Πώς η γεωγραφική εξάρτηση της δομής του νέφους αλλάζει τη θερμοκρασία και την κυκλοφορία της ατμόσφαιρας της Αφροδίτης;

Τα σύννεφα δεν βρίσκονται στο ίδιο υψόμετρο παντού στην ατμόσφαιρα της Αφροδίτης. Είναι 10 χλμ χαμηλότερα στους πόλους από ό,τι στον ισημερινό. Αυτή η υψομετρική διαφορά φαίνεται να είναι ένας από τους κύριους υπεύθυνους παράγοντες για το σχηματισμό του λεγόμενου «κρύου γιακά». ένα μόνιμο ρεύμα ψυχρού αέρα που περικυκλώνει μια εξαιρετικά μεταβλητή θερμή ατμοσφαιρική δίνη σε κάθε πόλο της Αφροδίτης.

Η Αφροδίτη καλύπτεται πλήρως από ένα κατάστρωμα όξινου θειικού νέφους πάχους 20 km. Όταν παρατηρείται σε ορατά μήκη κύματος, ο πλανήτης δείχνει ένα ομαλό πρόσωπο, με σχεδόν καθόλου εμφανείς δομές. Ωστόσο, στα υπέρυθρα μήκη κύματος, η Αφροδίτη δείχνει ένα εντελώς διαφορετικό πρόσωπο, γεμάτο δραστηριότητα και πλούσιο σε νεφελώδεις δομές.

Ένα από τα κύρια εντυπωσιακά ατμοσφαιρικά χαρακτηριστικά της Αφροδίτης μπορεί να φανεί σε θερμικές υπέρυθρες εικόνες που δείχνουν την ακτινοβολία που εκπέμπεται από τα σύννεφα στα ~62 km πάνω από την επιφάνεια λόγω της θερμοκρασίας τους, δηλαδή με τις θερμότερες περιοχές να είναι πιο φωτεινές στην εικόνα. Είναι μια τεράστια δίνη (20 km ύψος και 2.000 km πλάτος, κατά μέσο όρο) που αλλάζει εντελώς το σχήμα της σε 24 ώρες και παρουσιάζει συνεχώς εξελισσόμενες θερμές νηματώδεις δομές λεπτής κλίμακας (Luz et al., 2011; Garate-Lopez et al., 2013).

Οι πολικές δίνες είναι συνηθισμένες στους πλανήτες του Ηλιακού μας Συστήματος. Η πιο γνωστή είναι σίγουρα η βόρεια πολική δίνη του Κρόνου που περιβάλλεται από τον αινιγματικό εξαγωνικό πίδακα, αλλά η Γη και ο Άρης έχουν επίσης πολικές δίνες που δημιουργούνται από διαβαθμίσεις της θερμοκρασίας της επιφάνειας και διαμορφώνονται σε ισχύ από τον εποχιακό κύκλο ηλιοφάνειας (Waugh and Polvani, 2010; Giuranna et al. 2008). Η αργά περιστρεφόμενη Αφροδίτη δεν έχει έντονη εποχιακή πίεση, αλλά είναι γνωστό ότι οι δίνες συμβαίνουν και στους δύο πόλους σε μια ατμόσφαιρα που περιστρέφεται 60 φορές πιο γρήγορα από τον ίδιο τον πλανήτη (Taylor et al., 1980· Piccioni et al., 2007). Οι μηχανισμοί που οδηγούν τις πολικές δίνες της Αφροδίτης δεν είναι ακόμα καλά κατανοητοί.

Συγκρατώντας τη δίνη, παρατηρήσαμε μια σχεδόν χωρίς χαρακτηριστικά πιο σκοτεινή περιοχή, που μεταφράζεται σε ψυχρότερες θερμοκρασίες, που περιβάλλει την περιοχή με το υψηλότερο γεωγραφικό πλάτος. Αυτή η αναστροφή θερμοκρασίας, που βρίσκεται σε υψόμετρο 60-70 km και γεωγραφικό πλάτος 60-80 μοιρών, είναι περίπου 20 K ψυχρότερη από τον ισημερινό και 15 K ψυχρότερη από τους πόλους (Haus et al., 2014). Αυτή η διαφορά θερμοκρασίας θα την έκανε να διαλυθεί γρήγορα. Ωστόσο, το κρύο κολάρο είναι μια μόνιμη δομή στα υποπολικά γεωγραφικά πλάτη της Αφροδίτης, υπονοώντας ότι εξαναγκάζεται από κάποιον άγνωστο μηχανισμό.

