Как Венера и Марс могат да ни научат за Земята

Луната, Марс и Венера се издигат над хоризонта на Земята. Изображение чрез ESA / NASA.

Тази статия е препечатана от Европейската космическа агенция (ESA)

Човек има гъста отровна атмосфера, човек почти няма атмосфера и човек е точно подходящ за процъфтяване на живота - но не винаги е било така. Атмосферата на нашите две съседи Венера и Марс може да ни научи на много за миналите и бъдещите сценарии за нашата собствена планета.

Навийте назад 4, 6 милиарда години от днешния ден до планетарния двор и виждаме, че всички планети имат обща история: всички те са родени от един и същ въртелив облак от газ и прах, като новороденото слънце се запалва в центъра. Бавно, но сигурно, с помощта на гравитацията, прахът се натрупва в камъни, евентуално снежна топка в образувания с размер на планетата.

Скалистият материал може да издържи най-близката до слънцето топлина, докато газообразният леден материал може да оцелее само по-далеч, пораждайки съответно най-вътрешните земни планети и най-външните газови и ледени гиганти. Останалите създавали астероиди и комети.

Атмосферата на скалните планети се е образувала като част от много енергичния процес на изграждане, най-вече чрез изгаряне, докато изстинат, с някои малки приноси от вулканични изригвания и незначителна доставка на вода, газове и други съставки от комети и астероиди. С течение на времето атмосферата претърпя силна еволюция благодарение на сложна комбинация от фактори, които в крайна сметка доведоха до сегашното състояние, като Земята е единствената известна планета, която поддържа живота, и единствената с течна вода на повърхността си днес.

Ние знаем от космическите мисии като ESA's Venus Express, която наблюдаваше Венера от орбита между 2006 и 2014 г., и Mars Express, която изследва червената планета от 2003 г., че течната вода веднъж е текла и на нашите сестри планети. Докато водата на Венера отдавна е кипяла, на Марс тя е или погребана под земята или затворена в ледени шапки. Интимно свързан с историята на водата - и в крайна сметка с големия въпрос дали животът би могъл да възникне отвъд Земята - е състоянието на атмосферата на планетата. И свързано с това, взаимодействието и обмена на материал между атмосферата и океаните и скалния вътрешност на планетата.

Сравнение на 4-те земни (означаващи „земноподобни“) планети на нашата вътрешна слънчева система: Меркурий, Венера, Земя и Марс. Изображение чрез ESA.

Планетарно рециклиране

Обратно към новосформираните ни планети от топка от разтопена скала с мантия, заобикаляща плътно ядро, те започнаха да се охлаждат. Земята, Венера и Марс в тези ранни дни преживяха възмутителна активност, което формира първите млади, горещи и плътни атмосфери. Докато тези атмосфери също се охлаждаха, от небето валяха първи океани.

На определен етап обаче характеристиките на геоложката активност на трите планети се разминават. Earth s твърд капак се напука на плочи, на някои места се гмурка под друга плоча в зони на субдукция, а на други места се сблъскват, за да създадат огромни планински вериги или се раздробяват, за да създадат гигантски разриви или нова кора. Землически тектонски плочи продължават да се движат и днес, което поражда вулканични изригвания или земетресения на техните граници.

Венера, която е само малко по-малка от Земята, може и до днес да има вулканична активност, а изглежда, че повърхността й е била отново обновена с лави наскоро преди половин милиард години. Днес тя няма разпознаваема система за тектоника на плочите; вулканите му вероятно се захранват от топлинни потоци, издигащи се през мантията, създадени в процес, който може да се оприличи на "лава лампа", но в гигантски мащаби.

Марс от хоризонт до хоризонт. Изображение чрез ESA / DLR / FU Берлин

Марс, тъй като е много по-малък, се охлажда по-бързо от Земята и Венера и когато вулканите му изчезнаха, той губи ключово средство за попълване на атмосферата си. Но той все още може да се похвали с най-големия вулкан в цялата Слънчева система, 16 мили (25 км) висок Олимп Монс, вероятно също резултат от непрекъснатото вертикално изграждане на кора от струи, издигащи се отдолу. Въпреки че има доказателства за тектонична активност през последните 10 милиона години и дори за случайни морски трусове в днешно време, не се смята, че планетата има и подобна на Земята тектоника.

