Космические исследования
Загадки криосферы Венеры
Международная группа ученых из Франции, Бельгии, Германии, США и России впервые создала температурную карту криосферы Венеры, где обнаружила загадочный, пока неясной природы «теплый слой»*.
Венера — наша ближайшая соседка по Солнечной системе — схожа с Землей по массе и размерам, однако климатические условия на ней разительно отличаются от земных. Ее плотная атмосфера, на 96% состоящая из углекислого газа (СО2), разогрета у поверхности до 500°С. На высотах 50—70 км планета полностью покрыта облаками из капель серной кислоты, образовавшихся в результате бурной вулканической активности в прошлом с выбросом серо- и хлорсодержащих частиц. Солнечные сутки здесь длятся 117 дней. Кроме того, на Венере нет смены времен года. Все это приводит к тому, что нагретая на дневной стороне надоблачная атмосфера успевает выхолаживаться в ночное время на высотах выше 90 км. Это образует на ночной стороне область криосферы с температурными значениями ниже -100°С. На Земле, кстати, таковой нет — у нас на этих высотах располагается термосфера, температура которой в нижнем слое составляет -50°С и растет с высотой.
В 2006—2015 гг. на околовенерианской орбите работал аппарат Европейского космического агентства «Венера-Экспресс», предназначенный для исследования состава, структуры и динамики надоблачной атмосферы планеты. Зонд был оснащен научными приборами, созданными при участии российских специалистов из Института космических исследований (ИКИ) РАН и французских ученых из Лаборатории атмосферных и космических исследований (Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales — LATMOS). Данные о температуре криосферы получали с помощью ультрафиолетового канала прибора SPICAV (Spec-troscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Venus), работающего в диапазоне
* Piccialli A, Montmessin F., Belyaev D. et al. Thermal structure of Venus nightside upper atmosphere measured by stellar occultations with SPICAV/VenusExpress // Planetary and Space Science. 2015. Doi:0.1016/j.pss.2014.12.009i
120—320 нм, в котором проявляются поглощающие свойства молекул С02, 03, $02. В криосфере Венеры их содержание можно измерить с орбиты методом так называемого звездного просвечивания.
Суть его состоит в следующем. 8Р1СЛУ наблюдает за определенной звездой в тот момент, когда она скрывается за краем планеты. Свет звезды просвечивает атмосферу, ослабляется в ней за счет газовых и аэрозольных частиц и измеряется спектрометром. По этим данным определяют характеристики поглощения атмосферы, в частности концентрацию и плотность основного газа — СО2. А затем, используя барометрический закон при условии локального термодинамического равновесия, можно получить температуру газа в каждом измеренном слое атмосферы. Так международная группа ученых, в которую с российской стороны входили сотрудники ИКИ РАН и Московского физико-технического института (МФТИ), в течение восьми лет наблюдений набирала статистику по вертикальному распределению температуры и в итоге построила температурную карту криосферы, покрыв ночное полушарие планеты в интервале высот 90—140 км.
Практически во всех сеансах наблюдений (а их было около 600) исследователи обнаружили, что на высотах 90—110 км атмосфера теплее на 20— 40°С относительно общего тренда уменьшения температуры с высотой. Возможно, причина этого кроется в глобальной циркуляции атмосферы с дневной стороны на ночную, где охлажденная криосферой воздушная масса опускается до высот ниже 90 км, что может приводить к ее так называемому адиабатическому сжатию и нагреву. Любопытно: именно в данном слое на Венере планетологи недавно обнаружили озон (О3), который образуется в результате рекомбинации атомов кислорода, пришедших сюда с дневной стороны. Распад же озона обусловлен реакциями с хлорсодер-жащими веществами, способными проходить с выделением тепла. Впрочем, эта версия менее вероятна, поскольку О3 на Венере детектирован в очень малом количестве — на несколько порядков меньше, чем на Земле, — и его может быть недостаточно для выделения тепла в реакциях с хлором.
В начале 2015 г. зонд «Венера-Экспресс» перестал выходить на связь из-за истощения энергетических ресурсов. Уникальная космическая миссия завершилась, но еще в течение нескольких лет ученые будут анализировать накопленную за де-
вять лет статистику. Мы рассчитываем, в частности, обработать данные по содержанию в атмосфере оксидов серы (SO2) — изучить их широтное распределение, а также суточные и годовые изменения. SO2 — основной косвенный индикатор сегодняшней вулканической активности на Венере, прямых доказательств которой пока нет.
© Беляев Д.А., кандидат физико-математических наук Институт космических исследований РАН
Москва
Геофизика
Паровая машина вулкана Горелый
Сотрудники Института нефтегазовой геологии и геофизики им.А.А.Трофимука СО РАН (г.Новосибирск) получили уникальные данные о сейсмическом строении вулкана Горелый. Расположенный в 70 км от Петропавловска-Камчатского, он относится к наиболее активным в Дальневосточном регионе. В последние столетия относительно небольшие излияния магмы здесь происходят регулярно с периодичностью 30—50 лет. Вместе с тем крупная кальдера с почти идеальной формой круга диаметром 15 км свидетельствует о катастрофическом извержении, произошедшем на вулкане около 40 тыс. лет назад, в результате чего на поверхность вырвалось примерно 100 км3 пород. Если бы такое извержение произошло в наши дни, оно бы изменило климат планеты и существенно повлияло на жизнь всего человечества. В настоящий момент активность Горелого проявляется в постоянном выбросе газов из отверстия-фума-ролы, расположенного в центральном кратере.
В 2013—2014 гг. новосибирские ученые при поддержке Института вулканологии и сейсмоло-
гии ДВО РАН и Камчатского филиала Геофизической службы РАН изучали внутреннее строение вулкана. С этой целью была организована экспедиция, участники которой установили на огнедышащей горе временную сейсмическую сеть. Ранее на Горелом работала только одна станция, еще две располагались на соседних вулканах Мутновский и Асача. Но такого количества было недостаточно для получения информации о структуре геологического образования. Во время экспедиции ученые смонтировали 22 станции, которые записывали трехкомпонентные колебания почвы в автономном режиме в промежутке от 6 до 12 мес. Среди сейсмических сетей, когда-либо использовавшихся для изучения вулканов, эта по плотности оказалась одной из лучших в мире. Исследователям повезло: в ходе работы сети Горелый проявлял весьма высокую активность, что позволяло регистрировать десятки и даже сотни событий в сутки. Используя времена прихода продольных (Р) и поперечных волн от локальных землетрясений, удалось определить их точные координаты, а также получить информацию о внутреннем строении вулкана.
С помощью метода сейсмической томографии (при наличии достаточного количества данных о временах прихода волн на станции) можно построить трехмерное распределение скоростей пробега Р- и S-волн. Эти параметры, в свою очередь, отражают процессы, происходящие внутри Земли. Например, отношение скоростей Р- и S-волн (^/^ может дать информацию о свойствах флюидов в поровом пространстве пород. Так, высокое значение Vp/Vs говорит о преобладании жидкой фазы, а низкое — сухого газа. Обычно в активных вулканах наблюдается доминирование жидкой фазы, вследствие чего среднее значение определяется высокой величиной (1.75—2). В случае об-
$ 4
Распределение отношения Vp/Vs на вертикальном сечении вкрест вулкана Горелый и интерпретация. Слева точки показывают проекции землетрясений на профиль. Справа белыми кружками отмечены области, насыщенные «сухим» газом; голубые кружки — области с некоторым содержанием жидкой фазы, приводящей в повышению значения
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.