Athugaðu, opna í nýjum glugga. Prenta útSenda hlekk á þessa síðu til vinar

Digg This! Del.icio.us; Reddit Stumble It! Facebook

Lofthjúpur Venusar

Efnisyfirlit

Venus er umlukin þykkum lofthjúpi sem er að mestu úr koldíoxíði. Lofthjúpurinn uppgötvaðist árið 1761 er rússneski stjörnufræðingurinn Mikhail Lomonosov fylgdist með henni ganga fyrir sólina. Fljótlega eftir uppgötvun lofthjúpsins komust menn að því að engin smáatriði var að sjá í skýjunum svo hvorki reyndist unnt að mæla snúningstíma reikistjörnunnar né sjá hvað leyndist undir skýjahulunni. Það var því ekki fyrr en með tilkomu útvarpssjónauka og litrófssjáa að skilningur manna á lofthjúpi Venusar fór smám saman að aukast.

Árið 1932 fundu Walter S. Adams og Theodore Dunham yngri, stjörnufræðingar við stjörnustöðina á Wilsonfjalli í Kaliforníu, merki um koldíoxíð í lofthjúpi Venusar eftir að hafa skoðað litróf ljóssins frá reikistjörnunni. Eins og flestir vita er koldíoxíð gróðurhúsalofttegund sem dregur í sig varma og hækkar hitastig lofthjúpsins.

Á næturhimninum er Venus ægibjört og fögur. Ástæðan er fyrst og fremst sú að skýjahulan endurvarpar meira en helmingi þess sólarljóss sem á reikistjörnuna fellur. Þetta mikla endurvarp eitt og sér veldur kólnunaráhrifum á Venusi, rétt eins og ský í lofthjúpi jarðar valda því að skýjaðir dagar eru oft svalari en heiðríkir dagar. Sumir stjörnufræðingar töldu þessi kólnunaráhrif gerðu það að verkum að yfirborðshitastig Venusar væri undir 100°C. Menn veltu því fyrir sér í fullri alvöru hvort Venus hefði hlý höf og stöðuvötn og hugsanlega lífverur sem lifðu við regnskógaaðstæður.

Í kringum 1960 hafði enginn hugmynd um raunverulegar aðstæður í lofthjúpi Venusar. Einn þeirra sem efaðist mjög um að Venus væri jafn notalegur staður og bjartsýnustu menn vildu vera láta var stjörnufræðingurinn Carl Sagan, sem þá var tiltölulega nýútskrifaður stjörnufræðingur frá Chicagoháskóla. Sagan setti fram þá tilgátu sína í bókinni Reikistjörnurnar, sem gefin var út í Time-Life bókaröðinni sem til er á mörgum íslenskum heimilum og margir kannast vel við, að Venus væri skraufþurr og mjög heit reikistjarna. Sagan hafði rannsakað útvarpsgeislun frá Venusi og dró þá ályktun út frá þeim gögnum sem þá lágu fyrir að hitastigið í lofthjúpi Venusar væri allt að 500°C.

Árið 1962 flaug ómannaða könnunarfarið Mariner 2 framhjá Venusi og sendi gögn til jarðar, fyrst geimfara. Um borð í geimfarinu var geislunarmælir sem mældi örbylgjugeislun frá reikistjörnunni á tveimur öldulengdum, 1,35 cm og 1,9 cm. Lofthjúpur Venusar er gegnsær í báðum þessum öldulengdum svo mælitæki Mariners 2 gátu gægst í gegnum lofthjúpinn og séð geislunina af yfirborðinu.

Niðurstöður Mariners 2 staðfestu tilgátu Sagans og sýndu og sönnuðu að hitastigið við yfirborðið var yfir 400°C – langt yfir suðumarki vatns og hærra en hitastigið á Merkúríusi sem þó er nær sólu. Mariner 2 hafði dregið upp allt aðra og dekkri mynd af Venusi en menn áttu von á. Gögnin sýndu þurrann og eyðilegann sem líktist miklu frekar helvíti en því himnaríki sem margir bjuggust við.

