Die in dichte Wolken gehüllte Oberfläche der Venus war lange Zeit eine der mysteriösesten und am schwierigsten direkt zu beobachtenden Umgebungen im Sonnensystem. Nur wenige Landemissionen haben unter extremen Temperaturen und Drücken kurzzeitig begrenzte Daten geliefert. Nun zeigt eine neue Studie unter der Leitung eines wissenschaftlichen Forschungsteams der Sorbonne-Universität, dass Wissenschaftler selbst unter solch spärlichen Datenbedingungen durch präzise Modellierung immer noch wichtige Gesetze über oberflächennahe Windfelder, Temperaturänderungen und Staubtransport aus verstreuten Beobachtungen extrahieren können.
Der Erstautor der Arbeit, Maxence Lefèvre von der Sorbonne-Universität, leitete ein Team, das auf der Grundlage der Messergebnisse früherer Venusmissionen ein regionales numerisches Modell mit Schwerpunkt auf oberflächennahen Wind- und Staubbewegungen erstellte. Ziel ist es, für die kommende neue Generation von Venus-Erkundungsmissionen eine „Wettervorhersage“ bereitzustellen, die näher an der realen Umgebung liegt. Die Studie unterteilte die Oberfläche der Venus in verschiedene Regionen, unterschied zwischen Hochland (Bergen) und Tiefland (Ebenen), tropischen und polaren Regionen und analysierte deren jeweilige Temperaturänderungsamplituden, Windrichtungs- und -geschwindigkeitsmuster sowie die daraus resultierende Staubaufwirbelungsfähigkeit, anstatt den gesamten Planeten als einheitliche Umgebung zu betrachten.
Historische Daten stammen aus der Sondenserie „Venera“, die erfolgreich auf der Venus gelandet ist. Seine Beobachtungen zeigen, dass die Windgeschwindigkeit nahe der Venusoberfläche nur etwa 1 Meter pro Sekunde beträgt, was weit unter der typischen Windgeschwindigkeit von etwa 20 Metern pro Sekunde auf der Erde und sogar bis zu 40 Metern pro Sekunde in Teilen des Mars liegt. Da die Atmosphäre der Venus jedoch extrem dicht ist, ist eine enorme Energiemenge erforderlich, um eine so dichte Atmosphäre auf diese Windgeschwindigkeiten zu beschleunigen. Selbst wenn die Windgeschwindigkeit nicht hoch ist, ist der Einfluss auf die Oberflächentemperaturverteilung und die Staubsuspension daher dennoch erheblich.
Untersuchungen zeigen, dass ein Tag und eine Nacht auf der Venus ungefähr 117 Tagen auf der Erde entsprechen. Dieser extrem lange Tag- und Nachtzyklus wird dramatische, aber regionale Unterschiede in der Atmosphäre auslösen. In den Tropen niedriger Breiten werden Hochlandgebiete tagsüber von der Sonne erwärmt, und oberflächennahe Winde wehen entlang der Hänge nach oben, sogenannte „Upslope-Winde“ (der Fachbegriff ist „Downslope-Winde“ oder „anabatische Winde“); Nachts, nachdem die Oberfläche durch Infrarotstrahlung abgekühlt ist, strömt kalte Luft entlang der Hänge nach unten und bildet „Abhangwinde“ („katabatische Winde“).
Diese Art der täglichen Windrichtungsumkehr verändert nicht nur das lokale Windfeld, sondern wirkt sich auch direkt auf Schwankungen der Oberflächentemperatur aus. Berechnungen in der Arbeit zeigen, dass im Hochland, das von der adiabatischen Kompressionserwärmung durch Hangwinde betroffen ist, der Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht auf weniger als 1 Kelvin „eingegrenzt“ wird, was den Oberflächenkühlungseffekt in der Nacht stark ausgleicht; Im Gegensatz dazu kann der Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht in Tieflandgebieten, in denen ein ähnlicher Anpassungsmechanismus fehlt, etwa 4 Kelvin erreichen. Das bedeutet, dass in den Bergen der Venus die Windfelder gewissermaßen als „Temperaturregler“ wirken.
In polnahen Gebieten ist das Muster anders: Dort fließt das erdnahe Windfeld das ganze Jahr über fast kontinuierlich bergab, und der langfristige „Versatz“ mit der kontinuierlichen Infrarot-Wärmeabgabe in den Polarregionen bildet eine weitere Form des Temperaturstabilisierungsmechanismus. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass dieses neue Modell einen wichtigen Hintergrund für das Verständnis des Klimas und der Oberflächeneigenschaften der Polarregionen liefert, da sich eine Reihe zukünftiger Venus-Umlaufmissionen, darunter die europäische „EnVision“ und die amerikanische „VERITAS“, auf die Beobachtung der Polarregionen konzentrieren werden.
In direkterem Zusammenhang mit der Landemission steht die Venus-Atmosphären- und Oberflächenerkundungsmission der NASA namens „DaVINCI“. Nach dem aktuellen Plan wird sein Landemodul in der Nähe eines Hochplateaus namens „Alpha Regio“ (Alpha Regio) landen, einem Gebiet in der Nähe des Äquators mit deutlich hügeligem Gelände. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass etwa 45 % der Oberfläche der Alpha Highlands Windgeschwindigkeiten aufweisen, die ausreichen, um „feinen Sand“ mit einer Partikelgröße von etwa 75 Mikrometern anzuheben, was bedeutet, dass die DaVINCI-Sonde während der Anflug- und Landephase wahrscheinlich auf eine kontinuierliche Feinstaubumgebung stoßen wird, deren Intensität sich auch mit dem lokalen Tag- und Nachtzyklus ändern wird. Diese Entdeckung gilt als wichtige Frühwarnung für den strukturellen Aufbau des Detektors, den Sensorschutz und das Abstiegszeitschema.
Um diese Analysen durchzuführen, hat das wissenschaftliche Forschungsteam eine neue regionale Simulationsmethode eingeführt. Sie versuchten nicht mehr, die Venusoberfläche als Ganzes zu modellieren, sondern unterteilten verschiedene Gelände und verschiedene Breitengrade in mehrere „meteorologische Einheiten“, die unabhängig voneinander gelöst werden können, um jeweils ihre Windfeld-, Temperatur- und Staubeigenschaften zu berechnen. Das Papier räumt auch ein, dass es beim aktuellen Modell noch Raum für Verbesserungen gibt. Beispielsweise können detailliertere thermophysikalische Parameter basierend auf der Albedo und der thermischen Trägheit verschiedener Oberflächenmaterialien eingeführt werden, oder die Infrarotabsorptionseigenschaften von Gasen, die in der Venusatmosphäre bei verschiedenen Temperaturen von Kohlendioxid dominiert werden, können genauer charakterisiert werden.
Die Forscher betonten jedoch, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft noch Zeit habe, das Modell zu iterieren und zu korrigieren, bevor zukünftige Lande- und Orbitmissionen tatsächlich die Venus erreichen. Da Missionen wie DaVINCI Feldmessungen durchführen, werden diese regionalen Windfeldsimulationen zu einer wichtigen Referenz für die Interpretation neuer Daten und helfen, mögliche abnormale Temperaturwerte und Staubeigenschaften in der Nähe des Landeplatzes der Sonde zu erklären. Die entsprechenden Ergebnisse tragen den Titel „Die Wirkung oberflächennaher Winde auf Oberflächentemperatur und Staubtransport auf der Venus“ und wurden in der Unterausgabe des „Journal of Geophysical Research: Planets“ veröffentlicht.