Πρόσφατες αριθμητικές προσομοιώσεις έδειξαν ότι η πτώση του καταστρώματος νεφών προς τους πόλους παίζει βασικό ρόλο στο σχηματισμό του κρύου κολάρου (Garate-Lopez &Lebonnois, 2018). Σε αυτήν την εργασία, η διακύμανση του υψομέτρου του νέφους από τον ισημερινό στον πόλο, καθώς και η μεταβολή της αφθονίας των διαφορετικών τύπων σωματιδίων, εφαρμόστηκαν στο Institut Pierre Simon Laplace Venus Global Climate Model (IPSL Venus GCM; Lebonnois et al., 2010). Μια ψυχρή δομή που δεν υπήρχε στο προηγούμενο μοντέλο, που θεωρούσε τα σύννεφα ομοιόμορφα σε γεωγραφικό πλάτος (Lebonnois et al., 2016) και που μοιάζει με το ψυχρό κολάρο που παρατηρήθηκε στην Αφροδίτη, εμφανίζεται στη θερμική κατανομή σε ένα κατάλληλο εύρος υψών και γεωγραφικών πλάτων.

Κάθε πλανήτης και η ατμόσφαιρά του απορροφούν και αντανακλούν μέρος της ακτινοβολίας που προέρχεται από τον Ήλιο (ή το αστέρι γύρω από το οποίο περιφέρονται) ενώ εκπέμπουν θερμική υπέρυθρη ακτινοβολία προς το διάστημα. Η ισορροπία μεταξύ της θέρμανσης με ακτινοβολία λόγω της απορρόφησης ηλιακής ενέργειας και της ακτινοψύξης λόγω της εκπομπής υπέρυθρης ενέργειας καθορίζει τη μέση κατανομή θερμοκρασίας του πλανήτη και της ατμόσφαιράς του. Οποιαδήποτε αλλαγή στην ένταση της ηλιακής ενέργειας, η ανακλαστικότητα των νεφών, η απορρόφηση από την επιφάνεια ή η θερμική εκπομπή μεταβάλλει το ισοζύγιο ακτινοβολίας. Και οι τοπικές διαφορές μεταξύ θέρμανσης και ψύξης με ακτινοβολία παρέχουν την ενέργεια που οδηγεί την ατμοσφαιρική δυναμική.

Τόσο οι ρυθμοί ηλιακής θέρμανσης όσο και οι ρυθμοί υπέρυθρης ψύξης έχουν τροποποιηθεί στο IPSL Venus GCM για να ληφθεί υπόψη η γεωγραφική διακύμανση της δομής του νέφους, αλλά είναι στην κατανομή της υπέρυθρης ψύξης όπου φαίνεται μια σημαντική αλλαγή. Μια ισχυρή περιοχή ψύξης αναπτύσσεται στην μεταγενέστερη περιοχή κρύου κολάρου μόλις εφαρμοστεί η νέα δομή του νέφους στους υπολογισμούς υπερύθρων και συνεχίζει να ψύχεται έντονα αφού σχηματιστεί το κρύο κολάρο και επιτευχθεί μια νέα θερμική ισορροπία.

