Globalna zmiana klimatu na Wenus

Świat Nauki 05/1999

Przedstawiamy bardzo ciekawy artykuł opisujący przyczyny jakie doprowadziły do tego, że nasza bliźniacza planeta - Wenus - niezwykle podobna co do masy i składu powierzchni do ziemi, tak bardzo się od niej różni. Fascynujący opis warunków klimatycznych, geologicznych i kosmologicznych, które sprawiły, że powierzchnia wenus jest niesłychanie nieprzyjaznym środowiskiem.
Już niedługo, podobny artykuł opisujący zmiany klimatyczne na Marsie.
Gorąco polecam.
Citronian-Man
----------------------------------------------------------------

W czasach, gdy Ziemia i Wenus wyłoniły się jednocześnie z przedsłonecznego kotła, miały prawie tę samą wielkość i skład. Rozwinęły się jednak w diametralnie różne światy. Temperatura powierzchni planety - siostry Ziemi - wynosi około 460°C, wystarczająco, by skały wyraźnie żarzyły się przed oczami każdego niefortunnego, zbudowanego ze związków organicznych gościa. Taki jest bowiem zabójczy efekt cieplarniany podtrzymywany przez atmosferę, której głównym składnikiem pozostaje niezwykle skuteczny izolator - dwutlenek węgla. Płynnej wody tu nie ma. Ciśnienie powietrza przy powierzchni jest niemal 100 razy wyższe niż na Ziemi - pod wieloma względami przypomina raczej ocean niż atmosferę. Melanż gazowych związków siarki w połączeniu z dostępną w minimalnej ilości parą wodną stanowi chemiczną podstawę dla otulających cały glob chmur kwasu siarkowego. 

Powyższy opis piekła przekazała nam armada 22 automatycznych statków kosmicznych, które fotografowały, skanowały, analizowały i lądowały na Wenus w ciągu ostatnich 37 lat. jednakże przez większość tego czasu zasłona wenusjańskich chmur uniemożliwiała pełne rozpoznanie powierzchni planety. Dla naukowców Wenus pozostawała światem statycznym, ponieważ niewiele wiedzieli o dynamicznych procesach, takich jak tektonika czy wulkanizm, mogących kształtować planetę. Pogląd ten zmienił się po wysłaniu sondy Magellan, która w latach 1990-1994 wykonała kompletną mapę powierzchni Wenus o wysokiej rozdzielczości, wykorzystując przenikające przez chmury promienie radaru [patrz: R. Stephen Saunders, „The Surface of Venus"; Scientific American, grudzień 1990]. Ukazała ona obraz planety, która doświadczyła w przeszłości ogromnych erupcji wulkanicznych i prawdopodobnie nadal jest aktywna. Te nowe informacje o      przeszłości geologicznej Wenus sprzężono ze szczegółowymi symulacjami komputerowymi, dzięki czemu podjęto próbę rekonstrukcji ostatniego miliarda lat historii klimatu planety. Badacze przypuszczają, że intensywny wulkanizm spowodował wielkoskalową zmianę klimatu. Podobnie jak Ziemia, lecz odmiennie niż wszystkie znane astronomom planety, Wenus ma złożony, ewoluujący klimat.

Drugi sąsiad Ziemi, Mars, również ma za sobą wielkie zmiany klimatyczne [patrz: Jeffrey S. Kargel i Robert G. Strom, „Globalna zmiana klimatu na Marsie"; świat Nauki, styczeń 1997]. Dziś jednak jego atmosfera to relikt geologicznej przeszłości. Wnętrze Marsa jest już zbyt zimne, by mógł występować aktywny wulkanizm, a powierzchnia trwa w stanie głębokiego zamrożenia. Choć fluktuacje w ruchu obrotowym Marsa wokół Słońca i własnej osi mogą spowodować zmianę klimatu, wulkanizm już nigdy się do niej nie przyczyni. Z kolei klimat panujący na Ziemi i Wenus napędzany jest przez dynamiczne wzajemne oddziaływanie procesów geologicznych i atmosferycznych.

Dlaczego Wenus to gorące piekło, Mars to lodowa pustynia a tylko Ziemia ma umiarkowany klimat z non stop wytępującą wodą w stanie płynnym? Ten fascynujący film próbuje podać odpowiedzi na to pytanie (ten i wszystkie poniższe linki - Citronian-Man).

