Экстремальная сестра Земли. Прошлое и будущее «Утренней Звезды».

Венера, являясь ярчайшей планетой на земном небосводе, заслуженно носит имя прекрасной богини любви древних римлян. Но в тоже время, она явилась одним из самых досадных разочарований ученых на заре космической эры. Гипотетический тропический рай, на самом деле оказался наглядной моделью метеорологических условий в библейском аду.

Ниже мы постараемся разобраться какие космические и геологические процессы предопределили столь большую разницу между Венерой и ее сестрой Землей. А так же, какие действия человечества в будущем могут вернуть «утренней звезде» статус тропического рая.

Впервые непосредственные данные о физических условиях на Венере были полученные с пролетной траектории американской станции Маринер 2, в далеком 1962 году. АМС подтвердила теорию об экстремальных условиях на «Утренней звезде», а именно практическое отсутствие магнитного поля, сильно разогретая атмосфера (до +500°C) и крайне затяжные солнечные сутки – до 120 земных суток. Позднее, планета стала объектом пристального внимания советской космической программы, неофициально закрепившей за Венерой статус «российской вотчины». Начало тенденции положил еще в 18 веке русский ученый Михаил Ломоносов, собственно открывший атмосферу планеты. 

«При выступлении Венеры из Солнца, когда передний её край стал приближаться к солнечному краю и был (как просто глазом видеть можно) около десятой доли Венерина диаметра, тогда появился на краю Солнца пупырь, который тем явственнее учинился, чем ближе Венера к выступлению приходила. Вскоре оный пупырь потерялся, и Венера оказалась вдруг без края». 26 мая 1761г.

В 60ых годах предполагалось, что атмосферное давление на поверхности Венеры колеблется в пределах 10-20 атмосфер, поэтому первые советские посадочные станции (Венера 3, 4, 5 и 6), были раздавлены еще на высотах в 25-30км. И лишь станция Венера 7, созданная с расчетом на «живучесть» при 540°C и давлении в 150 атмосфер смогла впервые в истории осуществить мягкую посадку на поверхность другой планеты в 70ом году. Данные об условиях в атмосфере Венеры были кардинально пересмотрены. Давление оценено в 90 атмосфер, а температура в 480°C. «Потомки» этой станции — Венера 9 и 10, уже в 75ом году передадут первую в истории панораму поверхности другой планеты. 

Посадочная станция АМС Венера 9, на предполетных испытаниях

Панорамные снимки поверхности Венеры. Соответственно посадочные станции Венера 9, 10, 13 и 14. Венера 11 и 12 так же совершили посадку и штатно отработали более 100 минут, но изображений передать не смогли

Атмосфера Венеры, наряду с советскими станциями, изучалась и американскими станциями Пионер-Венера 1 и 2. Измерения дали оценку химического состава атмосферы как 97% СО2, 2% Азота и 0,1% кислорода. Диаметр планеты 12104 км, масса – 81,2% земной. «Мощная облачность» закрывавшая поверхность от солнечных лучей, оказалась пористой дымкой из 80% серной кислоты, простирающейся на высотах в 50-70км и отражающей до 75% получаемого планетой солнечного света. 

Анимация вращения облачного слоя планеты, совершающего полный оборот за 4 земных суток. Несмотря на такой «глобальный ураган» в верхних слоях атмосферы, на самой поверхности планеты порывы ветра не превышают нескольких метров в секунду. Справа схема циркуляции атмосферы планеты

В 90ые годы, с помощью КА «Магеллан» (НАСА), была осуществлена детальная радио картография практически всей поверхности Венеры. Благодаря этим данным, а так же работе европейского зонда «Венера экспресс», стало ясно, что планета не обладает тектоникой плит, поверхность ее не древнее 500 млн лет и очевидно она лишилась огромного количества воды в относительно недалеком прошлом. Об этом свидетельствовало большое соотношение дейтерия к молекулам воды, зарегистрированным «Венерой экспресс» в верхних слоях атмосферы.

