מסלול החללית ונוס אקספרס הוא בעל אקסצנטריות גדולה האפיגאה היא במרחק 68,000 מהקרקע והפריגאה היא במרחק 250 ק”מ מהקרקע. הפרש זה נוצל למדידת צפיפות האטמוספירה והגרר שלה בגובה הנמוך ביותר אליו מגיעה החללית
שיטות מחקר
אחת המטרות של החללית ונוס אקספרס היא למדוד את צפיפות האטמוספירה בקטבים של כוכב הלכת נוגה. הדרך המקובלת לעשות זאת היא ביצוע המדידות כאשר החללית חולפת מעל האטמוספירה. על מנת לשפר את המדידות הוחלט להשתמש בטכניקות חדשות שלא בוצעו עד כה. במהלך טיסתה הוחלט להנמיך את הפריגאה של החללית על מנת שתעבור דרך האטמוספירה ואז תבצע את המדידות הנדרשות. מהלך יוצא דופן זה נעשה ביולי אוגוסט 2008, אוקטובר 2009, פברואר אפריל 2010 (1).
לביצוע מדידות אלה נעשה שימוש בשתי טכניקות. בטכניקה הראשונה נעשה שימוש ב-2008 וב-2009. נעשה שימוש בגרר אטמוספרי (atmospheric drag ) המשפיע על החללית כמכלול שעה שהיא עוברת בתוך האטמוספירה. האטמוספירה מאיטה את מהירות הטיסה בכך שהיא גורמת לשינוי קל במסלול הטיסה. מדידתו של שינוי זה מאפשרת למדוד את צפיפות האטמוספירה. יתרונה של שיטה זו שהיא מאפשרת למדוד צפיפויות נקודתיות, שעה שבגובה רב מעל האטמוספירה הצפיפות הנמדדת היא ממוצעת (2).
באפריל 2010 נעשה שימוש בטכניקה אחרת. החללית הורדה לגובה של 180 ק”מ מעל הקרקע. במהלך מדידות הגרר האווירודינמי ( airodrag ) קולטי השמש סובבו בזוויות שונות עם כיוון הטיסה. תצורת טיסה זו חשפה את קולטי השמש לנקודת הסף שבין האטמוספירה לבין החלל. במהלך טיסה זו נוצר פיתול אווירודינמי ( aerodynamic torque ) שניתן למדידה. פיתול זה נעשה מספר פעמים. באותו זמן גלגלי התגובה בחללית ( reaction wheels) מסתובבים בכיוון ההפוך לכיוון הטיסה על מנת לשמור על האוריינטציה של החללית בזמן טיסתה. קולטי השמש לא סובבו בצורה סימטרית זה עם זה. קולט אחד קובע בניצב לכיוון הטיסה והקולט השני סובב מספר פעמים בהדרגתיות על מנת להגדיל את הפיתול והאיזון נעשה על ידי גלגלי התגובה. בסדרת הניסויים שעשתה ב- 16.4.2010 שני קולטי השמש סובבו בזווית של 0 45 עם כיוון זרימת האטמוספירה, תוך כד כך שהם מחקים להבים של תחנת רוח. בתמרון זה אפשר גם להשיג מידע ביחס להתנהגות המולקולות באטמוספירה. החללית כולה שימשה לצורך כחיישן. תוצאותיו של ניסוי זה אפשרו תכנון סדרה נוספת של ניסויים ממין זה באוקטובר 2010 וב-2011 (1).
כאשר מסלול החללית הוא בעל אקסצנטריות גדולה האפיגאה היא במרחק 68,000 מהקרקע והפריגאה היא במרחק 250 ק”מ מהקרקע. בפריגאה זו מדידת צפיפות האטמוספירה בטכניקות אלה עדיין אינה אפקטיבית. לצורך זה לקראת מדידות אלה הפריגאה הורדה לגובה 200 ק”מ ולאחר מכן הוקטן שוב גובה המסלול ל-180 ק”מ למספר ימים. עם סיום המדידות החללית מוחזרת למסלול הקודם (2).
