紅外線攝像機和超級計算機模擬突破金星的面紗

在金星雲層中發現的巨大圖案

日本一個研究小組根據赤月航天器的觀測，在覆蓋金星的雲層中發現了一個巨大的條紋結構。研究小組還通過大規模的氣候模擬揭示了這種結構的起源。

金星通常被稱為地球的孿生兄弟，因為他們的大小和重力相似，但金星上的氣候是非常不同的。金星與地球的旋轉方向相反，而且速度要慢得多(大約一週旋轉243個地球日)。與此同時，在金星表面上方約60公里處，一股快速的東風在大約4個地球日(時速360公里)內環繞金星一週，這種現象被稱為大氣超旋。金星的天空被位於45-70公里高度的濃硫酸雲完全覆蓋，這使得地球上的望遠鏡和環繞金星的軌道器很難觀測到金星的表面。地表溫度高達460攝氏度，對於任何進入探測器的觀測來說都是一個嚴酷的環境。由於這些條件，關於金星的大氣現象仍有許多未知。

為瞭解開金星大氣之謎，日本“赤月”號宇宙飛船於2015年12月開始繞金星運行。赤月的觀測儀器之一是紅外照相機“IR2”，它測量波長為2 ?m (0.002 mm)。這臺相機可以捕捉到距離地面約50公里的低層雲的詳細形態。光學和紫外線被上層雲層阻擋，但由於紅外技術的發展，下層雲層的動態結構逐漸顯露出來。

在赤月任務開始之前，研究小組開發了一個名為AFES-Venus的程序，用於模擬金星的大氣層。在地球上，從每日天氣預報和颱風報告到全球變暖導致的預期氣候變化，各種尺度的大氣現象都是通過數值模擬來研究和預測的。對金星來說，觀測的困難使得數值模擬更加重要，但同樣的問題也使得模擬的準確性難以確認。金星已經成功地再現了金星大氣的超旋轉風和極地溫度結構。研究小組利用日本海洋地球科學技術廳(JAMSTEC)提供的超級計算機系統“地球模擬器”，在高空間分辨率下進行了數值模擬。然而，由於赤月之前的觀測數據質量較低，很難證明這些模擬是否準確重建。

這項研究比較了赤月的IR2相機拍攝的金星低層雲層的詳細觀測數據和AFES-Venus項目的高分辨率模擬數據。上圖的左半部分顯示了IR2相機拍攝到的金星較低雲層。注意南北半球幾乎對稱的巨大條紋。每條條紋都有數百公里寬，對角延伸近1萬公里。IR2相機首次發現了這種模式，研究小組將其命名為行星尺度的條紋結構。這種規模的條紋結構在地球上從未被觀測到，可能是金星獨有的現象。利用AFES-Venus的高分辨率模擬，研究小組重建了這種模式(上圖右側)。這種結構與攝像機觀測的相似性證明瞭AFES-Venus模擬的準確性。

接下來，通過對AFES-Venus模擬結果的詳細分析，研究小組揭示了這種巨大條紋結構的起源。這種結構的關鍵是一種與地球日常天氣密切相關的現象:極地急流。在地球中緯度和高緯度地區，大規模的風動力學(斜壓不穩定)形成了溫帶氣旋、遷移高壓系統和極地急流。模擬結果顯示，在金星的雲層中，同樣的機制在起作用，這表明噴射流可能是在高緯度地區形成的。在低緯度地區，由於大尺度流動的分佈和行星旋轉效應(羅斯比波)，大氣波在赤道和60度緯度的兩個方向上產生大渦。當急流加入到這種現象中時，渦旋就會傾斜和伸展，南北風的輻合帶就會形成一條條紋。輻合帶吹出的南北風形成強烈的向下氣流，形成行星尺度的條帶結構。羅斯比波還與位於赤道(赤道開爾文波)較低雲層上的大的大氣波動相結合，保持了半球之間的對稱性。

本研究揭示了金星低雲層行星尺度上的巨大條紋結構，並通過模擬復制了該結構，認為該條紋結構是由兩種大氣波動(波)、斜壓不穩定和射流形成的。對多種大氣現象形成的星等尺度條紋結構的成功模擬，證明瞭該過程中單個現象模擬的準確性。

到目前為止，對金星氣候的研究主要集中在從東到西的平均計算上。這一發現將金星的氣候研究提升到了一個新的水平，在這個水平上，對金星詳細的三維結構的討論是可能的。下一步，通過與赤月(Akatsuki)和金星金星研究所(AFES-Venus)的合作，將解開籠罩在濃硫酸雲層中的地球雙星金星的氣候之謎。