8 دقیقه
خوانشی نو از دادههای قدیمی: آب در ابرهای زهره
بازنگری دادههای آرشیوی مأموریتهای فضایی با ابزارها و دیدگاه‌های مدرن به یکی از روشهای قدرتمند در علوم سیاره‌ای تبدیل شده است. تحلیل تازه‌ای که گروهی از پژوهشگران آمریکایی روی دادههای دهه 1970 مأموریت Pioneer Venus انجام داده‌اند، یکی از شگفت‌انگیزترین نتایج چند دهه اخیر را ارائه میدهد: آئروسل‌های ابرهای زهره مقدار قابل‌توجه‌تری آب دارند که به صورت ترکیبات هیدراته جذب شده‌اند؛ حالتی که پیش‌تر کمتر شناخته شده بود. این کشف تصویر ما از لایهٔ ابرهای زهره را به‌روز می‌کند و بلافاصله پیامدهایی برای شیمی جوی و بحث‌های جاری دربارهٔ امکان‌پذیری زیستپذیری در لایهٔ معتدل ابرهای زهره به همراه دارد.
زمینهٔ علمی: چرا ابرهای زهره اهمیت دارند
زهره اغلب به عنوان همتای زمین که راه اشتباهی رفته توصیف می‌شود: سیاره‌ای با اندازه و ترکیب جرم نزدیک به زمین، اما دچار پدیدهٔ گلخانه‌ای از کنترل خارج شده که جو غلیظِ CO2 و دماهای سطحی چنان بالا ایجاد کرده که سرب آب می‌شود. با این حال، بخش‌هایی از جو زهره—تقریباً بین ارتفاع‌های ۴۸ تا ۶۰ کیلومتر—دارای فشار و دماهایی هستند که با شرایط مشابه زمین همپوشانی دارند. این لایهٔ معتدل توجه اخترزیست‌شناسان و شیمی‌دانان جوی را جلب کرده؛ زیرا ابرهای آنجا ممکن است در سطح نظری، فضای شیمیایی مناسبی برای واکنشهای پیچیده یا حتی زیست‌شناسی میکروبی فراهم کنند.
در نگاه تاریخی، پارادایم غالب می‌گفت ابرهای زهره عمدتاً از قطرات اسید سولفوریک غلیظ تشکیل شده‌اند. اندازه‌گیری‌های دورسنجیِ بخار آب و گونه‌های گوگردی از وجود آب فقط به صورت آثار جزئی پشتیبانی می‌کردند. با این حال، اندازه‌گیری‌های درجا که توسط پروب‌های نزولی انجام شد و آئروسلها را مستقیم نمونهبرداری می‌کنند، میتوانند آبِ پیوندی یا ذراتی را آشکار کنند که طیف‌سنجی دوربرد ممکن است از دست بدهد. مقالهٔ جدید دقیقاً این تمایز را در نظر گرفته و دادههای طیف‌سنجی جرمی و کروماتوگراف گازی Pioneer Venus را دوباره بررسی کرده است تا نوعی تصویر کامل‌تر از محتوای آب در ابرها به دست دهد.
دادههای مأموریتی و روشهای بازتحلیل
مجموعه داده از دو ابزار روی Pioneer Venus Large Probe سرچشمه می‌گیرد: طیف‌سنج جرمی نوترالِ پروب بزرگ (LNMS) و کروماتوگراف گازیِ پروب بزرگ (LGC). هنگام نزول پروب از میان لایه‌های ابری، ورودی‌های ابزارها با بار آئروسل متراکم مواجه شدند. تیم‌های اولیه در دههٔ 1970 تغییرات ناگهانی و گذرای غلظت‌های گاز اندازه‌گیری‌شده—بهویژه افت ناگهانی و گذرای خوانش‌های CO2—را در ارتفاعات ورود به ابر ثبت کردند. آن نابهنجاری‌ها در لاگ‌ها ثبت شد اما تفسیر کامل و نهایی‌ای برایشان ارائه نگردید.
