Новое моделирование раскрыло редчайший эволюционный путь Венеры

Исследовательская группа под руководством Родольфо Гарсиа провела масштабное компьютерное моделирование эволюции Венеры, чтобы понять, почему планета, изначально схожая с Землей, превратилась в негостеприимный мир. Ученые обнаружили, что лишь 0,35% из сотен тысяч симуляций смогли воспроизвести современные параметры атмосферы и недр Венеры, что указывает на крайне малую вероятность ее текущего состояния с точки зрения планетарной динамики. Результаты исследования, проливающие свет на тектонический режим «застойной крыши» и скрытые водные резервуары планеты, доступны на сервере препринтов arXiv.

В новой работе, представленной на сервере препринтов arXiv, Родольфо Гарсиа и его коллеги из Лаборатории виртуальных планет (VPL) при Вашингтонском университете ставят перед собой амбициозную задачу: смоделировать 4,5-миллиардную эволюцию Венеры. Интерес к этой планете резко возрос в связи с развитием экзопланетных исследований, где такие телекопы, как JWST и будущий HWO, начинают изучать каменистые миры. Понимание того, почему Земля и Венера, имея общее происхождение, пошли по столь разным эволюционным путям, является ключом к интерпретации данных о далеких экзопланетах — являемся ли мы свидетелями «второй Земли» или обнаруживаем вулканический ад.

Для проведения исследования авторы использовали программное обеспечение с открытым исходным кодом VPLanet, которое позволяет варьировать множество начальных условий. Главным предположением, заложенным в основу всех симуляций, стала гипотеза о том, что Венера на протяжении всей своей истории находилась в тектоническом режиме «застойной крыши». Это означает, что, в отличие от Земли, ее кора никогда не раскалывалась на движущиеся тектонические плиты, что кардинально повлияло на процессы теплопередачи и вулканизма.

Ученые провели огромный массив в 234 000 симуляций, каждая из которых охватывала миллиарды лет. Из этого количества только 808 моделей (или 0,35%) смогли успешно воспроизвести три ключевых ограничения, соответствующих современной Венере: парциальное давление углекислого газа на уровне 92 бар, крайне низкое содержание водяного пара (около 3 миллибар) и практически полное отсутствие магнитного поля.

Среди успешных сценариев ученые выделили четыре различных эволюционных пути. Наиболее распространенным оказался «традиционный» сценарий, в котором мантия и ядро планеты плавно остывали с течением времени — к этой категории относится около 72% успешных моделей. Второй по распространенности сценарий (18%) демонстрирует состояние «магнитного угасания», при котором планета теряет огромное количество воды из мантии. Это приводит к обезвоживанию и затвердеванию пород, что увеличивает вязкость мантии и утолщает тектоническую крышку, перекрывая тепловой поток и «замораживая» динамо-механизм в ядре.

В 10% сценариев твердое внутреннее ядро так и не сформировалось в достаточном для генерации поля объеме. Четвертый, редчайший сценарий описывал резкие осциллирующие колебания внутренней температуры в первые 500 миллионов лет существования планеты.

В ходе анализа критических параметров, влияющих на успех моделирования, исследователи выявили, что ключевую роль играли начальное содержание воды в мантии, вязкость мантийных пород, эффективность извержений вулканов и температура плавления ядра. Однако самым интригующим результатом стали предсказания модели для будущих миссий. Вопреки представлениям о полностью «высохшей» планете, все успешные симуляции показали, что в недрах Венеры до сих пор сохраняется значительное количество воды. Как отмечается в статье, этот объем сопоставим с целым океаном Земли.

Кроме того, в 88% успешных моделей у Венеры на ранних этапах существовало мощное магнитное поле. Остатки этого древнего поля могут быть «записаны» в магнитных минералах поверхностных пород. Это предсказание может быть проверено в ближайшем будущем. «Зонд, отправленный для сканирования поверхности, мог бы уловить этот сигнал и определить, имело ли когда-либо Венера активное ядро», — отмечают авторы, подчеркивая важность прямых измерений.

В итоге работа Родольфо Гарсиа и его коллег показывает, что современное состояние Венеры является результатом крайне маловероятного стечения обстоятельств, достижимого лишь в 0,35% симуляций, и указывает на то, что планета, вероятно, скрывает в своих недрах много воды и следы древнего магнитного поля. Эти выводы становятся дорожной картой для трех предстоящих миссий на Венеру (DAVINCI, VERITAS и EnVision), которые через несколько лет смогут подтвердить или опровергнуть предсказания модели, окончательно прояснив, почему судьба ближайшей к нам планеты оказалась столь отличной от земной.