歐空局金星快車任務揭示金星大氣中氘氫比的劇烈變化
透過歐洲太空總署（ESA）金星快車（Venus Express）太空探測器上的紅外線太陽掩蔽（SOIR）儀器的觀測，研究人員發現金星中間層中兩種水分子變體–H2O和HDO–的豐度及其比率HDO/H2O出現了意想不到的增長。這現象挑戰了我們對金星水歷史的理解，以及金星過去曾經適宜居住的可能性。
目前，金星是一顆乾燥、充滿敵意的行星。金星的壓力比地球高近100 倍，溫度約460°C（860°F）。它的大氣層被厚厚的硫酸雲層和水滴覆蓋，非常乾燥。大部分水都存在於這些雲層的下方和內部。不過，金星可能曾經擁有和地球一樣多的水。
東北大學的研究人員Hiroki Karyu 說：”金星因其大小相似，常被稱為地球的孿生兄弟。與地球不同，金星的表麵條件極端惡劣。”
透過研究H2O及其氘化對應物HDO（同位素）的豐度，可以深入了解金星的水歷史。一般認為，金星和地球最初具有相似的HDO/H2O比率。然而，在金星大氣層（低於70千米）中觀測到的比率要高出120倍，這表明隨著時間的推移，氘的富集程度很高。
這種富集主要是由於太陽輻射分解了高層大氣中的水同素異形體，產生了氫（H）和氘（D）原子。由於氫原子的質量較小，更容易逃逸到太空中，因此HDO/H2O的比例逐漸增加。
維持觀測到的HDO 和H2OVMR 以及HDO/H2O比率隨高度增加的建議金星中間層水循環機制示意圖。資料來源：©Mathieux et al.
要想知道有多少H 和D 逃逸到太空中，關鍵是要在陽光能夠分解它們的高度測量水同位素的數量，這發生在雲層之上約70 千米的高度。研究發現了兩個令人驚訝的結果：H2O和HDO 的濃度隨著海拔高度在70 至110 千米之間的增加而增加，HDO/H2O比率在這一範圍內顯著上升了一個數量級，達到了比地球海洋高出1500 倍以上的水平。
解釋這些發現的一個建議機制涉及水合硫酸（H2SO4）氣溶膠的行為。這些氣溶膠在雲層正上方形成，溫度下降到硫酸化水露點以下，導致富氘氣溶膠的形成。這些微粒上升到更高的高度，溫度升高導致它們蒸發，釋放出比H2O更多的HDO。然後，水蒸氣被向下輸送，重新開始循環。
研究強調了兩個關鍵點。首先，海拔高度的變化在確定氘和氫儲層的位置方面起著至關重要的作用。其次，HDO/H2O比率的增加最終會增加氘的釋放，進而影響D/H 比率的長期演變。
這些發現鼓勵將高度依賴過程納入模型，以準確預測D/H的演變。了解金星可居住性和水歷史的演變將有助於我們了解使一顆行星適合居住的因素，從而知道如何避免讓地球步其孿生兄弟的後塵。
這些成果發表在2024年8月12日的《美國國家科學院院刊》。
編譯自/ scitechdaily