С температурой поверхности, достаточно высокой, чтобы расплавить свинец, Венера сегодня представляет собой настоящую адскую дыру, несмотря на то, что она похожа по размеру на Землю и вращается по орбите в обитаемой зоне Солнца. Тем не менее, исследования показывают, что когда-то на планете могли быть океаны и даже условия, пригодные для жизни. Объяснить, как исчезла вся эта вода, было проблемой.
Исследование, опубликованное в журнале Nature, предлагает решение, определяющее новый механизм потери воды, работающий высоко в атмосфере Венеры, который мог бы удвоить скорость потери воды. Более быстрое высыхание могло бы позволить океанам существовать до более позднего периода истории Венеры, а это означает, что планета могла быть пригодна для жизни дольше.
Сегодня Венера затмевает парниковый эффект Земли. Его атмосфера, состоящая из 96% углекислого газа, удерживает так много тепла, что температура поверхности достигает более 450°C. Тем не менее, космические корабли и телескопы заметили слабые намеки на водяной пар в атмосфере, а в конце 1970-х годов орбитальный аппарат НАСА «Пионер Венеры» обнаружил признак давно исчезнувших океанов: обогащение тяжелым водородом, дейтерием.
Последующие исследования моделирования показали, что миллиарды лет назад на планете было достаточно влаги, чтобы покрыть поверхность 3-километровой водой. Но поскольку вулканы извергали углекислый газ, безудержный парниковый эффект мог привести к повышению температуры и выкипанию большей части воды. Высоко в атмосфере ультрафиолетовый свет Солнца расщепил бы молекулы водяного пара на водород и кислород. В процессе, называемом гидродинамической потерей, легкий водород стал достаточно горячим и энергичным, чтобы преодолеть гравитацию планеты, оставив после себя характерное обогащение дейтерием.
Но самое главное, этот процесс не может объяснить потери воды на последних 100 метрах, поскольку водород также является парниковым газом. Как только выйдет достаточное количество водорода, температура больше не сможет повышаться, и потеря воды замедлится. «Невозможно потерять всю воду, чтобы соответствовать современным наблюдениям», — говорит Майкл Уэй, который моделировал климат Венеры в Институте космических исследований имени Годдарда НАСА. «Вы остались в этой загадке».
Авторы нового исследования говорят, что они определили новый химический состав потери воды, который может решить проблему. Для самых высоких молекул газа, находящихся на высоте около 150 километров над поверхностью, солнечный свет будет расщеплять не только водяной пар, но и углекислый газ, создавая водород и окись углерода, которые объединятся в нестабильный ион под названием HCO + . Почти сразу же ионы HCO + распадались, теряя избыточную энергию. «Поскольку водород намного легче монооксида углерода, он получает большую часть энергии от этого процесса и уносится очень быстро», — говорит Майкл Чаффин, планетолог из Университета Колорадо (CU) в Боулдере и соавтор. о новом исследовании. «Водород использует молекулу угарного газа в качестве стартовой площадки для выхода в космос», объясняя, как последние «отбросы» венерианской воды могли быть потеряны даже после того, как гидродинамические потери прекратились.
По словам исследователей, вместе новый механизм HCO + и ранее смоделированные процессы потери воды могли бы позволить Венере терять воду в два раза быстрее, относительно быстро, за 600 миллионов лет. Если это так, то Венера, возможно, удерживала свои океаны до недавнего времени, возможно, 2–3 миллиарда лет назад. «Если на Венере действительно была эта ранняя фаза обитаемости, то понимание того, как она превратилась из пригодной для жизни в совершенно непригодную для жизни, чрезвычайно важно», — говорит Уэй.
Соавтор Бетан Грегори, планетолог из Калифорнийского университета в Боулдере, в прошлом году провел предыдущее исследование , которое показало, как тот же процесс HCO + может также объяснить, как Марс потерял воду, после того как орбитальный аппарат НАСА MAVEN обнаружил, что энергетический водород покидает Марс таким образом, что это соответствует к распаду HCO + . «В атмосферах Марса и Венеры преобладает углекислый газ, поэтому здесь много общего», — говорит она. Относительно низкий уровень углекислого газа на Земле означает, что нет никакой угрозы того, что тот же процесс может привести к высушиванию нашей атмосферы.
Ни одна предстоящая миссия не сможет окончательно проверить, работал ли механизм HCO + на Венере. Ни миссия НАСА VERITAS, которую возглавляет Смрекар, ни европейская миссия EnVision, запуск которой запланирован на 2031 год, не имеют инструментов для измерения потерь водорода из верхних слоев атмосферы. Зонд НАСА DAVINCI, запуск которого также запланирован на 2031 год, будет исследовать атмосферу, но только на глубине ниже 70 километров. «В книгах просто нет ничего для изучения верхних слоев атмосферы», — говорит Уэй, — «но люди предложат инструмент, я уверен».
Чаффин говорит, что это открытие имеет решающее значение не только для того, чтобы лучше понять, как почти двойник Земли пошел по своему темному пути, но и для того, чтобы применить эти знания к скалистым планетам, обнаруженным за пределами Солнечной системы. «Венера и Земля, возможно, образовались из идентичного материала, но в итоге оказались очень разными», — говорит он. «Понимание того, как работают эти процессы и как они могут ограничить существование обитаемой среды повсюду во Вселенной, действительно важно».
