Рельеф тессер на Венере мог сформироваться под действием водных потоков

Рис. 1. Общий план Земли Афродиты — самой крупной возвышенности на поверхности Венеры. Она достигает 10 000 км в длину, по площади сравнима с Африкой. Обширные районы в ее составе подняты на 3000 м или больше над средним уровнем венерианской поверхности. Фрагменты ландшафта Земли Афродиты обсуждаются в работе, речь о которой пойдет ниже. Фото с сайта ru.wikipedia.org

Плотная атмосфера Венеры долгое время скрывала от астрономов поверхность этой планеты. Только в 1960-х годах, когда Венеру стали посещать межпланетные космические аппараты, завеса стала приподниматься. Наиболее полную и детальную карту поверхности удалось составить на основе данных, собранных в начале 1990-х годов американским зондом «Магеллан», который обнаружил на Венере уникальные формы рельефа, в частности — так называемые тессеры. Это довольно большие возвышенности, сильно изрезанные трещинами, идущими в разных направлениях. Традиционно считается, что тессеры образовались в ходе тектонических процессов. Авторы статьи, вышедшей недавно в журнале Nature Communications, предлагают новый взгляд на их формирование. Они считают, что изрезанность тессер можно рассматривать как следы водных потоков, текших по поверхности Венеры в те древние времена, когда климат на ней был более мягким. В то же время авторы признают, что, пока не появятся более подробные данные о структуре и морфологии тессер, к их идеям лучше относиться как к экзотической гипотезе.

Венера — планета, история наблюдения которой насчитывает почти четыре тысячелетия. Будучи одним из самых ярких небесных тел, она, естественно, привлекала внимание древних звездочетов. Но важные результаты в изучении этой планеты стали появляться только в последние столетия. Так, Михаил Ломоносов, наблюдая прохождение Венеры по диску Солнца 6 июня 1761 года, заметил у нее тонкую светящуюся кайму, которую он корректно интерпретировал как проявление наличия атмосферы. Прохождения (или транзиты, как их еще называют) происходят, когда Венера оказывается ровно между Землей и Солнцем. Такое расположение небесных тел, в частности, позволяло ученым XVIII–XIX веков всё точнее оценивать размер Венеры, который оказался близок к земному (по современным данным, средний радиус Венеры примерно равен 6052 км, что составляет 95% от радиуса Земли). Эти два факта — наличие атмосферы и схожесть размеров Венеры и Земли — породили в научных кругах того времени обсуждения относительно обитаемости Венеры и наличия на ней морей и океанов.

Однако кроме этих двух фактов о Венере было известно очень и очень мало до середины XX века — даже несмотря на развитие ультрафиолетовых и радиотелескопов: ее плотные облачные покровы надежно скрывали поверхность планеты от астрономов. Недостаток информации хорошо иллюстрируется тем, что до 1960-х годов даже направление вращения Венеры оставалось обсуждаемой гипотезой. Например, в статье 1963 года Rotation of Venus: Period Estimated from Radar Measurements авторы используют осторожную формулировку «Венера, предположительно, вращается в направлении, обратном земному» („Venus may rotate in a direction opposite to that of the Earth“). Такая неопределенная ситуация позволила писателям-фантастам в своих произведениях изображать Венеру почти двойником Земли. Так, в романе Айзека Азимова «Лакки Старр и океаны Венеры» 1954 года она представлена полностью покрытой океаном с атмосферой, преимущественно состоящей из азота.

Поэтому в 60-е года прошлого века, когда началась эпоха межпланетных миссий, Венера считалась даже несколько более привлекательной целью для исследований, чем Марс. Первым успехом в исследовании Венеры с близкого расстояния стала миссия «Маринер-2». Этот аппарат пролетел мимо Венеры 14 декабря 1962 года и произвел приблизительные измерения температуры атмосферы. Оказалось, что она составляет 220–320 °C (в зависимости от освещенности). Это несколько остудило интерес научного сообщества и заставило Азимова написать подробное предисловие к следующему изданию приключений Лакки Старра, в котором он объяснил, что научная парадигма успела измениться.

