Почему Венера — это Ад, а Земля — Эдем?

Группа учёных исследовала, почему планета-близнец Земли стала настолько негостеприимной, и может ли то же самое произойти с нашей планетой. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Марк Белан/Quanta Magazine

Планетарная наука: почему Венера — ад, а Земля — рай? Группа учёных исследовала, как близнец Земли стал таким негостеприимным, и случится ли то же самое с нашей планетой. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Венера , пожалуй, худшее место в Солнечной системе. Пламя углекислого газа душит планету, подвергая её поверхность невыносимому давлению. Серная кислота проливается сквозь болезненно-жёлтое небо, но так и не достигает застывшей лавы. Венера настолько горяча – настолько, что плавит свинец, – что кислотные дожди испаряются по мере выпадения.

Крайняя негостеприимность планеты лежит в основе одной из самых запутанных загадок планетологии. Венера и Земля образовались одновременно, из одних и тех же геологических структур, практически в одной и той же части Солнечной системы. Они даже одинакового размера. Так почему же Венера — ад, а Земля — сад?

В научном сообществе распространён рефрен, что Венера всего на несколько шагов впереди — что она представляет собой конечное состояние всех крупных каменистых планет, включая Землю. Гипотеза заключается в том, что эти планеты со временем теряют способность поглощать в своих геологических недрах парниковые газы, согревающие планету. Когда эти газы накапливаются в атмосфере, мир переходит в состояние неуправляемого парникового эффекта, подобное раскалённому венерианскому климату. «На протяжении многих лет мы постоянно слышали о том, что Венера — это предвестник будущего Земли», — сказал Стивен Кейн, планетолог из Калифорнийского университета в Риверсайде.

Но верно ли это давнее предположение? Через сотни миллионов или миллиарды лет климат Земли повторит судьбу Венеры, превратившись из умеренного в катастрофический парниковой? Кейн и его коллеги пытаются это выяснить. Венеру и Землю часто называют близнецами, причём Венера — злодейка в этой паре. В своём проекте «Воссоединяющиеся близнецы» учёные разработали цифровую модель Земли, сочетающую физику Солнца, вулканологию, тектонику плит и климатологию. Они доводят свою модель Земли до крайностей, пробуя все возможные способы разбить её на части и превратить в Венеру.

По словам Пола Бирна, планетолога из Университета Вашингтона в Сент-Луисе, который не принимал непосредственного участия в проекте, эта работа не только исследует, что пошло не так на втором камне от Солнца, но и поднимает более близкий нам вопрос: «Как долго Земля будет пригодна для жизни?»

Планетарный детектив

Прогнозирование будущего Земли требует понимания прошлого Венеры. Когда-то Венера, возможно, не сильно отличалась от современной Земли. Космические исследования и наблюдения с помощью телескопов выявили наличие в атмосфере Венеры редкой, тяжёлой формы воды — явный признак того, что раньше на планете было много обычной воды.

Исследователи спорят о том, как эта вода там оказалась. Одна из возможностей заключается в том, что вода на молодой Венере образовала пар, который парил над магматическим морем, покрывавшим поверхность новорожденной планеты. Этот водяной пар, мощный парниковый газ, вскоре после рождения вверг мир в палящее парниковое состояние. В качестве альтернативы, изначальное магматическое море Венеры, охватывающее всю планету, могло остыть и затвердеть, образовав кору достаточно быстро, чтобы по ней могла течь жидкая вода — возможно, даже целый океан. Если это правда, то что же случилось со всей этой водой?

В 2020 году Майкл Уэй, планетолог и специалист по моделированию климата из Института космических исследований имени Годдарда при НАСА в Нью-Йорке, рассмотрел два варианта того, как мог выкипеть венерианский океан.

Первая гипотеза указывает на Солнце, которое, старея и сжигая своё водородное топливо, излучает всё больше солнечного света, подвергая близлежащие планеты, включая Венеру, расположенную ближе к Солнцу, чем мы, всё более интенсивному воздействию. Планетологи подсчитали, что примерно через миллиард лет после образования Солнечной системы постепенно становящееся ярче Солнце было бы способно эффективно испарить всю жидкую воду на Венере. Водяной пар затем заполнил бы атмосферу Венеры, потенциально вызвав интенсивное глобальное потепление; это потепление могло быть ещё более усугублено вулканами, выделяющими углекислый газ. Сочетание этих факторов могло привести к тому, что Венера перешла в состояние неуправляемого парникового эффекта.

