Планета Венера давно считается одним из самых экстремальных миров Солнечной системы. Температура поверхности достигает примерно 470°C, атмосферное давление в десятки раз превышает земное, а облака состоят из серной кислоты. Однако новое исследование показало неожиданную связь между условиями на Венере и обычными процессами, которые можно наблюдать даже в бытовой сантехнике.
Речь идет о физике турбулентных потоков и механизмах формирования вихревых структур в жидкостях и газах. По словам исследователей, некоторые процессы, происходящие в атмосфере Венеры, можно частично сравнить с движением воды в кухонной раковине.
Венера остается одной из самых загадочных планет
Несмотря на близость к Земле, Венера до сих пор изучена значительно хуже Марса.
Причины связаны с экстремальными условиями:
- высокая температура;
- огромное давление;
- агрессивная химическая среда;
- плотная непрозрачная атмосфера.
Советские аппараты серии «Венера» смогли проработать на поверхности лишь ограниченное время, прежде чем были уничтожены жарой и давлением.
Атмосфера Венеры вращается быстрее самой планеты
Одной из главных загадок Венеры является так называемая супервращающаяся атмосфера.
Сама планета вращается крайне медленно: один оборот вокруг оси занимает примерно 243 земных суток.
Однако верхние слои атмосферы совершают полный оборот вокруг планеты всего за несколько дней.
Это означает, что атмосферные массы движутся намного быстрее поверхности Венеры.
Ученые пытаются понять источник такой динамики
Физики и планетологи десятилетиями изучают механизм супервращения.
Среди рассматриваемых факторов:
- тепловые потоки;
- атмосферные волны;
- турбулентность;
- взаимодействие слоев атмосферы;
- солнечный нагрев;
- вращение планеты.
Новое исследование сосредоточилось на поведении вихрей и потоков.
Обычная раковина помогает моделировать атмосферу планеты
Когда вода уходит в слив, в раковине формируется характерный вращающийся поток.
Этот процесс включает:
- закручивание жидкости;
- образование вихрей;
- перераспределение энергии;
- переход между устойчивыми и турбулентными режимами.
На первый взгляд такие бытовые процессы никак не связаны с атмосферой Венеры.
Но физика движения жидкости и газа подчиняется одним и тем же фундаментальным законам гидродинамики.
Турбулентность играет ключевую роль
Турбулентность считается одной из самых сложных проблем современной физики.
Она встречается практически везде:
- в атмосферах планет;
- в океанах;
- в облаках;
- в авиации;
- в потоках воды;
- в астрофизических процессах.
При турбулентности энергия распределяется между множеством вихрей разных размеров.
Именно этот процесс может быть важен для понимания атмосферы Венеры.
На Венере существуют гигантские атмосферные вихри
Космические аппараты неоднократно фиксировали крупные вихревые структуры над полюсами Венеры.
Особенно известны двойные полярные вихри.
Они:
- постоянно меняют форму;
- могут смещаться;
- обладают сложной динамикой;
- демонстрируют нестабильное поведение.
Подобные структуры крайне трудно моделировать.
Венера отличается экстремальной атмосферой
Атмосфера планеты примерно на 96% состоит из углекислого газа.
Кроме того:
- давление у поверхности примерно в 92 раза выше земного;
- температура достаточна для плавления свинца;
- облака содержат серную кислоту;
- ветры в верхних слоях достигают сотен километров в час.
Такие условия делают Венеру настоящей лабораторией экстремальной климатологии.
Планета пережила катастрофический парниковый эффект
Современные модели предполагают, что Венера когда-то могла быть значительно более умеренным миром.
Однако затем произошел runaway greenhouse effect — неуправляемый парниковый эффект.
Из-за накопления углекислого газа температура начала расти, испарилась вода, а климат стал необратимо экстремальным.
Сегодня Венера считается самым горячим миром Солнечной системы, хотя Меркурий расположен ближе к Солнцу.
Атмосфера Венеры помогает изучать климат Земли
Исследования Венеры важны не только для планетологии.
