Spectaculaire toename van de D/H-verhouding in de atmosfeer van Venus

Venus, de tweelingzus van de aarde, heeft zich anders ontwikkeld dan onze planeet

Venus is weliswaar even groot als de aarde, maar heeft extreme omstandigheden aan het oppervlak: een druk die bijna 100 keer hoger is en temperaturen rond de 460 °C.

Dikke wolken van zwavelzuur en water strekken zich uit over 45-65 km en de atmosfeer is meer dan 100.000 keer droger dan die van de aarde.

Onderzoek naar de waterisotopologen (H₂O en HDO) van Venus onthult de geschiedenis van het water op deze planeet.

Venus en de aarde hadden waarschijnlijk vergelijkbare HDO/H₂O-verhoudingen, maar de atmosfeer van Venus vertoont nu 120 keer hogere waarden, wat wijst op een verrijking met deuterium. Dit is het gevolg van fotolyse door de zon, waardoor watermoleculen in de bovenste atmosfeer worden afgebroken en waterstof (H) en deuterium (D) vrijkomen, waarbij het lichtere H gemakkelijker ontsnapt. Na verloop van tijd verhoogt dit proces de HDO/H₂O-verhouding van Venus.

Grote toename van H₂O en HDO in de bovenste mesosfeer gemeten door het Belgische instrument SOIR

Om de ontsnappingssnelheden van H en D te bepalen is het essentieel om waterisotopologen boven ~70 km (boven de wolken) te meten, waar ze door zonlicht worden afgebroken. Onze studie is de eerste die de H₂O- en HDO-verdeling in de mesosfeer van Venus tot 110 km in kaart brengt. We hebben gegevens geanalyseerd van de SOIR-spectrometer, gebouwd en geëxploiteerd door het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie. Dit instrument, aan boord van ESA's Venus Express, draaide van 2006 tot 2014 in een baan om de planeet.

Ons onderzoek bracht twee verrassingen aan het licht:

1. de H2O- en HDO-concentraties nemen tegen de verwachtingen in toe met de hoogte van 70 tot 110 km.
2. de HDO/H₂O-verhouding stijgt in dit bereik vertienvoudigd, tot meer dan 1500 keer het niveau in de oceanen op aarde vandaag.

Om deze bevindingen te verklaren, stellen we een nieuw mechanisme voor op basis van het gedrag van gehydrateerd zwavelzuuraerosol (H₂SO₄), in overeenstemming met SOIR-waarnemingen (zie de figuur voor de referentienummers).

1. Aerosolen vormen zich net boven de wolken wanneer de temperatuur onder het dauwpunt van gesulfureerd water daalt, waarbij bij voorkeur gedeuteriseerd water condenseert.
2. Deze deuteriumrijke aerosolen stijgen tot boven 100 km, waar
3. opwarming met ~80 °C verdamping veroorzaakt, waardoor meer HDO dan H₂O vrijkomt.
4. De damp daalt vervolgens weer naar beneden, waarmee de cyclus wordt voltooid.

Dit proces verklaart ook de waargenomen toename van zwavelverbindingen zoals SO₂ boven 90 km, waarvoor voorheen geen verklaring was.

De ontdekking heeft gevolgen voor de mogelijke evolutie van de planeet

Onze studie benadrukt twee belangrijke punten.

• Ten eerste is inzicht in hoogteverschillen cruciaal voor het identificeren van deuterium- en waterstofreservoirs, wat licht werpt op de watergeschiedenis van Venus.
• Ten tweede beïnvloedt de stijgende HDO/H₂O-verhouding de ontsnappingssnelheden van H en D, aangezien fotolyse op grotere hoogten de afgifte van deuterium verhoogt, waardoor de langetermijnverhouding tussen D en H verandert.

Deze bevindingen benadrukken de noodzaak van hoogteafhankelijke modellen om voorspellingen over de evolutie van D/H te verfijnen en opnieuw te beoordelen of de oude Venus natter of droger was, wat van invloed is op onze kennis over de bewoonbaarheid ervan in het verleden.

Referenties

• Mahieux A. et al., 2024. Unexpected increase of the deuterium to hydrogen ratio in the Venus mesosphere. Proceedings of the National Academy of Sciences. 121, e2401638121, doi:10.1073/pnas.2401638121.