Figur 1 viser blandingsforholdet mellem SO2, OCS og SO i den mellemste atmosfære med et SO2-blandingsforhold på 3,0 ppm, som vi har valgt for vores standardmodel ved den nederste grænse (58 km), baseret på ref. 8 og 0,3 ppm for OCS, baseret på ref. 9. Profilerne for hastighederne for reaktionerne i Supplementary Table 1 er vist i figur Supplementary Fig. 1. Sammenligning af modellen med flere observationelle datasæt i større højder er også vist i Fig. 1. Som det fremgår (kurve a), er modellen i rimelig overensstemmelse med SO2-blandingsforholdene i 70 km højde i de første fire år (2006 til 2009) af VEx-målinger10. De beregnede værdier er lidt højere end interkvartilområdet og gennemsnittet af VEx-målingerne inden for ±20° bredde; men dataene indeholder et stort antal spidser, som det fremgår af forskellen mellem medianen og gennemsnittet af observationerne. Som en indikation af modellens følsomhed over for valget af SO2 ved den nedre grænse viser vi også sammenligningen mellem model og målinger med et SO2-blandingsforhold på 0,3 ppm ved den nedre grænse i supplerende fig. 2. Denne lavere grænsebetingelse kan også ses som en afspejling af de lavere SO2-blandingsforhold i toppen af skyerne fra begyndelsen af 2010 til 2014. De beregnede værdier ligger inden for interkvartilområdet og er ret tæt på gennemsnittet af VEx-målinger inden for ±20° breddegrad. Som det er tilfældet for den tidligere periode i optegnelserne, afviger gennemsnittet betydeligt fra medianen, fordi der findes et stort antal koncentrationsspidser, som er omkring tre størrelsesordener større end medianniveauerne.
Sammenligning af modellerede profiler af SO2, OCS og SO med observationer for SO2 = 3,0 ppm og OCS = 0,3 ppm ved 58 km, den nedre grænse for modellen. Modelprofilerne er vist som tynde gennemgående linjer: (blå) SO2, (grøn) OCS, (rød) SO. Datakilder: a SO2, interkvartilområde fra 2006 til 2009, diamant viser middelværdien af fordelingen, ref. 10; b SO2, ref. 11; c SO2, ref. 34 solobservation med 1-σ fejlbarrer; d SO2, ref. 12; e SO2, ref. 34 stjerneokkultation med 1-σ fejlbarrer; f OCS, ref. 35; g SO, ref. 11; h SO, ref. 14; i SO, ref. 13; j SO, ref. 12.
Modelleret SO2 (tynd gennemgående blå linje) er også i overensstemmelse med Hubble Space Telescope (HST)-data (streger b) fra ref. 11 og med den øvre grænse, der er afledt af jordbaserede submillimeterobservationer (streger d) fra ref. 12 fra 85 til 100 km og er i rimelig overensstemmelse med Spectroscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Venus/Solar Occultation at Infrared (SPICAV/SOIR)-målinger fra 90 til 100 km (kurve c) i ref. 13 indsamlet fra 2006 til 2014. Bemærk, at de SO2-blandingsforhold i det øvre niveau (kurve c), der er opnået af ref. 13 fra 2006 til 2009 har en tendens til at være højere end dem fra 2010 til 2014 på samme måde som SO2 observeret ved 70 km af ref. 10. Både jordbaseret submillimeter-spektroskopi12 og sol- og stjerneokultationer13 med én standardafvigelse (kurve c og e) viser højere SO2-blandingsforhold i store højder (z > ~85 km) sammenlignet med lavere højder. Der er to mulige kilder til SO2, der skal tages i betragtning i disse højder, nemlig meteoritablation og fotolyse af H2SO4. Vi har medtaget ablation af meteoritisk materiale, som er en meget lille kilde til S i Venus’ øvre atmosfære baseret på de nuværende estimater af meteorisk input14 og S-indhold15. Den beregnede profil af H2SO4 ligger inden for de grænser, der er fundet i ref. 16. Fotolyse af H2SO4 er også inkluderet baseret på beregninger af dets absorptionsspektrum i ref. 17, som gav bevis for eksistensen af en hale med lang bølgelængde, der øger fotolysehastigheden af H2SO4 væsentligt i den nuværende model.
