Екстремальна сестра землі
Венера, будучи найяскравішої планетою на земній небосхилі, заслужено носить ім'я прекрасної богині любові древніх римлян. Але в той же час, вона стала одним з найбільш прикрих розчарувань вчених на зорі космічної ери. Гіпотетичний тропічний рай, насправді виявився наочною моделлю метеорологічних умов в біблійному пеклі.
Нижче під катом ми постараємося розібратися які космічні та геологічні процеси визначили таку велику різницю між Венерою і її сестрою Землею. А так же, які дії людства в майбутньому можуть повернути «ранкову зірку» статус тропічного раю.
Вперше безпосередні дані про фізичні умови на Венері були отримані з пролітної траєкторії американської станції Марінер 2, в далекому 1962 році. АМС підтвердила теорію про екстремальних умовах на «Ранкової зірки», а саме практична відсутність магнітного поля, сильно розігріта атмосфера (до + 500 ° C) і вкрай затяжні сонячні добу - до 120 земних діб. Пізніше, планета стала об'єктом пильної уваги радянської космічної програми, неофіційно закріпила за Венерою статус «української вотчини». Початок тенденції поклав ще в 18 столітті український учений Михайло Ломоносов, власне відкрив атмосферу планети.
«При виступі Венери із Сонця, коли передній її край став наближатися до сонячного краю і був (як просто оком бачити можна) близько десятої частки Венерина діаметра, тоді з'явився на краю Сонця пупирь, який тим виразніше учинився, ніж ближче Венера до виступу приходила. Незабаром оно пупирь загубився, і Венера виявилася раптом без краю ». 26 травня 1761г.
У 60-х роках передбачалося, що атмосферний тиск на поверхні Венери коливається в межах 10-20 атмосфер, тому перші радянські посадочні станції (Венера 3, 4, 5 і 6), були розчавлені ще на висотах в 25-30км. І лише станція Венера 7, створена з розрахунком на «живучість» при 540 ° C і тиску в 150 атмосфер змогла вперше в історії здійснити м'яку посадку на поверхню іншої планети в семидесятих році. Дані про умови в атмосфері Венери були кардинально переглянуті. Тиск оцінено в 90 атмосфер, а температура в 480 ° C. «Нащадки» цієї станції - Венера 9 і 10, вже в 75ом році передадуть першу в історії панораму поверхні іншої планети.
Панорамні знімки поверхні Венери. Відповідно посадочні станції Венера 9, 10, 13 і 14. Венера 11 і 12 так само зробили посадку і штатно відпрацювали понад 100 хвилин, але зображень передати не змогли
Атмосфера Венери, поряд з радянськими станціями, вивчалася і американськими станціями Піонер-Венера-1 і 2. Вимірювання дали оцінку хімічного складу атмосфери як 97% СО2, 2% Азоту і 0,1% кисню. Діаметр планети 12104 км, маса - 81,2% земної. «Потужна хмарність» закривала поверхню від сонячних променів, виявилася пористої серпанком з 80% сірчаної кислоти, що тягнеться на висотах в 50-70км і відбиває до 75% одержуваного планетою сонячного світла.
Анімація обертання хмарного шару планети, що здійснює повний оборот за 4 земних діб. Незважаючи на такий «глобальний ураган» в верхніх шарах атмосфери, на самій поверхні планети пориви вітру не перевищують декількох метрів в секунду. Справа схема циркуляції атмосфери планети.
У 90-і роки, за допомогою КА «Магеллан» (НАСА), була здійснена детальна радіо картографія практично всієї поверхні Венери. Завдяки цим даним, а так же роботі європейського зонда «Венера експрес», стало ясно, що планета не володіє тектоникой плит, поверхня її не древнє 500 млн років і очевидно вона позбулася величезної кількості води у відносно недалекому минулому. Про це свідчило велике співвідношення дейтерію до молекул води, зареєстрованим «Венерою експрес» у верхніх шарах атмосфери.
На Землі тектоніка плит (що викликає відомий «дрейф континентів»), є важливим механізмом охолодження нашої планети. Верхній шар земної мантії - астеносфера, через специфіки своєї будови і впливу земної гідросфери, має меншу ступінь в'язкості ніж мантія, завдяки чому плити літосфери ковзають по поверхні планети. Така своєрідна активна «система охолодження» створює різницю температур між шарами мантії, значно спрощуючи конвекцію і перенесення тепла з надр на поверхню. Уже в свою чергу в центрі нашої планети знаходиться залізно-нікелеве ядро, розігріте до 5700 ° C за рахунок розпаду радіоактивних елементів (найбільш щільні з'єднання при утворенні планет опускаються в центр небесного тіла). Між ним і мантією розташована оболонка з розплавленого речовини багатого металами, завдяки конвективним процесам, активно передає тепло від твердого ядра нижнім верствам мантії. Конвективний рух в розплавленої оболонці в купе з швидким обертанням нашої планети (динамо-ефект) і створюють потужне магнітне поле, яке захищає нашу планету від сонячної радіації і перешкоджає втраті атмосферою Землі іонів водню і кисню.
