Hvad andre planeter kan lære os om Jorden

Sommetider, du er nødt til at forlade hjemmet for at forstå det. For Stanford planetgeolog Mathieu Lapôtre, "hjem" omfatter hele Jorden.

"Vi ser ikke kun på andre planeter for at vide, hvad der er derude. Det er også en måde for os at lære ting om planeten, der er under vores egne fødder, sagde Lapôtre, en assisterende professor i geologiske videnskaber i School of Earth, Energi, &Environmental Sciences (Stanford Earth).

Forskere siden Galileo har søgt at forstå andre planetariske legemer gennem en jordisk linse. For nylig, forskere har anerkendt planetarisk udforskning som en tovejsgade. Studier af rummet har hjulpet med at forklare aspekter af klimaet og fysikken i nuklear vinter, for eksempel. Alligevel har åbenbaringer ikke gennemsyret alle geovidenskabelige felter lige meget. Bestræbelser på at forklare processer tættere på jorden - ved Jordens overflade og dybt i dens mave - er kun begyndt at drage fordel af viden indsamlet i rummet.

Nu, efterhånden som teleskoper får mere kraft, exoplanetstudier bliver mere sofistikerede og planetariske missioner producerer nye data, der er potentiale for meget bredere virkninger på tværs af jordvidenskaberne, som Lapôtre og medforfattere fra Arizona State University, Harvard Universitet, Rice University, Stanford og Yale University argumenterer i tidsskriftet Naturanmeldelser Jord og miljø .

"Mængden og mangfoldigheden af ​​planetariske legemer i og uden for vores solsystem, " skriver de i en avis offentliggjort 2. marts, "kan være nøglen til at løse fundamentale mysterier om Jorden."

I de kommende år, undersøgelser af disse kroppe kan meget vel ændre den måde, vi tænker på vores plads i universet.

Fremmede former

Observationer fra Mars har allerede ændret den måde, videnskabsmænd tænker på fysikken i sedimentære processer på Jorden. Et eksempel kom i gang, da NASAs Curiosity Rover krydsede en klitmark på den røde planet i 2015.

"Vi så, at der var store klitter og små, decimeterskala krusninger som dem vi ser på Jorden, sagde Lapôtre, der arbejdede på missionen som ph.d. studerende på Caltech i Pasadena, Calif. "Men der var også en tredje type sengeform, eller krusning, der ikke findes på Jorden. Vi kunne ikke forklare, hvordan eller hvorfor denne form eksisterede på Mars."

De mærkelige mønstre fik forskere til at revidere deres modeller og opfinde nye, hvilket i sidste ende førte til opdagelsen af ​​en sammenhæng mellem størrelsen af ​​en krusning og tætheden af ​​vandet eller anden væske, der skabte den. "Ved hjælp af disse modeller udviklet til miljøet på Mars, vi kan nu se på en gammel sten på Jorden, måle krusninger i det og drage konklusioner om, hvor koldt eller salt vandet var på det tidspunkt, hvor klippen blev dannet, " sagde Lapôtre, "fordi både temperatur og salt påvirker væskedensiteten."

Denne tilgang er anvendelig på tværs af geovidenskaberne. "Nogle gange, når man udforsker en anden planet, du foretager en observation, der udfordrer din forståelse af geologiske processer, og det får dig til at revidere dine modeller, " forklarede Lapôtre.

Planeter som eksperimenter

Andre planetariske legemer kan også være med til at vise, hvor hyppige jordlignende legemer er i universet, og hvad, Nemlig, gør Jorden så forskellig fra den gennemsnitlige planet.

"Ved at studere de mange forskellige udfald, som vi ser på andre planetariske legemer og forstå de variabler, der former hver planet, vi kan lære mere om, hvordan ting kunne være sket på Jorden i fortiden, " forklarede medforfatter Sonia Tikoo-Schantz, en geofysikprofessor ved Stanford Earth, hvis forskning fokuserer på paleomagnetisme.

Overveje, hun foreslog, hvordan undersøgelser af Venus og Jorden har hjulpet videnskabsmænd til bedre at forstå pladetektonikken. "Venus og Jorden er omtrent lige store, og de er formentlig dannet under nogenlunde ens forhold, "Sagde Tikoo-Schantz. Men mens Jorden har tektoniske plader, der bevæger sig rundt og rigeligt vand, Venus har et stort set solidt låg, intet vand på overfladen og en meget tør atmosfære.

