نموذج للإشعاع الحراري المتناثر لكوكب الزهرة من 3 إلى 5 ميكرومتر

A. García Muñoz, P. Wolkenberg, A. Sánchez-Lavega, R. Hueso, I. Garate-Lopez

latex

مُلخَّص

يُصبح الإشعاع الحراري سمةً بارزةً في طيف الاستمرارية للجانب الليلي لكوكب الزهرة اعتبارًا من حوالي 3 ميكرومتر. ويمكن عزو هذا الانبعاث إلى طبقات السحب العليا والضباب في ميزوسفير الكوكب. يتخلّل طيف الإشعاع الحراري للزهرة أشرطة امتصاص لثاني أكسيد الكربون بقوى متفاوتة تخترق أعماقًا جوية مختلفة. وبناءً عليه، يمكن عكس الطيف الحراري المقاس لاستنتاج ملفات درجات الحرارة وتقديم رؤى حول بنية السحب والضباب. عمليًا، تزداد صعوبة الاسترجاع بسبب تشتيت الفوتونات مرات عدة بواسطة جزيئات الهباء الجوي قبل مغادرة الغلاف الجوي. نحن نحلّ عدديًا مسألة انتقال الإشعاع الحراري من الجانب الليلي لكوكب الزهرة بين 3 و 5 ميكرومتر باستخدام نموذج مُخصَّص لميزوسفير الزهرة، مع التركيز بشكل خاص على دور التشتت. تستكشف المحاكاة فضاء معاملات النموذج الذي يشمل توزيع درجات الحرارة وعتامة السحب وحجم الهباء الجوي وتركيبه الكيميائي. ونؤكّد ضرورة أخذ تشتت الهباء الجوي في الاعتبار عند استرجاع درجات الحرارة، مما يزيد من تعقيد المشكلة. كما نتناول بإيجاز مدى اتساق شكل الطيف مع معاملات سحب الزهرة، ونشير إلى أن الاضطرابات المعقولة في التركيب الكيميائي وحجم الهباء الجوي لا تغيّر نتائج المحاكاة بشكل كبير. وعلى الرغم من تخصيص التجارب للخصائص التقنية لجهاز VIRTIS على مركبة فينوس إكسبريس، فإن الاستنتاجات تبقى ذات صلة عامة.

الكلمات المفتاحية: إشعاع حراري، الزهرة، تشتت، ميزوسفير، درجة حرارة.


[intro_sec] المقدمة

يُعتبر الغلاف الجوي الأوسط لكوكب الزهرة منطقة انتقالية معقدة تمتد من حوالي 60 إلى 100 كم فوق سطح الكوكب. يربط هذا الجزء عموديًا بين نمطي التدفق العالمي للرياح، كلٌ منهما يهيمن على الديناميكيات الجوية فوقه وتحتَه على التوالي (bougheretal2006). بالإضافة إلى ذلك، يلعب الغلاف الجوي الأوسط دورًا محوريًا في عمليات أكسدة ثاني أكسيد الكربون والكبريت (millsallen2007)، وتوزيع الماص فوق البنفسجي المجهول (titovetal2008)، وترسيب الطاقة الشمسية (crisp1986)، وظاهرة الوهج الجوي للأكسجين المرئي والأشعة تحت الحمراء (crispetal1996,garciamunozetal2009).

توفر الأشعة الحرارية المنبعثة من الجانب الليلي نافذةً قيمةً للدراسات الرصدية للغلاف الجوي الأوسط. باستثناء المميزات الضيقة للإشعاع الحراري عند أطوال موجية أقل من 2.3 \(\mu\)m (allencrawford1984,carlsonetal1991,erardetal2009)، يبدأ طيف الإشعاع الحراري لكوكب الزهرة عند حوالي 3 \(\mu\)m ويبلغ ذروته بين 10 و 20 \(\mu\)m. تنشأ الفوتونات الهاربة من طبقات السحب العليا والضباب، حيث يخضع الإشعاع لامتصاص وتشتيت في تفاعلات مع جزيئات الهباء الجوي. يجعل الامتصاص القوي لثاني أكسيد الكربون عند 4.3 و 15 \(\mu\)m طيف الإشعاع الحراري أداةً فعالةً لاستكشاف البنية الحرارية للغلاف الأوسط (carlsonetal1991,grassietal2008,roosseroteetal1995,zasovaetal1999). فوق ذلك، يصبح الغلاف الجوي رقيقًا فلا يترك أثرًا طيفيًّا، بينما أدناه يعيق امتصاص الجزيئات وصول الفوتونات إلى الأعلى.