А уже в 1967 году советская станция «Венера-4» успешно вошла в атмосферу планеты, правда связь с ней прервалась до достижения поверхности. Данные, полученные этим спускаемым аппаратом, позволили уточнить температуру на Венере — 450–500 °C, что значительно выше измерений «Маринера-2». «Венера-4» также окончательно установила, что атмосфера состоит преимущественно из углекислого газа и азота (~96,5% и ~3,5%, соответственно; точные цифры были получены позднее). Эти данные подтвердили предположение Карла Сагана об экстремальном парниковом эффекте вблизи поверхности Венеры и практически прекратили спекуляции о возможности жизни на Венере или наличии там жидкой воды. Последним рубежом для сторонников венерианской жизни остались более прохладные облака, дискуссия об обитаемости которых не затихает до сих пор. Так, в сентябре 2020 года в журнале Nature Astronomy появилось сенсационное сообщение (J. Greaves et al., 2020. Phosphine gas in the cloud decks of Venus) об обнаружении в венерианских облаках фосфина (PH₃) — газа-биомаркера, который мог бы быть весомым аргументом в пользу этой идеи. Однако статья немедленно подверглась очень жесткой критике, а сами авторы вскоре сообщили об ошибке в обработке данных, и по состоянию на 20 ноября на сайте Nature Astronomy висит уведомление о том, что данные пересматриваются.

В последующие годы NASA при планировании новых миссий выбрало так называемую стратегию «следования за водой», обратившись к Марсу и телам Главного пояса астероидов, а старты советских миссий к Венере прекратились в 1984 году (последними стали «Веги», см. картинку дня Аэростат на Венере). Из-за этого в изучении Венеры в середине восьмидесятых годов наступил перерыв. За последние 35 лет были запущены всего две специализированные венерианские миссии (не считая пролетов): «Магеллан» (1989 год) и «Венера-Экспресс» (2005 год).

Основной целью миссии «Венеры-Экспресс» было изучение свойств венерианской атмосферы и магнитного поля, а вот «Магеллан» был аппаратом с оборудованием для изучения геологии и географии планеты. Благодаря специализированному радару (из-за плотности венерианской атмосферы это был единственный способ получить информацию о рельефе) после пяти лет работы «Магеллана» удалось создать первую подробную карту поверхности Венеры. Использование технологии радиолокационного синтезирования апертуры позволило ученым получить двумерное изображение 98% поверхности Вернеры с разрешением до 100 метров на пиксель. Из-за ограниченного времени миссии и перехода к следующей фазе (которая была посвящена гравиметрическим измерениям — измерениям ускорения свободного падения), трехмерные данные были собраны только для 21,3% поверхности. Именно на основе этих радарных снимков позднее были составлены геологические карты Венеры, установлено наличие вертикальной тектоники (предположительно, аналогичной земной в архее 4 млрд лет назад) и отсутствие субдукции, а также обилие вулканов.

На поверхности Венеры выделяют уникальные формы рельефа, связанные с геологическими процессами, аналогов которых нет на Земле, например, арахноиды (паутиноподобные системы радиальных трещин) и тессеры (tessera) — зоны хаотичного сильно трещиноватого рельефа. Тессеры покрывают значительную часть поверхности планеты (около 7,3%), причем распределены они не равномерно, а сгруппированы в нескольких областях. Традиционно формирование тессер объясняется исключительно тектоникой, связанной с магматическими процессами: при подъеме больших объемов магмы участки коры Венеры приподнимаются и сминаются, что приводит к образованию трещин и разломов. Однако, в недавней статье, опубликованной в журнале Nature Communications предлагается новый и весьма спорный взгляд на тессеры. В этой статье особенности их геоморфологии объясняются не только тектоникой и вулканизмом, но и результатом воздействия рек, текших в древности по поверхности Венеры. Кроме смелости гипотезы в данной работе примечательно также то, что она основана на магистерской работе одного из авторов.

