La figura 1 presenta i rapporti di miscelazione di SO2, OCS e SO nell’atmosfera media utilizzando un rapporto di miscelazione SO2 di 3,0 ppm, che abbiamo adottato per il nostro modello standard al limite inferiore (58 km), basato su rif. 8 e 0,3 ppm per OCS, basato su rif. 9. I profili dei tassi delle reazioni nella Tabella 1 supplementare sono mostrati nella Figura 1 supplementare. Il confronto del modello con diversi set di dati osservativi a quote più elevate è anche mostrato in Fig. 1. Come si può vedere (curva a), il modello è in ragionevole accordo con SO2 rapporti di miscelazione a 70 km durante i primi quattro anni (2006 attraverso 2009) di misure VEx10. I valori calcolati sono leggermente superiori alla gamma interquartile e la media delle misure VEx entro ± 20 ° di latitudine, ma i dati includono un gran numero di picchi, come indicato dalla differenza tra le osservazioni mediana e media. Come indicazione della sensibilità del modello alla scelta della SO2 al limite inferiore, mostriamo anche il confronto modello-misura usando un rapporto di miscelazione SO2 di 0,3 ppm al limite inferiore nella Fig. 2 supplementare. Questa condizione di confine inferiore potrebbe anche essere vista come riflesso in qualche modo i rapporti di miscelazione SO2 più bassi in cima alle nuvole visti dall’inizio del 2010 al 2014. I valori calcolati sono all’interno dell’intervallo interquartile e sono abbastanza vicini alla media delle misurazioni VEx entro ± 20 ° di latitudine. Come nel caso del periodo precedente nel record, la media differisce significativamente dalla mediana a causa dell’esistenza di un gran numero di picchi di concentrazione, che sono circa tre ordini di grandezza superiori ai livelli mediani.
Confronto dei profili modellati di SO2, OCS e SO con le osservazioni per SO2 = 3,0 ppm e OCS = 0,3 ppm a 58 km, il limite inferiore del modello. I profili del modello sono mostrati come sottili linee solide: (blu) SO2, (verde) OCS, (rosso) SO. Fonti dei dati: a SO2, intervallo interquartile dal 2006 al 2009, il diamante mostra la media della distribuzione, rif. 10; b SO2, rif. 11; c SO2, rif. 34 occultazione solare con barre di errore 1-σ; d SO2, rif. 12; e SO2, rif. 34 occultazione stellare con barre di errore 1-σ; f OCS, rif. 35; g SO, rif. 11; h SO, rif. 14; i SO, rif. 13; j SO, rif. 12.
La SO2 modellata (sottile linea blu solida) è anche coerente con i dati Hubble Space Telescope (HST) (trattini b) di rif. 11 e con il limite superiore derivato da osservazioni submillimetriche a terra (trattini d) di rif. 12 da 85 a 100 km ed è in ragionevole accordo con Spectroscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Venus/Solar Occultation at Infrared (SPICAV/SOIR) misure da 90 a 100 km (curva c) di rif. 13 raccolte dal 2006 al 2014. Si noti che i rapporti di miscelazione SO2 di livello superiore (curva c) ottenuti da rif. 13 dal 2006 al 2009 tendono ad essere più alti di quelli dal 2010 al 2014 in un modo simile a SO2 osservato a 70 km da rif. 10. Sia a terra submillimetrica spettroscopia12 e solare e occultazioni stellari13 con una deviazione standard (curva c ed e) mostrano più alto rapporto di miscelazione SO2 ad alta quota (z > ~ 85 km) rispetto alle quote più basse. Ci sono due possibili fonti di SO2 da considerare a queste altitudini, ablazione di meteoriti e fotolisi di H2SO4. Abbiamo incluso l’ablazione di materiale meteoritico, che è una fonte molto minore di S nell’atmosfera superiore di Venere in base alle stime attuali dell’input meteorico14 e del contenuto di S15. Il profilo calcolato di H2SO4 è entro i limiti ottenuti da rif. 16. La fotolisi di H2SO4 è anche inclusa sulla base dei calcoli del suo spettro di assorbimento da rif. 17, che ha fornito la prova dell’esistenza di una coda a lunga lunghezza d’onda che aumenta sostanzialmente il tasso di fotolisi di H2SO4 nel modello attuale.
