Amerikai bolygókutatók megfejtették, hogyan veszett el a Vénusz vízkészletének maradéka az elmúlt néhány milliárd évben – derül ki egy friss kutatásból, amely átalakíthatja a képünket a testvérbolygónk múltjáról és jelenéről.

A Földhöz hasonló méretű és összetételű Vénusz ma elképesztően száraz, de ez nem volt mindig így. Az égitesten a Naprendszer hajnalán még annyi víz lehetett, mint bolygónkon, mára viszont alig maradt belőle valami. Az évtizedek óta ismert, hogy az élethez nélkülözhetetlen víz nagy része miként tűnt el a világűrbe, de a vízvesztés befejezéséhez egy másik, jelenleg is aktív kémiai folyamatra volt szükség.

Ez az, amit most Michael Chaffinnek, a boulderi Coloradói Egyetem bolygókutatójának és kollégáinak sikerült azonosítaniuk, amiről hétfőn számolnak be a Nature folyóiratban közölt tanulmányukban. A hidrogén elszökéséhez vezető, disszociatív rekombinációnak nevezett mechanizmusra nem véletlenül csak most akadtak rá: a Vénuszhoz eddig küldött szondák műszerei ugyanis nem voltak képesek annak kimutatására.

„Eredményeink azt sugallják, hogy [jelenleg] kétszer annyi víz szökik el a légkörből, mint korábban feltételezték. Ha a veszteségeket kiegyenlíti a vulkáni tevékenységgel vagy kisbolygók és üstökösök becsapódásával a légkörbe kerülő víz, akkor mindez azt jelenti, hogy a korábbi vélekedéshez képest kétszer annyi víz kerül a légkörbe” – nyilatkozta a Qubitnek Chaffin.

Hogyan működik a folyamat?

A Vénuszon egykor elképesztően sok víz lehetett, ami, ha mind a felszínen koncentrálódik, egy átlagosan 3 kilométer mély globális óceánként jelent volna meg. Ennek a túlnyomó többsége a kutatók szerint egy hidrodinamikai szökésnek nevezett folyamat során tűnt el, amikor a hidrogén fokozatosan távozott az ősi, vízgőz által dominált légkörből. A mechanizmus idővel leállt, de a légkörben maradt még 10-100 méternyi, globális felszíni borítottsággal egyenértékű víz, jelentősen több, mint a mostani, 3 centiméternek megfelelő érték.

A bolygó légköre ma nagyrészt szén-dioxidból áll (96,5 százalékban), de található benne vízgőz is (20 ppm). Mind a szén-dioxid- (CO₂), mind a vízmolekulák (H₂O) el tudják érni a felsőlégkört, ahol felbontja őket a napsugárzás – magyarázta Chaffin, aki elsősorban a Vénusz, a Mars és más kőzetbolygók légköreit tanulmányozza. Az így keletkezett atomok különbözőképpen rekombinálódnak egymással: a vízmolekulákból kiszabaduló hidrogénatomok (H) egy része formil-ionokat (HCO⁺) alkot, amelyek gyorsan disszociatív rekombináción mennek keresztül.

A folyamatban a formil-ionok a Vénusz ionoszférájában (a légkör napsugárzás által ionizált része) egy elektronnal rekombinálódnak. Ekkor, mint a kutató írta, egy semleges töltésű molekula (HCO) keletkezik, amelynek túl nagy az energiája ahhoz, hogy egyben maradjon, így a HCO szétválik (disszociál) szén-monoxidra (CO) és hidrogénre (H). Az energia nagy része a hidrogén gyorsítására megy el, ami aztán a Vénusz szökési sebességének háromszorosával száguld tovább és távozik a világűrbe.

A kutatók vizsgálatukhoz egy, eredetileg a Mars légköri folyamatainak megértésére tervezett fotokémiai modellt adaptáltak, ami képes a hidrogén deutérium izotópjával összefüggő kémiai reakciók, valamint az ionoszféra folyamatainak leképezésére is. Ezzel kiszámították, hogy miként változik a Vénusz légkörét alkotó gázok koncentrációja a felszíntől 90-250 kilométeres magasságban. A modell megadta, hogy mennyi hidrogén (és deutérium) távozik a bolygóról a világűrbe, valamint azt is előre jelezte, hogy azért a HCO⁺ disszociatív rekombinációja felelhet.

Bár a Vénuszhoz eddig indított szondák nem tudták kimérni a légkörben a formil-ionokat (HCO⁺), Chaffin szerint a NASA 1980-ban a bolygóhoz ért és 1992-ig működő Pioneer Venus Orbiter űrszondája végzett olyan méréseket, amelyeket hasznosítani tudtak. A más molekulákról és ionokról gyűjtött adatokkal meg tudták mutatni, hogy a HCO⁺ hasonló rátával keletkezhet, mint amit a modelljük előre jelez. „Bíztató, hogy a meglévő, limitált mérések egy irányba mutatnak a modellünkkel, de valamilyen jövőbeli űrszonda által gyűjtött új adatokra van szükség, amik direktben vizsgálják ezt a szökési folyamatot” – írta.

