Кратко перечислю гипотезы и для каждой — что наблюдать, моделировать и экспериментально проверить, чтобы различить сценарии и получить количественные ограничения.
1) Гигантский удар
- Суть: один или несколько крупных импактов придали планете сумму углового момента, перевернув знак вращения.
- Прогнозы/сигнатуры:
- Большое изменение углового момента: скачок $\Delta L$ сопоставим с текущим $L$.
- Возможная перераспределённость кори/мантии (короткоживущие тепловые аномалии, глобальная вулканизм-реконструкция), кратерно-геологическая асимметрия или кора с различной толщиной.
- Частичная потеря летучих/изотопное фракционирование (нейтральные/шаровые примеси, D/H, благородные газы, подвижные сидерофильные элементы).
- Возможная утрата (или образование и последующая потеря) спутника/кольца.
- Наблюдения:
- Точное значение момента инерции $C$ (через гравитационное поле, $J_2$, временные вариации орбиты), топография и гравиметрия для оценки распределения массы.
- Изотопные соотношения в атмосфере и породах: D/H, ${}^{36}$Ar/${}^{38}$Ar, Xe, и редкие элементы (Ir, W – сигнатуры крупных ударов и дегазации).
- Картины возрастов поверхности и региональных аномалий в тепловом/вулканическом фонах (радиолокация, спектрометрия).
- Поиск остатков спутника/колец (геологические следы, разложение обломков).
- Численные модели / эксперименты:
- SPH/N-body симуляции ударов: параметр-поиск по массе $m_{\mathrm{imp}}$, скорости $v$, углу $\theta$ → итоговый $\Delta L$, избыток энергии, потеря летучих, образование спутника.
- Постударная термодинамическая модель рециркуляции мантии и охлаждения, предсказание долгоживущих гравитационных аномалий.
- Лаб/модельные валидации SPH на масштабных ударных экспериментах (импактные установки), проверка парциальной испаряемости компонентов.
- Количественные оценки (порядок величин): необходимая смена углового момента от быстрой начальной прородной ротации (например, $T_{\mathrm{init}}\sim 1\mathrm{d}$) к текущей обратной $T\approx -243\mathrm{d}$ - момент инерции $C\approx 0.33M{R}^2$, для Венеры $M\approx 4.87\times 10^{24}\mathrm{kg}$, $R\approx 6.05\times 10^6\mathrm{m}$ → $C\sim 5.9\times 10^{37}\mathrm{kg}{\mathrm{m}}^2$.
- текущный угловой момент $L=C\omega$, $\omega =2\pi /T$ → $L_{\mathrm{now}}\sim 1.8\times 10^{31}\mathrm{kg}{\mathrm{m}}^2/s$.
- если Venus исходно $\sim 24\mathrm{h}$, начальный $L_{\mathrm{init}}\sim 4.3\times 10^{33}$ → $\Delta L\sim 4\times 10^{33}\mathrm{kg}{\mathrm{m}}^2/s$.
- эквивалентная масса импактора при $v\sim 10km/s$ и плечо $\sim R$: $m_{\mathrm{imp}}\sim \Delta L/(vR)\sim 7\times 10^{22}\mathrm{kg}$ (порядок $10^{-2}{M}_V$). Это дает конкретную цель для SPH-симуляций и геохимических ожиданий.
2) Приливные (солнечные / спутниковые) взаимодействия
- Суть: постепенное торможение/реверс из-за солярных приливов или взаимодействия с утраченным большим спутником; эволюция через диссипацию в мантии/ядре.
- Прогнозы/сигнатуры:
- Эволюция вращения на длительных временахcях, связываемая с параметрами приливного ответа: $k_2$ (Love), $Q$ (коэффициент разрядки).
- Отсутствие сильных ударных изотопных следов; плавная геологическая история.
- Возможность временных резонансных захватов (спин-орбитальные резонансы) при определённой эксцентриситет/наклонении.
- Наблюдения:
- Точные измерения $k_2$, $h_2$ и временных зависимостей орбиты (радар/лазер-торк трекинг орбитеров/ландеров).
- Оценка внутреннего трения: параметры мантии (вязкость $\eta$), внутренняя структура (радиюста ядра) через момент инерции и планетарную прецессию.
- Поиск следов старого спутника: полигоны ударов, асимметрии, химические следы.
- Модели/эксперименты:
- Долгосрочные интеграции вращения+приливов: уравнение изменения момента $\dot{L}={\tau }_{\mathrm{tide}}$, где типичная шкала торка от Солнца
$${\tau }_{\mathrm{tide}}\sim \frac{3}{2}\frac{G{M}_{\odot }^2{R}^5{k}_2}{a^{6}Q},$$ и время деспинга $t\sim L/{\tau }_{\mathrm{tide}}$. Подстановка наблюдаемых/загаданных $k_2,Q$ даст времена, которые можно сравнить с возрастом планеты.
- Модели спиновой эволюции с возможным существованием/потерей спутника (симуляции орбитальной эволюции спутника с приливным трением и потоком материала).
- Лабораторные исследования зависимостей затухания в горных породах при высоких температурах/давлениях для определения $Q(\omega ,T)$.
