De atmosfeer van Venus is even mysterieus als dicht en verzengend. Generaties lang hebben wetenschappers geprobeerd het te bestuderen met behulp van telescopen op de grond, orbitale missies en af en toe een atmosferische sonde. En in 2006, de ESA's Venus Express missie werd de eerste sonde die langetermijnwaarnemingen van de atmosfeer van de planeet deed, wat veel onthulde over de dynamiek ervan.
Met behulp van deze gegevens heeft een team van internationale wetenschappers - onder leiding van onderzoekers van de Japan Aerospace and Exploration Agency (JAXA) - onlangs een onderzoek uitgevoerd dat de wind- en bovenste wolkenpatronen aan de nachtzijde van Venus kenmerkte. Deze studie was niet alleen de eerste in zijn soort, maar toonde ook aan dat de atmosfeer zich aan de nachtkant anders gedraagt, wat onverwacht was.
De studie, getiteld "Stationaire golven en langzaam bewegende elementen in de bovenste nachtwolken van Venus", verscheen onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurastronomie. Onder leiding van Javier Peralta, de International Top Young Fellow van JAXA, raadpleegde het team gegevens verkregen door Venus Express ' suite van wetenschappelijke instrumenten om de voorheen ongeziene wolkentypes, morfologieën en dynamica van de planeet te bestuderen.
Hoewel er vanuit de aarde veel onderzoeken zijn gedaan naar de atmosfeer van Venus, was dit de eerste keer dat een onderzoek niet was gericht op de dagzijde van de planeet. Zoals Dr. Peralta uitlegde in een persverklaring van ESA:
“Dit is de eerste keer dat we kunnen karakteriseren hoe de atmosfeer aan de nachtzijde van Venus op wereldschaal circuleert. Hoewel de atmosferische circulatie op de dagzijde van de planeet uitgebreid is onderzocht, was er nog veel te ontdekken over de nachtzijde. We ontdekten dat de wolkenpatronen daar anders zijn dan die aan de dagzijde en beïnvloed worden door de topografie van Venus.“
Sinds de jaren zestig weten astronomen dat de atmosfeer van Venus zich heel anders gedraagt dan die van andere terrestrische planeten. Terwijl de aarde en Mars atmosferen hebben die met ongeveer dezelfde snelheid roteren als de planeet, kan de atmosfeer van Venus snelheden bereiken van meer dan 360 km / h (224 mph). Dus terwijl de planeet 243 dagen nodig heeft om eenmaal om zijn as te draaien, duurt de atmosfeer slechts 4 dagen.
Dit fenomeen, bekend als "superrotatie", betekent in wezen dat de atmosfeer 60 keer sneller beweegt dan de planeet zelf. Bovendien hebben metingen in het verleden aangetoond dat de snelste wolken zich op het bovenste wolkenniveau bevinden, 65 tot 72 km (40 tot 45 mijl) boven het oppervlak. Ondanks decennia van onderzoek hebben atmosferische modellen geen superrotatie kunnen reproduceren, wat erop wees dat sommige mechanica onbekend waren.
Peralta en zijn internationale team - waaronder onderzoekers van de Universidad del País Vasco in Spanje, de Universiteit van Tokio, de Kyoto Sangyo Universiteit, het Centrum voor Astronomie en Astrofysica (ZAA) aan de Technische Universiteit van Berlijn en het Instituut voor Astrofysica en Space Planetology in Rome - kozen ervoor om naar de onontdekte kant te kijken om te zien wat ze konden vinden. Zoals hij het beschreef:
“We concentreerden ons op de nachtkant omdat die slecht was verkend; we kunnen de bovenste wolken aan de nachtkant van de planeet zien via hun thermische emissie, maar het was moeilijk om ze goed te observeren omdat het contrast in onze infraroodbeelden te laag was om genoeg details op te vangen.
Dit bestond uit het observeren van de nachtwolken van Venus met de Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer (VIRTIS) van de sonde. Het instrument verzamelde tegelijkertijd honderden beelden en verschillende golflengten, die het team vervolgens combineerde om de zichtbaarheid van de wolken te verbeteren. Hierdoor kon het team ze voor het eerst goed zien en onthulde het ook enkele onverwachte dingen over de nachtelijke atmosfeer van Venus.
Wat ze zagen was dat atmosferische rotatie aan de nachtkant chaotischer leek dan wat er in het verleden in het verleden is waargenomen. De bovenste wolken vormden ook verschillende vormen en morfologieën - d.w.z. grote, golvende, fragmentarische, onregelmatige en filamentachtige patronen - en werden gedomineerd door stationaire golven, waarbij twee in tegengestelde richting bewegende golven elkaar opheffen en een statisch weerpatroon creëren.