שטח הכנפיים הוא 5.7 מ”ר. יתכן ובטיסות עתידיות של חלליות שתשוגרנה לנוגה אפשר יהיה להגדיל את השטח ואת התצורה של קולטי השמש על מנת לשפר מדידות אלה ואולי להורידן לגובה נמוך יותר ולמדוד את צפיפות האטמוספירה בגבהים שונים (השערת הכותב-חיים מזר).
ממכלול הניסויים שעשו שימוש בטכניקות אלה התברר שהאטמוספירה מעל הקטבים דקה ב-60% ממה שחשבו. ממצא זה יכול להעיד על תהליך לא מוכר הפועל באטמוספירה (2).
הרכב נאטמוספירה
בין השנים 2006-2011 בוצעו 59 מדידות לאורך קו הגבול שבין צד היום לצד הלילה בתחום הגיאוגרפי המשתרע מ- N 0 88 עד ל- S 0 77. התגלתה שכבה קרה בגובה 125 ק”מ הכלואה בין שתי שכבות חמות המצויות בגבהים של 100 ק”מ ושל 140 ק”מ. במספר מקומות הטמפרטורה יורדת לנקודת הקיפאון של 2CO, מה שמעלה את אפשרות קיומם של קרח או שלג של 2CO (3). בשל הטמפרטורות החמות שמתחת לשכבה החמה הנמוכה, יכולה להתרחש תופעה מוזרה. באטמוספירה של נוגה יורד שלג של 2CO אך הוא איננו מגיע לקרקע. בנקודה בה הטמפרטורה עולה מעבר לנקודת הקיפאון שלו ה- 2CO מתאדה ונוצר מחזור של גז זה בדומה למחזור המים על כדור הארץ (השערת הכותב-חיים מזר).
בגובה 50-70 ק”מ מצויים עננים של 2 SO אשר יחד עם אדי מים נפלטים מהרי געש יוצרים טיפות של חומצה גופרתית ( 42 SO H ). ה- 2SO אמור להתפרק על ידי השמש בגובה של 70 ק”מ. בתצפיות שנעשו ב-2008 נמצאה שכבה של גז חומצה גופרתית בגובה של 90-100 ק”מ. מה מקור הגז לא ידוע. על פי מודל ממוחשב טיפות גז של חומצה גופרתית מתאדות כנראה בגבהים גדולים ומשחררות גז של חומצה גופרתית. בגובה זה אור השמש משחרר את גז ה- 2SO. המשמעות היא שהמחזור של גופרית באטמוספירה הוא מורכב יותר ממה שחשבו (4).
קרוב לוודאי שבעבר הרחוק, לפני מיליארדי שנים, היו באטמוספירה יותר אדי מים מאשר כיום. איבוד אדי המים נוצר בשל הקרינה האולטרה סגולית שפירקה את מולקולות המים לאטומי חמצן ולאטומי מימן ואלה ברחו לחלל. קצב בריחת המימן גדול פי 2 מזה של החמצן. התברר שהמימן הכבד (דיאוטריום) מעשיר את האטמוספירה העליונה. משקלו האטומי יותר גדול מזה של המימן הרגיל, מאט את קצב בריחת הגז (5).
מה שמצוי כיום הוא שאריות של כמויות המים הגדולות בעבר. אם כלל אדי המים המצויות כיום באטמוספירה היו מתעבות ( condense) למים נוזלים על הקרקע, גובהם היה סנטימטרים ספורים בלבד. קיימים הבדלים בין כמויות אדי המים בגבהים שבין 10 ק”מ ל-100 ק”מ מעל לקרקע. גובה 100 ק”מ הוא מעל לעננים. אדי המים הכבדים לא יכולים לברוח מהאטמוספירה בקלות כמו אדי מים רגילים (6). כמות אדי המים הכבדים באטמוספירה העליונה גדולה כנראה פי 2 מכמות אדי המים בשכבות הנמוכות של האטמוספירה (7).