Azzal, hogy a hidrogén atom elhagyja a bolygót, az eredeti vízmolekulák már nem tudnak újra létrejönni a légkörben. „Azt találtuk, hogy a HCO⁺-rekombináció a fő mechanizmus, amelyen keresztül a hidrogén elhagyja a Vénusz légkörét. Ez közel olyan sebességgel távolítja el a hidrogént (így a vizet is), mint az összes korábban vizsgált folyamat együttvéve” – írta a bolygókutató. A mechanizmus, mint a tanulmányban írják, egyszerre képes megmagyarázni a vénuszi légkör szárazságát és azt, hogy miért van benne a földihez képest 120-szor annyi deutérium – mindez az eddigi hipotéziseknek nehezükre esett.

Hevesebb lehet a mai vulkáni aktivitás, mint gondoltuk

Ha tényleg kétszer annyi víz kerül ma a légkörbe, mint eddig feltételezték, az elég izgalmas következményekkel jár. A kutató szerint amennyiben ez a víz vulkáni kigázosodásból származik, akkor lehetséges, hogy a bolygón zajló vulkanizmus kétszer olyan heves, mint eddig gondoltuk, vagy a kitörésekkel kétszer annyi víz távozik. Ez utóbbi arra mutatna, hogy a Vénusz mélye az eddig gondoltnál több vizet rejt.

Egy tavalyi kutatás az 1990-es években a bolygó körül dolgozó amerikai Magellan űrszonda mérései alapján talált arra bizonyítékot, hogy a Vénuszon ma is vannak aktív vulkánok. Robert Herrick és Scott Hensley két, a bolygó egyik vulkánokkal tarkított területéről nyolc hónap különbséggel készített felvételen akkor egy friss kitörés nyomait azonosította.

Chaffin azt állítja, a helyzet pontos megértéséhez az amerikai űrügynökség (NASA) VERITAS és DAVINCI, valamint az európai űrügynökség (ESA) EnVision szondáira lesz szükség, és az általuk a felszínről és alsólégkörről végzett mérésekre – valamint további, a felsőlégköri vízvesztést vizsgáló kutatásokra.

Az általuk felvázolt mechanizmust kétféleképpen lehetne tanulmányozni: egy, a NASA Mars körül keringő MAVEN szondájára szerelt, NGIMS nevű színképelemző műszerhez hasonló berendezéssel, amely ki tudná mérni a formil-ionok koncentrációját, valamint más, nagy felbontású mérésekkel, amelyek a rekombinációból létrejövő szupergyors hidrogén atomokat észlelnék.

Ha volt valaha óceán a Vénuszon, akkor tovább létezhetett

De mit mond a kutatás arról, hogy lehetett-e a Vénusznak egykor óceánja? A kérdés megosztó a szakemberek körében: a NASA korábbi vezető kutatója, James Green például egy 2018-as sajtótájékoztatón a bolygót egyértelműen egykori „óceánvilágnak” nevezte, vagyis olyan égitestnek, amelynek felszínén több milliárd évvel ezelőtt jelentős mennyiségű folyékony víz volt. Egy 2021-ben a Nature-ben megjelent kutatás, amely egy éghajlati modellel rekonstruálta a bolygó egykori körülményeit, ugyanakkor kizárta ezt a lehetőséget.

Chaffin szerint eredményeiknek jelentős implikációi lehetnek mindkét forgatókönyvre. Ha viszont 3-4 milliárd évvel ezelőtt tényleg volt a Vénusznak óceánja, akkor az általuk azonosított intenzívebb vízvesztési folyamat miatt az tovább létezhetett. Ennek az az egyszerű oka, hogy ha gyorsabban tud távozni a bolygóról a hidrogén, akkor nem kellett olyan sok időnek eltelnie a múltbeli „óceánvilág” állapot és a mostani, elszabadult üvegházhatás és pokoli felszíni körülmények által jellemzett helyzet között.

Ahhoz, hogy ténylegesen kiderüljön, voltak-e óceánok a Vénuszon, a szakember szerint geológiai, alsólégköri, és felsőlégköri mérések kombinációjára lesz szükség, amik egy részét elvégzik majd a jelenleg tervezett űrszondák. „Amit szívesen látnék, az egy olyan új küldetés, amely kiterjeszti a vénuszi víz kutatását az elszökését irányító felsőlégköri folyamatokra, és így lefedi az egész vénuszi légkört, hogy teljes képet kaphassunk, és feltárhassuk testvérbolygónk vizének történetét” – írta.