Не само глобалната тектоника на плочите сама прави Земята специална, но и уникалната комбинация с океаните. Днес нашите океани, които покриват около две трети от повърхността на Земята, поглъщат и съхраняват голяма част от нашата планета топлина, транспортирайки я по течения по цялото земно кълбо. Когато тектоничната плоча се завлече надолу в мантията, тя се загрява и отделя вода и газове, хванати в скалите, които от своя страна се просмукват чрез хидротермални отвори на океанското дъно.

Изключително издръжливи форми на живот са открити в такива среди на дъното на земните океани, като предоставят улики за това как може да е започнал ранният живот и дават указания на учените къде да търсят другаде в Слънчевата система: Луна на Юпитер, Европа или ледената луна на Сатурн Енцелад например, които прикриват океаните на течната вода под ледените си кори, с данни от космически мисии като Касини, предполагащи хидротермална активност.

Нещо повече, тектониката на плочите помага да се модулира атмосферата ни, като се регулира количеството въглероден диоксид на нашата планета за дълги времеви интервали. Когато атмосферният въглероден диоксид се комбинира с вода, се образува въглеродна киселина, която от своя страна разтваря скалите. Дъждът носи въглеродна киселина и калций в океаните - въглеродният диоксид също се разтваря директно в океаните - където той се върти обратно в океанското дъно. За почти половината от земната история атмосферата съдържаше много малко кислород. Океанските цинобактерии бяха първите, които използваха слънчевата енергия за преобразуване на въглеродния диоксид в кислород, повратна точка в осигуряването на атмосферата, която много по-надолу по линията позволи на сложния живот да процъфти. Без планетарното рециклиране и регулиране между мантията, океаните и атмосферата Земята може да е свършила повече като Венера.

Изключителен парников ефект

Понякога Венера е наричана злия близнак на Земята, поради факта, че е почти с еднакъв размер, но поразена с гъста вредна атмосфера и набъбваща 470ºC (878 F) повърхност. Високото му налягане и температура са достатъчно горещи, за да стопят олово - и да унищожат космическия кораб, който се осмелява да кацне на него. Благодарение на плътната си атмосфера, той е дори по-горещ от планетата Меркурий, която орбитира по-близо до слънцето. Драматичното му отклонение от подобна на Земята среда често се използва като пример за това, което се случва при бягство на парниковият ефект.

Добре дошли във Венера, злия близнак на Земята. Изображение чрез ESA / MPS / DLR-PF / IDA.

Основният източник на топлина в Слънчевата система е слънчевата енергия, която загрява повърхността на планетата нагоре и след това планетата излъчва енергия обратно в космоса. Атмосферата улавя част от изходящата енергия, задържайки топлина - така наречения парников ефект. Това е естествено явление, което помага да се регулира температурата на планетата. Ако не беше парниковите газове като водна пара, въглероден диоксид, метан и озон, температурата на повърхността на Земята щеше да бъде около 30 градуса по-хладна от сегашната й 59 градуса по Фаренхайт (15 градуса С).

През последните векове хората променят този естествен баланс на Земята, засилвайки парниковия ефект от зората на индустриалната дейност, като допринасят допълнително въглероден диоксид заедно с азотните окиси, сулфати и други микроелементи и прахови и димни частици във въздуха. Дългосрочните ефекти върху нашата планета включват глобалното затопляне, киселинните дъждове и изчерпването на озоновия слой. Последиците от затоплящия се климат са широкообхватни, които потенциално засягат сладководни ресурси, глобалното производство на храни и морското равнище и предизвикват увеличаване на екстремните метеорологични събития.

