Венера выглядит довольно однообразно в обычном видимом свете: плотный слой облаков придаёт планете бледно-жёлтый оттенок и практически скрывает её поверхность. Но если посмотреть на Венеру в ультрафиолетовом диапазоне, картина становится совершенно другой. На диске планеты появляются контрастные тёмные и светлые области, причём их структура со временем меняется вместе с движением верхнего облачного слоя.
Астрономы наблюдают это явление уже около ста лет, но до сих пор не знают, какое именно вещество поглощает ультрафиолетовое излучение. Теперь исследователи использовали наблюдения Венеры и модель переноса излучения, чтобы определить не столько химическое название загадочного вещества, сколько его необходимые физические свойства. Результат оказался неожиданным: если неизвестный поглотитель действительно находится внутри капель венерианских облаков, жидкость, из которой состоят эти капли, должна поглощать свет чрезвычайно эффективно.
Модель показывает особенно сильное поглощение около длины волны 375 нанометров и его резкое ослабление к 455 нанометрам. Такие свойства трудно согласовать со многими неорганическими соединениями. Некоторые органические молекулы теоретически способны обеспечить необходимое поглощение, однако и здесь возникает серьёзная проблема: они должны сохранять достаточно определённую химическую структуру в чрезвычайно агрессивной среде венерианских облаков.
При этом исследование не обнаружило органическое вещество непосредственно и тем более не обнаружило признаки жизни. Учёные получили количественные ограничения, которым должен соответствовать любой кандидат на роль поглотителя — органический или неорганический.
Почему Венера выглядит совершенно по-разному в видимом и ультрафиолетовом свете
В обычных условиях Венера отражает значительную часть солнечного света своими плотными облаками. Для наблюдателя с Земли это делает планету сравнительно однородной и яркой.
Однако ультрафиолетовые изображения показывают другую сторону венерианской атмосферы. На фоне облаков появляются крупномасштабные тёмные структуры, которые могут занимать значительные области диска. Они не являются постоянными образованиями: их форма и интенсивность меняются со временем.
Наблюдения показывают, что эти структуры связаны с верхним облачным слоем, который совершает так называемую суперротацию. Атмосфера Венеры вращается вокруг планеты намного быстрее, чем сама твёрдая поверхность. Верхний облачный слой совершает полный оборот примерно за четыре земных дня. Ультрафиолетовые полосы и пятна перемещаются вместе с этой атмосферной циркуляцией.
Именно поэтому речь идёт не просто о необычной окраске планеты. Ультрафиолетовый рисунок является проявлением процессов, происходящих непосредственно в атмосфере.
Загадка существует почти столетие
Высококонтрастные структуры в ультрафиолете начали изучать ещё в 1920-х годах. С тех пор было предложено множество вариантов объяснения, однако ни один кандидат пока не смог одновременно воспроизвести все особенности наблюдаемого спектра и поведения облаков.
Задача осложняется тем, что астрономы наблюдают не отдельное вещество в лабораторной колбе, а свет, прошедший через сложную атмосферу Венеры и рассеянный множеством аэрозольных частиц.
Поэтому яркость тёмного участка на ультрафиолетовом изображении нельзя напрямую перевести в концентрацию конкретного химического соединения. Необходимо учитывать одновременно поглощение и рассеяние света, состав атмосферы, размеры капель и их распределение по высоте.
Именно эту проблему и попытались решить с помощью новой модели.
Венерианские облака работают не как обычная жидкость
Главная идея исследования связана с различием между оптическими свойствами жидкости и множества очень маленьких капель этой же жидкости.
Облако состоит не из сплошного слоя жидкости. В нём находятся многочисленные аэрозольные частицы, а солнечный свет многократно рассеивается на границах между жидкостью и окружающим газом. Поэтому облако может выглядеть значительно светлее, чем вещество, из которого состоят его отдельные частицы.
