Венеру, пожалуй, можно считать худшим местом в Солнечной системе. Плотный покров из углекислого газа окутывает планету и создаёт у поверхности чудовищное давление. Мутно-жёлтое небо орошают дожди из серной кислоты, но до обожжённой лавой поверхности они не долетают. На Венере настолько жарко (достаточно, чтобы плавился свинец), что кислотные капли испаряются прямо в полёте.
Эта крайняя негостеприимная среда лежит в основе одной из самых завораживающих загадок планетологии. Венера и Земля сформировались практически одновременно, из одних и тех же геологических «строительных блоков» и практически в одном и том же районе Солнечной системы. Они даже сопоставимы по размерам. Почему же тогда Венера превратилась в адский пейзаж, а Земля — в цветущий сад?
Распространённая точка зрения среди учёных гласит, что Венера просто ушла вперёд — на сегодня она представляет собой конечное состояние эволюции всех крупных каменистых планет, включая Землю. Согласно этой гипотезе, такие планеты со временем утрачивают способность прятать разогревающие их парниковые газы в глубинных породах. Когда эти газы начинают накапливаться в атмосфере, мир переходит в режим неконтролируемого парникового эффекта — как на раскалённой Венере. «Годы напролёт мы слышали, что Венера — это предварительный показ будущего Земли», — говорит Стивен Кейн, астрофизик-планетолог из Калифорнийского университета в Риверсайде.
Но верно ли это давнее предположение? Пройдут ещё сотни миллионов или миллиарды лет — и пойдёт ли Земля по венерианскому сценарию, превратившись из умеренного мира в катастрофически перегретую планету? Кейн и его коллеги пытаются найти ответ на этот вопрос.
Венеру и Землю нередко называют близнецами, причём Венере отводят роль «злой сестры». В рамках проекта Reuniting Twins учёные создали цифровую модель Земли, в которой объединены физика Солнца, вулканология, тектоника плит и климатология. Они доводят эту виртуальную Землю до предела, перебирая все правдоподобные сценарии, которые могли бы «сломать» её климат и превратить планету во вторую Венеру.По словам планетолога из Вашингтонского университета в Сент-Луисе Пола Бирна, не принимающего участия в проекте напрямую, помимо попытки понять, что же пошло не так на второй от Солнца планете, эта работа затрагивает гораздо более важный для нас вопрос: «Как долго Земля останется пригодной для жизни?»
Планетарный детектив
Чтобы заглянуть в климатическое будущее Земли, нужно сначала разобраться в прошлом Венеры. Когда-то она, возможно, мало отличалась от сегодняшней Земли. При помощи данных космических аппаратов и наземных телескопов мы обнаружили в венерианской атмосфере редкую, тяжёлую форму воды — убедительного признака того, что обычная вода когда-то была на планете в изобилии.
Учёные не прекращают споры о том, в каком виде эта вода существовала. Согласно одной гипотезе, на молодой Венере вода образовывала пар, поднимавшийся над морем магмы, покрывавшим поверхность новорождённой планеты. Этот водяной пар, по сути представляющий собой мощный парниковый газ, мог довольно быстро после формирования Венеры загнать её климат в раскалённое состояние неконтролируемого парникового эффекта. По другой версии, первоначальный планетарный океан магмы успел остыть и затвердеть в кору достаточно быстро, чтобы по ней потекла жидкая вода — возможно, даже в объёме целого океана. Если это так, то куда же вся она делась?
В 2020 году планетолог и климатолог Майкл Уэй из Института космических исследований Центра космических полётов NASA им. Годдарда рассмотрел два возможных сценария, которые могли привести к тому, что венерианский океан буквально выкипел.
Почему Солнце светит всё ярче
Наше светило сжигает в ядре водород, превращая его в гелий. По мере того как гелий вытесняет водород, ядро становится всё плотнее, в нём растут давление и температура. И хотя ядер водорода в центре становится меньше, при более высокой температуре они движутся достаточно быстро, чтобы чаще сталкиваться и сливаться, образуя гелий. Поэтому со временем, по мере роста внутренней температуры, Солнце излучает всё больше энергии. Сейчас его светимость уже примерно на 48 % выше, чем в момент формирования, 4,5 миллиарда лет назад.