Årsagerne til forskellene mellem observeret og beregnet SO2 og OCS for nogle af de datasæt, der er vist i Fig. 1, er ikke helt klare, men nogle af de gældende datasæt har det til fælles, at de er opnået på relativt korte tidsskalaer. SO2-optegnelserne i 70 km højde udviser en dramatisk rumlig og tidsmæssig variabilitet med SO2-blandingsforhold i ækvatorområdet, der spænder over tre størrelsesordener fra ppb- til ppm-niveauer. Data for nogle datasæt kan være blevet indsamlet i de korte perioder, hvor den vertikale transport var stærkt forøget sammenlignet med de her anvendte middelværdier. Undersøgelse af variabilitet i transporten som en kilde til variabilitet i blandingsforholdet mellem SO2 og OCS ligger uden for rammerne af denne artikel og kan bedst opnås ved hjælp af en flerdimensional model, der inkorporerer strålingsmæssige, kemiske og dynamiske feedbacks.
Rimelig god overensstemmelse mellem modelleret SO og Hubble Space Telescope-observationer af ref. 11 og den gennemsnitlige SO-rigdom bestemt af submillimeterobservationer af ref. 12 i større højder er fundet ved brug af en model med 3,0 ppm SO2 ved den nedre grænse. Større model-observationsforskelle findes for SO-blandingsforholdene observeret af ref. 18 og ref. 19 under en højde på ca. 80 km. I reference 18 konkluderes det, at IUE-data passer bedst med et SO-blandingsforhold på 20 ± 10 ppb over ~70 km uden SO under denne højde; ref. 19 udledte en bedste tilpasning til deres data med et konstant blandingsforhold af SO på 12 ± 5 ppb for z ≥ 64 km og et kraftigt faldende fald under 64 km. Som det fremgår af Fig. 1, er vores beregnede blandingsforhold af SO 0,14 ppb i 64 km højde og stiger med højden. Som det også fremgår af Fig. 1, er vores beregnede blandingsforhold for SO ~1 ppb ved 70 km.
De SO2-profiler, der er vist i Supplerende Fig. 2 (gennemgående blå linje), som er beregnet ved hjælp af 0,3 ppm ved den nedre grænse, underprædikterer konsekvent observationerne i større højde. Som det fremgår af Supplerende Fig. 2, fører et blandingsforhold på 0,3 ppm for SO2 anvendt ved den nedre grænse til et SO-blandingsforhold, der er lidt for lavt i forhold til observationerne (streger g, h, i, j). En stor del af uoverensstemmelsen kan dog simpelthen skyldes de sparsomme observationer af SO, som ikke er i stand til at fange omfanget af den rumlige og tidsmæssige variabilitet, som det var muligt for SO2.
Blandingsforholdet for de tre isomerer af (SO)2, c-(SO)2, t-(SO)2 og r-(SO)2, er vist i Fig. 2a. Vores værdier er i overensstemmelse med modellen i ref. 3, men er langt lavere end de værdier, der er beregnet af ref. 4, især i det afgørende lag under 70 km. Årsagen er, at ref. 4 fastsatte blandingsforholdet af SO til 12 ppb ved 64 km på grundlag af modellen i ref. 19, mens den blev sænket til 3 ppb ved 70 ppb baseret på ref. 12 og derefter øger det til 150 ppb ved 96 km baseret på ref. 20. Den højdeprofil for SO, der er udledt af ref. 19 bør revurderes i forbindelse med formen af den modellerede profil, som viser en stigning i blandingsforholdet af SO med højden. Dette er en mere sandsynlig form for SO-blandingsforholdsprofilen baseret på målinger fra ref. 11, ref. 12 og den nuværende forståelse af fotokemi. Man skal også huske på, at forholdene på Venus er meget rumligt og tidsmæssigt variable, så kortvarige målinger repræsenterer måske ikke forholdene på andre tidspunkter. Blandingsforholdene for Sn (n = 1-7) er vist i fig. 2b og SnO (n = 2-4) er vist i fig. 2c.
a Modellerede profiler for cis-(SO)2, trans-(SO)2 og trigonal-(SO)2. b Modellerede profiler for Sn-arter. c Modellerede profiler for S2O, S3O og S4O. d Sammenligning af produktion af aerosol-S og genanvendelse af S tilbage til SO.