پژوهشگرانی به رهبری راکش موگول و سانجای لیمایه به دنبال تلِمتری اصلی رفتند که روی میکروفیلم در آرشیو هماهنگ دادههای علوم فضایی ناسا نگهداری می‌شد. پس از دیجیتایز کردن میکروفیلم و پردازش مجدد طیفهای خام با استفاده از دانش کالیبراسیون مدرن و مدلسازی تجزیهٔ حرارتی، آنها گرفتگی ورودی پروب را نه به‌عنوان یک خرابی بلکه به‌عنوان یک فرصت تلقی کردند. ابزارها عملاً مواد آئروسل را جمع‌آوری کردند که بعدها با گرم شدن پروب یا گرم‌شوندگی اصطکاکی ورودی تبخیر یا تجزیه شد و امضاهای آزادسازی گازِ مشخصی را در دماهای خاص تولید کرد. با همبستگیِ پیکهای آزادسازی گاز با دماهای تجزیه، تیم ماهیت شیمیایی فازهای آئروسل را شناسایی کرد.
آزادسازی حرارتی و اثر انگشت طیف‌سنجی جرمی
ویژگی‌های کلیدی آزادسازی حرارتی عبارت بودند از: آزادسازی‌های بزرگِ آب در حدود 185°C و 414°C؛ آزادسازی‌های قوی SO2 حوالی 215°C و بار دیگر نزدیک 397°C؛ و یک سیگنال همزمان از یون‌های آهن در زمان آزادسازی SO2 در دمای بالاتر. آزادسازی آب در دمای پایین‌تر به نمک‌ها و مواد معدنی هیدراته اشاره دارد (برای مثال، سولفات منیزیم هیدراته)، در حالی که نشانه‌های آب و آهن/ SO2 در دمای بالاتر با تجزیهٔ حرارتی سولفات فریک منطبق‌اند که به اکسیدهای آهن و اکسیدهای گوگرد تجزیه می‌شود.
با پردازش کمی سیگنال‌های LNMS و LGC، بازتحلیل برآورد می‌کند که در حدود 62٪ از جرم آئروسلها آب است که در هیدراتها پیوند خورده و نه بهصورت قطرات مایع آزاد. اسید سولفوریک کماکان حضور دارد—حدود 22٪ از جرم شناخته‌شده آئروسل در این مطالعه—اما سولفاتهای فریک و سولفاتهای حاوی آهن مرتبط ممکن است تقریباً 16٪ از جرم آئروسل را تشکیل دهند. این نسبت‌ها تصویر شیمیایی ابرهای زهره را از سلطهٔ تقریباً مطلقِ اسید سولفوریک به جمعیتی مخلوط از آئروسلها با فازهای هیدراتهٔ فراوان تغییر میدهد.
کشف‌ها و پیامدهای کلیدی
یک نتیجهٔ تعیین‌کننده این است که ابرهای زهره حاوی آب قابلتوجهی هستند، اما بخش زیادی از آن بهصورت شیمیایی در نمک‌ها و فازهای معدنی هیدراته ذخیره شده است. این نکته یک اختلاف دیرپا بین اندازه‌گیری‌های دورسنجی—که عمدتاً بخار آب را آشکار می‌کنند—و نتایج درجا از پروب‌ها را توضیح میدهد که جرم کل آئروسل را نمونهبرداری می‌کنند. طیف‌سنجی دوربرد محتوای کل آب را دست‌کم می‌گیرد، زیرا آبِ پیوندی در هیدراتها ویژگی‌های طیفی مشابه بخار آب یا قطرات مایع نشان نمیدهد.
از منظر شیمی جو، وجود سولفاتهای هیدراته و سولفاتهای حامل آهن نشاندهندهٔ شیمی آئروسل فعال است که توسط ورود گرد و غبار کیهانی، فوتوشیمی گوگرد و واکنشهای ناهمگن در محیط اسیدی ابر هدایت می‌شود. آشکار شدن آهن نشان میدهد مواد میکروسیارک‌ها درون لایهٔ ابر پردازش می‌شوند و با گونه‌های گوگرددار واکنش داده تا ذرات سولفاتِ فریک تولید کنند؛ فرآیندی که میتواند دینامیک شیمیایی و خواص اپتیکی ابرها را تغییر دهد.
از منظر اخترزیستی، بودجهٔ آبی بازنگری‌شده گفتگوها دربارهٔ زیستپذیری لایهٔ میانی ابر را دوباره باز می‌کند. هرچند محیط همچنان بسیار اسیدی و اکسیدکننده است، افزایش مقدار آب—حتی اگر بهصورت هیدراته باشد—برآوردها دربارهٔ محیط‌های موقت مایع میکروسکوپی، فازهای بافرکنندهٔ احتمالی و منابع انرژی و شیمیایی قابل‌دسترسی برای شیمی میکروبی فرضی را تغییر میدهد. مؤلفان تأکید می‌کنند که وجود آبِ بیشتر به‌تنهایی مدرکی بر زیستپذیری نیست؛ پی‌اچ، سطح اکسیدکنندهها و پایداری محیط‌های میکرو—محیطی عوامل کلیدی و محدودکننده باقی می‌مانند.
