ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Институт Космических исследований
Российской Академии Наук

ВЕНЕРА-ЭКСПРЕСС / VENUS EXPRESS
© ESA/ATG medialab
© Spacecraft: ESA/ATG medialab
К забытой планете

«Венера-Экспресс» (Venus Express, VEX) — первая европейская миссия по изучению Венеры: её атмосферы, поверхности, плазменного окружения — с орбиты искусственного спутника планеты.

Российские ученые принимали участие в разработке, изготовлении и испытаниях двух научных приборов орбитального аппарата: спектрометров PFS и SPICAV/SOIR. В трех экспериментах: VIRTIS, VMC, ASPERA — российские ученые принимали участие как соисследователи.

Участие России в проекте «Венера-Экспресс» зафиксировано в Федеральной космической программе России.

Научные задачи

  • изучить атмосферу, облачный слой и поверхность Венеры;
  • исследовать космическое пространство вблизи планеты.

Миссия

«Венера-Экспресс» — первая европейская миссия к планете Венера. В ее основе лежало повторное использование конструкции космического аппарата «Марс-Экспресс» с небольшими изменениями, в основном вызванными более жесткими тепловыми условиями у Венеры.

Главная научная цель проекта состояла в глобальном исследовании атмосферы Венеры, околопланетной плазмы и поверхности с орбиты искусственного спутника. Основное внимание миссии было уделено исследованию структуры, состава и динамики атмосферы, процессам взаимодействия солнечного ветра с атмосферой и потери вещества планетой.

КА «Венера-Экспресс» был успешно запущен в космос 9 ноября 2005 года ракетой-носителем «Союз-ФГ» с разгонным блоком «Фрегат». После этапа межпланетного перелёта КА «Венера-Экспресс» вышел на первую вытянутую орбиту вокруг Венеры 11 апреля 2006 г., с максимальным 350 000 км и минимальным 400 км расстоянием от ее поверхности. Такая орбита позволила наблюдать Венеру с различных высот и проводить глобальные исследования. 7 мая 2006 г. «Венера-Экспресс» была переведена на рабочую — эллиптическую полярную орбиту с периодом 24 часа, высотой перицентра 250 км и апоцентра 66 000 км. Она позволила производить наблюдения с высоким пространственным разрешение вблизи перицентра и исследовать глобальные процессы с большим покрытием с удаленных участков орбиты (преимущественно южного полюса планеты).

Продолжительность основной (номинальной) миссии составила около 500 земных (или 2 венерианских) суток. Затем работа аппарата несколько раз продлевалась.

После исчерпания запасов топлива для поддержания орбиты было решено использовать аппарат для проведения маневра «аэробрейкинга» — торможения с помощью атмосферы. Операции начались в 2014 г. Таким образом были исследованы самые верхние слои атмосферы Венеры и отрабатывалась технология снижения высоты орбиты. Эта технология позже использовалась, в частности, для вывода на рабочую орбиту КА TGO миссии «ЭкзоМарс-2016».

16 декабря 2014 года миссия была завершена. Аппарат постепенно снижался, последний раз его сигнал удалось зарегистрировать 19 января 2015 года.

В проекте участвовало более 250 учёных и инженеров Европы из различных научных институтов и космических агентств, а также из США. В проекте активно участвовали и российские ученые. Сотрудник ИКИ РАН Д. В. Титов был одним из организаторов инициативной группы, предложившей проект «Венера-Экспресс». Также российские ученые и специалисты с самых ранних стадий участвовали в подготовке и формировании как проекта в целом, так и научных экспериментов.

На заседании Совета по космосу Российской академии наук 24 декабря 2015 г. участникам научных групп российских экспериментов на борту марсохода «Кюриосити» (НАСА) и автоматической межпланетной станции «Венера-Экспресс» (ЕКА) были вручены почетные грамоты НАСА и ЕКА.

