Wetenschappers hebben voor het eerst ESA's Venus Express gebruikt om de wind- en bovenste wolkenpatronen aan de nachtzijde van Venus te karakteriseren - met verrassende resultaten.

Uit het onderzoek blijkt dat de atmosfeer aan de nachtzijde van Venus zich heel anders gedraagt ​​dan aan de naar de zon gerichte zijde van de planeet (de 'dagzijde'), onverwachte en voorheen ongeziene cloudtypes vertonen, morfologieën, en dynamiek - waarvan sommige verband lijken te houden met kenmerken op het oppervlak van de planeet.

"Dit is de eerste keer dat we op wereldschaal hebben kunnen karakteriseren hoe de atmosfeer circuleert aan de nachtzijde van Venus, ", zegt Javier Peralta van het Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Japan, en hoofdauteur van de nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuurastronomie . "Terwijl de atmosferische circulatie aan de dagzijde van de planeet uitgebreid is onderzocht, er was nog veel te ontdekken over de nachtkant. We ontdekten dat de wolkenpatronen daar anders zijn dan die aan de dagzijde, en beïnvloed door de topografie van Venus."

De atmosfeer van Venus wordt gedomineerd door sterke winden die veel sneller rond de planeet wervelen dan Venus zelf draait. Dit fenomeen, bekend als 'super-rotatie', ziet Venusiaanse winden tot 60 keer sneller roteren dan de planeet beneden, terwijl ze wolken in de atmosfeer duwen en slepen. Deze wolken reizen het snelst op het bovenste wolkenniveau, zo'n 65 tot 72 km boven het oppervlak.

"We hebben tientallen jaren besteed aan het bestuderen van deze superroterende winden door te volgen hoe de bovenste wolken aan de dagzijde van Venus bewegen - deze zijn duidelijk zichtbaar in afbeeldingen die zijn gemaakt met ultraviolet licht, " legt Peralta uit. "Echter, onze modellen van Venus kunnen deze superrotatie nog steeds niet reproduceren, wat duidelijk aangeeft dat we mogelijk enkele stukjes van deze puzzel missen.

"We concentreerden ons op de nachtzijde omdat het slecht was verkend; we kunnen de bovenste wolken aan de nachtzijde van de planeet zien via hun thermische emissie, maar het was moeilijk om ze goed te observeren omdat het contrast in onze infraroodbeelden te laag was om voldoende details op te nemen."

Het team gebruikte de Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer (VIRTIS) op ESA's Venus Express-ruimtevaartuig om de wolken in het infrarood te observeren. "VIRTIS stelde ons in staat om deze wolken voor het eerst goed te zien, waardoor we konden onderzoeken wat eerdere teams niet konden - en we ontdekten onverwachte en verrassende resultaten, ", voegt Peralta toe.

In plaats van losse beelden vast te leggen, VIRTIS verzamelde een 'kubus' van honderden beelden van Venus die tegelijkertijd op verschillende golflengten werden verkregen. Hierdoor kon het team talloze afbeeldingen combineren om de zichtbaarheid van de wolken te verbeteren, en bekijk ze in ongekende kwaliteit. De VIRTIS-beelden onthullen dus fenomenen aan de nachtzijde van Venus die nog nooit eerder aan de dagzijde zijn waargenomen.

De beste modellen voor hoe de atmosfeer van Venus zich gedraagt ​​en circuleert, bekend als Global Circulation Models (GCM's), voorspellen dat superrotatie op vrijwel dezelfde manier zal plaatsvinden aan de nachtzijde van Venus als aan de dagzijde. Echter, dit onderzoek van Peralta en zijn collega's spreekt deze modellen tegen.

In plaats daarvan, de superrotatie lijkt meer onregelmatig en chaotischer te zijn aan de nachtzijde.

Bovenwolken aan de nachtzijde vormen andere vormen en morfologieën dan die elders worden gevonden:grote, golvend, fragmentarisch, onregelmatig, en filamentachtige patronen, waarvan er vele niet te zien zijn in afbeeldingen aan de dagzijde - en worden gedomineerd door onbeweeglijke verschijnselen die bekend staan ​​​​als stationaire golven.

De 3D-eigenschappen van deze stationaire golven werden ook verkregen door VIRTIS-gegevens te combineren met radiowetenschappelijke gegevens van het Venus Radio Science-experiment, of VeRa, ook op Venus Express.

Een verband tussen atmosferische beweging en topografie is eerder op Venus bespioneerd, hoewel aan de dagzijde; in een onderzoek van vorig jaar, onderzoekers ontdekten dat weerpatronen en stijgende golven aan de dagzijde van Venus rechtstreeks verband hielden met topografische kenmerken op het oppervlak.

"Het was een opwindend moment toen we ons realiseerden dat sommige wolkenelementen in de VIRTIS-beelden niet meebewogen met de atmosfeer, ", zegt Peralta. "We hebben lang gedebatteerd over de vraag of de resultaten echt waren, totdat we ons realiseerden dat een ander team, onder leiding van co-auteur Dr. Kouyama, had ook onafhankelijk stationaire wolken aan de nachtzijde ontdekt met behulp van NASA's Infrared Telescope Facility (IRTF) op Hawaï! Onze bevindingen werden bevestigd toen JAXA's Akatsuki-ruimtevaartuig in een baan rond Venus werd geplaatst en onmiddellijk de grootste stationaire golf zag die ooit in het zonnestelsel aan de dagzijde van Venus is waargenomen."

Deze bevinding roept uitdagingen op voor bestaande modellen van stationaire golven. Dergelijke golven zouden worden gevormd door oppervlaktewinden die in wisselwerking staan ​​met obstakels zoals oppervlakteverhogingen - een berg, bijvoorbeeld. Echter, eerdere Russische missies waarbij landers betrokken waren, hebben oppervlaktewinden op Venus gemeten die mogelijk te zwak zijn om waar te zijn.

Aanvullend, het zuidelijk halfrond van de planeet (waar VIRTIS werd waargenomen) is over het algemeen vrij laag in hoogte, en - meer mysterieus - stationaire golven lijken te ontbreken in de tussenliggende en lagere wolkenniveaus van Venus (tot ongeveer 50 km boven het oppervlak).

"We verwachtten deze golven in de lagere niveaus te vinden, omdat we ze in de hogere niveaus zien, en we dachten dat ze vanaf de oppervlakte door de wolk opstegen, " zegt co-auteur Ricardo Hueso van de Universiteit van Baskenland in Bilbao, Spanje. "Het is zeker een onverwacht resultaat, en we zullen allemaal onze modellen van Venus opnieuw moeten bekijken om de betekenis ervan te onderzoeken."

Het effect van topografie op de atmosferische circulatie blijft onduidelijk onder klimaatmodelleurs; veel modellen laten zien dat het opnemen of weglaten van oppervlaktetopografie een verschil maakt voor het resulterende gedrag in de atmosfeer van Venus, maar vertonen geen aanhoudende weerpatronen die verband houden met topografie.

"Deze studie daagt ons huidige begrip van klimaatmodellering uit en, specifiek, de super-rotatie, wat een sleutelfenomeen is dat we op Venus zien, " zegt Håkan Svedhem, ESA-projectwetenschapper voor Venus Express. "Aanvullend, het demonstreert de kracht van het combineren van gegevens uit meerdere verschillende bronnen - in dit geval remote sensing en radiowetenschappelijke gegevens van Venus Express' VIRTIS en VeRa, aangevuld met waarnemingen op de grond van SpeX van IRTF. Dit is een significant resultaat voor VIRTIS en voor Venus Express, en is erg belangrijk voor onze kennis van Venus als geheel."