Терраформирование Венеры разрушит ее ионосферу?

Короткий ответ: нет, Венера не потеряет свою ионосферу, если целевое состояние терраформирования будет соответствовать составу, температуре и давлению атмосферы Земли. Длинный ответ немного интереснее, особенно почему это проблема, а не решение проблемы отсутствия магнитного поля на Венере. Давайте сначала рассмотрим первый пункт, и я постепенно перейду к проблемным частям;

Ионосфера не является чем-то особенным, это то, что мы должны ожидать от любого небесного тела, которое находится достаточно близко к своей звезде и содержит более легкие элементы, открытые на своей поверхности, если у него изначально есть атмосфера или нет, чтобы ее верхние слои взаимодействовали с высокой энергией звезды. поток протонов и электромагнитное излучение. Даже у Луны есть ионосферапотому что, хотя его экзосфера недостаточно плотна, чтобы ее молекулы могли взаимодействовать друг с другом, они все же взаимодействуют с солнечной (вызванной фото- и / или ионизирующим излучением) заряженной лунной поверхностью. Мы также видим это взаимодействие с кометами и их поверхностную активность, увеличивающуюся по мере того, как они пересекают снежную линию Солнечной системы примерно где-то посередине расстояния главного пояса астероидов до Солнца. На самом деле, для этого даже не нужно быть близко к какой-либо звезде, и это взаимодействие в конечном счете будет достаточно обеспечено космическими лучами, только потребуется больше времени, чтобы большая часть давления над поверхностью небесного тела сформировалась, а полное давление будет недостаточно для нас, чтобы назвать это атмосферой, если его постоянно сдувает солнечный ветер или тело недостаточно массивно, чтобы удерживать эти ионы под действием гравитации или сильной силы, скажем, поверхностного натяжения или электростатики. Например, мы, вероятно, назвали бы ее экзосферой, поскольку ее давление было бы недостаточным для того, чтобы высвобожденные частицы взаимодействовали друг с другом, как мы ожидаем, в соответствующих атмосферах (где плотность достаточно высока, чтобы составляющие ее элементы, атомы, молекулы или более сложные и тяжелые частицы часто сталкиваются друг с другом).

Каким бы ни был источник взаимодействия с атомными и субатомными частицами высокой энергии или источник сильного электромагнитного излучения, такого как, например, ультрафиолетовое, гамма-излучение и т. д. или даже излучение бета-частиц, когда они сталкиваются с молекулой более слабой валентности, они вызывают разрыв их молекулярных связей. ломаются, а сами атомы теряют электроны или, что реже, даже теряют протоны. По сути, они будут ионизироваться, и область атмосферы, которая удерживает этот протонный градиент, где более легкие, более энергичные частицы с положительным зарядом плавают над оставшимся побочным продуктом такого взаимодействия, их более тяжелыми анионами с отрицательным зарядом, — это то, что мы обычно называем ионосферой. Отсюда и слабый электромагнетизм ионосферы Венеры. Теперь большая часть его атмосферы состоит из CO ₂, и не так много образующихся очень легких ионов, как мы ожидали бы, если бы в верхних слоях атмосферы были молекулы воды, сначала расщепляющиеся на H ⁺ и OH ^- . И это проблема, если бы у терраформированной Венеры не было бы собственного магнитного поля. Давайте посмотрим, как сейчас выглядит взаимодействие Венеры с солнечным ветром:

                             ^{Взаимодействие Венеры с солнечным ветром (Источник: Венера: завуалированная планета )}

Как вы можете видеть на изображении, Венера способна поддерживать достаточно толстый слой плазмы в своем хвосте магнитосферы, чтобы действовать с ее протонным градиентом как слабое магнитное поле, удерживая большую часть теперь заряженных / ионизированных верхних слоев атмосферы, которые были оттеснены от нее. солнечные ветры. Это возможно, потому что большинство этих ионов (катионы для ионов с положительным зарядом и анионы для ионов с отрицательным зарядом) представляют собой более тяжелые атомы с достаточным количеством электронов, вращающихся вокруг их ядер, чтобы этот протонный градиент был относительно сильным и противостоял их кинетической силе при их ускорении. взаимодействием с высокоскоростным потоком протонов солнечного ветра. Таким образом, Венера способна удерживать большую часть своей атмосферы и скорость, с которой она теряет ее из-за сильнейших взаимодействий.

Это становится огромной проблемой из-за более тонкой атмосферы, подобной Земле, которая также содержит легкие элементы, такие как водород в молекулах воды. Хвост магнитосферы будет состоять из меньшего количества и гораздо более легких элементов, включая Н ⁺ , и они будут снесены с Венеры, потеряв при этом большую часть своей терраформированной подходящей для нас атмосферы. Таким образом, если вы не сможете поддерживать этот процесс терраформирования, который изначально сделал его пригодным для жизни, и компенсировать потерю атмосферы, или запустить магнитное поле на Венере, чтобы снизить скорость взаимодействия, или даже каким-то образом заблокировать или отклонить приходящий солнечный ветер, нижняя атмосфера ослабнет. и потерять давление в космос. Однако ионосфера все еще будет там, медленно всасывая более плотные нижние слои атмосферы, пока не истощится.