Z naszego punktu widzenia jako sąsiada w Układzie Słonecznym niezwykle obrazowe jest uzmysłowienie sobie, że siły podobne do działających na Ziemi doprowadziły do tak odmiennego efektu na Wenus. Obserwacje tej planety poszerzyły badania nad ewolucją klimatu poza ramy pojedynczego przypadku Ziemi, dając naukowcom nową perspektywę w podejściu do naglących pytań: czy klimat Ziemi jest unikatowy?, czy jest on stabilny? Ludzkość bierze udział w ogromnym, pozbawionym kontroli eksperymencie dotyczącym ziemskiego klimatu, zapoczątkowanym przez rosnący strumień zanieczyszczeń produkowanych przez stechnologizowane społeczeństwo. Wyróżnienie czynników, które wpływają na ewolucję klimatu na innych planetach, ma podstawowe znaczenie w zrozumieniu, w jaki sposób procesy naturalne i antropogeniczne zmieniają klimat na Ziemi.

Oto jeden z przykładów - na długo zanim dziura ozonowa stała się tematem domowych rozmów, naukowcy starali się rozwikłać osobliwą fotochemię wyższych warstw atmosfery Wenus. Odkryli, że chlor obniża poziom wolnego tlenu nad chmurami planety. Wyjaśnienie natury tego zjawiska na Wenus rzuciło w końcu światło na podobny proces na Ziemi, gdzie chlor pochodzący ze sztucznych źródeł niszczy ozon w stratosferze.

Po lewej: porównanie wielkości plenet układu słonecznego. Oraz nowo odkrytych planet z poza naszego układu (przyp. Citronian-Man).

Klimat i geologia

Na Ziemi klimat ulega zmianom m.in. dlatego, że atmosfera to produkt ciągłej wymiany gazów między skorupą, płaszczem, oceanami, czapami polarnymi i przestrzenią kosmiczną. Energia geotermalna - podstawowy czynnik napędzający procesy geologiczne - jest również bodźcem do ewolucji atmosfery. Przeważająca część tej energii powstaje wskutek rozpadu pierwiastków promieniotwórczych we wnętrzu Ziemi, zrozumienie zaś sposobu wydzielania tego ciepła stanowi główny problem w badaniach planet typu ziemskiego. Odpowiadają za to przede wszystkim dwa mechanizmy: wulkanizm i tektonika płyt.

Wnętrze Ziemi ochładza się głównie w wyniku działania tektonicznego pasa transmisyjnego, jakim jest wędrówka płyt litosfery. Stały recykling gazów, zachodzący dzięki temu procesowi, wpływa stabilizująco na ziemski klimat [ramka na stronie 32]. Podczas gdy wulkany wpompowują gazy do atmosfery, subdukcja płyt litosfery dostarcza je z powrotem do wnętrza. Istnienie większości wulkanów ma związek z aktywną tektoniką płyt, ale kilka z największych na Ziemi struktur wulkanicznych, na przykład Hawaje, rozwinęło się jako tzw. plamy gorąca niezależnie od granic płyt tektonicznych. Historycznie rzecz biorąc, powstawanie rozległych prowincji wulkanicznych - regionów występowania nasilonych erupcji, spowodowanych prawdopodobnie przez potężne strumienie magmy (tzw. pióropusze płaszcza) migrujące ku górze z leżącego poniżej płaszcza - mogło wyrzucić do atmosfery duże ilości gazów, co prowadziło do okresów globalnego ocieplenia [patrz: Millard F. Coffin i Olav Eldholm, „Wielkie pokrywy lawowe"; Świat Nauki, grudzień 1993].

A jak było na Wenus? Przed misją sondy Magellan duża część geologicznej historii tej planety pozostawała w sferze domysłów opartych na porównaniach z Ziemią i ekstrapolacji przypuszczalnych podobieństw w składzie i produkcji geotermalnego ciepła. Dopiero teraz wyłania się obraz przeszłości powierzchni Wenus. Nie ma dowodów na obecność tektoniki płyt; istniała, być może, w ograniczonej skali. Prawdopodobnie ciepło przepływało, przynajmniej we względnie niedalekiej przeszłości, dzięki erupcjom ogromnych pokryw bazaltowej lawy, a potem dzięki wulkanom, które na nich wyrastały. Zrozumienie roli wulkanów stanowi punkt wyjścia do wszelkich dyskusji o klimacie.

Po lewej:

RZEKA NA WENUS? Ta delta znajduje się na zakończeniu wąskiego kanału długości 800 km, biegnącego po północnej równinie wulkanicznej. Woda nie mogła go wyżłobić - na Wenus jest zbyt gorąco i sucho. Prawdopodobnie jest to dzieło bogatych w węglanowe i siarczanowe sole law - co oznacza, że kiedyś średnia temperatura była tu o kilkadziesiąt stopni wyższa niż dzisiaj. Pokazany obszar ma wymiary około 40 x 90 km.

Świetny film opisujący makabryczne warunki panujące obecnie na Wenus.