«Венера экспресс» (ЕКА), сестра близнец марсианского аппарата «Марс экспресс», во время облета полюсов Венеры в 2012году

На Земле тектоника плит (вызывающая известный «дрейф континентов»), является важным механизмом охлаждения нашей планеты. Верхний слой земной мантии — астеносфера, из за специфики своего строения и влияния земной гидросферы, имеет меньшую степень вязкости нежели мантия, благодаря чему литосферные плиты скользят по поверхности планеты. Такая своеобразная активная «система охлаждения» создает разницу температур между слоями мантии, значительно упрощая конвекцию и перенос тепла из недр на поверхность. Уже в свою очередь в центре нашей планеты находится железно-никелевое ядро, разогретое до 5700°C за счет распада радиоактивных элементов (наиболее плотные соединения при образовании планет опускаются в центр небесного тела). Между ним и мантией расположена оболочка из расплавленного вещества богатого металлами, благодаря конвективным процессам, активно передающего тепло от твердого ядра нижним слоям мантии. Конвективное движение в расплавленной оболочке в купе с быстрым вращением нашей планеты (динамо-эффект) и создают мощное магнитное поле, защищающее нашу планету от солнечной радиации и препятствующее потере атмосферой Земли ионов водорода и кислорода. 

Интереснейший отрывок передачи о тектонике плит Земли, наглядно объясняющий их природу

Отсутствие активной тектоники плит на Венере позволяет нам предполагать, что отдача тепла верхними слоями мантии Венеры ограничена. Существенной разницы температур между ее слоями нет, поэтому в геологических масштабах времени происходит относительно равномерный «перегрев» внутренних областей Венеры. Предположительно это и произошло 500 млн лет назад, когда планета избавилась от излишков тепла посредством глобальной тектонической активности обновившей всю поверхность планеты. Косвенно на это указывает факт отсутствия магнитного поля у планеты, хотя даже современный период обращения более чем достаточен для генерирования существенного магнитного поля, при условии осуществления конвективных процессов в жидком ядре (которое так же предположительно отсутствует у планеты). 

Стоит оговориться, что Венера располагает так называемым «ложным» магнитным полем, генерируемое взаимодействием солнечного ветра и ионосферы планеты 

Такая разница в составе атмосферы и внутренним устройстве обеих планет, скорее всего, была предопределена вскоре после появления обеих «сестер» из газопылевого диска.

Внутреннее устройство Земли и Венеры 

По общепринятой сегодня гипотезе, Земля на заре своего существования пережила катастрофическое столкновение с крупной планетой размером с Марс, что привело к появлению нашего спутника – Луны. Данное событие вовсе не было эксклюзивом нашей звездной системы того времени. Окрестности современных планет были буквально наводнены крупными планетоидами, то и дело сталкивавшиеся с планетами и дуг с другом. Примерно в тоже время, подобное столкновение Марса с планетоидом диаметром в 2000 км привело к появлению гигантской северной равнины. Меркурий, в свою очередь обладает «слишком» массивным железным ядром для планет земной группы, и предположительно перенес столкновение с крупным планетоидом или планетой, лишившей его до половины массы.

Моделирование древнего столкновения Земли с планетой Тейя

Для Земли, столкновение с планетой Тейя не имело летальных последствий. Планета столкнулась с Землей по касательной, в сторону суточного вращения Земли, что придало ей дополнительный момент вращения, составивший около 5 часов, наклон оси вращения изменился на 23,44°. До 1,3% массы Земли было выброшено на орбиту высотой в 60 000км, на которой в течение столетия сформировалась нынешняя Луна. Долговечность осевого «стабилизатора» нашей планеты была обеспечена тем фактом, что Луна вращалась в туже сторону, что и Земля, но существенно медленнее. Из-за этого приливные взаимодействия обоих тел постепенно отдаляли от нас Луну, одновременно сокращая земные сутки. Сегодня эти значения достигли соответственно 385 000 км и 24часов.

