金星快车任务的最新发现揭示了金星大气中出乎意料的水分子浓度，这表明它曾经拥有与地球类似的水量。这项研究探讨了太阳辐射如何增加了 HDO/H₂O 的比率，为金星的气候历史及其对行星宜居性的影响提供了见解。
金星的大气层显示出令人惊讶的水同位素水平，这表明它可能曾经像地球一样富含水分。由于太阳照射而增强的氘表明其历史上大量失水，重塑了我们对其气候演变的理解。（艺术家的概念图） 来源：SciTechDaily.com
金星快车任务的最新发现揭示了金星大气中出乎意料的水分子浓度，这表明它曾经拥有与地球类似的水量。这项研究探讨了太阳辐射如何增加了 HDO/H₂O 的比率，为金星的气候历史及其对行星宜居性的影响提供了见解。
在金星上发现水的变体
多亏了欧洲航天局（ESA）“金星快车”空间探测器上的红外掩星（SOIR）仪器的观测，研究人员发现金星中层大气中两种水分子变体——H₂O 和 HDO——的丰度以及它们的比率 HDO/H₂O 出现了意想不到的增加。这一现象挑战了我们对金星水的历史以及它过去可能适合居住的理解。
金星：与众不同的地球“孪生姐妹”
目前，金星是一个干燥、充满敌意的行星。金星的气压几乎是地球的 100 倍，温度约为 460°C（860°F）。它的大气层被厚厚的硫酸云和水滴云所覆盖，极度干燥。大部分水分存在于这些云层之下和内部。然而，金星可能曾经拥有与地球一样多的水。
东北大学的研究员 Hiroki Karyu 说：“金星因其大小相似常被称为地球的孪生星球，”“尽管这两颗行星有相似之处，但它的演化却不同。与地球不同，金星的表面条件极端。”
揭开金星的含水过往
对 H₂O 及其氘代对应物 HDO（同位素变体）的丰度进行研究，可以揭示金星的水历史。人们普遍认为，金星和地球最初的 HDO/H₂O 比率相似。然而，在金星的大部分大气（70 千米以下）中观测到的比率要高 120 倍，这表明随着时间的推移，氘有了显著的富集。
这种富集主要是由于太阳辐射在上层大气中分解水的同位素同核异构体，产生氢（H）和氘（D）原子。由于氢原子因其质量较低更容易逃逸到太空中，HDO/H₂O 比率逐渐增加。
所提出的金星中层水循环机制示意图，以维持观测到的 HDO 和 H₂O 体积混合比（VMR）以及随高度增加的 HDO/H₂O 比率。来源：©Mathieux 等人。
金星大气中水汽变化的机制
要弄清楚有多少 H 和 D 正在逃逸到太空中，测量在阳光能够分解它们的高度（即在海拔高于约 70 公里的云层上方）的水同位素同素体的数量至关重要。该研究发现了两个令人惊讶的结果：在 70 至 110 公里之间，H₂O 和 HDO 的浓度随高度增加，并且在此范围内，HDO/H₂O 比率显著上升了一个数量级，达到比地球海洋中高出 1500 倍以上的水平。
一种解释这些发现的拟议机制涉及水合硫酸（H₂SO₄）气溶胶的行为。这些气溶胶在云层上方刚刚形成，那里的温度降至含硫水露点以下，导致形成富含氘的气溶胶。这些颗粒上升到更高的高度，那里温度升高导致它们蒸发，与 H₂O 相比释放出更多的 HDO 比例。然后蒸汽向下传输，重新开始循环。
行星适居性的影响
该研究强调了两个关键点。首先，海拔高度的变化在确定 D 和 H 储层的位置方面起着关键作用。其次，HDO/H₂O 比率的增加最终会增加氘的释放，影响 D/H 比率的长期演变。
这些发现鼓励将与海拔相关的过程纳入模型，以便对 D/H 演化做出准确预测。了解金星宜居性和水的历史演变将有助于我们理解使行星变得不宜居的因素，从而知道如何避免让地球重蹈其“孪生兄弟”的覆辙。
这些结果于 2024 年 8 月 12 日发表在《美国国家科学院院刊》上。
参考文献：
“金星中层大气中氘氢比的意外增加”，作者：阿诺德·马希耶、塞巴斯蒂安·维斯卡迪、罗杰·文森特·耶尔、广木贤、莎拉·张伯伦、塞弗琳·罗伯特、阿里安娜·皮恰利、洛伊克·特罗佩特、贾斯汀·泰勒·欧文、须田素马、中川博、小山俊吾、罗曼·马吉奥洛、努诺·佩雷拉、盖尔·塞萨托尔、柳克·维拉梅和安·卡琳·万达勒，2024 年 8 月 12 日，《美国国家科学院院刊》。
DOI: 10.1073/pnas.2401638121