Тессеры — одни из наиболее древних структур на поверхности Венеры. По современным представлениям, они сформировались примерно 1,75 млрд лет назад (M. J. Way et al., 2016. Was Venus the first habitable world of our solar system?). Это предшествует интенсификации вулканизма (150–750 млн лет назад) и связанному с ним парниковому эффекту, поэтому искать следы более прохладного и влажного климата, если он когда-либо был на Венере, следует, изучая именно особенности морфологии тессер — даже несмотря на то, что ныне они частично скрыты под более молодыми лавовыми потоками (рис. 2 и 3).

Рис. 2. а — радарное изображение тессер (венерианские координаты 4,4°S, 48,2°E). Буквой T отмечены сами тессеры, буквой L — более молодые лавовые потоки, заполняющие углубления рельефа. Также показан профиль высот вдоль отрезка AA'. b, c, d — различные интерпретации геологического разреза по линии АА’: b — только тектонические процессы (прогиб с поднятиями по краям), с — только эрозия (разрушение пород потоком воды или льда), d — комбинированная тектоно-эрозионная модель, лучше описывающая рельеф по мнению авторов. e — трехмерное изображение изучаемого участка поверхности. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Одним из геоморфологических свидетельств в пользу возможного существования воды на древней Венере авторы считают форму долин в тессерах, которая, по их мнению, в некоторых случаях является результатом работы постоянных водных потоков. Анализируя радарные данные они приходят к выводу, что итоговая форма изучаемого понижения в рельефе тессер гораздо лучше описывается комбинацией тектонического прогиба и разрушения водным потоком (рис. 2, d) нежели просто тектоническими причинами.

Рис. 3. Сравнение затопленных лавой тессер (а) и различных земных возвышенностей, резко контрастирующих с окружающим плоским рельефом: канадскими фьордами (b), нунатаками в Восточной Гренландии (c), ярдангами в Китае (d). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Современная скорость выветривания горных пород на Венере все еще остается предметом дискуссий, однако ученые сходятся на том, что она на порядки медленнее земной, учитывая отсутствие воды. Главными факторами разрушения горных пород на Венере являются химические реакции, колебания температур и ветер. Данных о скорости приповерхностных ветров и их влиянии на породы на данный момент, к сожалению, слишком мало, но некоторые оценки существуют. В статье 2016 года Surface winds on Venus: Probability distribution from in-situ measurements приводятся цифры 1,7–2,2 м/с, что вполне достаточно для того, чтобы переносить мелкий песок и пыль. Если говорить о химическом выветривании, то, даже учитывая давление в 9 МПа (на Земле такое давление можно встретить на глубине 900 м под водой) и температуру 450 °C, реакции затрагивают лишь самые поверхностные слои горных пород (например, в статье M. Darby Dyar et al., 2020. Surface weathering on Venus: Constraints from kinetic, spectroscopic, and geochemical data приводятся цифры 30 мкм за 0,5 млн лет для базальтов). Главным фактором омоложения венерианской поверхности считают все же вулканизм. В начале 2020 года в журнале Science Advances была опубликована статья о возможных свидетельствах недавней или современной вулканической активности на Венере (J. Filiberto et al., 2020. Present-day volcanism on Venus as evidenced from weathering rates of olivine).

Подобные потенциальные речные долины, по мнению авторов, могут формировать целые речные сети, которые можно выделить, изучая сообщающиеся системы понижений в рельефе на радарных снимках. Изучив восемь участков поверхности, содержащих затопленные лавами тессеры, они провели аналогии с земными формами речных сетей (рис. 4, слева) и попытались найти что-то похожее.

Рис. 4. Слева — изученные участки тессер и соответствующие типы рисунка речной сети, которые выделяют авторы: решетчатый (а), центростремительный (b), параллельный (c, f), ортогональный (d, e, g), древовидный (h). Справа — трехмерные изображения описываемых участков поверхности (смотрите на латинские буквы после номера рисунка в белых рамках). Изображения из обсуждаемой статьи в Nature Communications

После визуализации и анализа радарных данных оказалось, что сообщающиеся системы понижений могут быть сопоставлены (рис. 4) с пятью из шести известных в англоязычной номенклатуре типов речных сетей. Кроме того, ученые нашли несколько островов в долинах тессер, которые обтекаются лавовыми потоками так, что форма острова не соответствует направлению лавового потока (рис. 5).

