En japansk forskargrupp har identifierat en gigantisk streckstruktur bland molnen som täcker planeten Venus baserat på observationer från rymdfarkosten Akatsuki. Teamet avslöjade också ursprunget till denna struktur med hjälp av storskaliga klimatsimuleringar. Gruppen leddes av Project Assistant Professor Hiroki Kashimura (Kobe University, Graduate School of Science) och dessa resultat publicerades den 9 januari i Naturkommunikation .

Venus kallas ofta jordens tvilling på grund av deras liknande storlek och gravitation, men klimatet på Venus är väldigt annorlunda. Venus roterar i motsatt riktning mot jorden, och mycket långsammare (ungefär en rotation under 243 jorddagar). Under tiden, cirka 60 km över Venus yta cirklar en snabb östlig vind runt planeten på cirka 4 jorddagar (vid 360 km/h), ett fenomen som kallas atmosfärisk superrotation.

Venus himmel är helt täckt av tjocka moln av svavelsyra som ligger på en höjd av 45-70 km, vilket gör det svårt att observera planetens yta från jordbaserade teleskop och orbiters som kretsar runt Venus. Yttemperaturen når svidande 460 grader Celsius, en hård miljö för eventuella observationer av ingångssonder. På grund av dessa förhållanden, det finns fortfarande många okända angående Venus atmosfäriska fenomen.

För att lösa pusslet med Venus atmosfär, den japanska rymdfarkosten Akatsuki började sin bana runt Venus i december 2015. Ett av Akatsukis observationsinstrument är en infraröd kamera "IR2" som mäter våglängder på 2 μm (0,002 mm). Denna kamera kan fånga detaljerad molnmorfologi för de lägre molnnivåerna, ca 50 km från ytan. Optiska och ultravioletta strålar blockeras av de övre molnskikten, men tack vare infraröd teknik, dynamiska strukturer av de lägre molnen avslöjas gradvis.

Innan Akatsuki-uppdraget började, forskargruppen utvecklade ett program kallat AFES-Venus för att beräkna simuleringar av Venus atmosfär. På jorden, atmosfäriska fenomen i varje skala undersöks och förutsägs med hjälp av numeriska simuleringar, från den dagliga väderprognosen och tyfonrapporter till förväntade klimatförändringar till följd av global uppvärmning. För Venus, svårigheten att observera gör numeriska simuleringar ännu viktigare, men samma problem gör det också svårt att bekräfta simuleringarnas riktighet.

AFES-Venus hade redan lyckats reproducera superrotationsvindar och polära temperaturstrukturer i Venusatmosfären. Använda Earth Simulator, ett superdatorsystem som tillhandahålls av Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC), forskargruppen skapade numeriska simuleringar med hög rumslig upplösning. Dock, på grund av den låga kvaliteten på observationsdata före Akatsuki, det var svårt att bevisa om dessa simuleringar var korrekta rekonstruktioner.

Denna studie jämförde detaljerade observationsdata för de lägre molnnivåerna av Venus tagna av Akatsukis IR2-kamera med högupplösta simuleringar från AFES-Venus-programmet. Den vänstra delen av figur 1 visar de lägre molnnivåerna av Venus som fångats av IR2-kameran. Lägg märke till de nästan symmetriska jätteränderna över norra och södra halvklotet. Varje sträcka är hundratals kilometer bred och sträcker sig diagonalt nästan 10, 000 kilometer tvärs över. Detta mönster avslöjades för första gången av IR2-kameran, och teamet har döpt det till en streakstruktur i planetarisk skala. Denna skala av räckstruktur har aldrig observerats på jorden, och kan vara ett fenomen unikt för Venus. Med hjälp av AFES-Venus högupplösta simuleringar, teamet rekonstruerade mönstret (Figur 1 till höger). Likheten mellan denna struktur och kameraobservationerna bevisar noggrannheten hos AFES-Venus-simuleringarna.

Nästa, genom detaljerade analyser av AFES-Venus simuleringsresultat, laget avslöjade ursprunget till denna gigantiska streakstruktur. Nyckeln till denna struktur är ett fenomen som är nära kopplat till jordens vardagsväder:polära jetströmmar. På jordens mitten och höga breddgrader, en storskalig vinddynamik (baroklinisk instabilitet) bildar extratropiska cykloner, migrerande högtryckssystem, och polära jetströmmar. Resultaten av simuleringarna visade att samma mekanism fungerar i molnskikten på Venus, vilket tyder på att jetströmmar kan bildas på höga breddgrader. På lägre breddgrader, en atmosfärisk våg på grund av fördelningen av storskaliga flöden och den planetariska rotationseffekten (Rossby-vågen) genererar stora virvlar över ekvatorn till latituder på 60 grader i båda riktningarna (figur 2, vänster). När jetströmmar läggs till detta fenomen, virvlarna lutar och sträcker sig, och konvergenszonen mellan nord- och sydvinden bildas som en strimma. Den nord-sydliga vinden som trycks ut av konvergenszonen blir ett kraftigt nedåtgående flöde, vilket resulterar i streakstrukturen i planetarisk skala (figur 2, höger). Rossby-vågen kombineras också med en stor atmosfärisk fluktuation som ligger över ekvatorn (ekvatorial Kelvin-våg) i de lägre molnnivåerna, bevara symmetrin mellan hemisfärerna.

Den här studien avslöjade den gigantiska streckstrukturen på planetarisk skala i de lägre molnnivåerna på Venus, replikerat denna struktur med simuleringar, och föreslog att denna räckstruktur bildas av två typer av atmosfäriska fluktuationer (vågor), baroklinisk instabilitet och jetströmmar. Den framgångsrika simuleringen av streakstrukturen i planetarisk skala som bildas av flera atmosfäriska fenomen är bevis för noggrannheten av simuleringarna för individuella fenomen som beräknas i denna process.

Tills nu, studier av Venus klimat har främst fokuserat på medelberäkningar från öst till väst. Detta fynd har lyft studiet av Venus klimat till en ny nivå där diskussion om den detaljerade tredimensionella strukturen av Venus är möjlig. Nästa steg, genom samarbete med Akatsuki och AFES-Venus, är att lösa pusslet om klimatet på jordens tvilling Venus, beslöjad i det tjocka molnet av svavelsyra.