Что будет, если…

Будет ли в нашей солнечной системе больше пригодных для жизни миров?

Этот вопрос был поднят на конференции «Сравнительной климатологии планет земной группы III»; Встреча прошла в Хьюстоне в конце августа. В ней приняли участие ученые из различных дисциплин, включая астрономов, климатологов, геофизиков и биологов, чтобы составить картину того, что влияет на окружающую среду на скалистых мирах в нашей солнечной системе и далеко за ее пределами.

Вопрос о Венере и Марсе был предложен как «мысленный эксперимент» для концептуального понимания темы. Орбита Земли находится между Венерой и Марсом, при этом Венера ближе к Солнцу, а Марс — дальше. Хотя оба наших соседа — скалистые миры, ни один из них не является обитаемым.

Масса Марса составляет всего одну десятую массы Земли, с тонкой атмосферой, которую смывает солнечный ветер; поток частиц высокой энергии, истекающий от Солнца. Без значительной газовой оболочки, удерживающей тепло, температура на поверхности Марса в среднем составляет 60 °C. Примечательно, что Марс вращается в пределах классической зоны обитаемости (где на планете, похожей на Землю, может находиться жидкая вода), но крошечная планета не может регулировать свою температуру так же хорошо, как Земля.

В отличие от Марса, Венера имеет почти такую ​​же массу, как Земля. Однако планета задыхается из-за плотной атмосферы, состоящей в основном из углекислого газа. Способность этих газов удерживать тепло поднимает температуру поверхности до уровня плавления свинца 460 °C.

Но что, если бы мы могли поменять орбиты этих планет, чтобы Марс оказался ближе к Солнцу, а Венера — дальше? Обнаружим ли мы, что больше не являемся единственным обитаемым миром в солнечной системе?

Что будет с Марсом на орбите Венеры?

«Современный Марс на орбите Венеры был бы довольно зажаренным по земным стандартам», — предполагает Крис Колоз, климатолог из Института космических исследований имени Годдарда НАСА и предложивший эту тему для обсуждения.

Если перетащить текущий Марс на орбиту Венеры, то количество солнечного света, попадающего на красную планету, увеличится. Поскольку разреженная атмосфера мало влияет на температуру поверхности, средняя температура должна повыситься примерно до 32 °C, как в тропиках Земли. Однако тонкая атмосфера Марса представляет проблему.

Колоз отметил, что без более плотной атмосферы или океана тепло не будет эффективно переноситься вокруг Марса. Это приведет к экстремальным сезонам и температурным градиентам между днем ​​и ночью. Тонкая атмосфера Марса создает поверхностное давление всего 6 мбар по сравнению с 1 бар на Земле. При таком низком давлении температура кипения воды резко падает, и вся чистая поверхностная вода испарится.

На Марсе действительно есть ледяные шапки, состоящие из замороженного углекислого газа, и большая часть парниковых газов утонула в почве. Краткий проблеск надежды на маленький мир возник в ходе дискуссии с предположением, что они будут высвобождаться при более высоких температурах на орбите Венеры, обеспечивая Марс более плотной атмосферой.

Однако недавние исследования показывают, что на Марсе недостаточно захваченного углекислого газа, чтобы создать существенную атмосферу на Марсе. В статье, опубликованной в Nature Astronomy, Брюс Якоски из Университета Колорадо и Кристофер Эдвардс из Университета Северной Аризоны подсчитали, что таяние ледяных шапок обеспечит максимум атмосферы в 15 миллибар.

Для выделения углекислого газа, заключенного в марсианских породах, потребуется температура, превышающая 300 °C, что слишком велико для Марса даже на орбите Венеры. 15 миллибар удваивают давление нынешней атмосферы на Марсе и превосходят так называемую «тройную точку» воды, которая должна позволять жидкой воде существовать. Однако в сухом марсианском воздухе испарение будет быстрым. Затем мы сталкиваемся с другой проблемой: Марс плохо удерживает атмосферу.

Миссия НАСА по исследованию атмосферы и неустойчивой эволюции Марса (MAVEN). Данные MAVEN показали, что атмосфера Марса была разрушена солнечным ветром. Это проблема, которая обострится на орбите Венеры.

«Атмосферные потери будут происходить быстрее в текущем положении Венеры, поскольку динамическое давление солнечного ветра увеличится», — сказал Чуанфей Донг из Принстонского университета, который смоделировал атмосферные потери на Марсе и внесолнечных планетах.