Первая гипотеза указывает на Солнце: по мере старения и выгорания водородного топлива оно излучает всё больше света, обдавая ближайшие планеты — в том числе Венеру, которая находится ближе к Солнцу, чем Земля, — всё более интенсивным излучением. По оценкам планетологов, уже примерно через миллиард лет после формирования Солнечной системы всё более яркое Солнце могло эффективно испарить всю жидкую воду на Венере. Водяной пар заполнил бы венерианскую атмосферу и вызвал мощное глобальное потепление, усилить которое могли дополнительные выбросы углекислого газа вулканами. В совокупности эти факторы могли толкнуть Венеру в состояние неконтролируемого парникового эффекта.
Звучит убедительно. Но, согласно моделям Уэя, у версии о том, что Солнце «сломало» Венеру, испарив её океаны, есть серьёзные проблемы. Венера очень медленно вращается вокруг своей оси: один венерианский день равен примерно 116 земным суткам, то есть почти четырём месяцам. Если на дневной стороне планеты изначально были жидкие океаны, при испарении вода должна была образовать плотные облака. Эти обширные, устойчивые облачные поля над освещённой стороной отражали бы солнечный свет, делая Венеру более прохладной, чем можно было бы ожидать, фактически не давая запуститься неконтролируемому парниковому эффекту и безудержному глобальному потеплению.По мнению Уэя, более правдоподобный «виновник» гибели Венеры — особая форма разрушительного вулканизма. В своей богатой событиями истории Земля переживала длительные излияния лавы в отдельных регионах — так называемые крупные магматические провинции (large igneous provinces, LIP), — которые продолжались сотни тысяч, а возможно, и миллионы лет. Каждое из этих событий выбрасывало в атмосферу гигантские объёмы углекислого газа и на какое-то время превращало планету в крайне жаркий мир. Одна такая провинция, сформировавшаяся 252 млн лет назад, спровоцировалакрупнейшее из известных массовых вымираний в истории Земли, почти стерилизовав планету.
К счастью для жизни, после каждого такого эпизода формирования крупной магматической провинции Земля постепенно уводила избыток углекислого газа в свои глубинные недра, и планета остывала. Происходит это за счёт процесса, называемого субдукцией: когда литосферные плиты сталкиваются, одна может погружаться под другую, унося в глубины океанскую кору и морскую воду с растворённым в ней углекислым газом. Этот углерод на геологические эпохи запирается в нижней мантии, часть его со временем возвращается в атмосферу через вулканизм. В общих чертах именно так работает глобальный «термостат» Земли.
Вполне возможно, что в те времена, когда на Венере ещё была вода, у неё тоже работала подобная земной тектоника плит с крупными зонами субдукции. Но эта система была недостаточно развитой и масштабной, чтобы спасти планету от превращения в раскалённый ад — особенно если несколько эпизодов формирования крупных магматических провинций произошли примерно одновременно. Модели Уэя показывают, что несколько таких синхронных LIP-событий могли выбросить в венерианскую атмосферу колоссальные объёмы углекислого газа, настолько сильно разогрев планету, что значительная часть её жидкой воды выкипела в атмосферу, ещё больше ускорив потепление. Лишившись океанов, Венера утратила и возможность забрать этот углекислый газ обратно.
Кроме того, вода — важное условие субдукции: она понижает температуру плавления пород, позволяя тектоническим плитам легче гнуться и ломаться. И когда на поверхности не осталось воды, крупные зоны субдукции постепенно застыли, лишив углекислый газ пути в глубины.
Многие учёные согласны с оценкой Уэя: одного Солнца недостаточно, чтобы превратить Венеру в то ужасное место, каким мы видим её сегодня. «Я действительно думаю, что без серии экстремальных вулканических эпизодов … до такого состояния не добраться», — предполагает Анна Гюльхер, планетолог из Бернского университета в Швейцарии.
Как разрушить целый мир
Изучая Венеру и её разгулявшийся парниковый кошмар, Кейн задался мрачным вопросом: может ли Землю постичь та же судьба? «Что, если мы отключим на Земле углеродный цикл? — рассуждает он. — Смогли бы мы получить вторую Венеру?»
Чтобы проверить это, он и его команда построили виртуальную «машину по уничтожению миров». «Все обожают постапокалиптические сценарии и “конец света” — при условии, что действие происходит где-то через 5 миллиардов лет», — говорит он.
Первым шагом было «прокрутить вперёд» их модель Земли примерно на 3,5 миллиарда лет — к моменту, когда Солнцу и планетам будет около 8 миллиардов лет. К тому времени Солнце будет светить ярче, чем сегодня, и атмосфера Земли получит такое же обжигающее звёздное излучение, какое испытывала Венера, когда Солнечной системе был всего 1 миллиард лет. Считается, что тогда Венера находилась в критической точке: либо умеренный, залитый водой мир, либо раскалённая добела пустыня. Солнце, возрастом в восемь миллиардов лет, подтолкнёт Землю к похожей климатической грани.
