8 Minutės
Naujas skaitymas iš senų duomenų: vanduo Veneros debesyse
Peržiūrėti archyvuotas kosminių aparatų matavimų duomenis dabar, naudojant modernias analizės priemones ir kitokią perspektyvą, tapo galingu planetologijos instrumentu. Nauja JAV tyrėjų atlikta 1970-ųjų Pioneer Venus zondų duomenų perdauginė analizė atskleidė vieną iš pastarųjų dešimtmečių netikėčiausių rezultatų: Veneros debesų aerosolai turi gerokai daugiau vandens, įfiksuoto ir surišto hidratuotose jungtyse, nei manyta anksčiau. Šis atradimas atnaujina mūsų supratimą apie Veneros debesis ir turi tiesioginių pasekmių atmosferos cheminių procesų modeliams bei diskusijoms apie galimą gyvybingumą vidutinio aukščio debesų sluoksnyje.
Mokslinis kontekstas: kodėl Veneros debesys yra svarbūs
Venera dažnai vaizduojama kaip Žemės dvynė, kuri nuklydo: panaši dydžiu ir bendru cheminiu sudėtimi, bet panirusi į nevaldomą šiltnamio efektą, kuris sukūrė tankią CO2 atmosferą ir paviršiaus temperatūras, pakankamai aukštas lydyti švino daleles. Vis dėlto tam tikri atmosferos sluoksniai — maždaug 48–60 km aukštyje — pasižymi slėgiais ir temperatūra, kurie iš dalies sutampa su Žemei pažįstamomis sąlygomis. Šis vidutinis temperatūros sluoksnis patraukė astrobiologų ir atmosferos chemikų dėmesį, nes debesyse galėtų susiformuoti cheminės nišos, galinčios palaikyti mikrobinę gyvybę arba bent jau sudėtingą organinę ir neorganinę cheminių procesų įvairovę.
Istoriškai dominuojantis paradigma teigė, kad Veneros debesys daugiausia susideda iš koncentruotų sieros rūgšties lašelių. Nuotolinis vandens garų ir sieros junginių stebėjimas palaikė atmosferą su tik minimaliniu skystinio vandens kiekiu. Tačiau in situ matavimai, atliekami krentančių zondų metu ir tiesiogiai imant aerosolų mėginius, gali atskleisti surištą arba dalelių pavidalo vandenį, kurio nuotolinė spektroskopija gali nepastebėti. Naujas tyrimas iš naujo peržiūri Pioneer Venus 'Large Probe' masių spektrometrijos ir dujų chromatografijos įrašus, turint galvoje būtent šį skirtumą tarp garų fazės ir surišto vandens aerosolų.
Misijos duomenys ir perdauginės analizės metodika
Duomenų rinkinys kilęs iš dviejų Pioneer Venus Large Probe instrumentų: Large Probe Neutral Mass Spectrometer (LNMS) ir Large Probe Gas Chromatograph (LGC). Zondui leidžiantis per debesų sluoksnius, įvadiniai instrumentų kanalai susidurdavo su dideliu aerosolų užterštumu. 1970-aisiais originalios komandos užfiksavo staigius, laikinus matuotų dujų koncentracijų svyravimus — ypač ryškų ir trumpalaikį CO2 signalų kritimą debesų įėjimo aukštyje. Tokie anomalūs įrašai buvo užfiksuoti, bet ne visada pilnai interpretuoti tuo metu.
Tyrėjų komanda, vadovaujama Rakesh Mogul ir Sanjay Limaye, surado originalią telemetriją, saugomą NASA Space Science Data Coordinated Archive mikrofilmuose. Po mikrofilmų skaitmeninimo ir žalių spektrų perdarbinimo taikant šiuolaikinius kalibravimo žinių sluoksnius bei terminio skaidymo (thermal-decomposition) modeliavimą, mokslininkai įtraukė užsikimšusių įvadų reiškinį ne kaip gedimą, o kaip galimybę. Instrumentai faktiškai surinko aerosolų medžiagą, kuri vėliau išgaravo arba termiškai suyra, kai zondas įšilo arba kai įvado sritis buvo įkaitinta trinties poveikio metu. Toks procesas sukūrė specifinius dujų paleidimo signalus tam tikrose temperatūrose. Koreliuodami dujų paleidimo piko temperatūras su žinomais skaidymo taškais, komanda identifikavo aerosolų fazių cheminę prigimtį.