Відсутність активної тектоніки плит на Венері дозволяє нам припускати, що віддача тепла верхніми шарами мантії Венери обмежена. Істотної різниці температур між її шарами немає, тому в геологічних масштабах часу відбувається відносно рівномірний «перегрів» внутрішніх областей Венери. Імовірно це і сталося 500 млн років тому, коли планета позбулася надлишків тепла за допомогою глобальної тектонічної активності оновити всю поверхню планети. Побічно на це вказує факт відсутності магнітного поля у планети, хоча навіть сучасний період обертання більш ніж достатній для генерування істотного магнітного поля, за умови здійснення конвективних процесів в рідкому ядрі (яке так само ймовірно відсутня у планети).
Варто зазначити, що Венера має так званим «хибним» магнітним полем, що генерується взаємодією сонячного вітру і іоносфери планети
Така різниця в складі атмосфери і внутрішнім пристрої обох планет, швидше за все, була зумовлена незабаром після появи обох «сестер» з газопилового диска.
Моделювання стародавнього зіткнення Землі з планетою Тейя
Для Землі, зіткнення з планетою Тейя не мало летальних наслідків. Планета зіткнулася з Землею по дотичній, в сторону добового обертання Землі, що додало їй додатковий момент обертання, що склав близько 5 годин, нахил осі обертання змінився на 23,44 °. До 1,3% маси Землі було викинуто на орбіту висотою в 60 000 км, на якій протягом століть сформувалася нинішня Місяць. Довговічність осьового «стабілізатора» нашої планети була забезпечена тим фактом, що Місяць оберталася в ту ж саму сторону, що і Земля, але значно повільніше. Через це приливні взаємодії обох тел поступово віддаляли від нас Місяць, одночасно скорочуючи земну добу. Сьогодні ці значення досягли відповідно 385 000 км і 24 годин.
Вкрай повільне добове обертання Венери дуже проблематично пояснити лише приливними впливами Сонця і Землі. Зазвичай при формуванні планет, особливо великих, енергія, що виділяється при акреції речовини, частково переходить в енергію осьового обертання. Добове обертання практично всіх планет крім Венери і Меркурія, знаходиться в межах 25 годин. Причому Венера обертається в бік, протилежний осьового обертання інших планет. Виняток становить Уран, який в давнину імовірно пережив зіткнення з планетоїдом, буквально відправив планету в «нокдаун» - Уран, як відомо, обертається лежачи на боці. Для вирішення загадки такого повільного добового обертання Венери так само була висунута гіпотеза гігантського зіткнення, яке, швидше за все, довелося по дотичній в сторону, протилежну напрямку обертання планети.
Величезні клуби осколків, викинутих на орбіту планети, могли сформувати досить великий супутник, який можна порівняти за розмірами з Місяцем. Однак так як супутник обертався по ретроградної орбіті (в сторону, протилежну обертанню планети), приливну взаємодію обох тел приводило вже до гальмування як самого супутника, і уповільнення обертання Венери. Зрештою, супутник перетнув межу Роша, де гравітаційні сили планети зруйнували супутник, а уламки впали на Венеру. За іншою моделі удар припав під таким кутом, що Венера буквально перекинулася «з ніг на голову», втративши майже весь момент осьового обертання.
Аналогічний процес відбувається сьогодні між Марсом і його супутником - Фобосом. Так як червона планета обертається повільніше Фобоса, останній поступово втрачає свій орбітальний момент, і імовірно впаде на Марс протягом найближчих 11 млн років.
Вкрай повільне обертання Венери не дозволяє чого - або затримуватися (в геологічно довгий час) на її орбіті. За однією з гіпотез «винуватцем» такої зустрічі міг бути Меркурій, імовірно що втратив більшу частину своєї маси від зіткнення з планетою масою з Венеру. Дана гіпотеза легше пояснює відразу два моменти - куди поділася «зайва» маса Меркурія, і куди «пропав» планетоїд, що зіткнувся з Венерою. Перша утворила разом з уламками Венери великий супутник, що впав потім на планету, а Меркурій, втративши від удару свій орбітальний момент, перейшов на нижчу орбіту.
Повільне добове обертання Венери призводило до перегріву древніх венеріанських океанів, існування яких підтвердила «Венера експрес», і посилювало розкладання ультрафіолетовими променями сонця молекул води на іони водню і кисень. Через вкрай слабкого стародавнього магнітного поля планети, водень залишав планету (диссипация), а сонячний вітер, вільно досягав атмосфери планети, лише посилював ефект, видуваючи легкі елементи в космос. Кисень зв'язувався з поверхневими породами, але навіть зараз його абсолютна маса в атмосфері Венери поступається земній атмосфері лише в три рази. Насичення атмосфери Венери водяними парами, лише посилювало парниковий ефект, який і без того зростав через атмосфери складається з СО2. Подібна позитивний зворотний зв'язок в геологічно короткий час сильно нагріла атмосферу планети. Випарувалася гідросфера, припинилася тектоніка плит, і не зовсім зрозумілі сьогодні процеси призвели до зупинки конвективних процесів в ядрі планети. Венера втратила і без того слабкого магнітного поля, якщо воно взагалі коли небудь було у планети.