Крайне медленное суточное вращение Венеры очень проблематично объяснить лишь приливными воздействиями Солнца и Земли. Обычно при формировании планет, особенно крупных, энергия, выделяемая при аккреции вещества, отчасти переходит в энергию осевого вращения. Суточное вращение практически всех планет кроме Венеры и Меркурия, находится в пределах 25 часов. Причем Венера вращается в сторону, противоположную осевому вращению остальных планет. Исключение составляет Уран, который в древности предположительно пережил столкновение с планетоидом, буквально отправившим планету в «нокдаун» — Уран, как известно, вращается лежа на боку. Для решения загадки столь медленного суточного вращения Венеры так же была выдвинута гипотеза гигантского столкновения, которое, скорее всего, пришлось по касательной в сторону, противоположную направлению вращения планеты.

Огромные клубы осколков, выброшенных на орбиту планеты, могли сформировать довольно крупный спутник, сравнимый по размерам с Луной. Однако так как спутник вращался по ретроградной орбите (в сторону, противоположную вращению планеты), приливное взаимодействие обоих тел приводило уже к торможению как самого спутника, и замедлению вращения Венеры. В конце концов, спутник пересек предел Роша, где гравитационные силы планеты разрушили спутник, а обломки обрушились на Венеру. По другой модели удар пришелся под таким углом, что Венера буквально перевернулась «с ног на голову», потеряв почти весь момент осевого вращения.

Аналогичный процесс происходит сегодня между Марсом и его спутником – Фобосом. Так как красная планета вращается медленнее Фобоса, последний постепенно теряет свой орбитальный момент, и предположительно упадет на Марс в течение ближайших 11 млн лет.

Крайне медленное вращение Венеры не позволяет чему — либо задерживаться (в геологически долгое время) на ее орбите. По одной из гипотез «виновником» такой встречи мог быть Меркурий, предположительно потерявший большую часть своей массы от столкновения с планетой массой с Венеру. Данная гипотеза легче объясняет сразу два момента – куда делась «лишняя» масса Меркурия, и куда «пропал» планетоид, столкнувшийся с Венерой. Первая образовала вместе с обломками Венеры крупный спутник, упавший затем на планету, а Меркурий, потеряв от удара свой орбитальный момент, перешел на более низкую орбиту.

Меркурий обладает непропорционально большим железо-никелевым ядром по отношению к массе планеты. Оно же, из за приливного влияния Солнца, генерирует магнитное поле планеты, которое в 100 раз слабее земного

Медленное суточное вращение Венеры приводило к перегреву древних венерианских океанов, существование которых подтвердила «Венера экспресс», и усиливало разложение ультрафиолетовыми лучами солнца молекул воды на ионы водорода и кислород. Из-за крайне слабого древнего магнитного поля планеты, водород покидал планету (диссипация), а солнечный ветер, свободно достигавший атмосферы планеты, лишь усиливал эффект, выдувая легкие элементы в космос. Кислород связывался с поверхностными породами, но даже сейчас его абсолютная масса в атмосфере Венеры уступает земной атмосфере лишь в три раза. Насыщение атмосферы Венеры водяными парами, лишь усиливало парниковый эффект, который и без того возрастал из за атмосферы состоящей из СО2. Подобная положительная обратная связь в геологически короткое время сильно нагрела атмосферу планеты. Испарилась гидросфера, прекратилась тектоника плит, и не совсем понятные сегодня процессы привели к остановке конвективных процессов в ядре планеты. Венера лишилась и без того слабого магнитного поля, если оно вообще когда либо было у планеты.

Современная карта Венеры, составленная по результатам работы орбитальных радаров станций Пионер-Венера, Венеры 15, 16 и «Магеллан»

Около 4 млрд. лет назад, Земля получала от молодого солнца лишь 70% от той энергии, что она получает сегодня. Поэтому в отличие от Венеры, парниковый эффект даваемый содержавшимися тогда в атмосфере СО2 и метаном (биогенного происхождения), сыграл скорее положительную роль, не позволяя древним океанам замерзнуть. В свою очередь быстрое суточное вращение нашей планеты не позволяло этим океанам перегреться. 
Впоследствии уровень парниковых газов неуклонно падал параллельно с увеличением получаемой Землей энергии от Солнца. К настоящему времени практически весь первичный СО2 переработан в карбонатные отложения и биомассу. Гидросфера планеты в итоге сохранилась, а вместе с ней и тектоника плит. Несмотря на более быстрое вращение планеты (в 4 раза быстрее, чем сегодня) и более активные конвекционные процессы в ядре и мантии в древности, нынешнее магнитное поле Земли примерно вдвое мощнее своего древнейшего предшественника. 