"Fra tid til anden, Venus har en form for katastrofal forstyrrelse og en genopblussen af ​​store dele af verden, " Tikoo-Schantz sagde, "men vi ser ikke dette kontinuerlige steady state tektoniske miljø, som vi har på Jorden."

Forskere er i stigende grad overbeviste om, at vand kan forklare meget af forskellen. "Vi ved, at subduktion af tektoniske plader bringer vand ned i Jorden, " sagde Tikoo-Schantz. "Det vand hjælper med at smøre den øvre kappe, og hjælper konvektion med at ske, hvilket hjælper med at drive pladetektonik. "

This approach—using planetary bodies as grand experiments—can be applied to answer more questions about how Earth works. "Imagine you want to see how gravity might affect certain processes, " Lapôtre said. "Going to other planets can let you run an experiment where you can observe what happens with a lower or higher gravity—something that's impossible to do on Earth."

Core paradox

Studies measuring magnetism in ancient rocks suggest that Earth's magnetic field has been active for at least 3.5 billion years. But the cooling and crystallization of the inner core that scientists believe sustains Earth's magnetic field today started less than 1.5 billion years ago. This 2-billion-year gap, known as the new core paradox, has left researchers puzzling over how Earth's dynamo could have started so early, and persisted for so long.

Answers may lie in other worlds.

"In our circle of close neighbors—the Moon, Mars, Venus—we're the only planet with a magnetic field that's been going strong since the beginning and remains active today, " Lapôtre said. But Jupiter-sized exoplanets orbiting close to their star have been identified with magnetic fields, and it may soon be technically feasible to detect similar fields on smaller, rocky, Earth-like worlds. Such discoveries would help clarify whether Earth's long-lived dynamo is a statistical anomaly in the universe whose startup required some special circumstance.

Ultimativt, the mystery around the origin and engine behind Earth's dynamo is a mystery about what creates and sustains the conditions for life. Earth's magnetic field is essential to its habitability, protecting it against dangerous solar winds that can strip a planet of water and atmosphere. "That's part of why Mars is such a dry desert compared to Earth, " Tikoo-Schantz said. "Mars started to dehydrate when its magnetic field died."

Earth everchanging

Much of the impetus to look far beyond Earth when trying to decode its inner workings has to do with our planet's restless nature. At many points in its 4.5 billion-year existence, Earth looked nothing like the blue-green marble it is today.

"We're trying to get to the point where we can characterize planets that are like the Earth, and hopefully, someday find life on one of them, " said co-author Laura Schaefer, a planetary scientist at Stanford Earth who studies exoplanets. Chances are it will be something more like bacteria than E.T., hun sagde.

"Just having another example of life anywhere would be amazing, " Schaefer said. It would also help to illuminate what happened on Earth during the billions of years before oxygen became abundant and, through processes and feedback loops that remain opaque, complex life burst forth.

"We're missing information from different environments that existed on the surface of the Earth during that time period, " Schaefer explained. Plate tectonics constantly recycles rocks from the surface, plunging them into the planet's fiery innards, while water sloshing around oceans, pelting down from rainclouds, hanging in the air, and slipping in rivers and streams tends to alter the geochemistry of rocks and minerals that remain near the surface.

Earth's very liveliness makes it a poor archive for evidence of life and its impacts. Other planetary bodies—some of them dead still and bone dry, others somehow akin to the ancient Earth—may prove better suited to the task.

That's part of why scientists were so excited to find, in 2019, that a rock sample collected by the Apollo 14 astronauts in 1971 may in fact hold minerals that rocketed off of Earth as a meteorite billions of years ago. "On the Moon, there is no plate tectonics or aqueous weathering, " Lapôtre said. "So this piece of rock has been sitting there intact for the last few billion years just waiting for us to find it."

To be sure, planetary scientists do not expect to find many ancient Earth time capsules preserved in space. But continued exploration of other worlds in our solar system and beyond could eventually yield a small statistical sample of planets with life on them—not carbon copies of Earth's systems, but systems nonetheless where interactions between life and atmosphere can come into sharper focus.

"They're not going to be at the same stage of life as we have today on Earth, and so we'll be able to learn about how planets and life evolve together, " Schaefer said. "That would be pretty revolutionary."