[論文レビュー] A stringent upper limit of the PH$_3$ abundance at the cloud top of Venus

Thérèse Encrenaz, T. K. Greathouse+8 more|SPIRE - Sciences Po Institutional REpository|Oct 15, 2020

Planetary Science and Exploration被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、ナサの赤外望遠鏡施設に搭載されたTEXES機器を用いて、金星の大気上層部におけるリンヒドライド（PH₃）の高分解能赤外分光法による探索が行われた。2015年3月に955 cm⁻¹付近でPH₃遷移の可能性を検出できたが、スペクトル線の欠如により、ディスク統合上でのPH₃混合比に対する3σ上界は5 ppbvにまで低下し、以前に報告されたミリ波帯検出の4倍低い値となり、雲頂部および下部中間圏におけるPH₃の存在量を強く制限するものとなった。

ABSTRACT

Following the announcement of the detection of phosphine (PH$_3$) in the cloud deck of Venus at millimeter wavelengths, we have searched for other possible signatures of this molecule in the infrared range. Since 2012, we have been observing Venus in the thermal infrared at various wavelengths to monitor the behavior of SO$_2$ and H$_2$O at the cloud top. We have identified a spectral interval recorded in March 2015 around 950 cm$^{-1}$ where a PH$_3$ transition is present. From the absence of any feature at this frequency, we derive, on the disk-integrated spectrum, a 3-$σ$ upper limit of 5 ppbv for the PH$_3$ mixing ratio, assumed to be constant throughout the atmosphere. This limit is 4 times lower than the disk-integrated mixing ratio derived at millimeter wavelengths. Our result brings a strong constraint on the maximum PH$_3$ abundance at the cloud top and in the lower mesosphere of Venus.

研究の動機と目的

• 赤外分光法を用いて、金星の大気中におけるリンヒドライド（PH₃）の検出に関する論争を独立して検証すること。
• PH₃の赤外遷移をプローブすることで、金星の雲層および下部中間圏におけるPH₃の垂直分布と含有量を評価すること。
• 20 ppbvのミリ波帯検出と、PH₃の可能性のある変動または高度依存分布との間の矛盾を解消すること。
• 高スペクトル分解能、ディスク統合型赤外観測を用いて、PH₃含有量の強固な上界を提示すること。

提案手法

• 2015年3月に、ナサの赤外望遠鏡施設に搭載されたTEXES分光計を用いて、金星の高分解能熱赤外スペクトルを取得した。観測範囲は951〜956 cm⁻¹であった。
• 強力なPH₃遷移と弱いCO₂線を含む955 cm⁻¹付近のスペクトル領域を標的とし、校正および温度の逆問題を実施した。
• ブラックチョッパーおよびスカイキャリブレーションフレームを用いて放射計キャリブレーションを行い、絶対フラックスキャリブレーション済みのデータキューブを生成した。
• 955.3069 cm⁻¹におけるCO₂遷移の線深さをマッピングし、惑星ディスク全体にわたるPH₃/CO₂線深さ比を計算して空間的変動を推定した。
• PH₃線の欠如に対して3σの有意性検定を適用し、混合比の上界を導出した。
• 放射移動モデルを用いてスペクトルデータを解釈した。この際、大気温度および圧力プロファイルを考慮し、一定のPH₃混合比を仮定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金星の赤外スペクトルにおける955 cm⁻¹領域に明確なPH₃特徴線が観測されないことは、ミリ波帯でのPH₃検出を支持するか、あるいは矛盾するか？
• RQ2 赤外線での非検出を踏まえると、金星の雲頂部および下部中間圏におけるPH₃混合比の最大値はどの程度であるか？
• RQ3 ミリ波帯と赤外線の結果の差異は、高度依存のPH₃分布または機器的要因に起因する可能性があるか？
• RQ4 非局所熱平衡（non-LTE）効果や大気温度の変動は、金星の大気における弱い赤外線線の解釈にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 ミリ波帯のPH₃線の狭い幅（20 MHz未満）は、機器のベースライン除去に起因するのか、それとも高高度での生成を示唆するのか？

主な発見

• 2015年3月の観測において、951〜956 cm⁻¹のスペクトル範囲で、955 cm⁻¹付近に強いPH₃遷移が存在するにもかかわらず、明確なPH₃特徴線は観測されなかった。
• 大気全体にわたって一定の濃度を仮定した場合、PH₃混合比の3σディスク統合上界は5 ppbvに達した。
• この上界は、グリーヴスら（2020年）によるミリ波帯観測で報告された20 ppbvの混合比よりも4倍低い値である。
• 空間マッピングと3ピクセルの平均化を考慮しても上界は安定しており、局所的解析から得られた修正上界は3.5 ppbvにまで高められた。
• ミリ波帯のPH₃線の狭い幅（20 MHz未満）は、雲層（約55 km付近）内での生成を排除し、60 km以上の高い高度での生成を示唆する。
• 雲層での濃度増加を単純に仮定しても、ミリ波帯と赤外線の結果の差異は解消されないため、機器的アーティファクトまたはPH₃含有量の時間的変動の可能性が示唆される。