Dankzij waarnemingen gedaan door het SOIR-instrument (Solar Occultation in the Infrared) aan boord van de ruimtesonde Venus Express van het Europese ruimtevaartagentschap ESA hebben onderzoekers een onverwachte toename in de hoeveelheden van twee varianten van watermoleculen (H2O en HDO) samen met hun verhouding HDO/H2O, in de mesosfeer van Venus aangetoond. Dit onverwachte fenomeen stelt onze huidige kennis van de geschiedenis van water op Venus in vraag, evenals de factoren die de bewoonbaarheid van de planeet in het verleden al dan niet bevorderden. Deze doorbraak is gebaseerd op de identificatie van een mogelijk mechanisme die de waarnemingen zou uitleggen.
Venus, de tweeling van de Aarde, ontwikkelde zich anders dan onze planeet Hoewel Venus de tweelingzuster van de aarde wordt genoemd vanwege de vergelijkbare grootte, zijn de omstandigheden aan het oppervlak van Venus vandaag heel anders dan op onze planeet, met een oppervlaktedruk die bijna 100 keer hoger is dan op de Aarde en temperaturen rond de 460°C. Venus is volledig bedekt door dikke wolken van zwavelzuur en waterdruppels op hoogtes van 45 km tot 65 km. Bovendien is de atmosfeer meer dan 100.000 keer droger dan die van de aarde, waarbij het meeste water zich onder en in deze wolkenlagen bevindt.
Het onderzoek naar de dichtheden op Venus van beide watervarianten, isotopologen genoemd, H2O en zijn gedeutereerde tegenhanger HDO, werpt licht op de geschiedenis van water op de planeet. Het wordt algemeen aangenomen dat Venus en de Aarde aanvankelijk een vergelijkbare HDO/H2O-verhouding hadden. Eerdere studies stelden vast dat deze verhouding 120 keer hoger was in de bulkatmosfeer van Venus (onder 70 km), wat duidt op een aanzienlijke deuteriumverrijking in de loop van de tijd. Het belangrijkste mechanisme dat verantwoordelijk is voor deze deuteriumverrijking is de vernietiging door zonnestraling (fotolyse) van waterisotopologen in de bovenste atmosfeer, wat leidt tot de productie van waterstof (H) en deuterium (D) atomen. Deze atomen kunnen verder ontsnappen naar de ruimte, waarbij H dit gemakkelijker doet vanwege zijn halve massa in vergelijking met D. Dit verschil in ontsnapping resulteert in een geleidelijke toename van de abundantie van D ten opzichte van H, waardoor de HDO/H2O-verhouding in de loop der tijd stijgt.
Grote toename van water en gedeuteerd water in de bovenste mesosfeer gemeten door het Belgische instrument SOIR
Om te weten hoeveel H en D naar de ruimte ontsnapt, is het cruciaal om de hoeveelheden waterisotopoloog te meten op hoogtes waar zonlicht ze kan afbreken, wat gebeurt boven de wolken op hoogtes groter dan ~70 km. Onze studie heeft als doel om te ontrafelen hoe H2O en HDO verdeeld zijn in de mesosfeer van Venus tot op een hoogte van 110 km. Hiervoor hebben we metingen geanalyseerd die door het Belgische SOIR-instrument (Solar Occultation in the InfraRed) werden uitgevoerd vanuit een baan rond Venus. Deze spectrometer werd ontworpen, gebouwd en bediend door het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie in Brussel. Dit instrument vloog op de Venus Express orbiter, een ruimtevaartuig van de Europese Ruimtevaartagenschap dat Venus bezocht van 2006 tot 2014.
Ons onderzoek bracht twee verrassende bevindingen aan het licht. Ten eerste, in tegenstelling tot wat verwacht werd, nemen de concentraties van H2O en HDO toe met de hoogte tussen 70 en 110 km. Ten tweede stijgt de HDO/H2O-verhouding over ditzelfde hoogtebereik aanzienlijk met een orde van grootte - een factor 10, tot een niveau dat meer dan 1500 keer hoger ligt dan wat tegenwoordig in de oceanen van de aarde wordt aangetroffen.
Om deze onverwachte bevindingen te verklaren, stellen we een nieuw mechanisme voor (zie de figuur) dat berust op het gedrag van gehydrateerde zwavelzuuraerosolen (H2SO4) door middel van condensatie- en verdampingsprocessen, wat beter overeenkomt met de snelle veranderingen die zijn waargenomen in de gegevens die met SOIR zijn verkregen. Dit mechanisme suggereert dat aerosolen gevormd worden op hoogtes net boven de wolken waar de temperatuur onder het dauwpunt van het zwavelwater komt. Rekening houdend met het feit dat gedeuteriseerd water gemakkelijker condenseert dan zijn gehydrogeneerde tegenhanger, leidt het condensatieproces tot de vorming van deuteriumverrijkte aerosolen. Deze partikels stijgen dan naar grotere hoogtes, boven 100 km, waar de gemiddelde temperatuur met bijna 80°C stijgt, waardoor ze verdampen en een grotere fractie HDO vrijlaten dan H2O. Vervolgens wordt de damp ④ naar beneden getransporteerd, waardoor de cyclus sluit. Dit proces zou ook verantwoordelijk zijn voor de toename van zwavelhoudende stoffen, zoals zwaveldioxide (SO2) boven 90 km hoogte. Dit fenomeen werd in verschillende studies gerapporteerd, waaronder door onze onderzoeksgroep, maar bleef tot nu toe zonder verklaring.
De ontdekking beïnvloedt de mogelijke evolutie van de planeet
Samenvattend benadrukt onze studie twee belangrijke kernpunten. Ten eerste is een grondig begrip van variaties met de hoogte essentieel voor het lokaliseren van deuterium- en waterstofreservoirs in de atmosfeer van Venus, wat zal leiden tot een beter begrip van de geschiedenis van water op de planeet. Ten tweede heeft een toename in de HDO/H2O isotoopverhouding een impact op de ontsnappingssnelheden van waterstof en deuterium. Fotolyse van H2O en HDO op grotere hoogten leidt tot een verhoogde afgifte van deuterium, waardoor de langetermijnontwikkeling van de D/H-verhouding wordt beïnvloed. Als gevolg hiervan moedigen deze bevindingen aan om hoogte-afhankelijke processen op te nemen in modellen om nauwkeurige voorspellingen te doen over de D/H evolutie en om te herbeoordelen of het oude Venus natter of droger was dan eerder werd gedacht, en dus haar bewoonbaarheid in het verleden beïnvloedde.
Bron: Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie
