Czy Jowisz wepchnął Wenus do cieplarni?

 

Wenus przyciąga ostatnio wiele uwagi, choć głównie w środowisku naukowym, ponieważ ostatni hollywoodzki film o planecie został wydany w latach 60. Wynika to po części z jej ogromnej różnicy w stosunku do Ziemi i tego, co ta różnica może oznaczać dla badań egzoplanet. Jeśli lepiej zrozumiemy, co wydarzyło się podczas formowania się Wenus i uczyniło z niej takie piekło, jakim jest dzisiaj, być może będziemy w stanie lepiej zrozumieć, co tak naprawdę stanowi nadającą się do zamieszkania strefę wokół innych gwiazd.

Wielu planetologów skupiło się na powstawaniu Wenus i rozwoju atmosfery. Nowy teoria zakłada, że ​​na powierzchni Wenus mogła znajdować się woda w stanie ciekłym jeszcze miliard lat temu. A przyczyną zniknięcia tej wody może być mało prawdopodobny winowajca: Jowisz.

Istnieją różne dowody na to, że Jowisz faktycznie migrował na swoją obecną orbitę z wewnętrznego Układu Słonecznego. Tezy, takie jak teoria Grand Tack czy model Nicei, pokazują potencjalne ścieżki, jak to się mogło stać. Dr Stephen Kane, planetolog z UC Riverside i jego współautorzy byli zainteresowani tym, jaki wpływ migracja może mieć na Wenus.

Dlatego symulowali setki tysięcy różnych ścieżek migracji Jowisza podczas formowania się wczesnego Układu Słonecznego. Było wiele scenariuszy symulacyjnych, w których Wenus lub jedna z innych planet została wyrzucona z Układu Słonecznego, ale zostały one odrzucone. Było jednak również wiele scenariuszy, w których orbita Wenus została poważnie naruszona. Jedna z form orbity nazywana jest mimośrodowością, co oznacza, jak eliptyczna jest jej orbita. Niektóre z modeli migracji Jowisza spowodowały, że Wenus miała ekscentryczność orbity 44 razy większą niż obecnie.

Obraz przedstawiający dziwactwa najbardziej wewnętrznych planet i asteroid.

Źródło: NASA / JPL-Caltech

Jest to ważne, ponieważ Wenus ma obecnie wyjątkowo kołową orbitę z niewielką ekscentrycznością. Jeśli modele migracji Jowisza przez wczesny Układ Słoneczny spowodowały, że Wenus miała wysoką ekscentryczność, to gdzie się podziała ta ekscentryczność?

Najbardziej intrygującą odpowiedzią na to pytanie jest to, że omywała go woda w stanie ciekłym. Ciekła woda może tłumić mimośród orbit przez długi czas, ponieważ jej ruch wokół powierzchni planety wypycha ją w bardziej regularny wzór w procesie zwanym rozpraszaniem pływowym.

Jedną z interesujących konsekwencji rozpraszania pływów jest to, że może potencjalnie powodować efekt cieplarniany na planecie, jednak autorzy obliczyli, że najprawdopodobniej nie miało to miejsca na młodej Wenus. Wykluczyli również inne potencjalne źródło niekontrolowanego efektu cieplarnianego: padające światło słoneczne na planetę. Jednak modele pokazały, że chociaż maksymalne padające światło słoneczne byłoby znacznie zwiększone w przypadku wysoce eliptycznej orbity Wenus, prawdopodobnie nie wystarczyło to do spowodowania powstania cieplarni samodzielnie.

Jednak mimośrody o dużej orbicie mają inny wpływ na wodę w stanie ciekłym. Sprawiają, że znika. To jest proces dwuetapowy. Po pierwsze, bardzo ekscentryczne orbity powodują znaczące zmiany sezonowe i mogą zamrozić wodę w śnieg lub lód, gdy planeta jest dalej od gwiazdy, lub odparować ją w chmury, gdy planeta zbliży się do gwiazdy. Chociaż planeta znajdująca się blisko gwiazdy, jest również narażona na znacznie zwiększone ilości światła ultrafioletowego. To światło UV dodatkowo rozbija cząsteczki wody, pozostawiając jedynie elementarny wodór i tlen. W ten sposób lżejszy wodór może być łatwo usunięty z atmosfery planety przez wiatr słoneczny i nigdy nie zostanie ponownie połączony w wodę. 