במדידות באולטרה סגול שנעשו מגובה של 38,000 ק”מ נראים אזורים בהירים ואזורים כהים וההבדל ביניהם הוא מובהק. הבדל זה נוצר בגלל נוכחותו של חומר לא מוכר בעננים הסופג את הקרינה האולטרה סגולית של השמש. התברר כי באזורים הכהים המצויים מעל קו המשווה הטמפרטורה גבוהה יחסית. זרמי קונבקציה מעלים כלפי מעלה חומר כהה מלמטה. בניגוד לכך באזורים הבהירים המצויים מעל קווי הרוחב הבינוניים הטמפרטורה יורדת ככל שמעמיקים לעבר הקרקע. הטמפרטורה מגיעה למינימום שלה בפסגת העננים ומונעת ערבול אנכי של האוויר. האוויר הקר הוא דמוי טבעת וקיבל את השם צווארון קר (COLD COLLAR). הוא נראה כמו רצועה בהירה באור האולטרה סגול (5).
מתצפיות של חללית הוונוס אקספרס התברר להפתעת החוקרים כי גם לנוגה יש שכבת אוזון באטמוספירה, אם כי היא דקיקה. על כדור הארץ שכבת האוזון מצויה בסטרטוספירה בגבהים שבין 15-5 ק”מ. האוזון על כדור הארץ נוצר כתוצאה מפגיעתה של הקרינה האולטרה סגולה המפרקת מולקולות של חמצן ולאחר מכן אטומי החמצן מתחברים זה עם זה ויוצרים מולקולות חמצן חדשות במבנה של 3O – האוזון. המשמעות היא שבכל אטמוספירה שיש בה חמצן קיים הפוטנציאל להיווצרות אוזון. באטמוספירת המאדים התגלו עקבות של אוזון לפני 40 שנה. שכבת האוזון בנוגה היא דקיקה מאוד ומצויה בטווחים משתנים של גובה מהקרקע בין 90-120 ק”מ ורוחבה 5-10 ק”מ. ההשתנות המתמדת של שכבת האוזון ורוחבה מעידים על כך שקיים איזה שהוא מכניזם שלא ברור מה טיבו המחזיק אותה בגבהים אלה. במחקרים שנעשו קודם לתגלית זו התברר כי אור השמש מפרק את מולקולות ה- CO 2 ומשחרר את החמצן (8). באטמוספירה מצויים גם הליום וניאון בכמויות קטנות ובהיותם גזים אצילים הם לא מתחברים עם יסודות אחרים (9).
מעברה של החללית בתוך האטמוספירה כפי שצוין קודם לכן חשף דבר נוסף ביחס לצפיפות האטמוספירה. קיים הבדל חד בצפיפות האטמוספירה בין צד היום לצד הלילה (10). בנוגה קיים תהליך של אובדן אטמוספירה הן בצד היום והן בצד הלילה, אם כי האובדן גדול יותר בצד הלילה. בניגוד לכדור הארץ לנוגה אין שדה מגנטי שיגן על האטמוספירה מפני רוח השמש. כתוצאה מכך רוח השמש פוגעת באטמוספירה העליונה ומתיזה מתוכה חלקיקים לחלל. על פי הערכת החוקרים תהליך זה הוא שגרם לאובדן של מים במשך 4.5 מיליארד שנה מאז שכוכב הלכת נוצר. מה שעדיין לא מובן הוא העובדה שכמות המימן באטמוספירה העליונה גדולה פי 2 ממה שציפו. מה גורם לכך לא ברור (7).
