Что делает одну планету обитаемой, а другую смертельной ловушкой
Под облаками Венеры — мир, где свинец плавится на поверхности, а серная кислота испаряется, не долетев до земли. Земля и Венера родились почти близнецами: одинаковый размер, масса, состав. Но одна стала садом, другая — адом. Вопрос не в том, что пошло не так у Венеры. Вопрос в том, что удержало Землю от того же сценария.
«С годами мы постоянно слышали, что Венера — это предвестие будущего Земли», — Стивен Кейн, профессор планетной астрофизики из Калифорнийского университета в Риверсайде
Он и его коллеги из проекта Reuniting Twins («Воссоединяя близнецов») решили проверить это предположение. Они взяли модель Земли — и начали её «ломать».
Наследие советских зондов
Всё, что мы знаем о Венере сегодня, — это наследие советских инженеров. С 1961 по 1983 год СССР запустил 28 аппаратов к этой планете. «Венера-4» в 1967 году стала первым зондом, передавшим данные из атмосферы другой планеты. А в 1970 году «Венера-7» совершила то, что до сих пор не удавалось ни одной стране: мягкую посадку на поверхность и передачу данных обратно на Землю.
То, что узнали советские конструкторы, было шокирующим: температура около 450 °C, давление в 90 раз выше земного, атмосфера почти полностью из углекислого газа. До сих пор СССР остаётся единственной страной, успешно посадившей аппарат на поверхность Венеры и получившей данные. Эти цифры стали для науки отправной точкой: Венера — это не просто «теплая сестра», это предупреждение.
Когда Венера ещё была похожа на Землю
Сегодняшняя Венера кажется безнадёжно мёртвой, но её прошлое могло быть гораздо мягче. В атмосфере планеты найден тяжёлый изотоп воды — след того, что когда-то обычной воды было много. Возможно, на Венере существовали полноценные океаны.
Астрономы видят два пути развития событий.
Первый: молодая Венера была накрыта океаном магмы, над которым клубился пар. Вода сразу оказалась в атмосфере, усилила парниковый эффект, и планета очень рано ушла в перегрев.
Второй: магматический океан успел остыть, образовалась твёрдая кора, на которой могли какое-то время плескаться жидкие океаны. В этом случае вопрос меняется: не почему Венера стала адом, а что именно уничтожило её воду и климат.
К середине жизни Солнечной системы Солнце заметно прибавило в яркости. С рождения его светимость выросла примерно на 30 %. Для Венеры это означало, что уже через миллиард лет после рождения системы усиленный свет мог испарить любые её океаны.
Но у «солнечной» версии есть тонкость. Венера вращается чудовищно медленно: её сутки длятся около 116 земных дней. Если бы на освещённой стороне действительно плескались океаны, над ними должны были бы возникать плотные устойчивые облака, отражающие значительную часть солнечного света.
Компьютерные модели Майкла Вэя из NASA Goddard показали, что одних только солнечных лучей может не хватить для превращения Венеры в ад.
«Я думаю, что более правдоподобный сценарий — это разрушительный вулканизм» — Майкл Вэй
Когда вулканы ломают климат навсегда
Тогда на сцену выходят вулканы. На Земле геологи давно знают о крупных базальтовых провинциях — периодах, когда в одном регионе в течение сотен тысяч или миллионов лет лились чудовищные потоки лавы. Каждая такая вспышка сопровождалась выбросом огромного количества CO₂, парниковым перегревом и массовыми вымираниями. 252 миллиона лет назад одна из таких провинций вызвала крупнейшую известную катастрофу в истории жизни.
Землю спас долгий геологический цикл углерода. Наши материки разбиты на литосферные плиты, которые сталкиваются, одна уходит под другую, а вместе с ней в недра затаскивается океанская кора и вода с растворённым в ней углеродом. В глубинах мантии углерод на миллионы лет оказывается заперт в породах. Это медленный, но эффективный «термостат» Земли.
У Венеры, судя по всему, тоже мог быть похожий механизм. Но если несколько гигантских вулканических эпизодов пришлись на одно время, атмосфера могла получить сразу такую дозу углекислого газа, что начался лавинообразный процесс.
«Мне действительно кажется, что нужны несколько экстремальных вулканических эпизодов, чтобы дойти до такого состояния» — Анна Гюльхер, Бернский университет
Вода закипела, превратилась в пар, температура выросла, океаны исчезли. Без воды главный климатический тормоз перестал работать. Вода облегчает субдукцию, снижая температуру плавления пород и помогая плитам гнуться. Когда поверхность высохла, крупная субдукция на Венере, по расчётам, должна была захлебнуться. Углекислый газ уже не было чем закапывать в недра.
Как в компьютере пытались превратить Землю в Венеру
Стивен Кейн задал компьютеру простой, но жестокий вопрос: если взять Землю и лишить её привычного карбонат-силикатного цикла, можно ли получить вторую Венеру?
«Что, если мы отключим углеродный цикл на Земле? Сможем ли мы создать Венеру?» — Стивен Кейн
Для этого они собрали в одной цифровой модели процессы из разных областей: солнечную эволюцию, вулканизм, тектонику плит и климат.
«Всем нравится постапокалиптический сценарий, при условии, что он произойдёт через 5 миллиардов лет» — Стивен Кейн
Исследователи «перемотали» Солнечную систему вперёд на 3,5 миллиарда лет. К этому моменту Солнцу будет около 8 миллиардов лет, оно станет ярче, а поток энергии на Землю сравняется с тем, что когда-то получала молодая Венера.