Charakterystyczną cechą w przeprowadzonym przez Magellana globalnym studium jest mała liczba kraterów uderzeniowych. Chociaż gęsta atmosfera Wenus może chronić powierzchnię przed niewielkimi obiektami kosmicznymi - zatrzymuje większość meteoroidów o średnicy poniżej 1 km, które spadając, wybiłyby kratery o średnicy do 15 km - stwierdzono także niedostateczną liczbę większych kraterów. Obserwacje planetoid i komet w obrębie wewnętrznego Układu Słonecznego, a także zliczanie kraterów na Księżycu daje niejakie pojęcie na temat tego, jak szybko na Wenus powinny powstawać uderzeniowe blizny: około 1.2 krateru na milion lat. Według najnowszych danych sonda Magellan odnalazła 963 kratery rozrzucone losowo po powierzchni. W jakiś sposób ślady uderzeń z pierwszych 3.7 mld lat historii planety zostały zrównane z gruntem.

Także na naszej planecie brakuje kraterów, ponieważ stare formy ulegają erozji pod wpływem wody i wiatru. Ziemskie kratery uderzeniowe są w różnym stopniu zmienione - od prawie nietkniętej dziury zwanej Meteor Crater w Arizonie po z trudem rozpoznawalne zarysy przysypanych osadami struktur prekambryjskich w obrębie najstarszych części skorupy kontynentalnej. Jednakże powierzchnia Wenus jest o wiele za gorąca, by mogła istnieć na niej woda w postaci ciekłej, a wiatry - bardzo słabe. Kiedy nie ma erozji, wówczas głównymi procesami, które zmieniają i niszczą kratery uderzeniowe, powinny być wulkanizm i tektonika. I oto paradoks. Większość wenusjańskich kraterów wygląda na świeże: tylko 6% ma brzegi zalane potokami lawy i jedynie 12% uległo zniekształceniu w wyniku fałdowania i pękania skorupy. Gdzie podziały się więc wszystkie starsze struktury, skoro większość istniejących jest nie zmieniona? Jeśli pokryła je lawa, dlaczego nie ma tam kraterów częściowo zalanych? W jaki sposób zostały one usunięte, skoro zachowało się pierwotne losowe rozłożenie tych widocznych?

Zdaniem niektórych badaczy losowe rozmieszczenie obserwowanych kraterów oraz niewielka liczba kraterów częściowo zmienionych wskazuje, że jakieś globalne wydarzenie geologiczne w krótkim czasie zatarło wszystkie stare struktury mniej więcej 800 min lat temu. Według tego scenariusza, zaproponowanego w 1992 roku przez Geralda G. Schabera z U.S. Geological Survey (USGS) i Roberta G. Stroma z University of Arizona, od tamtej pory meteoroidy bombardują już nowo utworzoną powierzchnię.

Po lewej:

ZMARSZCZKOWATE PASMA GÓRSKIE to naj- powszechniej spotykana forma na wulkanicznych równinach Wenus. Równomierne rozmieszczenie i równoległe ułożenie świadczy o tym, że utworzyły się w czasie, gdy cała równina podlegała naprężeniom, spowodowanym prawdopodobnie przez nagłą i znaczną zmianę temperatury powierzchni. Region ten, będący częścią równikowej równiny nazywanej Rusałka Planitia, ma szerokość około 300 km.

Hipoteza zakładająca wymianę nawierzchni na całej planecie jest jednak dla wielu geologów nie do przełknięcia. Nie istnieje żadna analogia takiego zjawiska na Ziemi. Jeszcze tego samego roku Roger J. Phillips z Washington University przedstawił alternatywny model, znany jako równowagowe odświeżanie powierzchni. Zakłada on, że stale działające procesy geologiczne nieprzerwanie niszczą kratery na niewielkim obszarze, zachowując losowość ich rozmieszczenia w skali globalnej. Problem jednak w tym, że wiele form geologicznych na Wenus ma gigantyczne rozmiary, co wskazuje, że tego typu procesy nie mogły raczej pozacierać kraterów z taką samą dokładnością na powierzchni całej planety.

Dwie powyższe hipotezy urosły do rangi klasycznej naukowej debaty, gdy dane z Magellana poddano dokładniejszej analizie. Prawda przypuszczalnie leży gdzieś pośrodku. Elementy obu modeli zostały włączone do powszechnie przyjętej interpretacji ostatniego miliarda lat geologicznej historii Wenus: 800 min lat temu intensywny wulkanizm o globalnym zasięgu doprowadził do zatarcia większości struktur uderzeniowych i utworzył rozległe równiny wulkaniczne; po nim nastąpił okres aktywności wulkanicznej na zredukowanym poziomie, który trwa do dzisiaj.

