کشف پاسخ جدید برای معمای دیرین یک سیاره جهنمی!

به نقل از کانورسیشن، میلیاردها سال پیش، زهره به اندازه زمین امروز آب داشت. اگر آن آب موجود در آن زمانی مایع بوده باشد، زهره احتمالا زمانی قابل سکونت بوده است.

با گذشت زمان، تقریبا همه ذخایر آب سیاره زهره از بین رفته است. فهمیدن این که زهره چگونه، چه زمانی و چرا ذخایر آب را از دست داد، به دانشمندان سیاره‌شناسی کمک می‌کند تا بفهمند چه چیزی یک سیاره را قابل سکونت می‌کند یا چه چیزی می‌تواند یک سیاره قابل سکونت را به یک سیاره غیرقابل سکونت تبدیل سازد.

دانشمندان نظریه‌هایی دارند که توضیح می‌دهند چرا بیشتر ذخایر آب ناپدید شده‌اند اما میزان آب ناپدیدشده در واقع بیشتر از اندازه پیش‌بینی‌شده است.

پژوهشی که در «دانشگاه کلرادو بولدر»(CU Boulder) انجام شده، از کشف یک فرآیند جدید حذف آب خبر می‌دهد که در دهه‌های اخیر مورد توجه نبوده است اما می‌تواند معمای از دست دادن آب را توضیح دهد.

تعادل انرژی و از دست دادن زودهنگام آب

منظومه شمسی یک منطقه قابل سکونت دارد. این منطقه یک حلقه باریک به دور خورشید است که در آن سیارات می‌توانند آب مایع را روی سطح خود داشته باشند. زمین در وسط منطقه قابل سکونت، مریخ بیرون از آن در سمت خیلی سرد و زهره بیرون در سمت خیلی گرم قرار دارد. جای یک سیاره در این طیف قابل سکونت، به میزان انرژی دریافتی سیاره از خورشید و همچنین میزان انرژی ساطع‌شده از سیاره بستگی دارد.

نظریه چگونگی از دست رفتن ذخایر آب سیاره زهره با این تعادل انرژی مرتبط است. نور خورشید در زهره اولیه، آب موجود در جو آن را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه کرد. هیدروژن اتمسفر یک سیاره را گرم می‌کند و عملکرد آن مانند داشتن پتوهای زیاد روی تخت در فصل تابستان است.

هنگامی که سیاره بیش از اندازه گرم می‌شود، پتو را دور می‌اندازد. هیدروژن در فرآیند موسوم به «فرار هیدرودینامیکی» به فضا می‌گریزد. این فرآیند یکی از عناصر کلیدی آب را از زهره حذف کرد. دقیقا مشخص نیست که این فرآیند چه زمانی رخ داده اما احتمالا در حدود یک میلیارد سال اول عمر زهره بوده است.

فرار هیدرودینامیکی پس از حذف بیشتر هیدروژن متوقف شد اما کمی هیدروژن باقی ماند. این فرآیند مانند بیرون ریختن آب موجود در بطری است که پس از آن هنوز چند قطره در بطری باقی می‌ماند. قطره‌های باقی‌مانده نمی‌توانند به همان روش فرار کنند، بلکه باید فرآیند دیگری در زهره وجود داشته باشد که به حذف هیدروژن ادامه دهد.

واکنش‌های کوچک و تفاوت‌های بزرگ

این پژوهش جدید نشان می‌دهد که یک واکنش شیمیایی نادیده‌گرفته‌شده در جو زهره می‌تواند به اندازه کافی هیدروژن فرار تولید کند تا شکاف بین ذخایر آب ازدست‌رفته و ذخایر آب مشاهده‌شده را ببندد.

نحوه عملکرد این واکنش شیمیایی در پژوهش دانشگاه کلرادو بولدر آمده است. در اتمسفر، مولکول‌های گازی ⁺ HCO که از یک اتم هیدروژن، کربن و اکسیژن تشکیل شده‌اند و دارای بار مثبت هستند، با الکترون‌های دارای بار منفی ترکیب می‌شوند.

هنگامی که ⁺ HCO و الکترون‌ها واکنش نشان می‌دهند، ⁺ HCO  به یک مولکول مونوکسید کربن خنثی، CO، و یک اتم هیدروژن تجزیه می‌شود. این فرآیند به اتم هیدروژن انرژی می‌دهد تا بتواند از سرعت سیاره فراتر رود و به فضا فرار کند. کل واکنش را نوترکیب تجزیه‌ای ⁺ HCO می‌نامند اما پژوهشگران آن را به اختصار DR نامیده‌اند.