Укрощение строптивой

Гипотетический вид терраформированной Венеры

Из за экстремально сложных климатических и геологических условий на планете, предполагается использовать комбинированный подход для ее освоения:

1. Осуществить точную бомбардировку планеты желательно железными астероидами, для сокращения длительности солнечных суток, а так же «очистки» атмосферы от паров серной кислоты. Бомбардировку производить именно большим числом астероидов среднего размера, во избежание разрушения коры планеты.

2. Установка в точке Лагранжа Л 1 планеты огромного экрана, препятствующего солнечному свету достигать Венеры, что приведет к охлаждению атмосферы и выпадению всего СО2 в виде «сухого льда». Второй вариант предполагает лишь снижение температуры до приемлемого уровня, для доставки на поверхность большого количества воды – при давлении в 90 бар вода не кипит до температуры в 300°C.

После охлаждения планеты такой щит мог бы разделятся на несколько элементов и вращаться вокруг точки Лагранжа Л 1 таким образом, чтобы не препятствовать солнечным лучам достигать атмосферы планеты. На ранних этапах терраформирования такие характеристики щита могли бы контролировать количество солнечного излучения достигающей Венеру и одновременно вырабатывать огромное количество энергии (при сборке экрана из фотоэлектрических преобразователей).

3. После доставки воды на Венеру, вероятнее всего путем ее бомбардировки кометами (их понадобится несколько десятков тысяч, или около 100 000 комет размером с ядро кометы Галлея), будет необходимо поддерживать высокое атмосферное давление, пока температура атмосферы не понизится до оптимальной, достаточной для следующего этапа. 

Второй вариант предполагает сначала охладить планету до приемлемой температуры, и уже затем осуществлять кометную бомбардировку, которая одновременно решала бы две задачи – доставка воды и раскрутка планеты.

4. Так или иначе, для жизни человека на поверхности планеты, придется избавляться от 99% массы ее очень плотной атмосферы (которя составляет 4,85х10^17т!). Для этих целей (возможно в дополнение к искусственным очистителям атмосферы) хорошо подходят гиперэкстремофилы – простейшие археи (или их будущая искусственная модификация), способные комфортно существовать до температур в 100°C. Ими можно расщепить атмосферу планеты на карбонатные залежи (1,35х10^17т) и свободный кислород (3,5х10^17т). Если доставить к Венере 3,85х10^16т водорода и соединить со всем этим «лишним» кислородом, мы получим колоссальные массы воды, составляющие 1/3 от массы земных океанов!

5. Для защиты этих океанов и будущей жизни от потоков солнечной радиации, будет создано искусственное магнитное поле планеты, один из вариантов предполагает размещение кабелей из сверхпроводника вдоль экватора Венеры. 

6. Последний этап, скорее всего, будет заключаться в последующем охлаждении планеты, окончательной «настройки» физических характеристик, состава венерианской атмосферы и создания биосферы, причем искусственная жизнь может внести существенную лепту на любых из 6 этапов терраформирования. 

Предположительная карта венерианской гидросферы после завершения процессов терраформирования

Все вышеперечисленное требует гораздо более передового уровня науки и техники, знания фундаментальных принципов планетарной планетологии, геологии и генетики, недоступное в наше время. Вполне возможно, что сегодняшние предположения о способах терраформирования планет покажутся нашим потомках несколько наивными, или же наоборот, некоторые пункты окажутся пророческими.

Нам же с вами лишь остается надеяться, что человек в коем-то веке, отменит суровый приговор вынесенный матерью природой этой «богине Красоты».