Karmelowa skorupa z czekoladową polewą

Jakkolwiek nie ma wątpliwości, że wulkanizm stanowił znaczącą siłę w procesie kształtowania powierzchni Wenus, interpretacja kilku zagadkowych form geologicznych nie dawała się do niedawna połączyć ze spójnym obrazem ewolucji planety. Niektóre z tych form sugerują, że klimat Wenus uległ drastycznej zmianie.

Po pierwsze, wiele charakterystycznych struktur liniowych przypomina formy erozji wodnej. Mają do 7 tys. km długości i są podobne do koryt ziemskich rzek meandrujących oraz tarasów zalewowych. Wiele z nich kończy się kanałami wypływowymi, które wyglądają jak delty rzeczne. Krańcowa suchość środowiska sprawia, że udział wody w tworzeniu tych form wydaje się wysoce nieprawdopodobny. Co przyczyniło się do ich powstania? Najpewniej sprawcą były węglan wapnia, siarczan wapnia i inne sole. Powierzchnia pozostająca w równowadze z ciężką, bogatą w dwutlenek węgla atmosferą doprawioną gazami siarkowymi powinna być przepełniona tymi związkami. Rzeczywiście, radzieckie lądowniki z serii Wenera stwierdziły, że skały powierzchniowe zawierają 7-10% minerałów wapnia (prawdopodobnie węglanów) oraz 1-5% siarczanów.

Przesycone tymi substancjami lawy topią się w temperaturach o kilkadziesiąt do kilkuset stopni wyższych od obecnie panujących na powierzchni Wenus. Jeffrey S. Kargel z USGS ze współpracownikami wysunęli hipotezę, że podobnie jak warstwy wodonośne na Ziemi, na głębokości od kilkuset metrów do kilku kilometrów pod wenusjańską powierzchnią mogą istnieć ogromne zbiorniki karbonatytowej (bogatej w sole) magmy. Nieco wyższe temperatury w przeszłości doprowadziły, być może, do wylania bogatych w sole law na powierzchnię, gdzie były wystarczająco stabilne, by wyżłobić obserwowane dzisiaj struktury.

Po drugie, tajemnicze formy typu tessera (łac. płytka mozaikowa - przyp. red.), najstarszy rodzaj terenu na Wenus, również wskazują na wyższe temperatury w przeszłości. Silnie pomarszczone formy krajobrazu zlokalizowane są na obszarze płaskich wyniesień skorupy przypominających kontynenty, które wznoszą się wiele kilometrów ponad nisko położonymi równinami lawowymi. Analizy przeprowadzone przez Phillipsa i Vicki L. Hansen z Southern Methodist University wskazują, że „kontynenty" powstały w wyniku rozciągania litosfery (sztywnego, zewnętrznego szkieletu planety złożonego ze skorupy i górnego płaszcza). Proces ów przypominał rozrywanie karmelowego batonika z polewą czekoladową, który jest ciągliwy w środku, a na zewnątrz ma cienką kruchą powłokę. Obecnie zewnętrzna część litosfery jest już zbyt gruba, by mogła zachowywać się w ten sposób. W okresie tworzenia form typu tessera musiała być jednak cieńsza, a zatem powierzchnia - znacznie gorętsza.

Po trzecie, planetę pokrywa sieć pęknięć i fałdów. Przynajmniej niektóre z tych form, a szczególnie tzw. zmarszczko watę pasma górskie, mogły powstać w wyniku okresowych fluktuacji klimatu. Wraz z Seanem C. Solomonem z Carnegie Institution z Waszyngtonu wysunęliśmy tezę, że na równinach zachowały się ślady globalnie spójnych epizodów deformacji, odległych od siebie o krótkie przedziały geologicznej historii. Rzecz w tym, że najwyraźniej cała litosfera była rozciągana lub ściskana jednocześnie. Trudno wyobrazić sobie wewnątrzplanetarny mechanizm, który byłby za to odpowiedzialny. Jak to powiązać z globalną zmianą klimatu? Solomon wyliczył, że naprężenia w litosferze wytwarzane przez wahania temperatury rzędu 100°C, wyniosłyby maksymalnie 1000 barów - jest to wartość porównywalna z ciśnieniami, jakie na Ziemi powodowały wypiętrzania pasm górskich, i wystarczająca do odkształcenia powierzchni Wenus w obserwowalny sposób.