Myndun og þróun

Þrátt fyrir að Venus sé nær sólu en jörðin, fær jörðin í raun meiri orku frá sólinni en Venus. Ástæðan er sú að lofthjúpur Venusar endurvarpar yfir 70% þess sólarljóss sem á hann fellur, samanborið við um 30% endurvarp jarðar. Því má segja að Venus sé miklu heitari en hún ætti í raun að vera. Hefði Venus engan lofthjúp væri yfirborðshitinn í kringum 45°C en með álíka þykkum lofthjúpi og jörðin hefur væri eðlilegt hitastig sennilegast í kringum suðumark vatns (á jörðinni), um 100°C.

Eldvirkni á Venusi hefur mótað lofthjúp reikistjörnunnar í gegnum sögu sólkerfisins. Eldfjöll á jörðinni hafa gert slíkt hið sama en lofthjúpar þessara tveggja reikistjarna hafa aftur á móti þróast á harla ólíkan hátt. Á jörðinni er geysimikið fljótandi vatn í höfunum en mjög lítið koldíoxíð í lofthjúpnum. Venus er algjör andstæða því lofthjúpurinn er skraufþurr og þykkur koldíoxíðshjúpur. Talið er að í fyrstu hafi lofthjúpar beggja reikistjarna verið keimlíkir og því vilja stjörnufræðingar gjarnan varpa ljósi á hvers vegna lofthjúpar þessara tvíburareikistjarna hlutu svona ólík örlög.

Þegar sólkerfið myndaðist innihéldu frumlofthjúpar Venusar og jarðar mestmegnis vetni og helíum auk annarra efna í snefilmagni. Sólvindar frá sólinni blésu þessum léttu atómum burt og svo fór að frumlofthjúpurinn allur lak út í geiminn. Á sama tíma og þessi frumlofthjúpur var að hverfa komu fram nýjar gastegundir sem rekja má til eldgosa. Þessar eldfjallagastegundir mynduðu seinni lofthjúpa reikistjarnanna beggja. Atómin í þessum gastegundum höfðu bundist í steindir innan í reikistjörnunum, en þegar steindirnar bráðnuðu, tóku þau að streyma út úr eldfjöllunum við eldgos. Eldfjallagas er að langmestu leyti vatnsgufa auk koldíoxíðs, brennisteinsdíoxíðs og öðrum efnum eins og nitri og ammóníaki. Á sama tíma dembdi halastjörnum yfir reikistjörnurnar sem færðu með sér mestan hluta þess vatns sem verið hefur á reikistjörnunum.

Vatn hefur að öllum líkindum verið stór hluti lofthjúps Venusar áður fyrr. Venus og jörðin eru álíka stórar, svo álíka fjöldi halastjarna ætti að hafa fallið á báðar reikistjörnur og eldfjöll á Venusi hefðu líka gefið frá sér mikið magn vatnsgufu. Rannsóknir á þróun sólstjarna bendir til þess að frumsólin hafi verið talsvert daufari en hún er í dag svo hitastigið á Venusi í fortíðinni gæti hafa verið töluvert lægra. Vatnsgufa gæti því hafa þést í lofthjúpnum og fallið með úrkomu á yfirborðið þar sem hún myndaði höf og stöðuvötn, rétt eins og á jörðinni.

En ef vatnsgufa og koldíoxíð voru eitt sinn svona algeng í lofthjúpum jarðar og Venusar, hvað varð þá um koldíoxíð jarðar og hvað varð um allt vatnið á Venusi? Eins og fjallað er um í greininni um jörðina er koldíoxíðið mestu uppleyst í höfum jarðar og bundið í berg eins og kalkstein eða marmara sem fellur úr höfunum.

Ef svara á seinni spurningunni um vatnsskortinn á Venusi verðum við að skoða sögu reikistjörnunnar. Eins og áður sagði kemur fljótandi vatn á jörðinni í veg fyrir að koldíoxíð safnist saman í lofthjúpnum. Koldíoxíð á jörðinni helst með öðrum orðum í lágmarki vegna fljótandi vatns. Sama hefði gerst í höfum Venusar en þegar vatnið gufar upp myndast vatnsgufuský. Vatnsgufa er gróðurhúsalofttegund og hefur haldið hitastigi lofthjúps Venusar nokkuð háum. Í fyrstu hafði þetta lítil áhrif á höf Venusar og jafnvel þótt lofthitinn hefði hækkað uppfyrir 100°C hefði hærri loftþrýstingur haldið höfunum fljótandi (ef loftþrýstingur er hærri er suðumark vatns hærra en 100°C og öfugt).

