Czas czytania: 9 minut
Wenus jest planetą wewnętrzną – jest bliższa Słońcu i cała jej orbita zawiera się w całości wewnątrz orbity Ziemi. Niektóre podstawowe parametry upodabniają ją do Ziemi. Wenus nie bez przyczyny nazywana jest jej bliźniaczką. Ma niemal ten sam:
– rozmiar średnicy: ok. 95% ziemskiej;
– gęstość: ok. 95% ziemskiej;
– objętość: ok. 86% ziemskiej;
– masę: ok. 81% masy Ziemi.
Nie jest to zatem mały, nieistotny świat. Pomijanie planety tak zbliżonej w parametrach do Ziemi, nie wydaje się właściwe. Nie da się zrozumieć procesów planetarnych bez zrozumienia Wenus.
Dla porównania podam parametry Marsa w stosunku do Ziemi:
– średnica: ok. 53%;
– gęstość: ok. 71%;
– objętość: ok. 15%;
– masa: ok. 11%.
Poza wymienionymi parametrami zbliżonymi do Ziemi, Wenus jest nieco… dziwna. Osobiście zaliczam ją do trzech największych osobliwości Układu Słonecznego (obok Saturna i Urana). Wenus posiada pewne cechy i właściwości, które „nie bardzo pasują do całości” i które trudno wytłumaczyć. Istnieją dwie podstawowe cechy Wenus, które od razu przychodzą na myśl: obrót wsteczny względem orbity i bardzo powolny obrót wokół własnej osi. Są jeszcze inne elementy, który sprawiają, że Wenus odstaje od schematu.
Atmosfera
Jednym z tych elementów jest jej atmosfera. Niektórymi cechami wykazuje pewne podobieństwo do atmosfer gazowych olbrzymów w Układzie Słonecznym:
– trwałe, rozbudowane wiry polarne nad oboma biegunami;
– globalne pokrycie chmurami i silna „pasmowość” atmosfery.
Posiada pasmowe, często równoleżnikowe ułożenie chmur w atmosferze – dynamika atmosfery Wenus ma dużo bardziej globalny charakter niż atmosfera ziemska, która „pocięta” jest topografią.
Wenus jest oczywiście „pełnoprawną” planetą skalistą, ale jej atmosfera mocno się wyróżnia.
Omawiając struktury atmosferyczne zarówno Wenus, jak i Ziemi należy uwzględnić wysokość i konkretną warstwę omawianej atmosfery.
Teoretyczne rozważania temperaturowe
Orbita Wenus leży na wewnętrznej granicy ekosfery Układu Słonecznego.
Jaką więc temperaturę, powinna mieć tylko i wyłącznie ze względu na swoje położenie?
Krok pierwszy. Załóżmy (potraktujmy to jak eksperyment), że obserwujemy układ gwiezdny z dokładnie taką samą gwiazdą jak Słońce (wszystkie właściwości takie same).
Odkrywamy planetę na orbicie odpowiadającej Wenus. Nie znamy żadnych parametrów tej planety, oprócz położenia. Liczymy więc tzw. temperaturę efektywną takiej planety. Otrzymamy temp. w okolicach +54˚C. Przypominam, że wyliczenie to nie uwzględnia jakiejkolwiek atmosfery i cech samej planety. Od razu należy wspomnieć, że jest to temp. szacunkowa (załóżmy, że przedział ten wynosi +47 °C do +67 °C). Jest to teoretyczna temperatura równowagi radiacyjnej dla Wenus, bez uwzględnienia jakichkolwiek mechanizmów odbijania światła czy zatrzymywania ciepła.