Le ragioni delle differenze tra SO2 e OCS osservati e calcolati per alcuni set di dati mostrati in Fig. 1 non sono del tutto chiare, ma alcuni dei set di dati applicabili hanno la caratteristica comune di essere stati ottenuti su scale di tempo relativamente brevi. Il record di SO2 a 70 km mostra una drammatica variabilità spaziale e temporale con rapporti di miscelazione di SO2 nella regione equatoriale che vanno da tre ordini di grandezza da ppb a livelli di ppm. I dati per alcuni set di dati potrebbero essere stati ottenuti durante i brevi periodi in cui il trasporto verticale era notevolmente aumentato rispetto ai valori medi qui utilizzati. Esaminare la variabilità nel trasporto come fonte di variabilità nei rapporti di miscelazione di SO2 e OCS è al di là dello scopo di questo documento ed è meglio realizzato utilizzando un modello multidimensionale che incorpora feedback radiativi, chimici e dinamici.
Un accordo ragionevolmente buono di SO modellato con osservazioni Hubble Space Telescope di rif. 11 e l’abbondanza media di SO determinata dalle osservazioni submillimetriche di rif. 12 ad altitudini più elevate si trova utilizzando un modello con 3,0 ppm SO2 al limite inferiore. Differenze più grandi modello-osservazione si trovano per i rapporti di miscelazione SO osservati da rif. 18 e rif. 19 sotto un’altitudine di circa 80 km. Rif. 18 ha concluso che i dati IUE sono stati meglio adattati con un rapporto di miscelazione SO di 20 ± 10 ppb sopra ~ 70 km senza SO sotto quella quota; rif. 19 ha derivato un miglior adattamento ai loro dati con un rapporto di miscelazione costante di SO di 12 ± 5 ppb per z ≥ 64 km e cadendo bruscamente sotto i 64 km. Come si può vedere dalla Fig. 1, il nostro rapporto di miscelazione calcolato di SO è 0,14 ppb a 64 km, aumentando con l’altezza. Come si può anche vedere dalla Fig. 1, il nostro rapporto di miscelazione calcolato di SO è ~ 1 ppb a 70 km.
I profili SO2 mostrati in Fig. 2 supplementare (linea blu solida) calcolati utilizzando 0,3 ppm al limite inferiore costantemente sottopredicono le osservazioni di altitudine superiore. Come si vede nella Fig. 2 supplementare, un rapporto di miscelazione di 0,3 ppm per SO2 applicato al confine inferiore porta ad un rapporto di miscelazione SO che è leggermente troppo basso rispetto alle osservazioni (trattini g, h, i, j). Tuttavia, gran parte del disaccordo può essere semplicemente dovuto alla natura scarsa delle osservazioni di SO che non sono in grado di catturare l’estensione della variabilità spaziale e temporale come è stato possibile per SO2.
I rapporti di miscelazione dei tre isomeri di (SO)2, c-(SO)2, t-(SO)2, e r-(SO)2, sono mostrati in Fig. 2a. I nostri valori sono coerenti con il modello di rif. 3 ma sono molto più bassi di quelli calcolati da rif. 4, in particolare nello strato cruciale sotto i 70 km. La ragione è che rif. 4 ha fissato il rapporto di miscelazione di SO a 12 ppb a 64 km sulla base del modello di rif. 19 mentre lo diminuisce a 3 ppb a 70 ppb sulla base delle osservazioni a microonde di rif. 12 e poi aumentandolo a 150 ppb a 96 km sulla base di rif. 20. Il profilo di altitudine di SO derivato da rif. 19 dovrebbe essere rivalutato nel contesto della forma del profilo modellato, che mostra un aumento del rapporto di miscelazione di SO con l’altezza. Questa è una forma più probabile per il profilo del rapporto di miscelazione SO basato sulle misure di rif. 11, rif. 12 e sulla comprensione attuale della fotochimica. Si deve anche tenere a mente che le condizioni su Venere sono altamente variabili spazialmente e temporalmente, quindi le misurazioni a breve termine potrebbero non rappresentare le condizioni in altri momenti. I rapporti di miscelazione di Sn (n = 1-7) sono mostrati in Fig. 2b e SnO (n = 2-4) sono mostrati in Fig. 2c.
a Profili modellati di cis-(SO)2, trans-(SO)2, e trigonale-(SO)2. b Profili modellati di specie Sn. c Profili modellati di S2O, S3O e S4O. d Confronto della produzione di aerosol S rispetto al riciclaggio di S di nuovo a SO.