Þessar hlýju og röku aðstæður gætu hafa verið til staðar í nokkur hundruð milljónir ára, en þegar orkuútgeislun sólar jókst með tímanum hefur hitastigið smám saman aukist. Þegar hitastig lofthjúpsins var farið upp fyrir 374°C hófu höf Venusar að gufa smám saman upp, sama hver loftþrýstingurinn var. Viðbætta vatnsgufan í lofthjúpnum jók enn á gróðurhúsaáhrifin sem olli því að hitastigið varð enn hærra og uppgufunin örari, svo enn meiri vatnsgufa myndaðist og lofthjúpurinn þykknaði. Þetta ferli er skólabókardæmi um óðagróðurhúsaáhrif eða óðahlýnun (runaway greenhouse effect) þar sem hitastigsaukning veldur frekari hitaaukningu og svo framvegis.

Þegar höf Venusar hurfu var ekkert ferli til staðar sem fjarlægði koldíoxíð úr lofthjúpnum. Án hafa til að binda koldíoxíðið hóf það að safnast fyrir í lofthjúpnum og jók enn frekar á gróðurhúsáhrifin. Hitastigið varð að lokum nógu hátt til þess að leysa upp koldíoxíðið sem var bundið í skorpunni og er þetta það koldíoxíð myndar lofthjúp Venusar í dag.

Hitastigið hefur ekki aukist út í hið óendanlega. Með tímanum hefur útfjólublátt ljós frá sólinni rekist á vatnssameindirnar og tvístrað þeim í súrefnis- og vetnisatóm. Þyngdartog Venusar er ekki nægilega sterkt til þess að halda í léttu vetnisatómin svo þau streymdu út í geiminn. Eftir sátu súrefnisatómin sem banst við önnur efni. Að lokum glataðist næstum öll vatnsgufan úr lofthjúpi Venusar en þegar það gerðist og koldíoxíðið var allt farið úr berginu hægðist á óðahlýnuninni uns hún stöðvaðist. Í dag hafa þessi óðagróðurhúsaáhrifin jafnast út svo hitastigið helst nokkuð jafnt á yfirborðinu um 460°C.

Venus er okkur jarðarbúum þörf áminning um það hvað gæti gerst ef við förum ekki vel með lofthjúpinn okkar. Venus veitir okkur nefnilega dýrmæta þekkingu á mikilvægi vatns í loftslagsbreytingum. Við gætum hæglega breytt himnaríki í helvíti ef við förum ekki varlega.

Efnasamsetning

Lofthjúpur Venusar er að langmestu leyti úr koldíoxíð (96,5%) en einnig nitri (3,5%) auk annara efna í snefilmagni. Koldíoxíð er gróðurhúsalofttegund og útskýrir hvers vegna hitastig lofthjúpsins er svona hátt. Magn niturs í lofthjúpnum er mjög lítið í samanburði við magn koldíoxíðsins, en þar sem lofthjúpurinn er svo miklu þykkari en lofthjúpur jarðar er heildarmagn nitursins ríflega fjórfalt meira en á jörðinni, og það þrátt fyrir að nitur sé 78% af lofthjúpi jarðar.

Í lofthjúpnum er einnig fjöldi annara forvitnilegra efnasambanda í mun minna magni. Þannig eru sýrur á borð við saltsýru (HCl) og vetnisflúoríð (HF) en einnig kolmónoxíð og örlítil vatnsgufa. Stærstur hluti vetnisins hefur streymt út geiminn en afgangurinn hefur myndað brennissteinssýru (H2SO4) og vetnissúlfíð. Brennisteinssambönd telja í heildina um 0,015% af lofthjúpi Venusar og mynda skýin að langmestu leyti og eiga rætur að rekja til mikilla eldgosa á reikistjörnunni.

