С помощью прибора Solar Occultation in the Infrared, установленного на зонде Venus Express Европейского космического агентства, международная группа исследователей изучила концентрацию дейтерия в атмосфере Венеры. Анализ полученных данных позволил создать модель, описывающую механизм водного цикла планеты, и подчеркнул необходимость учитывать процессы, изменяющиеся в зависимости от высоты, для обеспечения точности прогнозов эволюции соотношения дейтерия и водорода.
В настоящее время Венера представляет собой безжизненный и неблагоприятный мир. Давление на ее поверхности в 100 раз превышает земное, а температура составляет около 460 °C. Атмосфера планеты отличается крайне низким содержанием влаги и скрыта за облаками, состоящими из серной кислоты и водяных капель. Значительное количество воды находится под этими облачными слоями и внутри них. Однако, вероятно, когда-то Венера обладала водными ресурсами, подобными земным.
Анализ полутяжелой и обычной воды, обнаруженных на Венере, позволяет ученым реконструировать ее прошлое, связанное с водными ресурсами. Полутяжелая вода, представляющая собой гидроксид дейтерия, обладает той же химической формулой, что и обычная вода – H 2Вместо двух атомов протия, наиболее распространенного изотопа водорода с атомной массой, равной единице, кислород соединен с одним атомом водорода и одним атомом дейтерия, тяжелого изотопа водорода, который обозначается как D. Ядро атома дейтерия содержит дополнительный нейтрон, его атомная масса составляет два, а полутяжелая вода имеет обозначение HDO.
Соотношение HDO/H2В атмосфере Венеры концентрация кислорода в 120 раз превышает аналогичный показатель на Земле, что свидетельствует о значительном накоплении дейтерия с течением времени. Это может указывать на наличие большого запаса влаги на поверхности Венеры в прошлом. Современная сухость планеты обусловлена главным образом тем, что солнечная радиация приводит к разрушению молекул воды в верхних слоях атмосферы, в результате чего образуются атомы водорода (H) и дейтерия (D).
В силу малой массы атомов водорода они не задерживаются в атмосфере, а улетают в космическое пространство, а соотношение HDO/H 2Осуществляется постепенный рост. Для определения количества улетучившихся веществ H и D, 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 H 2Относительные концентрации HDO и HDO увеличиваются с высотой на отметке 70–110 километров, а соотношение HDO/H 2Показатели O возрастают в значительной степени, превышая земные в более чем 1500 раз.
Высокое содержание дейтерия способно объяснить особенности поведения аэрозолей, состоящих из гидратированной серной кислоты (H 2SO4), которая формируется в зонах с температурами, пониженными по отношению к точке выпадения росы сернистой воды. Данное окружение обуславливает 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 H 2После этого пар транспортируется обратно в область с более низкой температурой, что инициирует повторение цикла.
Два ключевых вывода были выделены ведущими исследователями. Прежде всего, изменения высоты оказывают определяющее влияние на расположение залежей дейтерия и водорода. Кроме того, увеличение соотношения HDO/H 2В конечном итоге это приводит к увеличению выброса дейтерия. Полученные данные указывают на то, что для получения точных прогнозов изменения соотношения D/H в атмосфере Венеры необходимо учитывать в моделях процессы, зависящие от высоты.
Изучение изменений климата и наличие воды на Венере в прошлом позволит нам понять, именно это понимание позволит избежать превращения Земли в безжизненный мир, подобный Венере.
Исследование опубликовано в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.