Привет, SE7EN.
На страницах этого блога я не раз делал срезы новейших исследований, помогающих осмыслить, как Венера и Марс стали безжизненными, а Земля при этом сохраняет стабильную густонаселённую биосферу. Парадоксально, что безжизненность Венеры обусловлена сильнейшим парниковым эффектом, а на Марсе парниковый эффект практически отсутствует из-за того, что Марс потерял почти всю свою атмосферу – и из-за этого стал таким, каков он сейчас. Возможно, причина марсианского угасания заключается в специфике его геологической истории, и в далёком будущем климат Марса ещё может ненадолго стать чуть мягче.
Кроме того, я затрагивал тему приливного захвата — так называется ситуация, в которой спутник всегда обращён к планете одной стороной (как Луна к Земле), либо планета всегда обращена одной и той же стороной к родительской звезде. В этой статье я хочу затронуть удивительный феномен – оказывается, Венера сейчас уже почти застыла в приливном захвате, но именно её мощная атмосфера и причудливая метеорологическая нестабильность не дают планете окончательно остановиться.
В отличие от остальных планет Солнечной системы, Венера обращается вокруг своей оси в направлении, противоположном движению по орбите. При этом такое суточное вращение происходит исключительно медленно. Венера совершает полный оборот вокруг своей оси за 243 земных дня, а длительность года на Венере — чуть менее 225 земных дней. Более того, в начале XXI века было открыто, что скорость вращения Венеры подвержена заметным флуктуациям. В настоящее время невозможно с уверенностью сказать, чем объясняются эти аномалии, но, по аналогии с Землёй, рассматривалась импактная гипотеза. Возможно, в глубокой древности Венера столкнулась с планетезималью или одной из скалистых планет. Такая гипотеза кажется правдоподобной, поскольку после 2023 года и геологические данные, и компьютерное моделирование указывают на подобное событие в истории Земли – столкновение нашего мира с планетой Тейя. Венера, теоретически, также могла претерпеть такой катаклизм; согласно одной из теорий, это могли быть даже столкновение или близкий контакт Венеры и прото-Меркурия. Но, как я уже упоминал в этой статье, поверхность Венеры чрезвычайно молода с геологической точки зрения. Поэтому импактная гипотеза остаётся аналогией. С другой стороны, бурные атмосферные процессы могут объяснять как странности с вращением Венеры, так и то, что это вращение до сих пор не остановилось. Эти процессы складываются из сочетания приливных взаимодействий между Венерой и Солнцем и собственной венерианской метеорологии.
Эта схема помогает понять, почему венерианская атмосфера принципиально отличается от земной не только с химической точки зрения, но и с физической. Доля углекислого газа в венерианской атмосфере значительно превышает долю азота в земной атмосфере (более 77%). При этом плотность углекислого газа составляет 1,98 кг/м3, тогда как плотность азота – всего 1,256 кг/м3. Верхняя граница атмосферы проводится условно, но в настоящее время атмосфера Венеры примерно в 90 раз толще земной и в 93 раза массивнее (тяжелее). Плотность венерианской атмосферы на поверхности планеты составляет примерно 67 кг/м³, а давление (за счёт вышеупомянутой мощности) сравнимо с давлением на дне земного океана, которое устанавливается на глубине 600-700 метров. Поэтому с учётом вязкости атмосфера Венеры больше похожа на земной океан, чем на земную атмосферу, а ветры сближаются по свойствам с приливами или перманентными волнами.
В настоящее время планируются роботизированные экспедиции, призванные изучить динамику нижних слоёв венерианской атмосферы. Особенно заметны среди них два проекта NASA: «VERITAS», запланированный на 2031 год и «DAVINCI» (старт планируется на конец 2030 года, а основная работа на орбите Венеры — на 2034-2035 годы). В верхних слоях венерианской атмосферы не наблюдается такой высокой температуры и кислотности, как в тропосфере. Условия в этих слоях настолько сильно похожи на земные, что даже рассматривалась их колонизация и развёртывание над Венерой постоянно обитаемых научных станций-аэростатов. В наше время вполне можно представить себе полностью роботизированные станции такого рода, которые позволили бы составить непротиворечивую картину венерианской атмосферной динамики.
Планета высоких ветров
На Венере скорость ветра может в 60 раз превышать скорость движения планеты. Как я указывал выше, на оборот Венеры вокруг своей оси ходит 243 земных дня, но атмосферные массы в отдельных случаях огибают планету за 4 земных дня. Для сравнения: на Земле скорость движения воздушных масс составляет всего 10-20% от скорости вращения планеты. На Венере бурная циркуляция атмосферы фиксируется уже на вершинах облаков и охватывает всю её толщу.
В частности, такое активное перемешивание способствует частичному отводу избытков тепла из дневного полушария в ночное, сглаживая температурную разницу между полушариями.
Новейший период изучения венерианской атмосферы, о котором я хотел поговорить в этой статье, начинается в 2015 году, когда на орбиту Венеры был выведен зонд «Акацуки» (это была вторая попытка; первая, предпринятая в 2010 году, не удалась). Основные задачи зонда заключались в зондировании верхнего слоя облаков, измерении их температуры и вариаций химического состава, анализе плотности диоксида серы и капелек серной кислоты, а также в наблюдении за молниями. Но аппарат выявил и удивительные закономерности циркуляции атмосферы. Дальнейшие исследования, о которых пойдёт речь в этой статье, выполнены в основном японскими учёными.
В 2016 году группа под руководством Такэхико Сато открыла в атмосфере Венеры крупную стационарную структуру, напоминающую гравитационную волну. Она простирается над вершинами облаков, имеет около 10 000 километров в длину и явственно изогнута. При этом, несмотря на бурное вращение атмосферы, эта «волна» остаётся стабильной.
В 2018 году эта волна была проанализирована в статье, главным автором которой выступил Себастьян Лебонуа. Авторы заключили, что это гравитационная волна, которая может сохраняться в атмосфере Венеры именно потому, что вся атмосфера движется в одном направлении. В земной атмосфере ничего подобного не образуется, так как на нашей планете существуют циклоны и антициклоны, а также постоянно перемешиваются встречные воздушные массы континентального и морского происхождения. Ранее Лебонуа также доказал, что в верхних слоях атмосфера Венеры напоминает не столько смесь газов, сколько сверхкритическую жидкость, о чём писал на SE7ENе уважаемый @alizar. Более того, в упомянутой статье 2018 года были приведены первые модели, демонстрирующие, что эта волна измеримо тянет за собой всю планету, тем самым влияя на скорость вращения Венеры. Но в основе сверхскоростной циркуляции венерианской атмосферы лежат более сложные факторы. В совокупности они позволяют заключить, что Венера балансирует на грани попадания в приливный захват.
В экваториальном поясе на дневной стороне Венеры в атмосфере возникают приливные волны, вызванные солнечным разогревом. Аналогичные, менее выраженные волны, возникают на ночной стороне – причина их формирования также связана с разницей температур. В низких широтах такие «приливы» и «отливы» на Венере остаются глобальными, и лишь в полярных областях атмосферная динамика более разнообразная, в частности, может наблюдаться турбулентность..
Движение этих волн удобно отслеживать по верхушкам облаков, особенно, если при этом удаётся заглядывать в толщу атмосферы. Зонд Акацуки оснащён внушительным набором камер для этого: одна работает в ультрафиолетовом спектре, одна в видимом и три в инфракрасном. Фиксируя движение облаков, можно измерять скорость ветра. Именно такое исследование, которое вполне помогло объяснить суперротацию венерианской атмосферы, выполнила в 2020 году международная команда учёных под руководством Такеши Хоринучи из университета Хоккайдо.
Они выяснили, что приливные волны суперротации формируются близ экватора, и вызваны они как приливным взаимодействием между Солнцем и Венерой, так и разогревом планеты за счёт поглощения солнечной лучистой энергии. Чем выше широты, тем более выраженной становится такая суперротация на уровне верхних облаков.
С другой стороны, разница атмосферных температур в различных широтах оказалась настолько небольшой и ровной, что её не объясняли зональные ветры, ранее зафиксированные преимущественно в 50-х широтах Венеры по материалам, которые собрал зонд Venus Express (VEX) Европейского космического агентства, работавший на орбите Венеры с 2006 по 2014 годы. По данным исследований и 3D-моделей, выполненных в 2008 году в Университете Страны Басков, были отслежены траектории более 2000 отдельных венерианских облаков. Очертания облаков уточнялись по данным спектрометра VIRTIS, установленного на том же зонде, изучалась в основном область от экватора до 50-55˚ южной широты. Были учтены данные по 625 облакам на высоте около 65 километров, 662 облакам на высоте около 61 километра и 932 облака на высоте от 45 до 47 километров. Скорость атмосферных масс в этих широтах отличается от 370 км/ч в верхнем слое облаков до 210 км/ч в самом низком из рассмотренных, но скорость ветров во всех этих слоях является примерно одинаковой и не объясняет такую разницу в скорости, вернее, значительное возрастание скорости облаков с увеличением высоты.
Только после анализа данных зонда Акацуки выяснилось, что на границе средних и высоких широт пролегает глобальная венерианская приливная волна, огибающая планету примерно за 4 земных суток. Возможно, постепенно этот эффект добавился к венерианским ветрам, но к настоящему времени является на Венере преобладающим метеорологическим фактором. Прилив одновременно даёт механический эффект, оттесняя зоны наиболее ветреной погоды от экватора к высоким широтам (а ближе к экватору поддерживая «относительный штиль»), и терморегулирующий эффект. Благодаря приливу пока на Венере сохраняется отвод избытков тепла на ночную сторону, чего в настоящее время уже не могло бы обеспечить одно лишь суточное вращение планеты (оно практически остановилось).
Наряду с приливной циркуляцией на Венере наблюдается и более типичная для Земли меридиональная циркуляция тепла, при которой жаркие экваториальные атмосферные массы медленно смещаются по долготе в направлении полюсов. Но у венерианской атмосферы есть и ещё одно важное отличие от земной — на Венере метеорологические процессы более активны на высоте, а не в приповерхностном слое атмосферы.
