基于动力学模型的金星硫酸云二元凝结系统形成机制及物质循环

　　金星表面被全球性的致密硫酸云层所覆盖。早期的一些观测以及模拟研究发现，硫酸云极大程度上调控着金星气候变化和发展。这种调控作用体现在影响金星大气辐射传输平衡、调控全球大气环流、改变物质垂直输运等等。因此，探索并了解金星硫酸云成云过程以及其在金星大气的辐射传输、动力学、化学、以及宜居性中所扮演的角色，对我们认识这颗地球的姊妹星球，了解行星演化及宜居性条件等具有重要意义。

　　然而受金星致密云层以及表面高温的影响，现代行星探测手段在金星上具有非常大的局限性。截至目前人类对金星硫酸云内部物理化学过程的了解非常有限。现有的金星云物理模型大多采用局地热力学平衡假设，但该假设由于无法正确展现凝结过程而存在一定的局限性。其他模型使用完整微物理过程进行模拟，解释金星云量及粒径分布，但由于微物理过程的复杂性，该类模型运算效率极低，并且部分该类模型没有考虑云滴酸度变化对硫酸与水饱和蒸气压的反馈影响，然而有研究指出这个反馈影响非常显著，这给模型带来一定的不确定性。

　　针对这一问题，崔峻教授课题组展开了相关研究，针对不同相态的硫酸与水建立一维连续性方程，使用单模态粒子凝结简化微物理过程，同时耦合气态物质的动力学及化学过程、以及液滴沉降与扩散过程，对金星中层大气进行模拟分析。该模型考虑了云酸度对不同凝结物质饱和蒸气压的反馈作用，并将运算效率提升十余倍，其气体含量、云量及酸度结果均符合现有观测。

　　该模型得到的云内物质循环如图一所示。该研究提出，硫酸在云层高度主要以液态形式存在，其在低层云高度的蒸发-垂直传输-重凝结循环过程导致低层云云量显著增大；水蒸气主要在高层云凝结进入云滴，随着云滴的下落不断蒸发回到气态，该过程由大气温度调控，并导致云酸度随高度降低而升高。该研究中单模态云滴粒径符合模态二粒子的观测结果，这意味着金星成云过程主要由模态二粒子的凝结过程主导。

　　该研究首次提出，金星高层云高度存在显著的硫酸过饱和现象，如图二所示。通过模型进一步敏感性测试分析以及与前人模型的比较，该研究证实，该硫酸过饱和的出现主要受到其化学净生成率的调控作用，由于高层云较低的凝结效率无法及时将化学过程中快速生成的硫酸气体凝结，导致气态硫酸含量超过其饱和值高达三个量级。该结论驳斥了大多数金星成云模型中针对硫酸的局地热力学平衡假设，并与该区域的硫酸均相凝结成核理论相互佐证。

　　相关研究文章与2022年2月15日发表在Journal of Geophysical Research-Planets上，论文的第一作者与通讯作者均为戴隆康博士研究生。该研究得到美国加州大学圣克鲁兹分校的张曦教授的指导。

论文链接：https://doi. org/10.1029/2021JE007060。