Они помогают ученым понимать:
- климатические механизмы;
- атмосферную циркуляцию;
- парниковые процессы;
- долгосрочную эволюцию планет.
Венеру иногда называют «предупреждением» о том, как может изменяться климат планеты при экстремальных условиях.
Вихри возникают и в космосе, и в быту
Главная идея исследования заключается в универсальности физических законов.
Вихревые структуры появляются:
- в воде;
- в атмосферах;
- в плазме;
- в межзвездных облаках;
- в газовых гигантах;
- в аккреционных дисках возле черных дыр.
Даже очень разные системы могут подчиняться одинаковым математическим принципам.
Гидродинамика объединяет множество явлений
Поведение жидкостей и газов описывается уравнениями гидродинамики.
Базовым фундаментом являются уравнения Навье—Стокса:
Именно эти уравнения используются:
- в метеорологии;
- в аэродинамике;
- в океанологии;
- в планетологии;
- в моделировании атмосфер.
Полностью решить их для сложных турбулентных систем крайне трудно даже современным суперкомпьютерам.
Венера вращается необычным образом
Еще одной особенностью Венеры является ретроградное вращение.
Планета вращается в направлении, противоположном большинству планет Солнечной системы.
Кроме того:
- венерианские сутки длиннее венерианского года;
- вращение очень медленное;
- солнечный день длится около 117 земных суток.
Эти особенности влияют на атмосферную циркуляцию.
Космические миссии продолжают изучать Венеру
После длительного перерыва интерес к Венере снова резко вырос.
NASA готовит миссии:
- DAVINCI;
- VERITAS.
Европейское космическое агентство разрабатывает миссию EnVision. (esa.int)
Они должны изучить:
- атмосферу;
- геологию;
- вулканизм;
- климатическую историю;
- химический состав планеты.
Ученые подозревают современную вулканическую активность
В последние годы появились данные, что Венера может оставаться геологически активной.
Некоторые наблюдения указывают:
- на возможные извержения;
- изменение вулканических структур;
- наличие горячих потоков лавы;
- активные геологические процессы.
Если это подтвердится, Венера станет единственной планетой помимо Земли с подтвержденным современным вулканизмом.
Атмосфера Венеры чрезвычайно плотная
Из-за высокой плотности атмосферы аэродинамические процессы на Венере сильно отличаются от земных.
Плотный воздух влияет:
- на распространение волн;
- на перенос тепла;
- на формирование вихрей;
- на устойчивость потоков.
Поэтому моделирование венерианской атмосферы требует сложных вычислений.
Простые модели иногда помогают понять сложные процессы
Одной из важных особенностей науки является использование аналогий и упрощенных систем.
Изучение потоков в лаборатории помогает исследовать:
- атмосферу планет;
- климатические процессы;
- поведение плазмы;
- астрофизические течения.
Даже обычная вода в раковине может демонстрировать фундаментальные принципы, действующие в масштабах целой планеты.
Венера становится приоритетом планетологии
Долгое время основное внимание уделялось Марсу.
Но сейчас интерес к Венере быстро растет.
Причины связаны с тем, что Венера позволяет изучать:
- экстремальные климатические сценарии;
- эволюцию каменистых планет;
- механизмы парникового эффекта;
- атмосферную физику;
- потенциальные судьбы землеподобных миров.
Многие экзопланеты могут напоминать Венеру
Сегодня астрономы обнаружили тысячи экзопланет.
Часть из них, вероятно, ближе по условиям именно к Венере, а не к Земле.
Поэтому понимание венерианского климата важно для интерпретации наблюдений далеких миров.
Бытовые процессы иногда помогают понять Вселенную
Новое исследование показывает, насколько универсальны законы физики.
Механизмы, которые формируют вихри в обычной воде, могут частично объяснять поведение атмосферы одной из самых экстремальных планет Солнечной системы.
Это не означает, что Венера «работает как раковина». Речь идет о сходстве фундаментальных физических процессов:
- турбулентности;
- вихреобразования;
- переноса энергии;
- динамики потоков.
Именно такие универсальные закономерности позволяют ученым использовать сравнительно простые модели для изучения объектов планетарного масштаба.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