На Земле основная часть атмосферы сосредоточена в тропосфере (0—10 километров над уровнем моря). Благодаря трению, земная атмосфера вращается примерно с той же скоростью, что и сама Земля. Близ венерианской поверхности аналогичное «сцепление» приводит к тому, что там атмосфера практически не движется (как и сама планета). Однако, вершины облаков на Венере движутся очень активно как под действием описанной выше приливной волны, так и под действием конвекции. Таким образом, тепловой прилив характерен для высоких слоёв венерианской атмосферы. Приливная волна распространяется с востока на запад, её отголоски распространяются вплоть до поверхности. По-видимому, импульс от этого прилива, поступающий сверху, пока не даёт Венере полностью остановиться. На высотах, где действует прилив, диоксид углерода сочетает черты газа и сверхкритической жидкости, а ещё ниже больше похож на стоячую жидкость, чем на газ. Остаточная первичная метеорология на Венере также сохраняется: близ полюсов наблюдаются воронкообразные вихри, а в экваториальных областях – небольшая турбулентность. Но, по-видимому, на стабильность приливной циркуляции они существенно не влияют, оставаясь очаговыми явлениями.
Потенциальная важность этой модели для классификации экзопланет
К настоящему времени открыто несколько тысяч экзопланет, и большинство из них находится в непосредственной близости от красных карликов. Возможно, это не вполне объективная картина, и связана она как с тем, что в настоящее время проще находить именно планеты с короткими орбитальными периодами, так и с тем, что до 75% звёзд в нашей Галактике относятся именно к красным карликам. Тем не менее, о чём я уже писал ранее, например, здесь, зона обитаемости в системе красного карлика должна сильно (если не полностью) перекрываться с зоной приливного захвата. Поэтому такие скалистые планеты могут оказаться в Галактике значительно более распространёнными, чем «земли». И здесь возникает интересный вопрос: как при дистанционном наблюдении не спутать «экзо-Землю» с «экзо-Венерой»? Даже если спектрометр покажет, что верхние слои атмосферы на экзопланете богаты кислородом, это ещё далеко не повод для оптимизма, а, возможно, и опаснейший ложноположительный признак. Если планета уже замкнулась в смертельном самоподдерживающемся цикле, толкающем её в ситуацию влажной стратосферы, то её поверхность будет превращаться в солёную пустыню, а большие объёмы водяного пара тем временем циркулировать на большой высоте. Там под действием космических лучей вода будет расщепляться на водород и кислород; водород при этом будет безвозвратно улетать в космос, а именно этот кислород мы и зафиксируем. Соответственно, обилие кислорода в верхних слоях атмосферы само по себе не гарантирует, что на планете мягкий климат и условия, располагающие к её колонизации. Вероятно, характерным маркером в пользу благоприятных метеорологических условий на экзопланете был бы большой спутник, подобный Луне, так как он, в свою очередь, вступал бы с планетой в приливное взаимодействие, отдаляя развитие венерианского сценария. Но, учитывая исследования, описанные в этой публикации, наиболее характерным признаком «не приближайтесь, это венера!» было бы именно венерианское строение атмосферы. Если динамика облаков в стратосфере значительно активнее, чем тропосферные процессы, и, если движение облаков имеет глобальный приливный рисунок – с высокой вероятностью, это «Страна багровых туч». Однако, Венера стала таким пеклом, находясь поблизости от жёлтого карлика в расцвете сил, а также претерпев катастрофически быстрый парниковый эффект. Не исключено, что в гораздо более холодных системах красных карликов, где большинство скалистых планет балансирует на грани приливного захвата или попадает в него, «венерианская» модель метеорологии может быть благотворной. Атмосферная приливная волна может оказаться последним барьером, препятствующим полному испарению водоёмов и последним фактором, сохраняющим на планете подобие времён года и какие-то условия для существования жизни. Возможно, в мае 2024 года телескоп TESS как раз обнаружил первую экзовенеру в системе красного карлика. Это Глизе 12b, вторая планета в системе красного карлика Глизе-12, расположенного на расстоянии около 39,7 световых лет от Земли. Есть скудные данные о спектре поглощения её атмосферы, которые позволяют предположить, что она находится в почти полном приливном захвате, подобно Венере. Однако, поскольку размер её звезды составляет 27% от солнечного, а поверхностная температура — 60% от солнечной, на самой Глизе 12b может наблюдаться равномерная температура около 42 °C. Для сравнения — средняя температура воздуха на поверхности Земли сегодня составляет около 15 °C, то есть, на Глизе 12b стоит настоящее пекло. Но эта планета впервые позволяет предположить, что экзовенера в системе красного карлика – вполне поддающийся изучению мир, в котором может существовать жизнь. Возможно, граница между экзоземлями и экзовенерами в системах красных карликов значительно сглаживается по сравнению с более знакомой нам системой родной жёлтой звезды.
