Група вчених провела дослідження, щоб з’ясувати, як «близнючка» Землі стала такою непридатною для життя планетою, і чи чекає на нас та сама доля.
Венера, ймовірно, є найгіршою місциною в Сонячній системі. Планету душить заволока вуглекислого газу, що чинить на її поверхню тиск, який може розчавити череп людини. З небосхилу, що має нездоровий жовтий колір, ллється сірчана кислота, але вона ніколи не досягає землі, яку вкриває лава. На Венері так спекотно, що розплавляється навіть свинець, тому кислотний дощ випаровується ще до того, як дістане поверхні.
Екстремальна непридатність планети для життя – це одна з найбільш дивовижних загадок планетології. Венера й Земля утворилися одночасно, з тих самих геологічних блоків, практично в одній і тій самій частині Сонячної системи. Вони навіть мають однаковий розмір. То чому ж Венера – це пекельний світ, а Земля – райський сад?
Серед науковців часто лунає думка, що Венера лише на «кілька кроків» випереджає Землю – це фінальний етап еволюції всіх великих кам’янистих планет, зокрема й Землі. Ця гіпотеза базується на тому, що із часом ці планети втрачають спроможність утримувати в своїх геологічних надрах парникові гази, які розігрівають планету. Коли ці гази накопичуються в атмосфері, планета входить у стан неконтрольованого парникового ефекту. Прикладом такого явища і є розпечений клімат Венери. «Протягом багатьох років ми постійно чули, що Венера – це прообраз майбутнього Землі», – розповідає Стівен Кейн, планетолог-астрофізик з Каліфорнійського університету в Ріверсайді.
Але чи справді це давнє припущення відповідає дійсності? Чи перетвориться клімат Землі через сотні мільйонів або мільярди років на венеріанський, перевівши нашу планету з класу помірних світів на скажену теплицю? Кейн та його колеги намагаються відповісти на це питання. Венеру та Землю часто називають планетами-близнючками, причому Венера є «злою сестрою» у цій парі. У рамках проєкту Reuniting Twins (з агнг. – «Возз’єднання близнючок») вчені розробили цифрову модель Землі, що комбінує сонячну фізику, вулканологію, тектоніку плит та кліматологію. Вони піддавали свою модель Землі екстремальним умовам, намагаючись усіма можливими способами зруйнувати її та перетворити на Венеру.
Окрім вивчення того, що ж пішло не так на другій від Сонця планеті, ця наукова праця стосується питання, яке наближене до нас безпосередньо. Як зазначає Пол Бірн, планетолог з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі, який не брав безпосередньої участі в проєкті: «Скільки ще Земля залишатиметься придатною для життя?»
Планетарний детектив
Щоб передбачити майбутнє Землі, потрібно розібратися в минулому Венери. Бозна-коли Венера, можливо, не надто відрізнялася від сучасної Землі. Дослідження космічних апаратів та спостереження за допомогою телескопів виявили наявність у венеріанській атмосфері рідкісної важкої форми води – це явна ознака того, що колись на планеті звичайної води було вдосталь.
Дослідники сперечаються про те, як ця вода там опинилася. Однією з можливих версій є те, що вода на молодій Венері утворила пару, яка ширилася над магматичним морем, що покривало поверхню новонародженої планети. Ця водяна пара – потужний парниковий газ; і вона могла б незабаром після утворення планети перетворити її на розпечену парникову пічку. З іншого боку, первісне магматичне море, що покривало всю Венеру, могло охолонути й затвердіти в кору досить швидко, щоб по ній могла текти рідка вода – можливо, навіть у кількості, достатній для утворення океану. Якщо це правда, то що сталося з усією тією водою?
У 2020 році Майкл Вей, планетолог і спеціаліст, що займається моделюванням клімату, з Інституту космічних досліджень NASA імені Годдарда в Нью-Йорку розглянув дві можливості того, як венеріанський океан міг випаруватися.
Чому Сонце стає яскравішим
Наша зірка спалює водень у своєму ядрі, перетворюючи його на гелій. Коли гелій займає місце водню, ядро стає щільнішим, що підвищує внутрішній тиск у зірці. Унаслідок цього внутрішня температура також підвищується. Це означає, що, хоча в центрі стало менше ядер водню, вони тепер можуть рухатися достатньо швидко, щоб збільшити ймовірність зіткнення (з утворенням гелію). Тому з часом, коли внутрішня температура продовжує зростати, Сонце випромінює дедалі більше сонячного світла. Наразі його світність зросла на 48% з моменту його народження 4,5 мільярда років тому.
