近日，行星科学团队与美国圣路易斯华盛顿大学地球与行星科学系行星光谱团队合作，在金星闪电实验室模拟研究方面取得新进展。研究以“金星闪电实验室模拟研究-I：产自金星主体大气的自由基”为题，发表于行星科学专业期刊《地球物理学研究杂志：行星》（Journal of Geophysical Research: Planets），论文第一作者为博士研究生曲洪坤，通讯作者为圣路易斯华盛顿大学教授Alian Wang和山东大学教授凌宗成，共同作者为圣路易斯华盛顿大学Elijah Thimsen博士。该论文是学校发表的首篇金星科学研究领域期刊论文。

闪电是拥有大气的行星上一种常见的现象，由闪电引起的电化学对行星大气化学有重要的影响，对行星大气演化有重要意义。目前普遍认为影响金星大气化学的过程主要是光化学和热化学。然而针对金星闪电或类似放电活动导致的电化学过程对金星大气化学的影响的研究得少，值得深入挖掘。

图1 金星大气放电地面模拟装置图

闪电通过将其周围的气体分子离解、电离和激发产生大量的高能自由基，这些高能自由基会进一步和周围物质发生化学反应，从而影响金星大气化学。本研究搭建了一套金星大气放电的模拟实验装置，并耦合了等离子体光谱仪、拉曼光谱仪、多气体探测器和气相色谱质谱联用仪等检测仪器并利用该装置在模拟的金星主体大气成分(96.5% CO₂+ 3.5% N₂)中开展了等效于海拔50-75千米范围金星云层内的放电研究，实验装置如图1所示。本研究的最大特点是探测灵敏度优于以往的研究，这使得我们不仅确认了此前四十多年研究中发现的所有产自金星主体大气的自由基，还发现了三种从未被发现的自由基(C₂、N₂⁺和O₃)，因而可以直接解释近年来金星探测的若干观测结果。

图2 不同气压和占空比条件下放电等离子体图像，(a)空气放电，(b)模拟进行大气放电(SVA)，(c)丝状放电(FD)和均匀放电(HD)。绿色矩形框内是丝状放电。

为验证实验系统的可靠性，本文首先在10-1000 mbar空气中进行模拟放电分析。图2是不同气压和占空比(一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比例)条件下空气和金星模拟大气中放电等离子体图像。结果表明本系统可以产生两种类型的放电：均匀放电(HD：homogenous discharge)和丝状放电(FD：filamentary discharge)(图2c)。与地球闪电实测光谱比对发现，均匀放电等离子体光谱与高层大气闪电(光晕和精灵等)光谱相似，丝状放电等离子体光谱与闪电光谱相似。拉曼光谱和气体探测器结果表明空气中模拟放电产生了NO₂、CO和O₃等地球大气放电常见产物，从发射光谱和产物角度验证了实验系统的可靠性。

图3 模拟金星大气放电等离子体光谱，(a)1000mbar丝状放电，(b)1000mbar均匀放电，(c)10mbar均匀放电

在以上研究基础上，本文利用实验系统在10-1000 mbar(金星海拔高度75-50 km)的模拟金星大气中进行模拟放电实验，收集等离子体光谱，检测放电产物，研究金星闪电对金星大气的影响。图3a丝状放电等离子体光谱中发现了大量自由基(N₂、N₂⁺、NI、NII、NO、OI、OII、CO₂⁺、CO、CO⁺、CI、CII、C₂和CN)，而且777 nm附近OI的发射峰强度最强，与前人的发现一致(Borucki et al., 1985)，可以作为搜寻金星闪电的特征光谱。图3b和c分别为1000和10mbar均匀放电等离子体光谱，发射峰主要来自激发态分子和分子离子(N₂、N₂⁺、OI、CO₂⁺、CO、CI、和C₂)，说明了不同类型的闪电对金星大气的影响不同。

为了量化放电对大气的影响，本文利用GC-MS对100mbar均匀放电和1000mbar丝状放电产生的CO进行了定量分析。研究结果显示1000mbar丝状放电产生了0.20% ± 0.02%的CO，与前人的结果相近(Levine et al, 1979)；100mbar均匀放电产生了1.60% ± 0.37%的CO，说明金星闪电对金星大气的影响与气压有关。

臭氧（O₃）在金星大气化学中发挥着重要作用。Montmessin等人2011年首次在金星100千米大气中发现了O₃层(Montmessin et al., 2011)，并认为光化学是金星高层大气中臭氧的主要来源。本文利用多气体探测器在1000mbar模拟金星大气放电产物中检测到O₃（均匀放电：13-14 ppm；丝状放电：7-8 ppm），证明了闪电是除光化学外金星大气中臭氧的重要来源之一。

本研究通过实验室模拟实验，在放电产物中发现了三种(C₂、N₂⁺和O₃)未被报道的产物，为金星大气科学模型和金星轨道探测提供了重要的实验观测证据；定量分析了100mbar和1000mbar下CO的产量，发现金星大气放电对大气影响与气压有关；证明了金星大气放电是金星大气中O₃和CO的重要产生机制。

曲洪坤同学受国家留学基金委创新人才国际合作培养项目“深空探测与行星科学研究”支持，2019-2022年赴美国圣路易斯华盛顿大学在Alian Wang教授指导下进行博士论文课题研究，是山东大学与圣路易斯华盛顿大学长期合作（自2006）的重要内容。本研究得到国家自然科学基金、民用航天技术预先研究项目、山东省自然科学基金、国家留学基金委、山东大学攀登计划创新团队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，感谢圣路易斯华盛顿大学Prof. Bruce Fegley提供的实验仪器和建议。

原文连接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2022JE007617