Вчені пояснили, як Венера так швидко втратила воду з атмосфери

Венера, наша сусідка за Сонячною системою, за масою та силою тяжіння гранично схожа на Землю, але за умов неймовірно далека від неї. Вчені намагаються зрозуміти, що сталося з цією планетою, і чому вона втратила майже всю свою воду. Автори нової роботи висловили припущення, що винуватець — відома хімічна реакція, яку просто не пробували розрахувати для Венери.

Венера і Земля сформувалися у подібних 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 завглибшки три кілометри. Зазначимо, що навряд чи він там справді був, оскільки на цій планеті завжди було спекотно. Сьогодні, 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 у 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 завдяки цьому частка атомів важкого водню стала аномально високої. Такий сценарій називають «вибуховим парниковим ефектом».

Процес зупиняється, коли концентрація водню у верхніх шарах падає нижче 10 відсотків. Тоді температура там опускається, і молекул водню вже не вистачає енергії на космічний політ. У 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. Ось вчені і намагаються зрозуміти, як Венера пройшла шлях від десятків метрів до сучасних трьох сантиметрів.

Енергію, достатню для втечі, водень може отримати і в результаті хімічних процесів. 2023 року група дослідників з Колорадського університету в Боулдері (США) вивчила 47 хімічних механізмів появи такого «гарячого» водню на Марсі. Вони врахували висоту протікання реакцій над поверхнею планети та те, скільки енергії можуть отримати молекули. Виявилося, що найвпливовіший механізм — так звана дисоціативна рекомбінація позитивно зарядженого іона формувала (HCO+).

При зустрічі з електроном катіон формила розпадається на монооксид вуглецю (CO) та водень (H). За оцінками вчених, цей процес дає більше «гарячого» водню, ніж решта раніше досліджених процесів.

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 «втікають», майже подвоїлася. І такої швидкості втрати вже достатньо, щоби пояснити сучасні умови Венери. Планеті вистачає часу «усохнути» і досягти сучасної рівноваги за період після первинної «парникової» втрати водню.

Причина, чому ніхто не пробував оцінити вплив дисоціативної рекомбінації катіону, формила на втрату води з атмосфери, проста: не проводилися відповідні вимірювання. 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 та моделі. Заплановані місії на Венеру — DAVINCI, VERITAS, EnVision та інші — зможуть зібрати виміри як у «перемішаних» нижніх шарах атмосфери, так і над хмарами. На жаль, їх 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 свого життя, оскільки інакше вона б не встигла так «усохнути». Якщо ж процес протікав швидше, міг розпочатися пізніше. Отже, якийсь час на планеті могли бути океани. Втім, як згадувалося, це малоймовірно.