Кто из землян быстрее найдет жизнь в облаках Венеры?⁠⁠

Космические агентства планируют запуск аппаратов к Венере в конце 2020-х. Частные компании не отстают: их миссии могут достигнуть орбиты второй по удаленности от Солнца планеты гораздо раньше.

Высококонтрастное изображение облачного покрова Венеры. / © NASA

Наша ближайшая соседка Венера — загадочная, контрастная и манящая планета. Солнечный свет на ее орбите вдвое жарче, чем на земной, но Венера целиком покрыта облаками, отражающими 76 процентов излучения обратно в космос. Поэтому Венере, несмотря на близость к Солнцу, достается даже чуть меньше его энергии, чем Земле.

Облака скрывают поверхность от земных телескопов, и работавшие до эпохи космических исследований ученые и фантасты не могли узнать, что же на ней находится. Они представляли себе мир, целиком покрытый тропическими лесами и болотами, в которых под непрерывным дождем бродят неторопливые гиганты, похожие на древнюю земную фауну.

Забегая вперед, отметим, что будь атмосфера нашей ближайшей соседки похожа на земную — так бы оно с немалой вероятностью и было.

Разбитые мечты

С наступлением эры космических полетов надежды ученых испарились, словно утренняя роса. Астрономы еще со времен открытия Ломоносова догадывались, что венерианская атмосфера массивнее земной, но недооценили ее плотность. Советские исследователи приступили к запуску зондов на Венеру в 1965 году, с каждой неудачей укрепляя их конструкцию, но атмосфера этой планеты раздавливала первые аппараты один за другим.

Наконец, в 1970-м аппарат «Венера-7» первым в истории достиг поверхности Венеры в целости и сохранности. Он непосредственно измерил условия на поверхности: температура — 475 градусов Цельсия, давление — в 92 раза выше земного. Водяного пара в атмосфере в десятки тысяч раз меньше, чем воды в земных океанах, грунт представляет собой сплошные поля застывшей лавы, тускло-оранжевое небо дает освещенность, сравнимую с пасмурным днем на Земле.

Высокую температуру обеспечивает как сама плотность атмосферы, так и парниковый эффект от углекислого газа, который выступает главным компонентом венерианской атмосферы. Его там — 96,5%, или, с учетом давления, в 200 тысяч раз больше, чем в атмосфере Земли. А сверкающие облака, благодаря которым древние люди считали блистательную планету воплощением любви и красоты, оказались состоящими из концентрированной серной кислоты.

Самое яркое проявление контраста между оболочкой и содержимым среди планет Солнечной системы / © Bernd Koch. Изображение поверхности, переданное «Венерой-13» — в обработке Don Mitchell

Стало ясно, что венерианские посадочные аппараты не встретят не только венерозавров, но даже и примитивные формы жизни. На ее поверхности, как и в атмосфере под облачным слоем, слишком горячо для любых земных организмов.

Говорят, когда советские исследователи обсуждали данные «Венеры-4», которая первой проникла глубоко в венерианскую атмосферу и передала температуру в 262 градуса Цельсия на высоте 28 километров, один из конструкторов не смог сдержать слез.

После таких открытий исследования Венеры быстро сошли на нет. Последние посадочные и атмосферные миссии достигли нашей ближайшей соседки в 1985 году. После этого на ее орбите работали всего три аппарата — американский Magellan, европейский Venus Express и японский Akatsuki.

Но как это ни удивительно, со временем новые данные заставили ученых усомниться, что Венера — совершенно мертвый мир.

Признаки «невозможного»

Всегда ли Венера была сухой? Нет. При анализе состава венерианской атмосферы было обнаружено, что относительное содержание дейтерия в ней в 150 раз превосходит земное. Этот тяжелый изотоп водорода концентрируется в атмосфере при улетучивании воды в космос, и это колоссальное обогащение означает, что когда-то на Венере было лишь ненамного меньше воды (или пара), чем в земных океанах.

Могла ли вода быть жидкой? Да! При нынешней плотной атмосфере это невозможно, но количество углекислого газа в атмосфере Венеры примерно соответствует его содержанию во всех земных карбонатных горных породах. Если исходный состав Венеры был похож на земной — то раньше углекислый газ мог быть связан в карбонаты и на ней, а атмосфера была намного менее плотной.