دیدگاه کارشناسان
«بازیابی و تفسیر مجدد دادههای Pioneer Venus نشان میدهد که آرشیوهای مأموریتی چقدر میتوانند ارزشمند باشند،» دکتر النا مارکز، شیمیدان جو در مؤسسه مطالعات سیاره‌ای، اظهار داشت. «کشف آئروسل‌های هیدراته نشان میدهد فرایندهای شیمیایی پویایی در لایهٔ ابر جریان دارد که ما دست‌کم گرفته بودیم. برای برنامه‌ریزان مأموریتها، این بدان معناست که ابزارهای آینده باید طراحی شوند تا بتوانند آبِ پیوندی و آزاد را تمییز دهند و به‌طور مستقیم مینرالوژی آئروسل را نمونهبرداری کنند.»
اظهارنظر دکتر مارکز درس عملی این مطالعه را برجسته می‌کند: دادههای به‌خوبی نگهداری شدهٔ تاریخی، هنگامی که با آزمایشهای هدفمند آزمایشگاهی و کارهای مدلسازی ترکیب شوند، میتوانند کشفیاتی هم‌رده با مأموریتهای جدید ارائه دهند و هزینه‌های علمی را به‌طور مؤثری افزایش دهند.
فناوری‌های مرتبط و افق‌های آینده
این بازتحلیل دلیل علمی قوی‌تری برای مأموریتهای آیندهٔ زهره فراهم می‌آورد که حامل جمعکنندههای آئروسل درجا، طیفسنجهای جرمی با رزولوشن بالا و آزمایشگاه‌های میکروآنالیتیک باشند که قادر به تشخیص مواد معدنی هیدراته و محتوای فلزات جزئی‌اند. ماموریت‌های برنامهریزیشده یا پیشنهادی مانند DAVINCI+, VERITAS، Venera-D و پلتفرم‌های بالونی مختلف میتوانند به‌طور مستقیم پیش‌بینی‌های جدید را با نمونهبرداری از آئروسلها در ارتفاعات و زمانهای محلی مختلف آزمایش کنند؛ داده‌ای که برای ارزیابی تنوع مکانی و زمانی ترکیب ابر ضروری است.
کارهای آزمایشگاهی که دماها و اسیدیته‌های ابر زهره را بازتولید می‌کنند نیز برای تأیید مسیرهای آزادسازی حرارتی و اعتبارسنجی شناسایی‌های معدنی از اثر انگشت‌های طیف‌سنجی جرمی ضروری خواهند بود. علاوه بر این، کارزارهای دورسنجی مداری که از کتابخانه‌های طیفی به‌روز استفاده کنند و نشانه‌های سولفاتهای هیدراته و فازهای حاوی آهن را شامل شوند، میتوانند به آشتی بین دادههای دورسنجی و درجا در مقیاس کره‌ای کمک کنند. ترکیب این رویکردها یک چارچوب چندوجهی ایجاد می‌کند که هم منبع و هم تکامل آئروسلها را بهتر روشن می‌سازد.
نتیجه‌گیری
بازنگری دادههای Pioneer Venus Large Probe نشان میدهد که آئروسل‌های ابرهای زهره از نظر شیمیایی پیچیده‌تر از آن چیزی هستند که پیش‌تر تصور می‌شد و بخش قابلتوجهی از جرم آنها توسط آبِ پیوندی در مواد معدنی و نمک‌های هیدراته تأمین می‌شود. در حالی که اسید سولفوریک همچنان یک مؤلفهٔ مهم است، کشف سولفاتهای فریک و فازهای هیدراته چشم‌انداز شیمی جوی را بازتعریف می‌کند و بر ارزیابی‌های زیستپذیری لایهٔ ابر تأثیر می‌گذارد. این پژوهش ارزش علمی دادههای آرشیوی را نشان میدهد و دلایل بیشتری برای انجام تحقیقات درجا و مأموریتهای هدفمند در زهره فراهم می‌آورد.
منبع: sciencealert
ارسال نظر