И это источник моего теперь удаленного комментария о том, что на этот вопрос можно дать достаточный ответ, только если вы включили средства терраформирования Венеры. Одна из основных проблем заключается в том, чтобы избавиться от большей части своего CO ₂ , и один из способов сделать это — закачать огромное количество водорода в его атмосферу, предпочтительно с добавлением металлического (железного, кобальтового или никелевого) катализатора, чтобы заставить его в реакцию Боша , где конечным результатом являются атомарный углерод и вода: CO ₂ + 2 H ₂ → C + 2 H ₂О. Но какой бы способ терраформирования ни был выбран, если конечное состояние должно соответствовать собственной атмосфере Земли (или приближаться к ней), а планета содержит водоемы, значительная часть ее атмосферы будет состоять из водяного пара. А водородные связи не прочны, и вода любит терять один из своих атомов водорода даже при относительно слабом взаимодействии со сталкивающимися высокоэнергетическими частицами и УФ-излучением. Таким образом, ионосфера оказалась бы слишком большой для комфорта, хвост магнитосферы был бы слабее (менее плотным, чем сейчас, и с более слабыми ионами-носителями одного электрона, менее электромагнитно привлекательными), а планета начала бы терять свою атмосферу быстрее. Но ионосферу он не потеряет, а пополнится через нижние слои атмосферы, пока они есть.

Для интересного свежего взгляда на венерианскую ионосферную динамику, вот статья Годдарда НАСА (включая видео): Исследования помогают разгадать тайны венерианской атмосферы . Воспроизведение быстрого, наиболее актуального отрывка из него здесь для удобства:

Интерпретация того, что происходит в ионосфере Венеры, требует понимания того, как Венера взаимодействует с окружающей средой в космосе. В этой среде преобладает поток электронов и протонов — заряженный, нагретый газ, называемый плазмой, — которые удаляются от Солнца. Когда этот солнечный ветер движется, он несет с собой встроенные магнитные поля, которые могут воздействовать на заряженные частицы и другие магнитные поля, с которыми они сталкиваются на своем пути. Земля в значительной степени защищена от этого излучения собственным сильным магнитным полем, а Венера такой защиты не имеет.

Однако у Венеры есть ионосфера, слой атмосферы, заполненный заряженными частицами. Ионосфера Венеры на солнечной стороне планеты подвергается бомбардировке солнечным ветром. Следовательно, ионосфера, подобно воздуху, протекающему мимо мяча для гольфа в полете, имеет форму тонкой границы перед планетой и длинного кометоподобного хвоста позади. Когда солнечный ветер проникает в ионосферу, он накапливается, как большая плазменная пробка, создавая тонкую магнитосферу вокруг Венеры — гораздо меньшую магнитную среду, чем вокруг Земли.

Видео Глина Коллинсона из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, Массачусетс, объясняющее эти процессы в действии, опубликовано на Goddard Multimedia и YouTube .

Ионосфера Венеры точно не разрушится. Ионосферы образуются в результате взаимодействия атмосферы с ультрафиолетовым излучением Солнца. УФ-излучение более интенсивно ближе к Солнцу, поэтому земная атмосфера на Венере, вероятно, будет иметь даже более плотную ионосферу, чем настоящая Земля. Венера получает в 1,9 раза больше излучения по сравнению с Землей.

Ионосфера на терраформированной Венере может быть даже толще, чем сейчас. Ультрафиолетовое излучение в настоящее время не проникает глубоко в венерианскую атмосферу из-за ее огромной плотности. Он стал бы намного глубже, если бы атмосфера была менее плотной. См. здесь на стр. 229. Это может ионизировать более толстый слой атмосферы.

Вопрос, конечно, в том, какой будет реальная плотность электронов (и ее высотный профиль) и будет ли она больше или меньше, чем в настоящее время на Венере. Сегодня Венера имеет максимальную плотность электронов в ионосфере около$3.10^{11} m^{-3}$. Пик концентрации электронов в ионосфере Земли составляет около$1.5.10^{11} m^{-3}$что половина Венеры, так что на самом деле это сопоставимо. У нас может возникнуть соблазн подумать, что ближе к Солнцу плотность в земной ионосфере может быть больше. Но плотность сильно варьируется в зависимости от высоты, и что именно произойдет с земными профилями плотности электронов ионосферы на Венере, трудно оценить — мне неизвестно ни о каком подобном исследовании. Всякое может случиться, потому что эффектов много: плотность атмосферы, глубина проникновения УФ и т.д.

Кстати, у Венеры есть индуцированная магнитосфера . Конечно, она слабее магнитосферы Земли, но обеспечивает частичную защиту от солнечного ветра.

Все это все равно не помешает Солнечному ветру сдирать терраформированную атмосферу Венеры.