Таинственные облака Венеры могут скрывать исключительно сильный поглотитель света

Венера кажется бледно-жёлтой в видимом свете, но ультрафиолетовые снимки раскрывают драматические тёмные и светлые узоры, движущиеся вместе с верхними облаками серной кислоты. Учёные знают об этих отметинах примерно столетие, однако химическая природа материала, ответственного за них — так называемого «неизвестного поглотителя», — остаётся неразрешённой.

Международная исследовательская группа теперь установила новые количественные ограничения на свойства этого загадочного поглотителя. Объединив наблюдения Венеры с моделированием переноса излучения, исследователи оценили, насколько сильно жидкость внутри облачных капель Венеры должна поглощать свет, чтобы воспроизвести наблюдаемое ультрафиолетовое и синее отражение планеты.

Исследование, опубликованное в журнале Astrobiology, подошло к загадке с новой стороны. В нём использовалась модель, чтобы ответить на вопрос, поставленный ведущим автором доктором Яном Спачеком: если бы мы собрали облачные капли Венеры в спектрометрическую кювету, как выглядела бы переформированная объёмная жидкость?

Разница между тем, как выглядит облако, и тем, как выглядит его материал в собранном виде, может быть поразительной. Сигаретный дым, например, кажется белым, потому что его субмикрометровые частицы очень эффективно рассеивают свет. Но когда частицы дыма собирают в колбу, они образуют плотную суспензию сгоревшего табака — смолистую грязь. Аналогичный оптический принцип применим и к облакам Венеры, поскольку распределение их частиц по размерам сопоставимо с таковым у сигаретного дыма. Таким образом, хотя облака и кажутся бледно-жёлтыми удалённому наблюдателю, жидкость, образующая облачные капли, может быть на удивление тёмной.

«Наша модель фактически спрашивает, что произошло бы, если бы мы могли собрать этот облачный материал в кювету и поместить его в лабораторный спектрометр, — сказал ведущий автор Ян Спачек из Фонда прикладной молекулярной эволюции, США. — Это важно, поскольку поглощение света в объёмной жидкости может быть связано с концентрацией светопоглощающего материала в растворе».

Исследователи объединили наблюдения Венеры с моделью переноса излучения, которая учитывает многократное рассеяние облачными каплями и атмосферными молекулами. Они перевели астрономические наблюдения в величину, routinely измеряемую в лабораторной ультрафиолетово-видимой спектроскопии: коэффициент поглощения объёмной облачной жидкости.

«Ключевой момент в том, что облачные частицы Венеры очень эффективно рассеивают солнечный свет, поэтому яркость, наблюдаемая из космоса, не может быть напрямую сопоставлена с поглощением объёмной жидкости, измеренным в лаборатории, — сказала доктор Ли Ён Джу из Группы планетных атмосфер Института фундаментальных наук (IBS), Южная Корея, которая выполнила расчёты модели переноса излучения в этом исследовании. — Учитывая рассеяние и поглощение облачными частицами и атмосферой, модель позволяет нам оценить, насколько сильно жидкость облачных капель сама должна поглощать свет».

В пределах моделируемого диапазона 365–455 нанометров требуемый десятичный коэффициент поглощения достигает приблизительно 1278 обратных сантиметров на длине волны 375 нанометров. Результат подразумевает, что неизвестный поглотитель должен либо поглощать свет очень эффективно, либо присутствовать в очень высокой концентрации, либо и то, и другое.

Высокопоглощающие сопряжённые органические молекулы могли бы удовлетворить это требование. Здесь «органический» относится к углеродсодержащим соединениям и не подразумевает биологического происхождения. Молекулы с силой светопоглощения, характерной для эффективных порфириноидных пигментов, потребовали бы концентраций порядка 10 граммов на литр. Авторы подчёркивают, что они не предлагают хлорофилл, гем или какой-либо конкретный биологический пигмент в качестве поглотителя на Венере; эти соединения служат лишь знакомыми примерами эффективных поглотителей света.

Форма спектра даёт ещё одно важное ограничение. Простые органические вещества, подвергнутые воздействию концентрированной серной кислоты, могут образовывать тёмные, химически сложные «смолистые» смеси. Однако такие сложные смеси, как правило, поглощают широко по всему видимому спектру, выглядя коричневыми или чёрными. Это не соответствует резкому снижению поглощения, выведенному для Венеры между 365 и 455 нанометрами.

«Если наблюдаемое поглощение света обусловлено сопряжённым органическим веществом, относительно резкий профиль поглощения согласуется с химически определённым поглотителем, который сопротивляется превращению в смолистую смесь, обычно наблюдаемую нами с органическими веществами, растворёнными в концентрированной серной кислоте», — сказал Спачек.

«Парадоксально, но, накладывая дополнительные ограничения на неизвестный поглотитель, мы, возможно, сделали загадку ещё более интригующей», — сказал Януш Ю. Петковский из Вроцлавского политехнического университета, Польша.

«Модель накладывает жёсткое ограничение на любой предлагаемый поглотитель, — сказал Пол Б. Риммер из Кембриджского университета, Великобритания. — Многие из предложенных неорганических кандидатов должны были бы присутствовать в очень высоких концентрациях, чтобы соответствовать требуемому поглощению».

Полученные результаты не показывают, что жизнь существует в облаках Венеры, и не демонстрируют, что поглотитель является органическим. Вместо этого исследование устанавливает количественные требования, которым должен удовлетворять любой кандидат — органический или неорганический, — включая эффективность поглощения, концентрацию, распределение в атмосфере и совместимость с реалистичным распределением облачных частиц по размерам.

Эти ограничения теперь можно проверить экспериментально и, в конечном счёте, путём прямого исследования. Инициатива «Миссии Утренней звезды» к Венере разрабатывает методы для исследования химии венерианских облаков на месте, включая поиск сложных органических молекул и измерения, relevant к неизвестному поглотителю. Автофлуоресцентный нефелометр, предназначенный для поиска флуоресценции в облачных частицах Венеры, которую мы ожидаем связать с органическими молекулами, планируется для миссии Rocket Lab к Венере.

Исследование связывает дистанционные наблюдения, лабораторную химию и будущие исследования в новой попытке решить одну из самых давних загадок Венеры.