W czasie, gdy szalała dyskusja nad niedawną przeszłością geologiczną Wenus, pracowaliśmy nad szczegółowym modelem jej atmosfery. Teoria mówi, że obce i nieprzyjazne nam warunki panujące na Wenus są podtrzymywane przez uzupełniające się wzajemnie własności składników atmosfery. Nawet w śladowych ilościach para wodna pochłania promieniowanie podczerwone w zakresach długości fali, w których dwutlenek węgla nie działa. Dwutlenek siarki i inne gazy siarkowe blokują promieniowanie jeszcze innej długości [ilustracja poniżej]. Wszystkie te gazy cieplarniane współdziałają ze sobą, czyniąc atmosferę Wenus częściowo przezroczystą dla przychodzącego promieniowania słonecznego, ale całkowicie nie przepuszczalną dla wychodzącego promieniowania cieplnego. W wyniku tego temperatura powierzchni (mierzona w kelwinach) jest trzykrotnie wyższa, niż byłaby bez atmosfery. Dla porównania: na Ziemi efekt cieplarniany podnosi temperaturę powierzchni jedynie o jakieś 15%.

Po lewej: 

TEREN WSTĘGOWY zbudowany jest z płytkich (400-metrowych) rowów o płaskim dnie i stromych ścianach. Formy te mogły powstać w wyniku pękania cienkiej kruchej warstwy skał leżącej na słabszym ciągliwym podłożu. Na włamanych ilustracjach widoczne są powiększenia obszaru zaznaczonego prostokątem. Na powiększeniu w prawym dolnym rogu naniesiono przebieg rowów.

Jeżeli wulkany naprawdę odświeżyły całą powierzchnię Wenus 800 min lat temu, to musiały przy tym wyrzucić w krótkim czasie do atmosfery ogromną ilość gazów cieplarnianych. Założenie, że wylało się tyle lawy, by przykryć całą planetę dziesięciokilometrową warstwą, jest chyba rozsądne. W takim przypadku zawartość dwutlenku węgla w atmosferze prawie się nie zmieniła - jest go już tam naprawdę dużo. Jednakże koncentracje pary wodnej i dwutlenku siarki wzrosły wówczas odpowiednio dziesięciokrotnie i stokrotnie. Zafascynowani potencjalnymi implikacjami tej teorii, stworzyliśmy model klimatu Wenus, łączący wzajemnie przenikające się wpływy wielu procesów, takich jak odgazowanie wulkaniczne, powstawanie chmur, utrata wodoru z górnych warstw atmosfery oraz reakcje między gazami atmosferycznymi i minerałami na powierzchni.

Wzajemne oddziaływanie tych procesów bywa subtelne. Choć dwutlenek węgla, woda i dwutlenek siarki ogrzewają powierzchnię, ostatnie dwie substancje z tej listy powodują skutki uboczne, działające odwrotnie - chmury. Większa koncentracja pary wodnej i dwutlenku siarki nie tylko nasila efekt cieplarniany, lecz także zagęszcza chmury, które odbijają światło słoneczne z powrotem w kosmos, oziębiając tym samym planetę. Ze względu na te współzawodniczące ze sobą zjawiska nie jest pewne, jak wpłynie na klimat zastrzyk tych dwu gazów.

 

Dlaczego na Wenus jest jak w piekle?

Uderzające różnice między klimatami Ziemi i Wenus wiąże się dziś z historią wody na obu tych planetach. Oceany i atmosfera Ziemi zawierają obecnie 100 tys. razy więcej wody niż atmosfera Wenus. Płynna woda pośredniczy w reakcjach dwutlenku węgła ze skatami na powierzchni. Dzięki temu dwutlenek węgła z powietrza może tworzyć minerały. Ponadto woda, dostająca się do leżącego głębiej płaszcza, jest prawdopodobnie odpowiedzialna za istnienie warstwy o niskiej lepkości - astenosfery - po której przesuwają się płyty litosfery. Powstawanie minerałów węglanowych i ich późniejsze pogrążenie wraz z płytami tektonicznymi zapobiega wzrastaniu poziomu dwutlenku węgla w powietrzu do wartości obserwowanych na Wenus.

Jednakże modele powstawania planet przewidują, że oba te światy powinny być obdarzone podobną ilością wody dostarczanej przez lodowe impakty pochodzące z peryferii Układu Słonecznego. Gdy sonda Pioneer weszła na orbitę Wenus w 1978 roku, zmierzyła stosunek deuteru do zwykłego wodoru w wodzie zawartej w wenusjańskich chmurach. Stosunek ten miał zaskakującą wartość: 150- -krotnie wyższą niż na Ziemi (patrz: Janet G. Luhmann. James B. Pollack i Lawrence Colin, „Misja do planety Wenus"; Świat Nauki, czerwiec 1994]. Prawdopodobnie na Wenus było kiedyś dużo więcej wody. Zarówno wodór, jak i deuter, chemicznie równoważne, związane były w cząsteczkach wody. Gdy para wodna migrowała w górne warstwy atmosfery, promieniowanie ultrafioletowe Słońca rozkładało ją na tlen i wodór bądź deuter. Wodór jako lżejszy łatwiej ucieka w kosmos niż deuter, toteż względna ilość deuteru z czasem wzrasta.

