Данные с MESSENGER переворачивают давнюю идею об атмосфере Венеры

Философ Николас Решер однажды написал: «Научные открытия часто делаются не на основе какого-то хорошо продуманного плана исследования, а благодаря какой-то чистой случайности». Для группы исследователей из Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса (APL) в Лорел, штат Мэриленд, это утверждение было более чем верным. То, что начиналось как пробный прогон, для обеспечения правильной работы приборов на космическом корабле НАСА MESSENGER, впоследствии превратилось в 10-летнюю сагу, в результате которой было сделано случайное открытие, не связанное с целевой планетой миссии - Меркурием. Это про Венеру и ее атмосферу. 20 апреля в журнале Nature Astronomy команда сообщила, что данные, случайно полученные MESSENGER, свидетельствуют о внезапном повышении концентрации азота на высоте около 50 км над поверхностью Венеры, демонстрируя, что атмосфера планеты не является однородно смешанной, как ожидалось. Это открытие нарушает понимание атмосферы Венеры, которая царила десятилетиями. История началась в июне 2007 года, когда MESSENGER плыл над Венерой прежде чем повернуть к Меркурию. Команда использовала эту возможность, чтобы протестировать свои устройства и собрать данные, прежде чем через шесть месяцев начнут поступать данные с Меркурия.

Среди членов команды был Дэвид Лоуренс, физик-ядерщик в APL. Он был приборостроителем нейтронного спектрометра на аппарате MESSENGER, который обнаруживает нейтроны, выбрасываемые в космос космическими лучами, сталкивающимися с молекулами в атмосфере или на поверхности планеты. Он был заточен на то, чтобы найти характерные признаки нейтронов, исходящих от атомов водорода в молекулах воды, которые, как предполагалось (и впоследствии подтвердилось), были заморожены в тени кратеров на полюсах Меркурия.

Однако над Венерой Лоуренс просто хотел собрать некоторые данные, чтобы проверить правильность работы прибора. Первоначальная проверка показала, что прибор работает, а данные были представлены в виде таблицы.

Но в 2010 году Лоуренс пересмотрел эти измерения, на этот раз с Патриком Пепловски, другим физиком-ядерщиком в APL. Несмотря на 50 лет отправки роботизированных миссий на Венеру, включая 13 атмосферных зондов и посадочных аппаратов, сохранялась большая неопределенность относительно концентрации азота в атмосфере Венеры, особенно между 50 и 100 км над поверхностью.

Это озадачило Пепловски и Лоуренса, потому что азот - вторая наиболее распространенная молекула, находящаяся в атмосфере Венеры после углекислого газа.

«Неопределенность была не обязательно только в инструменте MESSENGER - она ​​могла быть на всей планете», - сказал Лоуренс.

Однако Лоуренс знал о работе 1962 года, в которой предполагалось, что нейтронная спектроскопия может помочь определить концентрацию азота в атмосфере Венеры. Азот достаточно хорош в поглощении свободных нейтронов, в отличие от углерода и кислорода, которые являются одними из самых худших. Таким образом, на Венере число нейтронов, которое детектирует прибор, должно зависеть от количества атмосферного азота.

Пара провела компьютерную симуляцию, которая разделяла атмосферу планеты толщиной 100 км на полосы, в которых они могли манипулировать концентрацией азота и реально моделировать, сколько нейтронов будет получать космический корабль.

Когда они сравнили свои модели с данными MESSENGER, они обнаружили, что наилучшее совпадение было, когда атмосферный азот составлял 5%. И все нейтроны пришли из области между 60 и 100 км над поверхностью - именно там, где была самая большая неопределенность.

«Это была большая удача», - сказал Пепловски.

Почему азот увеличивается на большой высоте, остается неизвестным. По словам Пепловски, их открытие вызвало не только удивление, люди были потрясены.

«Многие ученые казались удивленными», сказал Пепловски. «Идея о том, что в верхних слоях атмосферы концентрация азота выше, чем в нижних, находилась за пределами диапазона мысли людей».

Они зашли в этот тупик раньше, когда пытались получить финансирование для завершения исследования. Проекту трижды отказывали в деньгах, потому что он считался тупиком. Данные, в которых они нуждались, чтобы чувствовать себя уверенно в своих результатах и ​​завершить исследование, были по счастливой случайности получены от Джека Уилсона, ученого APL, который, как оказалось, анализировал те же данные от MESSENGER для несвязанного с ними проекта.

После того, как команда представила предварительные результаты во время конференции в 2016 году, Федеральное космическое агентство России упомянуло о своей миссии «Венера-Д» по изучению атмосферы и поверхности Венеры. В настоящее время в НАСА также на рассмотрении находятся две миссии - DAVINCI+ и VERITAS, обе из которых включают ученых из APL, а их целью является в более детальное изучение атмосферы Венеры.