Подобный эффект хорошо знаком по земным аэрозолям. Мелкие частицы эффективно рассеивают свет, из-за чего облако или дым могут выглядеть белыми или светлыми. Если же собрать материал в достаточно плотную массу, его внешний вид может радикально измениться.
С венерианскими облаками происходит нечто подобное. Их бледно-жёлтый внешний вид не означает, что жидкость внутри капель сама по себе слабо поглощает свет. Напротив, расчёты показывают, что после учёта рассеяния жидкая составляющая должна обладать очень сильным поглощением в ультрафиолетовой и синей части спектра.
Почему нельзя просто сравнить цвет Венеры с цветом вещества
Если смотреть на планету издалека, наблюдатель видит результат взаимодействия солнечного света сразу с огромным количеством частиц. Часть фотонов рассеивается обратно в космос, часть поглощается, а часть проходит дальше.
В лаборатории же спектрометр может исследовать уже практически однородную жидкость или раствор. Оптические условия в этих двух случаях принципиально различаются.
Поэтому исследователи сначала взяли наблюдаемое отражение Венеры, а затем математически отделили влияние рассеяния и других известных атмосферных процессов. После этого они смогли оценить, насколько сильно должна поглощать свет сама жидкость внутри облачных капель.
Это позволило перевести астрономическое наблюдение в величину, которую можно сравнивать с лабораторными измерениями различных химических веществ.
Насколько сильным должен быть загадочный поглотитель
Расчёты проводились для диапазона примерно от 365 до 455 нанометров. Максимальное требуемое поглощение оказалось около 375 нанометров.
Полученная оценка коэффициента поглощения составляет примерно 1278 см⁻¹. Это исключительно высокая величина. Она означает, что вещество внутри капель должно либо чрезвычайно эффективно поглощать соответствующее излучение, либо присутствовать в достаточно высокой концентрации, либо сочетать оба свойства.
Особенно важна не только величина максимума, но и форма спектра. После примерно 375 нанометров поглощение должно довольно быстро снижаться и к 455 нанометрам становиться намного слабее — модель даёт значение менее 54 см⁻¹.
Таким образом, речь идёт не о веществе, которое просто делает венерианские облака «тёмными». Оно должно обладать довольно специфическими оптическими свойствами: очень эффективно поглощать излучение в определённом диапазоне и значительно слабее поглощать его при более длинных волнах.
Что означает высокая эффективность поглощения
Для химиков такая характеристика является важной подсказкой. Если молекула сама по себе очень эффективно поглощает свет, для получения наблюдаемого эффекта требуется сравнительно небольшое количество вещества. Если же отдельная молекула поглощает слабо, необходима гораздо большая концентрация.
Именно поэтому новое исследование позволяет отбрасывать некоторые варианты. Даже если определённое вещество способно поглощать ультрафиолет, оно может оказаться практически непригодным в качестве объяснения венерианского поглотителя, если для получения наблюдаемого эффекта его потребовалось бы слишком много.
Это существенно сужает круг физически реалистичных кандидатов.
Почему неорганические вещества сталкиваются с проблемой концентрации
За десятилетия исследований Венеры было предложено множество неорганических соединений, способных участвовать в поглощении ультрафиолетового света.
Среди рассматривавшихся вариантов были различные соединения серы и железа, а также другие компоненты сложной химии венерианской атмосферы. Некоторые из них действительно обладают способностью поглощать ультрафиолетовое излучение.
Однако новая модель предъявляет к ним гораздо более жёсткое требование. Чтобы объяснить наблюдаемую интенсивность поглощения, многие неорганические соединения должны были бы присутствовать в облачных аэрозолях в очень высокой концентрации.
Для типичных неорганических поглотителей с относительно небольшими молекулярными коэффициентами поглощения проблема заключается именно в количестве. Даже если вещество присутствует в облаках, его может быть недостаточно для воспроизведения наблюдаемого ультрафиолетового контраста. Авторы подчёркивают, что некоторые неорганические кандидаты должны были бы составлять значительную часть аэрозольной фазы, что создаёт проблемы при сопоставлении с другими моделями облаков.
