Планетологи заподозрили Венеру в вечной сухости

Планетологи при помощи численного моделирования пришли к выводу, что на поверхности Венеры никогда не существовало водных океанов, ее мантия бедна водой, а восполнение молекул H₂O, CO₂ и OCS в атмосфере происходит за счет вулканизма. Таким образом, поверхность планеты вряд ли когда-либо была пригодна для развития жизненных форм в жидкой воде. Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy.

Вопрос о том, существовали ли когда-либо на поверхности Венеры пригодные для жизни условия, остается предметом споров среди ученых. В контексте известных нам форм жизни этот вопрос может быть сведен к вопросу о том, существовали ли когда-нибудь на планете резервуары жидкой воды, такие как океаны. Однако если на поверхности Марса признаки существования воды в древности обнаруживали уже неоднократно, то для Венеры это сделать крайне проблематично из-за сильного геологического обновления поверхности, которое имело место по крайней мере 0,3 миллиарда лет назад.

Одним из доводов в пользу существования жидкой воды на древней Венере выступает измеренное отношение концентрации дейтерия к водороду в атмосфере, которое в 150 раз больше земного. С одной стороны, это можно интерпретировать как наличие в прошлом Венеры океана глубиной до пятисот метров, чья масса могла бы быть аналогична земным океанам. Однако есть и альтернативное объяснение, где непрерывным источником молекул воды выступает кометное вещество, попадающее на планету, или газы, выделяемые при вулканизме, что позволяет компенсировать утечку молекул воды через верхние слои атмосферы за счет диссоциации молекул и улета образовавшегося водорода в космос.

Таким образом, до сих пор нет ясной картины геологической и климатической эволюции Венеры. Здесь возможны два вероятных сценария. В случае «умеренной и влажной Венеры» древняя планета была похожа на Землю и после формирования на ней длительное время царил умеренный климат и существовали неглубокие океаны. На дневной стороне Венеры в атмосфере возникали облака водяного пара, а ночная сторона была безоблачной, что позволяло уменьшать поглощение излучения поверхностью и увеличивать излучение с поверхности в космос. В этом случае поверхность Венеры не перегревалась, и вода оставалась на ней в жидком виде. В дальнейшем, из-за активного вулканизма, Венера приобрела текущую атмосферу, богатую углекислотой и диоксидом серы, которая создает сильный парниковый эффект.

Второй сценарий, названный «сухой Венерой», предполагает, что она стала сухой уже на ранних стадиях своей эволюции в ходе медленного (около ста миллионов лет) застывания магматического океана. Долгоживущая атмосфера из пара способна активно терять воду через верхние слои атмосферы, а вулканическая активность поставляла бы углекислоту и азот. Кроме того, в такой модели возможно формирование облаков на ночной стороне планеты, что уменьшало бы излучение от поверхности в космос и не создавало бы условий для конденсации воды на поверхности Венеры. В результате Венера не смогла бы иметь океаны и активно теряла бы запасы воды, содержащиеся в атмосфере.

Группа планетологов во главе с Терезой ​​Константину (Tereza Constantinou) из Кембриджского университета решила оценить, были ли когда-нибудь океаны на поверхности Венеры. Для этого при помощи моделирования оценивали вероятность наличия на современной Венере воды в ее внутренних слоях, так как большая часть запасов воды могла быть доставлена на планету из межпланетного пространства во время основной фазы аккреции, а не на ее поздней стадии. Степень влажности внутренних слоев будет зависеть от быстроты остывания магматического океана, после его кристаллизации оставшиеся запасы воды останутся внутри мантии. Максимальный временной разрыв между современной Венерой и древней влажной Венерой оценивается в три миллиарда лет, за это время могло быть потеряно менее половины запасов воды (около 0,4 всех земных океанов) в случае сценария «умеренной Венеры». Кроме того, потеря воды за счет дегазации при вулканизме представляется для Венеры неэффективным механизмом по сравнению с Землей. Таким образом, для обоих сценариев верно, что содержание воды во внутренних слоях современной Венеры будет отражать климатические условия в прошлом.

Если вода осталась в мантии, то, скорее всего, она находится в верхней мантии, понижая температуру плавления пород и увеличивая вероятность того, что породы, содержащие воду, будут извергаться на поверхность планеты. Это означает, что состав вулканических газов на текущей Венере (а планета считается активной до сих пор) и, в частности, доля воды в них, будет маркером внутреннего содержания воды, независимо от объемов или скорости вулканических процессов.

Исследователи провели расчеты скорости генерации и разрушения молекул газов в современной атмосфере Венеры за счет фотохимических реакций в верхней атмосфере и химических реакций в более глубоких слоях атмосферы, а также оценили возможные геологические источники и стоки водорода, серы и углерода в виде окисления поверхностных обнажений мантийных минералов и дегазацию мантии за счет вулканизма и утечку водорода через атмосферу в космос. Ученые пришли к выводу, что экзогенные поставки вещества на поверхность планеты в виде метеоритов или постепенная дегазация пород на поверхности не смогут компенсировать темпы потерь OCS, CO₂ и H₂O, которые активно разрушаются в атмосфере. Окисление минералов на поверхности вряд ли может быть стоком для этих молекул. Получается, что если атмосфера Венеры находится в устойчивом состоянии, то газы, необходимые для уравновешивания процессов фотохимического разрушения, должны восполняться за счет вулканизма.

Оценки соотношений OCS/H₂O и CO₂/H₂O для Венеры и моделирование дегазации сухого земного базальта в венерианских условиях при вулканизме привели ученых к выводу, что максимальное молярное содержание воды в вулканических газах Венеры не превышает шести процентов, богаты они углеродом и серой, а недра Венеры сухие. Таким образом, сценарий «сухой Венеры» выглядит наиболее предпочтительным, лишая планету шансов на океаны в прошлом.

В ближайшем будущем к Венере отправятся сразу несколько исследовательских аппаратов: европейская орбитальная станция EnVision, индийский орбитальный аппарат «Шукраян-1» и атмосферный зонд DAVINCI от NASA. К ним также может присоединиться и российская станция «Венера-Д», о которой мы писали в материале и блоге.