Dlaczego proces ten nastąpił na Wenus, a nie na Ziemi? W1969 roku Andrew P. Ingersoll z California Institute of Technology wykazał, że jeśli planeta otrzymałaby wystarczająco dużo promieniowania słonecznego, cała woda na jej powierzchni szybko by wyparowała Ta dodatkowa para wodna jeszcze bardziej ogrzałaby atmosferę, zapoczątkowując proces nazwany przez Ingersolla ucieczkowym efektem cieplarnianym. Większość dostępnej na planecie wody przeniosłaby się wówczas w górne warstwy atmosfery, gdzie ostatecznie zostałaby rozłożona, a następnie uciekła w kosmos. Jakiś czas potem James F. Kasting z Pennsylvania State University wraz ze współpracownikami stworzyli bardziej rozwinięty model tego zjawiska [patrz: James F. Kasting. Owen B. Toon i James B. Pollack, „How Climate Evolved on TerrestiaJ Planets"; Scientific American, luty 1988]. Ocenili, że krytyczna wielkość strumienia energii słonecznej, powodująca zapoczątkowanie ucieczkowego efektu cieplarnianego, wynosi około 40% więcej niż strumień obecnie docierający do Ziemi. Wartość ta odpowiada w przybliżeniu wielkości strumienia energii, jaka mogła być na orbicie Wenus zaraz po jej powstaniu, gdy Słońce świeciło o 30% słabiej. W ciągu pierwszych 30 min lat istnienia planety mogło z niej uciec tyle samo wody, ile gromadzą wszystkie ziemskie oceany.

Mankament tego modelu polega na tym, że jeśli Wenus dostatecznie wcześnie miała gęstą atmosferę z dwutlenku węgla podobną do dzisiejszej, to zachowałaby dużo swojej wody. Ilość traconej wody zależy od tego, ile jej może wznieść się tak wysoko, aby ulec rozkładowi, a to jest trudniejsze na planecie o gęstej atmosferze. Co więcej, jeśli w tym procesie utworzyłyby się jakieś chmury, zaczęłyby odbijać promieniowanie słoneczne z powrotem w kosmos, wstrzymując tym samym ucieczkowy efekt cieplarniany.

Dlatego właśnie zespół Kastinga wziął także pod uwagę fakt, że strumień energii słonecznej mógł być nieco niższy od wartości krytycznej. Według tego scenariusza na Wenus były gorące oceany i wilgotna stratosfera. Oceany utrzymywały koncentrację dwutlenku węgla na niskim poziomie, rozpuszczając gaz i przyczyniając się do tworzenia węglanów. Dzięki obecności w astenosferze wody pełniącej rolę smaru, przypuszczalnie działały czynniki tektoniczne płyt. Krótko mówiąc, na Wenus występowały mechanizmy regulujące klimat, podobne do obecnych na Ziemi. Nie były jednak niezawodne. Niższa gęstość atmosfery nie mogła zapobiec dyfuzji wody na dużej wysokości. W ciągu 600 min lat zniknęły całe oceany wody. Ustała tektonika płyt, skazując wnętrze planety na chłodzenie drogą wulkanizmu i przewodnictwa cieplnego. Od tego czasu w powietrzu gromadzi się dwutlenek węgla.

Powyższa sytuacja, nazwana wilgotnym efektem cieplarnianym, jest ilustracją zawiłej zależności między zmianami na Słońcu, w klimacie i w geologii. Procesy atmosferyczne i powierzchniowe mogą się nawzajem wzmacniać, podtrzymując istniejący stan rzeczy, ale nieraz sprzymierzają się przeciwko sobie samym. Jeśłi ta teoria jest prawdziwa, na Wenus byty kiedyś oceany, i przypuszczalnie także życie, choć ustalenie tego jest chyba niemożliwe.

Planetarna perspektywa

Nasze symulacje wskazują, że z początku planetę pokrywała znaczna warstwa chmur, wskutek czego powierzchnia ochłodziła się o jakieś 100°C. Potem jednak chmury stopniowo zużyły się w reakcjach chemicznych. Woda przenikała do wyższych warstw atmosfery, gdzie ulegała rozkładowi pod wpływem promieniowania ultrafioletowego Słońca. Wodór z czasem uciekł w przestrzeń kosmiczną; w ciągu 200 min lat została go tylko połowa. W tym czasie dwutlenek siarki reagował ze skałami węglanowymi. Jak wykazały eksperymenty przeprowadzone przez Bruce'a Fegleya, Jr., z Washington University i jego współpracowników, dwutlenek siarki w wenusjańskiej atmosferze jest pochłaniany przez węglany dużo szybciej, niż woda ucieka w przestrzeń kosmiczną.

