Венера, наша сусідка по Сонячній системі, за масою і силою тяжіння гранично схожа на Землю, але за умовами неймовірно далека від неї. Вчені намагаються зрозуміти, що сталося з цією планетою і чому вона розгубила майже всю свою воду. Автори нової роботи припустили, що винуватець – відома хімічна реакція, яку просто не пробували розрахувати для Венери.
Венера в минулому в уяві художника, і Венера в сьогоденні на знімку апарату “Маринер-10” / © NASA, JPL-Caltech
Венера і Земля сформувалися в схожих умовах. Тому ізотопний склад і кількість води на Венері мають бути такими ж, як на нашій планеті. Отже, після формування води на ній вистачило б на глобальний океан глибиною в три кілометри. Зазначимо, що навряд чи він там дійсно був, оскільки на цій планеті завжди було спекотно. Сьогодні ж, судячи з даних спостережень, усієї води на Венері навряд чи вистачить створити трисантиметровий “океан”. До того ж у цій воді аномально багато дейтерію – ізотопу водню з одним нейтроном у ядрі. Що сталося?
Значну частину своєї води Венера втратила в перші два мільярди років. Через спеку частина водяної пари, якою була насичена атмосфера планети, осіла у верхніх шарах. Там молекули розпалися, і легкі атоми водню вирвалися в космос. Саме внаслідок цього частка атомів важкого водню стала аномально високою. Такий сценарій називають “вибуховим парниковим ефектом”.
Процес зупиняється, щойно концентрація водню у верхніх шарах падає нижче 10 відсотків. Тоді температура там опускається, і молекулам водню вже не вистачає енергії на космічний політ. На цьому завершується “термічний” період втрати водню. Проблема в тому, що цей “перелом” настає, коли на планеті залишається ще достатньо води – вистачило б приблизно на 100-метровий глобальний океан, в екстремальному випадку – на 10-метровий. От науковці і намагаються як зрозуміти, як Венера пройшла шлях від десятків метрів до сучасних трьох сантиметрів.
Енергію, достатню для “втечі”, водень може отримати і в результаті хімічних процесів. У 2023 році група дослідників із Колорадського університету в Боулдері (США) вивчила 47 хімічних механізмів появи такого “гарячого” водню на Марсі. Вони врахували висоту протікання реакцій над поверхнею планети і те, скільки енергії можуть отримати молекули. Виявилося, найвпливовіший механізм – так звана дисоціативна рекомбінація позитивно зарядженого іона формілу (HCO+).
Під час зустрічі з електроном катіон форміла розпадається на монооксид вуглецю (CO) і водень (H). За оцінками вчених, цей процес дає більше “гарячого” водню, ніж усі інші раніше досліджені процеси.
У новій роботі, опублікованій у журналі Nature, група вчених оцінила, як розпад HCO+ міг вплинути на атмосферу Венери. З’ясувалося, що значно. З розпадом HCO+ кількість атомів водню, що “тікають”, майже подвоїлася. І такої швидкості втрати вже достатньо, щоб пояснити сучасні умови Венери. Планеті вистачає часу “всохнути” і досягти сучасної рівноваги за період після первинної “парникової” втрати водню.
Зліва: сучасні втрати водню на Венері. По вертикальній осі позначено висоту над поверхнею планети, по горизонтальній – обсяг “виробництва” водню, що тікає. Червоним виділено оцінки за попередніми дослідженнями, зверніть увагу на висоту, де протікають процеси. Блакитним – теоретичні втрати від розпаду HCO+. Праворуч: схематична історія води на Венері. По вертикальній осі – глибина “океану”, по горизонтальній – мільярди років від утворення планети. Чорною дугою намальовані теоретичні втрати від парникового ефекту. Червоною лінією – подальші втрати водню за іншими дослідженнями, вони ледь сходяться до сучасного стану Венери. Синьою – втрати при врахуванні розпаду HCO+ / © Chaffin et al, Nature (2024)
Причина, чому ніхто не пробував оцінити вплив дисоціативної рекомбінації катіона формілу на втрату води з атмосфери, проста: не проводили відповідних вимірювань. Спектрометр Pioneer Venus виміряв співвідношення елементів, жодне з яких не дозволяє оцінити HCO+.
Інший його інструмент у теорії міг би засікти іони HCO+, але на практиці не зміг. Інструментам апарату Venus Express теж не вистачало чутливості на такі вимірювання. До того ж він не зібрав зразки з тієї висоти, де протікає реакція HCO+.
Щоб перевірити припущення, потрібні нові спостереження і моделі. Заплановані місії на Венеру – DAVINCI, VERITAS, EnVision та інші – зможуть зібрати вимірювання як у “перемішаних” нижніх шарах атмосфери, так і над хмарами. На жаль, їхні інструменти теж не зможуть відстежити водень і дейтерій, що “тікають”. За словами авторів дослідження, для цього потрібно провести високоточні спектральні спостереження.
Дізнавшись, з якою швидкістю Венера втрачає водень сьогодні, вчені зможуть оцінити, коли на цій планеті закінчився “тепличний” період втрати води. Зараз ми думаємо, що планета втрачала воду протягом усього часу свого життя, оскільки інакше вона б не встигла так “всохнути”. Якщо ж процес протікав швидше, він міг початися пізніше. А отже, якийсь час на планеті могли бути океани. Утім, як уже згадувалося, це малоймовірно.