Международная группа ученых провела исследование количества дейтерия в атмосфере Венеры с помощью инструмента Solar Occultation in the Infrared на зонде Venus Express Европейского космического агентства. Полученные данные позволили построить модель механизма протекания водного цикла планеты и указали на важность включения в модели процессов, зависящих от высоты, для точных прогнозов эволюции соотношения дейтерий/водород.
Схема предложенного мезосферного водного цикла Венеры / © Proceedings of the National Academy of Sciences (2024)
Сегодня Венера — сухой, враждебный мир. Давление на ней почти в 100 раз выше, чем на Земле, а температура поверхности — приблизительно 460 °C. Атмосфера планеты чрезвычайно сухая и скрыта под облаками серной кислоты и водяных капель. Большая часть воды находится под этими слоями облаков и внутри них. Однако Венера, возможно, когда-то была похожа на Землю по распространенности воды.
Изучение полутяжелой и обычной воды на Венере помогает ученым восстановить ее водную историю. Полутяжелая вода, гидроксид дейтерия, имеет ту же химическую формулу, что и обычная вода H2O, но вместо двух атомов протия, самого распространенного изотопа водорода с атомной массой один, кислород соединен с одним атомом водорода и одним атомом дейтерия, тяжелого изотопа водорода, обозначаемого D. У атома дейтерия в ядре есть дополнительный нейтрон, его атомная масса — два, а полутяжелая вода имеет обозначение HDO.
Соотношение HDO/H2O в основной атмосфере Венеры в 120 раз больше, чем на Земле, что указывает на значительное обогащение дейтерием с течением времени. Этот факт может говорить о существовании большого количества влаги на поверхности Венеры в прошлом. Сухость планеты в настоящем в первую очередь связана с тем, что солнечная радиация разрушает оба варианта воды в верхних слоях атмосферы, образуя атомы водорода (H) и дейтерия (D).
Поскольку атомы H чрезвычайно легки, они не удерживаются в атмосфере и улетают в космос, а соотношение HDO/H2O постепенно растет. Чтобы определить, сколько H и D улетучивается, исследователи измеряют количество вариантов воды на высотах, где солнечный свет может их разрушать. Фиксацию количественных значений проводят в мезосфере, над облаками на высотах более 70 километров.
При измерениях с помощью зонда Venus Express исследователи обнаружили две неожиданные закономерности: концентрации H2O и HDO увеличиваются с высотой на уровне 70-110 километров, а соотношение HDO/H2O становится на порядок больше и достигает показателей, более чем в 1500 раз превышающих земные.
Большое количество дейтерия может объяснить поведение аэрозолей гидратированной серной кислоты (H2SO4), которая образуется в области с температурами ниже точки выпадения росы сернистой воды. Такая среда приводит к образованию аэрозолей с участием уже находящегося в прохладной области дейтерия. Получившиеся частицы поднимаются на высоту, где повышенные температуры заставляют их испаряться, высвобождая более значительную долю HDO по сравнению с H2O. Затем пар переносится обратно вниз, в сравнительно холодные условия, перезапуская цикл.
Самыми важными исследователи назвали два вывода. Во-первых, изменения высоты играют решающую роль в определении местоположения запасов дейтерия и водорода. Во-вторых, повышенное соотношение HDO/H2O в итоге увеличивает выброс дейтерия. Эти результаты предполагают, что включение в модели процессов, зависящих от высоты, необходимо для точных прогнозов изменения соотношения D/H в атмосфере Венеры.
Понимание эволюции природных условий Венеры и истории воды на ней поможет нам понять, что делает планету пригодной для жизни. Это знание, в свою очередь, укажет на то, как не позволить Земле переродиться в неприветливую Венеру.
Исследование опубликовано в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.
