Hvordan Venus og Mars kan lære os om Jorden

Man har en tyk giftig atmosfære, man har næsten ingen atmosfære overhovedet, og man er lige til at få livet til at blomstre – men sådan har det ikke altid været. Atmosfærerne hos vores to naboer Venus og Mars kan lære os meget om fortidens og fremtidige scenarier for vores egen planet.

Spol 4,6 milliarder år tilbage fra nutiden til den planetariske byggeplads, 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 centrum. Langsomt men sikkert, ved hjælp af tyngdekraften, støv akkumuleret i kampesten, til sidst snebold ind i enheder på størrelse med planeter.

Stenet materiale kunne modstå varmen tættest på Solen, mens gassyge, iskoldt materiale kunne kun overleve længere væk, giver anledning til de inderste jordiske planeter og de yderste gas- og isgiganter, henholdsvis. Resterne lavede asteroider og kometer.

Atmosfærerne på klippeplaneterne blev dannet som en del af den meget energiske byggeproces, for det meste ved at afgasse, når 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 indviklet kombination af faktorer, der i sidste ende førte til den nuværende status, med Jorden som den eneste kendte planet til at understøtte liv, og den eneste med flydende vand på overfladen i dag.

Vi ved fra rummissioner som ESA's Venus Express, som observerede Venus fra kredsløb mellem 2006 og 2014, og Mars Express, har undersøgt den røde planet siden 2003, at flydende vand engang flød på vores søsterplaneter, også. Mens vandet på Venus for længst er kogt væk, på Mars er det enten begravet under jorden eller låst inde i iskapper. Intimt forbundet med historien om vand – og i sidste ende til det store spørgsmål om, hvorvidt liv kunne være opstået hinsides Jorden – er tilstanden af ​​en planets atmosfære. Og forbundet med det, samspillet og udvekslingen af ​​materiale mellem atmosfæren, oceaner og planetens klippefyldte indre.

Planetarisk genbrug

Tilbage til vores nydannede planeter, fra en kugle af smeltet sten med en kappe, der omgiver en tæt kerne, de erklærede at køle ned. Jorden, Venus og Mars oplevede alle udgasningsaktivitet i disse tidlige dage, som dannede den første unge, varme og tætte atmosfærer. Da disse atmosfærer også afkølede, de første oceaner regnede ned fra himlen.

På et tidspunkt, selvom, karakteristikaene for de tre planeters geologiske aktivitet divergerede. Jordens solide låg revnede i plader, nogle steder dykning under en anden plade i subduktionszoner, og andre steder kolliderer for at skabe store bjergkæder eller trækker sig fra hinanden for at skabe gigantiske sprækker eller ny skorpe. Jordens tektoniske plader bevæger sig stadig i dag, giver anledning til vulkanudbrud eller jordskælv ved deres grænser.

Venus, som kun er lidt mindre end Jorden, kan stadig have vulkansk aktivitet i dag, og dens overflade synes at være blevet genoprettet med lavaer så sent som for en halv milliard år siden. I dag har den ikke noget kendeligt pladetektonisk system; dens vulkaner blev sandsynligvis drevet af termiske faner, der steg gennem kappen – skabt i en proces, der kan sammenlignes med en 'lavalampe', men i gigantisk skala.

Mars, være meget mindre, afkøles hurtigere end Jorden og Venus, og da dens vulkaner uddøde, mistede den et vigtigt middel til at genopbygge sin atmosfære. Men det kan stadig prale af den største vulkan i hele solsystemet, den 25 kilometer høje Olympus Mons, sandsynligvis også resultatet af kontinuerlig lodret opbygning af skorpen fra faner, der stiger nedefra. Selvom der er beviser for tektonisk aktivitet inden for de sidste 10 millioner år, og endda det lejlighedsvise marskælv i nutiden, planeten menes heller ikke at have et jordlignende tektoniksystem.

Det er ikke kun den globale pladetektonik alene, der gør Jorden speciel, men den unikke kombination med oceaner. I dag er vores oceaner, som dækker omkring to tredjedele af jordens overflade, absorbere og opbevare meget af vores planets varme, transportere det langs strømme rundt om på kloden. Når en tektonisk plade trækkes ned i kappen, det varmer op og frigiver vand og gasser fanget i klipperne, som igen siver gennem hydrotermiske åbninger på havbunden.

Ekstremt hårdføre livsformer er blevet fundet i sådanne miljøer på bunden af ​​jordens oceaner, giver fingerpeg om, hvor tidligt livet kan være begyndt, og giver videnskabsmænd tips om, hvor de kan se andre steder i solsystemet:Jupiters måne Europa, eller Saturns iskolde måne Enceladus for eksempel, som skjuler oceaner af flydende vand under deres iskolde skorper, med beviser fra rummissioner som Cassini, der tyder på, at hydrotermisk aktivitet kan være til stede.