Научные приборы

В состав научной аппаратуры «Венеры-Экспресс» вошли семь приборов, пять из которых были унаследованы от миссий «Марс-Экспресс» и «Розетта». Два прибора были созданы специально для «Венеры-Экспресс». Основу научной аппаратуры составил мощный комплекс оптических приборов для дистанционного зондирования атмосферы.

  • планетный Фурье-спектрометр PFS;
  • картирующий спектрометр VIRTIS
  • ультрафиолетовый и инфракрасный атмосферный спектрометр SPICAV/SOIR; 
  • анализатор плазмы и нейтрального газа ASPERA
  • магнитометр MAG
  • камера для мониторинга Венеры VMC.

Также в рамках миссии проводился эксперимент по радиопросвечиванию атмосферы Венеры VeRa.

Все эксперименты на борту работали нормально, за исключением планетного Фурье-спектрометра PFS, сканирующее устройство которого осталось в исходном положении и было направлено на калибровочный источник — черное тело. Часть научных задач PFS взяли на себя эксперименты VIRTIS, VeRa и SPICAV.

Российский вклад в миссию

  • Ультрафиолетовый и инфракрасный атмосферный спектрометр SPICAV/SOIR (Service d’Aeronomie du CNRS, Verriesres, France; Institute for Space Aeronomy, Belgium; IKI, Russia). Со-руководитель эксперимента SPICAV/SOIR с российской стороны: д.ф.-м.н. Олег Игоревич Кораблёв (ИКИ РАН)
  • Планетный Фурье-спектрометр PFS (IFSI-INAF, Rome, Italy). Руководитель российской группы участников эксперимента PFS: д.ф.-м.н. Людмила Вениаминовна Засова (ИКИ РАН)
  • В экспериментах VIRTIS, VMC, ASPERA российские ученые принимали участие как соисследователи

Научные результаты

По итогам миссии Европейское космическое агентство назвало следующие важнейшие научные результаты.

1. Наблюдения за южным полярным вихрем

По их итогам оказалось, что форма и внутренняя структура центральных областей вихря чрезвычайно изменчивы на временных масштабах менее 24 часов. Изображения, полученные VMC и спектрометром VIRTIS, показывают, что зональные скорости ветра меняются с широтой, так что вихрь постоянно «растягивается». Среднее направление зонального ветра ретроградное (с востока на запад), но его скорость падает по мере приближения к полюсу. Центр вихря «блуждает» вокруг географического полюса с периодом 5-10 земных дней, его среднее отклонение составляет около 3 градусов по широте (несколько сотен км).

Предположительно, схожие явления можно наблюдать у северного полярного вихря.

2. Возможный недавний вулканизм

Приборы VIRTIS и VMC способны измерять тепловое излучение поверхности на длине волны порядка 1 микрон. В частности, VIRTIS обнаружил необычно высокую интенсивность излучения вблизи вулканов в трех районах Венеры. Возможно, это означает, что потоки лавы, которые наблюдаются здесь по радиолокационным изображениям, излились относительно недавно -- от нескольких тысяч до десятков тысяч лет назад. Камера VMC обнаружила регионы с повышенной температурой поверхности, которые также могут соответствовать недавним потокам лавы. Неконец, в 2006 году, почти сразу после прибытия аппарата к Венере, спектрометры «Венеры-Экспресс» зарегистрировали значительное повышение среднего содержания двуокиси серы в атмосфере планеты. Одно из возможых объяснений этому факту -- в атмосферу попали вулканические газы после недавнего извержения.

3. Вращение Венеры замедляется

Изучая изображения поверхности, полученные с помощью инфракрасного спектрометра VIRTIS, исследователи обнаружили, что детали ландшафта Венеры смещены примерно на 20 км относительно ожидаемого положения (вычислено на основании радиолокационной съёмки КА «Магеллан», проведенной за 16 лет до миссии «Венеры-Экспресс». Это соответствует увеличению венерианского дня примерно на 6.5 минут. Возможно, планету замедляют метеорологические процессы. Детальные наблюдения такого рода позволяют установить, обладает ли Венера твердым или жидким ядром.