Пепловски и Лоуренс говорят, что этот новый результат подчеркивает осторожность, в которой нуждаются исследователи, делая выводы об атмосфере, особенно с растущим интересом к атмосферам экзопланет.

«Мы все еще изучаем фундаментальные вещи о Венере и ее атмосфере, а это наш ближайший сосед», - сказал Пепловски. «То, что ученые могут с уверенностью говорить об атмосферах экзопланет, которые находятся на расстоянии сотен или тысяч световых лет, заслуживает сомнений».

Чтобы сделать строгие и убедительные выводы, требуется широкий спектр данных. Но для получения этих данных иногда может потребоваться лишь немного удачи.

Космический зонд "Юнона" "заглянул" вглубь атмосферы Юпитера

Кадры, полученные на этой неделе благодаря космическому зонду "Юнона", показывают, насколько глубокой является атмосфера Юпитера."Космический аппарат "Юнона", который исследует Юпитер, вышел на орбиту вокруг газового гиганта в июле 2016 года. Зонд фиксирует изменения в гравитационном поле планеты. Измерения свидетельствуют о том, что в атмосфере Юпитера на глубине до 3 тысяч километров происходит движение значительных масс материи. Это позволяет ученым делать выводы о строении и динамике атмосферы огромной планеты", - говорится в сообщении. Отмечается, что астрономы уже на протяжении столетий наблюдают движения облаков в верхних слоях атмосферы Юпитера. Но до сих пор продолжаются споры о том, насколько глубокой является его атмосфера. По мнению участника научной группы проекта "Юнона" Тристана Гийо, новые данные позволяют найти ответ на этот вопрос. "В течение 40 лет мы не знали, простираются ли облачные системы до центра планеты, или же они располагаются только в верхних слоях атмосферы. Три тысячи километров - это очень большая глубина даже для планеты диаметром в 140 тысяч километров. Речь идет об 1% массы планеты. А это равняется трем земным массам", - отмечает Гийо.

"Это очень важно для понимания атмосферной динамики не только на Юпитере, но и на других газовых гигантах - Сатурне, Уране и Нептуне, а также на экзопланетах, которые открывают сейчас", - добавляет французский ученый.

В глубинах такой атмосферы, состоящей в основном из водорода и гелия, эти газы под воздействием огромного давления начинают переходить в жидкие формы. Этот материал ведет себя как твердое тело - он вращается с равномерной скоростью, и именно он генерирует мощное магнитное поле планеты.

Одна из основных задач аппарата "Юнона" - получить данные о том, имеет ли Юпитер твердое ядро. Первые данные указывают на то, что такое ядро действительно есть, но оно не совсем такое, как раньше предполагали ученые.

Оно может быть достаточно рыхлым и состоять не из горных пород, а из металлического водорода.

Продление срока работы "Юноны" на орбите должно прояснить этот вопрос. В ближайшее время от NASA ожидают решения относительно выделения средств на продолжение проекта.

Изначально планировалось в июле этого года направить аппарат в атмосферу планеты, где он сгорит, чтобы избежать его столкновения с одним из крупных спутников Юпитера. Считается, что на этом спутнике могут существовать определенные формы жизни, поэтому ученые не хотят его загрязнять остатками аппарата.

В то же время исследователи хотят, чтобы зонд сделал не менее 34 оборотов вокруг Юпитера. Один оборот занимает 53 дня. Следовательно зонд, который вывели на орбиту в июле 2016 года, останется на ней до 2021 года.

Это позволит получить подробную карту магнитного поля и сделать выводы о глубине загадочного Большого Красного пятна. Микроволновые измерения указывают на то, что эта огромная воронка в облачном слое в южном полушарии планеты имеет глубину до 350 км Гравитационные измерения могут показать, что ее глубина еще больше.

Аппарат "Юнона" стал вторым космическим аппаратом, который вышел на орбиту вокруг Юпитера после "Галилео", который находился на орбите вокруг газового гиганта с 1995-го по 2003 год.

Он движется по уникальной полярной орбите, что позволяет его приборам наблюдать активность облаков, которую нельзя увидеть с Земли.

"Космические находки": неожиданные открытия на Юпитере

Ученые обнаружили у полюсов Юпитера группы циклонов в форме многоугольников. В окрестностях полюсов Юпитера обнаружили группы атмосферных вихрей в форме многоугольников, а атмосфера гигантской планеты оказалась глубже, чем предполагалось. Открытия сделали четыре международные исследовательские группы на основе наблюдений при помощи космического аппарата HACA Juno, который находится на орбите вокруг гигантской планеты. Одна из научных команд обнаружила группу из девяти циклонов в окрестностях северного полюса планеты и группу из шести циклонов над ее южным полюсом. Мощные вихри не сдвинулись с места во время наблюдений, скорость потоков газа в которых 350 километров в час. Группа вихрей в окрестностях северного полюса Юпитера имеет форму восьмиугольника, над южным – формирует пятиугольник.