В моделях Кейна к этому времени океаны Земли начинают испаряться, вода переходит в атмосферу. Водяной пар — сильный парниковый агент, поэтому поверхность разогревается, и заодно исчезает «смазка» для субдукции. В результате крупные зоны погружения плит одна за другой вымирают.
«Мы теряем способность затягивать углекислый газ обратно в мантию Земли. Поэтому он просто накапливается» — Мишель Хилл, Стэнфордский университет
Когда глобальная субдукция прекращается, литосфера превращается в почти непрерывный жёсткий «колпак» — режим застойной коры. Тепло, выделяемое радиоактивным распадом в мантии, хуже уходит через этот панцирь, мантия разогревается, и примерно на 15 миллионов лет планета получает всплеск вулканизма.
Но этот пик недолог. По мере охлаждения внутренностей Земли и утолщения коры мощные извержения сходят на нет. В результате моделируемая планета выходит на новое равновесие: океанов на поверхности уже нет, температура превышает точку кипения.
Почему будущая Земля не станет полной Венерой
На этом этапе естественный вопрос: если на Земле закончится субдукция и вода, почему она не получит такую же атмосферу, как у Венеры?
Кейн и его коллеги честно пытались «догнать» до венерианских условий, но уперлись в ограничение самой физики процесса. По расчётам, после отключения крупномасштабной субдукции давление углекислого газа в атмосфере будущей Земли растёт до значений от 0,1 до 0,8 бара.
Для сравнения: сегодня вся наша атмосфера даёт 1 бар, и лишь около 0,00042 бара приходится на углекислый газ.
Даже в «скромном» сценарии с ростом до 0,1 бара средняя температура поверхности перешагивает отметку кипения воды. Но важно то, что даже при таких значениях Земля остаётся «облегчённой Венерой».
На Венере общее давление около 93 бара, а углекислый газ в её составе — больше 96,5 %. Никаких реалистичных комбинаций потепления и вулканизма для Земли не хватает, чтобы накачать атмосферу до таких величин.
«Это будет "Венера-лайт"» — Стивен Кейн
Режим застойной коры в конечном итоге сам душит крупный вулканизм: мантия остывает, а толстая кора практически не пропускает наружу новые гигантские объёмы газа.
Модель Кейна содержит одну «слепую зону»: команда не включала серию одновременно происходящих мегавулканических эпизодов. В принципе, если будущей Земле не повезёт и несколько таких событий накроют планету почти одновременно, атмосферный углекислый газ может подскочить гораздо выше. Но вероятность такого совпадения со временем падает.
Что это говорит о нас
«Мне нравится их идея. Это звучит вполне разумно» — Майкл Вэй
«В результате получается мир, который чертовски горяч. Но возможность того, что он может быть не таким горячим, как Венера, интригует» — Пол Бёрн, Университет Вашингтона в Сент-Луисе
Венера, скорее всего, пережила особо жёсткую комбинацию факторов: яркое Солнце, мощные и, возможно, перекрывающиеся по времени вулканические эпизоды, быстрый разогрев, исчезновение воды и гибель субдукции. Земля же в тех же моделях, даже лишившись океанов и тектонического «термостата», останавливается на ступеньке ниже.
Когда планетологи спорят о судьбе Венеры, они одновременно обсуждают две большие темы. Первая: насколько долгая и узкая «дорожка жизни» у каменистых планет, похожих на Землю. Вторая: насколько уникальным оказался наш конкретный комплект исходных условий.
«Как долго Земля будет обитаемой?» — Пол Бёрн
Проект Reuniting Twins честно признаёт: неопределённостей всё равно много, а сама по себе Земля в этих моделях выглядит скорее аккуратно удержавшейся от самоуничтожения, чем обречённой на него.
Утешает только одно: даже если все описанные процессы пойдут по худшему сценарию, речь идёт о расстояниях в миллиарды лет. К тому моменту, когда Солнце окончательно превратит Землю в «облегчённую Венеру» с кипящим ландшафтом, человечество или его наследники либо давно уйдут в другие миры, либо исчезнут.
В каком-то смысле единственный по-настоящему острый климатический кризис, который нам приходится решать, тот, который мы создаём собственными руками здесь и сейчас — на фоне очень хрупкого и временного статуса Земли как обитаемого оазиса.
**********
Данный текст представляет собой популярный пересказ научной статьи и связанных исследований в вольной форме. Он не заменяет собой оригинальные публикации и может опускать отдельные технические детали и оговорки.
**********
Список источники:
- Kane S. et al. Reuniting Twins: Lessons from Venus Regarding Earth's Future. AbSciCon 2022
- Way M. J. et al. Was Venus the first habitable world in our solar system? Geophysical Research Letters, 2016
- Tret'akov V. P. Venera 4: First atmospheric probe. ESA Space Science Symposium, 2002
- Sagdeev R. Z., Zakharov A. V. The Soviet Venera program: A legacy of discovery. Space.com, 2021
**********
Я не учёный — просто люблю читать тех, кто им является. Все факты проверены по научным источникам, открытые вопросы названы открытыми. Нашли ошибку — пишите в комментарии, буду благодарен.
Пишу о вещах, после которых по-другому смотришь на мир вокруг. Если это ваше — подписывайтесь.
**********
#космос #астрономия #планетология #Венера #Земля #климат #наука #популяризация_науки #NASA #СССР