［本站讯］近日，山东大学空间科学与技术学院、空间科学研究院行星科学团队在金星大气紫外吸收特征成因方面取得新进展。相关成果以”Electrical breakdown products of SO₂ in CO₂ and N₂ mixtures and the implication to the mysterious UV absorber in Venus's atmosphere”为题发表在地球和行星科学领域国际期刊Earth and Planetary Science Letters（中科院1区Top）。空间科学与技术学院博士后曲洪坤为论文第一作者，圣路易斯华盛顿大学Alian Wang教授和山东大学凌宗成教授为通讯作者，圣路易斯华盛顿大学Elijah Thimsen教授为共同作者。山东大学为第一完成单位。

金星大气紫外条纹的成因是长达一个世纪以来金星科学面临的重大难题之一。采用地基望远镜可以发现，金星大气图像的一个显著特征是其紫外波段图像呈现出不规则黑白条纹（如图1所示）。黑色区域是由大气中某种成分未知的物质吸收了太阳发射的紫外光造成的，而且这些吸收物质在空间上分布不均且随时间发生变化。金星大气反射光谱在200至400nm之间存在三个吸收峰(图1所示)，前人提出至少需要两种化学物质来解释这些吸收峰。短波紫外范围(<320nm）的吸收特征是由金星大气中的SO₂引起的。然而，近紫外(320 - 400nm)波段的吸收峰（又称金星大气第二紫外吸收）是由什么物质产生？该物质的产生机制是什么？这些问题是金星大气科学近百年的未解之谜。金星大气紫外吸收是金星科学的热点问题之一，对金星云层的形态学、运动以及动力学状态的研究有重要意义，是理解金星大气化学和揭示金星大气演化机制的关键拼图。通常称这些物质为“未知紫外吸收物质”。科学家已经提出许多候选物质，例如S₈、NOHSO₄、Cl₂、(NH₄)₂S₂O₅、FeCl₃、SCl₂、C₆O₅H₂、S₂O、(SO)₂、S_n以及氯化铁-硫酸溶液，其中大多数是含硫物种。此外，过去的研究发现“未知紫外吸收物质“与SO₂在空间分布上具有相关性，这表明未知紫外吸收物质可能与SO₂的化学过程有关。

图1 金星大气反照率光谱以及365nm图像。

针对上述科学问题，研究团队在实验室中模拟金星大气放电过程，检测SO₂气体在放电过程中的产物，研究其对金星大气紫外吸收特征的可能影响。实验结果表明，放电过程中产生了大量高能自由基主要包括：N₂^*、CO₂⁺、CO^*、C_I^*、C_II^*、O_I^*、O_II^*、CN^*、S_I^*、S_II^*、S₂^*和SO^*。同时也表明SO₂→SO + O (5.61eV)和SO₂→S + O₂ (5.71 eV)这2个电化学过程在SO₂气体放电过程中有相同的发生几率。这些高能自由基不稳定，会进一步和周围气体发生反应产生新的物质。放电还产生了少量黄色硫单质(S₈)颗粒和透明硫酸溶液。我们根据产生的硫元素相关的产物绘制了SO₂在金星大气中的电化学反应路径，如图2所示。该图说明了SO₂电分解产物中含有多硫(S_n(n=2-7))和硫的氧化物((SO)₂和S₂O)——“未知紫外吸收物质”的两个主要的候选对象。

图2 SO₂电化学反应路径图。

SO₂电化学产物中含硫产物的浓度比观测到的SO和光化学模型预测的S的浓度高1000多倍，图3所示。气体放电是局部区域现象，因此会导致气体放电区域内的含硫物质浓度急剧升高，产生大量的“未知紫外吸收物质”——多硫(S_n(n=2-7))和硫的氧化物((SO)₂和S₂O)，从而吸收大量来自太阳的紫外光，造成金星紫外图像出现不规则黑白条纹。

图 3 金星大气放电产生含硫物质(红色带)浓度与金星大气中SO(观测结果)和S(光化学模型预测)浓度对比图。

该研究通过金星大气模拟实验证明了：(1)金星大气放电过程分解SO₂气体产生的大量短寿命自由基是“未知紫外吸收物质”的重要前体。(2)SO₂电化学分解产物的局部富集和随后的扩散可能是金星紫外波段图像中出现随时间变化的黑白条纹的原因。(3)H₂SO₄和S₈的形成说明气体放电过程引发的电化学在金星大气硫循环中发挥着重要作用。该研究提出了一种能够在金星云层中高效的产生新硫物种的机制，是未知紫外吸收物质的重要来源。研究结果为重新分析金星任务数据以及进行更多实验和建模调查提供了一条新的思路，对于未来国内外金星探测任务规划及数据解译具有重要的启示意义。

该研究得到国家自然科学基金(12403069, U1931211, 41972322)、博士后基金(2023M742054)以及圣路易斯华盛顿大学McDonnell空间科学中心等项目资助。同时，圣路易斯华盛顿大学Prof. Bruce Fegley提供了的部分实验仪器和建议。