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在行星金星云中发现的巨型模式

发布时间:2019-01-11 05:58:01

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根据航天器Akatsuki的观察,一个日本研究小组已经在覆盖金星的云层中发现了巨大的条纹结构。该团队还使用大规模气候模拟揭示了这种结构的起源。该小组由项目助理教授Hiroki Kashimura(神户大学,理学研究生院)领导,这些研究结果于1月9日在Nature Communications上发表。

金星通常被称为地球的双胞胎,因为它们的大小和重力相似,但金星的气候却截然不同。金星的旋转方向与地球相反,而且速度要慢得多(大约一次旋转243个地球日)。与此同时,在金星表面以上约60公里处,一股快速的东风在大约4个地球日(360公里/小时)环绕地球,这种现象称为大气超旋。

金星的天空被厚厚的硫酸云完全覆盖,这些硫酸云位于45-70公里的高度,因此很难通过地球望远镜和环绕金星的轨道运动来观察行星的表面。表面温度达到灼热的460摄氏度,这是进入探针进行任何观察的恶劣环境。由于这些条件,关于金星的大气现象仍有许多未知数。

为解决金星大气的难题,日本宇宙飞船Akatsuki于2015年12月开始其金星轨道.Akatsuki的观测仪器之一是红外摄像机“IR2”,可测量2微米(0.002毫米)的波长。该相机可以捕捉距离地面约50公里的较低云层的详细云形态。上层云层阻挡了光学和紫外线,但由于红外技术,下层云层的动态结构逐渐显露出来。

在Akatsuki任务开始之前,研究小组开发了一个名为AFES-Venus的程序,用于计算金星大气的模拟。在地球上,使用数值模拟研究和预测每个尺度上的大气现象,从每日天气预报和台风报告到全球变暖引起的预期气候变化。对于维纳斯来说,观察的难度使得数值模拟更加重要,但同样的问题也使得很难确定模拟的准确性。

AFES-Venus已经成功地再现了金星大气层的超旋风和极地温度结构。使用由日本海洋地球科学与技术局(JAMSTEC)提供的超级计算机系统Earth Modeulator,研究团队以高空间分辨率创建了数值模拟。然而,由于Akatsuki之前的观测数据质量低,很难证明这些模拟是否是准确的重建。

这项研究比较了Akatsuki的IR2摄像机拍摄的较低云层水平的详细观测数据与AFES-Venus计划的高分辨率模拟。图1的左侧部分显示了IR2相机捕获的较低的金星云层。注意北半球和南半球几乎对称的巨大条纹。每条条纹宽达数百公里,沿对角线延伸约10,000公里。 IR2相机首次揭示了这种模式,该团队将其命名为行星级条纹结构。在地球上从未观察到这种条纹结构的规模,并且可能是金星特有的现象。使用AFES-Venus高分辨率模拟,团队重建了模式(图1右侧)。这种结构与相机观测之间的相似性证明了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,该团队揭示了这种巨型条纹结构的起源。这种结构的关键是与地球日常天气密切相关的现象:极地急流。在地球的中高纬度地区,大风的动力学(斜压不稳定性)形成了温带气旋,迁移高压系统和极地急流。模拟结果显示,在金星云层中工作的机制相同,表明射流可能在高纬度地区形成。在低纬度地区,由于大规模流动的分布和行星旋转效应(Rossby波)产生的大气波在赤道上产生大的涡旋,在两个方向上产生60度的纬度(图2,左)。当喷射流加入到这种现象中时,涡流倾斜和伸展,并且北风和南风之间的会聚区形成条纹。被会聚区推出的南北风成为强烈的向下流动,形成了行星尺度的条纹结构(图2,右图)。 Rossby波还与位于赤道上方的赤道(赤道开尔文波)上的大气压波动相结合,保持了半球之间的对称性。

这项研究揭示了金星下部云层中行星尺度上的巨大条纹结构,通过模拟复制了这种结构,并表明这种条纹结构是由两种类型的大气波动(波浪),斜压不稳定和急流形成的。由多个大气现象形成的行星尺度条纹结构的成功模拟证明了在该过程中计算的个体现象的模拟的准确性。

到目前为止,对金星气候的研究主要集中在东西方的平均计算上。这一发现将金星气候的研究提升到一个新的水平,在这个水平上可以讨论金星的详细三维结构。下一步,通过与Akatsuki和AFES-Venus的合作,解决了地球双金星的气候难题,它隐藏在厚厚的硫酸云中。

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