На Венера няма човешка дейност, но изучаването на нейната атмосфера осигурява естествена лаборатория за по-добро разбиране на бягството на парниковия ефект. В един момент от своята история Венера започна да улавя твърде много топлина. Някога се е смятало, че е домакин на океани като Земята, но добавената топлина превръща водата в пара, а от своя страна допълнителна водна пара в атмосферата улавя все повече и повече топлина, докато целият океан напълно не се изпари. Venus Express дори показа, че водната пара все още изтича от атмосферата на Венера и в Космоса днес.

Venus Express също откри мистериозен слой от серен диоксид с голяма надморска височина в атмосферата на планетата. Серен диоксид се очаква от излъчването на вулкани - по време на мисията Venus Express регистрира големи промени в съдържанието на серен диоксид в атмосферата. Това води до облаци на сярна киселина и капчици на надморска височина от 50-70 мили (50-70 км) - всеки останал серен диоксид трябва да бъде унищожен от интензивна слънчева радиация. Така че беше изненада за Venus Express да открие слой от газ на около 100 мили (62 км). Определено е, че при изпаряване на сярна киселина капки свободна сярна киселина, която след това се разгражда от слънчева светлина, отделяйки серен диоксид.

Наблюдението добавя към дискусията какво може да се случи, ако в атмосферата на Земята се инжектират големи количества серен диоксид - предложение за това как да се смекчат последиците от променящия се климат на Земята. Концепцията е демонстрирана от вулканичното изригване през 1991 г. на планината Пинатубо във Филипините, когато изхвърленият от изригването серен диоксид създава малки капчици концентрирана сярна киселина - като тези, открити в облаците на Венера - на около 12 мили (20 км) надморска височина. Това генерира мъгляв слой и охлажда планетата ни в световен мащаб с около .9 градуса по Фаренхайт (.5 градуса С) за няколко години. Тъй като тази мъгла отразява топлината, беше предложено, че един от начините за намаляване на глобалните температури е да се инжектират изкуствено големи количества серен диоксид в нашата атмосфера. Природните ефекти на планината Пинатубо обаче предлагат само временен охлаждащ ефект. Изучаването на огромния слой облачни капки от сярна киселина на Венера предлага естествен начин за изучаване на дългосрочните ефекти; първоначално защитната мъгла на по-голяма надморска височина в крайна сметка би се превърнала обратно в газообразна сярна киселина, която е прозрачна и позволява на всички слънчеви лъчи да проникнат. Да не говорим за страничния ефект от киселинен дъжд, който на Земята може да причини вредни ефекти върху почвите, растенията и водата.

Магнитосфери на земната планета. Изображение чрез ESA.

Глобално замразяване

Другият ни съсед, Марс, се намира в друга крайност: въпреки че атмосферата му също е предимно въглероден диоксид, днес той почти няма изобщо, с общ атмосферен обем по-малък от 1% от този на Земята.

Съществуващата атмосфера на Марс е толкова тънка, че макар въглеродният диоксид да се кондензира в облаци, той не може да задържа достатъчно енергия от слънцето, за да поддържа повърхностната вода - той се изпарява моментално на повърхността. Но със своето ниско налягане и сравнително балсави температури от -67 градуса по Фаренхайт (-55 градуса С) - от -207, 4 градуса по Фаренхайт (-133 градуса С) на зимния полюс до 80 градуса по Фаренхайт (27 градуса С) през лятото, космически кораби не се стопявайте върху повърхността му, което ни позволява по-голям достъп до разкриване на тайните му. Освен това, благодарение на липсата на тектоника на плочите за рециклиране на планетата, четири-милиардните години скали са директно достъпни за нашите земеделци и гребци, които изследват повърхността му. Междувременно нашите орбити, включително Mars Express, който изследва планетата повече от 15 години, непрекъснато намират доказателства за някога течащите й води, океани и езера, давайки мъчителна надежда, че някога може би е поддържал живота.