Krok drugi. Wyobraźmy sobie, że udało nam się otrzymać albedo całkowite takiej planety (całkowita ilość energii odbitej we wszystkich długościach fal elektromagnetycznych i wszystkich kierunkach) – oprócz tego nie mamy innych informacji. Całkowite albedo Wenus jest bardzo wysokie i wynosi ok. 0,77 (czyli 77% całkowitego promieniowania elektromagnetycznego docierającego do niej ze Słońca, jest odbijane). Jeżeli obliczylibyśmy temperaturę Wenus z tym wskaźnikiem, ale nadal nie uwzględnilibyśmy charakterystyki atmosfery, to otrzymalibyśmy temperaturę efektywną w okolicach ok. −46˚C. Tak, temperatura jaką otrzymalibyśmy dla ciała z takim albedo, ale bez efektu cieplarnianego atmosfery, byłaby ujemna.
Oba powyższe wyliczenia pokazują nam jak mało wspólnego z rzeczywistością, mogą mieć nasze wyliczenia efektywnych temperatur dla planet pozasłonecznych bez wiedzy o istnieniu potencjalnych atmosfer, ich składzie, grubości, mechanice itd.
Ale wracając do Wenus. Dawniej wiadomo było, że posiada grubą atmosferę, więc uwzględniając potencjalny efekt cieplarniany, znane albedo i położenie w wewnętrznej granicy ekosfery, ludzie przez lata uznawali Wenus za ziemski odpowiednik.
Krótko mówiąc – patrząc z zewnątrz, Wenus ostatecznie powinna być cieplejsza niż Ziemia, ale w żadnym razie nie powinna być piecem przemysłowym z temperaturą powierzchni topiącą standardowy ołów.
Globalny ocean
Jednak takie właściwości atmosfery sprawiają, że Wenus posiada pewnego rodzaju globalny „ocean”. Nawet dziś. I nie jest to żadna spekulacja, a potwierdzony fakt. Jest to jednak bardzo dziwny ocean, jak wiele rzeczy związanych z Wenus. Jest ściśle powiązany ze składem chemicznym atmosfery. Dwutlenek węgla stanowi ok. 96.5% atmosfery Wenus w ujęciu objętościowym (w ujęciu masowym jest nawet wyższy).
Przy powierzchni Wenus panuje ciśnienie wynoszące ok. 92 barów, co odpowiada mniej więcej głębokości 900m w ziemskim oceanie. Temperatura panująca na powierzchni wynosi średnio ok. 464 °C. Okazuje się, że w takich warunkach CO2 występuje w tzw. stanie nadkrytycznym – cieczy nadkrytycznej (nie mylić z nadciekłością!) – o oznaczeniu chemicznym scCO2. To bardzo interesująca faza materii, w której substancja posiada jednocześnie cechy gazu i cieczy. Substancja w stanie nadkrytycznym radykalnie zwiększa swoją objętość i posiada znacznie wyższy współczynnik dyfuzji niż ciecze, co przybliża ją do gazu, jednak posiada znacznie lepsze zdolności rozpuszczania niż gazy – co przybliża ją do cieczy. Nieco trudno sobie wyobrazić stan, który nie jest ani gazem ani cieczą, ale ma cechy obu. Jednak na Ziemi występują naturalne miejsca, gdzie można zobaczyć taką nadkrytyczną fazę materii. Są to kominy hydrotermalne. Co prawda w kominach hydrotermalnych mamy do czynienia z wodą w stanie nadkrytycznym, a nie dwutlenkiem węgla. Woda ta przez bardzo krótki moment istnieje w takim stanie, zanim się ochłodzi – co następuje błyskawicznie w kontakcie z wodą w głębinach oceanu. „Dym” z kominów hydrotermalnych nie jest więc wodą w stanie nadkrytycznym. „Dym” ten tworzą różnego rodzaju wytrącające się związki chemiczne (głównie siarczki metali), które wytrącają się po przejściu wody z stanu nadkrytycznego do „normalnej” cieczy.
Ale dlaczego się wytrącają? Wiąże się to z fascynującą właściwością wody. W stanie nadkrytycznym radykalnie zmienia się jej polarność – polarność wody drastycznie spada w stanie nadkrytycznym. Ma to olbrzymi wpływ na jej właściwości rozpuszczające.