Также, ранее обнаруженные струйные течения в атмосфере планеты-гиганта, находятся на глубине до 3000 километров в атмосфере Юпитера. Это означает, что атмосфера может быть значительно толще, чем предполагалось.

Менее массивные планеты теряют атмосферу быстрее, чем предполагалось

Низкая гравитация Красной планеты и отсутствие у нее магнитного поля делают внешний слой ее атмосферы легкой мишенью для солнечного ветра, «выдувающего» ее в космос, однако новые данные, полученные при помощи космического аппарата Mars Express Европейского космического агентства, демонстрируют, что излучение Солнца может играть неожиданную роль в этом процессе. Основным элементом защиты атмосферы планеты от выдувания в космос потоками заряженных частиц солнечного ветра является магнитосфера. При отсутствии у планеты собственного магнитного поля, как в случае Венеры и Марса, основным элементом защиты от потери атмосферы в космос становится ионосфера, слой атмосферы, в котором находится фотоионизованный газ, при взаимодействии которого с потоками частиц солнечного ветра индуцируется вторичное магнитное поле, замедляющее и отклоняющее частицы солнечного ветра. В новом исследовании ученые во главе с Робином Рамстедом (Robin Ramstad) из Шведского института космической физики на основе данных, собранных при помощи зонда Mars Express, выяснили, что роль ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца в процессе «выдувания» атмосфер планет небольшой массы, таких как Марс, оказалась существенно более важной, чем считалось ранее.

 Слабая гравитация Марса приводит к тому, что образовавшиеся в результате фотодиссоциации под действием УФ излучения Солнца ионы покидают ионосферу с потоками так называемых «полярных ветров» и, неспособные удерживаться у поверхности слабой гравитацией Марса, отходят в космос. Таким образом, вне зависимости от мощности солнечного ветра, «защита» от которого формируется слоем ионов ионосферы, число частиц, покидающих атмосферу Марса, будет расти с ростом интенсивности УФ излучения Солнца. На Венере, с ее более сильной гравитацией, ионы, движущиеся к полюсам с потоками «полярных» ветров, не будут покидать атмосферу планеты, а вместо этого осядут на ночной стороне планеты и таким образом вернутся в атмосферу - что и объясняет отчасти тот факт, что Венера до сих пор смогла сохранить свою атмосферу, считают авторы исследования.

Изучение атмосферной дымки древней Земли поможет в изучении экзопланет

Для астрономов, пытающихся понять, на каких именно из далеких планет следует искать условия, подходящие для обитания жизни, роль атмосферной дымки до сих пор оставалась весьма «туманной». Чтобы разгадать эту тайну, команда исследователей НАСА обратила свое внимание на Землю – особенно на Землю в Архейскую эру, древний геологический период продолжительностью примерно 1,5 миллиарда лет. Атмосфера Земли в этот период существенно отличалась по составу от современной атмосферы нашей планеты: вероятно, в ней было относительно немного кислорода, но присутствовали значительные количества аммиака, метана, а также других, в основном органических соединений. Геологические свидетельства указывают на то, что эта дымка могла нерегулярно появляться в архейской атмосфере и вновь исчезать – и исследователи не до конца понимают причины этого явления. 

Команда делает вывод, что более глубокое понимание движущих сил и механизмов формирования атмосферной дымки в Архее может помочь в исследованиях внесолнечных планет.

Атмосферная дымка умеренной толщины является источником ценных органических соединений, которые могут привести к зарождению жизни на планете; кроме того, она может защитить молекулы ДНК организмов, гипотетически существующих на поверхности планеты, от губительного действия ультрафиолетового излучения звезды. Однако слишком толстая атмосферная дымка приведет к тому, что планета будет получать от звезды меньше тепла, чем могла бы в случае отсутствия такой дымки.

В новой работе команда исследователей во главе с Джадой Арни (Giada Arney) из Центра космических полетов Годдарда НАСА, США, при помощи компьютерного моделирования выяснила, что толщина атмосферной дымки на самом деле является саморегулируемой: при увеличении её толщины температура понижается, что влечет за собой снижение скорости фотохимических процессов, в результате которых образуются компоненты этой дымки. Таким образом, опасность бесконтрольного увеличения толщины дымки с последующим обледенением планеты на самом деле маловероятна, считают авторы.

Согласно команде Арни такая «саморегулирующаяся» дымка охладила поверхность Земли в Архейский период примерно на 20 Кельвинов. Далее в работе исследователи отмечают, что обнаруженное ими свойство саморегуляции атмосферной дымки повышает шансы планеты, располагающей такой дымкой, на обитаемость.

«Атмосферная дымка может оказаться весьма ценным ориентиром при поисках потенциально обитаемых планет», - заключает Арни.