金星快车探测器揭示了金星的神秘之夜

【博科园-科学科普】金星的大气层是如此的神秘，因为它是密集而炙热的。几代人以来科学家们一直试图通过地面望远镜、轨道探测器和偶尔的大气探测来研究它。2006年欧洲航天局的“金星快车”号探测器成为第一个对地球大气进行长期观测的探测器揭示了它的动力学。

金星快车在绕着金星轨道运行的概念图，图片：ESA

利用这一数据由日本航空航天和探索机构(JAXA)的研究人员领导的一组国际科学家最近进行了一项研究，该研究的特点是金星上的风和上云模式。除了作为同类的第一个这项研究还揭示了大气在夜间的表现不同，这是出乎意料的。

这项名为“静止的波浪和缓慢移动的金星上云”的研究最近在科学期刊《自然天文学》上发表。由JAXA国际顶尖的年轻研究员哈维尔·佩拉尔塔(Javier Peralta)领导的研究小组查阅了“金星快车”(Venus Express)“科学仪器”(suite of scientific instruments)获得的数据，以研究这个星球上看不见的云类型、形态和动力学。

金星上云层的大气超级旋转，虽然超级旋转在金星的白天和夜晚都存在，但在白天看起来更均匀。图片版权： JAXA, ESA, J. Peralta and R. Hueso.

虽然大量的研究都是在金星的大气中进行的，但这是第一次研究并没有把注意力集中在地球的一边。正如Peralta博士在欧洲航天局的一份媒体声明中解释的那样：这是我们第一次能够描述在全球范围内，金星上的大气层是如何循环的。虽然地球上的天侧的大气环流已经被广泛地探索，但仍然有很多关于夜侧的发现。发现这些云模式与白天的不同，并受到金星地形的影响。

自上世纪60年代以来，天文学家就已经意识到金星的大气层与其他类地行星的大气层有很大的不同。而地球和火星的大气层以接近地球的速度共同旋转，金星的大气层可以达到360公里/小时(224英里/小时)的速度。因此虽然地球自转一周需要243天，但大气层只需要4天。

这种被称为“超级旋转”的现象，本质上是指大气运动速度比地球快60倍。此外过去的测量结果显示，最快的云位于云层上方，65至72公里(40到45英里)。尽管几十年的研究，大气模型已经无法重现超级旋转，这表明一些力学是未知的。

金星大气概念图显示了它的闪电风暴和远处的火山。图片版权： European Space Agency/J. Whatmore

这样佩拉尔塔和他的国际团队——包括大学研究人员德尔·派斯瓦斯科在西班牙，东京大学，京都Sangyo大学天文学和天体物理学中心(ZAA)在柏林技术大学和研究所的天体物理学和空间行星学在罗马-选择看未知的一面看看他们能找到什么。

关注的是夜晚，因为它没有得到充分的探索，我们可以通过他们的热发射看到行星的夜空上的云层，但很难正确地观测到它们，因为我们的红外图像的对比度太低，无法捕捉到足够的细节。

这包括用探测器的可见光和红外热成像光谱仪(VIRTIS)观测金星的夜侧云。该仪器同时收集了数百张图像和不同波长的图像，然后将其组合在一起，以提高云层的可见度。这让团队第一次正确地看到了他们，同时也揭示了一些关于金星夜间的大气的意想不到的事情。

他们所看到的是，在夜晚的时候，大气的旋转似乎比在白天观察到的更混乱。上面的云也形成了不同的形状和形态——即大、波浪形、斑片状、不规则和丝状的图案——并且被固定的波所支配，在那里，两波向相反方向移动的波浪相互抵消，形成一个静态的天气模式。

由于金星快车(ESA)和红外望远镜IRTF(NASA)，在金星的夜间发现了新的云层形态。图片版权：ESA/NASA/J. Peralta and R. Hueso.

通过将VIRTIS数据与金星无线电科学实验(VeRa)的无线电科学数据结合起来，得到了这些平稳波的三维性质。很自然地研究小组惊奇地发现了这些大气行为，因为它们与日常生活中经常观察到的现象不一致。此外它们与解释金星大气动力学的最佳模型相矛盾。

这些模型被称为全球环流模型(GCMs)，这些模型预测在金星上，超级旋转在白天和夜晚都以同样的方式发生。更重要的是注意到夜间的固定波浪似乎与高海拔的特征相一致。正如阿古斯汀·桑切斯·拉维加(Agustin sanchez - lavega)所解释的：

静止的波可能是我们所说的重力波——换句话说，在金星大气中产生的上升波，似乎不随行星的自转而移动。这些波集中于陡峭的、多山的金星地区，这表明，行星的地形正在影响云层上方发生的情况。

这并不是科学家第一次发现金星的地形和大气运动之间可能存在的联系。去年一组欧洲天文学家发表了一项研究，该研究表明白天的天气模式和上升的波浪似乎与地形特征直接相关。这些发现是基于金星快车上的金星监控摄像机(VMC)拍摄的紫外线图像。

在金星上多山地形附近的引力波行为的示意图。图片版权：ESA

在晚上发现类似的事情发生在夜晚，这是一个惊喜，直到意识到他们并不是唯一发现的人。佩拉尔塔表示：这是一个激动人心的时刻，VIRTIS图像中的一些云特征并没有随着大气的变化而移动。我们进行了一场长期的辩论，讨论结果是否真实，直到我们意识到另一个团队，由合著者Kouyama博士领导，在夏威夷使用NASA的红外望远镜设施(IRTF)，也独立地发现了静止的云层。我们的发现被证实了，当JAXA的Akatsuki号宇宙飞船被插入到围绕金星的轨道上，并立即发现了在金星上的太阳系统中观测到的最大的平稳波。

这些发现还挑战了现有的静止波模型，这些模型预计将从表面风和高海拔特征的相互作用中形成。然而前苏联时代的Venera岛民所做的测量表明，表面风可能太弱，无法在金星上发生。此外研究小组所观察到的南半球海拔相当低。

正如巴斯克国家大学的Ricardo Hueso(以及论文的合著者)指出的那样，他们并没有在较低的云层中探测到相应的固定波。我们希望在较低的水平上发现这些波浪，因为我们看到它们在上层，我们认为它们从表面上升到云里。这是一个意料之外的结果，我们都需要重新审视我们的维纳斯模型来探索它的意义。

2014年6月和7月在金星的大气层中表演特技飞行。图片版权：ESA–C. Carreau

从这些信息看来在金星大气的行为上，地形和海拔是有联系的，但不是一致的。因此在金星上观察到的驻波可能是其他一些未被探测到的机制的结果。唉，似乎金星的大气层——特别是超级旋转的关键方面——仍然对我们有一些谜团。

该研究还展示了将多个来源的数据结合起来，以获得更详细的行星动力学图像的有效性。随着仪器和数据共享的进一步改进(也许还有另一项任务或两项任务)，我们可以更清楚地了解到什么是金星大气动力学的动力。

幸运的是也许有一天，我们可以模拟金星的大气层，并准确地预测它的天气模式，就像我们在地球上做的那样。

参考：欧空局，Nature Astronomy