آب منبع اصلی هیدروژن در زهره است. بنابراین، واکنش DR سیاره را خشک می‌کند. واکنش DR احتمالا در طول تاریخ زهره اتفاق افتاده است و این پژوهش نشان می‌دهد که احتمالا تا امروز هم ادامه دارد. این واکنش، میزان فرار هیدروژن را که قبلا توسط دانشمندان سیاره‌شناسی محاسبه شده بود، دو برابر می‌کند و درک آنها را درباره فرار کنونی هیدروژن در زهره تغییر می‌دهد.

درک شرایط سیاره زهره با داده‌ها و مدل‌های رایانه‌ای

پژوهشگران در این پروژه، برای مطالعه DR در زهره از مدل‌سازی رایانه‌ای و تحلیل داده‌ها استفاده کردند.

مدل‌سازی در واقع به عنوان پروژه مریخ آغاز شد. مریخ نیز قبلا آب داشت -هرچند کمتر از زهره- و بیشتر آن را از دست داد.

پژوهشگران برای درک فرار هیدروژن از مریخ، یک مدل محاسباتی را از جو مریخ ایجاد کردند که شیمی اتمسفر مریخ را شبیه‌سازی می‌کرد. مریخ و زهره به رغم اینکه سیاره‌های بسیار متفاوتی هستند، جو مشابهی دارند. بنابراین، پژوهشگران توانستند این مدل را برای سیاره زهره نیز استفاده کنند.

آنها دریافتند که واکنش DR مقدار زیادی هیدروژن فراری را در جو هر دو سیاره تولید می‌کند. این نتیجه با بررسی‌های انجام‌شده توسط ماهواره «ماموریت تکامل مواد فرار و جو مریخ» یا «ماون»(MAVEN) مطابقت دارد که به دور مریخ می‌چرخد.

جمع‌آوری داده‌ها در جو زهره برای پشتیبانی از مدل رایانه‌ای ارزشمند خواهد بود اما ماموریت‌های پیشین به مقصد زهره، ⁺ HCO را اندازه‌گیری نکرده‌اند؛ نه به این دلیل که وجود ندارد، بلکه به این دلیل که برای شناسایی آن طراحی نشده‌اند. با وجود این، آنها واکنش‌گرهایی را بررسی کردند که ⁺ HCO را در جو زهره تولید می‌کنند.

پژوهشگران با تحلیل بررسی‌های انجام‌شده توسط کاوشگر «پایونیر»(Pioneer) و با استفاده از دانش خود درباره شیمی سیاره نشان دادند که ⁺ HCO احتمالا در مقادیر مشابه مدل رایانه‌ای در اتمسفر وجود دارد.

جست‌وجوی آب

این پژوهش، بخشی از معمای چگونگی از دست رفتن ذخایر آب سیارات را حل کرده است که بر میزان قابل سکونت بودن یک سیاره تأثیر می‌گذارد. ما آموخته‌ایم که از دست دادن آب نه تنها در یک لحظه، بلکه به مرور زمان و به واسطه ترکیبی از روش‌ها رخ می‌دهد.

از دست دادن سریع‌تر هیدروژن از طریق واکنش DR به این معناست که به طور کلی زمان کمتری برای حذف آب باقی‌مانده در زهره لازم است. همچنین، این بدان معناست که اگر اقیانوس‌ها در زهره اولیه وجود داشتند، می‌توانستند برای مدت طولانی‌تری نسبت به آنچه دانشمندان تصور می‌کردند وجود داشته باشند. این امر، زمان بیشتری را برای ایجاد زندگی احتمالی فراهم می‌کند. نتایج پژوهش به این معنا نیست که اقیانوس‌ها یا حیات قطعا وجود داشته است. پاسخ دادن به این پرسش به علم بیشتری نیاز دارد.

نیاز به ماموریت‌ها و مشاهدات جدید درباره زهره احساس می‌شود. ماموریت‌های آینده زهره، برخی از بررسی‌های جوی را ارائه می‌کنند اما روی اتمسفر آن تمرکز نخواهند کرد. ماموریت آینده به مقصد زهره که مشابه ماموریت ماون در مریخ است، می‌تواند دانش همه را در مورد چگونگی شکل‌گیری و تکامل جو سیارات زمینی به مرور زمان به میزان زیادی گسترش دهد.

با پیشرفت‌های فناوری در دهه‌های اخیر و شکوفایی علاقه جدید به سیاره زهره، اکنون زمان بسیار خوبی است تا نگاه خود را به سمت سیاره خواهر زمین معطوف کنیم.