Червената планета също щеше да започне с по-плътна атмосфера благодарение на доставката на летливи вещества от астероиди и комети и вулканични излитания от планетата, когато скалистият й интериор се охлаждаше. Просто не можеше да удържи атмосферата си най-вероятно поради по-малката си маса и по-ниската гравитация. Освен това първоначалната му по-висока температура би дала повече енергия на газовите молекули в атмосферата, което би им позволило да избягат по-лесно. И като загуби глобалното си магнитно поле в началото на своята история, останалата атмосфера впоследствие беше изложена на слънчевия вятър - непрекъснат поток от заредени частици от слънцето, който, както и на Венера, продължава да отнема атмосферата дори и днес,

С намалена атмосфера повърхностните води се движеха под земята, освобождаваха се като огромни светкавични наводнения само при удари, загряващи земята и освобождаващи подпочвените води и леда. Той също е затворен в полярните ледени шапки. Mars Express също наскоро откри басейн с течна вода, погребан в рамките на 1, 24 мили от повърхността. Може ли доказателства за живота да са и под земята? Този въпрос е в основата на европейския ровер ExoMars, който трябва да стартира през 2020 г. и да кацне през 2021 г., за да пробие до 6, 6 фута (2 метра) под повърхността, за да извлече и анализира проби в търсене на биомаркери.

За Марс се смята, че в момента излиза от ледников период. Подобно на Земята, Марс е чувствителен към промените в фактори като наклона на въртящата си ос, докато обикаля около Слънцето; смята се, че стабилността на водата на повърхността варира в продължение на хиляди до милиони години, тъй като аксиалният наклон на планетата и нейното разстояние от слънцето претърпяват циклични промени. ExeMars Trace Gas Orbiter, понастоящем изследва червената планета от орбита, наскоро откри хидратиран материал в екваториални региони, които биха могли да представляват бивши локации на полюсите на планетата в миналото.

Основната мисия на Trace Gas Orbiter е да провежда прецизна инвентаризация на атмосферата на планетата, по-специално на следовите газове, които съставляват по-малко от 1% от общия обем на атмосферата. Особен интерес представлява метанът, който на Земята се произвежда до голяма степен чрез биологична активност, а също и от природни и геоложки процеси. Съвети за метан по-рано бяха докладвани от Mars Express, а по-късно и от NASA Curiosity rover на повърхността на планетата, но високо чувствителните инструменти на Trace Gas Orbiter досега съобщават за общо отсъствие на газ, задълбочавайки мистерията. За да потвърдят различните резултати, учените изследват не само как може да се създаде метан, но и как той може да бъде унищожен близо до повърхността. Не всички форми на живот обаче генерират метан, а роувърът с подземната си бормашина ще се надяваме да ни каже повече. Със сигурност непрекъснатото проучване на червената планета ще ни помогне да разберем как и защо потенциалът на обитаемост на Mars се е променил във времето.

Изсъхнала мрежа от речни долини на Марс. Изображение чрез ESA / DLR / FU Берлин.

Проучване по-далеч

Въпреки че започват със същите съставки, съседите на Earth претърпяват опустошителни климатични катастрофи и не могат да се задържат дълго за водата си. Венера стана твърде гореща, а Марс твърде студена; само Земята стана планетата „Златоделци“ с точно правилните условия. Доближихме ли се да станем подобни на Марс в предишна ледникова епоха? Колко сме близо до убягващия парников ефект, който порази Венера? Разбирането на еволюцията на тези планети и ролята на техните атмосфери е изключително важно за разбирането на климатичните промени на нашата собствена планета, тъй като в крайна сметка всички тези закони на физиката управляват всички. Данните, върнати от нашия орбитален космически кораб, предоставят естествени напомняния, че стабилността на климата не е нещо, което трябва да се приема за даденост.

Във всеки случай, в много дългосрочен план милиарди години в бъдещето парниковата Земя е неизбежен резултат от ръцете на застаряващото слънце. Нашата някога животворна звезда в крайна сметка ще набъбне и ще озари, инжектирайки достатъчно топлина в деликатната система на Земята, за да заври нашите океани, изпращайки я по същия път като своя зъл близнак.

Долен ред: Атмосферата на планетите Марс и Венера може да ни научи на много за минали и бъдещи сценарии за Земята.