Моделирование климата древней Венеры свидетельствует, что миллиарды лет назад, когда светимость Солнца была ниже современной, ее климат мог быть даже прохладнее земного. Это делают возможным особенности атмосферной циркуляции на медленно вращающихся планетах (Венера вращается вокруг своей оси за 243 земных суток, а солнечные сутки на ней длятся 117 земных: два земных месяца продолжается ночь, еще столько же — день). Но что-то пошло не так: атмосфера стала плотнее, в нее начали поступать водяной пар и углекислый газ, усиливая парниковый эффект.

Начавшийся разогрев замкнул порочный круг: гипотетические океаны испарились, карбонаты выбросили весь связанный ими углекислый газ в атмосферу, и Венера превратилась в мир, выжженный дотла.

Смоделированная карта температуры на поверхности Венеры при следующих условиях: атмосфера совпадает с земной, светимость Солнца составляет 77% от нынешней (соответствует времени 2,9 миллиарда лет назад), на поверхности имеется океан средней глубиной 310 метров (что соответствует современному содержанию дейтерия в атмосфере Венеры). Медленное вращение Венеры вокруг своей оси снижает эффективность атмосферной циркуляции. Поэтому дневная сторона почти целиком покрыта отражающими солнечный свет облаками, а ночная — ясная, эффективно излучает тепло в космос. Средняя температура равна плюс 11 градусам Цельсия (на три градуса ниже, чем на современной Земле), а максимальная — плюс 36. При более быстром вращении (один оборот вокруг оси за 16 земных суток) циркуляция усиливается. На дневной стороне устанавливается переменная облачность, средняя температура вырастает до плюс 46 градусов, а минимальная не опускается ниже плюс 27. Напротив, если при медленном вращении «поднять» светимость Солнца с 77% до 94%, на дневной стороне становится еще более пасмурно, и температура повышается всего на четыре градуса / © https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/201...

Некоторые детали ландшафта Венеры могут хранить свидетельства древних, умеренных времен. Радиолокация поверхности и исследование ее излучательной способности в инфракрасном диапазоне зондами Magellan и Venus Express показали, что полями застывшей лавы покрыта не вся планета. Венерианские тессеры, возвышенные участки поверхности, по морфологии и минеральному составу похожи на остатки континентов, смятые литосферными деформациями. Эти формы рельефа могли бы образоваться при тектонике на планете с океанами.

Геологическая карта Венеры, составленная специалистами ГЕОХИ РАН в 2010 году

А если жизнь на Венере просто не зародилась? Ничего страшного, планета все равно могла быть обитаемой. Существует ряд сильно недооцененных исследований, в которых изучался и моделировался перенос материала между планетами при астероидной бомбардировке. Удары астероидов выбивают огромное количество скал в космос, и часть материала попадает на другие планеты. Одноклеточные организмы и их споры могут пережить такое путешествие и укорениться на другой планете — этот предполагаемый и вероятный способ распространения жизни между планетами называется литопанспермией.

В самом деле, если мы на Земле находим марсианские метеориты, то на Марсе и Венере должно быть полно земных метеоритов. За миллиарды лет на нашу планету падало множество крупных астероидов — один только Чикшулуб выбил в космос сотни миллионов тонн земных скал, насыщенных микроорганизмами. Поэтому земная жизнь вполне могла пустить побеги на Венере, а еще на Марсе и везде, где могла прижиться.

В Солнечной системе был период, 3,2-3,8 миллиарда лет назад, когда целых три соседствующие планеты — Венера, Земля и Марс — могли одновременно обладать умеренным климатом, а на одной из них — Земле — точно была жизнь. Астероидная бомбардировка в те времена была интенсивнее современной, и литопанспермия была вполне способна объединить их биосферы в одну.

Ну ладно Марс, скажет читатель, но венерианский сектор биосферы Солнечной системы точно должен был остаться в прошлом? А вот не совсем. Венера горяча только под облаками. Как и на Земле, температура падает на несколько градусов с каждым километром высоты, и в облаках Венеры есть слой, где температура — как у нас за окном, а давление чуть ниже земного.

