Астрономы объяснили, как Венера так быстро потеряла воду из атмосферы

Венера и Земля сформировались в схожих условиях. Поэтому изотопный состав и количество воды на Венере должны быть такими же, как на нашей планете. Значит, после формирования воды на ней хватило бы на глобальный океан глубиной в три километра. Отметим, что вряд ли он там действительно был, поскольку на этой планете всегда было жарко. Сегодня же, судя по данным наблюдений, всей воды на Венере едва ли хватит создать трехсантиметровый «океан». К тому же в этой воде аномально много дейтерия — изотопа водорода с одним нейтроном в ядре. Что произошло?

Значительную часть своей воды Венера потеряла в первые два миллиарда лет. Из-за жары часть водяного пара, которым была насыщена атмосфера планеты, осела в верхних слоях. Там молекулы распались, и легкие атомы водорода вырвались в космос. Именно за счет этого доля атомов тяжелого водорода стала аномально высокой. Такой сценарий называют «взрывным парниковым эффектом».

Процесс останавливается, как только концентрация водорода в верхних слоях падает ниже 10 процентов. Тогда температура там опускается, и молекулам водорода уже не хватает энергии на космический полет. На этом завершается «термический» период потери водорода. Проблема в том, что этот «перелом» наступает, когда на планете остается еще достаточно воды — хватило бы примерно на 100-метровый глобальный океан, в экстремальном случае — на 10-метровый. Вот ученые и пытаются понять, как Венера прошла путь от десятков метров до современных трех сантиметров.

Энергию, достаточную для «побега», водород может получить и в результате химических процессов. В 2023 году группа исследователей из Колорадского университета в Боулдере (США) изучила 47 химических механизмов появления такого «горячего» водорода на Марсе. Они учли высоту протекания реакций над поверхностью планеты и то, сколько энергии могут получить молекулы. Оказалось, самый влиятельный механизм — так называемая диссоциативная рекомбинация положительно заряженного иона формила (HCO+).

При встрече с электроном катион формила распадается на монооксид углерода (CO) и водород (H). По оценкам ученых, этот процесс дает больше «горячего» водорода, чем все остальные ранее исследованные процессы.

В новой работе, опубликованной в журнале Nature, группа ученых оценила, как распад HCO+ мог повлиять на атмосферу Венеры. Выяснилось, что значительно. С распадом HCO+ количество «убегающих» атомов водорода почти удвоилось. И такой скорости потери уже достаточно, чтобы объяснить современные условия Венеры. Планете хватает времени «усохнуть» и достичь современного равновесия за период после первичной «парниковой» утраты водорода.

Причина, почему никто не пробовал оценить влияние диссоциативной рекомбинации катиона формила на потерю воды из атмосферы, проста: не проводились подходящие измерения. Спектрометр Pioneer Venus измерил соотношения элементов, ни одно из которых не позволяет оценить HCO+.

Другой его инструмент в теории мог бы засечь ионы HCO+, но на практике не смог. Инструментам аппарата Venus Express тоже не хватало чувствительности на такие измерения. К тому же он не собрал образцы с той высоты, где протекает реакция HCO+.

Чтобы проверить предположения, нужны новые наблюдения и модели. Планируемые миссии на Венеру — DAVINCI, VERITAS, EnVision и другие — смогут собрать измерения как в «перемешанных» нижних слоях атмосферы, так и над облаками. К сожалению, их инструменты тоже не смогут отследить «убегающие» водород и дейтерий. По словам авторов исследования, для этого нужно провести высокоточные спектральные наблюдения.

Узнав, с какой скоростью Венера теряет водород сегодня, ученые смогут оценить, когда на этой планете закончился «тепличный» период потери воды. Сейчас мы думаем, что планета теряла воду на протяжении всего времени своей жизни, поскольку иначе она бы не успела так «усохнуть». Если же процесс протекал быстрее, он мог начаться позже. А значит, какое-то время на планете могли быть океаны. Впрочем, как уже упоминалось, это маловероятно.