Перша гіпотеза спрямована на Сонце, яке, старіючи та витрачаючи свої запаси водню, випромінює чимраз більше сонячного світла, піддаючи сусідні планети – зокрема Венеру, що розташована ближче до Сонця, ніж Земля, – дедалі сильнішому випромінюванню. Планетологи вважають, що приблизно через мільярд років після народження Сонячної системи Сонце, яке поступово ставало яскравішим, могло б легко випарувати всю рідку воду на Венері. Водяна пара заповнила б тоді атмосферу Венери, що потенційно могло призвести до інтенсивного глобального потепління; це потепління, можливо, ще більше посилилося через вулкани, що викидали вуглекислий газ. Таке поєднання факторів може бути причиною переходу Венери на стадію неконтрольованого парникового ефекту.
Усе наче складається докупи. Однак, згідно з моделями Вейя, теорія про те, що Сонце зруйнувало Венеру, випарувавши її океани, має недоліки. Венера обертається навколо своєї осі дуже повільно, і один венеріанський день на ній дорівнює 116 земним дням, або майже чотирьом місяцям. Якби на денній стороні планети спочатку були рідкі океани, випаровування цієї води утворило б густі хмари. Ці величезні, стійкі атмосферні утворення відбивали б сонячне світло, зберігаючи Венеру прохолоднішою, ніж вона могла б бути, і фактично запобігаючи нестримному парниковому ефекту та безконтрольному глобальному потеплінню.
Вей вважає, що більш імовірною причиною загибелі Венери є руйнівний вулканізм. У своєму багатому минулому Земля пережила тривалі виверження лави в окремих регіонах, так званих великих магматичних провінціях, які тривали сотні тисяч, а може й мільйони років. Кожна з цих подій викидала в атмосферу величезні обсяги вуглекислого газу й на деякий час робила світ надзвичайно спекотним. Одна з таких провінцій 252 мільйони років тому спричинила найгірше зафіксоване масове вимирання в історії Землі, майже стерилізувавши планету.
На щастя для всього живого, після кожної з цих подій, пов’язаних із великими магматичними виверженнями, Земля поступово поглинала цей надлишок вуглекислого газу в глибини своєї земної кори, і планета знову вихолоджувалася. Це відбувалося завдяки процесу, який називається субдукцією: коли тектонічні плити стикаються, одна з них може занурюватися під іншу, затягуючи морську воду, багату на розчинений вуглекислий газ, у глибини океану. Цей вуглець залишається ізольованим у нижній мантії протягом цілих епох; частина його зрештою виривається назад в атмосферу через вулканізм. Таким чином, якщо узагальнити, регулюється глобальний термостат Землі.
Можливо, що коли на Венері ще була вода, вона також мала подібну до Землі тектоніку плит з великими зонами субдукції. Але ця система не була достатньо поширеною чи масштабною, щоб врятувати планету від спалення – особливо якщо кілька процесів у великих магматичних провінціях відбувалися приблизно одночасно. Моделі Вей показують, що кілька одночасних явищ взаємодії великих магматичних провінцій могли викинути величезні кількості вуглекислого газу в атмосферу Венери, настільки сильно нагріваючи планету, що значна частина її рідкої води випарувалася в атмосферу, ще більше прискорюючи потепління. Не маючи океанів, весь цей вуглекислий газ не можна було поглинути. Крім того, саме вода сприяє субдукції: вона знижує температуру плавлення гірських порід, даючи можливість тектонічним плитам легше згинатися та ламатися. Отже, без води на поверхні основні зони субдукції перестали б існувати, що унеможливлює занурення вуглекислого газу.
Інші вчені здебільшого погоджуються з оцінкою Вей: одне лише Сонце не могло зробити Венеру таким жахливим світом, яким вона є сьогодні. «Я переконана, що для цього потрібні численні епізоди екстремальної вулканічної активності…», – каже Анна Гюльчер, планетологиня з Бернського університету у Швейцарії.
Як зруйнувати світ
Досліджуючи Венеру та її спустошену від парникового ефекту поверхню, Кейн захопився моторошною думкою: чи може така ж доля спіткати Землю? «А що, якби ми зупинили цикл вуглецю на Землі?» – задався він питанням. «Чи можна утворити нову Венеру?»
Щоб це з’ясувати, він разом зі своєю командою створив віртуальну машину для знищення світу. «Усім подобаються постапокаліптичні сценарії чи сценарії кінця світу, за умови, якщо це відбудеться за 5 мільярдів років», – сказав він.
Перше, що зробили вчені, – це прискорили розвиток своєї моделі Землі приблизно на 3,5 мільярда років, до того моменту, коли Сонцю та планетам виповниться 8 мільярдів років. На той час Сонце світитиме яскравіше, ніж сьогодні, і атмосфера Землі отримуватиме стільки ж розпеченого сонячного світла, скільки отримувала Венера, коли їй було лише 1 мільярд років. Як вважається, мільярди років тому Венера перебувала у критичній точці: або помірна й насичена водою, або повністю випалена. Сонце, якому буде 8 мільярдів років, поставить Землю перед подібним кліматичним вибором.
