razy większe niż nasze, mierzone na poziomie morza. Większość powierzchni planety opływają potoki lawy. Odkryto nawet nadal aktywne wulkany. Podobnie jak w przypadku Ziemi na Wenus nie widać małych kraterów, ponieważ mniejsze meteoroidy całkowicie spalają się w gęstej atmosferze planety i nie docierają do jej powierzchni.

Większość danych o warunkach panujących na Wenus mamy dzięki niedawno zakończonej misji Venus Express. Była to pierwsza sonda Europejskiej Agencji Kosmicznej, wysłana w kierunku tej planety. Weszła na orbitę Wenus 11 kwietnia 2006 r. i zakończyła lot 18 stycznia 2015 r., gdy skończyło się jej paliwo.

Głównym zadaniem sondy było zbadanie atmosfery oraz otoczenia plazmowego Wenus. Pod lupę naukowców dostał się również niezwykły efekt cieplarniany, podnoszący temperaturę powierzchni planety do 450 stopni C, przez co metale takie jak ołów występują tam w stanie ciekłym. Badaczy interesowała również struktura i właściwości atmosfery Wenus oraz wpływ wiatru słonecznego. Venus Express miała znaleźć przyczyny nadal do końca niewyjaśnionego zjawiska superrotacji górnej warstwy atmosfery oraz zbadać słabe pole magnetyczne planety, powierzchnię oraz aktywność wulkaniczną i sejsmiczną.

Misja dostarczyła wielkiej ilości danych. Choć sonda ponad dwa lata temu spłonęła w atmosferze Wenus, bazując na zebranych w ciągu dziewięciu lat materiałach, naukowcy nadal dokonują nowych odkryć.

Pędzące chmury

Już w latach 60. obserwacja przez teleskopy ujawniła osobliwe zjawisko zachodzące na powierzchni planety. Górne warstwy obłoków poruszają się bardzo szybko, okrążając planetę w cztery dni, czyli około 60 razy szybciej niż obrót globu. To zjawisko nazwano superrotacją Wenus.

Zagadką nadal pozostaje fakt, że najszybciej poruszają się najwyższe warstwy chmur – od 65 do 72 km nad powierzchnią planety. Dzięki sondom kosmicznym, które docierały później do Wenus w latach 70. i 80., ustalono, że superrotacja jest zjawiskiem względnie trwałym, a prędkość wiatru obniża się stopniowo wraz ze spadkiem wysokości. Przy samej powierzchni globu ruch atmosfery ustaje.

Dzięki sondzie Venus Express zespół kierowany przez Agustína Sáncheza-Lavegę odkrył, że w pasie od równika aż do średnich szerokości geograficznych dominują stałe wiatry superrotacji, wiejące ze wschodu na zachód. Prędkość ich stopniowo maleje z 370 do 180 km/h nie tylko wraz ze zmniejszającą się wysokością, ale i szerokością geograficzną, aż zanika zupełnie w okolicach bieguna. Tam tworzy się ogromny wir.

Dane z Venus Express ujawniły również, że prędkość superrotacji nie jest stała – prędkość wiatrów wykazuje pewną fluktuację. Sonda ESA pozwoliła zaobserwować również „słoneczne pływy termiczne", które sprawiają, że superrotacja jest bardziej intensywna przy zachodzie niż przy wschodzie Słońca.

Ostatnie analizy materiałów z Wenus Express zaowocowały zaskakującymi wynikami. Okazuje się, że atmosfera nocnej strony Wenus zachowuje się zupełnie inaczej niż ta oświetlona Słońcem.

Tajemnicza mroczna połowa

– Po raz pierwszy udało nam się scharakteryzować, jak w skali globalnej cyrkuluje atmosfera na nocnej stronie Wenus – mówi Javier Peralta z Japan Aviation Exploration Agency (JAXA), główny autor opracowania opublikowanego w czasopiśmie „Nature Astronomy". – Podczas gdy krążenie atmosferyczne na dziennej półkuli zostało dobrze zbadane, wciąż niewiele wiedzieliśmy o wenusjańskiej nocy. Okazało się, że skrywające ją chmury tworzą inne kształty, a ma na to pewien wpływ topografia planety.