Doniesienia z 2011 roku wskazują na to, że Venus Express znalazł warstwę ozonu w atmosferze wenus. Warto uzmysłowić sobie jakie może to mieć konsekwencje - ozon powstrzymuje promieniowanie UV przed dotarciem do powierzchni planety. Ponadto na filmie możemy zobaczyć większość najnowszych doniesień na temat naszej bliźniaczej planety dostarczonych przez Venus Express.

W miarę jak zanikały chmury, coraz więcej energii słonecznej docierało do powierzchni, rozgrzewając ją. Po mniej więcej 200 min lat temperatura była już wystarczająco wysoka, by chmury zaczęły parować od spodu. Wywiązało się pozytywne sprzężenie zwrotne: im szybciej znikały chmury, tym mniej energii słonecznej było odbijane z powrotem w kosmos, tym gorętsza stawała się powierzchnia, tym intensywniej chmury parowały od spodu itd. Imponujące warstwy chmur nagle przestały istnieć. Przez blisko 400 min lat jedynym śladem po nich były rozmyte pasma w górnych warstwach atmosfery złożone głównie z wody. Na powierzchni panowała temperatura o 100°C wyższa niż obecnie, ponieważ koncentracja pary wodnej w atmosferze była wciąż dość wysoka. Cienkie chmury nasilały także efekt cieplarniany, odbijając niewiele energii słonecznej. W końcu, mniej więcej 600 min lat po pojawieniu się globalnego wulkanizmu i przy braku jakiejkolwiek aktywności wulkanicznej, chmury rozproszyły się całkowicie.

Ponieważ dwutlenku siarki i pary wodnej ciągle ubywa, chmury istnieją dzięki czynnym wulkanom. Obliczyliśmy, że dzisiejsza gruba pokrywa chmur może być następstwem aktywności wulkanicznej w ciągu ostatnich 30 min lat. Wewnętrzne procesy, odpowiedzialne za powstawanie wulkanizmu powierzchniowego, pojawiają się na okresy dłuższe niż kilkadziesiąt milionów lat, a więc wulkany prawdopodobnie wciąż są aktywne. Odkrycie to jest zgodne z obserwacjami zróżnicowania ilości dwutlenku siarki na Wenus. W 1984 roku Larry W. Esposito z University of Colorado w Boulder zauważył, że zawartość dwutlenku siarki w górnych partiach chmur zmniejszyła się ponad 10-krotnie w ciągu pierwszych pięciu lat wenusjańskiej misji Pioneer (1978-1983). Stwierdził, że zróżnicowanie ilości tego gazu i związanych z nim drobin mgły jest wynikiem występowania zjawisk wulkanicznych. Powodowane przez wulkanizm fluktuacje temperatury powierzchni stanowią również naturalne wyjaśnienie wielu zaobserwowanych przez sondę Magellan enigmatycznych struktur.

Po lewej: 

W ATMOSFERZE WENUS dominują temperatury rodem z pieca, ciśnienia z oceanu i chmury kwasu siarkowego (H₂S0₄). Przyczyną takiego stanu na Wenus jest brak cykli podobnych do stabilizujących warunki na Ziemi. Procesy atmosferyczne przebiegają tu w jedną stronę. Wyrzucony z wulkanu dwutlenek węgla (CO₂) pozostaje w atmosferze; woda (H₂0) po rozłożeniu przez promieniowanie ultrafioletowe ucieka na zawsze w przestrzeń kosmiczną; wiązany w strukturze minerałów dwutlenek siarki (S0₂) gromadzi się na powierzchni (niewielka jego ilość podlega jednak redystrybucji).

Ziemski klimat na szczęście nie doświadczył podobnych ekstremów w niedalekiej przeszłości geologicznej. Chociaż działa nań wulkanizm, bogata w tlen atmosfera istniejąca dzięki życiu organicznemu i obfitości wody bezustannie usuwa siarkowe gazy. Świadczy to, że wodne chmury są kluczem do równowagi cieplnej planety. Parowanie oceanów decyduje, jaka ilość pary wodnej bierze udział w ich tworzeniu, a jego tempo zależy od temperatury powierzchni. Nieznacznie nasilony efekt cieplarniany na Ziemi wtłacza więcej wody do atmosfery, wskutek czego powstaje większa pokrywa chmur. Wyższy współczynnik odbicia zmniejsza ilość napływającej energii słonecznej i tym samym obniża temperaturę. To negatywne sprzężenie zwrotne działa jak termostat, utrzymując temperaturę powierzchni na umiarkowanym poziomie w krótkich odcinkach czasu (od dni do lat). Analogiczny mechanizm, jakim jest cykl węglanowo-krzemianowy, stabilizuje ilość dwutlenku węgla w atmosferze. Rządzony przez powolny proces tektoniki płyt mechanizm ten działa w cyklu około pół miliona lat.

