Исследователи ИКИ РАН по данным инфракрасного спектрометра SPICAV на борту аппарата «Венера-Экспресс» определили содержание водяного пара в самых нижних слоях атмосферы Венеры на высоте до 15 км. Оно составляет от 23.6 до 27.7 частиц на миллион и почти не меняется с широтой или временем суток. Результаты работы опубликованы в журнале Atmosphere.
Водяного пара в атмосфере Венеры очень мало, но он играет большую роль в химических процессах, так как участвует в образовании знаменитых венерианских облаков из серной кислоты. Возможный источник воды — вулканическая дегазация. Если вода сохранилась в глубинах планеты, то она может попадать атмосферу в ходе вулканической активности, которая для Венеры не исключена.
Таким образом, исследования водяного пара, причём в самых нижних слоях, под облаками, может стать ключом к пониманию и внутреннего строения Венеры, и её эволюции.
Содержание водяного пара под облаками планеты непосредственно измеряли советские станции серии «Венера» при посадках на планету, а также станция Pioneer Venus (NASA). Дистанционно, то есть с Земли или орбитальных станций, это делать сложно. Во-первых, мешают венерианские облака. Их сплошной слой на дневной стороне хорошо отражает падающее излучение от Солнца и мешает ему приносить информацию о составе подоблачной атмосферы. Во-вторых, собственное тепловое излучение горячей поверхности Венеры и нижних (меньше 45 км) слоёв атмосферы, которое всё ещё значительно слабее, чем солнечное, «заперто» поглощением углекислым газом — основным атмосферным газом на Венере. Рассеивающий толстый облачный слой тоже мешает ему покидать планету.
К счастью наблюдателей, часть теплового излучения в ближнем инфракрасном диапазоне, а именно с длинами волн от 0.7 до 2.5 микрометра (мкм), всё-таки не поглощается ни углекислотой, ни облачными аэрозолями, и может пройти через облака. Эти отдельные участки спектра называют «окнами прозрачности». Сюда попадают и четыре полосы поглощения водяного пара H2O: 1.1, 1.18, 1.74 и 2.3 мкм. Правда, «заглядывать» в эти «окна» можно фактически только на ночной стороне планеты — на дневной стороне свет Солнца, отражённый от верхней поверхности облаков, эффективно «забивает» тепловое излучение из-под них.
Такие наблюдения можно проводить и с Земли, но здесь очень сильно мешает наша собственная атмосфера, в которой много водяного пара. Поэтому особенно интересны данные, полученные с космических аппаратов.
Межпланетная станция «Венера-Экспресс» (Европейское космическое агентство) проводила научные наблюдения Венеры с орбиты её спутника с 2006 по 2014 г. На её борту был установлен прибор SPICAV, включавший ультрафиолетовый и инфракрасный спектрометры. Инфракрасный канал SPICAV был создан в Институте космических исследований РАН и работал с апреля 2006 до декабря 2014 г. — то есть с начала и до конца работы всего аппарата.
За время научной миссии «Венера-Экспресс» получила множество данных, которые продолжают обрабатываться и сегодня. В новом исследовании, опубликованном в журнале Atmosphere, был представлен первый анализ полного набора спектров, полученных ИК-каналом SPICAV на длинах волн 1.1 и 1.18 мкм. Излучение в этом диапазоне характеризует атмосферу Венеры именно на высотах до 15 км от поверхности.
Используя полученные данные, группа исследователей из ИКИ РАН и их коллеги из Франции попытались оценить концентрацию молекул водяного пара H2O в этом слое атмосферы на ночной стороне планеты.
За восемь лет наблюдений удалось получить информацию почти о всех широтах с 85 градусов северной до 84 градусов южной широты. Полный набор данных содержит более 2600 наблюдательных сессий и примерно 27000 спектров.
Каждый из этих спектров был описан с помощью трёх теоретических моделей. Дело в том, что в экстремальных условиях Венеры — при высокой температуре и давлении линии поглощения водяного пара и углекислоты могут «выглядеть» не так, как в привычных нам земных условиях, и соответственно влиять на «внешний вид» спектров. Каждая из моделей учитывала состав атмосферы, рассеяние в облаках и отражательную способность поверхности.
Как показали результаты исследования, объёмная доля водяного пара с учётом неопределённостей в параметрах самих моделей оценивается от 23.6 до 27.7 частиц на миллион (ppmv).
При этом, вне зависимости от модели, полученные оценки не зависят от конкретного места измерений — иными словами, они остаются постоянными почти для всей Венеры от 60 градусов южной до 70 градусов северной широты. Южнее и севернее этой границы наблюдается небольшое понижение среднего значения примерно на 2 ppmv. Как замечают авторы статьи, возможно, здесь сказываются погрешности измерений — более высокий уровень шума по отношению к полезному сигналу, хотя не исключена и физическая причина этого понижения, связанная с глобальной циркуляцией венерианской атмосферы.
Кроме того, анализ показал, что водяной пар равномерно распределён по тропосфере и не зависит ни от местной высоты, ни от времени суток. Не были выявлены и какие-либо более длительные изменения в его содержании — а за время работы аппарата у Венеры прошло почти 13 венерианских лет.
Полученные с помощью SPICAV значения согласуются с данными измерений в тех же «окнах прозрачности», которые проводились с помощью наземных телескопов. Кроме того, они хорошо соответствуют измерениям содержания водяного пара на высоте от 20 до 40 км (информацию об этих слоях атмосферы можно получить по измерениям на длинах волн 1.74 мкм и 2.3 мкм), которое, по данным разных экспериментов, оценивается приблизительно в 30 ppmv без больших вариаций.
Таким образом, ситуация с водяным паром под облаками Венеры кажется довольно стабильной: видимо, его молекулы распределены равномерно в атмосфере под облачным слоем.
Интересно, однако, что уже после завершения работы «Венеры-Экспресс» наблюдения с помощью наземных телескопов показали понижение содержания водяного пара на высотах 62 км. В чём причина этого понижения, сказать сложно, поэтому так важно продолжать наблюдения.
В настоящее время около Венеры не работает ни один космический аппарат, но продолжение исследований ожидается в миссии Venus Orbital Mission (ISRO). В состав его научной аппаратуры включен спектрометр VIRAL, созданный в ИКИ. Его старт намечен не ранее 2028 г. Позже наблюдения планируется проводить в российском проекте «Венера-Д», который включает и посадочную, и орбитальную станцию и планируется к запуску в 2036 г.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда, проект № 23-72-01064.
Evdokimova, D.; Fedorova, A.; Ignatiev, N.; Korablev, O.; Montmessin, F.; Bertaux, J.-L. Near-Surface Water Vapor Content Based on SPICAV IR/VEx Observations in the 1.1 and 1.18 μm Transparency Windows of Venus. Atmosphere 2025, 16, 726
Информация предоставлена пресс-службой ИКИ РАН
Источник фото: virtosmedia - ru.123rf.com