Przedstawienie przez artystę Wenus ewoluującej z potencjalnie nadającego się do zamieszkania świata wodnego do gorącej pustyni, jaką jest dzisiaj.

Kredyt: NASA Goddard

Para wodna, która została odparowana do atmosfery, jest w rzeczywistości bardziej skutecznym gazem cieplarnianym niż dwutlenek węgla obecny w atmosferze Wenus. Zanim został usunięty z połączenia światła UV i wiatru słonecznego, mógł potencjalnie spowodować okres znany jako „wilgotna cieplarnia” na planecie. Mógł również przyczynić się do wzrostu CO2 w atmosferze Wenus, ponieważ opady są kluczowym składnikiem cyklu węglanowo-krzemianowego, który utrzymuje dwutlenek węgla uwięziony w płytach tektonicznych Ziemi.

Istnieje kilka dodatkowych pytań, które nasuwają się wraz z proponowanymi teoriami ewolucji Wenus. Jednym z nich jest to, że skoro na Wenus było tak dużo wody, gdzie się podział cały tlen, gdy został pozbawiony cząsteczek wody? Dr Kane jest również członkiem zespołu naukowego, który ma nadzieję odpowiedzieć na to pytanie, wysyłając w najbliższej przyszłości lądownik na Wenus, aby sprawdzić, czy na powierzchni znajdują się tlenki, z którymi mógł wiązać się wolny rodnikowy tlen.

Istnieją również inne potencjalne przyczyny tłumienia mimośrodów orbity Wenus, inne niż woda. Jednym z potencjalnych wpływów jest sama Ziemia. Aby sprawdzić, czy tak jest, naukowcy starają się lepiej zrozumieć tak zwane cykle Milankovitcha, które są modelem okresowych zmian parametrów orbitalnych Ziemi. Gdyby Ziemia rzeczywiście miała działanie tłumiące na Wenus, energia kinetyczna, która zostałaby usunięta z orbity Wenus, zostałaby pochłonięta przez Ziemię. Ta dramatyczna zmiana energii orbity Ziemi ujawniłaby się w całkowicie wypaczonych cyklach Milankovitcha w epoce, w której nastąpiłoby to przeniesienie pędu. Chociaż do tej pory nie było żadnych danych potwierdzających tę teorię, przyszłe badania paleoklimatu mogą rzucić światło na to, czy sama Ziemia odebrała część ekscentryczności jej najbliższego sąsiada.

Grafika pokazująca, jak zmiany w ekscentryczności i nachyleniu Ziemi mogą prowadzić do ogromnych zmian w maksymalnej ilości światła słonecznego, które otrzymuje, a tym samym do zmian klimatu.

Jednak najlepszym oszacowaniem pierwotnej przyczyny tej ekscentryczności jest nadal migracja Jowisza. A jeśli zdarzyło się, że migracja gazowego giganta pomogła wepchnąć Wenus do stanu cieplarnianego, ma to znaczące konsekwencje dla wszelkich analogów Wenus, które moglibyśmy znaleźć na orbitach innych gwiazd. Gdy nasze instrumenty do wykrywania tych egzoplanet, staną się dokładniejsze, prawdopodobnie znajdziemy o wiele więcej planet, takich jak Wenus. Zrozumienie, co dokładnie stało się z jedynym modelem tego typu planety w naszym Układzie Słonecznym, staje się znacznie ważniejsze, jeśli chodzi o zrozumienie nadającej się do zamieszkania strefy gwiazd. Całe to ponowne zainteresowanie Wenus może w niedalekiej przyszłości przyciągnie uwagę Hollywood.