Wenus od lat udawała planetę zasłoniętą szczelną, żółtawą zasłoną, przez którą trudno zajrzeć głębiej. Teraz udało się wyjaśnić jedno z najbardziej widowiskowych zjawisk w jej atmosferze.
Wenus bywa nazywana bliźniaczką Ziemi, ale to jedno z najbardziej zdradliwych porównań w astronomii. Obie planety mają podobne rozmiary i masę, ale ich warunki są skrajnie różne. Na powierzchni Wenus panuje temperatura sięgająca ok. 470 st. C, ciśnienie jest kilkadziesiąt razy większe niż przy powierzchni Ziemi, a atmosferę dominuje dwutlenek węgla. Nad tym wszystkim rozciąga się gęsta warstwa chmur z kropelek kwasu siarkowego.
W 2016 r. sonda badająca atmosferę Wenus uchwyciła niezwykłą strukturę: wyraźny, rozciągnięty na tysiące kilometrów front chmur przemieszczający się w pobliżu równika. Nie był to drobny wir ani lokalna anomalia pogodowa. Mowa o strukturze planetarnej skali, widocznej jako ciemniejsza linia gęstszych chmur.
Zjawisko było szczególnie intrygujące, bo nie pasowało do znanego nam obrazu atmosfery Wenus. Wyglądało tak, jakby w gwałtownie płynącym oceanie gazu pojawiał się nagły próg. Chmury nie układały się przypadkowo, ale tworzyły rozległą, powtarzalną granicę. Naukowcy wiedzieli, iż widzą coś ważnego, ale przez lata nie potrafili jednoznacznie wskazać mechanizmu.
Okazuje się, iż to, co dzieje się w atmosferze Wenus, ma fizyczny odpowiednik w zlewie kuchennym, kanale wodnym albo w rzece. Różnica polega po prostu na skali. Zamiast cienkiej warstwy wody mamy planetarny układ chmur z kwasu siarkowego, rozciągnięty na tysiące kilometrów.
Wszystko przez skok hydrauliczny
Zespół badaczy z udziałem Uniwersytetu Tokijskiego wyjaśnił pochodzenie jednej z najbardziej zagadkowych struktur w atmosferze Wenus. Naukowcy wykazali, iż gigantyczny front chmur o szerokości choćby 6 tys. km powstaje wskutek największego znanego skoku hydraulicznego w Układzie Słonecznym.
Skok hydrauliczny to zjawisko znane z mechaniki płynów. Najłatwiej zobaczyć je w zlewie. Gdy strumień wody uderza o powierzchnię, woda najpierw rozlewa się cienką, szybką warstwą. W pewnym momencie nagle zwalnia, staje się głębsza i bardziej wzburzona. Granica między tymi dwoma stanami to właśnie skok hydrauliczny.
W ziemskich warunkach skok hydrauliczny może mieć kilka centymetrów, metrów albo dziesiątki metrów. Na Wenus badacze mówią o zjawisku największym znanym w Układzie Słonecznym. Zamiast wody bierze w nim udział gazowa atmosfera, a zamiast kuchennego zlewu mamy dolne i środkowe warstwy wenusjańskich chmur.
Według nowego modelu kluczową rolę odgrywa fala Kelvina. To rodzaj fali atmosferycznej lub oceanicznej, która przemieszcza się w uporządkowany sposób i może przenosić energię na ogromne odległości. Na Wenus taka fala porusza się na wschód w dolnych i środkowych warstwach chmur. W pewnym momencie układ staje się niestabilny. Prędkość przepływu widziana z perspektywy fali gwałtownie spada, a atmosfera zachowuje się tak, jak woda przy skoku hydraulicznym. Powstaje silny, lokalny prąd wstępujący, czyli ruch gazu ku górze.
To właśnie ten pionowy ruch jest najważniejszy dla widocznego efektu. Prąd wstępujący wynosi parę kwasu siarkowego wyżej, gdzie może ona kondensować, czyli przechodzić w drobne kropelki tworzące chmury. W ten sposób w atmosferze powstaje długa, masywna linia chmur, którą można śledzić z orbity.
Kwas siarkowy tworzy tu zasłonę niczym nad piekłem
Chmury Wenus nie przypominają ziemskich chmur wodnych. Składają się głównie z kropelek kwasu siarkowego, który powstaje w atmosferze z udziałem związków siarki, promieniowania słonecznego i niewielkich ilości wody. To właśnie dlatego Wenus jest tak trudnym miejscem dla sond i instrumentów. Nie chodzi tylko o wysoką temperaturę przy powierzchni, ale także o agresywną chemię w atmosferze.
W badanym zjawisku para kwasu siarkowego jest unoszona wyżej przez silny prąd wstępujący. Gdy trafia do odpowiednich warunków, zaczyna się kondensować. Powstaje gęstsza linia chmur, która na zdjęciach może wyglądać jak ciemniejszy pas.
Obserwowana struktura nie jest więc po prostu cieniem ani przypadkowym układem plam. Jest widzialnym śladem bardzo dynamicznego procesu. Atmosfera wykonuje gwałtowny skok, powietrze zostaje wypchnięte w górę, a chemiczne składniki chmur układają się w ogromną linię. W ten sposób fizyka przepływów zostawia podpis na całej planecie.
Modele musiały zejść głębiej w chmury
Do odtworzenia zjawiska użyto modeli dynamiki płynów i modeli fizycznych chmur. Model dynamiki płynów symuluje przepływ gazu, czyli to, jak atmosfera przyspiesza, zwalnia, faluje i tworzy zaburzenia. Model fizyczny śledzi natomiast zachowanie małego wycinka powietrza: kondensację, powstawanie kropelek i zmiany w składzie chmur.
Sama dynamika nie wystarczyłaby oczywiście do wyjaśnienia zdjęć. Trzeba jeszcze pokazać, dlaczego ruch gazu prowadzi do powstania konkretnej, widocznej struktury chmur. Model musi wyjaśnić nie tylko wiatr, ale też to, co widać jako ciemniejszą linię na obrazach z orbity.
Dotychczasowe modele cyrkulacji Wenus były pod wieloma względami podobne do modeli stosowanych dla Ziemi. To oczywiście nasz naturalny punkt wyjścia, ale niewystarczający, jeżeli w atmosferze Wenus pojawia się proces tak szczególny jak planetarny skok hydrauliczny. Teraz badacze będą musieli sprawdzić, jak włączyć ten mechanizm do bardziej kompletnych symulacji klimatu planety.
Nie będzie to proste. Modele obejmujące wiele procesów naraz są bardzo kosztowne obliczeniowo. Wenus wymaga symulowania gęstej atmosfery, szybkich wiatrów, fal, chmur, promieniowania i chemii. choćby współczesne superkomputery mają z tym problem, jeżeli obliczenia mają być dokładne.
