Учёные объяснили природу нижней дымки Венеры космической пылью

Нижняя дымка в атмосфере Венеры, впервые замеченная аппаратами «Венера» и Pioneer Venus в 1970-х годах, десятилетиями оставалась необъяснённой. Теперь планетолог Хироки Карю и его команда из Университета Тохоку в городе Сендай (Япония) построили микрофизическую модель и показали, что источник дымки — космическая пыль, оставленная сгорающими в атмосфере метеоритами. Исследование опубликовано в Nature Astronomy; о нём сообщает Ars Technica.

Это важно не только для понимания Венеры: работа связывает в одну картину формирование дымки, облачного слоя и загадочного поглотителя ультрафиолета, а также предлагает механизм, который может действовать в атмосферах газовых гигантов и экзопланет.

Что именно обнаружили

Микрофизическая модель описывает процессы микромасштаба, из которых складываются облака и осадки. С её помощью авторы показали, что метеорные частицы, проходя через атмосферу, оставляют за собой шлейф пыли. На поверхности этих частиц конденсируются капли серной кислоты — так же, как на Земле водяной пар конденсируется на пылинках, саже или морской соли.

По словам Карю, приведённым в публикации, непрерывного притока космической пыли достаточно, чтобы поддерживать нижний слой дымки с тем распределением частиц по размерам, которое наблюдали спускаемые аппараты. Частицы космического происхождения, отмечает он, работают как эффективные ядра конденсации и способствуют образованию облаков в основном облачном слое даже вдали от исходного источника.

Почему не вулканы и не поверхностная пыль

Раньше источником дымки считали вулканический пепел: Венера — самая вулканически активная планета Солнечной системы, признаки вулканизма впервые заметил аппарат Magellan в начале 1990-х, а недавние работы показали, что активность выше, чем считалось. Однако модель показала, что пепел венерианских вулканов не может быть источником частиц дымки.

Поверхностная пыль тоже исключена. Даже при значительно большем притоке вулканической или поверхностной пыли частицы не смогли бы взаимодействовать с серой атмосферы нужным образом, чтобы сформировать дымку.

Как работает механизм

• Метеорит притягивается гравитацией планеты и тормозится о газовые частицы; чем быстрее и глубже он падает, тем сильнее трение, и в итоге он сгорает, оставляя шлейф частиц.
• На поверхности этих частиц конденсируются капли серной кислоты.
• Несколько частиц слипаются в более крупные кластеры до того, как вокруг них конденсируется кислота; такие облака становятся тяжелее и опускаются в раскалённую нижнюю атмосферу, где серная кислота испаряется при температуре до 100 °C.
• Оставшиеся «голые» частицы и образуют дымку.

Любопытная деталь: больше частиц не означает больше облачных капель — из-за слипания в кластеры их число не растёт пропорционально.

Заодно решена загадка ультрафиолета

В атмосфере Венеры что-то поглощало ультрафиолетовое излучение, но что именно — оставалось неясным. Метеориты часто содержат магний, кремний и железо; магний и кремний поглощают УФ плохо, а вот соединения железа выглядели перспективно. Аппараты «Венера» и «Вега» обнаружили в атмосфере железо, а масс-спектрометр спускаемого аппарата Pioneer Venus Large Probe — сульфат железа, но этим данным десятилетиями не находили объяснения.

Новая работа подтвердила подозрения: свойства сульфата железа совпали со свойствами дымки. Отдельно авторы разобрали высоты 40–50 км над поверхностью: там конденсация невозможна из-за высокого энергетического барьера (барьера нуклеации), который не даёт каплям серной кислоты закрепиться на частицах. Частицы с сильным барьером поднимаются восходящими потоками в верхний облачный слой, охлаждаются и включаются в частицы серной кислоты. Наблюдения намекали на это и раньше, но теперь, по словам авторов, доказательства stronger.

Значение для других планет

Верхние дымки газовых гигантов изучены подробно, а микрофизические процессы под основным облачным слоем остаются загадкой. Венера может пролить свет и на них: на Юпитере частицы, которые не испаряются, например метеоритные, могут оседать на внешних слоях облаков. Дальнейшие исследования помогут понять, как космическая пыль способствует образованию облаков и дымки на Юпитере, Сатурне и Нептуне.

Карю отмечает, что наблюдение металлических слоёв в атмосферах внешних планет помогло бы определить скорость осаждения металлов и, как следствие, количество образующейся дымки. По его словам, эти эффекты делают космическую пыль существенным компонентом планетарного климата — роль, которая, вероятно, важна и для экзопланет.

Что это значит

Работа не меняет наших представлений о Венере в бытовом смысле, но закрывает давнюю научную неопределённость: нижняя дымка и ультрафиолетовый поглотитель получают единое объяснение в рамках одной модели. Для планетологии это ещё и аргумент в пользу того, что космическая пыль заслуживает места в климатических моделях — не только для Венеры, но и для других планет, включая экзопланеты. Окончательные выводы, как обычно, будут проверяться независимыми наблюдениями и расчётами.