Зависимости температуры и давления в атмосфере Венеры от высоты. Градусы по шкалам Кельвина и Цельсия равны друг другу, а сами шкалы сдвинуты на 273,15 градуса. Точка замерзания воды равна 273,15 градуса Кельвина, кипения (при атмосферном давлении) — 373,15 кельвина, а за окном в момент написания этих строк был 291 градус Кельвина — для лета прохладно

Вулканический сернокислотный состав облаков долго заставлял ученых воздерживаться от предположений об их возможной обитаемости. Но при изучении венерианской атмосферы с Земли и орбитальных аппаратов обнаружили труднообъяснимые и интересные явления.

В облаках, как раз в умеренном слое, наблюдается сильное поглощение ультрафиолетового излучения Солнца, и ни один из известных газов в атмосфере Венеры не способен обеспечить именно такое поглощение. Зато его спектр похож на поглощение ультрафиолета некоторыми земными микроорганизмами. Области поглощения динамичны: дрейфуют по облакам, исчезают и снова распространяются, напоминая цветение водорослей в океане.

Обнаруженные в атмосфере примесные газы — диоксид серы, угарный газ, кислород, аммиак, сероводород и другие соединения — плохо совместимы друг с другом. Среди них есть окислители и восстановители, кислотные и основные соединения. Одновременное нахождение их в атмосфере (даже в примесных количествах) требует наличия сложных неравновесных процессов, непрерывно генерирующих каждое из них. А недавнее исследование атмосферы Венеры выявило в ней примесь фосфина. Этот газ, ядовитое соединение фосфора с водородом PH3, в следовых количествах выделяют анаэробные организмы, но на скалистых планетах его очень сложно «получить» другими способами.

Фосфин и другие биосигнатуры

Когда в начале XXI века находки планет у других звезд стали исчисляться сотнями и тысячами, ученые всерьез задумались о том, как можно обнаружить жизнь на мирах, которые еще долго не будут доступны прямым исследованиям. Исходить нужно из состава атмосферы, который можно узнать методами спектроскопии.

Тщательный отбор среди возможных компонентов атмосфер выявил несколько кандидатов в биосигнатуры — молекул или их сочетаний, которые вряд ли появятся на стерильных планетах и которые можно обнаружить спектроскопическими наблюдениями из Солнечной системы. Вопрос биосигнатур сложен и неоднозначен; подробнее о нем можно почитать, например, здесь. Но одними из лучших спектроскопических биосигнатур в атмосферах скалистых планет были признаны сочетание кислорода с метаном и, собственно, фосфин.

Прежде чем направить телескопы на экзопланеты, ученые оттачивали методы обнаружения биосигнатур на планетах Солнечной системы. Об их атмосферах известно довольно многое, и это позволяет как следует разобраться с возможными источниками ложных сигналов. Каково же было их удивление, когда они обнаружили, что фосфин на Венере есть.

Все это со временем привело исследователей к мысли, что венерианские облака, несмотря на экстремальную кислотность, могут быть населены микроскопическими формами жизни, сродни земным бактериям, которые попадают в верхние слои нашей атмосферы. В земной стратосфере тоже встречаются и капельки серной кислоты, и бактерии, поднятые ветрами с поверхности.

Венерианская жизнь могла бы «переселиться в облако» и сохраниться там, когда поверхность утратила всякую обитаемость. При этом кислотность современных венерианских облаков все же превышает кислотность самых экстремальных сред на Земле.

Если в них действительно найдется жизнь, эта находка перепишет представления о приспособляемости живых организмов. А ее изучение прольет свет не только на важнейшие вопросы о возникновении и распространении жизни, но и на историю планеты.

Неудивительно, что в последние несколько лет интерес к исследованиям Венеры вырос, и теперь к ней запланированы сразу четыре большие исследовательские экспедиции. Недавно к ним добавился еще один интереснейший проект, и в следующей части статьи мы расскажем о «новой волне» космических аппаратов, которая вскоре устремится ко второй планете нашей системы.

Часть 2