Сотни тысяч симуляций определили, как Венера могла стать «адской» планетой

Фото из открытых источников

Венера все чаще становится объектом изучения экзопланет, поскольку такие миссии, как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) и готовящаяся к запуску обсерватория обитаемых миров (HWO), начинают характеризовать каменистые экзопланеты вокруг других звезд. Понимание различий в эволюции Венеры и Земли, которые привели к столь разным результатам, является ключом к пониманию того, имеем ли мы дело с аналогом Земли или с адским ландшафтом, подобным Венере. В новой статье Родольфо Гарсиа из Вашингтонского университета и его коллег, доступной в виде препринта на arXiv, моделируется 4,5-миллиардная эволюция Венеры как части Солнечной системы, чтобы попытаться понять некоторые из этих различий.

Для проведения этого моделирования они использовали программное обеспечение с открытым исходным кодом под названием VPLanet, которое позволяет им варьировать множество начальных условий формирования планеты, а также физические параметры изменяющегося мира. 

Они провели 234 000 симуляций общей продолжительностью 4,5 миллиарда лет, основываясь на одном главном предположении — что Венера всегда находилась в тектоническом режиме «застойной крышки», что означает, что её кора никогда не распадалась на движущиеся плиты, как Земля. Сама модель связывает внутреннее строение планеты, литосферу (то есть её кору) и атмосферу, и авторы выбрали три ограничения, которые имитировали среду современной Венеры.

Во-первых, уровень углекислого газа в атмосфере должен составлять около 92 бар парциального давления. Во-вторых, уровень воды в атмосфере должен составлять около 3 миллибар парциального давления. И в-третьих, магнитный момент планеты должен быть менее чем в 100 000 раз меньше, чем у Земли — это показатель отсутствия активного динамо-механизма в ядре планеты. Из 234 000 проведенных ими симуляций только 808, или 0,35%, успешно воспроизвели эти результаты.

Успешные результаты моделирования можно разделить на четыре различных эволюционных пути. Наиболее распространенным является «традиционный» сценарий. В этом случае мантия и ядро плавно остывают с течением времени, что обычно и предсказывается предыдущими моделями. Около 72% успешных результатов моделирования попадают в эту категорию.

Второй успешный сценарий, составлявший около 18% от всех сработавших моделей, показывает Венеру, находящуюся в состоянии магнитного угасания. В этих сценариях планета теряет огромное количество воды из мантии, что вызывает «обезвоживание и затвердевание». Это, в свою очередь, снижает вязкость мантии, утолщая застойную крышку тектонической плиты. Это блокирует внутренний тепловой поток планеты, снижая количество расплавленной породы в ядре до менее чем 1%.

В 10% сценариев внутреннее ядро так и не сформировалось. В этих моделях твердое внутреннее ядро, приводящее в движение активный динамо-механизм планеты, никогда не превышало 80% от общего размера ядра, а в некоторых случаях твердое ядро вообще не образовалось. Последний сценарий включал редкий случай, когда планета в течение первых 500 миллионов лет переживала резкие, осциллирующие колебания внутренней температуры и свойств, прежде чем стабилизироваться в своем нынешнем состоянии.

Согласно статье, некоторые параметры планеты сыграли решающую роль в том, насколько успешно моделирование имитировало нынешнюю среду Венеры. К наиболее важным из них относились начальное содержание воды в мантии, вязкость мантии, прочность на дегидратацию, эффективность извержений вулканов и температура плавления ядра.

Все эти сценарии и параметры могут показаться просто разными путями в ад, но, пожалуй, самая интересная часть исследования — это его предсказания. Согласно статье, во всех успешных моделях Венера смогла удержать значительное количество воды в глубине своих недр — по меньшей мере, столько же, сколько целый океан на Земле. Они предсказывают, что Венера по-прежнему геологически активна, просто на более низком уровне, чем предсказывают некоторые другие модели.

Одно из предсказаний, которое вскоре может подтвердиться, — это идея о том, что у Венеры в начале её существования было магнитное поле. В 88% успешных моделирований это подтвердилось, и остатки этого поля могут быть заключены в поверхностных породах планеты. Зонд, отправленный для сканирования поверхности, мог бы уловить этот сигнал и определить, имело ли когда-либо Венера активное ядро.

К счастью, три миссии готовятся к исследованию нашей планеты-сестры. В конце этого десятилетия и в начале следующего Венеру посетят три миссии — DAVINCI и VERITAS, обе возглавляемые НАСА, и EnVision, которой управляет ЕКА. Они планируют заглянуть сквозь плотные облака, составить карту поверхности планеты и взять пробы атмосферы для измерения изотопных соотношений. Если все пройдет по плану, они смогут начать подтверждать некоторые предсказания, сделанные в этой статье, что позволит нам лучше понять, насколько история ближайшего к нам соседа так сильно отличалась от нашей собственной.