4. Вращение атмосферы Венеры ускоряется

Вся атмофера Венеры вовлечена в гигантский вихрь. Такой режим называется суперротация. За время работы аппарата «Венера-Экспресс» в течение 10 венерианских (примерно 6 земных) лет удалось пронаблюдать за движением структур на верхней кромке облаков Венеры (на высоте около 70 км над поверхностью). За это время средняя скорость облаков на широтах до 50 градусов от экватора увеличилась с примерно 300 до 400 км/ч.

Кроме того, были обнаружены более краткие резкие колебания скорости ветра по мере прохождения аппарат по орбите вокруг планеты.

5. Холодный слой в атмосфере Венеры

Приборы «Венеры-Экспресс» обнаружили в атмосфере планеты на высоте примерно 125 км над поверхностью слой с температурой -175 градусов Цельсия. Возможно, углекислота здесь замерзает, образуя кристаллики льда.

6. Озоновый слой на Венере

Спектрометр SPICAV на борту «Венеры-Экспресс» впервые в истории исследований планеты зарегистрировал озоновый слой толщиной 5-10 км, который располагается на высотах от 90 до 120 км от поверхности (для сравнения, на Земле он расположен на высотах от 15 до 50 км). Концентрация молекул озона составляет примерно 107-108 молекул на кубический сантиметр (в 100 раз меньше, чем на Земле).

7. Темп потери воды атмосферой

По данным магнитометра MAG и плазменного анализатора ASPERA были зарегистрированы атомы кислорода и водорода, которые улетучиваются из атмосферы Венеры. Соотношение молекул составило 1 к 2, что соответствует ожидаемому в том случае, если источником атомов служат молекулы воды, которые распадаются на составляющие под действием солнечного ультрафиолетового излучения. Кроме того, было обнаружено, что верхние слои атмосферы Венеры обогащены дейтерием — тяжелым изотопом водорода, которому сложнее преодолеть притяжение планету, чем более легкому водороду.

8. Магнитное пересоединение у Венеры

У Венеры нет собственного дипольного магнитного поля, подобного тому, которое есть на Земле. Однако у неё есть наведённое магнитное поле, которое появляется в результате взаимодействия солнечного ветра (потока заряженных частиц, исходящих от Солнца) с ионосферой планеты. «Венере-Экспресс» удалось наблюдать процесс пересоединения силовых линий в хвосте этой наведенной магнитосферы. Точка пересоединения находится на расстоянии 1-3 радиуса планеты. Благодаря процессу пересоединения часть энергии солнечного ветра передаётся в ночную атмосферу Венеры.

Краткие результаты
  • более 5000 Гбит научных данных;
  • 16 сезонов радиозатмений, 700 разрезов атмосферы;
  • 13 кампаний снижения перицентра;
  • 100 измерений в атмосфере, вплоть до высоты 165км;
  • аэроторможение (впервые в Европе);
  • 27 глубоких профилей атмосферы (до 129 км);
  • более 500 публикаций в рецензируемых журналах, из них около 130 с участием российских ученых.

Головные организации и руководители

Российские руководители экспериментов перечислены в разделе «Российской вклад в миссию».

Основные научные публикации

Список основных публикаций по проекту с российским участием

Диссертационные работы на основе данных «Венеры-Экспресс»

Результаты проекта «Венера-Экспресс» включены в списки наиболее значимых результатов научной деятельности ИКИ РАН (.pdf):

Новости ИКИ РАН по тегу «Венера-Экспресс»

Статус: завершил работу

Запуск: 09.11.2005, 06:33 мск, космодром Байконур, РН «Союз-ФГ» / РБ «Фрегат»

Завершение работы: 16.12.2014

Головное космическое агентство: ESA

SCN: 28901

NSSDC ID: 2005-045A

Основной сайт: Venus Express на esa.int

Новости Венера-Экспресс