Сучасна карта Венери, складена за результатами роботи орбітальних радарів станцій Піонер-Венера, Венери 15, 16 і «Магеллан»
Близько 4 млрд. Років тому, Земля отримувала від молодого сонця лише 70% від тієї енергії, що вона отримує сьогодні. Тому на відміну від Венери, парниковий ефект дається містилися тоді у атмосфері СО2 і метаном (біогенного походження), зіграв швидше позитивну роль, не дозволяючи древнім океанам замерзнути. У свою чергу швидке добове обертання нашої планети не дозволяло цим океанам перегрітися.
Згодом рівень парникових газів неухильно падав паралельно зі збільшенням одержуваної Землею енергії від Сонця. До теперішнього часу практично весь первинний СО2 перероблений в карбонатні відкладення і біомасу. Гідросфера планети в результаті збереглася, а разом з нею і тектоніка плит. Незважаючи на більш швидке обертання планети (в 4 рази швидше, ніж сьогодні) і більш активні конвекційні процеси в ядрі і мантії в давнину, нинішнє магнітне поле Землі приблизно вдвічі потужніша свого найдавнішого попередника.
Гіпотетичний вигляд терраформіровать Венери
Через екстремально складних кліматичних і геологічних умов на планеті, передбачається використовувати комбінований підхід для її освоєння:
1. Здійснити точну бомбардування планети бажано залізними астероїдами, для скорочення тривалості сонячних діб, а так само «очищення» атмосфери від парів сірчаної кислоти. Бомбардування виробляти саме великим числом астероїдів середнього розміру, щоб уникнути руйнування кори планети.
2. Встановлення в точці Лагранжа Л 1 планети величезного екрану, що перешкоджає сонячному світлу досягати Венери, що призведе до охолодження атмосфери і випадання всього СО2 у вигляді «сухого льоду». Другий варіант передбачає лише зниження температури до прийнятного рівня, для доставки на поверхню великої кількості води - при тиску в 90 бар вода не кипить до температури в 300 ° C.
Після охолодження планети такий щит міг би розділяться на декілька елементів і обертатися навколо точки Лагранжа Л 1 таким чином, щоб не перешкоджати сонячним променям досягати атмосфери планети. На ранніх етапах терраформирования такі характеристики щита могли б контролювати кількість сонячного випромінювання досягає Венеру і одночасно виробляти величезну кількість енергії (при складанні екрану з фотоелектричних перетворювачів).
3. Після доставки води на Венеру, найімовірніше шляхом її бомбардування кометами (їх знадобиться кілька десятків тисяч, або близько 100 000 комет розміром з ядро комети Галлея), буде необхідно підтримувати високий атмосферний тиск, поки температура атмосфери не знизиться до оптимальної, достатньої для наступного етапу.
Другий варіант передбачає спочатку охолодити планету до прийнятної температури, і вже потім здійснювати кометний бомбардування, яка одночасно вирішувала б два завдання - доставка води і розкрутка планети.
4. Так чи інакше, для життя людини на поверхні планети, доведеться позбавлятися від 99% маси її дуже щільної атмосфери (которя становить 4,85х10 ^ 17т!). Для цих цілей (можливо на додаток до штучних очисникам атмосфери) добре підходять гіперекстремофіли - найпростіші археї (або їх майбутня штучна модифікація), здатні комфортно існувати до температур в 100 ° C. Ними можна розщепити атмосферу планети на карбонатні поклади (1,35х10 ^ 17т) і вільний кисень (3,5х10 ^ 17т). Якщо доставити до Венери 3,85х10 ^ 16т водню і з'єднати з усім цим «зайвим» киснем, ми отримаємо колосальні маси води, що становлять 1/3 від маси земних океанів!
5. Для захисту цих океанів і майбутнього життя від потоків сонячної радіації, буде створено штучне магнітне поле планети, один з варіантів передбачає розміщення кабелів з надпровідника уздовж екватора Венери.
6. Останній етап, швидше за все, буде полягати в наступному охолодженні планети, остаточної «настройки» фізичних характеристик, складу венеріанській атмосфери і створення біосфери, причому штучне життя може внести істотний внесок на будь-яких з 6 етапів терраформирования.
Можлива карта венеріанській гідросфери після завершення процесів терраформирования
Та все це вимагає набагато більше передового рівня науки і техніки, знання фундаментальних принципів планетарної планетології, геології та генетики, недоступне в наш час. Цілком можливо, що сьогоднішні припущення про способи терраформирования планет здадуться нашим нащадках дещо наївними, або ж навпаки, деякі пункти виявляться пророчими.
Нам же з вами лише залишається сподіватися, що людина в жодному-то столітті, скасує суворий вирок винесений матір'ю природою цієї «богині Краси».