Dwutlenek węgla nie zmienia swoich właściwości rozpuszczających (porównując standardową ciecz CO2 z jej stanem nadkrytycznym).
Szacowana wysokość oceanu nadkrytycznego CO2 na Wenus sięga ok. 3-4 km od powierzchni. Jednak zaznaczam, że jest to bardzo szacunkowa i niepewna wartość. Tym bardziej, że określenie tej wysokości jest bardzo trudne, ponieważ w stanie nadkrytycznym nie istnieje „twarda” granica ciecz-gaz. Wszystko przechodzi bardzo płynnie – co również jest pewną cechą łączącą atmosferę Wenus z atmosferami gazowych olbrzymów.
Gęstość scCO2 nie jest stała i mocno wacha się – w zależności od konkretnych warunków – jednym z najważniejszych jest ciśnienie. Na powierzchni Wenus gęstość takiego CO2 będzie wynosić mniej więcej 0,067 g/cm3. Gęstość (słodkiej) wody na poziomie morza w standardowej ziemskiej atmosferze to 1g/cm3. Czyli gęstość scCO2 jest ok. 15x mniejsza od gęstości wody w warunkach pokojowych. Lepkość dwutlenku węgla w tej fazie również jest niższa – ok. 20-30x mniejsza niż lepkość wody w warunkach pokojowych.
Porównajmy możliwości różnych substancji w zakresie dokonywania np. erozji.
Wpływ na te właściwości ma w dużej mierze tzw. ciśnienie dynamiczne. Na początek porównam ciśnienie dynamiczne wody na Ziemi i ciśnienie dynamiczne współczesnego oceanu scCO2 na Wenus. W tym celu trzeba uwzględnić prędkości przepływu.
Założę 1 m/s czyli nieco ponad 3 km/h. W takich warunkach ciśnienie dynamiczne wody w ziemskiej atmosferze wynosi ok. 500 Pa (Pascali). Podana wartość ciśnienia dynamicznego dotyczy wody słodkiej.
Przy takiej samej prędkości ciśnienie dynamiczne współczesnego scCO2 na Wenus wynosi ok. 32,5 Pa.
Prędkości fal (czyli powiedzmy „wiatru”) na powierzchni Wenus są niskie i wynoszą ok. 1-3 m/s, czyli wartość ciśnienia dynamicznego na powierzchni wynosząca 32,5 Pa jest bardzo bliska rzeczywistej.
Takie samo ciśnienie dynamiczne na Ziemi będzie miał wiatr wiejący z prędkością ok. 26,28 km/h (4 w skali Beauforta).
Tutaj wspomnę, że istnieje alternatywna koncepcja do tej, że na Wenus bardzo dawno temu, był ocean wody. Koncepcja ta głosi, że ocean wodny nigdy nie istniał, a zamiast tego istniał ocean nadkrytycznego CO2 o znacznie wyższej gęstości niż dziś. Jeżeli spojrzeć na wykres fazowy dwutlenku węgla, to zobaczymy, że dzisiejszy CO2 na powierzchni znajduje się nieznacznie powyżej standardowej fazy gazowej https://woosterphysicists.scotblogs.wooster.edu/2024/02/22/venuss-supercritical-ocean/. Jeśli jednak zwiększyć ciśnienie, gęstość takiego CO2 zacznie radykalnie rosnąć, nawet do ok. 0.9 g/cm3, co już niemal zbliża go do gęstości standardowej wody! Zachowując prędkość 1 m/s ciśnienie dynamiczne takiego scCO2 wyniesie już 450 Pa – porównywalne z ziemskim wiatrem o prędkości 98 km/h. Cytując: „To z kolei sprawia, że prawdopodobne jest, iż formacje geologiczne na Wenus, takie jak doliny ryftowe, koryta rzeczne i równiny, są odciskami palców blisko powierzchniowej aktywności ciekłego, nadkrytycznego dwutlenku węgla” – https://www.space.com/28112-venus-weird-superfluid-oceans.html. Tak wiem… w linku jest słowo superfluid co przywołuje nadciekłość, ale w treści jest mowa o nadkrytyczności i chodzi o scCO2, pewnie jest to niedopatrzenie🙄
Tu podaję link do oryginalnego źródła: https://www.researchgate.net/publication/264416679_Structural_Evolution_of_Supercritical_CO2_across_the_Frenkel_Line. Praca dotyczy pewnych nowo badanych cech i właściwości stanu nadkrytycznego – zahacza jednak o Wenus. Gęstość tego hipotetycznego pradawnego oceanu scCO2 na Wenus byłaby zbliżona do jego współczesnych gęstości używanych w przemyśle.