Это интересная история. Но, согласно моделям Уэя, теория о том, что Солнце разрушило Венеру, испарив её океаны, имеет недостатки. Венера вращается вокруг своей оси очень медленно, и одни сутки на ней эквивалентны 116 земным суткам, или почти четырём месяцам. Если бы на дневной стороне планеты изначально были жидкие океаны, испарение воды привело бы к образованию густых облаков. Эти огромные, устойчивые облака на дневной стороне отражали бы солнечный свет, поддерживая Венеру прохладнее, чем она могла бы быть в противном случае, и фактически предотвращая неконтролируемый парниковый эффект и неконтролируемое глобальное потепление.

Уэй считает, что более вероятным подозреваемым в гибели Венеры является разрушительный вулканизм. В своём богатом историях прошлом Земля переживала продолжительные извержения лавы в отдельных регионах, известных как крупные магматические провинции (КМП), которые длились сотни тысяч, а возможно, и миллионы лет. Каждое из этих событий выбрасывало в атмосферу огромное количество углекислого газа и на какое-то время создавало экстремально высокую температуру на планете. Одно из КМП 252 миллиона лет назад спровоцировало самое масштабное массовое вымирание в истории Земли, практически уничтожив планету.

К счастью для жизни, после каждого из этих LIP-событий Земля постепенно втягивала избыток углекислого газа глубоко в свои каменистые недра, и планета снова охлаждалась. Это происходило благодаря процессу, называемому субдукцией: при столкновении тектонических плит одна плита могла опуститься под другую, увлекая в абиссальные глубины морскую воду, богатую растворённым углекислым газом. Этот углерод остаётся заключённым в нижней мантии в течение эпохальных периодов; часть его в конечном итоге извергается обратно в атмосферу посредством вулканической деятельности. Так, вкратце, регулируется глобальный термостат Земли.

Возможно, что когда на Венере была вода, она также имела тектонику плит земного типа с крупными зонами субдукции. Но эта система не была широко распространена или достаточно масштабна, чтобы спасти ее от планетарного самосожжения — особенно если бы несколько событий LIP произошли примерно в одно и то же время. Модели Уэя показывают, что несколько одновременных LIP могли выбросить огромное количество углекислого газа в атмосферу Венеры, настолько сильно нагрев мир, что большая часть его жидкой воды выкипела в небо, еще больше ускорив потепление. При отсутствии океанов весь этот углекислый газ не мог быть реабсорбирован. Более того, вода является фактором, способствующим субдукции: она понижает температуру плавления горных пород, что позволяет тектоническим плитам легче изгибаться и ломаться. И поэтому, без воды на поверхности, основные зоны субдукции остановились бы, предотвращая захоронение углекислого газа.

Другие учёные склонны соглашаться с оценкой Уэя: одно лишь Солнце не может быть причиной того, что Венера стала таким ужасным местом, в котором она находится сегодня. «Я действительно считаю, что для этого нужно несколько экстремальных вулканических извержений…», — сказала Анна Гюльхер, планетолог из Бернского университета в Швейцарии.

Как сломать мир

Изучая Венеру и её разросшуюся парниковую пустошь, Кейн ощутил болезненное любопытство: может ли та же участь постичь Землю? «Что, если мы остановим углеродный цикл на Земле?» — спросил он. «Можно ли создать Венеру?»

Чтобы это выяснить, он и его команда построили виртуальную машину для уничтожения миров. «Все любят постапокалиптические сценарии или сценарии конца света, если только это происходит через 5 миллиардов лет», — сказал он.

Первым шагом было перенести свою модель Земли примерно на 3,5 миллиарда лет вперёд, к моменту, когда Солнцу и планетам будет 8 миллиардов лет. К этому моменту Солнце будет светить ярче, чем сегодня, а атмосфера Земли будет получать такое же количество раскаленного звёздного света, как Венера, когда ей было всего 1 миллиард лет. Считается, что тогда Венера находилась бы в переломном моменте: либо была бы умеренной и заболоченной, либо сгорела бы дотла. Солнце возрастом 8 миллиардов лет подтолкнёт Землю к аналогичному климатическому кризису.

Модель, разработанная группой, предполагает, что через 3,5 миллиарда лет океаны Земли могут начать испаряться и превратиться в водяной пар, удерживающий тепло в атмосфере. Этого может быть достаточно, чтобы уничтожить основные зоны субдукции Земли, поскольку без воды субдукция, возможно, невозможна (и, кроме того, изначально будет меньше воды, в которой мог бы раствориться углекислый газ). «Мы теряем способность втягивать этот CO2 обратно в мантию Земли. Поэтому он просто накапливается», — сказала Мишель Хилл из Стэнфордского университета, участница проекта «Воссоединение близнецов».