Efni
Magn
Koldíoxíð (CO2)
96,5%
Nitur (N2)
3,5%
Brennisteinsdíoxíð (SO2)
0,015%
Argon (Ar)
0,007%
Vatnsgufa (H2O(g))
0,002%
Kolmónoxíð (CO)
0,0017%
Helíum (He)
0,0012%
Neon (Ne)
0,0007%
Saltsýra (HCl)
0,00001%

Þrýstingur og þéttleiki

Þegar fyrstu geimför jarðarbúa féllu í gegnum lofthjúp Venusar krömdust þau vegna gríðarlegs þéttleika lofthjúpsins, ekki ósvipað og þegar stigið er á tóma gosdós. Því reyndist smíði geimfars sem lifði hreinlega af ferðalagið í gegnum lofthjúpin mun erfiðari en nokkur átti von á.

Árið 1970 tókst Sovétmönnum loks að lenda Venera 7 geimfarinu á yfirborð Venusar heilu og höldnu en þrátt fyrir það entist geimfarið ekki nema í fáeinar sekúndur. Árangur Sovétmanna reyndist geysilegt tæknilegt afrek þar sem þrýstingurinn á yfirborðinu reyndist 90 loftþyngdir (atm) eða um 90.000 millíbör (samanborið við um 1000 millíbör í lofthjúpi jarðar) – það er 90 sinnum meiri en meðalloftþrýstingurinn við sjávarmál á jörðinni. Þetta jafngildir þrýstingi á eins km dýpi í höfunum!

Þéttleiki lofthjúpsins reyndist líka gífurlega eða 50 sinnum meiri en við sjávarmál á jörðinni. Það þýðir að lofthjúpur Venusar inniheldur miklu meira gas en lofthjúpur jarðar og er talsvert hærri. Það þýðir aftur að skýjalög Venusar eru í yfir 50 km hæð yfir yfirborðinu samanborið við rúma 12 km á jörðinni. Þéttleikinn er svo geysilegur að hann viðheldur varma sérstaklega vel, raunar svo vel að hitastigið hina löngu Venusarnótt er hið sama og á hinum langa Venusardegi. Í þetta þéttum lofthjúpi er koldíoxíðið tæknilega séð ekki lengur gas heldur fljótandi.

Í þessum þykka og heita lofthjúpi er sambærilegur þrýstingur og hitastig og í lofthjúpi jarðar í milli 50 til 65 km hæð yfir yfirborði Venusar. Hér fyrir neðan sést tafla þar sem sýnir hvernig hitastig og þrýstingur breytist með aukinni hæð.

Hæð (km)
Hitastig (°C)
Loftþyngdir (x jörð)
0
460-480
92
5
424
67
10
385
47
15
348
33
20
306
23
25
264
15
30
222
10
35
180
6
40
143 3,5
45
110 2
50
75
1
55
27
0,5
60
-10
0,24
65
-30
0,1
70
-43
0,04
80
-76
0,005
90
-104 0,0004
100
-112
0,00003

Vindar og hringrás

Lofthjúpur Venusar er ekki aðeins ólíkur lofthjúpi jarðar að efnasamsetningu, hitastigi og loftþrýstingi, heldur er hringrás hans einnig mjög ólík. Stjörnufræðingar hafa rannsakað þessa hringrás af ljósmyndum sem geimför á braut um Venus hafa aflað. Snemma á áttunda áratugnum sendi bandaríska könnunarfarið Pioneer Venus ljósmyndir af Venusi í útfjólubláu ljósi sem draga best fram smáatriði í lofthjúpnum. Með því að fygljast með stökum skýjamynstrum komust stjörnufræðingar að því að snúningshraði efri hluta lofthjúpsins er fjórir dagar og snúningsstefnan frá austri til vesturs. Það þýðir að vindhraðinn ofarlega í lofthjúpnum er um 100 m/s! Þessi þykki lofthjúpur og sterki vindur hefur talsverð kraftaáhrif á yfirborðið og veðrun á því. Hugsast getur að saman útskýri þessir þættir hægan snúningstíma Venusar.

Geimfarið uppgötvaði einnig að lofthjúpurinn hefur aðeins tvö risavaxin hringrásakerfi, eitt á norðurhvelinu og annað á suðurhvelinu, sem kallast Hadley hringrásakerfi. Loft við miðbaugssvæðin hlýnar af völdum sólar og rís við það upp á við og færist með efri skýjalögunum í átt að pólsvæðunum. Þetta ferli þar sem heitt loft rís en svalara loft sekkur kallast varmaburður (convection). Við pólsvæðin kólnar gasið og sekkur aftur niður í lægri skýjalög, þaðan sem það flyst aftur í átt að miðbaug. Hringrásakerfið er svo öflugt að færa varma í lofthjúp Venusar að nánast enginn hitamunur er milli miðbaugsins og pólsvæðanna. Þessir öflugu vindar í efri hluta lofthjúpsins teygja út hringrásakerfin og mynda augljóst U-laga mynstur í skýin.