Это не означает, что все неорганические варианты исключены. Исследование показывает, что они должны удовлетворять одновременно требованиям к способности поглощать свет, концентрации и распределению вещества в атмосфере.
Органические молекулы подходят лучше, но возникает новая проблема
После оценки неорганических кандидатов внимание естественным образом обращается на органические соединения.
Здесь термин «органический» имеет строго химическое значение. Речь идёт о соединениях на основе углерода, а не о веществах биологического происхождения.
Некоторые сложные органические молекулы обладают очень сильным поглощением ультрафиолетового и синего света. Поэтому с точки зрения одной только оптики они способны воспроизвести требуемый эффект при гораздо более реалистичных концентрациях.
Для молекул, обладающих свойствами, характерными для некоторых порфириноподобных пигментов, расчёты дают концентрацию порядка 12 граммов на литр. Это существенно более реалистичный вариант по сравнению с необходимыми концентрациями многих слабых неорганических поглотителей.
Но именно здесь возникает следующая сложность: венерианские облака состоят преимущественно из концентрированной серной кислоты, а такая среда крайне агрессивна для многих органических соединений.
Органическое вещество не обязательно останется исходной молекулой
В лабораторных экспериментах простые органические вещества при взаимодействии с концентрированной серной кислотой могут претерпевать сложные химические превращения.
Вместо исходных соединений постепенно образуются более сложные смеси продуктов, которые становятся тёмными и могут приобретать свойства, напоминающие смолистое или «дёгтеобразное» вещество.
На первый взгляд это кажется удобным объяснением тёмных ультрафиолетовых областей Венеры. Но спектр поглощения создаёт серьёзную проблему.
Такие сложные смеси способны поглощать свет в широком диапазоне, в том числе в видимой части спектра. Если бы венерианский поглотитель представлял собой обычную смесь подобных продуктов, ожидалось бы более широкое и плавное поглощение.
Наблюдения требуют другого поведения: очень сильного поглощения около 375 нанометров с достаточно резким ослаблением к 455 нанометрам.
Загадочный поглотитель должен быть химически необычным
Именно форма спектра стала одним из наиболее важных результатов работы.
Если органические соединения действительно ответственны за ультрафиолетовый поглотитель, они должны каким-то образом сохранять определённую структуру либо находиться в химическом равновесии, которое препятствует их дальнейшему превращению в широкую смесь тёмных продуктов.
Иными словами, недостаточно найти любое органическое вещество, способное поглощать ультрафиолет. Оно должно одновременно выдерживать химические условия венерианских облаков и сохранять нужный спектр поглощения.
Это значительно более жёсткое требование.
Исследователи поэтому не называют конкретную молекулу. Полученные результаты позволяют говорить о классе оптически подходящих соединений, но не дают возможности уверенно определить их химическую формулу или происхождение.
Почему порфирины не являются найденным веществом
В исследовании используются порфириноподобные соединения в качестве примеров чрезвычайно эффективных поглотителей света. Их свойства помогают показать, какая концентрация сильного органического поглотителя могла бы потребоваться.
Но это не означает, что в облаках Венеры обнаружены порфирины.
Тем более нельзя говорить, что загадочный поглотитель — это хлорофилл или гемоглобин. Такие вещества могут использоваться в качестве знакомых человеку примеров молекул с сильными полосами поглощения, но исследование не обнаружило их на Венере.
Авторы специально подчёркивают, что не предлагают какой-либо конкретный биологический пигмент в качестве решения загадки.
Почему эта работа не является доказательством жизни на Венере
Ультрафиолетовый поглотитель Венеры давно привлекает внимание специалистов по астробиологии. Причина очевидна: органические соединения являются важной частью химии жизни, а некоторые биологические пигменты очень эффективно поглощают свет.
Однако наличие органических молекул само по себе не свидетельствует о существовании жизни.