Terminis išlaisvinimas ir masių spektrometrijos atspaudas
Pagrindiniai terminio išlaisvinimo momentai buvo: dideli vandens išsiskyrimai ~185°C ir ~414°C; stiprūs SO2 išmetimai apie 215°C ir vėl arti 397°C; taip pat sutampantis geležies jonų signalas prie aukštesnės temperatūros SO2 piko. Žemesnės temperatūros vandens išsiskyrimas rodo hidratus ir terrazinius druskų tipus (pavyzdžiui, hidratuotas magnio sulfatas), o aukštesnės temperatūros vandens ir geležies/SO2 signalai atitinka ferriško sulfato terminį suskaidymą, kai susidaro geležies oksidai ir sieros oksidai.
Taikant kiekybinį LNMS ir LGC signalų apdorojimą, perdauginė analizė rodo, kad maždaug 62% aerosolų masės gali būti vanduo, surištas hidratuotose fazėse, o ne laisvos skystos dalelės. Sieros rūgštis vis dar išlieka reikšminga sudedamąja dalimi — tyrime identifikuota apytiksliai 22% aerosolų masės kaip sieros rūgšties komponentas. Ferriškieji sulfatai ir kiti geležies turintys sulfatai galėtų sudaryti apie 16% aerosolų masės. Tokie santykiai pakeičia Veneros debesų cheminės sudėties vaizdą: nuo beveik vienareikšmės sieros rūgšties dominancijos prie mišrios aerosolų populiacijos, kurioje gausu hidratuotų fazių.
Esminiai atradimai ir pasekmės
Pati svarbiausia išvada yra ta, kad Veneros debesyse yra reikšmingas vandens kiekis, tačiau daugiausia jis yra cheminėse obliuotose (surištose) formose — hidratuotuose druskuose ir mineraluose. Tai paaiškina ilgai trunkančią neatitikimą tarp nuotolinių stebėjimų, kurie daugiausia fiksuoja garų fazės vandenį, ir in situ zondų matavimų, kurie imasi ir aerosolų masės. Nuotolinė spektroskopija sistemoje apribota: surištas vanduo hidratuotose mineralinėse fazėse nerodo tų pačių infraraudonųjų ar mikroviijų spektroskopinių parašų kaip laisvas vanduo ar skystos lašelės, todėl bendra vandens inventorizacija remiantis tik garų signalu yra nepilna.
Atmosferos chemijos požiūriu hidratuotų sulfatų ir geležies turinčių sulfatų buvimas reiškia aktyvią aerosolų cheminių transformacijų aplinką — šiuos procesus varo kosminio dulkių įplaukos, sieros fotochemijos reakcijos ir heterogeninės reakcijos stipriai rūgščioje debesų terpėje. Geležies aptikimas leidžia manyti, kad mikrometeorų medžiaga yra perdirbama debesų sluoksnyje ir reaguoja su sieros turinčiomis species, generuodama ferriškus sulfatinius dalelių agregatus ar sudėtis.
Astrobiologiniu aspektu atnaujintas vandens biudžetas vėl atveria diskusijas apie vidurinių debesų sluoksnių gyvybingumo potencialą. Nors aplinka išlieka ekstremaliai rūgšti ir oksiduojanti, padidintas vandens kiekis — net jei jis yra cheminėje, surištoje formoje — keičia įvertinimus dėl tranzitorinių skystų mikroaplinkų galimų formavimosi, buferinių fazių egzistavimo bei energetinių ir cheminių išteklių, kurie galėtų būti naudojami hipotetinei mikrobinei chemijai. Autoriai pabrėžia, kad vien vandens gausa neįrodo gyvybingumo; pH, oksidantų koncentracijos ir mikroaplinkų stabilumas lieka esminiai ribojantys veiksniai.
Ekspertų įžvalgos
"Atkurti ir reinterpretuoti Pioneer Venus duomenis parodo, kokia vertinga gali būti archyvuota misijų informacija," sakė dr. Elena Marquez, atmosferos chemikė iš Institute for Planetary Studies. "Hidratuotų aerosolų aptikimas rodo, kad debesų sluoksnyje vyksta dinamiški cheminiai procesai, kurių mes anksčiau neįvertinome. Misijų planuotojams tai reiškia, kad būsimuose zondų komplektuose reikėtų numatyti instrumentus, gebančius atskirti surištą ir laisvą vandenį, taip pat paimti ir tiesiogiai analizuoti aerosolų mineralogiją."
