在金星云层中发现的巨大图案

红外线摄像机和超级计算机模拟突破金星的面纱

日本一个研究小组根据赤月航天器的观测，在覆盖金星的云层中发现了一个巨大的条纹结构。研究小组还通过大规模的气候模拟揭示了这种结构的起源。

金星通常被称为地球的孪生兄弟，因为他们的大小和重力相似，但金星上的气候是非常不同的。金星与地球的旋转方向相反，而且速度要慢得多(大约一周旋转243个地球日)。与此同时，在金星表面上方约60公里处，一股快速的东风在大约4个地球日(时速360公里)内环绕金星一周，这种现象被称为大气超旋。金星的天空被位于45-70公里高度的浓硫酸云完全覆盖，这使得地球上的望远镜和环绕金星的轨道器很难观测到金星的表面。地表温度高达460摄氏度，对于任何进入探测器的观测来说都是一个严酷的环境。由于这些条件，关于金星的大气现象仍有许多未知。

为了解开金星大气之谜，日本“赤月”号宇宙飞船于2015年12月开始绕金星运行。赤月的观测仪器之一是红外照相机“IR2”，它测量波长为2 ?m (0.002 mm)。这台相机可以捕捉到距离地面约50公里的低层云的详细形态。光学和紫外线被上层云层阻挡，但由于红外技术的发展，下层云层的动态结构逐渐显露出来。

在赤月任务开始之前，研究小组开发了一个名为AFES-Venus的程序，用于模拟金星的大气层。在地球上，从每日天气预报和台风报告到全球变暖导致的预期气候变化，各种尺度的大气现象都是通过数值模拟来研究和预测的。对金星来说，观测的困难使得数值模拟更加重要，但同样的问题也使得模拟的准确性难以确认。金星已经成功地再现了金星大气的超旋转风和极地温度结构。研究小组利用日本海洋地球科学技术厅(JAMSTEC)提供的超级计算机系统“地球模拟器”，在高空间分辨率下进行了数值模拟。然而，由于赤月之前的观测数据质量较低，很难证明这些模拟是否准确重建。

这项研究比较了赤月的IR2相机拍摄的金星低层云层的详细观测数据和AFES-Venus项目的高分辨率模拟数据。上图的左半部分显示了IR2相机拍摄到的金星较低云层。注意南北半球几乎对称的巨大条纹。每条条纹都有数百公里宽，对角延伸近1万公里。IR2相机首次发现了这种模式，研究小组将其命名为行星尺度的条纹结构。这种规模的条纹结构在地球上从未被观测到，可能是金星独有的现象。利用AFES-Venus的高分辨率模拟，研究小组重建了这种模式(上图右侧)。这种结构与摄像机观测的相似性证明了AFES-Venus模拟的准确性。

接下来，通过对AFES-Venus模拟结果的详细分析，研究小组揭示了这种巨大条纹结构的起源。这种结构的关键是一种与地球日常天气密切相关的现象:极地急流。在地球中纬度和高纬度地区，大规模的风动力学(斜压不稳定)形成了温带气旋、迁移高压系统和极地急流。模拟结果显示，在金星的云层中，同样的机制在起作用，这表明喷射流可能是在高纬度地区形成的。在低纬度地区，由于大尺度流动的分布和行星旋转效应(罗斯比波)，大气波在赤道和60度纬度的两个方向上产生大涡。当急流加入到这种现象中时，涡旋就会倾斜和伸展，南北风的辐合带就会形成一条条纹。辐合带吹出的南北风形成强烈的向下气流，形成行星尺度的条带结构。罗斯比波还与位于赤道(赤道开尔文波)较低云层上的大的大气波动相结合，保持了半球之间的对称性。

本研究揭示了金星低云层行星尺度上的巨大条纹结构，并通过模拟复制了该结构，认为该条纹结构是由两种大气波动(波)、斜压不稳定和射流形成的。对多种大气现象形成的星等尺度条纹结构的成功模拟，证明了该过程中单个现象模拟的准确性。

到目前为止，对金星气候的研究主要集中在从东到西的平均计算上。这一发现将金星的气候研究提升到了一个新的水平，在这个水平上，对金星详细的三维结构的讨论是可能的。下一步，通过与赤月(Akatsuki)和金星金星研究所(AFES-Venus)的合作，将解开笼罩在浓硫酸云层中的地球双星金星的气候之谜。