- Что различит сценарий: если рассчитанные при наблюдаемых $k_2,Q$ времена деспинга короче/длиннее истории планеты — это либо подтверждает приливный сценарий, либо исключает его; точные $k_2,Q$ и внутренняя структура решают.
3) Атмосферно-тепловые приливы (thermal tides)
- Суть: мощная плотная атмосфера Венеры генерирует термические приливы (атмосферные масс- и давл.волны), которые создают вращающий момент, способный удерживать или привести к ретроградной медленной ротации в равновесии с солярными приливами.
- Прогнозы/сигнатуры:
- Чувствительность итоговой ротации к массе атмосферы $M_{\mathrm{atm}}$, радиационному времени, албедо и составу (оптическая глубина).
- Небольшие флуктуации длины дня, синхронные с сезонно/солнечно контролируемыми изменениями атмосферы.
- Отсутствие ударных геохимических следов, но сильные связи между динамикой атмосферы и изменениями вращения.
- Наблюдения:
- Точные наблюдения вариаций LOD (length-of-day) во времени; амплитуда и фаза суточных/сезонных атмосферных приливов (давление/ветер на поверхности).
- Историческая масса атмосферы: оценки через благородные газы/изотопные цепочки (позволяют восстановить $M_{\mathrm{atm}}(t)$).
- Параметры трения граничного слоя (коэффициент трения, топография) — для расчёта обмена момента между атмосферой и твердой планетой.
- Модели/эксперименты:
- Полные 3D GCM с неклюзивным радиативным переносом + динамикой приливов для вычисления атмосферного торка ${\tau }_{\mathrm{atm}}(M_{\mathrm{atm}},\omega )$ и нахождения устойчивых равновесий, а также времён достижения.
- Чувствительный анализ по $M_{\mathrm{atm}}$, состава, облачности, для проверки, при каких параметрах получается ретроградный стационар.
- Лабораторные/роторные эксперименты (вращающиеся резервуары с нагревом днем/ночью) для изучения масштабных волн и силы обмена момента между слоем флюида и опорой (скалирование по Рейнольдсу, Ротационному числу).
- Что различит сценарий: если GCM-пары $M_{\mathrm{atm}}$ + наблюдаемые облачные поля дают торк, равный по модулю и противоположный солярным приливам, тогда термальные приливы сами по себе могут объяснить ретроград. Если для любой правдоподобной истории атмосферы такой баланс невозможен, сценарий исключается.
Сравнение и план действий для различения
- Измерьте внутреннюю структуру и приливные параметры: $k_2$, $h_2$, $Q$, момент инерции $C$. Если приливные времена при наблюдаемых $k_2,Q$ слишком длинны для изменения спина, гигантский удар или атмосферные приливы более вероятны.
- Изучите изотопные и химические следы: удар должен давать сильные следы дегазации/локальной переработки; их отсутствие делает удар менее вероятным.
- Воспроизведите ретроградную установку в моделях:
- SPH/термохимия для удара: найти семейства параметров, дающих $\Delta L$ и ожидаемые геохимические последствия, сравнить с наблюдениями.
- GCM+спиновая эволюция для термальных приливов: показать устойчивое стационарное решение при реалистичных $M_{\mathrm{atm}}(t)$.
- Приливная эволюция: интегрировать с наблюдаемыми $k_2,Q$ и искать возможные истории с/без спутников.
- Наблюдательные миссии:
- Орбитальный миссионерский блок: высокоточное радиолокационное картирование; гравиметрия; трекинг для $k_2,Q$ и прецессии; точное измерение вариаций LOD.
- Посадочные станции/сеть сейсмометров и метеостанций для записи приливных и атмосферных циклов; образцы поверхности для изотопов.
- Масштабные лабораторные эксперименты для валидации SPH и GCM-предсказаний по обмену момента.
- Критерии дискриминации (количественные):
- Если найдено исчислимое $\Delta L$ от возможного удара (SPH) и соответствующие геохимические следы — удар предпочтителен.
- Если GCM даёт устойчивое ретроградное равновесие при наблюдаемом/восстановимом $M_{\mathrm{atm}}$ и торк соотносится с наблюдаемыми LOD-вариациями — термальные приливы предпочтительны.
- Если приливная модель с наблюдаемыми $k_2,Q$ даёт деспинг в пределах возраста системы — приливный сценарий возможен/дополняет другие механизмы.
Коротко: различение потребует сочетания (i) точных гравитационных/сейсмических измерений внутренней структуры и параметров приливов ($k_2,Q,C$), (ii) детальных изотопных/геохимических анализов для следов ударов/потерь летучих, (iii) масштабных численных экспериментов: SPH для ударов, GCM для атмосферных приливов, приливной эволюции для долгосрочного торможения. Количественные метрики — требования по $\Delta L$ (см. оценку выше), времена деспинга $t\sim L/{\tau }_{\mathrm{tide}}$ и амплитуды атмосферного торка ${\tau }_{\mathrm{atm}}(M_{\mathrm{atm}})$ — позволят отличить сценарии.