Это «динамическое давление» представляет собой комбинацию плотности частиц солнечного ветра и их скорости. Скорость не сильно меняется между Марсом и Венерой, — объяснил Донг, — но близость Венеры к Солнцу увеличивает плотность почти в 4,5 раза. Это означало бы, что атмосфера на Марсе будет потеряна даже быстрее, чем в его нынешнем положении.

«Я подозреваю, что это будет просто более разогретый камень», — заключил Колоз.

В то время как Марс, кажется, чувствует себя не лучше в месте нахождения Венеры, что, если Венеру отбуксировать на текущую орбиту Марса?

Станет ли Венера, попав в обитаемую зону, вторым обитаемым миром?

Удивительно, но охлаждение Венеры может оказаться не таким простым делом, даже при уменьшении количества солнечного света. У Венеры очень высокое альбедо, а это означает, что планета отражает примерно 75% получаемой радиации. Удушающие температуры на поверхности планеты связаны не с высоким уровнем солнечного света, а с толщиной атмосферы. Следовательно, условия на планете немедленно не изменятся, если Венера будет вращаться в более прохладном месте на орбите Марса.

«Атмосфера Венеры уравновешена», — отметил Кевин МакГоулдрик из Университета Колорадо, научный сотрудник японской миссии Акацуки по исследованию атмосферы Венеры. «Это означает, что ее нынешняя структура зависит от солнечного излучения. Если вы измените это излучение, атмосфера в конечном итоге изменится, но это вряд ли произойдет быстро».

Что именно произойдет с атмосферой Венеры в долгосрочной перспективе, не очевидно. Возможно, планета будет постепенно охлаждаться до более умеренных условий. С другой стороны, блестящее альбедо планеты может уменьшаться по мере охлаждения верхних слоев атмосферы. Это позволило бы Венере поглотить большую часть излучения, которое достигло своей новой орбиты, и помогло бы поддерживать удушающие условия на поверхности. Чтобы действительно охладить Венеру, возможно, придется вытащить за пределы обитаемой зоны.

Кажется, что простая смена орбит нынешних Венеры и Марса не приведет к возникновению второго пригодного для жизни мира. Но что, если две планеты образовались в противоположных местах? Маловероятно, что Марсу было бы лучше, но смогла бы Венера избежать формирования своей плавящей свинец атмосферы и стать второй Землей?

На первый взгляд это кажется очень вероятным. Если бы Землю толкнуть внутрь на орбиту Венеры, вода начала бы быстро испаряться. Как и углекислый газ, водяной пар является парниковым газом и помогает удерживать тепло. Таким образом, температура на планете будет продолжать расти в неустойчивом цикле, пока вся вода не испарится. Этот «беглый парниковый эффект» — возможная история Венеры, объясняющая ужасающие условия ее поверхности. Если бы вместо этого планета образовалась в пределах обитаемой зоны, этого процесса не было бы, как у Земли.

«Когда я предложил эту тему, я задался вопросом, существовали бы две обитаемые планеты (Земля и Венера), если бы Марс и Венера сформировались в противоположных местах», — сказал Колоз.

Но обсуждение в группе показало, что очень трудно получить какие-либо гарантии того, что планета станет пригодной для жизни. Одним из примеров является кора планеты. Кора Венеры сплошная, а не набор фрагментированных пластин, как на Земле. Наши плиты позволяют осуществлять процесс, известный как тектоника плит, при котором питательные вещества циркулируют по поверхности и мантии Земли, чтобы поддерживать жизнь. Однако непонятно, почему Земля образовалась, таким образом, а Венера — нет.

Исследование, проведенное Мэттом Веллером из Техасского университета, предполагает, что формирование тектоники плит могло быть в основном связано с удачей. Небольшие случайные колебания могут отправить две идентичные планеты по разным эволюционным путям, при этом на одной будет развиваться тектоника плит, а на другой – сплошная кора.

Более теплая орбита Венеры, возможно, сократила бы период времени, в течение которого могла развиться тектоника плит, но перемещение планеты на орбиту Марса не дает никаких гарантий возникновения коры, перемещающей питательные вещества.

Однако также неизвестно, действительно ли тектоника плит необходима для обитаемости. Во время дискуссии было указано, что и Марс, и Венера демонстрируют признаки прошлой вулканической активности, что могло бы быть достаточным действием для создания пригодной для жизни поверхности при правильных условиях.