Органические соединения могут образовываться абиотически — без участия живых организмов. Более того, на Венере существует сложная фотохимия, способная производить и изменять углеродсодержащие вещества.
Поэтому даже если будущая миссия непосредственно обнаружит сложные органические соединения в облаках, это ещё не будет доказательством существования венерианских микроорганизмов.
Нынешнее исследование находится на ещё более раннем уровне: оно устанавливает, какими оптическими свойствами должен обладать неизвестный поглотитель. Его химическая природа пока не определена.
Что известно о самих облаках Венеры
Облачный слой Венеры представляет собой чрезвычайно сложную химическую систему. Основу капель составляет концентрированная серная кислота, а частицы распределены на разных высотах и имеют различные размеры.
Именно размеры частиц имеют большое значение для наблюдаемой яркости. Очень маленькие аэрозольные частицы эффективно рассеивают солнечное излучение, поэтому верхние облака могут выглядеть яркими даже в том случае, если содержащаяся в них жидкость сама по себе сильно поглощает свет.
Новая модель учитывает этот эффект. В расчётах предполагалось распределение частиц двух основных размерных мод в слое толщиной около 6 километров под верхней границей облаков, расположенной примерно на высоте 65 километров. Это одно из исходных допущений модели, а не прямое измерение структуры каждой отдельной капли.
Такой подход позволяет связать удалённые наблюдения планеты с физическими свойствами вещества внутри аэрозолей.
Как из изображения Венеры получили свойства вещества
Метод исследования особенно интересен тем, что учёные фактически провели виртуальный лабораторный эксперимент.
Сначала использовались наблюдения отражённого света Венеры. Затем модель учитывала процессы, которые изменяют этот свет до того, как он достигает телескопа: рассеяние на облачных каплях, рассеяние атмосферными молекулами и поглощение известными компонентами атмосферы.
После удаления этих эффектов оставалась информация о том, насколько сильно должна поглощать свет сама жидкая составляющая облаков, чтобы воспроизвести наблюдаемую картину.
Это не прямое химическое измерение. Астрономы не получили образец венерианских облаков и не поместили его в земной спектрометр. Они реконструировали необходимые оптические свойства вещества на основании дистанционных наблюдений и физической модели.
Именно поэтому результат следует воспринимать как ограничение для будущего поиска, а не как окончательную идентификацию.
Почему форма спектра может оказаться важнее самого максимума
Можно было бы предположить, что для определения вещества достаточно знать, насколько сильно оно поглощает ультрафиолет. Но этого недостаточно.
У разных молекул спектры поглощения имеют различную форму. Одни поглощают в широком диапазоне длин волн, другие имеют относительно узкие или выраженные полосы.
В случае Венеры наблюдается конкретная комбинация: сильное поглощение в ультрафиолетовой и синей области и быстрое ослабление к более длинным волнам.
Поэтому кандидат должен соответствовать не только общей степени поглощения, но и его спектральной форме.
Это значительно сокращает число возможных объяснений. Любое вещество, которое не воспроизводит форму наблюдаемого спектра, не может считаться удовлетворительным кандидатом независимо от того, насколько сильно оно поглощает ультрафиолет в целом.
Может ли поглотитель состоять сразу из нескольких веществ
Такая возможность не исключается.
Модель показывает свойства суммарного поглощения жидкости, поэтому в принципе один наблюдаемый спектр может быть результатом присутствия нескольких соединений, расположенных на разных высотах или смешанных в одной аэрозольной фазе.
Исследователи отмечают, что в атмосфере Венеры могут существовать разные поглотители, отвечающие за разные участки спектра. В частности, более коротковолновое поглощение и поглощение внутри облачного слоя не обязательно должны иметь одну и ту же химическую природу.
Это важное уточнение: термин «ультрафиолетовый поглотитель» не обязательно означает одну конкретную молекулу.
Вполне возможно, что наблюдаемая картина является результатом взаимодействия нескольких химических компонентов.