Der er konkurrence mellem produktion af reduceret aerosol og genanvendelse af oxideret S. Det fremgår tydeligt af fig. 2d, at reaktionen S + O2 → SO + O er den primære sænkning for S i hele modelområdet, undtagen i nogle få tynde lag i ca. 64 km og derunder. Dette viser, hvor vanskeligt det er at producere Sn via S-atomer, som hurtigt omdannes til SO i tilstedeværelse af O2. I vores nuværende model involverer produktionen af S2 ikke direkte S-atomer, da den stammer fra alternative veje, der involverer SO-dimer-fotokemi, og som det ses nedenfor fra katalytiske cyklusser, der involverer Cl, hvorved den hurtige genanvendelse af S til SO med O2 omgås. Følsomhedsundersøgelser udført ved at variere hastighedskoefficienterne i Supplerende tabel 1 ensartet opad og nedad med en faktor ti viser, at artskoncentrationerne typisk ligger inden for en faktor to af deres værdier vist i Supplerende tabel 1.
Cl har vist sig at lette stabiliteten af CO21,22,23 Cl udøver også en stærk indflydelse på produktionen af Sx. Søjleproduktionshastigheden af aerosol (på S-basis) er 8,3 × 1011 cm-2 s-1 i vores standardmodel (SO2 = 3,0 ppm, HCl = 0,4 ppm), men den er reduceret til 6,4 × 1011 cm-2 s-1 for HCl = 0,2 ppm. Ved det lavere SO2-blandingsforhold (SO2 = 0,3 ppm), der er anvendt ved 58 km, er resultaterne endnu mere dramatiske. Produktion af aerosol i søjlen falder fra 2,9 × 1011 cm-2 s-1 til 1,1 × 1011 cm-2 s-1 ved et fald i HCl-blandingsforholdet fra 0,4 til 0,2 ppm. Selv om ændringerne i de vigtigste arter som SO2 i forbindelse med ændringer i HCl er relativt små, ses der ændringer i størrelsesordenen af S- og Cl-S-arter. Denne stærke følsomhed skyldes til dels, at Cl-reaktioner udtømmer O2, den vigtigste S-substans, gennem rekombination af CO2. Dette svarer til det, der blev fundet for produktion af S2 via chlorosulfaner24.
Der er en række spændende ledetråde, der forbinder SO2-fotokemi med den ukendte absorber. Som vist i Fig. 2d forekommer den maksimale produktionshastighed af absorberende aerosol i vores model i den nederste halvdel af det øverste skydække, men en mærkbar udtynding af SO2 forekommer kun i større højder. Vores resultater er i overensstemmelse med VEx-observationer, der viser en omvendt sammenhæng mellem SO2 i 70 km højde og UV-absorption ved 250 nm10 , som vist i Fig. 3. Datapunkterne i Fig. 3 er opnået fra de tidstrin mod ligevægt ved kørsel af vores model og er beregnet til at give en indikation af, om modellens produktionshastighed af absorberende aerosol er tilstrækkelig. Tætheden af Sx viser sig at være negativt korreleret med det lokale SO2-blandingsforhold, hvilket er i overensstemmelse med observationerne i ref. 10. Som nævnt i ref. 25 er UV-absorbentens levetid imidlertid meget længere end SO2’s, og som følge heraf påvirkes forholdet mellem deres hyppigheder stærkt af transiente atmosfæriske dynamikker, især konvektiv aktivitet. Opadgående transport i den opadgående gren af Hadley-cellen kan bringe absorberstoffet opad fra det sted, hvor det er dannet i den nederste halvdel af det øverste skydække. Sådanne hændelser vil reducere styrken af en eventuel korrelation mellem SO2 og Sx. Da vores endimensionale model er beregnet til at simulere gennemsnitlige forhold på lave breddegrader, kan den ikke omfatte hele det område af forhold, som Venus Express har taget prøver af. Den kan derfor ikke simulere SO2’s og UV-absorberens adfærd under transport mod polerne; en detaljeret simulering af deres breddeadfærd kræver en to- eller tredimensionel model.
Spredningsdiagram, der viser imaginært brydningsindeks ved 250 nm versus SO2 ved 70 km fra Venus Express10 (blå prikker) sammenlignet med spredningsdiagrammet af Sx versus SO2 ved 70 km (røde diamanter) og 72 km (grønne prikker), der er opnået fra vores model. Blandingsforholdene for Sx i vores model er ganget med 2 × 105 for at kunne sammenlignes med det imaginære brydningsindeks, der stammer fra ref. 10.