Núningur milli lofthjúpsins og yfirborðsins veldur því að vindhraðinn minnkar eftir því sem neðar dregur. Þannig er mesti vindhraði við yfirborðið innan við 2 m/s.

Ský

Ský Venusar endurvarpa um 75% af sólarljósinu sem á þau fellur og eru svo þykk að birgja okkur sýn niður á yfirborðið. Hátt endurvarpshlutfall skýjanna veldur því að nánast sama magn ljóss kemst í gegnum skýin eins og endurvarpast aftur upp af yfirborðinu. Skýjahulan er raunar slík að mjög lítið sólarljós kemst niður að yfirborðinu. Þrátt fyrir að reikistjarnan sé talsvert nær sólu en jörðin, er birta álíka mikil eins og á hálfskýjuðum degi á jörðinni og skyggnið aðeins um þrír kílómetrar. Birtan er raunar það lítil að ekki þykir hagstætt að senda lendingarför knúin sólaorku á yfirborðið.

Sovésk og bandarísk könnunarför uppgötvuðu að ský Venusar skiptast í þrjú lög hátt í lofthjúpnum. Á jörðinni eru flest ský í innan við 12 km hæð í veðrahvolfinu en á Venusi er efsta skýjalagið í milli 58 og 68 km hæð. Þar fyrir neðan er þéttara og gegnsærra skýjalag í milli 52 og 58 km hæð. Yfir og undir þessum skýjalögum eru 20 km þykk þokulög. Undir lægsta þokulaginu er lofthjúpurinn nokkuð heiðríkur alla leið niður að yfirborðinu. Í skýjunum verða oft þrumur og eldingar.

Gögn bandarísku og sovésku könnunarfaranna sýna að brennisteinn leikur lykilhlutverk í skýjamynduninni. Á meðan ský jarðar eru úr vatnsdropum innihalda ský Venusar nánast ekkert vatn. Þess í stað myndast brennisteinssýra (H2SO4) í efri hluta lofthjúpsins þegar sólarljós brýtur koldíoxíði í kolmónoxíð og súrefnisatóm. Súrefnisatóm er mjög hvarfgjarnt efni og þegar það binst við brennisteinsdíoxíð (SO2) myndast brennisteinstríoxíð (SO3). Brennisteinstríoxíðið gengur svo í efnasamband við vatnsgufu og myndar brennisteinssýru sem er mjög tærandi og er meðal annars notuð í bílarafgeyma.

CO2 + sólarljós -> CO + O
SO2 + O -> SO3
SO3 + H2O -> H2SO4

Brennisteinssýran þéttist í dropa hátt í lofthjúpnum og myndar þar ský. Brennisteinssýran fellur sem rigning á þau geimför sem eiga leið um lofthjúpinn; en regndroparnir komast aldrei niður á yfirborðið sjálft, því vegna gífurlegs hita gufa þeir upp, hátt í lofthjúpnum. Á yfirborðinu er rakastigið aðeins 0,1% sem þýðir að lofthjúpurinn er þurrari en í þurrustu eyðimerkur jarðar.

Brennisteinssýran í lofthjúpi Venusar veldur því að skýin geta myndað efni sem eru mjög skaðleg málmum og öðrum föstum efnum. Þannig myndast vetnisflúoríð (HF) og saltsýra (HCl) af völdum efnahvarfa flúors og klórs í bergi á yfirborðinu. Frekari efnahvörf geta myndað flúrsúlfíðssýru (HSO3F) sem er ein sterkasta sýra sem þekkist og er notuð í iðnaði til þess að leysa upp blý, tin og bergtegundir. Erfitt er að ímynda sér ógeðfelldari stað til þess að heimsækja.

Heimildir:

 

Digg This! Del.icio.us; Reddit Stumble It! Facebook