Atmosfæren fra vores 2 naboer Mars og Venus kan lære os meget om fortid og fremtidsscenarier for vores egen planet.
Månen, Mars og Venus stiger over Jordens horisont. Billede via ESA / NASA.
Denne artikel er siv fra Det Europæiske Rumorganisation (ESA)
Man har en tyk giftig atmosfære, man har næppe nogen atmosfære overhovedet, og man har lige ret for, at livet blomstrer - men det var ikke altid sådan. Atmosfæren fra vores to naboer Venus og Mars kan lære os meget om fortid og fremtidsscenarier for vores egen planet.
Spol 4,6 milliarder år tilbage fra nutiden til planetarisk bygningsværft, og vi ser, at alle planeterne deler en fælles historie: De blev alle født fra den samme hvirvlende sky af gas og støv, med den nyfødte sol antændt i midten. Langsomt men sikkert, ved hjælp af tyngdekraften, ophobedes støv i sten, og til sidst snebold i planetstore enheder.
Klippefyldt materiale kunne modstå varmen tættest på solen, mens gassigt, isigt materiale kun kunne overleve længere væk, hvilket gav anledning til henholdsvis de inderste jordiske planeter og den yderste gas- og isgigant. Resterne lavede asteroider og kometer.
Atmosfæren fra de stenede planeter blev dannet som en del af den meget energiske bygningsproces, for det meste ved udgasning, da de afkøles, med nogle små bidrag fra vulkanudbrud og mindre levering af vand, gasser og andre ingredienser fra kometer og asteroider. Over tid gennemgik atmosfærerne en stærk udvikling takket være en kompliceret kombination af faktorer, der i sidste ende førte til den aktuelle status, hvor Jorden var den eneste kendte planet, der understøtter liv, og den eneste med flydende vand på dens overflade i dag.
Vi ved fra rummissioner som ESAs Venus Express, der observerede Venus fra kredsløb mellem 2006 og 2014, og Mars Express, der undersøgte den røde planet siden 2003, at flydende vand også engang flydede på vores søsterplaneter. Mens vandet på Venus for længe siden er kogt væk, er det på Mars enten begravet under jorden eller låst fast i iskapper. Intimt knyttet til historien om vand - og i sidste ende med det store spørgsmål om, hvorvidt livet kunne have opstået ud over Jorden - er en planetes atmosfære. Og forbundet med det, samspillet og udvekslingen af materiale mellem atmosfæren og oceanerne og planetens stenede indre.
En sammenligning af de 4 terrestriske planer (der betyder 'Jordlignende') planeter i vores indre solsystem: Merkur, Venus, Jorden og Mars. Billede via ESA.
Planetarisk genanvendelse
Tilbage ved vores nydannede planeter, fra en kugle af smeltet sten med en kappe omkring en tæt kerne, begyndte de at køle ned. Jorden, Venus og Mars oplevede alle udgasningsaktiviteter i disse tidlige dage, der dannede de første unge, varme og tætte atmosfærer. Da disse atmosfærer også afkøles, regnede de første hav ned fra himlen.
På et tidspunkt var der dog forskellige karakteristika ved den geologiske aktivitet for de tre planeter. Jordens faste låg krakede i plader, nogle steder dykkede det under en anden plade i subduktionszoner, og andre steder kolliderer man for at skabe store bjergkæder eller trækkes fra hinanden for at skabe gigantiske sprækker eller ny skorpe. Jordens tektoniske plader bevæger sig stadig i dag, hvilket giver anledning til vulkanudbrud eller jordskælv ved deres grænser.
Venus, som kun er lidt mindre end Jorden, kan muligvis stadig have vulkanaktivitet i dag, og dens overflade ser ud til at være genopstået med lavas så sent som for en halv milliard år siden. I dag har det ikke noget synligt pladetektoniksystem; dens vulkaner blev sandsynligvis drevet af termiske plumes stigende gennem mantelen - skabt i en proces, der kan sammenlignes med en "lavalampe", men i en gigantisk skala.
Mars fra horisont til horisont. Billede via ESA / DLR / FU Berlin
Da Mars var meget mindre, afkøledes hurtigere end Jorden og Venus, og da dens vulkaner blev uddød, mistede han et vigtigt middel til at genopfylde sin atmosfære. Men det kan stadig prale af den største vulkan i hele solsystemet, den 16 km (25 km) høje Olympus Mons, sandsynligvis også et resultat af kontinuerlig lodret bygning af skorpen fra røg, der stiger nedenunder. Selvom der er bevis for tektonisk aktivitet inden for de sidste 10 millioner år, og endda den lejlighedsvise jordskælv i nutiden, antages det heller ikke, at planeten har et jordlignende tektoniksystem.
Det er ikke kun den globale pladetektonik alene, der gør Jorden speciel, men den unikke kombination med havene. Vores oceaner, der dækker omkring to tredjedele af Jordens overflade, absorberer og opbevarer i dag meget af vores planetens varme og transporterer det langs strømme rundt om i verden. Når en tektonisk plade trækkes ned i mantlen, varmes den op og frigiver vand og gasser, der er fanget i klipperne, som igen perkolerer gennem hydrotermiske åbninger på havbunden.
Der er fundet ekstremt hårdføre livsformer i sådanne miljøer i bunden af Jordens oceaner, hvilket giver ledetråde til, hvordan det tidlige liv kan være begyndt, og giver forskere tips om, hvor de skal se andre steder i solsystemet: Jupiters måne Europa eller Saturns iskaldne måne Enceladus for eksempel, som skjuler oceaner med flydende vand under deres iskolde skorpe, med bevis fra rumopgaver som Cassini, der antyder hydrotermisk aktivitet, kan være til stede.
Desuden hjælper pladetektonik med at modulere vores atmosfære ved at regulere mængden af kuldioxid på vores planet over lange tidsskalaer. Når atmosfærisk kuldioxid kombineres med vand, dannes kullsyre, som igen opløser klipper. Regn bringer kulsyre og calcium til verdenshavene - kuldioxid opløses også direkte i havene - hvor det cykles tilbage i havbunden. I næsten halvdelen af Jordens historie indeholdt atmosfæren meget lidt ilt. Oceaniske cynobakterier var de første, der brugte solens energi til at omdanne kuldioxid til ilt, et vendepunkt i at tilvejebringe den atmosfære, der langt længere nede på linjen tillod kompliceret liv at blomstre. Uden den planetariske genanvendelse og regulering mellem mantelen, havene og atmosfæren kan Jorden have havnet mere som Venus.
Ekstrem drivhuseffekt
Venus omtales undertiden som Jordens onde tvilling på grund af, at den er næsten i samme størrelse, men plaget med en tyk skadelig atmosfære og en opsvulmende 470 ºC (878 F) overflade. Dets høje tryk og temperatur er varm nok til at smelte bly - og ødelægge det rumfartøj, der tør at lande på det. Takket være dens tætte atmosfære er den endnu varmere end planeten Merkur, der kredser nærmere tæt på solen. Dens dramatiske afvigelse fra et jordlignende miljø bruges ofte som et eksempel på, hvad der sker i en løbende drivhuseffekt.
Velkommen til Venus, Jordens onde tvilling. Billede via ESA / MPS / DLR-PF / IDA.
Den vigtigste varmekilde i solsystemet er solens energi, der varmer en planets overflade op, og derefter udstråler planeten energi tilbage i rummet. En atmosfære fælder noget af den udgående energi og holder på varmen - den såkaldte drivhuseffekt. Det er et naturligt fænomen, der hjælper med at regulere en planets temperatur. Hvis det ikke var for drivhusgasser som vanddamp, kuldioxid, methan og ozon, ville Jordens overfladetemperatur være omkring 30 grader køligere end dens nuværende gennemsnit på 59 grader Fahrenheit (15 grader C).
I løbet af de sidste århundreder har mennesker ændret denne naturlige balance på Jorden, hvilket har styrket drivhuseffekten siden begyndelsen af den industrielle aktivitet ved at bidrage med yderligere kuldioxid sammen med nitrogenoxider, sulfater og andre sporingsgasser og støv og røgpartikler i luften. De langsigtede virkninger på vores planet inkluderer global opvarmning, surt regn og nedbrydning af ozonlaget. Konsekvenserne af et opvarmende klima er vidtrækkende, der potentielt påvirker ferskvandsressourcer, den globale fødevareproduktion og havoverfladen og udløser en stigning i ekstreme vejrhændelser.
Der er ingen menneskelig aktivitet på Venus, men at studere dens atmosfære giver et naturligt laboratorium for bedre at forstå en løbende drivhuseffekt. På et tidspunkt i sin historie begyndte Venus at fange for meget varme. Det var engang tænkt at være vært for oceaner som Jorden, men den tilføjede varme forvandlede vand til damp, og til gengæld fangede yderligere vanddamp i atmosfæren mere og mere varme indtil hele havene var helt fordampet. Venus Express viste endda, at vanddamp stadig undslipper fra Venus 'atmosfære og ud i rummet i dag.
Venus Express opdagede også et mystisk lag svovldioxid i højde i planetens atmosfære. Svovldioxid forventes fra emissionen af vulkaner - i løbet af missionens varighed registrerede Venus Express store ændringer i svovldioxidindholdet i atmosfæren. Dette fører til svovlsyreskyer og dråber i højder på 50-70 km (50-70 km) - alt resterende svovldioxid bør ødelægges ved intens solstråling. Så det var en overraskelse for Venus Express at opdage et lag af gas på ca. 100 km. Det blev bestemt, at fordampning af svovlsyredråber frit gasformig svovlsyre, der derefter brydes fra hinanden af sollys, frigiver svovldioxidgassen.
Observationen tilføjer diskussionen, hvad der kan ske, hvis store mængder svovldioxid indsprøjtes i Jordens atmosfære - et forslag, der er fremsat til, hvordan man kan afbøde virkningerne af det ændrede klima på Jorden. Konceptet blev demonstreret fra vulkanudbruddet i Mount Pinatubo i Filippinerne i 1991, da svovldioxid, der blev udkastet fra udbruddet, skabte små dråber koncentreret svovlsyre - som dem, der findes i Venus 'skyer - i cirka 20 km (20 km) højde. Dette genererede et dislag og afkølet vores planet globalt med ca. 0,9 grader Fahrenheit (0,5 grader C) i flere år. Fordi denne dis reflekterer varme, er det blevet foreslået, at en måde at reducere de globale temperaturer er at sprøjte kunstigt store mængder svovldioxid ind i vores atmosfære. De naturlige effekter af Mount Pinatubo bød dog kun en midlertidig køleeffekt. At studere det enorme lag svovlsyredråber i Venus tilbyder en naturlig måde at studere virkningerne på længere sigt; en oprindeligt beskyttende dis i højere højde ville til sidst omdannes til gasformig svovlsyre, som er gennemsigtig og tillader alle solens stråler igennem.For ikke at nævne bivirkningen af surt regn, der på Jorden kan forårsage skadelige virkninger på jord, planteliv og vand.
Terrestriske planetmagnetosfærer. Billede via ESA.
Global frysning
Vores anden nabo, Mars, ligger ved en anden ekstremitet: selvom dens atmosfære også overvejende er kuldioxid, har den i dag næppe nogen overhovedet med et samlet atmosfærisk volumen mindre end 1 procent af Jordens.
Mars 'nuværende atmosfære er så tynd, at selv om kuldioxid kondenseres til skyer, kan den ikke tilbageholde tilstrækkelig energi fra solen til at opretholde overfladevand - det fordamper øjeblikkeligt ved overfladen. Men med sit lave tryk og relativt svage temperaturer på -67 grader Fahrenheit (-55 grader C) - lige fra -207,4 grader Fahrenheit (-133 grader C) ved vinterpolen til 80 grader Fahrenheit (27 grader C) om sommeren, rumfartøj smelt ikke på dens overflade, så vi får større adgang til at afsløre dens hemmeligheder. Takket være den manglende genanvendelse af pladetektonik på planeten er fire milliarder år gamle klipper direkte tilgængelige for vores landere og rovere, der udforsker dens overflade. I mellemtiden finder vores orbiters, inklusive Mars Express, der har undersøgt planeten i mere end 15 år, konstant bevis for dets engang flydende farvande, oceaner og søer, hvilket giver et fristende håb om, at det måske en gang har støttet livet.