C’è competizione tra la produzione di aerosol ridotto e il riciclaggio di S ossidato. È chiaro dalla Fig. 2d, che la reazione, S + O2 → SO + O, è il sink primario per S in tutto il dominio di modellazione, tranne in pochi strati sottili a circa 64 km e sotto. Questo dimostra la difficoltà di produrre Sn attraverso gli atomi di S, che sono rapidamente convertiti in SO in presenza di O2. Nel nostro modello attuale, la produzione di S2 non coinvolge direttamente gli atomi di S, in quanto deriva da percorsi alternativi che coinvolgono la fotochimica dei dimeri di SO e, come visto in seguito, da cicli catalitici che coinvolgono Cl, aggirando così il rapido riciclo di S in SO da parte di O2. Studi di sensibilità condotti variando i coefficienti di tasso nella tabella 1 in modo uniforme verso l’alto e verso il basso di un fattore dieci indicano che le concentrazioni di specie sono tipicamente entro un fattore due dei loro valori mostrati nella tabella 1.
Cl ha dimostrato di facilitare la stabilità di CO21,22,23 Cl esercita anche una forte influenza sulla produzione di Sx. Il tasso di produzione in colonna di aerosol (su base S) è 8,3 × 1011 cm-2 s-1 nel nostro modello standard (SO2 = 3,0 ppm, HCl = 0,4 ppm) ma si riduce a 6,4 × 1011cm-2 s-1 per HCl = 0,2 ppm. Al più basso rapporto di miscelazione SO2 (SO2 = 0,3 ppm) utilizzato a 58 km, i risultati sono ancora più drammatici. I tassi di produzione in colonna di aerosol scendono da 2,9 × 1011 cm-2 s-1 a 1,1 × 1011 cm-2 s-1 per una diminuzione del rapporto di miscelazione HCl da 0,4 a 0,2 ppm. Anche se i cambiamenti nelle specie principali come l’SO2 associati ai cambiamenti di HCl sono relativamente minori, i cambiamenti di ordine di grandezza nelle specie S e Cl-S sono visti. Questa forte sensibilità deriva in parte dalle reazioni di Cl che impoveriscono l’O2, il principale sink per S, attraverso la ricombinazione di CO2. Questo è simile a quello che è stato trovato per la produzione di S2 attraverso clorosulfanes24.
Ci sono una serie di indizi intriganti che collegano SO2 fotochimica al assorbitore sconosciuto. Come mostrato in Fig. 2d, il massimo tasso di produzione di aerosol assorbente nel nostro modello si verifica nella metà inferiore del ponte nuvoloso superiore, ma notevole impoverimento di SO2 si verifica solo ad altitudini più elevate. I nostri risultati sono coerenti con le osservazioni VEx che mostrano una relazione inversa tra SO2 a 70 km e assorbimento UV a 250 nm10, come mostrato in Fig. 3. I punti di dati in Fig. 3 sono ottenuti dai passi temporali verso l’equilibrio durante l’esecuzione del nostro modello e sono destinati a fornire un’indicazione dell’adeguatezza del tasso di produzione di aerosol assorbente del modello. La densità di Sx risulta essere correlata negativamente con il rapporto di miscelazione locale di SO2, che è coerente con le osservazioni di rif. 10. Tuttavia, come notato dal rif. 25, la vita dell’assorbitore UV è molto più lunga di quella della SO2, e di conseguenza, il rapporto delle loro abbondanze è fortemente influenzato dalle dinamiche atmosferiche transitorie, in particolare dall’attività convettiva. Il trasporto verso l’alto nel ramo ascendente della Cella di Hadley potrebbe portare l’assorbitore verso l’alto da dove si forma nella metà inferiore del ponte nuvoloso superiore. Eventi come questi ridurrebbero la forza di qualsiasi correlazione tra SO2 e Sx. Poiché il nostro modello unidimensionale è inteso a simulare le condizioni medie alle basse latitudini, non può comprendere l’intera gamma di condizioni campionate da Venus Express. Non può quindi simulare il comportamento dell’SO2 e dell’assorbitore UV durante il trasporto verso il polo; una simulazione dettagliata del loro comportamento latitudinale richiede un modello bidimensionale o tridimensionale.
Scatterplot che mostra l’indice immaginario di rifrazione a 250 nm contro SO2 a 70 km da Venus Express10 (punti blu) rispetto allo scatterplot di Sx contro SO2 a 70 km (diamanti rossi) e 72 km (punti verdi) ottenuto dal nostro modello. I rapporti di miscelazione di Sx nel nostro modello sono moltiplicati per 2 × 105 al fine di confrontare con l’indice di rifrazione immaginario derivato da rif. 10.