新的分析表明硫云是怎样在金星的大气层中形成的

1974 年收集的归档水手 10 号数据的重新处理图像。这是使用橙色和紫外线过滤器分别为红色和蓝色通道创建的假彩色图像。 这些云层的高度约为 60 公里,图像显示了大气中存在一种未知的紫外线吸收剂,这是金星长期未解的谜团。 图片来源:NASA/JPL-Caltech

科学家们使用复杂的计算化学技术已经确定了硫粒子怎样在金星大气中形成的新途径。 这些结果可能有助于了解金星上神秘的紫外线吸收剂长期以来备受追捧的身份。

“我们知道金星的大气中有丰富的 SO2 和硫酸颗粒。我们预计 SO2 的紫外线破坏会产生硫颗粒。它们是从原子 S(硫)到 S2,然后是 S4,最后是 S8。但是这是怎么回事?进程启动,即S2怎样形成?” 行星科学研究所高级科学家詹姆斯莱昂斯说,他是自然通讯论文“金星大气中 S2 和多硫形成的光化学和热化学途径”的作者。

一种可能性是由两个硫原子形成 S2,即 S 和 S 的反应。然后 S2 和 S2 的分子可以结合形成 S4,依此类推。 硫粒子可以通过 S8 的凝聚或通过 S2、S4 和其他同素异形体的凝聚形成——元素可以存在的不同物理形式——然后重新排列形成凝聚的 S8。

“硫颗粒,以及我们更常见的黄色硫,主要由 S8 组成,它具有环状结构。环状结构使 S8 比其他同素异形体更稳定地抵抗紫外线的破坏。要形成 S8,我们可以从两个 S 原子开始制造 S2,或者我们可以通过另一种途径产生 S2,这就是我们在论文中所做的,”Lyons 说。

2 到 S8。 下标表示同素异形体中 S 原子的数量。 我们在此提出了形成 S2 的新途径。 在大气中存在S2的情况下,会产生S4和S8。 S8 是黄色硫磺的常见形式,可以在火山口附近看到或装在瓶子里。 硫的同素异形体 S3 和 S4 被认为是金星大气中神秘的紫外线吸收剂。 尽管关于吸收剂的身份尚未达成共识,但很可能涉及硫化学。 信用:图改编自 Jackson 等人,Chem。 Sci., 2016, 由英国皇家化学学会出版。”>
硫分子有多种形式,称为同素异形体,从 S2 到 S8。 下标表示同素异形体中 S 原子的数量。 我们在这里提出了形成 S2 的新途径。 在大气中存在 S2 时,会产生 S4 和 S8。 S8 是黄色硫磺的常见形式,可以在火山口附近看到或装在瓶子里。 硫的同素异形体 S3 和 S4 被认为是金星大气中神秘的紫外线吸收剂。 尽管关于吸收剂的身份尚未达成共识,但很可能涉及硫化学。 信用:图改编自 Jackson 等人,Chem。 Sci., 2016, 由英国皇家化学学会出版。

“我们发现了一种形成 S2 的新途径,即一氧化硫 (SO) 和一氧化二硫 (S2O) 的反应,这比结合两个 S 原子生成 S2 要快得多,”Lyons 说。

“我们第一次使用计算化学技术来确定哪些反应最重要,而不是等待完成实验室测量或使用高度不准确的未研究反应速率估计。这是一种非常需要的新方法用于研究金星的大气层,”里昂斯说。 “人们不愿意去实验室测量由 S、氯 (Cl) 和氧 (O) 组成的分子的速率常数——这些化合物很难使用,有时甚至很危险。计算方法是最好的——而且确实唯一——替代。

计算方法用于计算速率常数并确定预期的反应产物。 这些是最先进的计算模型(我们称之为从头算模型)。 这些从头算计算是由来自西班牙和宾夕法尼亚大学的作者完成的。

“这项研究说明了 S2 和硫粒子形成的另一种途径。硫化学在金星的大气中占主导地位,很可能在神秘的紫外线吸收剂的形成中发挥关键作用。更一般地说,这项工作为使用分子 ab从头开始技术来解开金星的复杂化学,”里昂斯说。