Модель команди передбачає, що через 3,5 мільярда років океани Землі можуть почати випаровуватися і ставати водяною парою в атмосфері, що утримуватиме тепло. Цього може вистачити, щоб знищити основні зони субдукції Землі, оскільки без води субдукція, ймовірно, припиниться (до того ж зменшиться кількість води, у якій може розчинятися вуглекислий газ). «Ми втрачаємо здатність поглинати цей CO2 у мантію Землі. Тож він продовжує накопичуватися», – розповідає Мішель Хілл зі Стенфордського університету, учасниця проєкту Reuniting Twins.
Паралізація основних зон субдукції означатиме, що тектонічні плити Землі перестануть стикатися й зіштовхуватися. Натомість вони утворять майже суцільну кам’яну оболонку навколо гарячої мантії. Якийсь час мантія нагріватиметься, оскільки оболонка навколо неї утримуватиме тепло, що утворюється внаслідок радіоактивного розпаду сполук усередині неї. У моделях Кейна, коли тепло накопичується всередині, Земля переживає сплеск вулканічної активності, що триватиме близько 15 мільйонів років.
Цей період, відомий як «режим стагнаційної ляди», збільшує кількість вуглекислого газу в атмосфері. Але цей сплеск вулканічної активності є короткочасним. Мантія охолоджується, а кора потовщується, поки не стане майже непроникною для будь-якої серйозної вулканічної активності з викидом вуглецю.
Отже, через 15 мільйонів років після формування стагнаційної ляди Земля досягне нової точки рівноваги. Іноді все ще траплятимуться спалахи вулканізму. Так само вчені знайшли переконливі докази того, що Венера зберігає свою вулканічну активність і сьогодні. Але Кейн пояснив, що ці спорадичні виверження, як очікується, радикально не збільшать кількість вуглецю в атмосфері.
На цьому етапі моделювання команди зупиняється. Наскільки їхнє бачення майбутньої Землі схоже на Венеру?
Немає місця, що схоже на Венеру
Якщо або коли через приблизно 3,5 мільярда років на Землі зупиниться активна субдукція, що позбавить планету можливості поглинати вуглець, то, згідно з моделюваннями Кейна та його команди, тиск вуглекислого газу в атмосфері зросте в межах від 0,1 бара до 0,8 бара. Для довідки: загальний атмосферний тиск на рівні моря сьогодні становить 1 бар, і приблизно 0,04% від нього, або 0,042 бара, припадає на вуглекислий газ. Навіть за найоптимістичнішим сценарієм, коли тиск вуглекислого газу підвищиться на 0,1 бара, температура поверхні Землі перевищить 100 градусів Цельсія. Те саме відбудеться й при тиску 0,8 бара, але набагато швидше.
У будь-якому разі поверхня Землі стане буквально розпеченою. Земля «перетвориться ввійде в цикл безконтрольного парникового ефекту», – переконаний Кейн. «Температура поверхні буде занадто високою для існування води в будь-якому агрегатному стані. Вона повністю випарується». Ніщо, що зараз існує на поверхні Землі, не виживе.
Проте Земля не наблизиться до того стану, в якому сьогодні перебуває Венера. «Це буде щось на зразок «Венери-лайт», – пояснює Кейн.
Тиск в атмосфері Венери становить 93 бари, а її склад на 96,5% складається з вуглекислого газу. «Машина кінця світу», створена Кейном та його колегами, як би вони не намагалися, не здатна довести Землю до таких показників. «Це мене дуже дивує», – зізнається він. Оскільки мантія буде ізольована стагнаційною лядою, вулканічна активність зменшуватиметься, захищаючи Землю від перегріву, як на Венері. Результати дослідження виявивлися кращими, ніж він очікував.
Незалежні науковці високо оцінили проєкт Reuniting Twins за те, що він кидає виклик попереднім уявленням і значно збагачує дискусію про кінцевий стан кам’яних планет.
«Мені подобається їхня ідея», – сказала Вей, додавши, що версія майбутньої Землі, запропонована командою, «не здається безпідставною».
«У підсумку ви отримуєте світ, який жахливо спекотний», – сказав Бірн, планетолог з Вашингтонського університету. Але, за його словами, можливість того, що температура не буде такою високою, як на Венері, є надзвичайно цікавою.
Команда Кейна визнала, що їхня модель не враховувала мегавиверження магматичних провінцій, і що ці події цілком можуть викинути в атмосферу величезну кількість уловленого вуглецю в будь-який момент у майбутньому. Можливо, Землі не пощастить і вона зазнає декількох одночасних вивержень у магматичних провінціях (хоча із часом це стає менш імовірним, зазначив Кейн, оскільки мантія охолоджується, а її перемішування сповільнюється). Якщо так, то такий сценарій зробить Землю більш схожою на Венеру, ніж передбачає модель команди.
Невизначеностей багато. Але якщо команда Кейна хоча б у загальних рисах права, це означає, що Венера має винятково похмуру історію. Щось – можливо, типу затоплення лавою – спалило цю планету вщент. Земля ж, тим часом досі не змогла зруйнувати себе. Сподіваймося, що так буде й надалі.