עננים ומערבולות
במהלך תצפיותיה של החללית התגלתה מערבולת (vortex) אטמוספרית “כפולת עין” בקוטר 2000 ק”מ בקוטב הדרומי הדומה למערבולת דומה שהתגלתה קודם לכן בקוטב הצפוני. זה מספר שנים אכן ידעו שבקוטב הדרומי מצויה מערבולת אטמוספרית, אך התצפיות האחרונות הראו שהיא הרבה יותר מורכבת ממה שחשבו. צורת המערבולת והמבנה שלה משתנים בטווחי זמן של פחות מ-24 שעות. בהשוואה לכדור הארץ המערבולת בקוטב הדרומי דינמית יותר מההוריקנים הארציים. למרות שהמבנה הכללי של המערבולת יכול להיות בצורת ” S ” או של הספרה “8” בהרבה מקרים היא כאוטית. מקורן של ההשתנויות במהירויות של תצורת המערבולת הוא בכך שמרכז המערבולת אינו תואם לקוטב הגיאוגרפי. המהירות של הרוחות בכיוון מזרח-מערב תלויה במיקומן בקווי הרוחב. התצפיות מראות שהמערבולת מתכווצת ונמתחת על ידי גלי גזירה. למרות שרצועת הרוחות הראשית נעה בכיוון הפוך לסיבוב הנוגה סביב עצמו המהירות. היא אחידה ככל שמתקרבים לקו המשווה מקו הרוחב S 0 84.
המהירות קטנה כאשר נעים לכיוון הקוטב. כיוון התנועה מתהפך לכיוון למערב מזרח סמוך לקו הרוחב S 0 87 . רוח בעלת מהירות קטנה יותר התגלתה בקו רוחב S 0 75 ותואמת לקצה רצועת העננים שהיא עצמה תואמת לאזור של אוויר קר המקיף את מרכז המערבולת.
מיקום מרכז המערבולת נע מסביב לקוטב והוא משתנה במחזורים של 5-10 ימים ארציים. תזוזתה הממוצעת מהקוטב הדרומי היא ב – 0 3 של קווי רוחב- מאות קילומטרים. אין שום מתאם בין מיקומם הגיאוגרפי של מרכזי המערבולת (centroids ) המשתנים ואזורי הזמן המקומיים ( local solar time ).הרושם הכללי הוא שלמערבולת בקוטב הצפוני יש מבנה דומה לזה של הקוטב הדרומי, אולם לאישורה של הנחה זו דרושות תצפיות נוספות (11).
טמפרטורות
על כדור הארץ קיימת תופעה הקרויה “תאי האדלי”. תופעה זו מתרחשת כאשר אוויר חם עולה מעל קו המשווה ונע לעבר הקטבים, מקומות בהם הוא מתקרר ושוקע. מאחר והאוויר סמוך לקרקע צפוף יותר, הוא נדחס ומחמם את האטמוספירה העליונה מעל הקטבים. באטמוספירה של נוגה התהליך הוא הפוך. בנוסף לכך שינויי החום הם בסדרי גודל של C 0 30 בטווחים של ימים ארציים במזוספירה והתרמוספירה-מעל קווי הרוחב הנמוכים האמטמוספירה היא יותר יציבה. טווח שינויי החום הוא של C 0 15. המזוספירה, והתרמוספירה של הנוגה הם מאוד דינמיים. רוחות שמקורן בחימום על ידי השמש ורוחות שכיוונן הוא מזרח מערב “מתחרות” זו עם זו וגורמות כנראה להעברת חום זו לזו. לשינויים האטמוספריים ( atmospheric variability ) יכולות להיות מספר סיבות. סערות הנגרמות על ידי זרמי אוויר בגבהים שונים הנעות במהירויות של יותר מ-320 קמ”ש ובכיוונים הפוכים זו לזו יכולות להעביר חום מלמטה והאוויר הקר נע למעלה. כל אלה יכולים לחולל שינויים באטמוספירה העליונה. בנוסף לכך המערבולות אדירות הממדים ( vortex ) הפעילות בקטבים יכולות ליצור בעצמן סערות ולשנות את הלחץ האטמוספרי ובעקבות זאת לגרום לשינויים בחום.
שכבות האטמוספירה הנמצאות מעל העננים אשר נצפו על ידי החוקרים מושפעות משינויים בעוצמת האור הבא מהשמש באזורי המעבר בין היום ללילה או עם התקדמות בקווי הרוחב לעבר הקטבים. בגובה הרב בו מצויות שכבות אלה הן יכולות להיות מושפעות גם מפעילות השמש כמו התפוצצויות שמשיות הנקראות flares והתפוצצויות של חומר מהשמש המוכרות בשם coronal mass ejections בטווחי זמן של ימים, שבועות וגם של עשור. הטמפרטורות שנמדדו בשנים 1990-1994 היו גבוהות מאלה שנמדדו ב-2009. בהשוואה בין מדידות שנעשו ב-2007 וב- 2009 הבחינו כי הטמפרטורות מ- 2007 גבוהות יותר באזור קו המשווה. ממכלול זה של נתונים נדרשות תצפיות נוספות כדי לבדוק איך תופעות אלה משפיעות על האטמוספירה העליונה במרווחי זמן שונים (12).
