Венера, ближайшая к нам планета в Солнечной системе, обладает массой и силой тяжести, практически идентичными земным, однако климатические условия на ней кардинально отличаются. Исследователи стремятся выяснить, какие процессы привели к таким различиям и почему Венера потеряла практически всю свою воду. В новой научной работе авторы выдвинули гипотезу о том, что причиной послужила известная химическая реакция, которая ранее не рассматривалась в контексте Венеры.
Венера и Земля возникли в близких условиях. В связи с этим, изотопный состав и объем воды на Венере должны были быть аналогичны показателям нашей планеты. Следовательно, после образования воды ее количества было бы достаточно для формирования глобального океана, достигающего глубины в три километра. Следует подчеркнуть, что маловероятно, чтобы он там действительно был, так как на этой планете всегда преобладали высокие температуры. Согласно имеющимся данным наблюдений, общего количества воды на Венере сейчас недостаточно для формирования даже небольшого водоема высотой в три сантиметра. Более того, в этой воде зафиксировано необычно высокое содержание дейтерия — изотопа водорода, имеющего один нейтрон в ядре. Что могло случиться?
В первые два миллиарда лет Венера утратила значительный объем воды. Высокая температура привела к тому, что часть водяного пара, содержащегося в атмосфере планеты, конденсировалась в верхних слоях. В этих слоях молекулы распадались, и легкие атомы водорода улетучились в космос. В результате содержание атомов тяжелого водорода стало необычайно высоким. Этот процесс описывается как «взрывной парниковый эффект».
Реакция прекращается, когда содержание водорода в верхних слоях атмосферы снижается до отметки в 10 процентов. Впоследствии там происходит понижение температуры, и молекулам водорода больше не хватает энергии для выхода в космическое пространство. Это знаменует собой окончание стадии потери водорода, связанной с тепловыми процессами. Сложность заключается в том, что данный этап приходится на момент, когда на планете все еще сохращается значительное количество воды – достаточно для формирования глобального океана глубиной в 100 метров, в крайних же случаях – в 10 метров. Именно поэтому ученые стремятся разобраться, как Венера прошла путь от десятков метров до нынешних трех сантиметров.
Для осуществления «побега» водород способен аккумулировать энергию и посредством химических реакций. В 2023 году ученые из Колорадского университета в Боулдере (США) изучила было выявлено 47 химических механизмов, объясняющих возникновение «горячего» водорода на Марсе. При этом учитывались высота протекания реакций над поверхностью планеты и количество энергии, доступной молекулам. Наиболее значимым оказался механизм диссоциативной рекомбинации положительно заряженного иона формила (HCO+).
При взаимодействии с электроном катион формила распадается на монооксид углерода (CO) и водород (H). Согласно оценкам специалистов, данный процесс производит больше «горячего» водорода, чем все проанализированные ранее методы.
В новой работе, опубликованной в журнале Nature, согласно оценкам группы ученых, распад HCO+ оказал существенное влияние на атмосферу Венеры. В частности, с распадом HCO+ количество атомов водорода, покидающих атмосферу, увеличилось почти вдвое. Такой интенсивности потери водорода вполне достаточно, чтобы объяснить современные характеристики атмосферы Венеры. Планете хватает времени для «сжатия» и достижения современного состояния после того, как она потеряла первичный водород в результате «парникового» эффекта.
Отсутствие попыток оценить воздействие диссоциативной рекомбинации катиона формила на потерю воды из атмосферы объясняется простой причиной: не существовало необходимых измерений. Спектрометр Pioneer Venus зафиксировал соотношения различных элементов, однако ни одно из них не даёт возможности для оценки HCO+.
В теории, другой прибор мог бы определить ионы HCO+, однако на практике это оказалось невозможным. Инструменты, установленные на аппарате Venus Express, также не обладали достаточной чувствительностью для проведения подобных измерений. Кроме того, он не собрал пробы вещества с той высоты, где происходит реакция HCO+.
Для подтверждения выдвинутых гипотез необходимы дополнительные наблюдения и разработка новых моделей. Запланированные миссии к Венере — DAVINCI, VERITAS, Аппаратура, такая как EnVision и другие, позволит получать данные как в нижних слоях атмосферы, где происходят смешения, так и над облаками. Однако, по мнению авторов исследования, существующие инструменты не смогут зафиксировать утечку водорода и дейтерия, что потребует проведения высокоточных спектральных наблюдений.
Определив текущую скорость потери водорода Венерой, исследователи смогут установить, когда завершился период интенсивной потери воды, известный как «тепличный». В настоящее время считается, что планета непрерывно теряла воду на протяжении всей своей истории, иначе она бы не достигла нынешних размеров. Если же этот процесс был более интенсивным, то, возможно, он стартовал позднее, что указывает на то, что на планете какое-то время могли существовать океаны. Однако, как уже отмечалось, это представляется маловероятным.