Een Japanse onderzoeksgroep heeft op basis van observatie van het ruimtevaartuig Akatsuki een gigantische streepstructuur geïdentificeerd tussen de wolken die planeet Venus bedekken. Het team onthulde ook de oorsprong van deze structuur met behulp van grootschalige klimaatsimulaties. De groep werd geleid door Project Assistant Professor Hiroki Kashimura (Kobe University, Graduate School of Science) en deze bevindingen zijn op 9 januari gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Venus wordt vaak de tweelingbroer van de aarde genoemd vanwege hun vergelijkbare grootte en zwaartekracht, maar het klimaat op Venus is heel anders. Venus draait in de tegenovergestelde richting van de aarde, en veel langzamer (ongeveer één omwenteling gedurende 243 aardse dagen). In de tussentijd, ongeveer 60 km boven het oppervlak van Venus cirkelt een snelle oostenwind de planeet in ongeveer 4 aardse dagen (met 360 km/u), een fenomeen dat bekend staat als atmosferische superrotatie.

De lucht van Venus is volledig bedekt door dikke wolken zwavelzuur die zich op een hoogte van 45-70 km bevinden, waardoor het moeilijk is om het oppervlak van de planeet te observeren vanuit op aarde gebaseerde telescopen en orbiters die rond Venus cirkelen. Oppervlaktetemperaturen bereiken een verzengende 460 graden Celsius, een ruwe omgeving voor waarnemingen door invoersondes. Door deze omstandigheden, er zijn nog veel onbekenden met betrekking tot de atmosferische verschijnselen van Venus.

Om de puzzel van de atmosfeer van Venus op te lossen, het Japanse ruimtevaartuig Akatsuki begon zijn baan om Venus in december 2015. Een van de observatie-instrumenten van Akatsuki is een infraroodcamera "IR2" die golflengten van 2 m (0,002 mm) meet. Deze camera kan gedetailleerde wolkenmorfologie vastleggen van de lagere wolkenniveaus, ongeveer 50 km van het oppervlak. Optische en ultraviolette stralen worden tegengehouden door de bovenste wolkenlagen, maar dankzij infraroodtechnologie, dynamische structuren van de lagere wolken worden geleidelijk onthuld.

Voordat de Akatsuki-missie begon, het onderzoeksteam ontwikkelde een programma genaamd AFES-Venus voor het berekenen van simulaties van de atmosfeer van Venus. Op aarde, atmosferische verschijnselen op elke schaal worden onderzocht en voorspeld met behulp van numerieke simulaties, van de dagelijkse weersvoorspelling en tyfoonrapporten tot de verwachte klimaatverandering als gevolg van de opwarming van de aarde. Voor Venus, de moeilijkheid van observatie maakt numerieke simulaties nog belangrijker, maar ditzelfde probleem maakt het ook moeilijk om de nauwkeurigheid van de simulaties te bevestigen.

AFES-Venus was er al in geslaagd superrotatiewinden en polaire temperatuurstructuren van de Venusatmosfeer te reproduceren. Met behulp van de Earth Simulator, een supercomputersysteem geleverd door het Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC), het onderzoeksteam creëerde numerieke simulaties met een hoge ruimtelijke resolutie. Echter, vanwege de lage kwaliteit van de waarnemingsgegevens vóór Akatsuki, het was moeilijk te bewijzen of deze simulaties nauwkeurige reconstructies waren.

Deze studie vergeleek gedetailleerde waarnemingsgegevens van de lagere wolkenniveaus van Venus, genomen door Akatsuki's IR2-camera, met de simulaties met hoge resolutie van het AFES-Venus-programma. Het linkerdeel van figuur 1 toont de lagere wolkenniveaus van Venus vastgelegd door de IR2-camera. Let op de bijna symmetrische gigantische strepen over het noordelijk en zuidelijk halfrond. Elke strook is honderden kilometers breed en strekt zich diagonaal bijna 10, 000 kilometer breed. Dit patroon werd voor het eerst onthuld door de IR2-camera, en het team heeft het een streak-structuur op planetaire schaal genoemd. Deze schaal van streepstructuur is nog nooit op aarde waargenomen, en zou een fenomeen kunnen zijn dat uniek is voor Venus. Met behulp van de AFES-Venus-simulaties met hoge resolutie, het team reconstrueerde het patroon (Figuur 1 rechterkant). De overeenkomst tussen deze structuur en de camera-waarnemingen bewijzen de nauwkeurigheid van de AFES-Venus-simulaties.

Volgende, door gedetailleerde analyses van de AFES-Venus simulatieresultaten, het team onthulde de oorsprong van deze gigantische streak-structuur. De sleutel tot deze structuur is een fenomeen dat nauw verbonden is met het dagelijkse weer op aarde:polaire jetstreams. Op de middelste en hoge breedtegraden van de aarde, een grootschalige dynamiek van winden (baroklinische instabiliteit) vormt extratropische cyclonen, migrerende hogedruksystemen, en polaire jetstreams. De resultaten van de simulaties toonden hetzelfde mechanisme aan het werk in de wolkenlagen van Venus, wat suggereert dat jetstreams op hoge breedtegraden kunnen worden gevormd. Op lagere breedtegraden, een atmosferische golf als gevolg van de verdeling van grootschalige stromingen en het planetaire rotatie-effect (Rossby-golf) genereert grote vortexen over de evenaar tot breedtegraden van 60 graden in beide richtingen (figuur 2, links). Wanneer jetstreams aan dit fenomeen worden toegevoegd, de vortexen kantelen en strekken zich uit, en de convergentiezone tussen de noorden- en zuidenwind vormt een streep. De noord-zuidwind die door de convergentiezone naar buiten wordt geduwd, wordt een sterke neerwaartse stroming, resulterend in de streepstructuur op planetaire schaal (figuur 2, Rechtsaf). De Rossby-golf combineert ook met een grote atmosferische fluctuatie boven de evenaar (equatoriale Kelvin-golf) in de lagere wolkenniveaus, behoud van de symmetrie tussen de hemisferen.

Deze studie onthulde de gigantische streepstructuur op planetaire schaal in de lagere wolkenniveaus van Venus, repliceerde deze structuur met simulaties, en suggereerde dat deze streepstructuur wordt gevormd door twee soorten atmosferische fluctuaties (golven), baroklinische instabiliteit en jetstreams. De succesvolle simulatie van de streepstructuur op planetaire schaal gevormd uit meerdere atmosferische verschijnselen is het bewijs voor de nauwkeurigheid van de simulaties voor individuele verschijnselen die in dit proces zijn berekend.

Tot nu, studies van het klimaat van Venus hebben zich voornamelijk gericht op gemiddelde berekeningen van oost naar west. Deze bevinding heeft de studie van het klimaat van Venus naar een nieuw niveau getild waarin discussie over de gedetailleerde driedimensionale structuur van Venus mogelijk is. De volgende stap, door samenwerking met Akatsuki en AFES-Venus, is het oplossen van de puzzel van het klimaat van de tweeling Venus van de aarde, gesluierd in de dikke wolk van zwavelzuur.