Peralta twierdzi, że po dekadach studiowania superrotacji i śledzenia w ultrafiolecie chmur po jasnej stronie Wenus wciąż brakowało niektórych fragmentów do rozwiązania zagadki. Teraz zespół skupił się na ciemnej części. Górne warstwy chmur zaczęto obserwować za pomocą emisji termicznej, jednak było to trudne, ponieważ kontrast na obrazach w podczerwieni był zbyt niski, aby przyjrzeć się szczegółowo zjawiskom zachodzącym po ciemnej stronie Wenus. Zespół wykorzystał spektrometr emitujący promieniowanie widzialne i podczerwone (VIRTIS), zamocowany na statywie Venus Express.

– Dopiero to pozwoliło nam dokładnie przyjrzeć się chmurom i zobaczyć to, czego nie udało się dostrzec wcześniej – mówi Peralta. – Wyniki obserwacji okazały się naprawdę zaskakujące.

Zamiast przechwytywania pojedynczych obrazów VIRTIS stworzył kostki złożone z setek zebranych obrazów, które zostały uzyskane jednocześnie w różnych długościach fal. To pozwoliło zespołowi nałożyć na siebie dane i poprawić widoczność chmur. Dzięki temu zobaczyli je w niespotykanej dotąd jakości.

Okazało się, że w nocy superrotacja wydaje się bardziej nieregularna i chaotyczna. Górne warstwy chmur tworzą inne kształty niż te, które znajdowały się po drugiej stronie globu – duże, faliste, nieuporządkowane, nieregularne, podobne do włókien wzory, z których wiele jest zdominowanych przez zjawiska znane falami stacjonarnymi.

Skąd się wzięły wypiętrzenia

– Stacjonarne fale są prawdopodobnie tym, co nazywamy falami grawitacyjnymi – mówi współautor badania, Agustin Sánchez-Lavega z hiszpańskiego University del País Vasco w Bilbao. – Innymi słowy, to rosnące fale generowane w atmosferze Wenus, które wydają się nie poruszać wraz z rotacją planety. Koncentrują się na stromych, górzystych obszarach, co sugeruje, że topografia wpływa na to, co się dzieje w chmurach.

Trójwymiarowy obraz fal stacjonarnych uzyskano przez połączenie informacji z VIRTIS z danymi radiologicznymi pochodzącymi z VeRa (Venus Radio Science experiment) zamontowanego na pokładzie Venus Express.

Związek między ruchem atmosferycznym a topografią Wenus został wcześniej zaznaczony po badaniach dziennej strony planety. W raporcie badawczym z ubiegłego roku naukowcy stwierdzili, że wzorce pogody i powstające w ciągu dnia fale są bezpośrednio związane z ukształtowaniem powierzchni.

– To była ekscytująca chwila, kiedy zdaliśmy sobie sprawę, że niektóre chmury sfotografowane przez VIRTIS nie poruszają się wraz z atmosferą – mówi Peralta. – Odbyliśmy długą debatę, zastanawiając się, czy wyniki są prawdziwe. W końcu okazało się, że inny zespół, korzystając z teleskopu IRTF na Hawajach niezależnie odkrył fale stacjonarne. Miały one również odzwierciedlenie w kształcie nocnych chmur. Nasze wyniki zostały potwierdzone przez sondę Akatsuki. Jej instrumenty zarejestrowały największe fale stacjonarne obserwowane w Układzie Słonecznym na dziennej stronie tej planety.

Akatsuki to japońska sonda kosmiczna, która miała wejść na orbitę Wenus 7 grudnia 2010 r., lecz z powodu awarii manewr się nie powiódł. Po części sprawna przez następne dwa lata okrążała Słońce, by przy kolejnym zbliżeniu do planety w grudniu 2015 r. wejść na jej daleką orbitę. Dzięki niej naukowcy mogą nadal badać tajemnicze zjawiska zachodzące na powierzchni Wenus.

Co dwa źródła, to nie jedno

Nowe obrazy nocnej półkuli to duże wyzwanie dla istniejących modeli fal stacjonarnych. Dawniej uważano, że fale kształtowane są przez wiatry powierzchniowe w kontakcie z przeszkodami, takimi jak góry. Jednak już wcześniej rosyjskie misje z udziałem lądowników mierzyły ruchy przypowierzchniowej atmosfery planety. Wiatry w niskich partiach są zbyt słabe, by powodować taki efekt.

Dodatkowo na półkuli południowej wzniesienia terenu są zbyt niskie, by powodować wypiętrzenia w górnych warstwach chmur. Poza tym nie obserwuje się fal na średnich i niższych poziomach atmosfery Wenus, czyli do wysokości około 50 km.