На ночной стороне Венеры: всплески озона и изменчивость двуокиси серы

В ночной атмосфере Венеры на высотах 85–100 км предельно мало озона, а содержание двуокиси серы значительно изменяется в течение нескольких суток. Эти выводы были сделаны по итогам обработки данных прибора SPICAV на борту аппарата «Венера-Экспресс» (ESA), созданного при активном участии ИКИ РАН. Статья с результатами работы опубликована в Journal of Geophysical Research: Planets.

«Венера-Экспресс» (ESA) над Венерой в представлении художника © ESA

Орбитальная станция Европейского космического агентства «Венера-Экспресс» (Venus Express) работала у Венеры в 2006–2014 годах. На её борту был установлен, в числе прочих научных приборов, комплекс спектрометров SPICAV/SOIR (Spectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Venus), созданный при активном участии ИКИ РАН. Ультрафиолетовый канал спектрометра SPICAV был единственным прибором на борту «Венеры-Экспресс», способным одновременно изучать распределение по высоте концентраций таких малых газовых составляющих, как озон (O₃) и диоксид серы (SO₂), в верхней мезосфере Венеры.

Этот слой атмосферы соответствует высотам 85–100 км, и очень интересен для исследователей, поскольку здесь находится зона пересечения различных режимов глобальной атмосферной циркуляции. Поведение озона и диоксида серы в данной области атмосферы на ночной стороне, не освещенной Солнцем, до сих пор было изучено довольно плохо из-за нехватки экспериментальных данных.

Сейчас это стало возможным благодаря методу наблюдений в режиме звездного просвечивания, впервые реализованному на Венере спектрометром SPICAV. Спектрометр «следил» за звездами при их восходе и заходе за горизонт планеты и измерял спектры их излучения, которое проходило через атмосферу и поглощалось её молекулами. Благодаря этому удалось измерить концентрации углекислого газа (CO₂ — основная составляющая атмосферы Венеры), SO₂ и O₃ на высотах 85–100 км.

Озон был впервые обнаружен в атмосфере Венеры также благодаря «Венере-Экспресс» в 2011 г. Тогда удалось установить, что венерианский озоновый слой находится примерно на высоте 100 км с концентрацией примерно 10⁷–10⁸ молекул в см³. Но это были только первые наблюдения.

Дарья Евдокимова и Денис Беляев, научные сотрудники отдела физики планет ИКИ РАН и первые авторы статьи, опубликованной в журнале JGR: Planets впервые представили результаты совокупного анализа содержания озона и диоксида серы за все восемь лет наблюдений SPICAV.

Мы регистрировали только максимальные концентрации озона в атмосфере Венеры на высотах 85–100 км, то есть от 10⁷ до 10⁸ молекул в кубическом сантиметре, — поясняет Дарья Евдокимова. — Эти значения были получены в 132 сеансах наблюдений, и они показывают крайне малое содержание этого газа на планете по сравнению с земным, которое приблизительно в 10 тысяч раз больше. Накопленная статистика, однако, позволила оценить в среднем высотный профиль относительного содержания O₃, то есть отношения плотности озона к плотности углекислого газа как основной компоненты атмосферы. В исследуемом диапазоне высот оцененное содержание увеличивается от 1–30 частей на миллиард в объеме (ppbv) на высоте 90 км до 6–120 ppbv на 100 км.

Как полагают исследователи, наблюдаемое распределение озона указывает на то, что этот газ взаимодействует с химическими соединениями, переносимыми ветрами из дневной стороны полушария на ночную. Например, это могут быть соединения хлора, которые, как известно, быстро реагируют с озоном и разрушают его.

Наблюдения диоксида серы за все годы эксперимента SPICAV показали, что его концентрации значительно меняются за короткое время (несколько земных суток) от нескольких единиц до нескольких сотен ppbv. Но при этом в среднем по профилю его относительное содержание на высотах 85–100 км постоянно и составляет 135±21 ppbv.

Наличие быстрых и значительных вариаций не позволяет сделать однозначный вывод о временном или пространственном распределении SO₂ в ночном полушарии без применения улучшенных химических моделей, учитывающих глобальную циркуляцию атмосферы.

Эти результаты показывают, что верхняя мезосфера Венеры — очень изменчивая среда, которую только предстоит описать теоретически. Полученные нами экспериментальные данные по распределению O₃ и SO₂ позволят уточнить модели циркуляции атмосферы в перекрестной транзитной зоне около 100 км и приближают нас к пониманию природы атмосферы Венеры. Она разительно отличается от земной по физическим характеристикам, но тем не менее в ней протекают похожие химические процессы, в которых участвуют озон и сернистые окиси.

Денис Беляев

***

Автоматическая межпланетная станция «Венера-Экспресс» (Европейское космическое агентство) была запущена 9 ноября 2005 г. с космодрома Байконур при помощи ракеты-носителя «Союз» с разгонным блоком «Фрегат». Аппарат вышел на первую вытянутую орбиту вокруг Венеры 11 апреля 2006 г. В феврале 2015 г. аппарат вошёл в атмосферу Венеры и закончил свою миссию, но обработка его данных продолжается и сейчас.

Специалисты ИКИ РАН принимали участие в разработке, изготовлении и испытаниях двух научных приборов орбитального аппарата: универсального спектрометра и спектрометра высокого спектрального разрешения SPICAV/SOIR (руководители: Ж.-Л. Берто/Jean-Loup Bertaux, Франция, О.И. Кораблев, Россия, Д. Невеянс/Dennis Nevejans, Бельгия) и планетного Фурье-спектрометра PFS (изготовлен в Италии с участием России, научный руководитель В. Формизано/Vittorio Formisano, Италия, Л.В. Засова, Россия). В экспериментах VIRTIS, VMC, ASPERA российские ученые принимали участие как соисследователи.

Дарья Евдокимова