Рис. 5. Каплеобразный остров, который, по мнению исследователей, лавовые потоки обтекают по древнему руслу рек. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications

На рис. 5 лавовые потоки движутся от вулканов на востоке (правая часть изображения), но и каплевидный остров повернут острым концом на восток. Такая форма, если сравнивать с земными речными островами, предполагает обратное направление течения потока и дает ученым возможность высказать предположение, что остров сформировался до извержения, когда по этому углублению текла водная, а не лавовая река.

Тут важно заметить, что на Венере тоже есть свои каналы (рис. 6). Были даже попытки их «водной» интерпретации (см., например, A. Jones, K. Pickering, 2003. Evidence for aqueous fluid–sediment transport and erosional processes on Venus), но в настоящее время ученые сходятся на том что они сформировались исключительно при течении лавовых потоков за счет термического и механического воздействия на подстилающие породы (подробнее об этом можно почитать в статье G. Williams-Jones et al., 1998. The nature and origin of Venusian canali). И как раз такие каналы в обсуждаемой статье не рассматриваются (так, весьма похожий участок на рис. 5 называется просто затопленным понижением в тессерах, а не каналом).

Рис. 6. Венерианский канал, созданный лавой, текшей по поверхности. Фото с сайта jpl.nasa.gov

В целом, главным аргументом авторов обсуждаемой статьи в пользу существования древних рек на Венере является неортодоксальная интерпретация некоторых элементов рельефа. Кроме очевидного утверждения о существовании водных потоков на Венере, эта интерпретация также предполагает, что мы некорректно оцениваем возраст тессер. Методика определения возраста различных геологических структур на других космических телах, когда нет возможности произвести радиоизотопное датирование, основана на анализе размера и количества кратеров на единицу поверхности. В первом приближении этот метод можно описать следующим образом: чем больше кратеров (с некоторыми поправками на размер и наличие отсутствие атмосферы), тем старше поверхность. Приблизительные оценки интенсивности метеоритной бомбардировки можно получить, оценивая плотность разных групп астероидов, а также изучая поверхности Луны (для некоторых участков ее поверхности был определен и абсолютный возраст — благодаря образцам, доставленным на Землю в рамках программ «Аполлон» и «Луна», см. картинку дня Земная порода с Луны). Это позволяет датировать участки поверхности Венеры (подробнее про эту методику, ее погрешности и применимость к разным планетам можно почитать в обзорной статье С. Fassett, 2016. Analysis of impact crater populations and the geochronology of planetary surfaces in the inner solar system). Если предположить, что эрозия «стирала» следы древних кратеров (как это происходит на Земле), то выходит, что возраст тессер может превышать 1,75 млрд лет.

Воспринимать эту статью как источник новых представлений о прошлом Венеры, конечно же, не стоит. Об этом говорят и сами авторы. Они лишь высказывают интересное предположение, полностью признавая тот факт, что, например, земные речные сети в большом количестве случаев накладываются на тектонику региона, а разрешения радара недостаточно для того, чтобы с абсолютной точностью определить, была эрозия или нет. Но учитывая незаслуженно низкий интерес к Венере со стороны научного сообщества, увеличение количества публикаций о ней в последние несколько лет — это хороший знак. Возможно, если такие дискуссии продолжатся, мы увидим еще один спускаемый венерианский аппарат хотя бы в ближайшие пару десятилетий.

Источник: S. Khawja, R. E. Ernst, C. Samson, P. K. Byrne, R. C. Ghail & L. M. MacLellan. Tesserae on Venus may preserve evidence of fluvial erosion // Nature Communications. 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-19336-1.

Кирилл Власов