Dr. Marquez komentaras pabrėžia praktinę šio tyrimo pamoką: gerai išsaugoti archyviniai duomenys, kartu su tiksliniais laboratoriniais testais ir modeliavimu, gali duoti atradimus, prilygstančius naujoms misijoms. Išsaugojimo ir prieigos prie senų telemetrijos šaltinių svarba tampa aiški: mikrofilmų, skaitmeninių duomenų ir metaduomenų integravimas leidžia sujungti klasikinę misijų medžiagą su modernia analize.
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Ši perdauginė analizė sustiprina mokslinį argumentą naujoms Veneros misijoms, kurios turėtų gabenti pažangius in situ aerosolų surinkimo įrenginius, aukštos raiškos masių spektrometrus ir mikroanalitines laboratorijas, galinčias aptikti hidratuotus mineralus bei pėdsakines metalų koncentracijas. Planuojamos arba siūlomos misijos, tokios kaip DAVINCI+, VERITAS, Venera-D ir įvairios oro balionų platformos, gali tiesiogiai patikrinti pateiktas prognozes imdamos debesų aerosolus skirtinguose aukščiuose ir vietiniu laiku.
Laboratoriniai eksperimentai, atkuriantys Veneros debesų temperatūras ir didelę rūgštingumą, bus būtini patvirtinti terminio išlaisvinimo kelius bei patikslinti mineralų identifikacijas pagal masės spektrometrų atspaudus. Tokie bandymai gali imituoti zondų sąlygas ir atkurti terminius piko pasiskirstymus, kurie buvo užfiksuoti LNMS/LGC duomenyse. Be to, orbitinės nuotolinės stebėsenos kampanijos, pasinaudojančios atnaujintomis spektrinėmis bibliotekomis, įtraukančiomis hidratuotų sulfatų ir geležies turinčių fazių parašus, galėtų padėti suvienodinti nuotolinius ir in situ duomenis globalaus masto skalėje.
Technologijų požiūriu, ateities zondai turėtų apimti tokias priemones kaip naudoto granulės surinkėjai (aerosol impactors), laužomos mikrotennės (microtomy) ir lauko Raman spektrometrai, skirti mažoms dalelėms, taip pat laisvojo sukimosi (time-of-flight) masių spektrometrai, didelės raiškos dujų chromatografai ir netietinės analizės priemonės, pvz., mikro-XRD arba SEM-EDX, jei tokie instrumentai gali būti miniaturizuoti ir pritaikyti misijos sąlygoms. Kartu su oro balionais ar ilgalaikėmis plūduriuojančiomis platformomis, tokie komplektai galėtų suteikti aukštos kokybės vertikalius profilius, identifikuoti dienos-nakties skirtumus ir stebėti laikui bėgant kintančius cheminius procesus.
Išvada
Pioneer Venus Large Probe duomenų peržiūra parodo, kad Veneros debesų aerosolai yra cheminiai sudėtingesni nei manyta anksčiau: reikšminga dalis jų masės gali būti priskiriama vandeniui, įterptam hidratuotuose mineraluose ir druskose. Nors sieros rūgštis išlieka svarbi sudedamoji dalis, ferriškųjų sulfatų ir hidratuotų fazių aptikimas pakeičia atmosferos chemijos supratimą ir įtakoja debesų sluoksnio gyvybingumo vertinimus. Darbas taip pat pabrėžia archyvinių duomenų mokslinę vertę ir sustiprina argumentą dėl tikslaus, in situ imties ėmimo ir analizės įrašams, kurių reikės būsimoms Veneros misijoms.
Galutinė žinia yra dviguba: pirmiausia — senos misijos vis dar gali paslėpti svarbių atradimų, jei duomenys bus peržiūrėti moderniais metodais; antra — Veneros atmosferos tyrinėjimas turi pereiti prie platesnio cheminių fazių suvokimo, kuris atsižvelgia ne tik į garus ir lašelius, bet ir į sudėtingas hydratuotas ir mineralines aerosolų struktūras. Tai padidins mūsų gebėjimą prognozuoti cheminių reakcijų kelius, modeliuoti debesų apšvietimo ir temperatūros sąveikas ir objektyviau vertinti galimas biochemines sankaupas.
Praktiniu lygiu tai reiškia, kad ateities misijos į Venerą turėtų derinti aukštos kvalifikacijos instrumentų komplektus su laboratoriniais bandymais ant Žemės ir atnaujintomis spektrinėmis bibliotekomis. Toks integruotas požiūris leis geriau suprasti, kaip kosminė dulkė ir planetinė fotochemija formuoja aerosolų chemines savybes bei kaip šios savybės keičia Veneros vidutinio debesyno ekologinį ir cheminį potencialą.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą