[논문 리뷰] A stringent upper limit of the PH$_3$ abundance at the cloud top of Venus

Thérèse Encrenaz, T. K. Greathouse외 8명|SPIRE - Sciences Po Institutional REpository|2020. 10. 15.

Planetary Science and Exploration인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 항성우주항천기구의 텍스 기구를 이용한 고해상도 적외선 스펙트로스코피를 사용하여 금성 대기의 상부에서 인화수소(PH₃)를 탐색한다. 2015년 3월에 955 cm⁻¹ 부근에서 잠재적인 PH₃ 전이를 관측했음에도 불구하고, 스펙트럼 특징이 없음을 확인하여 디스크 통합 상한선이 3σ 기준으로 5 ppbv로 도출되었으며, 이는 이전에 보고된 밀리미터파 탐지보다 네 배 낮은 것으로, 구름 꼬리와 하부 중기권에서의 PH₃ 농도를 강력히 제약한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 밀리미터파 탐지와의 독립적 확인을 통해 금성 대기 중 인화수소(PH₃)의 논란의 여지가 있는 탐지를 확인하기 위해 적외선 스펙트로스코피를 사용한다.
• PH₃의 적외선 전이를 조사하여 금성의 구름층과 하부 중기권에서의 수직 분포 및 농도를 평가한다.
• 밀리미터파 탐지(20 ppbv)와 잠재적인 변동성 또는 고도에 따른 분포 간의 모순을 해결한다.
• 고스펙트럼 해상도, 디스크 통합 적외선 관측을 통해 PH₃ 농도에 대한 강력한 상한선을 제공한다.

제안 방법

• 2015년 3월 동안 텍스 스펙트로그래프를 사용하여 나사의 적외선 천체망원경에서 금성의 고해상도 열적 적외선 스펙트럼을 확보하였다. 스펙트럼 범위는 951~956 cm⁻¹였다.
• 강한 PH₃ 전이와 약한 CO₂ 선을 포함하는 955 cm⁻¹ 부근의 스펙트럼 영역을 대상으로 하였으며, 보정 및 온도 회복에 사용하였다.
• 블랙체퍼 및 천체 보정 프레임를 사용하여 복사계수 보정을 수행하여 절대 흐름 보정 스펙트럼 큐브를 생성하였다.
• 955.3069 cm⁻¹에서 CO₂ 전이의 선 깊이를 맵핑하고, 행성 디스크 전역에서 PH₃/CO₂ 선 깊이 비율을 계산하여 공간적 변동성을 추론하였다.
• PH₃ 특징의 부재에 대해 3σ 유의성 검사를 적용하여 혼합비율에 대한 상한선을 유도하였다.
• 일정한 PH₃ 혼합비율을 가정하고 대기 온도 및 압력 프로파일을 고려하여 복사전달 모델을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금성의 적외선 스펙트럼에서 955 cm⁻¹ 영역에서 검출 가능한 PH₃ 특징이 없는 것이 밀리미터파 탐지 결과를 지지하는가 아니면 반박하는가?
• RQ2 적외선에서의 비검출을 고려할 때, 금성의 구름 꼬리와 하부 중기권에서 PH₃ 혼합비율의 최대 가능한 값은 얼마인가?
• RQ3 밀리미터파와 적외선 결과 간의 모순은 고도에 따라 다른 PH₃ 분포 또는 기기적 요인 때문일 수 있는가?
• RQ4 비-열역학적 평형 효과 또는 대기 온도 변화는 금성 대기에서 약한 적외선 선의 해석에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 밀리미터 파장에서의 좁은 폭의 PH₃ 선은 기기 기반라인 제거에 의해 설명될 수 있는가, 아니면 고도가 높은 곳에서 형성된다는 것을 시사하는가?

주요 결과

• 2015년 3월 관측 기간 동안 951–956 cm⁻¹ 스펙트럼 범위에서 강력한 PH₃ 전이가 존재하는 955 cm⁻¹ 부근에서 검출 가능한 PH₃ 특징이 관측되지 않았다.
• 일정한 대기 농도를 가정할 경우, PH₃ 혼합비율에 대한 3σ 디스크 통합 상한선이 5 ppbv로 도출되었다.
• 이 상한선은 그리브스 등(2020)이 밀리미터파 관측을 통해 보고한 20 ppbv 혼합비율보다 네 배 낮다.
• 공간 맵핑 및 3 픽셀 평균 처리를 고려한 후에도 상한선은 탄탄하게 유지되며, 국소 분석을 통해 개선된 상한선 3.5 ppbv를 도출하였다.
• 밀리미터 파장에서의 좁은 폭의 PH₃ 선(20 MHz 이하)은 구름 부근(약 55 km)에서의 형성을 배제하며, 이는 고도가 더 높은 곳(60 km 이상)에서 형성된다는 것을 시사한다.
• 밀리미터파와 적외선 결과 간의 모순은 구름층에서 농축된 단순한 수직 프로파일로는 해결되지 않으며, 기기 오차 또는 PH₃ 농도의 시간적 변동성일 가능성이 있다.