Исследование содержания оксидов серы над облаками Венеры

по данным измерений SPICAV/SOIR миссии «Венера-Экспресс»

Номинация: лучшая научная работа Института (цикл работ)

Авторы: к. ф.-м. н. Беляев Денис Анатольевич

д. ф.-м. н. Кораблев Олег Игоревич

к. ф.-м. н. Федорова Анна Александровна

Аннотация

Оксиды серы (SO и SO₂) являются ключевыми компонентами атмосферы Венеры, полностью покрытой облаками из капель серной кислоты (H₂SO₄). Изменения в содержании этих газов в надоблачном слое могут служить индикатором фотохимической активности в атмосфере, а также геологической активности (Mills et al., 2007): единичный вулканический всплеск на поверхности нарушает атмосферную циркуляцию и увеличивает доставку сернистых окисей (SO_x) к облакам (высоты 50-70 км).

Новые измерения SO и SO₂ в мезосфере Венеры были проведены прибором SPICAV/SOIR с борта орбитального аппарата «Венера-Экспресс». Прибор – система из трех спектрометров – зондирует атмосферу над облаками в различных режимах (надир, солнечное и звездное просвечивание) как в УФ, так и в ИК области спектра. В данном цикле работ представлены результаты измерений в полосах поглощения SO₂ (190-320 нм, 4 мкм) и SO (190-320 нм). Содержание двуокиси (SO₂) было померено спектрометром SOIR на высотах 65-80 км в ИК диапазоне (солнечное просвечивание) и спектрометром SPICAV в УФ области (солнечное просвечивание на 85-105 км и надир около 70 км). Поглощение SO детектировано только прибором SPICAV на высотах 85-105 км.

Таким образом, впервые в вертикальном распределении газов над облаками Венеры зафиксировано наличие двух слоев SO₂. В нижнем слое (65-80 км) относительное содержание двуокиси меняется в пределах 0.02-0.5 ppm. Для верхнего слоя (85-105 км) характерно увеличение содержания газа с высотой от 0.05 до 2 ppm, причем отношение концентраций [SO₂]/[SO] варьируется от 1 до 5. Похожие результаты были получены из наземных микроволновых наблюдений (Sandor et al., 2010). Кроме того, по зондированию SPICAV в надир мы померили широтное распределение SO₂ в надоблачном слое (~70 км): поглощение газа уменьшается от экватора в полюсу с 0.5-1 ppmv до 0.02-0.05 ppmv. Также по данным в надир удалось проследить временную вариацию содержания двуокиси в период 2007-2008 годов: 0.05-0.2 ppmv. Это совпало с результатами просвечивания SOIR на тех же высотах (~70 км) и в тот же промежуток времени.

Наличие поглощения SO₂ в надоблачном слое (65-80 км) наблюдалось раннее неоднократно (Belyaev et al., 2008). Однако в верхнем слое такое поглощение детектируется впервые. Оно может быть объяснено фотолизом H₂SO₄ при определенных температурных условиях в мезосфере Венеры. Было замечено, что на высотах 90-100 км содержание двуокиси серы коррелирует с температурой, увеличиваясь от 0.1 ppm при 165-170 К до 0.5-1 ppm 190-192 К. Такое поведение говорит в пользу гипотезы об образовании SO₂ путем испарения капель серной кислоты и ее последующим фотолизом на 100 км. Эта теория была проверена в одной из наших работ, где расчитанны различные механизмы, влияющие на преобразование H₂SO₄→SO₂ в мезосфере Венеры, что, для сравнения, аналогично происходит в нижней стратосфере Земли (Crutzen, 2006). Наше исследование подтверждает гипотезу о существовании на Венере верхней атмосферной дымки (90-100 км), состоящей из капель концентрированной серной кислоты.

Ссылки:

Belyaev, D. et al., 2008. First observations of SO₂ above Venus clouds by means of Solar Occultation in the Infrared. J. Geophys. Res. 113, E00B25, doi:10.1029/2008JE003143.

Crutzen, P.J., 2006. Albedo enhancement by stratospheric sulfur injections: a contribution to resolve a policy dilemma? Climatic change 77, 211-220.

Mills, F.P., Esposito, L.W., Yung, Y.L., 2007. Atmospheric composition, chemistry, and clouds. In: Exploring Venus as a Terrestrial Planet, Geophysical Monograph Series, vol. 176, pp. 73–100.

Sandor, B.J., Todd Clancy, R., Moriarty-Schieven, G., Mills, F.P., 2010. Sulfur chemistry in the Venus mesosphere from SO₂ and SO microwave spectra. Icarus 208, 49–60.

Список работ, подаваемых на конкурс:

Belyaev D.A. , … , Fedorova A.A., Korablev O.I. et al., 2011. Vertical profiling of SO₂ and SO above Venus' clouds by SPICAV/SOIR solar occultations. Icarus (принята в печать).

Marcq E., Belyaev D., … , Fedorova A. et al., 2011. An investigation of the SO₂ content of the Venusian mesosphere using SPICAV-UV in nadir mode. Icarus 211, 1, 58-69.

Zhang, X., Liang, M.-C., Mills, F.P., Belyaev D., Yung Y.L., 2011. Sulfur chemistry in the middle atmosphere of Venus. Icarus (в печати, doi:10.1016/j.icarus.2011.06.016).