זהירה
בתצפיות באינפרה אדום הוונוס אקספרס הבחינה בזהירה של האטמוספירה בצד הלילה של נוגה. מקור הזהירה הוא מחדירת אור אולטרה סגול לאטמוספירה המפרק מולקולות של חומצה חנקנית לאטומים ולמולקולות פשוטות יותר. האטומים החופשיים יכולים להתחבר מחדש ובמקרים מסוימים המולקולות החדשות בשילוב עם אנרגיה אשר לאחר מכן אובדת בחלל. בצד היום חלק מהאטומים מתחברים בחזרה וניתן להבחין בהם באור הנראה.
זהירה לילית של חומצה חנקנית לא נצפתה עד כה לא באטמוספירה של כדור הארץ ולא בזאת של המאדים, זאת חרף העובדה שידעו על קיומן מתצפיות באולטרה סגול. הוונוס אקספרס יכולה לצפות ב-3 זהירות בו זמנית. הזהירה הלילית של מולקולות לא חייבת להיות באותו זמן. הבנת התהליך תתבהר כאשר תערכנה תצפיות נוספות (13).
מקורות
1. “Surfing an alien atmosphere” 22.4.2010
http://www.spacedaily.com/reports/Surfing_An_Alien_Atmosphere_999.html
2. “Venus express probes atmosphere by flying through it” 11.10.2010
http://www.spacedaily.com/reports/Venus_Express_Probes_Atmosphere_By_Flying _Through _It_999.html
3. “Curios cold layer in the atmosphere of Venus” 5.10.2012
http://www.spacedaily.com/reports/Curios_Cold_Layer_In_The_Atmosphere_Of_ Venus_999.html
4. “Venus holds warning for Earth” 1.12.2010
http://www.spacedaily.com/reports/Venus_Holds_Warning_For_Earth_999.html
5. “Was Venus once a habitable planet” 25.6.2010
http://www.spacedaily.com/reports/Was_Venus_Once_An_Habitable_Planet_999.html
6. “Venus may have been a water world space congress told” 16.9.2009
http://www.spacedaily.com/reports/Venus_May_Have_Been_A_Water_World_ Space_ Congress _Told_999.html
7. “Where did Venus’s go ?” 17.12.2008
http://www.esa.int/esaMI/Venus-express/SEM8MYSTOF_2.html
8. “Tenuous ozone layer discovered in Venus’ atmosphere” 7.10.2011
http://www.spacedaily.com/reports/Tenuous_Ozone_Layer__Discovered_In_ Venus _Atmosphere_999.html
9. “Up up and away to Venus” 28.8.2007
http://www.spacedaily.com/reports/Up_Up_And_Away_To_Venus_999.html
10. “Venus Express finds planet’s atmosphere a drag” 7.10.2010
http://www.spacedaily.com/reports/Venus_Express_Finds_Planet’s_Atmosphere_ A_ Drag_Venus_999.html
10. “Where did Venus’s water go”?
http://www.esa.int/esaMI/Venus-express/SEM8MYSTOF_2.html
11. “The shape shifting southern vortex of Venus” 11.4.2011
http://www.spacedaily.com/reports/The_Shape_Shifting_Southern_Vortex_ Of _Venus_999.html
12. ” Venus weather not boring after all” 28.9.2011
http://www.spacedaily.com/reports/Venus_Weather_Not_Boring_After_All_999.html
13. “Watching Venus glow in the dark” 25.2.2009
http://www.spacedaily.com/reports/Watching_Venus_Glow_In_The_Dark_999.html