I øvrigt, pladetektonik hjælper med at modulere vores atmosfære, regulering af mængden af ​​kuldioxid på vores planet over lange tidsskalaer. Når atmosfærisk kuldioxid forenes med vand, kulsyre dannes, som igen opløser sten. Regn bringer kulsyren og calcium til havene - 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 skabe atmosfæren, der meget længere nede i linjen tillod komplekst liv at blomstre. Uden den planetariske genbrug og regulering mellem kappen, oceaner og atmosfære, Jorden kan være endt mere som Venus.

Ekstrem drivhuseffekt

Venus omtales nogle gange som Jordens onde tvilling på grund af dens næsten samme størrelse, men plaget af en tyk skadelig atmosfære og en kvælende 470ºC overflade. Dens høje tryk og temperatur er varm nok til at smelte bly – og ødelægge det rumfartøj, der tør lande på det. Takket være den tætte atmosfære, det er endnu varmere end planeten Merkur, som kredser tættere på Solen. Dens dramatiske afvigelse fra et jordlignende miljø bruges ofte som et eksempel på, hvad der sker i en løbsk drivhuseffekt.

Den vigtigste varmekilde i solsystemet er solens energi, som varmer en planets overflade op, og så udstråler planeten energi tilbage i rummet. En atmosfære fanger noget af den udgående energi, holde 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, carbondioxid, metan og ozon, Jordens overfladetemperatur ville være omkring 30 grader køligere end dens nuværende +15ºC gennemsnit.

I løbet af de sidste århundreder, mennesker har ændret denne naturlige balance på jorden, styrkelse af drivhuseffekten siden begyndelsen af ​​industriel aktivitet ved at bidrage med yderligere kuldioxid sammen med nitrogenoxider, sulfater og andre sporgasser samt støv- og røgpartikler ud i luften. De langsigtede virkninger på vores planet omfatter global opvarmning, sur regn og nedbrydning af ozonlaget. Konsekvenserne af et opvarmende klima er vidtrækkende, potentielt påvirker ferskvandsressourcer, global fødevareproduktion og havniveau, og udløser en stigning i ekstreme vejrhændelser.

Der er ingen menneskelig aktivitet på Venus, men at studere dens atmosfære giver et naturligt laboratorium til bedre at forstå en løbsk drivhuseffekt. På et tidspunkt i sin historie, Venus begyndte at fange for meget varme. Det blev engang troet at være vært for oceaner som Jorden, men den tilsatte varme gjorde vand til damp, og til gengæld yderligere vanddamp i atmosfæren fangede mere og mere varme, indtil hele oceaner fordampede fuldstændigt. Venus Express viste endda, at vanddamp stadig undslipper fra Venus' atmosfære og ud i rummet i dag.

Venus Express opdagede også et mystisk lag af svovldioxid i høj højde i planetens atmosfære. Svovldioxid forventes fra vulkanernes emission – i løbet af missionens varighed registrerede Venus Express store ændringer i svovldioxidindholdet i atmosfæren. Dette fører til svovlsyreskyer og -dråber i højder på omkring 50-70 km - eventuelt resterende svovldioxid bør ødelægges af intens solstråling. Så det var en overraskelse for Venus Express at opdage et lag af gassen på omkring 100 km. Det blev bestemt, at fordampende svovlsyre dråber fri gasformig svovlsyre, som derefter brydes fra hinanden af ​​sollys, frigivelse af svovldioxidgassen.

Observationen tilføjer til diskussionen, hvad der kan ske, hvis store mængder svovldioxid sprøjtes ind i Jordens atmosfære – et forslag til, hvordan man kan afbøde virkningerne af det skiftende klima på Jorden. Konceptet blev demonstreret fra vulkanudbruddet i 1991 af Mount Pinatubo i Filippinerne, da svovldioxid, der blev kastet ud fra udbruddet, skabte små dråber koncentreret svovlsyre – som dem der findes i Venus' skyer – i omkring 20 km højde. Dette genererede et tågelag og afkølede vores planet globalt med omkring 0,5ºC i flere år. Fordi denne dis afspejler varme, er det blevet foreslået, at en måde at reducere de globale temperaturer på ville være at injicere kunstigt store mængder svovldioxid i vores atmosfære. Imidlertid, de naturlige effekter af Mt Pinatubo tilbød kun en midlertidig kølende effekt. At studere det enorme lag af svovlsyreskydråber ved Venus tilbyder en naturlig måde at studere de langsigtede virkninger på; en oprindeligt beskyttende dis i større højder ville til sidst blive omdannet tilbage til gasformig svovlsyre, som er gennemsigtig og slipper alle Solens stråler igennem. For ikke at nævne bivirkningen af ​​sur regn, som på Jorden kan forårsage skadelige virkninger på jordbunden, planteliv og vand.

Global frysning

Vores anden nabo, Mars, ligger i en anden yderlighed:selvom dens atmosfære også overvejende er kuldioxid, i dag har den næsten ikke nogen overhovedet, med et samlet atmosfærisk volumen mindre end 1 % af Jordens.