أُطلقت مركبة فينوس إكسبريس التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية في مدار حول كوكب الزهرة عام 2006 (svedhemetal2007). جمع جهاز VIRTIS (drossartetal2007,piccionietal2009) طيفًا لمدة سنوات في النطاق 15 \(\mu\)m بدقة تحليلية تقارب 200، مما يجعله أداةً قيّمةً لاستكشاف نطاق 4.3 \(\mu\)m. وكان من المقرر أن يستكشف مطياف التحويل الفورييه الكوكبي (formisanoetal2006) نطاقي 4.3 و 15 \(\mu\)m بدقة أعلى، ولكن فشله المبكر حال دون ذلك.

تناولت الدراسات الحديثة (grassietal2008,irwinetal2008,leeetal2012) جوانب مختلفة من إشعاع الزهرة الحراري في النطاق 5 \(\mu\)m بناءً على ملاحظات VIRTIS. على الرغم من استكشاف هذه الأعمال للإشعاع في ظروف متعددة، لم يُقدّم حتى الآن تحليل حساسية منهجي لمعلمات النماذج الفيزيائية والعددية ذات الصلة. لذلك تهدف هذه الورقة إلى تقديم نموذج انتقال إشعاعي لمحاكاة الإشعاع الحراري من الجانب الليلي بين 3 و 5 \(\mu\)m، وعرض قدراته عبر أمثلة تستكشف الحساسية. نولي اهتمامًا خاصًا لتشتت الهباء الجوي، حيث يمكن أن يعدّل بشكل كبير طيف الإشعاع الخارج. بحسب اطلاعنا، تناولت دراسة واحدة (grassietal2008) فقط التشتت المتعدد لاسترجاع درجات الحرارة في غلاف الزهرة، مع الإشارة إلى أن الحساب يصبح عبئًا ثقيلًا عند تضمين تشتت متعدد الخطوات.

تختلف مسألة استرجاع درجات الحرارة في غلاف الزهرة عن المألوف في الأرض أو المريخ، إذ يُهمل عادةً التشتت المتعدد فيهما. من خلال استكشاف فضاء المعاملات، تهدف هذه الدراسة إلى تيسير تفسير الطيف المقاس وحساسيته. وسيُكرّس عمل لاحق لتوصيف كمي واسترجاع درجات الحرارة والخصائص البصرية للهباء الجوي في غلاف الزهرة.

النموذج الأمامي

يعالج نموذج نقل الإشعاع معادلة انتقال الإشعاع في الغلاف الجوي بنهج الخطّ بخطّ. في الخطوة الأولى، ينتج النموذج (اختياريًا) مكتبتين للخصائص البصرية: واحدة للغازات وأخرى للجسيمات الهوائية. بعد ذلك، يستدعي النموذج هذه المكتبات كمدخلات لحل المعادلة وينتج الطيف الاصطناعي. في الوضع الحالي، يستخدم النموذج DISORT لحسابات التشتت المتعدد (stamnesetal1988, stamnesetal2000)، وهو برنامج مجاني لحل نقل الإشعاع أحادي اللون في طبقات مستقلة قد تشمل مصادر إشعاع داخلية وخارجية. نظرًا لتركيزنا على الجانب الليلي للزهرة، نعتمد أيضًا روتينًا منفصلاً لمعالجة المكون غير المتشتت من الإشعاع الحراري عبر دمج معادلة انتقال الإشعاع على طول خط الرؤية.