Te niezwykłe cykle, splatające się z wodą i życiem, ochroniły klimat Ziemi przed gwałtownymi zmianami, których doświadczyła jej siostrzana planeta. Jednakże wpływy antropogeniczne działają w pośredniej skali czasu. Ilość dwutlenku węgla w ziemskiej atmosferze wzrosła o 1/4 od 1860 roku. Choć prawie wszyscy badacze zgadzają się, że mamy do czynienia z globalnym ociepleniem, nadal toczy się spór o to, w jakim stopniu jest to wynik spalania paliw kopalnych, a w jakim - czynników naturalnych. Nie wiadomo, czy istnieje krytyczny poziom dwutlenku węgla, który pokonałby cykle regulacyjne ziemskiego klimatu. Jedno jest jednak pewne: klimaty planet typu ziemskiego mogą podlegać gwałtownym zmianom, spowodowanym przez interakcje między procesami o skali planetarnej [ramka na stronie 32]. Los Ziemi jest przypieczętowany. W miarę starzenia się Słońce będzie coraz jaśniejsze. Za jakiś miliard lat oceany zaczną szybko parować i klimat wpadnie w ucieczkowy efekt cieplarniany. Ziemia i Wenus powstały jako prawie identyczne bliźnięta, których drogi później się rozeszły, ale kiedyś obie planety znów mogą się upodobnić.

Obaj pamiętamy utopijną wizję nauki i techniki z lat sześćdziesiątych, gdy byliśmy jeszcze dziećmi. Zasoby Ziemi i jej zdolność przyjmowania odpadów wydawały się wówczas nieograniczone. W ogromnym postępie dokonanym przez naukę w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat jedną z najważniejszych rzeczy było zrozumienie, że Ziemia jest bogatym, lecz ograniczonym domem, ów pogląd narodził się z rosnącego przekonania, że produkty uboczne globalnej społeczności technicznej mogą zmienić klimat planety [patrz: Philip D. Jones i Tom M. L. Wigley, „Klimat się ociepla?"; Świat Nauki, lipiec 1991). Zbadanie Wenus, która wydaje się nam obca, jest niezbędne, aby znaleźć ogólne przyczyny zaburzeń klimatycznych i tym samym zrozumieć kruchość lub trwałość naszej planety.

 

Literatura uzupełniająca

THE STABILITY OF CLIMATE ON VENUS. Mark A. Bullock i David H. Grinspoon, Journal of Geophysical Research, vol. 101, nr E3, ss. 7521- 7530, III/1996.

VENUS II. GEOLOGY, GEOPHYSICS, ATMOSPHERE, AND SOLAR WIND ENVIRONMENT. Red. Stephen W. Bougher, Donald M. Hunten i Roger J. Phillips; University of Arizona Press, 1997.

VENUS REVEALED. A NEW LOOK BELOW THE CLOUDS OF OUR MYSTERIOUS TWIN PLANET. David H. Grinspoon; Perseus Books, 1997.

THE NEW SOLAR SYSTEM Wydanie czwarte. Red. J. Kelly Beatty, Carolyn Collins Petersen i Andrew Chaikin; Cambridge University Press, 1998.

Interaktywny atlas Wenus jest dostępny w Internesie pod adresem: www.ess.ucla.edu/hypermap/Vmap/top.html

Autorzy: Mark A. Bullock i David H. Grinspoon

Ważne linki dotyczące autorów:
Biografia Davida Grinspoona
David Grinspoon - Lonely Planets: The Natural Philosophy of Alien Life
Mark A. Bullock and David H. Grinspoon - The human exploration of Venus
Mark A. BullockDavid H. Grinspoon - The stability of climate on Venus

Literatura uzupełniająca:
David Grinspoon - Venus Revealed: A New Look Below The Clouds Of Our Mysterious Twin Planet

Multimedia:
Wenus i Merkury - po polsku!
Materiał ładnie podsumowujący naszą wiedzę o Wenus i historię bezzałogowych lotów na tą planetę

Zachęcamy do dyskusji na temat podanych w artykule treści
oraz wklejania linków do materiałów multimedialnych.
Redakcja