Схема предлагаемого механизма круговорота воды в мезосфере Венеры для поддержания наблюдаемого HDO и H2O VMR и увеличения отношения HDO/H2O с высотой.
Источник: Труды Национальной академии наук (2024). DOI: 10.1073/pnas.2401638121

Благодаря прибору для наблюдения за солнечным затмением в инфракрасном диапазоне (SOIR) на космическом зонде Venus Express Европейского космического агентства (ESA) исследователи обнаружили неожиданное увеличение содержания двух вариантов молекул воды — H2O и HDO — и их соотношения HDO/H2O в мезосфере Венеры.

Это явление ставит под сомнение наше понимание истории вод Венеры и вероятности того, что в прошлом она была пригодна для жизни.

В настоящее время Венера — сухая, враждебная планета. Давление на ней почти в 100 раз выше, чем на Земле, а температура около 460°C. Ее атмосфера, покрытая густыми облаками серной кислоты и водяных капель, чрезвычайно сухая. Большая часть воды находится ниже и внутри этих слоев облаков. Однако Венера, возможно, когда-то содержала столько же воды, сколько и Земля.

«Венеру часто называют близнецом Земли из-за схожих размеров», — отмечает Хироки Карю, исследователь из Университета Тохоку. «Несмотря на сходство между двумя планетами, они развивались по-разному. В отличие от Земли, Венера имеет экстремальные условия на поверхности».

Исследование содержания H2O и его дейтерированного аналога HDO (изотопологов) позволяет лучше понять историю воды на Венере. Принято считать, что изначально Венера и Земля имели схожее соотношение HDO/H2O. Однако соотношение, наблюдаемое в основной атмосфере Венеры (ниже 70 км), в 120 раз выше, что указывает на значительное обогащение дейтерием с течением времени.

Это обогащение в первую очередь происходит из-за того, что солнечная радиация разрушает изотопологи воды в верхних слоях атмосферы, производя атомы водорода (H) и дейтерия (D). Поскольку атомы H легче улетают в космос из-за их меньшей массы, отношение HDO/H2O постепенно увеличивается.

Чтобы определить, сколько H и D улетучивается в космос, крайне важно измерить количество изотопологов воды на высотах, где солнечный свет может их разрушить, что происходит над облаками на высотах более ~70 км.

Исследование, опубликованное в Трудах Национальной академии наук , выявило два удивительных результата: концентрации H2O и HDO увеличиваются с высотой от 70 до 110 км, а соотношение HDO/H2O значительно возрастает на порядок в этом диапазоне, достигая уровней, более чем в 1500 раз превышающих показатели в океанах Земли.

Предложенный механизм для объяснения этих результатов включает поведение аэрозолей гидратированной серной кислоты (H2SO4). Эти аэрозоли образуются прямо над облаками, где температура опускается ниже точки росы сернистой воды, что приводит к образованию аэрозолей, обогащенных дейтерием.

Эти частицы поднимаются на большую высоту, где повышенная температура заставляет их испаряться, высвобождая более значительную долю HDO по сравнению с H2O. Затем пар переносится вниз, перезапуская цикл.

Исследование подчеркивает два ключевых момента. Во-первых, изменения высоты играют решающую роль в определении резервуаров D и H. Во-вторых, повышенное отношение HDO/H2O в конечном итоге увеличивает выброс дейтерия, влияя на долгосрочную эволюцию отношения D/H. Эти результаты поощряют включение зависящих от высоты процессов в модели для точных прогнозов эволюции D/H.

Понимание эволюции обитаемости Венеры и истории ее вод поможет нам понять факторы, которые делают планету пригодной для жизни, и узнать, как не дать Земле последовать по стопам ее близнеца.