欧空局金星快车任务揭示金星大气中氘氢比的剧烈变化

通过欧洲航天局（ESA）金星快车（Venus Express）空间探测器上的红外太阳掩蔽（SOIR）仪器的观测，研究人员发现金星中间层中两种水分子变体--H2O和HDO--的丰度及其比率HDO/H2O出现了意想不到的增长。这一现象挑战了我们对金星水历史的理解，以及金星过去曾经适宜居住的可能性。

目前，金星是一颗干燥、充满敌意的行星。金星的压力比地球高近 100 倍，温度约为 460°C（860°F）。它的大气层被厚厚的硫酸云层和水滴覆盖，非常干燥。大部分水都存在于这些云层的下方和内部。不过，金星可能曾经拥有和地球一样多的水。

东北大学的研究人员 Hiroki Karyu 说："金星因其大小相似，常被称为地球的孪生兄弟。与地球不同，金星的表面条件极端恶劣。"

通过研究H2O及其氘化对应物 HDO（同位素）的丰度，可以深入了解金星的水历史。一般认为，金星和地球最初具有相似的HDO/H2O比率。然而，在金星大气层（低于70千米）中观测到的比率要高出120倍，这表明随着时间的推移，氘的富集程度很高。

这种富集主要是由于太阳辐射分解了高层大气中的水同素异形体，产生了氢（H）和氘（D）原子。由于氢原子的质量较小，更容易逃逸到太空中，因此HDO/H2O的比例逐渐增大。

维持观测到的 HDO 和H2OVMR 以及HDO/H2O比率随高度增加的拟议金星中间层水循环机制示意图。资料来源：©Mathieux et al.

要想知道有多少 H 和 D 逃逸到太空中，关键是要在阳光能够分解它们的高度测量水同位素的数量，这发生在云层之上约 70 千米的高度。研究发现了两个令人惊讶的结果：H2O和 HDO 的浓度随着海拔高度在 70 至 110 千米之间的增加而增加，HDO/H2O比率在这一范围内显著上升了一个数量级，达到了比地球海洋高出 1500 多倍的水平。

解释这些发现的一个拟议机制涉及水合硫酸（H2SO4）气溶胶的行为。这些气溶胶在云层正上方形成，温度下降到硫酸化水露点以下，导致富氘气溶胶的形成。这些微粒上升到更高的高度，温度升高导致它们蒸发，释放出比H2O更多的 HDO。然后，水蒸气被向下输送，重新开始循环。

研究强调了两个关键点。首先，海拔高度的变化在确定氘和氢储层的位置方面起着至关重要的作用。其次，HDO/H2O比率的增加最终会增加氘的释放，从而影响 D/H 比率的长期演变。

这些发现鼓励将高度依赖过程纳入模型，以准确预测D/H的演变。了解金星可居住性和水历史的演变将有助于我们了解使一颗行星适合居住的因素，从而知道如何避免让地球步其孪生兄弟的后尘。

这些成果发表在2024年8月12日的《美国国家科学院院刊》上。

编译自/scitechdaily

DOI: 10.1073/pnas.2401638121