Прекращение работы крупных зон субдукции означало бы, что тектонические плиты Земли перестали бы сталкиваться и толкаться. Вместо этого они образовали бы практически единую каменистую оболочку вокруг горячей мантии. На какое-то время мантия стала бы горячее, поскольку окружающая её оболочка удерживала бы тепло, выделяемое радиоактивными соединениями, распадающимися внутри неё. По мере накопления тепла в недрах, Земля в моделировании Кейна испытала бы всплеск вулканической активности, продолжающийся около 15 миллионов лет.

Этот период, известный как «режим застойной крышки», добавляет в небо ещё больше углекислого газа. Однако всплеск извержений длится недолго. Мантия остывает, а кора утолщается, пока не становится практически непроницаемой для любого крупного вулканического извержения с выбросами углерода.

Таким образом, через 15 миллионов лет после формирования застойной крышки Земля достигнет нового равновесия. Периодические всплески вулканической активности будут продолжаться. (Учёные также обнаружили убедительные доказательства вулканической активности Венеры в наши дни.) Однако Кейн пояснил, что эти спорадические извержения, как ожидается, не приведут к значительному увеличению выбросов углерода в атмосферу.

На этом моделирование команды останавливается. Насколько похожа их модель будущей Земли на Венеру?

Нет места лучше Венеры

Если (или когда) крупномасштабная субдукция Земли прекратится примерно через 3,5 миллиарда лет, что поставит под угрозу способность планеты захоронить углерод, моделирование Кейна и его команды показывает, что уровень углекислого газа в атмосфере вырастет от 0,1 до 0,8 бар. (Для справки: общее атмосферное давление на уровне моря сегодня составляет 1 бар, и примерно 0,04% от него, или 0,042 бара, приходится на углекислый газ.) Даже в их наиболее оптимистичном сценарии повышения уровня углекислого газа на 0,1 бар температура поверхности Земли превысит 100 градусов Цельсия (212 градусов по Фаренгейту). То же самое происходит при давлении 0,8 бар, но гораздо быстрее.

В любом случае, поверхность планеты станет буквально кипящей. Земля «перейдет в состояние пост-выходного парникового эффекта», сказал Кейн. «Температура поверхности будет слишком высокой для любой воды. Она вся выкипит». Ничто на поверхности планеты не выживет.

Тем не менее, Земля не приблизится к состоянию, в котором находится Венера сегодня. «Это будет облегчённая Венера», — сказал Кейн.

Атмосфера Венеры имеет давление 93 бар, состоящее на 96,5% из углекислого газа. «Машина Судного дня» Кейна и его коллег, как бы они её ни загоняли, не способна поднять Землю до таких значений. «Меня это удивило», — сказал он. Поскольку мантия запечатана застойной крышкой, вулканическая активность снижается, защищая Землю от жары, подобной той, что была на Венере, лучше, чем он предполагал.

Независимые ученые высоко оценили проект «Воссоединение близнецов» за то, что он бросил вызов прежним предположениям и внес значительный вклад в дискуссию о конечном состоянии каменистых планет.

«Мне нравится их идея», — сказал Уэй, добавив, что версия будущей Земли, предложенная командой, «не кажется неразумной».

«В итоге получается невероятно жаркий мир», — сказал Бирн, планетолог из Вашингтонского университета. Однако, по его словам, интригует и возможность того, что температура там может быть ниже венерианской.

Команда Кейна признала, что их модель не учла мегаизвержения в стиле LIP, и что эти события вполне могут в любой момент в будущем добавить в атмосферу огромное количество захваченного углерода. Возможно, Земле не повезёт, и она испытает несколько одновременных LIP (хотя, по словам Кейна, со временем это становится менее вероятным, поскольку мантия остывает и её вспенивание замедляется). Если это так, то этот сценарий может привести к тому, что Земля станет больше похожа на Венеру, чем предполагает модель команды.

Неопределенностей предостаточно. Но если команда Кейна хотя бы в общих чертах права, это говорит о том, что Венера имеет исключительно мрачную историю. Что-то — возможно, излияние лавы — сожгло эту планету дотла. Земля же пока не смогла уничтожить себя сама. Будем надеяться, что так будет и в будущем.

Источник: www.quantamagazine.org