[论文解读] 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 9

一句话总结

本研究利用美国国家航空局红外望远镜设施上TEXES仪器获取的高分辨率红外光谱，探测金星高层大气中的磷化氢（PH₃）。尽管在2015年3月的观测中检测到955 cm⁻¹附近可能存在PH₃跃迁，但未观测到光谱特征，因此得出PH₃混合比的3-σ盘积分上限为5 ppbv——比此前报道的毫米波探测结果低四倍，显著限制了其在云顶及低中间层的丰度。

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.

研究动机与目标

• 利用红外光谱独立验证金星大气中磷化氢（PH₃）争议性探测结果。
• 通过探测其红外跃迁，评估金星云层和低中间层中PH₃的垂直分布与丰度。
• 解决毫米波探测结果（20 ppbv）与PH₃可能存在的变异性或高度依赖性分布之间的差异。
• 利用高光谱分辨率、盘积分红外观测，提供PH₃丰度的稳健上限。

提出的方法

• 在1995年3月，使用位于美国国家航空局红外望远镜设施的TEXES光谱仪，在951至956 cm⁻¹波段获取了金星的高分辨率热红外光谱。
• 聚焦于包含强PH₃跃迁和弱CO₂谱线的955 cm⁻¹附近光谱区域，用于校准和温度反演。
• 通过黑腔斩波器和天空校准帧进行辐射校准，生成绝对通量校准的数据立方体。
• 绘制955.3069 cm⁻¹处CO₂跃迁的深度，并计算行星盘面上PH₃/CO₂跃迁深度比，以推断空间变化。
• 对PH₃特征的缺失应用3-σ显著性检验，推导出混合比的上限。
• 使用辐射传输模型解释光谱数据，假设PH₃混合比恒定，并考虑大气温度和压力廓线。

实验结果

研究问题

• RQ1 金星红外光谱955 cm⁻¹区域中未检测到可探测的PH₃特征，是否支持或反驳了毫米波探测到的PH₃结果？
• RQ2 在红外光谱中未检测到PH₃的情况下，金星云顶及低中间层PH₃的最大可能混合比是多少？
• RQ3 毫米波与红外结果之间的差异是否可归因于PH₃的垂直分布差异或仪器效应？
• RQ4 非局部热动平衡效应或大气温度变化在多大程度上影响对金星大气中弱红外谱线的解释？
• RQ5 毫米波PH₃谱线的窄线宽是否可由仪器基线去除解释，还是意味着其形成于较高海拔区域？

主要发现

• 在2015年3月的观测中，尽管955 cm⁻¹附近存在强PH₃跃迁，但在951–956 cm⁻¹光谱范围内未观测到可探测的PH₃特征。
• 在假设大气中PH₃丰度恒定的前提下，推导出PH₃混合比的3-σ盘积分上限为5 ppbv。
• 该上限比Greaves等人（2020年）通过毫米波观测报告的20 ppbv混合比低四倍。
• 即使考虑空间映射和3像素平均，该上限依然稳健，局部分析得到的修正上限为3.5 ppbv。
• 毫米波PH₃谱线的窄线宽（小于20 MHz）排除了其在云层内（约55 km高度）形成的可能性，意味着其形成于更高海拔（>60 km）。
• 毫米波与红外结果之间的差异无法通过云层区域富集的简单垂直分布来解释，表明可能存在仪器伪影或PH₃丰度的时变性。