De 3D-eigenschappen van deze stationaire golven werden ook verkregen door VIRTIS-gegevens te combineren met radiowetenschappelijke gegevens van het Venus Radio Science-experiment (VeRa). Natuurlijk was het team verrast toen ze dit soort atmosferisch gedrag ontdekten, omdat ze niet strookten met wat er routinematig werd waargenomen op de dag zelf. Bovendien zijn ze in tegenspraak met de beste modellen om de dynamiek van de atmosfeer van Venus te verklaren.
Bekend als Global Circulation Models (GCM's), voorspellen deze modellen dat superrotatie op Venus op vrijwel dezelfde manier zou plaatsvinden aan zowel de dagzijde als de nachtzijde. Bovendien merkten ze op dat stationaire golven aan de nachtkant leken samen te vallen met hooggelegen kenmerken. Zoals Agustin Sánchez-Lavega, een onderzoeker van de University del País Vasco en een co-auteur op het papier, uitlegde:
“Stationaire golven zijn waarschijnlijk wat we zwaartekrachtgolven zouden noemen - met andere woorden, stijgende golven die lager in de atmosfeer van Venus worden opgewekt en die niet lijken te bewegen met de rotatie van de planeet. Deze golven zijn geconcentreerd over steile, bergachtige gebieden van Venus; dit suggereert dat de topografie van de planeet van invloed is op wat er boven in de wolken gebeurt.“
Dit is niet de eerste keer dat wetenschappers een mogelijk verband tussen de topografie van Venus en de atmosferische beweging hebben opgemerkt. Vorig jaar produceerde een team van Europese astronomen een studie die liet zien hoe weerspatronen en opkomende golven op de dag rechtstreeks verband leken te houden met topografische kenmerken. Deze bevindingen waren gebaseerd op UV-beelden gemaakt door de Venus Monitoring Camera (VMC) aan boord van de Venus Express.
Iets soortgelijks vinden aan de nachtkant was een verrassing, totdat ze zich realiseerden dat ze niet de enigen waren die ze zagen. Zoals Peralta aangaf:
“Het was een opwindend moment waarop we ons realiseerden dat sommige cloudfuncties in de VIRTIS-afbeeldingen niet meebracht met de atmosfeer. We hebben lang gediscussieerd over de vraag of de resultaten echt waren, totdat we ons realiseerden dat een ander team, onder leiding van co-auteur Dr. Kouyama, ook onafhankelijk stationaire wolken aan de nachtzijde had ontdekt met behulp van NASA's Infrared Telescope Facility (IRTF) in Hawaï! Onze bevindingen werden bevestigd toen JAXA's Akatsuki-ruimtevaartuig in een baan rond Venus werd ingebracht en onmiddellijk de grootste stationaire golf ooit in het zonnestelsel op de dagzijde van Venus zag.“
Deze bevindingen dagen ook de bestaande modellen van stationaire golven uit, die naar verwachting zullen ontstaan door de interactie van oppervlaktewind en hooggelegen oppervlaktekenmerken. Eerdere metingen uitgevoerd door het Sovjettijdperk Venera landers hebben aangegeven dat de oppervlaktewinden te zwak zijn om dit op Venus te laten gebeuren. Bovendien is het zuidelijk halfrond, dat het team voor hun onderzoek observeerde, vrij laag in hoogte.
En zoals Ricardo Hueso van de Universiteit van Baskenland (en een co-auteur op het papier) aangaf, detecteerden ze geen corresponderende stationaire golven in de lagere wolkenniveaus. "We hadden verwacht dat we deze golven op de lagere niveaus zouden vinden omdat we ze op de hogere niveaus zien, en we dachten dat ze vanaf de oppervlakte door de wolk omhoog zouden stijgen", zei hij. "Het is zeker een onverwacht resultaat, en we zullen allemaal onze modellen van Venus opnieuw moeten bezoeken om de betekenis ervan te verkennen."
Uit deze informatie lijkt het erop dat topografie en hoogte verbonden zijn als het gaat om het atmosferische gedrag van Venus, maar niet consistent. Dus de staande golven die aan de nachtzijde van Venus worden waargenomen, kunnen het gevolg zijn van een ander onopgemerkt mechanisme aan het werk. Helaas lijkt het erop dat de atmosfeer van Venus - met name het belangrijkste aspect van superrotatie - nog steeds een aantal mysteries voor ons heeft.
De studie toonde ook de effectiviteit aan van het combineren van gegevens uit meerdere bronnen om een gedetailleerder beeld te krijgen van de dynamiek van een planeet. Met verdere verbeteringen in instrumentatie en gegevensuitwisseling (en misschien nog een of twee missies naar de oppervlakte), kunnen we verwachten dat we binnenkort een duidelijker beeld krijgen van wat de atmosferische dynamiek van Venus aandrijft.
Met een beetje geluk komt er misschien een dag dat we de atmosfeer van Venus kunnen modelleren en de weerpatronen net zo nauwkeurig kunnen voorspellen als die van de aarde.