Også den røde planet ville have startet med en tykkere atmosfære takket være levering af flygtige stoffer fra asteroider og kometer, og vulkanudgasser fra planeten, da dens stenede indre blev kølet af. Det kunne simpelthen ikke holde fast i sin atmosfære sandsynligvis på grund af dens mindre masse og lavere tyngdekraft. Derudover ville dens oprindelige højere temperatur have givet mere energi til gasmolekyler i atmosfæren, så de lettere kunne undslippe. Og efter at have mistet sit globale magnetfelt tidligt i sin historie, blev den resterende atmosfære derefter udsat for solvinden - en kontinuerlig strøm af ladede partikler fra solen - som ligesom på Venus fortsætter med at fjerne atmosfæren, selv i dag .
Med en nedsat atmosfære bevægede overfladevandet sig under jorden, frigivet som store flash-oversvømmelser først, når stød opvarmede jorden og frigav undergrundsvandet og is. Det er også låst fast i de polære iskapper. Mars Express opdagede også for nylig en pool med flydende vand begravet inden for 2 km (2 km) af overfladen. Kunne bevis på liv også være under jorden? Dette spørgsmål er kernen i Europas ExoMars-rover, der er planlagt til lancering i 2020 og lander i 2021 for at bore op til 6,6 fod (2 meter) under overfladen for at hente og analysere prøver på jagt efter biomarkører.
Det antages, at Mars i øjeblikket kommer ud af en istid. Ligesom Jorden er Mars følsom over for ændringer i faktorer, såsom hældningen af dens rotationsakse, når den kredser om solen; det menes, at stabiliteten af vand ved overfladen har varieret over tusinder til millioner af år, når den aksiale hældning af planeten og dens afstand fra solen gennemgår cykliske ændringer. ExoMars Trace Gas Orbiter, der i øjeblikket undersøger den røde planet fra bane, påviste for nylig hydreret materiale i ækvatorregioner, der tidligere kunne repræsentere tidligere placeringer af planetens poler.
Trace Gas Orbiters primære mission er at foretage en nøjagtig opgørelse af planetens atmosfære, især sporegasser, der udgør mindre end 1 procent af planetens samlede volumen af atmosfære. Af særlig interesse er metan, som på Jorden stort set produceres ved biologisk aktivitet og også af naturlige og geologiske processer. Tip om metan er tidligere blevet rapporteret af Mars Express og senere af NASAs Curiosity rover på overfladen af planeten, men Trace Gas Orbiters yderst følsomme instrumenter har indtil videre rapporteret om et generelt fravær af gassen, hvilket uddyber mysteriet. For at bekræfte de forskellige resultater undersøger forskere ikke kun, hvordan metan kan oprettes, men også hvordan det kan blive ødelagt tæt på overfladen. Ikke alle livsformer genererer imidlertid metan, og roveren med dens underjordiske bor vil forhåbentlig være i stand til at fortælle os mere. Bestemt udforskning af den røde planet vil bestemt hjælpe os med at forstå, hvordan og hvorfor Mars 'beboelsespotentiale er ændret over tid.
Udtørret floddalsnetværk på Mars. Billede via ESA / DLR / FU Berlin.
Udforske længere
På trods af at de startede med de samme ingredienser, led Jordens naboer ødelæggende klimakatastrofer og kunne ikke holde på deres vand længe. Venus blev for varm og Mars for kold; kun Jorden blev ”Guldlåber” -planeten med de ret rette betingelser. Kom vi tæt på at blive Mars-lignende i en tidligere istid? Hvor tæt er vi på den løbende drivhuseffekt, der plager Venus? At forstå udviklingen af disse planeter og deres atmosfærers rolle er enormt vigtigt for at forstå klimatiske ændringer på vores egen planet, da de fysiske love i sidste ende styrer alt. Data, der returneres fra vores kredsende rumfartøj giver naturlige påmindelser om, at klimastabilitet ikke er noget at tage for givet.
Under alle omstændigheder på en meget lang sigt - milliarder af år fremover - er et drivhusjord et uundgåeligt resultat i hænderne på den aldrende sol. Vores engang livgivende stjerne vil til sidst kvælde og lysne og injicere nok varme i Jordens delikate system til at koge vores oceaner og lægge den ned ad den samme vej som dens onde tvilling.
Nederste linje: Atmosfærerne fra planeterne Mars og Venus kan lære os meget om fortid og fremtidige scenarier for Jorden.