Разрушение основных зон субдукции означает, что литосферные плиты Земли перестанут сталкиваться и смещаться. Вместо этого они сформируют вокруг горячей мантии почти сплошную каменную оболочку. На какое-то время мантия станет горячее, потому что эта оболочка будет удерживать тепло, выделяемое при распаде радиоактивных элементов. По мере накопления энергии в недрах, в моделях Кейна на Земле происходит всплеск вулканической активности, который длится около 15 миллионов лет.
Этот этап, известный как «режим стагнирующей коры» (stagnant lid), добавляет в атмосферу ещё больше углекислого газа. Но вулканический пик оказывается недолговечным. Мантия постепенно остывает, а кора утолщается до состояния, когда для крупных извержений, выбрасывающих углерод, она становится практически непроницаемой.
Примерно через 15 миллионов лет после формирования «стагнирующей коры» Земля приходит к новому равновесию. Время от времени извержения всё ещё происходят (также есть серьёзные основания полагать, что Венера и сегодня остаётся вулканически активной). Но, поясняет Кейн, эти эпизодические всплески уже не должны заметно пополнять запасы углерода в атмосфере.
На этом месте моделирование останавливается. Насколько же похожа такая будущая Земля на Венеру?
Ничто не сравнимо с Венерой
Если — или когда — примерно через 3,5 миллиарда лет на Земле отключится крупномасштабная субдукция и планета фактически лишится возможности убирать лишний углерод в недра, расчёты Кейна и его коллег показывают, что парциальное давление углекислого газа в атмосфере вырастет до значений от 0,1 до 0,8 бара (для сравнения: сегодня общее атмосферное давление на уровне моря составляет 1 бар, и примерно 0,04 % этого — около 0,042 бара — приходится на CO₂). Даже в наилучшем сценарии, при росте давления углекислого газа всего до 0,1 бара, температура поверхности Земли превысит 100 °C. При 0,8 бара произойдёт то же самое, но гораздо быстрее.
В любом случае поверхность мира становится буквально кипяще горячей. Земля «переходит в состояние пост-разбежавшегося парникового эффекта, — поясняет Кейн. — Температура поверхности станет слишком высокой для любой воды. Она вся выкипит». Ничто, находящееся на поверхности планеты, не выживет.
И всё же Земля не приблизится к нынешнему состоянию Венеры. «Это будет эдакая Венера на минималках», — говорит Кейн.
У Венеры атмосфера с давлением около 93 бар, причём 96,5 % её состава приходится на углекислый газ. «Машина Судного дня» Кейна и его коллег, как ни усиливай параметры, не способна довести Землю до таких значений. «Для меня это стало неожиданностью», — признаётся он. Из-за того что мантию от внешнего мира изолирует стагнирующая кора, вулканизм падает, и это защищает Землю от венерианского перегрева куда лучше, чем он ожидал.
Независимые исследователи высоко оценили проект Reuniting Twins за то, что он ставит под сомнение прежние допущения и заметно продвигает вперёд дискуссию о конечном состоянии каменистых планет.
«Мне нравится их идея», — говорит Уэй, добавляя, что предложенная командой картина будущей Земли — «вполне разумна».
«В итоге получается чудовищно жаркий мир, — поясняет Бирн. — Но сам тот факт, что это, возможно, не венерианский уровень жары, выглядит очень любопытным».
Команда Кейна признаёт, что в их модель не включены мегаизвержения по типу крупных магматических провинций, а ведь такие события в принципе могут в любой момент будущего выбросить в атмосферу огромные запасы углерода. Земле может просто не повезти, если несколько LIP-событий произойдут одновременно (хотя со временем, по мере того как мантия остывает и её конвекция слабеет, это становится всё менее вероятным, уточняет Кейн). В таком случае сценарий мог бы подтолкнуть Землю куда ближе к состоянию Венеры, чем это следует из нынешней модели.
Неопределённости здесь более чем достаточно. Но если расчёты команды Кейна хотя бы в общих чертах верны, это означает, что у Венеры по-настоящему мрачная, особая история. Что-то — возможно, планетарный потоп лавы — выжгло эту планету до основания. Земля же, по крайней мере до сих пор, так и не смогла устроить себе подобную участь. Будем надеяться, что так оно и останется ещё очень долго.