Faktem jest, że na dzisiejszej Wenus nie ma już śladu po domniemanym wodnym oceanie (przynajmniej bezpośredniego), mamy natomiast ocean nadkrytycznego CO2, aczkolwiek rozrzedzonego. Obie koncepcje: zarówno za oceanem gęstszego nadkrytycznego CO2 oraz za oceanem wodnym mają swoje plusy i minusy.
Podsumowując
Wenus jest planetą, której nie poświęca się należytej uwagi w dyskursie naukowym. Moim zdaniem to błąd. Kolejnym poważnym problemem jaki zauważam (może to tylko subiektywne odczucie) to brak systematyczności i kontynuacji perspektywicznych badań. Nawet niektóre oficjalne dokumenty jak np. Nowa strategia eksploracji Wenus opracowana przez Grupę Analiz Eksploracji Wenus(VEXAG) przy NASA podkreśla potrzebę nadrobienia zaległości. Nie wspomnę o Merkurym, gdzie dysproporcja jest dramatyczna.
Już nawet ta krótka analiza problematyki występowania globalnego, nadkrytycznego oceanu dwutlenku węgla na Wenus pokazała, że omawiane zagadnienia mogą mieć zastosowanie np. w przemyśle na Ziemi. W żadnym wypadku nie wyczerpałem tego tematu. Nie uwzględniłem np. współczynnika załamania światła, bardzo ciekawego zagadnienia rozchodzenia się dźwięku w cieczach nadkrytycznych, ściśliwości, itd. To tylko „wewnętrzne” właściwości konkretnego związku chemicznego. Dodatkowo można rozważyć zagadnienie tzw. pionowego gradientu azotu cząsteczkowego w dolnej warstwie atmosfery Wenus. W ogóle właściwości i wpływ azotu w środowisku Wenus. Wszystkie te zagadnienia są niezwykle istotne z czysto naukowego punktu widzenia i zrozumienia różnych mechanizmów. Niektóre z nich, mogą mieć także zastosowania komercyjne, jak np. przemysłowy nadkrytyczny CO2.
Dlatego też z wielkim rozczarowaniem przyjąłem informację o potencjalnym ryzyku anulowania misji NASA na Wenus. W zeszłym roku utraciliśmy kontakt z japońską sondą Akatsuki. Od tego czasu nie mamy żadnej satelity na orbicie okołowenusjańskiej – tzw. orbity cyterocentryczne.
Jest jednak światełko w tunelu i ze zniecierpliwieniem czekam na rozpoczęcie dużego programu badawczego MIT. Bardzo mocno trzymam kciuki za ten projekt. Wiem również, że Indie pracują nad wenusjańską misją – ruszy nie wcześniej niż w 2028 r.
Tymczasem zostaje nam analizować dane, które już mamy, prowadzić obserwacje z Ziemi i wyciągać wnioski. Kto wie co jeszcze odkryjemy.
W końcu Wenus to siostra Ziemi, nieco podobna, ale o zupełnie innym charakterze 😀