Στη θερμική ισορροπία, η ακτινοβολούμενη ψύξη αντισταθμίζεται με θέρμανση λόγω δυναμικής (λόγω της κάθετης ή οριζόντιας μεταφοράς αέρα). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της αριθμητικής προσομοίωσης, η δύναμη ακτινοβολίας ψύχει την περιοχή του κρύου κολάρου ενώ η κίνηση του αέρα τη θερμαίνει, με αποτέλεσμα μια περιοχή που είναι χαρακτηριστικά ψυχρή, οπότε φαίνεται ότι ο οδηγός του κρύου κολάρου είναι η μεταφορά ακτινοβολίας και όχι η δυναμική . Ωστόσο, η πολική κυκλοφορία επηρεάζεται σίγουρα από αυτό το τροποποιημένο περιβάλλον και μια αξιοσημείωτη ανοδική κίνηση παρατηρείται στην περιοχή του κρύου γιακά στο τρέχον μοντέλο IPSL Venus GCM. Αυτό το αποτέλεσμα της ανόδου του αέρα στο κρύο κολάρο είναι αντίθετο με ορισμένες από τις τρέχουσες θεωρίες σχετικά με τη γενική κυκλοφορία της ατμόσφαιρας της Αφροδίτης, επομένως είναι μια ενδιαφέρουσα πτυχή που πρέπει να αναλυθεί σε μελλοντικές μελέτες.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Γεωγραφική παραλλαγή της δομής των νεφών που είναι υπεύθυνη για το κρύο κολάρο της Αφροδίτης, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Icarus. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Itziar Garate-Lopez και Sébastien Lebonnois από το Sorbonne Université, ENS, PSL Research University, Ecole Polytechnique, Université Paris Saclay.

Αναφορές:

1. Garate-Lopez, I., Hueso, R., Sánchez-Lavega, A., Peralta, J., Piccioni, G., and Drossart, P. (2013). Μια χαοτική μακρόβια δίνη στο νότιο πόλο της Αφροδίτης . Nature Geoscience, τόμ. 6, σελ. 254–257.
2. Garate-Lopez, I., and Lebonnois, S. (2018). Γεωγραφική παραλλαγή της δομής των νεφών που είναι υπεύθυνη για το κρύο κολάρο της Αφροδίτης . Ίκαρος, τόμ. 314, σελ. 1–11.
3. Giuranna, M., Grassi, D., Formisano, V., Montabone, L., Forget, F., and Zasova, L. (2008). Παρατηρήσεις PFS/MEX του συμπυκνωμένου CO₂ νότιο πολικό καπάκι του Άρη . Ίκαρος, τόμ. 197, σ. 386–402.
4. Haus, R., Kappel, D., and Arnold, G. (2014). Ατμοσφαιρική θερμική δομή και χαρακτηριστικά σύννεφων στο νότιο ημισφαίριο της Αφροδίτης όπως ανακτήθηκαν από μετρήσεις ακτινοβολίας VIRTIS/VEX . Ίκαρος, τόμ. 232, σ. 232–248.
5. Lebonnois, S., Hourdin, F., Eymet, V., Crespin, A., Fournier, R., Forget, F., 2010. Η υπερστροφή της ατμόσφαιρας της Αφροδίτης αναλύθηκε με ένα πλήρες μοντέλο γενικής κυκλοφορίας . Journal of Geophysical Research, τομ. 115, E06006.
6. Lebonnois, S., Sugimoto, N., Gilli, G., 2016. Ανάλυση κυμάτων στην ατμόσφαιρα της Αφροδίτης κάτω από υψόμετρο 100km, προσομοίωση από το LMD Venus GCM . Ίκαρος, τόμ. 278, σελ. 38–51.
7. Luz, D. et al. (2011). Η νότια πολική δίνη της Αφροδίτης αποκαλύπτει την προκαταρκτική κυκλοφορία . Science, τόμ. 332, σσ. 577–580.
8. Piccioni, G. et al. (2007). Νότια πολικά χαρακτηριστικά στην Αφροδίτη παρόμοια με εκείνα κοντά στον βόρειο πόλο . Φύση, τόμ. 450, σσ. 637–640.
9. Taylor, F. W. et al. (1980). Δομή και Μετεωρολογία της Μέσης Ατμόσφαιρας της Αφροδίτης:Υπέρυθρη Τηλεπισκόπηση από το Pioneer Orbiter. Journal of Geophysical Research, τομ. 85, σελ. 7963–8006.
10. Waugh, D. W. and Polvani, L. M. (2010). Στρατοσφαιρικές πολικές δίνες . Σειρά Γεωφυσικών Μονογραφιών, τόμ. 190, σσ. 43–58.