Почему окончательно решить загадку с Земли практически невозможно
Дистанционные наблюдения позволяют измерить отражённый свет, но не позволяют непосредственно взять пробу вещества.
Кроме того, венерианская атмосфера очень сложна. На наблюдаемый сигнал одновременно влияют состав газа, размеры аэрозольных частиц, их распределение по высоте, многократное рассеяние и химические реакции.
Поэтому несколько различных химических сценариев могут давать похожий внешний эффект. Даже очень подробная модель не может полностью заменить непосредственное измерение состава облачных частиц.
Именно поэтому будущие миссии имеют принципиальное значение.
Будущая миссия к Венере сможет проверить одну из главных гипотез
Для проверки органической природы поглотителя планируется использовать специальный прибор — автофлуоресцентный нефелометр, или AFN.
Его задача связана не просто с измерением яркости облаков. Прибор должен направлять лазерное излучение с длиной волны около 440 нанометров на частицы венерианских облаков и искать возникающее флуоресцентное излучение.
Некоторые сложные сопряжённые органические молекулы способны флуоресцировать при таком возбуждении. Согласно расчётам, сигнал около 500 нанометров должен находиться в относительно прозрачной части спектра венерианского поглотителя и поэтому может быть зарегистрирован прибором.
Если такой сигнал будет обнаружен, это станет сильным аргументом в пользу присутствия крупных сопряжённых органических молекул в облачных аэрозолях.
Что такой эксперимент не сможет доказать
Даже положительный результат не будет автоматически означать биологическое происхождение вещества.
Флуоресценция покажет наличие определённого класса химических соединений, но не сможет сама по себе определить, образовались они в результате биологических процессов или обычной атмосферной химии.
Для вывода о жизни потребовался бы гораздо более широкий набор независимых признаков.
Поэтому основная ценность будущего измерения заключается в возможности наконец проверить химическую гипотезу непосредственно в атмосфере Венеры.
Загадка Венеры стала одновременно уже и сложнее
Новая работа не определила загадочный ультрафиолетовый поглотитель, но существенно изменила условия поиска.
Теперь недостаточно сказать, что некое вещество должно просто «поглощать ультрафиолет». Оно должно быть чрезвычайно эффективным поглотителем, причём его спектр должен иметь характерную форму с максимумом около 375 нанометров и резким снижением поглощения к 455 нанометрам.
Если речь идёт об органическом соединении, оно должно сохранять подходящую структуру в концентрированной серной кислоте либо находиться в таком химическом равновесии, которое предотвращает превращение в широкую смесь тёмных продуктов. Если же поглотитель неорганический, его количество и оптическая эффективность должны быть совместимы с физическими моделями венерианских облаков.
Таким образом, неизвестное вещество теперь можно искать значительно более целенаправленно.
Что нового узнали о Венере благодаря этой загадке
Ультрафиолетовые полосы Венеры интересны не только сами по себе. Они являются своеобразным окном в химические и физические процессы её атмосферы.
Состав вещества, поглощающего солнечное излучение, связан с тем, как в атмосфере протекают фотохимические реакции. Его распределение по облачному слою может зависеть от циркуляции атмосферы, химических превращений и взаимодействия с солнечным излучением.
Поэтому идентификация поглотителя поможет не просто объяснить необычный внешний вид Венеры в ультрафиолете. Она позволит лучше понять химический цикл венерианских облаков и процессы, происходящие в одной из самых необычных атмосфер Солнечной системы.
Пока же наиболее надёжный вывод состоит в другом: вещество, ответственное за загадочные ультрафиолетовые области, должно обладать чрезвычайно сильным и специфическим поглощением света. Органические соединения являются одним из физически подходящих вариантов, но их присутствие ещё не доказано, а конкретная молекула не определена. Будущие непосредственные измерения в облаках Венеры должны проверить эти предположения и приблизить учёных к разгадке явления, которое наблюдается уже около ста лет.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
Интересный поглотитель, который ставит множество вопросов перед ученными. Думаю их решение принесет пользу.