Mars' eksisterende atmosfære er så tynd, at selvom kuldioxid kondenserer til skyer, det kan ikke tilbageholde tilstrækkelig energi fra Solen til at opretholde overfladevand - det fordamper øjeblikkeligt ved overfladen. Men med dets lave tryk og relativt lune temperaturer på -55ºC (spænder fra -133ºC ved vinterpolen til +27ºC om sommeren), rumfartøjer smelter ikke på overfladen, giver os større adgang til at afsløre dens hemmeligheder. Desuden, takket være manglen på genbrugspladetektonik på planeten, fire milliarder år gamle sten er direkte tilgængelige for vores landere og rovere, der udforsker dens overflade. I mellemtiden vores kredsløb, inklusive Mars Express, som har undersøgt planeten i mere end 15 år, finder konstant beviser for dets engang strømmende vand, oceaner og søer, giver et pirrende håb om, at det engang kunne have understøttet livet.

Den Røde Planet ville også have startet med en tykkere atmosfære takket være leveringen af ​​flygtige stoffer fra asteroider og kometer, og vulkansk udgasning fra planeten, da dens klippefyldte indre kølede ned. Det kunne simpelthen ikke holde på sin atmosfære højst sandsynligt på grund af dens mindre masse og lavere tyngdekraft. Ud over, dens oprindelige højere temperatur ville have givet mere energi til gasmolekyler i atmosfæren, så de lettere kan flygte. Og, har også mistet sit globale magnetfelt tidligt i sin historie, den resterende atmosfære blev efterfølgende udsat for solvinden – en kontinuerlig strøm af ladede partikler fra Solen – at, ligesom på Venus, fortsætter med at fjerne atmosfæren selv i dag.

Med en nedsat atmosfære, overfladevandet bevægede sig under jorden, kun frigivet som store oversvømmelser, når stød opvarmede jorden og frigjorde underjordiske vand og is. Den er også låst inde i polariskapperne. Mars Express har også for nylig opdaget en pool af flydende vand begravet inden for to kilometer fra overfladen. Kunne beviser på liv også være under jorden? Dette spørgsmål er kernen i Europas ExoMars rover, planlagt til at lancere i 2020 og lande i 2021 for at bore op til to meter under overfladen for at hente og analysere prøver i søgen efter biomarkører.

Mars menes i øjeblikket at komme ud af en istid. Ligesom Jorden, Mars er følsom over for ændringer i faktorer såsom hældningen af ​​sin rotationsakse, når den kredser om Solen; det menes, at vandets stabilitet ved overfladen har varieret over tusinder til millioner af år, da planetens aksiale hældning og dens afstand fra Solen undergår cykliske ændringer. ExoMars Trace Gas Orbiter, i øjeblikket undersøger den røde planet fra kredsløb, for nylig opdaget hydreret materiale i ækvatoriale områder, der kunne repræsentere tidligere placeringer af planetens poler i fortiden.

Trace Gas Orbiters primære mission er at foretage en præcis opgørelse af planetens atmosfære, især sporgasserne, som udgør mindre end 1 % af planetens samlede volumen af ​​atmosfæren. Af særlig interesse er metan, som på Jorden hovedsageligt er produceret af biologisk aktivitet, og også ved naturlige og geologiske processer. Antydninger af metan er tidligere blevet rapporteret af Mars Express, og senere af NASA's Curiosity rover på planetens overflade, men Trace Gas Orbiters meget følsomme instrumenter har indtil videre rapporteret et generelt fravær af gassen, uddybe mysteriet. For at bekræfte de forskellige resultater, videnskabsmænd undersøger ikke kun, hvordan metan kan skabes, men også hvordan det kan blive ødelagt tæt på overfladen. Ikke alle livsformer genererer metan, imidlertid, og roveren med sin underjordiske boremaskine vil forhåbentlig kunne fortælle os mere. Den fortsatte udforskning af den røde planet vil helt sikkert hjælpe os med at forstå, hvordan og hvorfor Mars' beboelighedspotentiale har ændret sig over tid.

Udforsker længere

På trods af at man starter med de samme ingredienser, Jordens naboer led ødelæggende klimakatastrofer og kunne ikke holde på deres vand længe. Venus blev for varm og Mars for kold; kun Jorden blev 'Goldilocks'-planeten med de helt rigtige forhold. Var vi tæt på at blive Mars-lignende i en tidligere istid? Hvor tæt er vi på den løbske drivhuseffekt, der plager Venus? At forstå udviklingen af ​​disse planeter og deres atmosfæres rolle er enormt vigtigt for at forstå klimaændringer på vores egen planet, da de samme fysiklove i sidste ende styrer alle. De data, der returneres fra vores kredsende rumfartøjer, giver naturlige påmindelser om, at klimastabilitet ikke er noget, der skal tages for givet.

I hvert fald på meget lang sigt – milliarder af år ud i fremtiden – er et drivhus Jorden et uundgåeligt resultat i hænderne på den aldrende Sol. Vores engang livgivende stjerne vil til sidst svulme og lysne, at injicere nok varme i Jordens sarte system til at koge vores oceaner, sender den ned ad samme vej som dens onde tvilling.